KR20040058248A - 방전 램프용 밸러스트 장치 - Google Patents

방전 램프용 밸러스트 장치 Download PDF

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KR20040058248A
KR20040058248A KR10-2004-7006380A KR20047006380A KR20040058248A KR 20040058248 A KR20040058248 A KR 20040058248A KR 20047006380 A KR20047006380 A KR 20047006380A KR 20040058248 A KR20040058248 A KR 20040058248A
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란게슬라그빌헬무스에이치엠
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 방전 램프를 점등하고 동작시키는 정류 장치에 관한 것이다. 램프는 정류 브릿지에서 인덕터와 직렬로 접속되고, 캐패시터와 병렬로 접속된다. 인덕터와 캐패시터는 점등 기간 동안 공진 회로를 형성한다. 브릿지는 상대적으로 높은 주파수로 정류된다. 점등 기간 후에, 램프는 동작 기간에 이르러서 안정 동작 기간이 된다. 안정 동작 기간에, 브릿지는 낮은 주파수로 정류된다. 본 발명에 따라서 정류 주파수는 동작 기간 동안 전류 공급을 최적화시키기 위해서, 점등 기간의 상대적으로 높은 주파수에서 안정 동작 기간의 낮은 주파수로 단계적으로 낮아진다.

Description

방전 램프용 밸러스트 장치{BALLASTING CIRCUIT}
방전 램프용 밸러스트 장치는, 예컨대 유럽 특허 출원 EP 0408121에 개시되어 있다. 이 출원에서 정류 회로는 점등 기간 중 어느 순간에 코일 및 캐패시터의 공진 주파수를 통과시키는 시변 스위칭 주파수로 정류된다. 본 발명의 목적은 공진 점등 기간과 정상 동작 기간 사이의 이른 바, 테이크 오버/웜 업(take-over/warm-up) 기간 중 정류 회로를 제공하는 공급 회로에 과도한 부하가 걸리는 일없이 정상 동작 기간으로의 신뢰할 수 있는 전환을 획득하기 위해서, 램프의 전극을 충분히 가열하는 것이다.
공진 점등에 관한 것이며, 주파수를 스위프(sweep)하는 정류 회로의 회로 주파수가 사용되는 미국 특허 제 5,932,976호에 따라서, 주파수 스위프의 종료시에, 주파수는 코일 및 캐패시터의 공전 주파수에 근접한 주파수에서 일정시간 유지된다. 그러나 그 결과, 정류 회로를 제공하는 공급 회로에는 크게 부하가 걸리고, 램프의 전극은 효율적으로 사전 가열되지 않는다.
본 발명은 브릿지형 정류 회로의 대각 브랜치(a diagonal branch)에 위치하며 전기 램프 접속부와 직렬로 배치된 코일 및 이들 접속부와 병렬로 배치된 캐패시터를 포함하는, 공진 점등(resonant ignition) 방전 램프용 밸러스트 장치에 관한 것으로, 이 정류 회로는 비교적 작은 진폭을 가진, 상대적으로 낮은 주파수의 구형파 인가 전압을 램프에 공급하며, 정상 동작 기간 전인 점등 기간 동안 이 정류 회로는 시간에 따라 변하는 스위칭 주파수의 스위칭 전압에 의해 상대적으로 높은 주파수에서 정류된다.
본 발명은 더 상세하게는, 램프의 공진 점등 밸러스트 장치에 관한 것으로, 여기서 램프를 점등시키는 점등 전압은 코일 및 캐패시터를 전기적으로 공진시킴으로써 전기 램프 접속부에서 발생된다.
본 발명의 이러한 측면은 하기에 설명되는 실시예를 참조로 더욱 자명하며, 이를 참조로 설명될 것이다.
도 1은 통상적인 UHP 램프의 밸러스트 장치를, 본 발명을 이해하는 데 필요하지 않은 세부 사항은 생략한 채, 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 램프 전압을 도 1의 정류 회로의 스위칭 주파수의 함수로 도시하는 도면,
도 3은 전압 크기 및 스위칭 주파수가 도식적으로 도시된, 밸러스트 장치의 다양한 동작 기간을 경시적으로 개략적으로 도시하는 도면,
도 4는 테이크 오버/웜 업 기간의 램프 전류를 스위칭 주파수의 함수로 도시하는 도면,
도 5는 테이크 오버 기간의 램프 전압을 시간의 함수로 도시하는 도면.
본 발명의 목적은 위에서 설명된 바와 같이 공진 점등 방전 램프용 밸러스트 장치에 의해 달성되는데, 이 정류 회로는 점등 기간과 정상 동작 기간 사이의 테이크 오버/웜 업 기간 동안 상대적으로 높은 주파수의 인가 전압보다 상대적으로 낮은 주파수를 가진 인가 전압이 램프에 공급되며, 테이크 오버/웜 업 기간 동안 램프에 공급되는 전류를 하나의 혹은 다수의 시간 순차적인 단계마다 최적화시키도록, 이 전압의 주파수가 상대적으로 높은 주파수의 인가 전압의 주파수에 비해 한 주파수 스텝씩 감소되는 것을 특징으로 한다.
본 발명자는 테이크 오버/웜 업 기간 동안 스위칭 주파수에 무관하게 램프 캐패시터 양단의 전압을 2배로 증폭함으로써, 캐패시터 양단의 전압이 정상 동작기간에서의 전환 테이크 오버를 유발하기에 충분하고, 그 결과 이 기간 동안 필요한 전류가 램프에 공급될 수 있도록 주파수가 선택될 수 있다는 것을 알았다. 이 이른바 테이크 오버 전류는 스위칭 주파수가 낮아질수록 높아지고, 이 현상은 기간 및 단계 중에 스위칭 주파수를 감소시키는 것으로 본 발명에 의해 사용되며, 그 결과 테이크 오버 기간에 램프의 비대칭적인 동작인 상황에 발생할 수 있는, 정류기 효과를 가진 단방향의 큰 전류를 유발할 수 있는 매우 큰 전류가 차단된다.
도 1에 따른 방전 램프의 밸러스트 장치는 AC 전압 주요부(1)에 접속된 AC/DC 컨버터 회로(2)를 포함하며, 이 컨버터 회로는 출력 캐패시터로서 캐패시터(C1)를 포함한다.
"초퍼(chopper)"라고도 불리는, 제어/스위칭형 DC/DC 컨버터 회로(3)는 컨버터 회로(1)에 접속되며, 이 초퍼는 스위칭형 스위칭 트랜지스터(T0), 다이오드(D1), 코일(L1) 및 출력 캐패시터(C2)를 포함한다. 제어 회로(4)의 제어 하에서, 아크 방전이 램프에서 계속해서 발생되는 기간, 즉 램프가 "온" 상태인 정상 동작 기간 동안 이 초퍼가 알려진 방식으로 사용되어서 램프 전류를 안정화시킨다.
제어 회로(6)에 의해 제어되는 스위칭 트랜지스터(T1-T4)를 포함하는 정류 회로(5)는 초퍼(3)에 접속된다. 브릿지형 정류 회로(5)의 대각 브랜치(P1-P2)에는, 램프(L)의 전기 램프 접속부와 직렬로 접속된 코일(L2) 및 이들 접속부에 병렬 접속된 램프 캐패시터(C3)가 존재한다.
램프(L)는 예컨대 HID 램프 또는 UHP 램프이다. 램프가 "온" 상태가 되도록 램프(L)에서 아크 방전이 영구적으로 발생하는 정상 동작 기간 동안, 제어 회로(6)는 비교적 낮은 주파수의 스위칭 전압을 스위칭 트랜지스터(T1-T4)에 인가해서 이들이 도전 상태로 교번해서 및 T1, T4와 T2, T3의 쌍으로 스위칭 온되게 하고, 그 결과, 비교적 작은 혹은 비교적 적절한 진폭의 구형파 인가 전압이 램프에 공급된다.
전상 동작 기간 이전인 공진 점등 기간에, 제어 회로(6)는 상대적으로 높은 주파수의 스위칭 전압을 스위칭 트랜지스터(T1-T4)에 인가하되, 이 스위칭 주파수는 시간에 따라 변해서, 램프(L) 양단에 점등 전압을 생성하도록 코일 및 캐패시터를 전기적으로 공진시킨다(적어도 적절하게).
본 발명자는 실험을 해서 코일(L) 및 캐패시터(C3)를 공진시키는 새로운 방법을 유도했고, 그 결과가 도 2에 도시되어 있다.
이 실험에서, 램프 전압(VL)은 비부하 회로에서, 스위칭 주파수(fb)의 함수로 측정되었고, 이 스위칭 주파수(fb)를 사용해서 브릿지형 정류 회로(5)가 제어 회로(6)에 의해서 정류되며, 이 스위칭 주파수(fb)는 이하 설명에서 브릿지 주파수(fb)라고 불릴 것이다.
도 2는 L2=150mH이고, C3=250pF인 경우에, 즉 원래의 공진 주파수(f0)=1/2 PI 루트 LC로 약 820㎑인 경우에, 램프 전압(VL)을 브릿지 주파수(fb)의 함수로서 도시하고 있다. H3, H5 및 H7로 표시된 브릿지 주파수(fb)의 전압 피크가 각각 브릿지 주파수(fb)에서 나타나며, 이 브릿지 주파수(fb)의 제 3, 제 5 및 제 7 고조파에서 L2-C3가 공진하기 시작한다. L2-C3가 브릿지 주파수(fb)의 제 3 고조파에서 공진하는 경우, 즉 주어진 코일(L2)의 자체 인덕턴스와 캐패시터(C3)의 캐패시턴스의 값에 대한 브릿지 주파수(fb)가 L2-C3의 원래의 공진 주파수의 1/3이 되도록 선택되는 경우 발생하는 피크(H3)는, 충분히 높은 램프(L) 점등 전압을 제공할 수 있다는 것을 알았으며, 램프의 타입에 따라서 심지어 가능하다면 필요 이상의높은 점등 전압에서, 피크(H5, H7)도 마찬가지이고, 이 경우 UHP 및 HID 램프를 더 개선함으로써 필요한 이들 램프의 점등 전압 값이 감소될 수 있다.
이로써 도 3에 도시된 방전 램프 동작 방식이 유도된다.
도 3A에서는 비부하 회로의 전압 크기(V)가 세로축으로 도시되고, 시간(t)이 가로축으로 도시되어 있으며, 도 3B에서는 주파수(f)가 세로축으로 도시되고, 시간(t)이 가로축으로 도시되어 있다(도면은 실측이 아니며, 설명하기 위한 도면이다).
램프가 계속해서 "온" 상태인 정상 동작 기간은 시점(t3)부터 시작하며, 이 기간 동안 예컨대, 90㎐의 주파수를 가진, 비교적 낮은 주파수의 구형파 인가 전압이 비교적 작은 진폭으로 램프에 공급된다.
문제의 기간, 즉 점등 기간은 시작부터 t2까지 계속되고, t1은 중요한 중간 시점이다. 이 기간에, 정류 회로(5)는 중간 시점(t1)까지 시변 브릿지 주파수(fb)로 동작하고, 여기서 fb는 210㎑에서 160㎑로 변하며, L2 및 C2용으로 사용되는 값은 각각 250μH 및 330pF로, 약 554㎑인 L2-C3의 공진 주파수(f0)가 유도되고, 그 결과 어떤 시점에서는 브릿지 주파수(fb)는 브릿지 주파수(fb)의 제 3 고조파가 공진 주파수(f)와 같아지는 값(약 554/3=185㎑)에 이를 수 있고, 램프를 점등할 수 있는 전압 피크(H3, 도 2)가 캐패시터(C3) 양단에서 전개된다. 이에 대해, 공진 주파수와 일정 차이를 두고(예컨대 1㎑ 이상) 브릿지 주파수의 제 3 고조파가 공진 주파수(f0)에 근접하자마자 충분히 높은 점등 전압이 램프 캐패시터 양단에 전개될수 있다.
공진 주파수(f0) 대 브릿지 주파수(fb)의 비가 3:1이기 때문에, 코일(L2)의 자체 인덕턴스 및 캐패시터(C3)의 캐패시턴스는 일반적인 1:1의 비에서는 나타났을 값보다 훨씬 더 작은 값이 될 수 있고, 그럼에도 불구하고 공진 점등이 크게 높지 않은 브릿지 주파수로 발생될 수 있다는 이점이 있다.
도 3A는 시점(t1)까지 증가하는 램프 양단의 전압을 도시하고 있으며, 점등 전압은 브릿지 주파수(fb)가 공진 주파수(f0)의 1/3에 가까운 순간 혹은, 다르게 표현하면 fb의 제 3 고조파가 f0에 가까운 시점에서 발생한다. 이 순간은 램프 접속부(P3, P2)에서 스위칭되고, 램프 접속부(P3)와 접속부(P2) 사이에서 특정 전압 레벨에서 작동하기 시작하는 전압 레벨 검출 회로(7:도 1)에 의해서 검출되며, 이 경우 적어도 거의 이 값으로 이 전압을 안정시키고, 동작을 개시한 후에 이 검출 회로(7)는 표시 신호를 제어 회로(6)에 공급하고, 그 결과 제어 회로(6)는 이 제어 회로에 접속되거나 이 제어 회로에 내장되어서 브릿지 주파수(fb)를 산출하는 전압 제어형 오실레이터(VCO)가 시점(t2)까지 적어도 공진 주파수(f0)의 1/3에 가까운 획득 주파수로 유지되게 한다.
설명을 위해서, t1에서 t2까지의 시간 길이는 신뢰할만한 점화를 유발할 정도인 예컨대 500㎳가 될 수 있고, 시작부터 t1까지의 길이는 예컨대 100㎳가 될 수 있지만 이는 중요한 것이 아니다.
피크(H5, H7:도 2)가 각각 충분히 높은 점등 전압을 인가할 수 있을 때는,지금까지 제 3 고조파에 관해서 설명한 것에 필요한 변경을 더해서 제 5 및 제 7 고조파에도 적용하며, 설명을 위해 제공된 위에 설명된 값들 중 어느 것도 한정의 의미는 아니고, 또한 시간(0-t1, t1-t2)의 값은 단지 설명을 위한 것으로 필요에 따라서는 실험적으로 측정될 수 있다.
웜 업 및/또는 테이크 오버 기간을 공진 점등의 점등 기간(0-t2, 도 3A)과 램프가 "온" 상태인 정상 동작 기간(t3 이후) 사이에 도입하는 것은 중요하고, 여기서 웜 업 및/또는 테이크 오버 기간 동안 램프 전극이 글로우 방전(glow discharge)에 의해 가열된다.
점등 이후에, 램프는 단락(저항이 거의 1옴)되고, 램프 양단의 비부하 전압이 제 3 고조파에 가깝게 생성되어서 램프가 단락되는 경우, 정류 회로(5)에 접속된 초퍼 또는 제어단(3)은 실제로 1암페어 미만인 비교적 낮은 피크 전류를 제공한다. 그러나, 램프의 전극을 가열하기 위해서는 실제로 예컨대 약 2암페어의 더 높은 전류 피크 값이 요구되고, 제어단(3)의 출력 캐패시터(C2) 양단에도 충분히 높은 전압이 요구된다.
본 발명자에 의해 수행된 실험을 통해 나온, 브릿지 주파수(fb)에 대한, 비부하 회로의 램프 전압(VL)의 도 2의 그래프는, 약 160볼트인, 이 특정 경우 320볼트인 출력 캐패시터(C2)양단의 전압에서, 램프 전압이 항상 점선으로 표시된 레벨 이상인 것으로 표시된다.
다른 실험에서 도 4에 도시된 그래프가 유도되었으며, 램프 전류(I1)가 브릿지 주파수(fb)에 대해서 도시되어 있다. 이 그래프는 원하는 전류 레벨을 달성하기 위해서 브릿지 주파수가 감소되어야 한다는 것을 나타내고 있다.
예컨대, 100㎑인 브릿지 주파수의 1주기 동안의 램프 양단의 전압(V1)이 시간의 함수로서 도 5에 도시되어 있으며, 도시된 진폭(Os)은 L2-C3의 공진 주파수(f0)와 같은 주파수를 가지고 있다. 공진 회로(L2-C3)는 100㎑의 신호에 의해 동작되고, 제어단(3)의 출력 캐패시터(C2) 양단의 피크 전압의 2배인 진폭(Os)이 캐패시터(C3) 양단에 전개되며, 그 결과 출력 캐패시터(C2)에서는 더 낮은 전압으로도 충분하다.
도 3B에 도시된 바와 같이, 시점(t2)에서, 브릿지 주파수(fb)는 시점(t1)에서 획득된 주파수인 약 f0/3(약 283㎑)에서 예컨대 128㎑로 한 주파수 단계(one frequency step)씩 감소되어서, 이 기간에 램프에 공급되는 전류를 최적화시키며, 이는 예컨대 램프의 비대칭 동작이 너무 큰 비대칭 전류를 유도할 수 있다는 점을 고려할 수 있다. 시점(t2')에서, 시점(t3)에서 정상 동작 기간으로의 전환을 촉진하는 더 큰 전류가 가능하도록 브릿지 주파수는 예컨대 84㎑로 감소될 수 있다. 이 기간(t2-t3)은 예컨대 1초가 될 수 있다.
시간(t2-t3) 동안의 주파수 단계의 횟수 및 크기는 필요한 전류에 대해서 최적화될 수 있도록 선택되고, 위에서 설명한 바와 같이 순수하게 예시적인 데이터가 주파수 단계의 횟수 및 크기에 대해서 한정되는 것이 아니라는 점에 주목한다.
도 3A를 참조하면, t3까지, 즉 램프의 비점등 상태에서, 비부하 회로의 전압이 도시되어 있으며, 브레이크다운 이후에 전압은 더욱 낮다. 실제로 램프는 t1과t3 사이에 다시 소등된다. 이 경우, 위에 설명된 바와 같이 약 300V를 초과하는 최소 전압을(도 3 및 도 5 참조) 항상 이용할 수 있으므로, 램프는 다시 "온" 상태가 될 것이다. 램프가 시점(t3) 이후에 온 상태가 아니면, 이는 알려진 방식으로 측정될 수 있고, 위에서 설명된 전체 과정(도 3B)은 일정기간 반복된다.
점등 기간 및 테이크 오버/웜 업 기간 동안의 브릿지 주파수(fb)의 변화에 관한 이 설명은 당업자가 정해진 또는 가변적인 방식으로, 예컨대 마이크로컨트롤 유닛(마이크로컨트롤러) 또는 마이크로프로세싱 유닛(마이크로프로세서)의 형태로 VCO가 설치된 제어 회로(6)를, 적절한 스위칭 전압이 정류 회로(5)에 인가되도록 적절하게 프로그래밍하는 것을 가능하게 한다. 당업자는 일반적인 타입이 될 수 있는 표시 신호를 사용해서 전압 검출 회로(7)를 선택할 수 있다.
요컨대, 본 발명에 따른 방법을 통해서, 램프 접속부와 직렬로 배치된 소형 코일 및 램프 접속부와 병렬로 배치된 소형 캐패시터를 포함해서, 램프가 브릿지 주파수의 홀수 고조파 가까이서 신뢰할 수 있게 점등될 수 있으며, 전압 및 최적화된 전류는 테이크 오버/웜 업 기간에 충분히 높다는 이점을 갖는 밸러스트 장치를 제공한다.

Claims (1)

  1. 공진 점등(resonant ignition) 방전 램프용 밸러스트 장치에 있어서,
    브릿지형 정류 회로의 대각 브랜치에 위치하며 전기 램프 접속부와 직렬로 배치된 코일 및 상기 전기 램프 접속부와 병렬로 배치된 캐패시터를 포함하며,
    상기 정류 회로는 아크 방전이 상기 램프 내에서 계속되는 상기 램프의 정상 동작 기간 중에는 비교적 작은 진폭을 가진 상대적으로 낮은 주파수의 구형파 인가 전압을 상기 램프에 공급하고, 상기 정상 동작 기간 전인 점등 기간 중에는 상기 코일 및 상기 캐패시터가 전기적으로 공진되게 하는 상대적으로 높은 주파수의 인가 전압을 상기 램프에 공급하되,
    상기 점등 기간과 상기 정상 동작 기간 사이의 테이크 오버/웜 업 기간 동안, 상기 상대적으로 높은 주파수의 인가 전압보다 상대적으로 낮은 주파수 - 상기 상대적으로 낮은 주파수는 상기 테이크 오버/웜 업 기간에 램프에 공급되는 전류를 최적화시키기 위해서 하나 이상의 시간 순차적인 단계마다 상기 상대적으로 높은 주파수의 인가 전압의 주파수에 비해 한 주파수 단계(one frequency step)씩 감소됨 - 를 가진 인가 전압이 상기 램프에 공급되는
    방전 램프용 밸러스트 장치.
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