KR20090039846A - 공진 점등 방전 램프용 밸러스트 장치 - Google Patents

공진 점등 방전 램프용 밸러스트 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방전 램프를 점등하고 동작시키는 밸러스트 장치(ballast arrangement)에 관한 것이다. 램프는 정류 브릿지(commutating bridge)에서 인덕터와 직렬로 접속되고, 캐패시터와 병렬로 접속된다. 인덕터와 캐패시터는 공진 회로를 형성한다. 점등 기간 동안에, 브릿지는 시간에 따라 변동되는 상대적으로 높은 주파수로 정류된다. 본 발명에 따르면, 일련의 공진 회로는 비교적 높은 주파수를 갖는 홀수 고조파(odd harmonic)에 근접한 공진 주파수를 갖는다.

Description

공진 점등 방전 램프용 밸러스트 장치{CIRCUIT ARRANGEMENT}
본 발명은 브릿지형 정류 회로(bridge-shaped commutation circuit)의 대각 브랜치(diagonal branch) 내에 위치되고 전기적 램프 접속부와 직렬로 정렬되는 코일(coil)과, 이 접속부와 병렬로 정렬되는 캐패시터를 포함하는, 공진 점등(resonant ignition) 방전 램프용 밸러스트 장치(ballast arrangement)에 관한 것으로, 이 정류 회로(commutation circuit)는 아크 방전(arc discharge)이 계속적으로 발생되는 램프의 정상 동작 기간 동안에, 비교적 작은 진폭 또는 중간 정도의 진폭을 갖는 비교적 저주파수의 구형파 공급 전압(square-wave supply voltage)을 램프에 공급한다.
보다 구체적으로 본 발명은 상기 코일 및 캐패시터에 전기적으로 공진을 발생시킴으로써 방전 램프의 점등을 유발하는 것과 관련된다. 점등을 발생시키는 이러한 방법은 공진 점등으로 지칭되며, 예를 들면, 유럽 특허 출원 제 EP 0408121 호에 알려져 있다. 본질적으로, 공진 점등의 이점은 별도의 점등 회로를 구비할 필요성이 없어진다는 것에 있다.
상기 EP 0408121에 개시된 밸러스트 장치에서, 정류 회로는 점등 기간 내에 시변 스위칭 주파수(time-variable switching frequency)로 정류되는데, 이 주파수는 임의의 순간에 상기 코일 및 캐패시터의 공진 주파수를 초과하고, 이것으로 캐패시터 양단에 높은 점등 전압을 유발하여 방전 램프의 점등이 발생되게 한다.
본 발명의 목적은 공진 점등의 가능성을 더 높이고, 이것을 특히 UHP (ultra-high pressure) 램프 및 HID(high intensity discharge) 램프에 적용하는 것과 동시에, 소자의 추가적인 소형화에 대한 요구를 만족시키고자 하는 것이다.
본 발명에 따른 목적은 상술된 바와 같은 방전 램프용 밸러스트 장치에 의해 달성될 수 있는데, 주파수가 변동되는 동안의 임의의 순간에 상기 시변 주파수의 홀수 고조파(odd harmonic frequency)를 상기 코일 및 상기 캐패시터의 공진 주파수에 적어도 근접시키는 방식으로, 시변 스위칭 주파수와 코일의 자체 인덕턴스(self-inductance)값 및 캐패시터의 캐패시턴스값을 서로에 대하여 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명자는 실제로 통상적으로 허용 가능한 전원 회로의 전압 레벨-이후에 이 전압 레벨은 정류 회로에 공급됨-에서, 스위칭 주파수로 UHP 램프의 점등을 위한 적절한 점등 전압을 발생시킬 수 있고, 이 주파수에서 상기 코일 및 상기 캐패시터는 스위칭 주파수의 홀수 고조파로 적어도 거의 공진 상태에 있게 되어, 공진 주파수와 스위칭 주파수가 서로 동일한 종래 기술과는 다르게, 원하는 공진 주파수 가 스위칭 주파수의 (홀수)배일 수 있기 때문에, 상기 코일의 더 작은 자체 인덕턴스값과 상기 캐패시터의 더 작은 캐패시턴스값으로도 충분하다.
본 발명의 이러한 측면 및 다른 측면은 이하에 설명된 실시예를 참조함으로서 명확하고 명백해질 것이다.
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.
정상 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 (적어도 적절하게)전기적으로 공진시킨다.
본 발명자는 실험을 해서 코일(L2) 및 캐패시터(C3)를 공진시키는 새로운 방법을 유도했고, 그 결과가 도 2에 도시되어 있다.
이 실험에서, 램프 전압(VL)은 비부하 회로(no-load circuit)에서, 스위칭 주파수(fb)의 함수로 측정되었고, 이 스위칭 주파수(fb)를 사용해서 브릿지형 정류 회로(5)가 제어 회로(6)에 의해서 정류되며, 이하에서는 이 스위칭 주파수(fb)를 브릿지 주파수(fb)로 지칭할 것이다.
도 2는 L2=150mH이고, C3=250pF인 경우에, 즉 고유 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 전압 피크는 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 주어 진 코일(L2)의 자체 인덕턴스와 캐패시터(C3)의 캐패시턴스의 값에 대한 브릿지 주파수(fb)가 L2-C3의 고유 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 이상의 높은 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 공 진 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 전개될 수 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 획 득 주파수로 유지되게 한다.
설명을 위해서, t1에서 t2까지의 시간 길이는 신뢰할만한 점등을 유발할 정도인 예컨대 500ms가 될 수 있고, 시작부터 t1까지의 길이는 예컨대 100ms가 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.
워밍업 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 워밍업 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 위해서 실제로 예컨대 약 2암페어의 더 높은 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, 비 부하 회로의 램프 전압(VL)의 도 2의 그래프는, 약 160볼트인 출력 캐패시터(C2)양단의 전압에서, 램프 전압이 항상 점선으로 표시된 레벨(이 특정한 경우에는 320볼트) 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 단계에서, 비부하 회로의 전압이 도시되어 있으며, 브레이크다운 이후에 전압은 더욱 낮다. 실제로 램프는 t1과 t3사이에 다시 소등될 수 있다. 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/워밍업 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 인가되는 방식으로, 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 방법은 램프 접속부와 직렬로 배치된 소형 코일 및 램프 접속부와 병렬로 배치된 소형 캐패시터를 포함하여, 램프가 브릿지 주파수의 홀수 고조파에 근접해서 신뢰할 수 있게 점등될 수 있고, 전압 및 최적화된 전류가 테이크 오버/워밍업 기간 동안에 충분히 높은 것을 장점으로 하는 밸러스트 장치를 제공한다.
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 도시하는 개략도,
도 4는 테이크 오버/워밍업 기간의 램프 전류를 스위칭 주파수의 함수로 도시하는 도면,
도 5는 테이크 오버 기간의 램프 전압을 시간의 함수로 도시하는 도면.

Claims (4)

  1. 공진 점등(resonant ignition) 방전 램프용 밸러스트 장치(ballast arrangement)로서,
    브릿지형 정류 회로(bridge-shaped commutation circuit)의 대각 브랜치(diagonal branch)에 위치하며 전기 램프 접속부와 직렬로 배치된 코일, 및 캐패시터를 포함하고,
    상기 정류 회로는 아크 방전이 상기 램프 내에서 계속적으로 생성되는 상기 램프의 정상 동작 기간 중에는 제 1 주파수의 구형파(square-wave) 인가 전압을 상기 램프에 공급하고, 상기 정상 동작 기간 이전의 점등 기간 중에는 상기 정류 회로가 시변 스위칭 주파수를 갖는 스위칭 전압에 의해 제 2 주파수로 정류되며,
    상기 시변 스위칭 주파수와 상기 코일의 자체 인덕턴스값 및 상기 캐패시터의 캐패시턴스값은 주파수 변동 도중의 임의의 순간에 상기 시변 스위칭 주파수의 홀수 고조파(odd harmonic frequency)가 상기 코일 및 상기 캐패시터의 공진 주파수에 도달하도록 서로에 대해 결정되고,
    공진 점등용 상기 캐패시터는 상기 램프 접속부와 병렬로 배치되고, 상기 제 1 주파수의 구형파 인가 전압은 상기 정상 동작 기간 이전의 점등 기간일 때보다 작은 진폭을 가지며, 상기 제 2 주파수는 상기 정상 동작 기간일 때보다 높고,
    상기 전기 접속부 사이의 전압의 사전 결정된 값을 검출한 후 얻게된 스위칭 주파수를 유지하고, 그것을 사전결정된 시간 동안 일정하게 계속 보존하기 위한 표 시 신호를 공급하기 위해, 상기 램프의 상기 전기적 접속부에 전압-검출 회로(voltage-detection circuit)가 접속되어 있으며,
    상기 정상 동작 기간일때보다 높은 주파수에서의 상기 정류는 상기 검출 회로가 작동되기 시작한 후의 사전 결정된 점등 기간 동안 계속 실행되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는
    공진 점등 방전 램프용 밸러스트 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀수 고조파는 제 3 고조파인 공진 점등 방전 램프용 밸러스트 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 검출 회로는 또한 상기 사전 결정된 값으로 상기 점등 전압을 안정화하는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 공진 점등 방전 램프용 밸러스트 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 점등 기간 이후이고 상기 정상 동작 기간 이전인 테이크-오버/워밍업 기간 동안에, 상기 스위칭 주파수는 상기 테이크-오버/워밍업 기간 동안에 상기 램 프에 공급될 전류를 매회 최적화하기 위해서 한번 감소되거나 또는 여러 단계에 걸쳐 순차적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 공진 점등 방전 램프용 밸러스트 장치.
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