KR20040083483A - 가스 방전 램프 제어 장치 및 방법과 가스 방전 램프 및제어 장치를 갖는 조명 시스템 - Google Patents

Abstract

가스 방전 램프의 제어 장치 및 방법이 제공된다. 램프의 런업 중에 충족되어야 하는 광속 요건에 불구하고 램프 수명이 가능한 한 적게 열화되게 하기 위해, 램프는 적어도 램프 점화 후 1s 내지 3s의 간격을 포함하는 런업 상태에 교류로 작동되며, 상기 전류의 진폭은 런업 상태 중에 상승한다. 런업 상태에서의 상승 후에, 전류는 더욱 상승하거나 또는 바람직하게는 이전 상태를 따르는 전이 상태에서 일정하게 유지될 수도 있고, 램프가 안정 작동 상태에 진입할 때까지 순차적으로 감소된다. 전류의 시간 구배는 여기서 램프의 광속의 최소값이 소정 순간에 성취되도록 선택되는 것이 바람직하다. 특정 장점이 예를 들면 특히 런업 상태 중에 높은 전류로 작동되는 Hg-프리 램프의 경우에 얻어진다.

Description

가스 방전 램프 제어 장치 및 방법과 가스 방전 램프 및 제어 장치를 갖는 조명 시스템 {Device and method for controlling a gas discharge lamp, and lighting system with gas discharge lamp and control device}

광은 가스 방전 램프의 가스 방전에 의해 발생되며, 이 방전은 일반적으로 2개의 전극 사이의 방전 용기(discharge vessel)에서 발생한다. 가스 방전은 점화 전압이 인가되어 광 아크의 형성을 유도하여 점화된다. 광 아크의 점화 후에, 전극 및 이들을 둘러싸는 용기는 가열되고, 램프는 소정 시간 후에 그의 안정 작동 상태(또는 정상 상태)에 진입한다.

방전 램프는 소정 기간 동안 자동차 분야에서 특히 광범위하게 사용되어 왔다. 여기에 사용된 램프는 일반적으로 안정 작동시에 AC 전압에서 작동된다.

방전 램프의 점화 후의 시간의 순서는 이하와 같다: 광 아크의 점화 후에, 램프는 먼저 일반적으로 100ms 이하인 수 ms 동안 전이 상태에서 작동된다. 이 전이 상태에서, 램프는 그의 극성이 예를 들면 2배로 반전될 수도 있는 DC 전압으로 작동된다. 이는 전극을 가열하는 작용을 한다. 전이 상태의 종료시에, 램프는 종종 400Hz의 구형파 AC 전압인 AC 전압으로 작동된다. 이는 정상 상태에서의 안정 작동으로 이어지는 수 초의 초기 간격을 포함한다.

가능한 한 빠른 램프의 광속의 상승이 일반적으로 특히 자동차 분야의 사용을 위해 의도된다. 이를 위해 초기 상태에서 일정한 매우 높은 런업(run-up) 전류로 램프를 작동시키는 것이 공지되어 있고, 이 전류는 소정의 램프 수명을 고려하여 각각의 램프를 위한 최대 허용 가능 전류에 밀접하다.

미국 특허 제 5,663,875호에는 방전 램프를 작동하기 위한 전압 변환기가 개시되어 있다. 상기 특허의 도 1b는 램프의 점화 후의 전류 구배를 도시한다. 전이 범위에서, 이 전류는 초기에는 DC 작동시에 여전히 매우 높은값으로 상승되고, 이어서 그 후에 공칭 작동으로 서서히 감소되는 매우 강한 교류가 초기에 흐르는 AC 작동으로 전환된다. 35W의 정격 전력을 갖는 램프는 전극을 가열하고 방전 용기에 존재하는 성분을 증발시키기 위해 초기 기간 동안 최대 90W로 작동된다.

미국 특허 제 5,434,474호는 또한 방전 램프를 작동하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 높은 런업 전류를 회피하기 위해 과잉 전류를 검출하기 위한 회로를 포함한다. 초기 기간 동안, 장치는 최대값으로 전류를 제한한다. 목적은 램프 수명에 대한 악영향을 회피하는 것이다.

본 발명은 가스 방전 램프 제어 장치, 및 가스 방전 램프 및 제어 장치를 갖는 조명 시스템, 뿐만 아니라 가스 방전 램프 제어 방법에 관한 것이다.

도 1은 가스 방전 램프의 측면도.

도 2는 제어 장치 및 가스 방전 램프의 조명 시스템의 회로의 다이어그램.

도 3은 종래의 램프를 통하는 전류 및 램프를 가로지르는 전압의 구배를 도시하는 시간 다이어그램.

도 4는 본 발명의 실시예의 램프를 통하는 전류의 구배를 도시하는 시간 다이어그램.

도 5는 본 발명의 실시예의 런업 상태의 램프 광속 및 램프 전류의 구배를 도시하는 시간 다이어그램.

본 발명의 목적은 램프가 그의 수명이 불필요하게 단축되지 않도록 제어되면서, 그럼에도 불구하고 램프가 그의 런업 거동에 관한 요건에 순응하는 가스 방전 램프의 제어 방법 및 장치 뿐만 아니라 가스 방전 램프 및 대응 제어 장치를 갖는 조명 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구항 1에 청구된 바와 같은 장치, 청구항 9에 청구된 바와 같은 조명 시스템, 및 청구항 11에 청구된 바와 같은 방법에 의해 성취된다. 종속항들은 본 발명의 유리한 실시예에 관련된다.

본 발명은 강한 전류가 이후에 발생하는 열팽창에 기인하여 점화 후에 특히 램프의 냉간 상태에서 램프 수명에 극히 불리하다는 인식에 기초한다. 램프의 런업에 관한 요건은 예를 들면 다수의 순간에서의 램프 광속을 위한 설정값에 의해 규정된다. 따라서, 램프는 이들 사양에 순응하기 위해 예를 들면 1s 후인 그의 광속에 대한 적어도 제1 임계값, 및 예를 들면 4s 후인 적어도 제2 더 높은 임계값을 성취해야 한다.

본 발명에 따르면, 램프는 전류 공급 장치에 의해 런업 상태에서 본질적인 상승 진폭의 AC 전류로 구동된다. 종래 기술로부터 공지된 바와 같이 개시로부터 바로 최대 허용 가능 전류로 램프를 작동시키는 대신에, 램프를 통해 흐르는 AC 전류의 본질적인 상승 진폭의 시간 기간은 적어도 램프 점화 후 1s 내지 3s 사이의 시간 간격에 제공된다. 용어 "본질적인" 상승은 값이 런업 상태의 종료시보다 런업 상태의 시작시에 더 낮은 의미로 이해되어야 한다. 다른 실시예에서 런업 상태의 전류의 시간 구배는 시간 경과에 따라 단조 함수적으로 상승된다, 즉 이는 소정시간 기간 동안 상승하거나 유지되고, 강하하지 않는다. 시간 경과에 따라 적절하게 완만해지는 수단은 이 전류의 파형 특성에 기인하여 이를 위해 제공되어야 할 수도 있다.

개념 "런업 상태"는 본원에서 램프가 교류로 작동하는 임의의 시간 간격에 대해 사용되고, 이 간격은 적어도 램프 점화 후 1s 내지 3s의 시간 기간을 갖는다. 런업 상태는 이어서 (DC) 전이 상태 직후에 시작될 수도 있다. 런업 상태의 시작은 또한, 램프가 이미 교류로 작동하는 기간에 발생할 수도 있다. 적용에 따라, 런업 상태는 예를 들면 소정 시간에 일 방향 및/또는 다른 방향으로 확장되어 예를 들면 점화 후 0.5s, 0.3s, 또는 더욱 일찍 시작되어, 예를 들면 점화 후 4, 5 또는 8s에 종료될 수도 있다.

이는 상기 상태의 시작시의 값에 대해 런업 상태에 적어도 30% 만큼 전류가 상승하는 유리한 부가의 실시예에서 제공된다. 그러나, 바람직하게는 50% 이상의 상승, 몇몇 경우에 심지어 100% 이상의 상승이 선택된다.

다른 실시예에서, 전류는 이를 따르는 것이 바람직한 전이 상태 또는 런업 상태에서 최대값에 도달한다. 이 최대값은 램프 수명에 관한 최소 요건이 순응되도록 각각의 램프 형태에 대해 결정되는 것이 바람직하다. 본 발명의 다른 실시예에서, 런업 상태의 시작시의 전류의 진폭은 최대 전류의 75% 이하, 바람직하게는 그의 60% 이하이다.

소정의 구배는 예를 들면 상승 경사의 형태의 선형 또는 예를 들면 단차형 등과 같은 임의의 다른 상승 곡선 형상일 수도 있다. 임의의 실재 적용에서의 시간의 구배는 사용된 램프 형태에서의 경험에 기초하여 규정되는 것이 바람직하다. 이는 전류 구배가 소정 순간에서의 램프 광속에 대한 소정 최소값을 성취하기 위해 충족되는 시험에서 즉시 확인될 수도 있다. 이는 일반적으로 고려된 값이 가능하게는 특정 안전 여유를 갖고 바로 성취될 때 충족된다. 명백한 과잉은 램프 수명에 대해 악영향을 가질 수도 있다.

런업 상태는 예를 들면 전류의 진폭이 일정하게 잔류하고 최종적으로 안정 작동 중에 갖는 값으로 강하하는 수 초의 전이 상태로 이어지는 것이 바람직하다. 그러나, 대안적으로 또한 전이 상태에서 초기에 전류 상승이 계속되게 하는 것도 가능하다.

바람직한 실시예에서, 제어 장치는 제어 가능한 전류 공급 장치로 런업 전류의 미리 저장된 프로그램된 시간 구배를 제공하는 마이크로제어기 또는 마이크로프로세서를 포함한다. 여기서 미리 규정된 시간 구배는 예를 들면 표의 형태로 마이크로제어기에 저장된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 마이크로제어기는 또한 램프의 작동 상태를 감시한다, 즉 이는 냉간 점화가 발생하는지 여전히 고온 램프의 재점화가 발생하는지의 여부를 램프의 점화 중에 판단할 수 있다. 후자의 경우에, 마이크로제어기는 그 이외의 경우에 램프의 필요한 가열이 실질적으로 현재 적용되지 않기 때문에 런업 상태에서 실질적으로 약한 전류로 작동되도록 램프를 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 조명 시스템은 적합한 제어 장치를 갖는 가스 방전 램프를 포함한다. 런업 상태의 전류 구배의 값은 제어 장치에 바람직하게 저장되며, 이값은 당해 램프가 요건을 충족하는 경우 필요하게 된다.

시험은 런업 상태 중의 전류의 초기 "보호" 상승이 램프 수명에 긍정적인 영향을 갖는 것을 나타낸다. 동시에 런업 상태의 프로그램된 전류 구배는 런업 거동에 관련된 사양이 모든 경우에 충족되는 것을 보장한다. 램프 수명의 명확한 연장이 특히 높은 전류로 작동되는 램프에서 관찰된다. 예를 들면, 특히 런업 중에 최종의 더 낮은 연소 전압에 기인하여 더 높은 전류에서 작동하는 Hg가 없는 방전 용기 내의 충전물을 갖는 방전 램프가 그 결과로서 본 발명에 유리하다.

본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 이하에 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 자동차 분야에 사용되는 바와 같은 전형적인 가스 방전 램프(10)를 도시한다. 램프(10)는 본원에서는 예시적으로만 도시된다. 이러한 램프의 구성 및 기능의 상세는 당 기술 분야의 숙련자들에게 공지되어 있다. 따라서, 상세는 더 이상 설명하지 않고, 램프(10)의 가장 중요한 부품들만을 설명한다.

방전 용기(14)를 갖는 버너는 램프 베이스(12)에 보유된다. 전극(16)은 석영 벽에 의해 폐쇄되어 있는 방전 용기(14)의 내부로 돌출된다. 가스 방전은 램프(10)의 작동 중에 전극(16) 사이에 유지된다. 방전 용기(14)는 도시한 예에서 Hg이 없는 충전물을 포함한다. 램프(10)는 대략 830mA의 전류 및 42V의 전압에서 안정 작동 중에 35W의 전력으로 작동된다.

도 2는 제어 회로(22) 및 램프(10)를 포함하는 조명 시스템(20)의 다이어그램을 도시한다.

제어 회로(22)는 마이크로제어기(μC)에 의해 제어되는 제어 가능 전류 공급부(24)를 포함한다. 전류 센서(26) 및 전압 측정 장치(28)가 램프(10)를 통하는 전류 및 이를 가로지르는 전압을 측정하여, 결과를 마이크로제어기(μC)에 공급한다.

도 3은 종래 기술에 따른 방전 램프를 통하는 전류(I_L) 및 방전 램프를 가로지르는 전압 강하(U)의 구배를 도시한다. 도 3의 도시는 단지 개략적이며 단지 램프 점화 중에 시간 구배의 원리를 명백하게 하는 기능을 한다.

전압(U)은 광 아크가 순간(t=0)에 점화되는 시점에 램프를 점화시키기 위해 증가된다. 광 아크의 점화는 램프가 직류(DC 전압)로 작동되는 전이 상태(A)로 이어진다. 예로서 도시된 전이 상태(A)는 수 ms 동안, 최대 100ms까지 지속된다. 극성은 도시된 예에서 상기 기간 동안 1회 변경된다.

전이 상태(A)는 램프가 교류(AC 전압)로 작동되는 초기 상태(B)로 이어진다. 초기 상태(B)는 수 초 동안 지속되고 램프를 "런업"하는 기능을 한다. 도 3에 도시된 바와 같은 종래 기술에서, 램프는 초기 상태(B)에서 최대 허용 가능 전류로 즉시 작동되고, 이 전류는 이어서 성공적인 런업 후에 안정 상태(C)로 점진적으로 감소된다.

램프 작동은 초기 상태(B)와 안정 상태(C)에 모두에서 400Hz의 주파수를 갖는 구형파 AC 전압에 의해 수행된다. 도 3에 도시된 구배는 단지 개략적인 것이고, 따라서 예를 들면 간격(B)에 도시된 극성 변화의 수는 이 간격의 기간의 결론 도달을 위해 사용될 수 없다는 것을 재차 강조해야 한다.

도 4는 본 발명의 실시예의 램프를 통하는 전류(I_L)의 시간 구배를 도시한다. 이는 재차 단지 도 3의 종래 기술과의 차이점을 명백하게 하기 위해 도시된 개략도이다.

도 4의 시간 다이어그램에서, 순간(t=0)에서의 점화는 또한 램프가 직류(DC 전압)로 작동되는 동안의 수 초의 전이 상태(A)로 이어진다. 이는 램프가 교류로 작동되는 런업 상태(B1)로 이어진다. 런업 상태(B1)는 수 초의 기간을 갖는다. 전류(I_L)의 진폭의 상승은 이 런업 상태에서 발생하므로, 상태의 종료시의 값은 상태의 시작시의 값보다 높다.

런업 상태(B1)는, 런업 상태(B1)에서 얻어진 증가 전류가 본 예에서 소정 시간 동안 유지되는 전이 상태(B2)로 이어지고 최종적으로 안정 작동의 상태(C)를 취하는 값으로 강하된다. 상태(B2)는 수 초의 기간을 갖는다.

종래 기술과는 대조적으로, 높은 런업 전류는 급격히 스위치 온되지 않고, 전류의 진폭의 상승이 제공된다. 이는 램프가 수 초의 기간(B1) 동안 상당히 덜 강하게 부하를 받으며, 이는 램프 수명에 긍정적인 영향을 갖는다. 상태(B1)의 전류 전체는 종래 기술에서의 대응 간격에서보다 명백하게 낮은 값을 갖는다.

도 5는 램프용 런업 상태에서의 전류(I_L)의 성분의 예를 도시한다. 순간(T=0s)에서의 램프 점화 후에 경과된 초의 수가 시간축 상에 묘사된다. 곡선(I_L)은 램프(10)를 통하는 전류의 구배를 도시한다. 곡선(L)은 램프의 광속의 구배를 도시한다. 단차형 곡선(L_D)은 이 경우에 요구되는 최소 광속을 지시한다. 예를 들면, 유럽 표준(ECE R 99)은 공칭 광속의 25%가 램프 점화 후 1s 이내에 성취되어야 하고, 광속의 80%가 개시 후 4s 이내에 성취되어야 한다고 규정하고 있다.

도시된 예에서, 램프가 400Hz의 구형파 AC 전압으로 작동되는 상태는 대략 t=0.1s이다.

종래 기술의 런업 전류 상태(B)(도 3)에서, 전류(I_L)의 진폭은 램프의 런업 및 가능한 한 빠른 램프의 광속의 상승을 성취하기 위해 각각의 램프 형태에 허용 가능한 최대값으로 먼저 설정된다. 전류(I_L)의 값은 램프가 안정 작동에 있는 상태(C)의 레벨로 순차적으로 연속적으로 감소된다.

이와 대조적으로, 도 5는 전류(I_L)의 상승 구배, 예를 들면 본질적으로는 상승 시간 구배를 도시한다. 도 5로부터 명백한 바와 같이, 여기서 전류(I_L)의 곡선은 완만하지 않고, 시간 평균에 대한 강하고 불규칙한 진동을 나타낸다. 전류(I_L)의 구배와 관련하여, 이에 따라 실시예들은 적절하게 완만화된 시간 경과에 따른 슬라이딩 평균에 관한 것이다. 점화 후 1s 내지 3s의 간격에서, 전류는 대략 2.25A로부터 3.5A로, 즉 대략 55% 만큼 상승한다. 구배는 시간 경과에 따라 단조 함수적으로 상승 평균화되고, 또한 소정 구역에서 일정하게 유지된다(예를 들면, 대략 1s 내지 대략 1.5s). I_L은 t=0.5s로부터 t=4s의 간격에서 대략 1.75A로부터 3.75A로, 즉 100% 이상 상승한다. 상술한 2개의 간격은 "런업 상태"(B1)의 예이다.

도 5의 곡선(L)이 나타내는 바와 같이, 런업 상태의 I_L의 상승의 선택된 구배는, 램프(L)의 광속이 요건 L_D에 따른 t=1s 및 t=4s에서의 최소값이 요건의 불필요하게 높은 과장이 발생하지 않고 성취되는 구배를 갖는 결과를 갖는다.

당 기술 분야의 숙련자들은 램프(L)의 광속이 관련 요건에 순응하도록 각각의 램프 또는 각각의 램프 형태를 위한 필요한 구배를 결정할 수도 있다. 이는 단순한 방식으로 실험적으로 수행될 수도 있다.

도 5에 도시된 I_L의 구배에서, 최대 전류(I_L)는 대략 3.75A이다. 이는 요구 최소 램프 수명을 고려하여, 램프에 허용 가능한 최대 전류에 대응한다. 그러나,이 최대 전류는 종래 기술과는 대조적으로 램프 점화 후 대략 3.25s 후까지는 성취되지 않는다. 램프는 이전의 런업 간격에서 "보호" 방식으로 초기에 런업되고, 이는 시험이 나타내는 바와 같이 램프 수명의 상당한 연장을 유도한다.

도 5에 도시된 전류(I_L)의 구배는 이하의 방식으로 도 2의 조명 시스템(20)으로 성취된다.

마이크로프로세서(μC)가 램프 개시를 위한 개시 신호(S)를 수신할 때, 제어 가능한 전류 공급부(24)는 램프(10)가 점화되도록 초기에 제어된다. 당 기술 분야의 숙련자들에게 공지된 점화 전압(도시 생략)을 발생시키기 위한 부가의 회로가 이를 위해 사용될 수도 있다.

램프 점화 후 및 전이 상태(A) 후에, 마이크로제어기(μC)는 도 5에 도시된 바와 같은 구배를 갖는 교류가 발생하도록 전류 공급부(24)를 제어한다. 사양(I_D)에 순응하기 위해 필요한 I_L의 시간 구배는 다양한 순간에 I_L의 각각의 값을 포함하는 표의 형태로 마이크로제어기(μC)에 저장된다. 마이크로제어기(μC)는 I_L이 도 5에 도시된 바와 같은 구배로 제공되도록 이들 저장값에 따라 전류 공급부(24)를 제어한다.

본 발명은 가스 방전 램프의 제어 장치 및 방법이 개시되는 것으로 요약될 수도 있다. 램프의 런업 중에 이행될 광속 요건에도 불구하고 램프 수명을 가능한 한 적게 열화시키기 위해, 램프는 적어도 램프 점화 후 1s 내지 3s의 간격을 포함하는 런업 상태에서 교류로 작동되고, 상기 전류의 진폭은 런업 상태 중에 상승한다. 런업 상태에서의 상승 후에, 전류는 먼저 더욱 상승되거나 바람직하게는 이전 상태를 따르는 전이 상태에서 일정하게 유지될 수도 있고, 램프가 안정 작동 상태에 진입할 때까지 순차적으로 감소된다. 전류의 시간 구배는, 램프의 광속에 대한 최소값이 소정 순간에 성취되도록 선택되는 것이 바람직하다. 특정 장점이 예를 들면 특히 런업 중에 높은 전류로 작동되는 Hg-프리 램프의 경우에 얻어진다.

Claims (11)

1. 가스 방전 램프(10) 제어 장치로서,

   - 상기 램프(10)에 소정 진폭의 교류(I_L)를 공급하기 위한 전류 공급 장치(24), 및

   - 런업 상태(B1) 중에 상기 전류 공급 장치(24)에 진폭값을 제공하기 위한 프로그래밍 유닛(μC)을 포함하고,

   - 상기 런업 상태는 적어도 상기 램프(10)의 점화 후 1s로부터 상기 램프(10)의 점화 후 3s의 간격을 포함하고,

   - 상기 프로그래밍 유닛(μC)은 상기 런업 상태(B1) 중에 상기 전류(I_L)의 시간의 상당한 상승 구배를 유효화하는 가스 방전 램프 제어 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 시간 구배는 상기 램프(10)에 의해 발생된 광속(L)이 적어도 2개의 소정 순간에 할당된 최소값들을 성취하도록 선택되는 가스 방전 램프 제어 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 런업 상태(B1)는 적어도 상기 램프(10)의 점화 후 0.5s로부터 상기 램프(10)의 점화 후 4s의 간격을 포함하는 가스 방전 램프 제어 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전류(I_L)는 상기 런업 상태(B1)에서 상기 상태의 시작시의 값에 대해 적어도 30% 만큼 상승하는 가스 방전 램프 제어 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 런업 상태(B1)에서의 상기 전류(I_L)의 시간 구배는 시간 경과에 따라 단조 함수적으로 평균화되어 상승하는 가스 방전 램프 제어 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전류(I_L)는 적어도 200Hz의 주파수 및 실질적으로 구형파의 시간 특성을 갖는 교류인 가스 방전 램프 제어 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전류(I_L)는 상기 런업 상태(B1)에 이어지는 전이 상태(B2)에서 안정값으로 강하하는 가스 방전 램프 제어 장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 런업 상태(B1)의 시작시의 전류(I_L)는 전류가 점화 후 1s 후의 간격에서 취하는 최대값의 75% 이하, 바람직하게는 60% 이하의 양인 가스 방전 램프 제어 장치.
9. - 가스 방전 램프(10), 및

   - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 제어 장치(22)를 포함하는 조명 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 가스 방전 램프(10)는 Hg가 없는 충전물을 갖는 조명 시스템.
11. - 적어도 램프(10)의 점화 후 1s로부터 상기 램프(10)의 점화 후 3s의 간격을 포함하는 런업 상태(B1)에서 상기 램프를 통해 교류(I_L)가 흐르고,

    - 상기 전류(I_L)는 그의 진폭이 상기 런업 상태 중에 상승하도록 제어되고,

    - 상기 전류(I_L)의 시간 구배는, 상기 램프(10)에 의해 발생된 광속(L)이 시간(B1)의 적어도 2개의 소정 순간에서 할당된 최소값들을 성취하도록 선택되는 가스 방전 램프 제어 방법.