KR20040017102A

KR20040017102A - 티파이브 형광 램프용 전자식 안정기

Info

Publication number: KR20040017102A
Application number: KR1020020049224A
Authority: KR
Inventors: 전은민
Original assignee: 라이트전자 주식회사
Priority date: 2002-08-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2004-02-26
Also published as: KR100510110B1

Abstract

본 발명은 T5 형광 램프용 전자식 안정기로써 T5 형광 램프를 효과적으로 점등시키기 위한 전자식 안정기에 관한 것이다.

T5 형광 램프는 기존의 T10 또는 T8보다 관경을 세관화하여 발광 효율을 향상시킨 램프로서 본 안정기는 T5 램프의 당초 개발 취지에 부응하여 점등시 효율을 극대화하고 램프 수명을 더욱 연장하여 에너지 절약 및 자원절약을 하고자 하는데 목적을 두고 개발된 T5형광 램프용 전자식 안정기이다.

이러한 본 안정기는 입력 노이즈를 제거하는 EMI필터부, 부하 교류 전압을 정류하여 직류로 변환하는 정류부, P. F IC를 이용하여 능동적으로 역률 및 THD를 개선하는 역률개선부, 상기 램프를 효과적으로 점등하기 위하여 직류를 고주파 교류로 변환하는 인버터부, 고주파 구형파형을 사인파형으로 만들어주고 상기 램프의 효과적인 점등을 위해 전류를 제한하여 일정한 출력을 만들어주는 전류제어부, 안정기의 과전류 출력시 이를 검출하여 상기 안정기의 동작을 정지시켜 주는 보호회로부로 구성되어짐을 특징으로 하며,

또한 안정기의 소자 중 소전압의 직류전압이 필요한 부분에 이를 공급하기 위한 VCC 전원공급부가 있으며 인버터부 내에 예열 및 정상 점등시 적절한 주파수를 발생하여 인버터부를 효과적으로 운용하게 하는 드라이브부와 예열을 위한 프로그램 스타트부가 마련되어짐을 특징으로 한다.

Description

티파이브 형광 램프용 전자식 안정기 { Electronic ballasts for T5 lamps }

T5 형광 램프는 기존의 T10 또는 T8보다 관경을 세관화하여 발광 효율을 향상시킨 램프를 말하는 것으로서, 본 안정기는 T5램프의 당초 취지에 부응하여 점등시 효율을 극대화하고 램프 수명을 더욱 연장하여 에너지 절약 및 자원절약을 하고자 하는데 목적을 두고 개발된 T5형광 램프용 전자식 안정기에 관한 것이다.

일반적으로 T5 형광램프용 전자식 안정기는 T5 램프를 점등시킴은 물론이고 T5 램프의 당초 취지에 부응하도록 효율을 극대화시키고 램프 수명을 연장함에 목적을 두고 개발된 것으로서, 이하 첨부된 도면에 의하여 종래의 T5 형광 램프용 전자식 안정기를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도2는 종래 T5 형광램프용 전자식 안정기의 구성도이다.

종래의 T5 형광램프용 전자식 안정기는 도시된 바와 같이 상용전원의 이상전압을 제거하는 바리스터(VR1)에 이어 코먼모드 라인필터(T1) 및 고역 및 저역의 노이즈를 제거하는 4개의 라인바이패스 콘덴서(C1, C2, C3, C4)가 연속해서 접속되어 있는 EMI 필터부(201)로 이어진다. 상기 EMI 필터부(201)에 이어 교류를 정류하여 직류로 변환하는 정류부(202)로 이어진다. 상기 정류부(202)는 브리지 다이오드에 의해 정류되어지고 전해 콘덴서(C5)에 의해 평활되어진다. 이런 과정을 거쳐 형성된 직류전압은 Half Bridge방식으로 구성된 인버터부(203)를 동작시키고 상기 인버터부는 고주파 구형파 출력을 전류제어부(205)로 인가한다. Lamp와 상기 인버터부(203)의 사이에 마련되어 있는 전류 제어부(205)는 T4에 의해 고주파 구형파 교류를 고주파 사인파 교류로 변환, 점등시 전류를 제한하며 C7에 의해 램프의 전압을 유지시켜주어 점등을 유지시킨다. 한편 상기 인버터부(203)는 인버터부 내부의 드라이브부(203-A)에 의해 운용된다. 전원 초기 투입 시에는 C10의 충전 후 방전으로 DIAC이 동작되고 이는 상기 인버터부(203)의 Q2에 바이어스 진압을 인가한다. 이로서 스위칭동작이 시작되면 드라이브부(203-A)의 드라이브트랜스(T3)의 T3A에 흐르는 전류는 T3B와 T3C로 유기된다. T3C는 T3A와 반대방향으로 전류가 유기되도록 권선되어 있어 Q1과 Q2가 교번하며 스위칭 되면서 바이어스 전압을 인가하도록 되어있다. 또한 코일과 다이오드 및 콘덴서로 피드백 방식에 의한 역률 및 THD를 개선하기 위하여 역률개선부(204)가 마련되어 있다. 상기 역률개선부는 C8과 C9의 충방전 시차를 이용하여 전위차를 형성하고 인접하여 마련되어 있는 다이오드(D10, D11, D5, D6)를 통해 피드백하여 역률과 THD를 개선한다.

종래 기술의 문제점

상기한 바와 같이 종래의 기술은 T5용 형광램프를 점등함에 있어서 램프 수명 및 효율, 안전성 측면에서 여러 가지 문제점이 있다. 여기에서 종래 기술의 문제점을 상세히 기술하면 다음과 같다.

종래의 T5램프용 전자식 안정기의 경우 예열기능이 없어 램프 점등시 필라멘트에 충격을 주게되고 이로써 램프수명이 단축된다.

또한 효율을 높이기 위하여 세관화된 T5 램프의 경우 램프 양단 전압이 높다. 그로 인하여 상용전원 220V를 그대로 정류하고 평활하여 상기 램프를 점등하기 위한 전압으로 사용할 경우 램프의 전압유지를 위해 램프에 병렬로 연결되는 콘덴서(도2의 C7)의 용량이 커지게 되고, C7의 용량이 커짐에 따라 C7에 의해 전력의 LOSS가 커지게 되어 효율의 저하를 가져온다.

또한 피드백 방식의 역률 및 THD 개선방식은 그 성능이(역률 95%이상. THD20%이하) 미흡하여 효율을 극대화하지 못한다.

상용전원의 경우 그 전압의 변동이 상하 10퍼센트 내에서 있음은 주지의 사실이다. 이러한 변동이 있을 시 종래의 안정기는 램프에 출력되는 출력전류가 변하고 따라서 램프의 광출력 역시 변하는 문제점이 있다.

그리고 램프 수명 말기 시 또는 안정기 출력선의 오결선 시 과전류가 출력되게 되면 안정기 내부의 소손이 발생하여 화재와 같은 재해의 우려가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로,

드라이브 IC와 프로그램 스타트에 의한 효과적인 예열을 통하여 램프수명을 극대화하고,

SMPS방식에 의하여 탄력적으로 동작하는 P.F.IC를 이용해 역률 및 THD 개선을 극대화하며(역률 99%이상 THD 10%이하),

또한 상기 P.F.IC사용으로 램프를 점등하기 위한 전압을 380V에서 420V내의 전압으로 승압하여 사용하므로 램프에 병렬로 연결되는 콘덴서에 의한 전력 손실을 최소화하는 한편, P.F.IC를 사용할 경우 입력전압변동에도 출력전류의 변동이 없도록 하여 일정한 광출력을 유지되도록 하고,

또한 안정기의 과전류 출력시 이를 감지하여 안정기의 동작을 정지시키는 보호회로를 구성하여 안전성을 한층 향상시킴으로서,

상기한 종래기술의 문제점을 효과적으로 해결하여 램프의 수명 연장 및 효율 향상을 극대화함을 목적으로 한다.

도1은 본 발명의 구성회로도이다.

도2는 종래 기술의 구성회로도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

101 : 필터부102 : 정류부

103 : 역률개선부104 : 인버터부

104-A : 드라이브부104-B프로그램스타트부

105 : 전류 보호회로부106 : 전류제어부

U1 : P.F ICU2 : DRIVE IC

ZNR1 : 바리스터Q2, Q3, Q3 : FET

T3 : BOOST INDUCTORT4 : DRIVE TRANS

T5 : 초크 인덕터

상기와 같은 목적을 달성키 위한 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명의 구성도이다.

본 안정기의 구성은 입력 노이즈를 제거하는 EMI필터부(101)와; 상기 입력필터부로부터 출력되는 부하 교류 전압을 정류하여 직류로 변환하는 정류부(102)와; P. F IC를 이용하여 능동적으로 역률 및 THD를 개선하는 역률개선부(103)와; 램프를 효과적으로 점등하기 위하여 직류를 고주파 교류로 변환하는 인버터부(104)와; 상기 고주파 구형파형을 사인파형으로 만들어주고 상기 램프의 효과적인 점등을 위해 전류를 제한하여 일정한 출력을 만들어주는 전류제어부(106)와; 상기 안정기의 과전류 출력시 이를 검출하여 안정기의 동작을 정지시켜 주는 보호회로부(105)로; 이루어짐을 특징으로 한다.

또한 안정기의 소자 중 소전압의 직류전압이 필요한 부분에 이를 공급하기 위한 VCC 전원공급부가 있으며,

인버터부 내에 예열 및 정상 점등시 적절한 주파수를 발생하여 인버터부를 효과적으로 운용하게 하는 드라이브부(104-A)와; 프로그램에 의해 효과적인 예열을하기 위한 프로그램 스타트부(104-B)가; 마련되어짐을 특징으로 한다.

이어서 본 T5 램프용 전자식 안정기의 동작과정을 설명한다.

도1에 도시된 바와 같이 상용전원으로부터 발생되는 이상전압을 제거하는 바리스터(ZNR1)에 이어 스위칭전원 및 고주파 출력을 발생시킴에 있어 발생되는 노이즈 성분을 외부로 전도 및 방사됨을 방지하여 타 전기 전자 기기 및 인체에 유해한 전자파 성분을 차단함은 물론 상용전원으로부터 입력되는 잡음 성분을 제거하는 필터부(101)로 이어진다.

필터부(101)에 이어 정류부(102)는 전파 정류 방식으로 교류를 직류로 변환한다.

이어서 역률개선부(103)는 P.F IC(U1)를 이용하여 역률개선 및 THD개선을 극대화하였다. P(전력)=VㆍIㆍCOSθ)의 식으로 증명된 바와 같이 역률(COSθ)이 개선된다 함은 무효 전력의 손실을 줄여주는 것이다. 또한 THD 는 상용 전원의 주파수와 정수배로 형성되는 고주파 왜곡 성분으로 타 전기 전자기기에 치명적인 손상을 줄 수 있다. 그러므로 P.F IC(U1)에 의해 탄력적으로 운용하여 역률 및 THD 개선을 극대화시킴은 자원절약 측면에서 효과적인 방법이라 할 것이다.

본 안정기의 역률개선부(103)의 동작은 정류부(102)에 의해 전파 정류된 전압파형을 R1 및 R2에 의해 분배되어 강압되어져 U1 의 MULT에 접속된다. 역률을 개선한다 함은 전압과 전류의 위상을 동위상을 만들어줌에 목적이 있다.

그러므로 U1의 기본 동작 개념은 MULT로 입력되는 전압 파형을 기초로 P.F IC(U1)의 GD에 접속되어진 FET(Q1)게이트단에 FET구동 전압을 인가하여 FET(Q1)를 PWM 방식으로 제어한다. 이때 MULT에 입력되는 전압 파형에 전류파형이 추종하게끔 FET(Q1)는 스위칭 되어지고 이로써 전압과 전류의 위상을 동위상으로 만들어준다.

또한 이러한 PWM스위칭 동작을 함에 있어 전류파형의 왜곡현상을 제거하여 THD를 개선시킨다. 상기와 같은 동작을 함에 있어 U1은 보다 탄력적인 동작을 구현하기 위하여 다수의 핀(COMP, CS, ZCD)들이 역률개선부 각 부에 접속되어 동작중 발생되는 오류와 동작의 기준이 되는 신호를 검출하여 이를 PWM스위칭에 재반영하여 보다 효과적인 동작을 가능하게 한다.

또 상기의 역률개선부(103)의 중요한 기능은 정류되어진 직류 전압을 입력 전압의 변동에 무관하게 정전압으로 유지시켜주어 입력전압의 변동시에도 램프(lamp)가 일정한 광출력을 유지할 수 있도록 한다.

또한, 램프점등시 효율을 극대화시키기 위하여 직류전압을 승압하여 준다.도시된 바와 같이 BOOST INDUCTOR(T3)는 반복적인 에너지의 충방전으로 입력전압보다 높은 전압으로 승압하여 준다. 본 안정기에서는 직류전압을 380V에서 420V 사이의 전압을 설계값에 의해 설정하여 사용한다. 역률개선부(103)에 의해 승압된 고주파 PWM 형태의 전압은 C5충방전에 의해 최소한의 맥동을 유지하는 직류전압으로 평활된다.

인버터부(104)는 상기 C5에 의해 평활된 직류를 고주파의 교류로 변환하여 전류제어부(106)로 인가시키는 기능을 담당한다. 상기 인버터부(104)는 도시된 바와 같이 Half Bridge방식으로 두개의 FET(Q2, Q3) 및 드라이브부(104-A)와 프로그램스타트부(104-B)로 구성되어 있다. 상기 FET(Q2, Q3)는 Q2가 ON시 Q3는 OFF되고, 반대로 Q2가 OFF일때 Q3은 ON이 되는 동작을 반복하여 구형파의 고주파 교류를 발생시킨다.

한편 상기 인버터부(104)의 Q2와 Q3의 동작은 내부의 상기 드라이브부(104-A)에 의해 제어된다. 상기 드라이브부(104-A)의 상세한 설명은 하기와 같다.

드라이브부(104-A)를 대략적으로 볼 때 DRIVE IC(U2)와 U2의 동작을 위해 각 핀에 접속 된 소자들 및 PROGRAM START부, DRIVE TRANS(T4)로 세분화 할 수 있다. DRIVE IC(UI)는 통상적으로 사용되는 BALLAST CONTROLLER 이다. 정상 동작시 U2는 Ct에 접속된 C6의 충방전 시간에 의해 출력 주파수가 결정된다. U2는 OUT1과 OUT2의 두개의 출력을 갖고 있다. 출력 동작은 OUT1이 HIGH 출력을 가질 때 OUT2는 LOW출력을 내고, 반대로 OUT1이 LOW상태일 때 OUT2는 HIGH 상태를 반복한다.

이 출력은 도시된 바와 같이 DRIVE TRANS(T4) 1차에 연결되고 T4는 2차와 3차의 권선방향이 서로 반대로 되어져 있어 1차의 전류방향에 있는 2차는 동일하게 동작되고 3차는 역방향으로 동작하여 인버터부(104)의 Q2, Q3의 동작을 상기에 기술한 바와 같이 동작시켜준다.

BALLAST CONTROLLER(U2)는 점등시 필라멘트 예열 기능을 포함하여 기존의 비예열 방식에 비해 점등시 흑화를 방지하여 램프 수명을 연장시킨다. 하지만 T5 램프의 경우 통상적으로 사용되는 BALLAST CONTROLLER의 경우 RAPID START방식으로 T5 램프에 효과적인 예열을 하지 못한다. 그러므로 본 안정기는 RAPID 방식의 예열기능을 갖고있는 BALLAST CONTROLLER IC 에 PROGRAM START부를 추가하였다.

도시된 바와 같이 PROGRAM START부는 U2의 Cs에 접속되어진다. U2의 Cs는 RAPID START를 위한 PIN으로 GROUND와 접속시 필라멘트 전류예열을 하도록 되어있다.

필라멘트 전류예열은 정상주파수보다 높은 주파수를 발생시켜 LAMP의 방전 이전에 필라멘트를 통하여 램프에 병렬로 연결되어진 CAPACITOR(C7)를 통해 반대쪽필라멘트로 전류를 흐르게 하여 필라멘트 온도를 상승시켜 램프의 방전시 필라멘트의 충격을 최소화하기 위한 동작이다.

이 동작을 함에 있어 프로그램스타트부(104-B)는 예열 동작이 일정한 주파수와 전류로 일정시간동안 예열을 하며 예열주파수에서 정상점등주파수로 변환되는 시간을 20m/s 이내로 줄이고, 안정기가 off되어 lamp가 off 되었을 때 정상적인 예열 동작이 가능한 상태로 복귀하는 시간을 100m/s 이내로 줄여 RAPID START보다 탁월한 예열 성능을 나타낸다. 이로 인해 램프수명을 극대화한다.

전류 제어부(106)는 인버터부에서 발생된 고주파 교류출력을 도시된 바와 같이 초크 인덕터(T5)를 통해 lamp로 출력한다. 초크 인덕터(T5)는 전류를 제한하여 램프전류를 일정하게 유지시킨다. 램프에 병렬로 연결된 C7의 경우 상기 기술한 바와 같이 예열시의 기능 외에 램프전압을 유지시키며 회로공진을 맞춰준다. 또한 C8의 경우 DC 성분을 차단하고 전류를 제한하는 작용을 한다.

보호회로부(105)는 램프의 수명 말기 시에 램프방전이 일어나지 않아 과전류가 흐르거나 안정기 출력선의 오결선에 의해 과전류가 흐를 때 이를 감지하여 안정기 동작을 정지시키기 위해 발명된 회로부이다.

보호회로부(105)는 도시된 바와 같이 인버터부(104)의 Q3와 그라운드간에 소정의 저항 R7을 접속하여 인버터부(104)에서 그라운드로 흐르는 전류를 저항 R7을 통해 흐르게 한다. 이때 R7에 걸리는 소정의 전압은 V=I*R식에 의해 인버터부에 흐르는 전류의 양과 비례한다. 과전류 출력시에는 폐회로로 구성된 인버터부(104) 역시 과전류가 흐르고 R7의 전압 역시 상승한다. 즉, R7에 걸리는 전압으로 과전류 출력을 검출하게 된다. 과전류 출력이 검출되면 보호회로는 동작하여 U1 및 U2등에 인가되던 VCC 전압을 그라운드로 바이패스시킨다. 이로써 U1 및 U2의 VCC 전압의 공급은 차단되고 안정기의 동작 역시 정지된다.

또한 VCC 전원 공급부는 회로 구성 소자중 IC(U1, U2)등과 같이 소전압의 안정된 직류전원을 필요로 하는 곳에 이를 공급하기 위해 구성된 회로부이다.

상기와 같은 동작에 의해 본원 발명의 안정기가 가져오는 효과는 다음과 같다.

드라이브 IC와 프로그램 스타트에 의한 예열로 효과적인 예열을 통하여 램프수명을 극대화한다.

P.F.IC를 이용해 역률을 99%이상으로 개선하고, THD를 10%로 이하로 개선한다.

또한 램프를 점등하기 위한 전압을 380V에서 420V내의 전압으로 승압하여 사용하므로 램프의 병렬로 연결되는 콘덴서에 의한 전력 손실을 최소화하는 한편, P.F.IC를 사용할 경우 입력전압변동에도 출력전류의 변동이 없도록 하여 일정한 광출력이 유지되도록 한다.

또 안정기의 과전류 출력시 이를 감지하여 안정기의 동작을 정지시키는 보호회로를 구비함으로서 안정기의 안전성을 더 한층 향상시킨다.

Claims

교류 입력전원에서 입력되는 노이즈 및 안정기 내부에서 발생하는 노이즈를 제거하는 EMI필터부(101)와; 상기 교류 입력전원을 직류화하는 정류부(102)와; 내부 드라이브부에 의해 구동되어 상기 직류화된 전랍을 고주파 구형파 교류로 변환하여 주는 인버터부(104)와; 상기 인버터부의 고주파 구형파 출력을 사인파로 변환하고 전류를 제한하여 램프출력을 유지시키는 전류제어부(106)와; 역률 및 THD를 개선하여 주는 역률개선부(103)로; 구성된 형광램프용 전자식 안정기에 있어서,

상기 역률개선부(103)는 P. F IC를 사용하여 역률 및 THD를 개선함을 특징으로 하는 한편,

일정한 주파수로 일정시간동안 예열동작을 하는 상기 인버터부(104) 내부의 상기 드라이브부(104-A) 및 프로그램 스타트부(104-B)와; 과전류 출력시 내부부품의 소손을 방지하기 위해 과전류 출력을 감지하고 동작하여 안정성을 향상시키는 보호회로부(105)를; 추가로 구성하여 이루어짐을 특징으로 하는 T5형광램프용 전자식 안정기.
제 1 항에 있어서,

상기 역률개선부(103)는 BOOST INDUCTOR(T3)에 의해 직류전압을 380V에서 420V 사이의 전압으로 승압하여 사용하는 것을 특징으로 하는 T5 형광램프용 전자식 안정기.
제 1 항에 있어서,

상기 보호회로부(105)의 과전류를 검출하기 위해 인버터부(104)에 직렬로 저항을 접속하여 인버터에 흐르는 전류를 전압의 형태로 변환하여 이를 과전류 출력의 검출신호로 사용하는 것을 특징으로 하는 T5 형광램프용 전자식 안정기.