KR20050055267A - 방전램프의 조도 제어 장치 - Google Patents

Abstract

램프에 전압을 공급하는 안정기와 직렬로 접속되어 램프의 조도를 조절하는 장치로서, 일측 입력단이 입력 전원과 접속되고 타측 입력단이 상기 안정기와 접속되어 입력 전력을 정류하는 정류부와; 일단이 상기 정류부의 일측 출력단과 접속되어 상기 정류부의 일측 출력단으로부터 출력된 전류를 스위칭하는 제1 스위칭부와; 일단이 상기 제1 스위칭부의 타단과 접속되고 타단이 상기 정류부의 타측 출력단과 접속된 제2 스위칭부와; 일단이 상기 제1 스위칭부의 타단과 접속되고, 타단이 상기 제2 스위칭부의 타단과 접속된 제1 캐패시터; 및 상기 제1 스위칭부와 상기 제2 스위칭부가 교대로 스위칭하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함하여, 상기 스위칭 제어부의 스위칭 주파수를 제어함으로써 램프의 조도를 조절하는 조도 제어 장치가 제공된다.

Description

방전램프의 조도 제어 장치{A dimmer for a discharge lamp}

본 발명은 조도 제어 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 조도 제어 기능이 없는 안정기가 설치된 형광등을 이용한 조명 시스템에 있어서 다른 배전회로의 구성을 바꾸는 작업 없이 용이하게 조도 제어 기능을 부여할 수 있는 장치에 관한 것이다.

일반적인 조도 제어 장치는 조도 조절을 위한 조광기(dimmer)와, 부하인 형광등과 같은 램프에 지속적인 AC전압을 공급하는 안정기를 포함하고 있다. 조광기는 램프나 기타 광원의 조도나 색채를 연속적으로 변화시키는 장치로서, 조도를 바꾸기 위한 방법으로, 단권트랜스에 많은 탭을 내서 이것을 전환하는 방법이나, 사이리스터 등을 이용하여 전자적으로 바꾸는 방법 등이 널리 이용되고 있고, 색채를 바꾸기 위한 방법으로, 색 원판, 컬러 박스 등의 색 필터를 사용한다.

종래에 형광등의 조도 제어 방법으로 널리 쓰이는 것으로서, 첫째 전자안정기 자체에 조도 제어 기능을 부가하는 방법, 둘째 공급전원의 위상을 감지하여 제어함으로써 전자안정기에 공급되는 전력을 제어하여 조도를 제어하는 방법, 셋째 스위칭 회로를 직렬로 접속하여 스위칭함으로써 조도를 제어하는 방법 등이 있다.

이들 종래의 조도 제어 방법들 중에서, 첫번째 방법은 조도 제어 단자가 형광등의 온오프 스위치와는 별도로 구성되므로 일반적인 벽매립형 배전회로로의 구성이 어려운 단점이 있고, 두번째 방법은 전자안정기의 특성에 따라 위상 감지가 어려워 조도 제어를 위한 변수들을 일반화하기 어려울 뿐만 아니라 전자안정기의 평활캐패시터에 충격전류가 흘러 전자안정기의 수명을 감소시키는 단점이 있다.

도 1a 내지 도 1c는, 상기한 세번째 조도 제어 방법의 예시로서, 미국 특허 US4,701,680호에 개시된 벽 매립형 형광등용 조광기를 설명하기 위한 도면이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 조광기 12는 교류 전원 11과 안정기 13 사이에 직렬로 접속되며, 안정기 13은 램프 18 및 19와 접속된다. 도 1b는 조광기 12로부터 출력되는 전류(i)의 파형을 도시한 것으로서, 조광기 12는 고주파 펄스부 25를 형성시키며, 고주파 펄스부 25의 폭을 증감시킴으로써 램프 18 및 19의 조도를 조절한다.

도 1c는 조광기 12의 세부 구성을 도시한 블록도로서, 조광기 12는 전파 정류부 21과, 과전압 감쇠부 15 및 16과, 스위칭부 17 및 18과, 게이트 콘트롤부 19 및 파워 서플라이부 20을 포함하여 구성된다. 게이트 콘트롤부 19는 스위칭부의 반도체 스위치 17을 제어함으로써 도 1b에서와 같은 파형을 생성한다.

상기한 바와 같은 세번째 조도 제어 장치는, 전자안정기가 평활캐패시터를 포함하고 있어서 스위칭을 하면 인입전류가 과도하여 스위칭 소자의 발열이 과다하여 대용량의 조도 제어가 힘들다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 조도 제어 장치의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 조도 제어 기능이 없는 형광등을 이용한 조명 시스템에 있어서, 다른 배전회로의 구성을 바꾸는 작업 없이 용이하게 조도 제어 기능을 부여할 수 있는 조도 제어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 램프 시스템에 전력을 공급할 때의 스위칭 과정에서 스위칭에 의한 발열손실을 최대한으로 줄일 수 있는 조도 제어 장치를 제공하는 것이다.

발명의 개요

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 조도 제어 장치의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 2a를 참조하면, 점선으로 표시한 '10' 부분은 전자안정기와 램프의 유사 등가회로를 나타낸 것으로서, 부하 캐패시터 C_L는 전자안정기의 평활 캐패시터이고, 저항 R은 램프를 대표하여 표시한 부하 저항이다.

여기서, C_P<<C_L 이고 제1 스위치 SW₁과 제2 스위치 SW₂가 서로 교대로 스위칭하도록 하게 하면, 즉, 제2 스위치 SW₂가 열린 상태에서 먼저 제1 스위치 SW₁을 닫아 전력제어 캐패시터 C_P에 전하를 충전하고, 제1 스위치 SW₁을 차단하고 제2 스위치 SW₂를 접속하면, 전력제어 캐패시터 C_P에 충전되었던 전하가 부하 캐패시터 C_L 로 이동하여 부하 저항 R에 전력이 공급된다. 이때, C_P<<C_L 이므로 제1 및 제2 스위치 SW₁과 SW₂를 여닫는 횟수(즉, 스위칭 주파수)에 따라서 부하 캐패시터 C_L의 평균전압을 조정할 수 있고, 이는 곧 부하 저항 R에 공급되는 전력을 조정할 수 있다는 것을 의미하며, 결국 램프의 조도를 제어할 수 있게 된다.

형광등에 사용하는 전자 안정기와 유사한 등가회로를 상기한 바와 같이 부하 캐패시터 C_L와 부하 저항 R의 병렬 접속 회로인 것으로 보고, 조도제어기의 등가회로를 전원 V_b, 전력제어 캐패시터 C_P, 제1 및 제2 스위치 SW₁ 및 SW₂ 라 하면, 도 2b에 도시된 바와 같이, 램프 50과 안정기 40을 포함하는 전등시스템에 직렬로 접속된 형광등용 조도 제어 장치를 구성할 수 있다.

그리하여, 본 발명의 일실시예에 의한 조도 제어 장치는, 램프에 전압을 공급하는 안정기와 직렬로 접속되어 램프의 조도를 조절하는 장치에 있어서, 일측 입력단이 입력 전원과 접속되고 타측 입력단이 상기 안정기와 접속되어 입력 전력을 정류하는 정류부와; 일단이 상기 정류부의 일측 출력단과 접속되어 상기 정류부의 일측 출력단으로부터 출력된 전류를 스위칭하는 제1 스위칭부와; 일단이 상기 제1 스위칭부의 타단과 접속되고 타단이 상기 정류부의 타측 출력단과 접속된 제2 스위칭부와; 일단이 상기 제1 스위칭부의 타단과 접속되고, 타단이 상기 제2 스위칭부의 타단과 접속된 제1 캐패시터; 및 상기 제1 스위칭부와 상기 제2 스위칭부가 교대로 스위칭하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함하여, 상기 스위칭 제어부의 스위칭 주파수를 제어함으로써 램프의 조도를 조절하는 것을 특징으로 한다.

실시예 1

도 3a는 본 발명에 따른 조도 제어 장치의 바람직한 일 실시예를 도시한 도면으로서, 본 실시예에 따른 조도 제어 장치는, 일측 입력단이 입력 전원 V_in과 접속되고 타측 입력단이 안정기 40과 접속되어 입력 전류를 정류하는 정류부 30과, 일단이 상기 정류부 30의 일측 출력단과 접속되어 상기 일측 출력단으로부터 출력된 전류를 스위칭하는 제1 스위칭부 Q₁과, 일단이 상기 제1 스위칭부 Q₁의 타단과 접속되고 타단이 상기 정류부 30의 타측 출력단과 접속된 제2 스위칭부 Q₂와, 일단이 상기 제1 스위칭부 Q₁의 타단과 접속되고 타단이 상기 제2 스위칭부 Q₂의 타단과 접속된 제1 캐패시터 C₁과, 상기 제1 및 제2 스위칭부 Q₁ 및 Q₂가 교대로 스위칭하도록 제어하는 스위칭 제어부 33과, 상기 제1 캐패시터 C₁과 직렬로 접속되는 인덕터 L과, 상기 제1 스위칭부 Q₁의 타단과 상기 인덕터 L사이에서 상기 제1 스위칭부 Q₁과 직렬로 접속되는 제1 다이오드 D₁ 및 상기 인덕터 L 및 상기 제2스위칭부 Q₂ 의 일단 사이에서 상기 제2 스위칭부 Q₂와 직렬로 접속되는 제2 다이오드 D₂를 포함한다.

도 3b는 스위칭 제어부 33에 의해 제1 스위칭부 Q₁ 및 제2 스위칭부 Q₂의 게이트에 입력되는 신호의 파형을 도시한 것이다. 제1 스위칭부 Q₁이 온(on)될 때는 제2 스위칭부 Q₂를 오프(off)시키고, 제1 스위칭부 Q₁이 오프될 때는 제2 스위칭부 Q₂를 온시켜 제1 스위칭부 Q₁과 제2 스위칭부 Q₂를 교대로 스위칭한다. 다만, 제1 스위칭부 Q₁과 제2 스위칭부 Q₂의 스위칭 타임이 중첩됨으로써 발생할 수 있는 회로의 단락 상태를 방지하기 위하여 제1 스위칭부 Q₁과 제2 스위칭부 Q₂의 스위칭 타이밍 사이에 데드 타임(dead time) t_d를 설정하는 것이 바람직하다. 상기한 바와 같은 타이밍을 갖는 제1 스위칭부 Q₁과 제2 스위칭부 Q₂의 스위칭 제어 신호를 발생시키는 스위칭 제어부 33은, 이미 알려진 발진회로나, 마이크로 프로세서 등을 이용하여 용이하게 구현할 수 있다.

상기 제1 스위칭부 Q₁이 온이 되고 제2 스위칭부 Q₂가 오프로 되는 동안에는, 입력 전원 V_in에 의한 교류 전력이 정류부 31에서 정류되어 상기 제1 스위칭부 Q₁을 거쳐, 제1 캐패시터 C₁에 충전된다(도 3b의 I_Q1 참조). 반대로, 상기 제1 스위칭부 Q₁이 오프가 되고 제2 스위칭부 Q₂가 온으로 되는 동안에는, 상기 제1 캐패시터 C₁에 충전된 전하가 방전되는 전류 I_Q2에 의하여 안정기 40에 전력을 공급한다(도 3b의 I_Q2 참조). 또한, 상기한 바와 같이, 상기 제1 및 제2 스위칭부 Q₁ 및 Q₂ 의 각 게이트에 입력되는 스위칭 신호의 주파수를 변경함으로써, 상기 안정기 40에 공급되는 전력량을 변경할 수 있고, 이에 따라 램프 50의 조도를 제어할 수 있다.

상기 제1 캐패시터 C₁과 직렬로 접속된 인덕터 L은, 상기 제1 캐패시터 C₁에 흐르는 인입 전류의 최대값을 제한하는 역할을 한다. 한편, 상기 제1 및 제2 다이오드 D₁ 및 D₂는 상기 인덕터 L과 제1 캐패시터 C₁의 공진에 의한 발진을 방지하여 전력손실을 감소시킨다. 물론, 필요에 따라 상기 제1 및 제2 다이오드 D1 및 D2를 제거해도 전체의 동작에 큰 지장은 없다.

또한, 상기 정류부 30의 교류 입력측 또는 직류 출력측에 제2 캐패시터 C₂(도시되지 않음)를 병렬로 접속할 수도 있는데, 이 경우에는 상기 인덕터 L과 제1 캐패시터 C₁의 공진으로 인한 과도한 전압 상승을 방지하며, 또한 안정기 40에 내재하는 인덕턴스 성분 또는 전선에 내재하는 기생 인덕턴스 성분에 의한 서지 전압(surge voltage)을 흡수하여 정류부 30이나 기타 스위칭 소자들을 보호할 수 있다.

실시예 2

도 4는 본 발명에 따른 조도 제어 장치의 다른 실시예의 구성도이다. 본 실시예에 의한 조도 제어 장치는, 도 3a에 도시된 실시예와 비교하면, 일단이 상기 제1 스위칭부 Q₁의 일단과 접속되고 타단이 상기 제1 캐패시터 C₁의 타단과 접속된 제3 캐패시터 C₃와, 일단이 상기 제1캐패시터 C₁의 타단과 접속되고 타단이 상기 제2 스위칭부 Q₂의 타단과 접속된 제4 캐패시터 C₄가 추가된 차이점을 갖는다.

상기 스위칭 제어부 33으로부터 상기 제1 및 제2 스위칭부 Q₁ 및 Q₂의 스위칭을 제어하기 위하여 출력되는 신호들은 도3a에 도시된 실시예와 동일하고, 회로의 전체적인 작용 또한 동일하지만, 제3 캐패시터 C₃ 및 제4 캐패시터 C₄를 추가함으로써 에너지 전달 효율을 증가시켜 제어 가능한 조도 범위를 확장시킬 수 있는 효과가 있다.

실시예 3

도 5는 본 발명에 따른 조도 제어 장치의 또 다른 실시예이다. 본 실시예에 의한 조도 제어 장치는, 도 4에 도시된 실시예와 비교하면, 상기 제3 캐패시터 C₃ 대신 제3 스위칭부 Q₃을 추가하고, 상기 제4 캐패시터 C₄ 대신 제4 스위칭부 Q₄ 를 추가함으로써 풀 브리지(full bridge) 형태로 스위칭 루프를 구성한 것이다. 또한, 도시된 바와 같이, 제3 스위칭부 Q₃의 타단과 제1 캐패시터 C₁의 타단 사이에서 상기 제3 스위칭부 Q₃과 직렬로 접속되는 제3 다이오드 D₃ 및 제1 캐패시터 C₁ 의 타단과 제4 스위칭부 Q₄의 일단 사이에서 상기 제4스위칭부 Q₄와 직렬로 접속되는 제4 다이오드 D₄를 추가로 포함할 수도 있다.

상기 스위칭 제어부 33으로부터 상기 제1 및 제2 스위칭부 Q₁ 및 Q₂, 제3 및 제4 Q₃ 및 Q₄의 스위칭을 제어함에 있어서는, 상기 제1 및 제4 스위칭부 Q₁ 및 Q₄가 온(on)으로 될 때 상기 제2 및 제3 스위칭부 Q₂ 및 Q₃을 오프(off)시키고, 반대로 상기 제1 및 제4 스위칭부 Q₁ 및 Q₄가 오프로 될 때 상기 제2 및 제3 스위칭부 Q₂ 및 Q₃을 온으로 하여, 상기 제1 및 제4 스위칭부 Q₁ 및 Q₄와 제2 및 제3 스위칭부 Q₂ 및 Q₃가 교대로 스위칭하도록 제어한다.

상기한 실시예들에서와 마찬가지로, 상기 제1 및 제4 스위칭부 Q₁ 및 Q₄와, 상기 제2 및 제3 스위칭부 Q₂ 및 Q₃의 스위칭 전환시에는 동시에 온이 되는 것을 방지하여야 한다.

상기 제1 및 제4 스위칭부 Q₁ 및 Q₄가 온이 되고, 상기 제2 및 제3 스위칭부 Q₂ 및 Q₃이 오프로 되는 동안에는, 입력 전원 V_in의 전력이 상기 정류부 31에서 정류되어 상기 제1 및 제4 스위칭부 Q₁ 및 Q₄를 거쳐, 상기 제1 캐패시터 C₁에 충전된다(도 3b의 I_Q1 참조). 반대로, 상기 제1 및 제4 스위칭부 Q₁ 및 Q₄가 오프로 되고 상기 제2 및 제3 스위칭부 Q₂ 및 Q₃이 온으로 되는 동안에는, 상기 제1 캐패시터 C₁에 충전된 전하가 방전되면서 상기 안정기 40에 전력을 공급한다(도3b의 I_Q2 참조). 본 실시예에서도, 상기 스위칭 제어부 33으로부터 상기 제1 및 제4 스위칭부 Q₁ 및 Q₄와 상기 제2 및 제3 스위칭부 Q₂ 및 Q₃의 게이트에 공급되는 스위칭 신호의 주파수를 변경함으로써, 상기 안정기 40에 공급되는 전력량을 변경할 수 있고, 따라서 램프 50의 조도를 제어할 수 있게 된다.

여기에서도, 상기 제1 캐패시터 C₁과 직렬로 접속된 인덕터 L은 상기 제1 캐패시터 C₁에 흐르는 인입 전류의 최대값을 제한하는 역할을 한다.

한편, 제1 내지 제4 다이오드 D₁, D₂, D₃ 및 D₄를 도시된 바와 같이 추가하는 경우에는, 상기 제1 내지 제4 스위칭부 Q₁, Q₂, Q₃ 및 Q₄의 특성의 차이에 따른 온 시점의 불일치로 제1캐패시터 C₁의 자체 방전루프가 형성되는 것을 방지하여 각 스위칭부에서 발생하는 열손실을 제거할 수 있다.

도 5에 도시된 실시예에 의한 조도 제어 장치에 의하면, 풀 브리지 방식으로 스위칭 루프를 구성함으로써, 도 4에 도시된 하프 브리지(half bridge) 방식의 구조에 비하여, 조도 제어 범위를 더욱 광범위하게 넓힐 수 있다.

상기 각각의 스위칭부 Q₁, Q₂, Q₃ 및 Q₄는, 바이폴라 트랜지스터(BJT), 전계효과 트랜지스터(FET), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 등의 다양한 스위칭 소자로부터 선택하여 이용할 수 있다.

이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 아니된다. 본 발명에 따른 기술적 사상은 다양한 형태로 변형 실시가 가능할 것이므로 그 기술적 범위는 특허청구범위의 합리적 해석에 의해 결정되어야 한다.

본 발명에 의한 조도 제어 장치에 의하면, 스위칭 발열이 발생하지 않아 조도 제어 용량을 증대할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 조도 제어 장치에 의하면, 조도 제어 기능이 없는 조명시스템에 추가적으로 설치하여, 조도 제어 기능을 부가할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 조도 제어 장치에 의하면, 기존의 배선 체계를 변경하거나 배선 설비를 추가할 필요 없이 조도 제어 장치를 장착할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 조도 제어 장치에 의하면, 주변의 조도에 따라 램프의 발광 조도가 자동으로 제어되는 조도 제어 장치를 제공할 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 통상적인 조도 제어 장치의 일례를 도시한 도면.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 조도 제어 장치의 원리를 설명하기 위한 개념도.

도 3a는 본 발명에 의한 조도 제어 장치의 일실시예의 구성을 도시한 개념도.

도 3b는 제1스위칭부 및 제2스위칭부의 게이트의 입력 전압 파형 및 출력 전류의 파형의 일실시예를 도시한 파형도.

도 4은 본 발명에 의한 조도 제어 장치의 다른 실시예의 구성을 도시한 개념도.

도 5는 본 발명에 의한 조도 제어 장치의 또 다른 실시예의 구성을 도시한 개념도.

Claims (7)

1. 방전 램프를 구동하는 안정기와 직렬로 접속되어 램프의 조도를 조절하는 조도 제어 장치에 있어서,

   일측 입력단이 입력 전원과 접속되고 타측 입력단이 상기 안정기와 접속되어 입력 전력을 정류하는 정류부;

   일단이 상기 정류부의 일측 출력단과 접속되어 상기 출력단으로부터 출력되는 전류를 스위칭하는 제1 스위칭부;

   일단이 상기 제1 스위칭부의 타단과 접속되고 타단이 상기 정류부의 타측 출력단과 접속된 제2 스위칭부;

   일단이 상기 제1 스위칭부의 타단과 접속되고, 타단이 상기 제2 스위칭부의 타단과 접속된 제1 캐패시터; 및

   상기 제1 스위칭부와 상기 제2 스위칭부가 교대로 스위칭하도록 제어하는 스위칭 제어부를 포함하되,

   상기 스위칭 제어부의 스위칭 주파수를 제어함으로써 상기 램프의 조도를 조절하는 조도 제어 장치.
2. 제1항에 있어서,

   일단이 상기 제1 스위칭부의 일단과 접속되고 타단이 상기 제1 캐패시터의 타단과 접속된 제3 캐패시터; 및

   일단이 상기 제1 캐패시터의 타단과 접속되고 타단이 상기 제2 스위칭부의 타단과 접속된 제4 캐패시터를 더 포함하는 조도 제어 장치.
3. 제1항에 있어서,

   일단이 상기 제1 스위칭부의 일단과 접속되고 타단이 상기 제1 캐패시터의 타단과 접속되는 제3 스위칭부;

   일단이 상기 제1 캐패시터의 타단과 접속되고 타단이 상기 제2 스위칭부의 타단과 접속되는 제4 스위칭부를 더 포함하되,

   상기 스위칭 제어부는 상기 제1 및 제4 스위칭부가 실질적으로 동시에 온 또는 오프되도록 제어하며, 상기 제2 및 제4 스위칭부가 실질적으로 동시에 온 또는 오프되도록 제어하되, 상기 제1 및 제4 스위칭부와 상기 제2 및 제3 스위칭부는 교대로 온 또는 오프되도록 제어하는 조도 제어 장치.
4. 제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1 캐패시터와 직렬로 접속되는 인덕터를 더 포함하는 조도 제어 장치.
5. 제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1 스위칭부의 타단과 상기 제1 캐패시터의 일단 사이에서 상기 제1스위칭부와 직렬로 접속되는 제1 다이오드; 및

   상기 제1 캐패시터의 일단 및 상기 제2 스위칭부의 일단 사이에서 상기 제2 스위칭부와 직렬로 접속되는 제2 다이오드를 더 포함하는 조도 제어 장치.
6. 제3항에 있어서,

   상기 제1 스위칭부의 타단과 상기 제1 캐패시터의 일단 사이에서 상기 제1 스위칭부와 직렬로 접속되는 제1 다이오드;

   상기 제1 캐패시터의 일단 및 상기 제2 스위칭부의 일단 사이에서 상기 제2 스위칭부와 직렬로 접속되는 제2 다이오드;

   상기 제3 스위칭부의 타단과 상기 제1 캐패시터의 타단 사이에서 상기 제3 스위칭부와 직렬로 접속되는 제3다이오드; 및

   상기 제1 캐패시터의 타단과 상기 제4 스위칭부의 일단 사이에서 상기 제4 스위칭부와 직렬로 접속되는 제4다이오드를 더 포함하는 조도 제어 장치.
7. 제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 정류부의 교류 입력단 또는 직류 출력단에 접속된 제2 캐패시터를 더 포함하는 조도 제어 장치.