KR20060123741A - 할로겐화 금속 램프 구동 방법 및 장치 - Google Patents

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요한 엘. 브이. 헨드릭스
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

기체 방전 램프(2)가 교류로 동작한다. 양 지속 시간(τP) 동안 양 전류 세기(│IP│)를 가지는 양 램프 전류(IP)가 생성된다. 음 지속 시간(τN) 동안 음 전류 세기(│IN│)를 가지는 음 램프 전류(IN)가 생성된다. 충격 계수(D = τP/(τP+τN))는 50%가 아니다. 전류 비율(R = │IP│/│IN│)은 1이 아니다.
기체 방전 램프, 할로겐화 금속 램프, 충격 계수, 전류 비율

Description

할로겐화 금속 램프 구동 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR DRIVING A METAL HALIDE LAMP}
본 발명은 일반적으로 기체 방전 램프(gas discharge lamp)를 구동하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 HID 램프 더 구체적으로는 할로겐화 금속 램프(metal helide lamp)를 구동하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 다수의 특징들이 다른 램프 유형에도 적용될 수 있지만, 본 발명은 특히 비교적 큰 종횡비(aspect ratio), 즉 3 또는 4보다 큰 길이/지름 비율을 가진 할로겐화 금속 램프에 관한 것으로서, 종래에는 종횡비가 전형적으로 2 정도이다.
기체 방전 램프는 일반적으로 공지되어 있다. 일반적으로, 기체 방전 램프는 기밀 방식(gastight manner)으로 방전 챔버(discharge chamber)를 둘러싸는 광전송관(light trnasmitting vessel), 이온화할 수 있는 충전재 및 방전 챔버 내에서 서로 맞은 편에 위치한 한 쌍의 전극을 포함하며, 각각의 전극은 방전 챔버로부터 램프관을 통하여 외부로 연장된 관련 전류 도체(current conductor)에 연결된다. 동작하는 동안, 상기 전극에 전압이 인가되고, 램프 전류가 전극 사이를 흐르도록 만드는 기체 방전이 상기 전극 사이에서 발생한다. 비교적 넓은 동작 전류의 범위 내에서 개별적인 램프를 구동하는 것이 가능하지만, 전형적으로 램프는 특정 램프 전압 및 램프 전류에서 동작하여 특정 공칭 전력(nominal electric power)을 소비하도록 고안된다. 이러한 공칭 전력에서, 램프는 공칭량의 빛을 생성할 것이다. HID 램프가 당업자에게 널리 공지되어 있기 때문에, 본 명세서에서 HID 램프의 구조 및 동작을 더 상세히 논의하는 것은 불필요하다.
고압 방전 램프는 전형적으로 정류 DC 전류를 공급하는 전자 밸러스트(electronic ballast)에 의하여 구동된다. 그러한 램프용 전자 밸러스트 또는 구동기는 전형적으로 AC 주전압 및 주전류를 수신하기 위한 입력, AC 주전압을 정류 전압으로 정류하기 위한 정류기, 정류 전압을 높은 정전압(constant voltage)으로 변환하기 위한 DC/DC 업 컨버터(DC/DC up converter), 상기 높은 정전압을 낮은 정전압(램프 전압) 및 높은 DC 전류(램프 전류)로 변환하기 위한 다운 컨버터(down converter), 및 이 DC 전류의 방향과 DC 전압의 극성을 정기적으로 바꾸기 위한 정류자(commutator)를 포함한다. 다운 컨버터는 전류원(current source)으로 동작한다. 전형적으로, 정류자는 100㎐ 정도의 주파수에서 동작한다. 따라서, 원칙적으로 램프는 일정한 크기의 전류에서 정상적으로 동작하며, 램프 전류는 대칭적인 방식으로 매우 짧은 시간(정류 주기) 안에 방향을 정기적으로 바꾼다. 즉, 한 전극은 각 전류 주기의 50% 동안은 캐소드(cathode)로 동작하고, 각 전류 주기의 다른 50% 동안은 애노드(anode)로 동작한다. 이러한 동작 모드는 구형파(square wave) 전류 동작으로 제시될 것이다. 당업자라면 구형파 전류 동작에서 램프 전류가 평균적으로 0이라는 것을 알 수 있을 것이다.
미국 특허 제6,369,518호는 충격 계수(duty cycle)가 전극의 온도를 조절하 고, 따라서 가장 차가운 점의 온도를 조절하도록 형성되는 시스템을 기술하고 있다.
할로겐화 금속 램프의 하나의 문제점은, 수평 배향에서의 동작이 수직 배향에서의 동작과 다르다는 점이다. 수평 배향에서는, 입자의 공간적인 분포가 거의 균일하다. 수직 배향에서는, 입자의 공간적인 분포가 램프의 축에 따른 위치에 종속적이다. 분리(segregation)로 표현되는 이러한 현상은 대류 및 확산과 같은 물리적인 효과에 의하여 발생되며, 대류 및 확산은 램프 내 기체 상태에 의하여 정해진다. 분리의 정도는 이온화 가능한 충전재의 물질의 종류 및 압력과 같은 환경에 의존한다. 전극 간격이 증가하면, 즉 종횡비가 증가하면 분리 효과가 커진다.
할로겐화 금속 램프에서는 빛이 원자에 의하여 생성되기 때문에, 분리에 의하여 빛의 세기와 빛의 색이 램프의 중심축을 따라 더 이상 일정하지 않게 되고, 램프의 기술적인 특징과 전체 빛은 수평으로 동작할 때 얻어지는 것과 다르게 될 것이다.
본 발명의 일반적인 목적은 할로겐화 금속 램프의 수직 배향에서의 빛 생성 능력을 제어하고자 하는 것이다.
더 구체적으로, 본 발명은 할로겐화 금속 램프의 에피커시(efficacy)를 제어하고자 한다.
일 특징에 따르면, 본 발명은, 이상적으로는 램프의 중심축을 따라 빛의 세기 및 빛의 색을 가능한 한 일정하게 유지하도록, 분리의 효과에 대항하고자 한다. 특정 목적에 따르면, 본 발명은 램프의 배향에 독립적으로, 자동적으로 일정한 에피커시를 유지하는 램프 조립체(lamp assembly)를 제공하고자 한다.
다른 특징에 따르면, 본 발명은 할로겐화 금속 램프에 의하여 발생된 빛의 세기와, 바람직하게는 색 온도를 제어하고자 한다. 특정 목적에 따르면, 본 발명은 매우 넓은 범위에서 색 온도를 변화시킬 수 있는, 가변성의 색 온도를 가지는 램프 조립체를 제공하고자 한다.
특히, 본 발명은 DC 성분이 0의 레벨로 유지되는 램프 전류를 가진 램프를 구동하면서 할로겐화 금속 램프의 에피커시 및/또는 색 온도와 같은 램프의 특성을 조정하고자 한다. 특정 목적에 따르면, 본 발명은 램프 전류의 DC 성분을 0으로 유지하면서 매우 넓은 범위에서 색 온도를 변화시킬 수 있는, 가변성의 색 온도를 가지는 램프 조립체를 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명의 원리는 램프 전류의 DC 성분을 임의의 일정 레벨로 유지하는데에도 적용 가능하다.
본 발명의 중요한 특징에 따르면, 할로겐화 금속 램프는 충격 계수(duty cycle) D가 50%가 아니고 전류 비율(current ratio) R이 1이 아닌 정류 전류로 동작된다. 충격 계수 D와 전류 비율 R은 평균적으로 램프 전류의 DC 성분이 원하는 값, 바람직하게는 0을 가지도록 서로 관련되어 선택된다.
본 발명의 다른 중요한 특징에 따르면, 할로겐화 금속 램프는 충격 계수 D가 50%가 아니고 전류 비율 R이 1이 아닌 정류 전류로 동작된다. 에피커시 및/또는 색 온도를 변화시키기 위하여, 충격 계수 D와 전류 비율 R은 평균적으로 램프 전류의 DC 성분이 상수, 바람직하게는 0으로 유지되도록 동시에 변화된다. 그 결과, 램프의 유형에 따라, 에피커시 및/또는 색 온도는 램프 전류의 DC 성분을 변화시키지 않고서도 변화될 것이다.
본 발명의 이러한 특징 및 장점과 기타 특징 및 장점은 도면을 참조하여 이하에서 더 설명될 것이며, 동일한 참조 번호는 동일 또는 유사한 부분을 가리킨다.
도 1은 할로겐화 금속 램프의 일 실시예를 개략적으로 나타내는 도면.
도 2는 램프 조립체를 개략적으로 나타내는 도면.
도 3은 수평 배향에서 램프의 중심축에 따른 입자의 분포를 도시하는 그래프.
도 4는 수직 배향에서 램프의 중심축에 따른 입자의 분포를 도시하는 그래프.
도 5는 이온 흐름(drift)을 개략적으로 도시하는 도면.
도 6은 전자 밸러스트를 개략적으로 도시하는 블록도.
도 7a 내지 도 7c는 전류 파형을 도시하는 그래프.
도 8은 평균 램프 전류의 함수로 색 온도의 측정 결과를 나타내는 그래프.
도 9는 평균 램프 전류의 함수로 에피커시의 측정 결과를 나타내는 그래프.
도 10은 도 7a 내지 도 7c와 유사한, 본 발명에 따른 전류 파형을 도시하는 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 전류 파형을 가하여 충격 계수의 함수로 색 온도의 측정 결과를 나타내는 그래프.
도 12는 본 발명에 따른 전류 파형을 가하여 충격 계수의 함수로 에피커시의 측정 결과를 나타내는 그래프.
도 13은 본 발명에 따른 한 전자 램프 구동기의 개략적인 블록도.
도 14는 본 발명에 따른 다른 전자 램프 구동기의 개략적인 블록도.
도 15는 배향 탐지기를 개략적으로 도시하는 도면.
먼저, 할로겐화 금속 램프의 일반적인 동작과 램프 배향(orientation)의 결과가 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 일반적으로 참조 번호 1로 표시되는 할로겐화 금속 램프의 가능한 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 램프(1)는 광전송관(2)을 포함하는데, 도시된 실시예에 따르면 내부 지름이 Di인 원통형이나, 다른 모양도 가능하다. 본 발명에서 필수적인 것은 아니지만, 관(2)은 바람직하게는 세라믹 물질로 만들어지며, 대안으로 관(2)은 수정(quartz)으로 만들어질 수 있다. 관(2)은 세로 방향의 단부(longitudinal end)에서 양립가능한 물질의 플러그 또는 단부 캡{end cap}(3, 4)에 의하여 기밀 방식(gas-tight manner)으로 마감된다. 관(2)과 플러그 및/또는 단부 캡(3, 4)은, 관(2)의 내부 지름 Di와 같은 지름을 가지고 단부 캡(3)과 단부 캡(4) 사이의 거리에 의하여 정해지는 축 길이 Li를 가지는 방전 챔버{discharge chamber}(5)를 둘러싼다. 종횡비(aspect ratio) AR은 비율 Li/Di로 정의된다.
방전 챔버(5) 내부에, 두 전극(6, 7)이 실질적으로 관(2)의 중심축에 대하여 정렬되어, 서로 거리 EA만큼 떨어져서 배치된다. 전극 도체(8, 9)는 기밀 방식으로 각각 전극(6, 7)으로부터 단부 캡(3, 4)을 통하여 연장된다. 단부 캡(3, 4)이 수정으로 만들어진 경우, 도체(8, 9)는 수정으로 녹아들 수 있다. 전형적으로, 전극(6, 7)은 전극 도체(8, 9)의 물질과 상이한 물질로 만들어질 것이며, 예를 들면, 전극(6, 7)은 텅스텐으로 만들어질 수 있다.
방전관(2) 내부에는, 즉 방전 챔버(5)에서는, 이온화 가능 충전재(ionizable filling)가 배치된다. 정상 상태 동작 동안, 충전재는 전형적으로 상당량의 수은(Hg)을 포함하는 분위기(atmosphere)를 포함한다. 전형적으로, 공기는 크세논(Xe) 및/또는 아르곤(Ar)과 같은 원소도 포함한다. 실례에 따르면, 방전관(2) 내의 전체 압력이 1 내지 2기압 정도인 경우, 아르곤과 크세논은 1:1의 비율로 존재할 수 있다. 다른 실례에 따르면, 전체 압력이 10 내지 20기압인 경우, 방전 챔버는 수은과 비교적 적은 양의 아르곤을 함유할 수 있다. 이하에서 상업적으로 이용가능한 램프의 그러한 예들은 각각 비교적 저압 램프와 비교적 고압 램프로 표시될 것이다.
또한, 방전관(2)은 하나 이상의 할로겐화 금속 물질들을 함유한다. 이러한 물질들은 브롬화물이나 기타 할로겐화물을 포함할 수 있으나, 전형적으로는 요오드화물을 포함한다. 그러한 가능한 물질들의 전형적인 예는 요오드화 리튬, 요오드화 세륨, 요오드화 나트륨이다. 다른 물질들도 역시 가능하다.
할로겐화 금속은, 램프의 동작 동안 녹은 염류의 염류 웅덩이(salt pool)가 방전 챔버(5) 내부에 존재하도록 과량의 염류를 포함하는 포화 시스템(saturated system)으로서 제공된다. 이하에서는, 염류 웅덩이가 방전 챔버(5) 내부의 가장 낮은 곳에 위치하는 것으로 가정할 것이다.
동작하는 동안, 전극(6, 7) 사이에서 방전이 일어날 것이다. 방전의 높은 온도 때문에, 상기 물질들은 이온화되고 빛을 생성할 것이다. 생성된 빛의 색은 물질에 따라 다른데, 예를 들면 요오드화 나트륨에 의하여 생성된 빛은 적색이고, 요오드화 세륨에 의하여 생성된 빛은 녹색이다. 전형적으로, 램프는 적절한 물질들의 혼합물을 함유할 것이고, 이러한 혼합물의 조성, 즉 상기 물질들의 정체와 상호 비율이 특정한 원하는 전체 색을 얻을 수 있도록 선택될 것이다.
도 2는 한쪽 단부에 표준 램프 소켓(도시되지 않음)에 돌아 들어가는데 적합한 표준 램프 연결 캡(12)이 있는 전구 또는 외피{envelope}(11)에 마운팅된 램프(1)를 도시하고 있다. 램프(1)는 전구(11)와 축 방향으로 정렬된다. 램프(1)는 두 지지 도체(13, 14)에 의하여 지지되는데, 이는 각각 전극 도체(8, 9)에 적절히 연결되고, 캡(12)의 전기적 접촉부에 전기적으로 연결된다.
이하에서 램프(1)와 램프(1)를 둘러싸는 전구(11)의 조합이 램프 조립체(10)로 표시될 것이다.
도 2는 수평 배향, 즉 방전관(2)의 중심축이 수평으로 배치된 상태에서의 램프 조립체(10)를 도시하고 있다. 이러한 배향에서, 전극(6)과 전극(7) 사이의 방전 아크(discharge arc)는 수평 방향의 아크 축을 가질 것이다. 이러한 배향에서, 방전관(2) 내부의 중심축에 따른 입자의 공간적인 분포는, 도 3에서 수평선(H)에 의하여 도시된 바와 같이, 실질적으로 균일할 것이다. 도 3은 방전관(2)의 중심축 에 따른 위치의 함수로 입자의 부분압 또는 입자의 농도를 도시한 그래프이다. 이러한 위치는 도 3의 수평축에 의하여 표시되며, 참고로 단부 캡(3, 4)과 전극(6, 7)의 위치가 표시된다. 그래프는 전극(6)과 전극(7) 사이의 공간, 즉 아크의 위치에만 관련된다.
실제로 이온화 가능 성분의 혼합물의 조성은, 각각의 개별적인 이온화 가능 성분의 부분압이 상이한 값을 가지도록 변화할 수 있으나, 이는 도 3에 도시되지 않고 있다. 본 논의에서 컴포넌트의 부분압의 정확한 값이 적절하지 않으므로 도 3의 수직축은 어떠한 눈금도 표시하지 않음을 주의하여야 한다. 상기 수평선(H)의 수준에서만 100% 값이 표시된다. 이 값은 램프 축을 따라 부분압이 도달하는 "최대"값에 대응한다. 따라서, 모든 부분압이 램프 축을 따라 실질적으로 일정하(고 따라서 최대값과 같)기 때문에, 도 3에서 모든 서로 다른 부분압이 하나의 수평선(H)으로 표시된다.
램프 내의 특정 위치에서의 램프(1)의 발광 특성이 그 특정 위치에서의 이온화 가능 성분의 부분압에 의존한다는 점을 주의하여야 한다. 상기 특정 위치에서의 특정 성분의 부분압이 높을수록, 이 특정 성분에 대응하는 특정 분광 특성을 가지는 빛이 더 많이 생성될 것이다. 따라서, 도 3에서 선(H)으로 도시된 바와 같이 램프의 중심축에 따른 성분들의 부분압이 일정하면, 램프(1)의 발광 특성 역시 램프(1)의 중심축을 따라 전체적으로 일정할 것이다. 즉, 빛의 세기 및 색이 일정할 것이다.
도 4는 램프(1)의 수직 배향에 관련된 분리(segregation)의 문제를 도시하고 있다. 도 4는 도 3과 유사하며, 램프(1)의 수평 배향에 대응하는 수평선(H)을 참조하여 도시되고 있다. 도 4는 연소 아크(burning arc)가 수직 방향의 아크 축을 가지는 램프(1)의 수직 배향에 관련된다. 제시된 예에 따르면, 도 1에 따라 제1 전극(6)이 상부 전극으로 가정되고 제2 전극(7)이 하부 전극으로 가정된다. 곡선 (A) 내지 (E)는 이러한 조건에서 입자의 부분압이 일정하지 않고 위치에 의존함을 나타낸다. 더 구체적으로, 하부 전극(7)으로부터의 수직 거리가 증가할수록 입자의 부분압이 감소한다. 이러한 현상은 방전 챔버(5) 내에서 일어나는 대류 및 확산의 조합에 의하여 발생하는 자연적인 현상이며, 이는 당업자라면 명백히 알 수 있을 것이다.
분리의 효과는 환경에 따라 더 심할 수도 있고 덜 심할 수도 있다. 일반적으로 방전 챔버(5) 내의 압력이 증가할수록 이 효과가 심해진다. 예를 들면, 곡선 (A)는 1 내지 2기압 정도의 비교적 낮은 압력의 경우에 관련될 수 있고, 곡선 (E)는 10 내지 20기압 정도의 비교적 높은 압력의 경우에 관련될 수 있다.
또한, 분리의 효과는 램프의 한쪽 단부(도시된 예에서 상부 단부)에서 가장 현저한 경향이 있다. 이 예에 따르면, 하부 전극(7)에 가까울수록 입자 농도는 실질적으로 "정상", 즉 수평 상태와 동일하게 되며, 이는 하부 전극(7)의 위치에서 모든 곡선이 수평선(H)과 서로 교차한다는 점에 의하여 설명된다. 다른 위치에서, 입자의 농도는 하부 전극(7)에 가까운 곳에서의 값으로부터 벗어나며, 그 편차는 하부 전극(7)으로부터 멀어질수록 증가하고, 상부 전극(6)에 가까운 곳에서 최대 편차를 가진다. 일반적으로 이 효과는 방전 챔버(5)의 길이 Li가 증가할수록 심해 진다.
또한, 분리의 정도는 동일한 램프 내에서 성분에 따라 다르다. 예를 들면, 요오드화 세륨의 경우의 분리가 요오드화 나트륨의 경우의 분리보다 심하므로, 곡선 (A)가 요오드화 나트륨을 나타내고 곡선 (B)가 요오드화 세륨을 나타낼 수 있다. 그러나, 이는 요오드화 나트륨의 부분압이 요오드화 세륨의 부분압보다 언제나 높다는 것을 반드시 의미하지는 않는다.
공간의 특정 유닛 내에서 생성되는 빛의 양이 공간의 그러한 유닛 내에서 입자를 생성하는 빛의 양에 비례하기 때문에, 분리는 램프(1)의 에피커시(efficacy)에 영향을 미치며, 이는 당업자라면 명백히 알 수 있을 것이다. 따라서, 분리는 램프의 광 출력을 전체적으로 감소시킨다. 또한, 분리는 램프의 길이 방향에 따른 빛의 세기의 분포를 균일하지 않게 하며, 더 구체적으로 램프의 상부가 램프의 하부보다 빛을 적게 생성할 것이다.
램프가 단 하나의 빛 생성 물질을 함유한다면 이상의 사항은 이미 적용된다. 물질들의 혼합물의 경우에도 이상의 사항이 적용되나, 전술한 바와 같이 혼합물 내 다양한 성분에 대하여 서로 다른 정도로 적용될 것이다. 램프에 의하여 생성된 빛의 전체적인 색의 인상은 혼합물의 다양한 성분으로부터 제공된 빛에 의존하기 때문에, 분리는 램프에 의하여 생성된 빛의 색을 전체적으로 변화시키고, 램프의 길이 방향에 따른 색 분포를 균일하지 않게 만든다.
이러한 효과는 램프(1)의 상부 단부에서 가장 현저할 것이며, 램프의 하부 단부에서의 경우는 정상으로 보인다. 도 4에 나타난 바와 같이, 하부 전극(7)에서 빛 생성 성분의 상대적 부분압은 수평 배향의 경우와 실질적으로 일치하며, 생성된 빛은 설계시 기대했던 바와 일치한다. 반면에, 상부 전극(6)에서는, 상대적 부분압이 수평 배향의 경우와 다르며, 편차의 정도는 성분에 따라 다르다. 예를 들면, 미리 정해진 비율로 요오드화 세륨 및 요오드화 나트륨의 혼합물을 함유하는 램프의 경우, 상부 전극(6)에서 요오드화 나트륨에 의하여 생성되는 적색광의 양{예컨대, 곡선 (A)}은 상부 전극(6) 근처의 나트륨 원자의 농도 감소로 인하여 감소될 것이고, 요오드화 세륨에 의하여 생성되는 녹색광의 양{예컨대, 곡선 (B)}은 세륨 원자의 농도 감소로 인하여 감소될 것이다. 상부 전극(6)에서 적색광의 세기와 녹색광의 세기가 감소될 것이기 때문에, 상부 전극(6) 근처의 전체적인 빛의 세기가 감소될 것이다. 녹색광이 적색광보다 더 많이 감소되기 때문에, 상부 전극(6) 근처에서 생성되는 빛의 색의 전체적인 인상은 적색으로 편이될 것이다.
곡선 (D) 및 곡선 (E)는, 상부 전극(6) 근처의 어떠한 공간에는 실질적으로 어떠한 광 생성 이온도 존재하지 않을 정도로 심할 수 있음을 나타낸다. 남아있는 것은 수은 완충 기체(mercury buffer gas)에 의하여 생성된 배경 글로우(background glow)이다.
본 발명은, 전기장이 이온을 이송하고, 그 결과 동일한 성분의 원자를 반대 방향으로 이송한다는 인식에 기초한다. 이는 다음과 같이 개략적으로 설명될 수 있다. 도 5에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 상부 전극(56)이 하부 전극(57)에 비하여 음으로 충전된, 서로 수직으로 위치한 두 전극(56, 57)을 고려한다. 이러한 전극 사이의 전기장은 화살표(E)로 표시된다. 양으로 충전된 입자 P+는 음으로 충전된 상부 전극(56)으로 끌어당기는 힘을 받을 것이다. 평형 상태에서, 상부 전극(56)의 음 전하를 효과적으로 차폐하여 전기장(E)을 감소시키는, 양으로 충전된 입자의 구름(58)이 상부 전극(56) 근처에 형성될 것이다.
이상의 사항은 직류의 경우에 이미 적용된다. 교류, 즉 교호하는 전류 방향을 가지는 "일정한" 전류의 경우, 충전된 입자들은 전류 주기의 제1 부분 동안 한 전극을 향해 이송되고, 전류 주기의 제2 부분 동안 다른 전극을 향해 이송된다. 충전된 입자들은 대류 및/또는 중력으로부터 유래한 힘, 및 램프의 전하 구름에 의하여 발생된 힘도 받는다.
본 발명은 방전 챔버 내 입자 분포를 조정함으로써 할로겐화 금속 램프에 의하여 생성된 빛(양 및/또는 색 온도)을 조정한다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전류의 DC 성분이 평균적으로 0의 값을 가지도록 선택된, 충격 계수가 50%가 아니고 전류 비율이 1이 아닌 램프 전류가 생성된다. 이 때, 더 상세히 설명되는 바와 같이, 전류 비율은 양의 전류 크기와 음의 전류 크기 사이의 비율로 정의된다. 전류의 DC 성분을 0으로 유지하면서 충격 계수와 전류 비율을 조합하여 변화시킴으로써, 램프 유형에 따라 입자 분포를 변화시키고, 따라서 색 온도 및/또는 에피커시를 변화시킬 것이다.
이하에서는 본 발명에 따른 구동기 장치(driver device)의 가능한 실시예들이 기술된다. 도 6은 램프(1)를 구동하기 위한 구동기 장치 또는 전자 밸러스트{electronic ballast}(60)를 개략적으로 도시하는 블록도이다. 전자 밸러스트 또는 구동기(60)는 전형적으로 AC 주전압 및 주전류를 수신하기 위한 입력(61), AC 주전압을 정류하기 위한 정류기(62), 정류된 주전압을 높은 정전압으로 변환하기 위한 DC/DC 업 컨버터{DC/DC up converter}(63), 상기 높은 정전압을 낮은 정전압(램프 전압) 및 대응하는 정전류(램프 전류)로 변환하기 위한 다운 컨버터{down converter}(64), 및 매우 짧은 시간(정류 주기) 안에 이 DC 전류의 방향과 DC 전압의 극성을 정기적으로 바꾸기 위한 정류자{commutator}(65)를 포함한다.
통상적으로, 구동기는 그 출력이 전류원을 구성하는 것으로 간주될 수 있도록 고안되는데, 이 전류원은 전류의 방향은 교호하나 전류의 크기는 일정하며, 충격 계수는 50%이다. 즉, 전류 주기의 50% 동안 한 방향을 향하고 전류 주기의 나머지 동안에는 반대 방향을 향한다. 따라서, 각각의 램프 전극은 각 전류 주기의 50% 동안은 캐소드로 동작하고 각 전류 주기의 나머지 50% 동안은 애노드로 동작하며, 평균 전류 IAV는 0과 같다. 도 7a는 시간의 함수로 램프 전류 IL을 도시한 그래프로서, 이러한 구형파 전류 동작을 설명한다. 램프 전류의 크기는 실질적으로 일정하게(INOM) 유지되나, 전류의 부호가 양에서 음으로, 음에서 양으로 변화되는 것으로 나타나듯이 전류의 방향이 정기적으로 변화됨이 명백하게 도시되고 있다.
이하에서 한 방향의 전류는 "양" 전류 IP로 표시되고, 반대 방향의 전류는 "음" 전류 IN으로 표시될 것이며, 어떠한 전류 방향이 "양"에 해당하는지는 임의적이다.
또한, "양" 전류 IP의 전류 세기는 "양" 세기 │IP│로 표시될 것이고, "음" 전류의 전류 세기는 "음" 세기 │IN│으로 표시될 것이다. R = │IP│/│IN│으로 전류 비율 R이 정의될 것이고, 구형파 전류 동작에 있어서 R = 1이다.
또한, "양" 전류 IP의 지속 시간은 "양" 지속 시간 τP로 표시될 것이고, "음" 전류 IN의 지속 시간은 "음" 지속 시간 τN으로 표시될 것이다. 전류 주기 t = τP+τN이다. 충격 계수 D는 D = τP/t로 정의될 것이며, 구형파 전류 동작에 있어서 D = 50%이다.
도 7b는 색 온도를 변경하는 한 가능성을 나타내는 그래프이다. 이 경우, 양 세기 │IP│는 음 세기 │IN│과 다르며, 전류의 충격 계수는 50%이다. 따라서, R ≠ 1이고, D = 50%이다. 파선으로 표시된 평균 전류 IAV가 0이 아님을 알 수 있을 것이다. 전류 세기가 단위 시간당 이송되는 입자의 수에 비례하기 때문에, 음 전류 동안보다 양 전류 동안에 더 많은 입자가 이송되어, 평균적으로 입자 이송이 평균 전류 IAV에 비례하게 될 것이다. 입자 이송에 관한 이러한 메커니즘은 이하에서 "전류 비율 메커니즘"으로 표시될 것이다.
도 7c는 색 온도를 변경하는 두번째 가능성을 나타내는 그래프이다. 이 경우, 양 세기 │IP│는 음 세기 │IN│과 같으며, 전류의 충격 계수는 50%가 아니다. 따라서, R = 1이고, D ≠ 50%이다. 파선 IAV로 표시된 평균 전류 IAV가 0이 아님을 알 수 있을 것이다. 충격 계수의 양의 반(positive half)과 음의 반(negative half) 모두에 있어서, 단위 시간당 이송되는 입자의 수는 동일하나, 양 지속 시간 τP가 음 지속 시간 τN보다 길기 때문에, 충격 계수의 음의 반 동안보다 양의 반 동안 더 많은 입자가 이송되어, 평균적으로 입자 이송이 평균 전류 IAV에 비례하게 될 것이다. 입자 이송에 관한 이러한 메커니즘은 이하에서 "충격 계수 메커니즘"으로 표시될 것이다.
이하에서 증명될 바와 같이, 입자 분포의 결과적인 이동은 전류 비율 메커니즘과 충격 계수 메커니즘에서 동일하지 않다. 이는 램프 전압이 램프 전류에 대하여 실질적으로 독립적이라는 점으로 설명될 수 있다. 따라서, 전류 비율 메커니즘의 경우, 충격 계수가 50%이면, 평균 램프 전압은 실질적으로 0일 것이다. 반면에, 충격 계수 메커니즘의 경우, 평균 램프 전압은 0이 아니고, 충격 계수에 비례하며, 충전된 입자 구름에 알짜 힘이 가해질 것이다.
본 발명은 평균 전류가 0으로 유지되는 방식으로 충격 계수 D와 전류 비율 R을 모두 변경하는 것을 제안한다. 이는 본 발명에 따른 램프 전류의 예를 설명하는 그래프를 도시하는 도 10에서 설명된다. 이 예에 따르면, 전류 주기는 10㎳(100㎐)이고, 양 전류 지속 시간 τP는 4㎳이고, 음 전류 지속 시간 τN은 6㎳이며, 양 전류 세기 │IP│는 528㎃이고, 음 전류 세기 │IN│은 352㎃이다.
따라서, 전류 비율 R = │IP│/│IN│은 1.5이며, τN/τP 비율도 1.5이다. 다음 공식에 따라, 그러한 경우 평균 전류 IAV가 0임을 쉽게 알 수 있다.
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<실험 1>
첫번째 실험에서는, 한 실험적인 HID 램프가 약 75W의 램프 전력과 100㎐의 정류 주파수를 가지는 램프 전류에서 구동되었다. 충격 계수는 D = 50%로 설정되고, 전류 비율은 R = 1로 설정되어, 평균 전류 IAV는 0이고 평균 램프 전압은 거의 0이었다. 램프 rms-전압은 약 170V이었고, 램프 rms-전류는 약 440㎃이었다. 빛의 색 온도가 측정되었고, 약 2750K이었다. 이 결과는, 평균 램프 전류(수평축)의 함수로 색 온도(수직축)를 나타내는 그래프인 도 8에서 점(181)으로 표시된다. 또한, 램프 에피커시가 측정되었고, 약 83㏐/W이었다. 이 결과는, 평균 램프 전류(수평축)의 함수로 에피커시(수직축)를 나타내는 그래프인 도 9에서 점(191)으로 표시된다.
<실험 2>
두번째 실험에서는, 동일한 램프를 사용하고, 충격 계수를 D = 50%에서 일정하게 유지하고, 평균 램프 전압을 0으로 유지하면서, 평균 램프 전류 IAV의 DC 이동을 얻기 위하여 전류 비율을 변경하였다. 평균 램프 전류 IAV에 대하여 빛의 색 온도가 측정되었고, 그 결과가 도 8에서 곡선(182)으로 도시되고 있다. 또한, 평균 램프 전류 IAV에 대하여 에피커시가 측정되었고, 그 결과가 도 9에서 곡선(192)으로 도시되고 있다. 전류 비율 R ≒ 2.6(│IP│= 706㎃, │IN│= 270㎃)의 경우, 평균 램프 전류 │IAV│≒ 218㎃에서, 약 3930K의 색 온도와 약 66㏐/W의 에피커시가 얻어졌으며, 이 경우 램프 rms-전압은 약 180V로 증가되었고, 램프 rms-전류는 약 490㎃로 증가되었다.
<실험 3>
세번째 실험에서는, 동일한 램프를 사용하고, 램프 전류의 크기를 440㎃에서 실질적으로 일정하게 유지하고, 램프 전압의 크기를 170V에서 실질적으로 일정하게 유지하면서, 평균 램프 전류 IAV의 DC 이동과 평균 램프 전압의 이동을 얻기 위하여 충격 계수를 변경하였다. 평균 램프 전류 IAV에 대하여 빛의 색 온도가 측정되었고, 그 결과가 도 8에서 곡선(183)으로 도시되고 있다. 또한, 평균 램프 전류 IAV에 대하여 에피커시가 측정되었고, 그 결과가 도 9에서 곡선(193)으로 도시되고 있다. 평균 램프 전류 │IAV│≒ 96㎃에서, 약 4250K의 색 온도와 약 65㏐/W의 에피커시가 얻어졌으며, 이 경우 램프 rms-전압은 약 175V로 증가되었고, 램프 rms-전류는 약 430㎃로 감소되었으며, 평균 램프 전압은 약 40V로 증가되었다.
이하의 관계들이 적용됨을 주의하여야 한다.
│IAV│=│1-2δ│·│Irms│ 및 │VAV│=│1-2δ│·│Vrms│
단, δ = τ1/(τ1+τ2)
이상의 실험들의 결과를 비교해보면, 색 온도 또는 에피커시를 변화시키기 위해, 전류 비율 R을 변경함으로써 평균 전류를 변경하는 것보다 충격 계수 D를 변경함으로써 평균 전류를 변경하는 것이 더 효과적임을 명백히 알 수 있다. 예를 들면, 전류 비율을 1에서 0.66으로 변경함으로써 평균 전류를 0에서 -90㎃로 변경하면 색 온도가 2750K에서 약 3200K으로 +450K 변경될 것이지만, 충격 계수 D를 50%에서 약 40%로 변경함으로써 평균 전류를 0에서 -90㎃로 변경하면 색 온도가 2750K에서 약 4100K으로 +1350K 변경될 것이다. 이는 색 변화를 얻기 위해 관련된 상이한 메커니즘("충격 계수 메커니즘" 및 "전류 비율 메커니즘")에 의하여 설명될 수 있다.
<실험 4>
네번째 실험에서는, 동일한 램프를 사용하고, 평균 램프 전류 IAV를 0으로 유지하면서, 충격 계수 및 전류 비율이 변경된다. 충격 계수 D에 대하여 빛의 색 온도가 측정되었고, 그 결과가 도 11에서 곡선(184)으로 도시되고 있다. 또한, 충격 계수 D에 대하여 에피커시가 측정되었고, 그 결과가 도 12에서 곡선(194)으로 도시되고 있다. 이 곡선들은 평균 램프 전류 IAV를 0으로 유지하면서도 램프의 특성을 변경할 수 있음을 명백히 증명한다.
달성된 양적 효과(quantitative effect), 예컨대 어떠한 색 온도가 어떠한 충격 계수에서 얻어졌는가는, 예컨대 램프 유형 및 전류 세기와 같은 동작 조건에 의존할 수 있음을 주의하여야 한다.
본 실험에 따르면, 도 11 및 도 12의 결과를 도 8 및 도 9의 결과와 비교할 때, 적어도 하나의 장점이 얻어진다. 색 온도가 기준 특성으로 사용되면, 대응하는 에피커시는 실험 4의 경우에 더 높다.
도 13은 본 발명에 따라 램프 제어를 실행하도록 만들어진 전자 램프 구동기(160)의 개략적인 블록도이다. 이 구동기는 사용자 입력 장치(152)로부터 사용자 명령 SU를 수신하기 위한 입력(151)을 가지는 컨트롤러(150)를 포함하는데, 일 실시예에 따르면, 사용자 입력 장치(152)는 전위차계(potentiometer)일 수 있다. 컨트롤러(150)는 정류자(65)의 충격 계수를 설정하기 위하여 정류자(65)에 결합된 제1 컨트롤 출력(155)을 가진다. 또한, 컨트롤러(150)는 램프 전류 세기를 제어하기 위하여 다운 컨버터(64)에 결합된 제2 컨트롤 출력(154)을 가진다. 컨트롤러(150)는 평균 램프 전류 IAV가 0에서 유지되도록 컨트롤 신호 SD, SI를 적응시키도록 설계된다. 원한다면 평균 램프 전류가 0이 아닌 다른 일정한 수준에서 유지되도록 컨트롤 신호를 적응시키도록 컨트롤러(150)가 설계될 수 있음을 주의하여야 한다.
일 실시예에 따르면, 컨트롤러(150)는 실제 또는 평균 램프 전류를 표시하는, 전류 센서 입력(158)에서 컨트롤러(150)에 의해 수신되는 측정 신호(measuring signal) SL을 제공하여 전류 피드백 루프를 제공하는 램프 전류 센서(159), 예컨대 램프에 직렬로 연결된 저항과 연결될 수 있다. 사용자 명령 SU 수신에 대한 응답으로, 컨트롤러(150)는 충격 계수 D의 설정을 변경하기 위하여 제1 컨트롤 신호 SD의 설정을 변경할 수 있으며, 평균 램프 전류 IAV를 일정하게 유지하기 위하여 측정 신호 SL에 대한 응답으로 제2 컨트롤 신호 SI를 변경할 수 있다. 대안으로, 사용자 명령 SU 수신에 대한 응답으로, 컨트롤러(150)는 전류 비율 R의 설정을 변경하기 위하여 제2 컨트롤 신호 SI의 설정을 변경할 수 있으며, 평균 램프 전류 IAV를 일정하게 유지하기 위하여 측정 신호 SL에 대한 응답으로 제1 컨트롤 신호 SD를 변경할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 컨트롤러는 메모리(156)와 연결될 수 있는데, 메모리(156)는, 예컨대 표의 형태로, 예컨대 충격 계수 D와 전류 비율 R 사이의 관계를 포함하는 정보, 또는 예컨대 한편으로 입력 신호와 다른 한편으로 제1 컨트롤 신호 SD 및 제2 컨트롤 신호 SI의 설정 사이의 관계를 포함하는 정보를 담고 있다. 이 정보는 제조자에 의하여 제공되는 미리 정해진 정보일 수 있다. 사용자 명령 SU 수신에 대한 응답으로, 컨트롤러(150)는 충격 계수 D의 설정을 변경하기 위하여 제1 컨트롤 신호 SD의 설정을 변경할 수 있으며, 상기 메모리(156)의 정보에 기초하여 유사하게 제2 컨트롤 신호 SI를 변경할 수 있다. 대안으로, 사용자 명령 SU 수신에 대한 응답으로, 컨트롤러(150)는 전류 비율 R의 설정을 변경하기 위하여 제2 컨트롤 신호 SI의 설정을 변경할 수 있으며, 상기 메모리(156)의 정보에 기초하여 유사하게 제1 컨트롤 신호 SD를 변경할 수 있다. 또는, 사용자 명령 SU 수신에 대한 응 답으로, 컨트롤러(150)는 상기 메모리(156)의 정보에 기초하여 제2 컨트롤 신호 SI의 설정과 제1 컨트롤 신호 SD의 설정을 동시에 변경할 수 있다.
일 특징에 따르면, 본 발명은 수직 배향으로 마운팅될 때, 전형적으로 저압 램프(1 내지 2기압)에서 발생하는 것과 같이 에피커시를 감소시키는, 램프의 특성에 영향을 미치는 분리의 문제를 해결(수평적 동작을 의도)하고자 하는 것이다. 본 발명의 이 특징에 따르면, 분리를 감소시키고 그에 따라 에피커시를 증가시키는 수단이 제공된다. 상이한 램프 배향에서 램프의 에피커시가 원하는 대로 제어될 수 있고, 특정한 미리 정해진 값으로 설정될 수 있는 램프 시스템을 제공하는 것도 가능하다. 램프 배향에 관계없이 에피커시가 자동적으로 일정하게 유지되는 램프 시스템을 제공하는 것도 가능하다.
동작하는 동안, 할로겐화 금속 램프가 램프 내부의 특정 위치에 염류 웅덩이(salt pool)를 가진다는 점을 주의하여야 한다. 염류 웅덩이는 입자의 두 흐름, 즉 웅덩이로 들어가는 입자의 유입과 웅덩이를 떠나는 입자의 유출을 겪는다. 정상 상태에서 유입과 유출은 균형이 맞는다. 램프 전류의 충격 계수 D와 전류 비율 R이 변경되면, 충격 계수의 각 부분에서의 전류 성분의 크기 및 방향에 따라 유입 또는 유출이 영향을 받는다. 정상 상태에서, 램프 내부의 새로운 입자의 분포와 관련된, 유입과 유출 사이의 새로운 균형이 성립될 것이다.
충격 계수 D와 전류 비율 R의 조합은 의도적으로 분리를 증가시키도록 선택될 수 있는데, 이러한 경우 염류 웅덩이로 더 많은 입자가 들어가도록 균형이 이동 된다. 그러나, 본 발명의 구체적인 실시예에 따르면, 충격 계수 D와 전류 비율 R의 조합은 이상에서 논의한 분리 효과를 효과적으로 감소시키도록, 또는 적어도 감소시키기는 하도록 선택된다. 이러한 효과를 위하여, 이온의 흐름은 분리를 보상하도록 염류 웅덩이로부터 멀어지는 방향이어야 한다. 이러한 경우, 평균적으로, 상부 전극(6)은 하부 전극(7)에 대하여 음(negative)이어야 한다.
또한, 특정 램프의 일례에 따르면, 하나의 특정한 최적 충격 계수에 대응하는 하나의 특정한 최적 전기장이 존재할 것이다. 이 특정한 충격 계수는 동일한 유형의 상이한 램프에 대하여 실질적으로 동일할 것이고, 이 최적값은 제조자에 의하여 실험적으로 결정될 수 있다. 따라서, 수평 상태{HORIZONTAL(H)}에서의 램프(1)의 동작과, 각각 특정 전극{예컨대, 제1 전극(6)}의 위{UP(U)} 또는 아래{DOWN(D)}에 대응하는 수직 상태(U, D)에서의 램프(1)의 동작에 대응하는 3개의 상태(U, H, D)를 가지는 모드 선택 스위치{mode selection switch}(167)를 가지는 구동 장치(160)를 제공할 수 있다.
램프(1)가 수직 배향으로 마운팅된 경우, 사용자는 어떠한 전극이 위쪽이고 어떠한 전극에 아래쪽인가에 따라 모드 선택 스위치(167)를 U 위치나 D 위치로 설정할 수 있다. 이는 보통 램프 전구(11)가 캡(12)이 아래로 마운팅되는가(램프 전구가 "서 있음") 또는 캡(12)이 위로 마운팅되는가(램프 전구가 "매달림")에 대응할 것이다. 구동기(160)는 충격 계수 D(D≠50%)와 전류 비율 R(R≠1)의 미리 정해진 최적 조합을 생성함으로써 이 선택에 응답한다.
램프가 대칭적이면, 서 있는 전구의 경우의 분리가 매달린 전구의 경우의 분 리와 동일하며, 따라서 위쪽 배향에서의 보정을 위한 전류 설정이 아래쪽 배향에서의 보정을 위한 전류 설정과 동등할 수 있다. 램프가 대칭적이지 않으면, 이 두 전류 설정은 서로 다를 수 있다.
어떠한 전극(7; 6)이 다른 전극(6; 7)에 대하여 양(positive)인 동안의 지속 시간을 T7과 T6으로 각각 표시한다면, 총 전류 주기는 TT = T7+T6이다. 이 때, 충격 계수 DU{모드 선택 스위치(167)가 U 위치인 경우에 대응함}는 T7/TT의 비율로 정의될 수 있고, 충격 계수 DD{모드 선택 스위치(167)가 D 위치인 경우에 대응함}는 T6/TT의 비율로 정의될 수 있다. 대칭적인 램프의 경우 DD = 1-DU이다.
전술한 실시예에 따르면, 모드 선택 스위치(167)는 사용자가 제어할 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명은 할로겐화 금속 램프로 빛을 생성하는 시스템을 제공하는데, 수평 동작과 거의 동등한, 실제 램프 배향에 적응된 최적 동작 조건이 자동적으로 설정된다. 이는 사용자가 소정의 램프 배향에 의하여 제한되지 않을 뿐만 아니라, 램프 구동기에 적합한 최적 동작 조건을 선택할 필요가 없다는 것을 의미하며, 사용자가 어떠한 배향으로 램프를 배치하기를 원하든지 구동기는 자동적으로 최적 모드에서 동작하도록 적응된다는 것을 의미한다.
그러한 시스템(170)은 도 14에서 도시된다. 이 시스템(170)은 도 13을 참조하여 전술한 바와 같이 램프 구동기 또는 밸러스트(160)를 포함하지만, 사용자 제어 가능 모드 선택 스위치(167)는 포함하지 않는다. 알려진 바와 같이, 이 시스템(170)은 램프 조립체(10)의 램프 캡(12)을 받기 위한 소켓{fitting}(168)을 더 포함하며, 소켓(168)은 정류자(65)의 출력 단자에 연결된 접촉점을 가진다.
이 시스템(170)은 램프(1)의 실제 배향을 탐지하고 그러한 배향을 표시하는 컨트롤 신호 S를 컨트롤러(150)에 제공하기 위하여 위치 탐지기{position detector}(80)를 더 포함하며, 램프 구동기(160)는 배향 탐지기{orientation detector}에 의하여 감지된 실제 램프 배향에 대응하는 최적 동작 조건에 따라 램프를 구동하도록 적응된다. 이러한 점에서, 구동기(160)의 대응성(responsiveness)은 전술한 바와 같으며, 당업자라면 명백히 알 수 있을 것이다.
원칙적으로, 배향을 표시하는 탐지 가능 신호를 생성하는데 적합한 임의의 탐지기가 사용될 수 있다. 도 15는 그러한 배향 탐지기의 가능한 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에 따르면, 배향 탐지기(80)는 중심 부분이 큰 지름의 홈{groove}(82)을 가지는, 예컨대 유리로 만들어진, 원통형의 용기{container}(81)를 포함한다. 용기(81)는 밀봉되며, 소량의 전기적 도전성 액체(83), 예컨대 수은을 함유한다. 용기(81)의 벽을 통하여 연장된 도체(85)의 첫번째 세트에 연결된 접촉 전극(84)의 첫번째 쌍(pair)이 용기(81) 내에서 제1 축 단부(axial end) 근처에 배치된다. 마찬가지로, 도체(87)의 두번째 세트에 연결된 전극(86)의 두번째 쌍이 반대 축 단부에 배치된다. 용기(81)의 벽을 통하여 연장된 도체(89)의 세번째 세트에 연결된 2개의 환형 전극(88)의 세트는 상기 홈 안에 배치된다.
도 15에 따르면, 탐지기(80)가 수평 배향으로 도시되고 있다. 도전성 액체(83)가 용기(81) 내부의 가장 낮은 곳, 이 경우에는 상기 홈(82)으로 이동하였고, 두 중심 전극(88)과 접촉한다. 따라서, 전기적 도전 경로가 두 해당 도체(89) 사이에 형성된다. 마찬가지로, 탐지기(80)가 수직 배향으로 위치되면, 도전성 액체(83)는 원통의 축 단부에서 전극(84; 86)과 접촉한다.
상기 도체(85, 87, 89)는 구동기(160)의 컨트롤러(150)에 결합되며, 따라서 컨트롤러(150)는 탐지기의 출력 신호를 수신하고, 컨트롤러(150)는 램프(1)의 배향을 알고 그에 따라 램프를 구동한다.
배향 탐지기(80)는 램프 조립체(10)의 전구(11) 내에 배치될 수 있다. 그러나, 센서 신호를 구동기로 인도하기 위하여 램프 캡(12)에 접촉점을 제공할 필요가 있다. 따라서, 바람직하게는, 센서가 램프 조립체(10)의 상기 소켓(68)에 연결되고, 그러한 소켓은 항상 그 안에 맞는 램프와 동일한 배향을 가질 필요가 있다. 그리고 나면, 센서와 구동기 사이의 고정된 연결이 가능하다.
전술한 바와 같이, 충격 계수 D가 50%가 아니고 전류 비율 R이 1이 아니기 때문에, 염류 웅덩이로부터 멀어지는 방향의 이온 흐름이 발생될 것이다. D가 50%와 더 많이 차이날수록 이온 흐름이 심해진다. 반면에, 염류 웅덩이는 원자의 환류(reflow)에 의하여 유지된다. 바람직하게는, D가 50%와 너무 크게 차이나도록 선택되지 않아야 하는데, 이는 염류 웅덩이가 다른 곳으로 이동될 수 있고 분리가 촉진될 수 있기 때문이다.
다른 특징에 따르면, 본 발명은 다양한 색 특성을 가지는 램프 시스템을 제공하고자 한다. 그러한 구현에 적합한 구동기가 사용자 제어 가능 모드 선택 스위치(167)가 생략된 채로 도 13에서 도시되고 있다. 예컨대 전위차계와 같은 입력 장치(152)가 컨트롤 신호를 생성하는데, 이는 미리 정해진 범위 내에서 계속적으로 변할 수 있다. 입력 장치(152)는 사용자가 제어할 수 있는 것일 수 있으나, 적절하게 프로그램된 컨트롤러일 수도 있다.
또한, 구동기(160)는, 원하는 대로 분리의 정도를 변경하도록, 직접 사용자에 의하거나 적절히 프로그램된 컨트롤러에 의하여, 충격 계수 D와 전류 비율 R이 변할 수 있는 정류 전류를 생성한다. 원칙적으로, 충격 계수 D는 0부터 100%까지 변할 수 있다. 이 때, 전술한 바와 같이, 원하는 정도로 분리를 감소시키기 위하여 상부 전극(6)이 하부 전극(7)에 대하여 음으로 만들어질 수 있으나, 분리를 증가시키고 색 분리 효과나 색 변화 효과를 강화하기 위하여 상부 전극(6)을 하부 전극(7)에 대하여 양으로 만들 수도 있다.
이러한 점에서, 10 내지 20기압 정도의 비교적 고압의 할로겐화 금속 램프의 경우, 전류 비율과 함께 충격 계수를 변경하는 것이 생성되는 빛의 색에 큰 영향을 미치는 것으로 보임을 주의하여야 한다.
그러한 시스템에 대하여 표준 XY 색도도(color or chromaticity diagram)에서 잘 정의된 선이 진행되도록 램프를 제어하는 것이 가능해 보인다. 염류 혼합물의 조성에 대하여, 이 색도도에서 임의의 0 색점(zero color point)이 선택될 수 있다. 평균 전류를 일정하게, 바람직하게는 0으로 유지하면서, 정류 전류의 충격 계수와 전류 비율의 조합을 변화시킴으로써, 램프의 색점은 상기 0 색점을 지나는 선을 따라 이동한다. 이 선의 각은 특히 전체적인 램프 압력과 램프 내 수은의 양에 의존하는데, 저압 램프(즉, 전체 램프 압력이 3기압 이하)의 경우에 상기 선은 색 등온선에 실질적으로 평행할 것이고, 고압 램프(즉, 전체 램프 압력이 10기압 이상)의 경우에 상기 선은 색 등온선에 실질적으로 수직일 것이며, 이는 색 온도가 크게 변함을 의미한다.
본 발명의 이러한 특징은 수평 램프 배향에서 뿐만 아니라 수직 램프 배향에서도 실시될 수 있다. 전술한 바와 같이, 할로겐화 금속 램프가 수직으로 마운팅되는 경우 분리가 발생할 것이고, 이 분리는 50%가 아닌 충격 계수를 1이 아닌 전류 비율과 조합하여 적용함으로써 감소되거나 증가될 수 있다. 이러한 점에서, 평균 전류를 일정하게 유지하면서 전류 비율과 조합하여 충격 계수를 변경함으로써 입자 분포를 즉시 변경할 수 있다는 점이 중요한 특징이다. 이 특징은 수직 램프 배향에 한정되지 않는다.
수평 램프 배향에서는, 염류 웅덩이가 특정 위치에 형성될 것인데, 대칭적이고 길고 얇은 램프의 경우, 이 곳은 전형적으로 램프의 한쪽 단부 또는 양쪽 단부이다. 전술한 바와 같이, 램프 내부의 어떠한 입자 분포에 대응하여, 염류 웅덩이를 들고 나는 입자의 유입 및 유출 사이에 균형이 존재한다. 본 발명에 따르면, 평균 전류를 일정하게 유지하면서 전류 비율과 조합하여 충격 계수를 변경함으로써 이러한 입자의 분포를 이동시키는 것이 가능하다. 이러한 현상은 "충격 계수 유도 분포 이동(duty cycle induced distribution shift)"으로도 불릴 것이다.
정의된 초기 상태를 얻기 위하여, 램프를 DC 전류(예컨대, 충격 계수 0%)에서 동작시키는 것이 가능하다. 그리고 나서, 얼마간의 시간이 흐른 후, 염류 웅덩이는 램프의 두 단부 중 하나에 위치할 것이고, 이 때 분리는 최대가 될 것이다.
이러한 초기 상태로부터, 동시에 충격 계수를 변화시키면서 충격 계수를 0% 로부터 증가시킴으로써 분리가 감소될 수 있다. 충격 계수가 증가하면서, 유입과 유출 사이의 새로운 균형이 성립될 것이고, 염류 웅덩이는 실질적으로 제자리에 유지될 것이다. 충격 계수를 약 50%로 증가시킴으로써 분리가 제거될 수 있다. 충격 계수가 50%보다 크면, 원하지 않은 염류의 이동을 일으킨다.
본 발명의 이러한 특징에 의하여, 0%와 50% 사이의 충격 계수의 범위는 램프의 색 범위를 결정할 수 있다. 충격 계수가 0%인 경우 램프에 의하여 생성된 빛은 색도도에서 특정 색점으로 표현될 수 있다. "수평 0" 색점(horizontal zero color point)으로도 불릴 이 색점의 정확한 위치는, 램프 내의 성분 혼합물의 조성에 의존하고, 이 조성을 적절하게 선택함으로써 선택될 수 있으며, 당업자라면 이를 명백히 알 수 있을 것이다. 충격 계수가 증가되면, 색점은 수평 0 색점으로부터 이동할 것이다. 충격 계수가 50%에 도달하면, 끝점에 도달한다. 따라서, 색점은 이하에서 "색선"(color line)으로 불리는 선을 따라 이동할 것이고, 이 색선의 한 끝점은 수평 0 색점으로 정의되고, 다른 한 끝점은 50%의 충격 계수에 의하여 정의된다. 이는 1500K에서 2000K 사이 정도의 색 온도의 변화를 의미한다.
초기 상태가 반대이면, 즉, 충격 계수가 100%로 초기 설정되면, 충격 계수를 100%에서 50%로 변경하는 것은 실질적으로 동일한 결과를 낳을 것이다.
따라서, 고압 램프(10 내지 20기압)에 있어서, 1500K 내지 2000K 정도의 범위에서 색 온도를 변화시키는 것이 가능해 보인다.
비대칭적인 형상을 가진 램프의 경우, 염류 웅덩이는 바람직한 위치, 즉 램프에서 가장 찬 곳에 위치할 것인데, 이는 전형적으로 램프의 한쪽 단부이다. 이 바람직한 위치가 충격 계수를 0%로 설정함으로써 얻어지는 초기 장소라고 가정하면, 염류의 이송이 일어나기 전에 충격 계수를 50% 이상으로 제한된 정도까지 증가시키는 것이 가능하다. 따라서, 색 온도 변화 범위가 넓어질 것이다.
이 범위는 수직 램프 배향의 경우보다 더 넓은데(2500 내지 3000K), 이는 그러한 경우 염류 웅덩이가 전형적으로 램프의 한쪽 단부, 즉 램프에서 가장 찬 곳, 전형적으로는 하부 단부에 위치하기 때문이다. 이러한 경우, 평균 DC 전류가 0으로 유지되면서 논의된 바와 같은 램프가 수평 배향에서 수직 배향으로 배향을 바꾸면, 분리가 발생할 수 있고 색 온도가 이동할 수 있다. 이러한 이동은 램프 내 성분의 혼합물의 조성과 분리의 정도에 의존할 것이다. 또한, 램프에 의하여 생성된 빛은 색도도에서 "수직 0" 색점(vertical zero color point)으로 불릴 색점에 의하여 표현될 수 있다.
충격 계수와 전류 비율의 조합이 변하면, 램프의 배향에 따라 분리가 증가되거나 감소될 것이며, 두 경우 모두에서 색점은 이동할 것이다.
수직으로 연소하는 램프의 경우, 대류 때문에 방전은 비대칭적이다. 전형적으로, 램프의 상부 단부의 온도는 램프의 하부 단부의 온도보다 높다. 따라서, 염류 성분의 부분압은 응축이 일어나기 전의 염류 웅덩이 바로 위의 부분압보다 높을 수 있다. 이 때문에, 그리고 이 효과가 모든 염류 성분에 대하여 같은 정도로 발생하지 않는다는 점 때문에, 비분리로부터 최대 분리까지의 범위는 추가적인 색 온도의 변화에 대응할 수 있고, 최대 색 온도 변화는 램프가 수평으로 마운팅된 경우에서보다 클 수 있다.
따라서, 수직으로 마운팅된 고압 램프(10 내지 20기압)에 있어서, 약 2500 내지 3000K의 색 온도 변화를 얻을 수 있는 것으로 보인다.
그러한 시스템에 대하여, 다중 색상 램프(multi-color lamp)를 제공하는 것 역시 가능해 보인다. 이를 설명하기 위하여, 도 4를 다시 참조한다. 전술한 바와 같이, 분리의 정도는 물질에 따라 다를 수 있으며, 이는 본 발명에 따라 충격 계수와 전류 비율의 조합을 제어하는, 빛에 의하여 생성된 강화된 분리에 대하여도 마찬가지이다. 구형파로 동작하는 램프에 대하여, 곡선 (A)와 곡선 (B)가 각각 요오드화 나트륨과 요오드화 세륨을 나타낸다고 가정한다. 분리를 강화하도록 선택된 충격 계수와 전류 비율의 조합으로 동작하는 동일한 램프에 대하여, 곡선 (C)와 곡선 (D)가 각각 요오드화 나트륨과 요오드화 세륨을 나타낸다고 가정한다. 램프는 3개의 빛의 띠를 나타낼 것이다. 램프의 가장 낮은 영역(I)에서, 빛의 색은 적색으로 편이되기는 하였지만 "정상적인" 백색광에 가까울 것이다. 램프의 제1 영역 위의 제2 영역(Ⅱ)에서는, 요오드화 세륨이 거의 없고, 방출되는 빛은 더 이상 요오드화 세륨으로부터 녹색을 제공받지 못하며, 빛의 색은 완전히 요오드화 나트륨에 의하여 결정되어 적색이다. 램프의 제2 영역 위의 제3 영역(Ⅲ)에서는, 요오드화 나트륨도 거의 없고, 방출되는 빛은 더 이상 요오드화 나트륨으로부터 적색을 제공받지 못하며, 램프가 다른 염류를 함유하지 않으면, 이 제3 영역은 수은 완충 기체로부터 청색과 유사한 글로우(glow)를 방출할 것이다. 램프가 덜 분리된 제3의 염류 성분을 가진다면, 이 제3 성분에 의해 생성된 빛이 우세할 것이다.
따라서, 다양한 색을 지닌, 색채가 매우 풍부한 다중 띠 효과가 가능할 것이 다.
당업자라면 본 발명이 전술한 예시적인 실시예들에 한정되지 않으며 첨부된 청구범위에서 정의된 바와 같은 본 발명의 보호 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 명백히 알 수 있을 것이다.
이상에서, 본 발명에 따른 장치의 기능적인 블록들을 도시한 블록도를 참조하여 본 발명이 설명되었다. 이러한 기능 블록들 중 하나 이상이, 그러한 기능 블록의 기능이 개별적인 하드웨어 컴포넌트에 의하여 수행되는 하드웨어에서 수행될 수 있을 뿐만 아니라, 그러한 기능 블록의 기능이 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 프로세서 등과 같은 프로그램 가능 장치나 컴퓨터 프로그램의 하나 이상의 프로그램 라인에 의하여 수행되는 소프트웨어에서도 수행될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
또한, 본 발명에 의하여 제안된 바와 같은 램프 전류 컨트롤이 기존의 램프 구동기에서 적절한 소프트웨어 또는 하드웨어 적용에 의하여 쉽게 구현될 수 있음을 주의하여야 한다.

Claims (39)

  1. 기체 방전 램프(2)를 교류로 구동하기 위한 방법으로서,
    양 지속 시간(τP) 동안 양 전류 세기(│IP│)를 가지는 양 램프 전류(IP)를 생성하는 단계;
    상기 램프 전류의 방향을 변경하는 단계;
    음 지속 시간(τN) 동안 음 전류 세기(│IN│)를 가지는 음 램프 전류(IN)를 생성하는 단계
    를 포함하되,
    충격 계수(D = τP/(τP+τN))는 50%가 아니고, 전류 비율(R = │IP│/│IN│)은 1이 아닌 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    평균 전류(IAV)는 실질적으로 0인 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 평균 전류(IAV)를 일정한 값으로 유지하면서 상기 충격 계수(D)와 상기 전류 비율(R)을 변경함으로써 램프의 특성이 변경되는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 평균 전류(IAV)의 상기 일정한 값은 실질적으로 0인 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 충격 계수(D)와 상기 전류 비율(R)은 실질적으로 동시에 변경되는 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 충격 계수(D)는 사용자 명령에 응답하여 변경되고, 상기 평균 전류(IAV)는 측정되며, 상기 전류 비율(R)은 상기 평균 전류(IAV)를 일정한 값으로 효과적으로 유지하기 위하여 변경되는 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 전류 비율(R)은 사용자 명령에 응답하여 변경되고, 상기 평균 전류(IAV)는 측정되며, 상기 충격 계수(D)는 상기 평균 전류(IAV)를 일정한 값으로 효과적으로 유지하기 위하여 변경되는 방법.
  8. 제3항에 있어서,
    사용자 명령에 응답하여, 상기 전류 비율(R)과 상기 충격 계수(D)는, 상기 전류 비율(R)과 상기 충격 계수(D) 사이의 미리 정해진 관계를 따르면서 조합하여 변경되는 방법.
  9. 제3항에 있어서,
    사용자 명령에 응답하여, 상기 전류 비율(R)과 상기 충격 계수(D)는 메모리로부터의 정보에 기초하여 변경되는 방법.
  10. 기체 방전 램프를 구동하기 위한 전자 구동기(1)로서,
    제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법을 수행하도록 설계된 구동기.
  11. 기체 방전 램프, 구체적으로는 HID 램프, 더 구체적으로는 할로겐화 금속 램프, 가장 구체적으로는 종횡비(aspect ratio)가 3 또는 4보다 큰 할로겐화 금속 램프를 구동하기 위한 방법으로서,
    상기 램프에는 정류 DC 전류가 공급되고,
    상기 램프 내부에서 바람직한 입자 분포를 얻도록 상기 충격 계수(D)를 50%가 아닌 값으로 설정하고 상기 전류 비율(R)을 1이 아닌 값으로 설정하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    충격 계수(D)와 전류 비율(R)의 조합은 상기 정류 전류의 평균 전류 세기가 0이 되도록 설정되는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    충격 계수(D)와 전류 비율(R)의 상기 조합은 상기 램프의 에피커시(efficacy)를 변경하거나 상기 램프의 색 온도(color temperature)를 변경하기 위하여 변경되는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    충격 계수(D)와 전류 비율(R)의 상기 조합은 상기 정류 전류의 상기 평균 전류 세기가 실질적으로 일정하도록 변경되는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 에피커시가 실질적으로 배향-독립적인(orientation-independent) 램프를 동작하기 위한 방법으로서, 상기 램프의 실제 배향이 정해진 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 램프는 수직 배향으로 배치되고, 충격 계수(D)와 전류 비율(R)의 상기 조합은 분리를 감소시키도록, 바람직하게는 분리를 제거하도록 설정되는 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    충격 계수(D)와 전류 비율(R)의 상기 조합은 분리를 증가시키도록 설정되는 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 램프는 수평 배향으로 배치되고, 충격 계수(D)와 전류 비율(R)의 상기 조합은 상기 램프 에피커시를 변경하거나 상기 램프의 상기 색 온도를 변경하기 위하여 상기 입자 분포의 이동(shift)이 초래되도록 설정되는 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 램프는 수평 배향으로 배치되고, 충격 계수(D)와 전류 비율(R)의 상기 조합은 수평 0 색점이 아닌 위치에서 색선 상의 색점을 설정하는 상기 입자 분포의 이동이 초래되도록 설정되는 방법.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 램프는 수직 배향으로 배치되고, 충격 계수(D)와 전류 비율(R)의 상기 조합은 수직 0 색점이 아닌 위치에서 색선 상의 색점을 설정하는 상기 입자 분포의 이동이 초래되도록 설정되는 방법.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    충격 계수(D)와 전류 비율(R)의 상기 조합은 상기 색점이 상기 색선을 이동하게 하기 위하여 변경되는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    수평 배향으로 배치된 고압 램프(10기압 이상)에서 실시되며, 상기 색 온도는 약 1500 내지 2000K 정도의 폭을 가지는 범위에 걸쳐 변경되는 방법.
  23. 제21항에 있어서,
    수직 배향으로 배치된 고압 램프(10기압 이상)에서 실시되며, 상기 색 온도는 약 2500 내지 3000K 정도의 폭을 가지는 범위에 걸쳐 변경되는 방법.
  24. 제1항 내지 제9항 또는 제11항 내지 제23항 중 어느 한 항의 방법에 따라, 기체 방전 램프, 구체적으로는 HID 램프, 더 구체적으로는 할로겐화 금속 램프, 가장 구체적으로는 종횡비가 3 또는 4보다 큰 할로겐화 금속 램프를 구동하기 위한 구동 장치로서,
    전류를 생성하기 위한 전류 생성 수단;
    램프에 연결하기 위한 출력을 가지는, 상기 전류를 수신하기 위한 정류 수단을 포함하고,
    상기 정류 수단은 충격 계수가 50%가 아니고 전류 비율(R)이 1이 아닌 상기 전류를 정류하기 위하여 배치되는 구동 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 정류 수단은 상기 평균 전류 세기를 0으로 유지하기 위하여 배치되는 구동 장치.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 정류 수단은 가변 충격 계수로 상기 전류를 정류하기 위하여 배치되는 구동 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 정류 수단은 상기 평균 전류 세기를 일정하게 유지하기 위하여 배치되는 구동 장치.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 구동기는 컨트롤 신호를 수신하기 위하여 컨트롤 입력을 더 포함하고, 상기 구동기는 이에 따라 충격 계수(D)와 전류 비율(R)의 상기 조합을 설정하기 위하여 자신의 컨트롤 입력에서 수신된 컨트롤 신호에 응답하는 구동 장치.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 구동 장치에는 상기 컨트롤 입력에 결합된 모드 선택 스위치가 제공되 고, 상기 모드 선택 스위치는 2개, 바람직하게는 3개의 위치들을 가지는 구동 장치.
  30. 제29항에 있어서,
    평균 전류 세기가 실질적으로 0이고 미리 정해진 충격 계수(D)와 전류 비율(R)의 상기 조합을 갖는 정류 전류를 생성하도록 배치되며, 상기 조합은 상기 램프의 상기 배향에 관련된 상기 모드 선택 스위치(167)의 상기 위치에 의존하는 구동 장치.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 모드 선택 스위치(167)가 상기 램프의 서 있는 배향을 나타내는 제1 위치(U)에 위치된 경우, 상기 충격 계수(D)는 50%가 아닌 미리 정해진 제1 값(DU)을 가지고, 상기 모드 선택 스위치가 상기 램프(1)의 매달린 배향을 나타내는 제2 위치에 위치된 경우, 상기 충격 계수는 50%가 아닌 미리 정해진 제2 값(DD)을 가지며, DD≠DU인 구동 장치.
  32. 제18항에 있어서,
    대칭적인 램프를 구동하기 위하여 설계되며, DD = 100%-DU인 구동 장치.
  33. 제28항에 있어서,
    가변적인 입자 분포 이동에 적응되며, 상기 구동 장치에는 상기 컨트롤 입력에 결합된 컨트롤 설정 장치(152)가 제공되고,
    상기 컨트롤 설정 장치(152)는 미리 정해진 범위 내에서 계속적으로 변할 수 있는 컨트롤 신호(SU)를 생성하기 위하여 배치되며,
    상기 구동 장치는 상기 컨트롤 신호에 대한 응답으로 상기 정류 램프의 충격 계수(D)와 전류 비율(R)의 상기 조합을 계속적으로 변경하도록 배치되는 구동 장치.
  34. 제24항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 램프의 시작 상태 동안 충격 계수가 50%인 상기 전류를 생성하도록 적응된 구동 장치.
  35. 기체 방전 램프, 구체적으로는 HID 램프, 더 구체적으로는 할로겐화 금속 램프, 가장 구체적으로는 종횡비가 3 또는 4보다 큰 할로겐화 금속 램프를 구동하기 위한, 자동적인 배향-독립적인 에피커시 성능을 가진 시스템으로서, 실질적으로 배향-독립적인 에피커시를 가진 램프를 동작할 수 있고,
    제24항 내지 제33항 중 어느 한 항에 따른 구동기; 및
    상기 구동기의 상기 컨트롤 입력에 결합된 적어도 하나의 출력을 가지는 위 치 탐지기(80)를 포함하되,
    상기 위치 탐지기는 상기 램프의 실제 배향을 탐지하고, 그러한 배향을 표시하는 컨트롤 신호를 자신의 상기 출력에서 생성하기 위하여 배치되는 시스템.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 구동 장치는 상기 램프의 상기 배향에 관련된 상기 모드 선택 스위치의 상기 위치에 의존하여 충격 계수(D)와 50% 사이의 차이를 설정하도록 상기 위치 탐지기 출력 신호에 응답하는 시스템.
  37. 제34항에 있어서,
    상기 위치 탐지기 출력 신호가 상기 램프의 서 있는 배향을 나타내는 제1 값을 가지는 경우, 50%가 아닌 미리 정해진 제1 값(DU)을 가지는 충격 계수를 생성하도록 상기 구동 장치가 상기 위치 탐지기 출력 신호에 응답하고, 상기 위치 탐지기 출력 신호가 상기 램프의 매달린 배향을 나타내는 제2 값을 가지는 경우, 50%가 아닌 미리 정해진 제2 값(DD)을 가지는 충격 계수를 생성하도록 상기 구동 장치가 상기 위치 탐지기 출력 신호에 응답하며, DD≠DU인 시스템.
  38. 제36항에 있어서,
    대칭적인 램프를 구동하기 위하여 설계되며, DD = 100%-DU인 시스템.
  39. 제34항에 있어서,
    램프 조립체(10)의 램프 캡(12)을 받기 위한 소켓(168)을 더 포함하고,
    상기 소켓은 상기 정류자의 출력 단부들에 연결된 접촉부들을 가지며,
    상기 위치 탐지기는 상기 소켓에 연결된 시스템.
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