KR20050043646A

KR20050043646A - 램프의 기능 이상의 경우에 계속하여 동작할 수 있는컨버터를 구비한 전자 안정기

Info

Publication number: KR20050043646A
Application number: KR1020040088663A
Authority: KR
Inventors: 아르베트 슈토름
Original assignee: 파텐트-트로이한트-게젤샤프트 퓌어 엘렉트리쉐 글뤼람펜 엠베하
Priority date: 2003-11-05
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2005-05-11
Also published as: CN1615066B; DE10351621A1; US20050093486A1; EP1530407B1; CA2486782A1; CN1615066A; US7193373B2; DE10351621B4; EP1530407A3; EP1530407A2

Abstract

본 발명은 전자 안정기에 관한 것으로서, 내부 컨버터(S1, S2, C1)가 램프의 기능 이상의 경우에도 계속하여 동작한다. 따라서, 제어 회로로부터의 보조 전력 공급이 유지된다.

Description

램프의 기능 이상의 경우에 계속하여 동작할 수 있는 컨버터를 구비한 전자 안정기{ELECTRONIC BALLAST HAVING A CONVERTER WHICH CAN CONTINUE TO OPERATE IN THE EVENT OF LAMP FAILURE}

본 발명은 발광 장치, 특히 램프 또는 예를 들어 LED 및 LED 모듈용 전자 안정기에 관한 것이다.

램프 또는 LED 및 LED 모듈을 동작시키기 위한 전자 안정기는 오랫동안 공지되었고 통상적이게 되었다. 안정기는 통상적으로 발광 장치를 동작시키는 컨버터를 구비하고 발광 장치에 전력을 공급한다. 소위 자체-여기 컨버터 개념 외에, 컨트롤러는 종종 이러한 컨버터를 구동시키기 위해 사용된다. 램프의 기능 이상의 경우, 전자 안정기는 통상적으로 안전을 이유로 자동으로 스위치 오프된다.

본 발명은 전술한 타입의 개선된 전자 안정기를 설명하는 기술적인 문제점에 기초한다.

본 발명은 발광 장치에 전력을 공급하기 위한 컨버터, 및 컨버터를 제어하기 위한 컨트롤러를 구비한 발광 장치용 전자 안정기에 기초하는데, 컨트롤러는 발광 장치의 기능 이상의 경우에, 그리고 안정기에서 발생하는 손실을 사용하여 낮은 전력을 변화시키는 프로세스에서, 계속하여 컨버터를 동작시키도록 설계되는 것을 특징으로 한다.

게다가, 본 발명은 또한 동작 방법에 기초한다.

바람직한 실시예는 종속항에 개시되어 있으며, 이하에서 보다 상세하게 설명된다. 이하의 설명은 또한 본원의 장치 및 방법의 특성에 기초한다.

본 발명이 기초하는 기본 사상은 발광 장치의 기능 이상, 즉 예를 들어 동작 동안 또는 스타팅 시도의 실패 또는 불완전에 뒤이은 필라멘트 파손 형태의 기능 이상의 경우, 전체 안정기를 연결 해제하지 않는 것이다. 오히려, 본 발명은 적어도 최소 레벨로 계속하여 동작하는 안정기에 포함된 컨버터에 관한 것이다. 이 경우, 컨버터의 연속 동작이 예를 들어, 저장 커패시터 양단의 초과 전압과 같은 소정의 손상을 초래하지 않도록, 본 발명과 관련하여 컨버터에 의해 변환된 전력은 소비되어야 한다. 이를 위해, 손실은 안정기에서 발생하도록 의도된다.

따라서, 본 발명은 램프(이하에서 제한없이 발광 장치를 지칭하는 용어로 사용됨)의 동작이 끝나거나 시작되지 않았음에도 불구하고, 안정기에서, 그리고 특히 컨트롤러에서 특정한 기능을 유지하는 것이 가능하도록 한다. 특히, 램프의 기능 이상에 대한 이유와 관련한 정보 또는 안정기에서 유지되는 다른 필수적인 정보는 어떠한 전류도 복잡한 타입의 메모리를 통과하지 않을 경우, 상기 목적을 위해 정보를 포함하는 복잡한 타입의 메모리를 사용해야 할 필요없이 계속하여 저장되거나, 불려질 수 있다. 소정의 경우, 이는 시스템 전력 공급이 안정기에 제공되는 한 적용된다. 따라서, 램프가 기능하지 않아서 새로운 스타팅 시도가 없다는 정보가 안정기, 특히 컨트롤러에 저장되는 상황이 발생될 수도 있다. 사용자가 다시 전력 스위치를 off 및 on 하기만 하면, 새로운 스타팅 시도가 행해진다. 그러나, 이는 예를 들어, 보조 전력 공급이 유지될 수 있기 때문에 컨버터의 계속적인 동작으로 인해 원칙적으로 상이한 가능한 사용을 제공하는 본원 발명의 수용가능한 적용 가능성의 하나이다.

이 경우, 본원 발명은 특히 스위칭 트랜지스터를 구비한 클록킹된 컨버터에 관한 것이다. 두 단계의 컨버터 구성, 즉 램프에 전력을 공급하는 제1 컨버터에 제2 컨버터에 의해 전력이 공급되는 컨버터를 구비한 안정기가 바람직하다. 이 경우, 제2 컨버터로서 전력 공급 시스템(소위 PFC 회로)으로부터 전력 소비의 시간 특성을 최적화하는 소위 전력-팩터 보정 회로가 바람직하다.

그러나, 본 발명의 다른 바람직한 개선예는 보조 전력 공급이 계속하여 동작하는 컨버터 자체에 의해 제공될 수 있는 단일 단계의 컨버터 구성에 관한 것이다.

이 경우, 전술한 바와 같은 램프의 기능 이상의 경우, 두 개의 컨버터가 소정의 레벨로 계속하여 동작하는 것이 바람직하다.

안정기에서 본원 발명에 따른 손실은 바람직하게 컨버터 또는 컨버터들 중 하나의 스위칭 트랜지스터에서, 바람직하게는 램프에 전력을 공급하는 제1 컨버터에서의 스위칭 손실이다.

또다른 바람직한 실시예에서, 이러한 스위칭 손실은 소위 사다리형 커패시터(trapezoidal capacitor)를 재충전하는 컨버터의 스위칭 트랜지스터에 의해 발생한다. "사다리형 커패시터"라는 용어는 기술 분야의 당업자에게는 재충전 프로세스로 인해 더 부드러운 스위칭 특성을 제공하는 스위칭 트랜지스터의 스위칭 경로와 병렬로 연결되어 실질적으로 표준 동작에서 손실을 방지하는 커패시터로 알려져 있다. 이들은 소위 정류 목적이며, 때때로 스너버(snubber)로 언급된다.

램프에 전력을 공급하는 컨버터는 두 개의 스위칭 트랜지스터를 갖는 트랜지스터 하프 브리지일 수도 있다. 이 경우, 원칙적으로 복수의 스위칭 트랜지스터의 경우, 전술한 스위칭 손실이 스위칭 트랜지스터에서 택일적으로 발생하는 것이 바람직하다.

실질적인 스위칭 손실을 발생시키기 위해, 스위칭은 바람직하게 관련된 스위칭 트랜지스터 양단의 전압 최대치의 범위에서 본 발명에 따라 발생하는데, 상기 최대 전압치가 완전히 충족될 필요는 없다. 예를 들어, 스위칭은 전압 크기의 적어도 80% 또는 바람직하게 90%의 범위에서 발생해도 충분할 수 있다. 이를 본 명세서에서는 전압 최대치에서의 스위칭으로 간주한다.

더욱이, 본 발명에 따른 스위칭 손실이 바람직하게 발생하는 스위칭 동작은 바람직하게 회로가 프리휠링 위상(스위칭 트랜지스터를 off함)으로 진동하는 동일한 주파수에서 발생하지 않는다. 이러한 자연 진동의 주기 기간의 정수 배수가 바람직하게 사용되며, 이러한 자연 진동은 물론 램프가 동작중일 때의 자연 진동수와는 상이하다. 팩터 2와 10 사이, 바람직하게는 4와 8 사이의 주파수 비가 바람직하다.

컨트롤러는 바람직하게 마이크로컨트롤러이며, 마이크로컨트롤러의 적어도 일부는 계속하여 동작하는 컨버터에 의해 제공된 전력 공급 또는 보조 전력 공급으로 인해 램프의 기능 이상시에도 동작을 유지한다.

제2 컨버터는 바람직하게 PFC 회로로서의 SEPIC 컨버터이다. 응용의 중요한 분야는 통상의 저압 방전 램프, 즉 소위 형광 램프용 안정기이다.

본원 발명은 이하에서 실시예를 참조하여 상세히 설명될 것이다.

도1은 2개의 컨버터를 포함하는 본 발명에 따른 안정기의 개략도이다. 기술 분야의 당업자에게 공지되어 있고 예를 들어, DE 101 10 239.9에 개시된 SEPIC 컨버터가 저장 커패시터(C30) 양단에 중간 회로 전압을 발생시키는데, 저장 커패시터로부터 두개의 스위칭 트랜지스터(S1 및 S2)를 구비한 하프 브리지 회로가 제공된다.

도1에 도시된 안정기에서, 일반적으로 통상의 자국의 전력 공급 전압인 AC 공급 전압(Uv)이 브리지 정류기(B)를 통해 정류된다. 따라서, 도1에는 상부에 수평하게 뻗어있는 라인 브랜치에 정류된 양의 전위가 발생하며, 상부의 라인 브랜치와 평행한 하부의 라인 브랜치에는 통상적으로 기준 전위를 나타내는 정류된 음의 전위가 발생한다. 정류된 AC 전압은 SEPIC 컨버터의 입력을 형성하는데, SEPIC 컨버터는 인덕터(L20 및 L21), 커패시터(C20), 정류 다이오드(D20) 및 스위칭 트랜지스터(S20)를 구비하며 구동 회로(미도시)에 의해 구동된다.

커패시터(C30)는 저장 커패시터로서 작용하며 SEPIC 컨버터에 의해 정류된 AC 전압으로부터 가능하면 일정한 DC 전압으로 충전될 필요가 있다. 이 경우, 목적은 전력 공급 시스템으로부터 전력 소비가 가능하면 간섭없는 방식으로 시스템 전압의 사인곡선 특성을 따르게 하는 것이다.

스위칭 트랜지스터(S20)의 교대적인 스위칭 동작때문에, 스위치-온 상태에서의 코일(L20)은 정류된 시스템 전압으로부터 특정한 전류까지 충전되고, 스위칭 트랜지스터(S20)의 스위치-오프 상태에서 커패시터(C20)로 방전된다. 마찬가지로, 코일(L21)은 스위칭 트랜지스터(S20)의 스위치-온 시간 동안 충전되고 스위치-오프 시간 동안 저장 커패시터(C20)로 방전된다. 이 경우, 다이오드(D20)의 극성이 고려된다. 만일 스위칭 트랜지스터(S20)의 스위치-오프 시간이 정류 다이오드(D20)의 전류가 감소하여 0이 되도록 충분히 길경우, 소위 비연속 동작이 존재한다. 이 경우, 평균적으로 커패시터(C20)는 필수적으로 순간적으로 정류된 공급 전압의 값까지 충전을 유지한다. 이는 차례로 스위치-오프 시간 동안 저장 커패시터(C30)가 코일(L21)에 의해 발생하는 유도 전압으로만 충전되게 한다. 대응하는 듀티비, 즉 스위치-온과 스위치-오프 사이의 비 때문에, 그리고 부하(R31)를 고려하면, 필수적으로 특히 시스템 전압의 크기보다 더 작은 소정의 원하는 DC 전압이 커패시터(C30) 양단에 설정된다. 이어, SEPIC 컨버터는 스텝-다운 컨버터로 동작한다. 커패시터(C20)는 어느 정도까지 두개의 인덕터(L20 및 L21)가 서로로부터 디커플링되고, 그 결과 스텝-업 컨버터와 같은 단순한 컨버터들과 대조적으로 코일(L20)에 의해 발생한 전압이 순간 시스템 전압에 부가되지 않는다.

스위칭 트랜지스터(S1 및 S2) 중 하부 트랜지스터와 병렬로 연결된 사다리형 커패시터(C1)가 병렬로 연결되어 있는데, 그럼에도 불구하고 동시에 상부 스위칭 트랜지스터(S2)의 부하를 경감, 즉 두 스위칭 트랜지스터의 사다리형 커패시터로서 동작한다. 저압 방전 램프용 회로로부터 알 수 있듯이, L1은 통상의 램프 인덕터에 주어지는 참조부호이고, C2는 통상의 공진 커패시터에 주어지는 참조부호이다. 저압 방전 램프 자체는 도시되지 않는다. C2와 병렬로 연결된 저항(R1)에 의해 표시된다. 만일 방전 램프가 부하로서 제공되면, 소위 커플링 커패시터는 직렬로 연결되어야 한다.

스위칭 트랜지스터(S1 및 S2)는 SEPIC 컨버터를 또한 클록킹하는 마이크로컨트롤러(미도시)에 의해 클록킹된다.

램프의 기능 이상의 경우, 예를 들어 동작 동안 또는 스타팅 시도의 실패에 이은 전극의 파괴의 경우, 마이크로컨트롤러는 본 발명에 따라 SEPIC 컨버터를 계속하여 동작시키며 가능하면 낮은 파워 레벨로 정밀도를 유지한다. SEPIC 컨버터의 동작을 위해 필수적인 이러한 파워는 소멸되지 않는다면 중간 회로 전압으로 저장 커패시터를 계속하여 충전할 것이다. 이러한 이유로, 하프 브리지 오실레이터는 표준 동작과는 상이한 동작 모드이지만, 본 발명에 따라 또한 계속하여 동작한다. 이는 도2에 도시되어 있다. 채널(CH1) 및 채널(CH2)은 각각 상부 하프 브리지 트랜지스터(S2) 및 하부 하프 브리지 트랜지스터(S1)의 구동 신호를 도시한다. 채널(CH3)은 하프 브리지의 중앙 탭 양단의 전압을 도시한다.

스위칭 트랜지스터에는 특정한 제어 신호가 제공되어서 하프 브리지의 중앙 탭의 전압 파형(도2의 상부에 도시됨)의 단부값들의 영역에서 소정의 시간동안 택일적으로 폐쇄된다. 스위칭 트랜지스터 중 하나가 폐쇄되는 동안, 사다리형 커패시터(C1)은 재충전되고, 이 경우 사다리형 트랜지스터로부터의 에너지는 스위칭 트랜지스터가 스위치-온 될 때 스위칭 트랜지스터의 고유 저항, 즉 예를 들어 드레인-소스 저항에서 본질적으로 소멸된다. 커패시터에 저장된 전하는 이 경우 거의 스위칭 트랜지스터의 충분히 긴 스위칭-온 시간에 의해, 즉 예를 들어 임계 RC 상수의 10배로 거의 완전히 감소되며, 그 결과 커패시터에 저장된 에너지는 거의 완전히 소멸된다. 전체 소멸 전력은 이 경우, 다음 식으로 계산된다.

Pv = f·Cl·U ²

여기서, Pv: 전력 손실

f: 상기 동작 모드에서 하프 브리지의 스위칭 주파수

C1: 사다리형 커패시터의 캐패시턴스

U: 사다리형 커패시터(C1) 양단의 전압차이다.

이 예에서, 도2에 하프 브리지 동작의 주기 기간은 나머지 로드 회로의 자연 진동수의 6배에 대응하며, 그 결과 스위칭 동작은 6번째 단부 포인트마다 발생한다.

따라서, 본 발명은 안정기의 "긴급 동작 형태"를 제공하며, 이는 계속 동작하여 동작된 하프 브리지로 설명된 동작 모드에서 전력 소모를 초래하는 PFC 회로(SEPIC 컨버터)를 구비한 추가의 소자들없이 가능하다. 따라서, 예를 들어 마이크로컨트롤러와 같은 SEPIC 컨버터로부터 유도된 보조 전압 및 전력 공급은 계속되어 메모리 내용은 유지될 수 있다. 따라서, 특히, 마이크로컨트롤러가, 램프의 기능 이상이 발생하였고 그러한 이유로 계속하여 스텝업하여 스타팅 시도를 한다는 것을 잊지 않도록 하는 것이 가능하다. 그러나, 만일, 사용자가 시스템 스위치를 다시 off 및 on으로 전환할 경우, 전술한 동작 상태는 또한 방해되고 새로운 스타팅 시도가 시작된다.

본 발명은 예를 들어, 보조 전력 공급이 하프 브리지 토폴로지로부터 유도되는 단일 스테이지 컨버터 컨셉의 경우도 또한 원칙적으로 사용될 수 있다. 이 경우, 하프 브리지 자체는 전술한 "긴급 동작 상태"에서 계속하여 동작할 수 있으며, 여기서 마이크로컨트롤러 또는 다른 컨트롤러는 계속하여 하프 브리지 자체로부터 공급받는다.

대응하는 제2 실시예는 도3에 도시된다. 도3에서 대응하는 참조번호가 제1 실시예에 대응하는 회로 소자에 사용된다. 좌측에 도시된 입력 전압(Ue)이 예를 들어, 필요한 경우 추가의 필터를 사용하는, 도1에 도시된 브리지 정류기(B)에 의해 제공될 수 있다. 여기서, 소정의 경우, 어떠한 컨버터도 PFC 컨버터로 제공되지 않는다. 따라서, 사다리형 커패시터(C1)에서 재충전 전류로부터의 보조 전력 공급이 발생된다. 이는 다이오드(D1 및 D2), 스위치(S3) 및 백업 커패시터(C3)를 사용하여 발생한다. 스위치(S3)는 2스텝 컨트롤러에 의해 상기 목적을 위해 구동되어 백업 커패시터(C3) 양단의 전압을 조절한다. 전력이 공급될 회로(30)는 백업 커패시터(C3)에 연결되며, C3로부터 동작에 필요한 에너지를 끌어낸다.

C2와 병렬로 출력 전압(U₀)이 연결되어 있는데, 여기에 방전 램프 또는 LED와 같은 부하가 연결될 수 있다.

램프가 스위치 오프될 경우, 즉 L1을 통해 흐르는 전류가 없는 경우, 하프 브리지(SI, S2)는 제1 실시예에서 이미 설명된 방식으로 클록킹되며, 보조 전압 공급이 유지될 수 있다.

이러한 동작 모드에서, L1 및 C2를 포함하는 공진 회로가 여기되지 않는다.

본 발명의 실시에 의해, 램프의 기능 이상의 경우 안정기가 자동으로 연결해제 되지 않고, 본원의 안정기에 포함된 컨버터에 의해 계속하여 전력을 공급받아 동작할 수 있는 효과를 거둘 수 있다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 안정기의 개략적인 회로도이다.

도2는 도1의 안정기와 관련한 실제의 측정 파형을 나타낸다.

도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 안정기의 개략적인 회로도이다.

※도면의 주요 부분에 대한 설명

U_V: AC 공급 전압 B: 브리지 정류기

L20: 인덕터 S20: 스위칭 트랜지스터

C20: 커패시터 D20: 정류 다이오드

S1: 스위칭 트랜지스터 S2: 스위칭 트랜지스터

R1: 저항

Claims

발광 장치에 전력을 공급하는 컨버터(S1, S2, C1), 및 상기 컨버터(S1, S2, C1)를 제어하는 제어기를 구비한 발광 장치용 전자 안정기로서,

상기 제어기는 상기 발광 장치의 기능 이상의 경우에도 계속하여 상기 컨버터(S1, S2, C1)를 동작시키고, 이 경우에 전달된 저전력을 상기 안정기에서 발생하는 손실로 전환시키도록 설계된 발광 장치용 전자 안정기.
제1항에 있어서, 전력을 상기 제1 컨버터(S1, S2, C1)로 공급하는 추가의 제2 컨버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치용 안정기.
제2항에 있어서, 상기 제어기는 상기 발광 장치의 기능 이상의 경우 상기 제1 컨버터(S1, S2, C1) 및 상기 제2 컨버터를 계속하여 동작시키도록 설계된 것을 특징으로 하는 발광 장치용 안정기.
제1항에 있어서, 단일 단계 컨버터(S1, S2, C1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치용 안정기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 손실은 계속하여 동작하는 상기 컨버터(S1, S2, C1)의 스위칭 트랜지스터(S1, S2)에서의 스위칭 손실인 것을 특징으로 하는 발광 장치용 안정기.
제5항에 있어서, 계속하여 동작하는 상기 컨버터(S1, S2, C1)의 스위칭 트랜지스터(S1, S2)와 병렬로 연결된 사다리형 커패시터(C1)를 재충전할 때의 상기 스위칭 손실은 상기 스위칭 트랜지스터(S1, S2)에서 발생하는 스위칭 손실인 것을 특징으로 하는 발광 장치용 안정기.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 컨버터(S1, S2, C1)는 두 개의 스위칭 트랜지스터(S1, S2)를 구비한 하프 브리지인 것을 특징으로 하는 발광 장치용 안정기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항, 적어도 제5항에 있어서, 상기 컨버터(S1, S2, C1)는 상기 스위칭 손실이 번갈아 발생하는 복수의 스위칭 트랜지스터를 구비한 것을 특징으로 하는 발광 장치용 안정기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항, 적어도 제5항에 있어서, 상기 스위칭 트랜지스터(s)(S1, S2)는 스위칭 손실을 발생시키기 위해 전압 최대치에서 대부분 스위칭 되는 것을 특징으로 하는 발광 장치용 안정기.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항, 적어도 제5항에 있어서, 상기 스위칭 손실은 상기 발광 장치의 기능 이상의 경우에 발생하는 자연 진동(L, C1, C2)의 주기 기간의 정수 배수, 또는 2배수에 대응하는 주기 기간에 따라 필수적으로 주기적으로 발생하는 것을 특징으로 하는 발광 장치용 안정기.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는 마이크로컨트롤러이며, 상기 마이크로컨트롤러의 보조 전력 공급은 계속하여 동작하는 상기 컨버터(S1, S2, C1)에 의해 지속되는 것을 특징으로 하는 발광 장치용 안정기.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항, 적어도 제2항에 있어서, 상기 제2 컨버터는 SEPIC 컨버터인 것을 특징으로 하는 발광 장치용 안정기.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 저압 가스 방전 램프용으로 설계된 것을 특징으로 하는 발광 장치용 안정기.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 안정기를 구비한 발광 장치를 동작시키는 방법으로서,

상기 제어기는 상기 발광 장치의 기능 이상의 경우에도 계속하여 상기 컨버터를 동작시키고, 이 경우에 상기 안정기에서 발생하는 손실을 사용하여 저전력을 전환시키는, 발광 장치를 동작시키는 방법.