KR20100015498A - 방전 램프를 동작시키기 위한 회로 어레인지먼트 및 방법 - Google Patents

방전 램프를 동작시키기 위한 회로 어레인지먼트 및 방법 Download PDF

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칼 크일베르크
오스카 샬모저
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오스람 게젤샤프트 미트 베쉬랭크터 하프퉁
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Abstract

본 발명은 일차 회로(P)를 가지며 적어도 하나의 전극과 하나의 방전 매체 사이에 유전체 층을 가진 방전 램프(La)를 동작시키기 위한 회로 어레인지먼트에 관한 것이다. 상기 회로 어레인지먼트는 적어도 하나의 전자 스위치(TQ)를 가진 순방향 컨버터(W1,TQ) ― 상기 순방향 컨버터(W1, TQ)는 입력 전압과 접속하기 위한 제 1 입력 접속부(E1) 및 제 2 입력 접속부(E2)를 가짐 ―; 방전 램프(La)와 접속하기 위한 제 1 출력 접속부(A1) 및 제 2 출력 접속부(A2)를 가진 이차 회로(S); 및 상기 일차 회로(P)를 상기 이차 회로(S)에 접속시키는 트랜스포머(T)를 포함하고, 상기 트랜스포머(T)는 적어도 하나의 일차 권선(W1), 이차 권선(W2), 및 상기 일차 권선(W1) 및 상기 이차 권선(W2)이 감겨진 트랜스포머 코어를 가진다. 상기 회로 어레인지먼트는 부가적으로 코어를 가진 별개의 인덕턴스(L)를 포함하고, 상기 별개의 인덕턴스(L)는 상기 이차 권선(W2)에 전기적으로 병렬로 접속된다. 본 발명은 추가로 상기 회로 어레인지먼트에서 적어도 하나의 전극과 하나의 방전 매체 사이에 유전체 층을 가진 방전 램프를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

방전 램프를 동작시키기 위한 회로 어레인지먼트 및 방법{CIRCUIT ARRANGEMENT AND METHOD FOR OPERATING A DISCHARGE LAMP}
본 발명은 적어도 하나의 전극 및 하나의 방전 매체 사이에 유전체 층을 가진 방전 램프를 동작시키기 위한 회로 어레인지먼트(arrangement)에 관한 것이고, 상기 회로 어레인지먼트는 적어도 하나의 전자 스위치를 가진 플럭스 컨버터(flux converter) ― 상기 플럭스 컨버터는 입력 전압과 접속하기 위한 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자를 가짐 ―, 방전 램프와 접속하기 위한 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자를 가진 이차 회로 ―, 및 일차 회로를 이차 회로에 접속시키는 트랜스포머를 가지며, 상기 트랜스포머는 적어도 일차 권선, 이차 권선 및 트랜스포머 코어를 가지며, 상기 코어 상에 일차 권선 및 이차 권선이 감겨진다. 본 발명은 추가로 상기 회로 어레인지먼트를 사용하여 적어도 하나의 전극 및 하나의 방전 매체 사이에 유전체 층을 가진 방전 램프를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다.
회로 어레인지먼트 및 방법은 DE 100 11 484 A1 및 DE 198 39 329 A1에 공지된다. 상기된 종래 기술 문헌에서 회로 어레인지먼트의 물리적 체적 및 물리적 중량 감소가 매우 바람직하다는 것이 이미 언급되었고, 이들 크기들은 실질적으로 트랜스포머 책임이다. 게다가, 상기된 출원은 이미 트랜스포머 코어에서의 손실 문 제를 언급하고, 상기 손실 문제는 트랜스포머의 원하지 않는 가열 측면에서 표현된다.
그러므로 본 발명의 목적은 전력 손실 감소가 물리적 체적 및 물리적 중량을 감소시킴으로써 가능해지도록 일반적인 타입의 회로 어레인지먼트 또는 일반적인 타입의 방법을 개발하는데 있다.
이 목적은 청구항 제 1 항의 특징들을 가진 회로 어레인지먼트 및 청구항 제 12 항의 특징들을 가진 방법에 의해 달성된다.
본 발명은 종래 기술에서 열로 전환되는 손실들이 실질적으로 트랜스포머의 포화로부터 발생한다는 지식을 기초로 한다. 따라서 만약 보다 가파른(steeper) 히스테리시스를 가진 코어 재료가 선택되면 보다 작은 손실들은 달성될 수 있다. 그러나, 상기 재료는 값비싸고 결과적으로 보다 가파른 히스테리시스 곡선을 가진 재료로 만들어진 코어로 기존 트랜스포머 코어를 직접 대체하는 것은 선택 사항이 아니다. 본 발명은 이차 권선과 병렬로 코어를 가진 별개의 인덕턴스를 배열하는 방법을 취한다. 트랜스포머의 경우에서처럼 별개의 인덕턴스의 코어상에 감겨질 두 개의 DC-절연된 권선들이 필요하지 않기 때문에, 이런 별개의 인덕턴스 코어상 권선들의 절연 감소는 가능하게 된다. 특히, 주어진 코어 크기를 가진 인덕턴스의 경우에, 트랜스포머의 경우에서보다 큰 구리 체적은 적용될 수 있다. 결과적으로, 트랜스포머와 동일한 전압-시간 적분은 보다 작은 코어 체적에 의해 달성될 수 있다. 결과적으로, 별개의 인덕턴스의 코어만이 가파른 히스테리시스 곡선을 가진 고품질 재료로 형성될 필요가 있고, 트랜스포머 코어는 편평한 히스테리시스 곡선을 가진 보다 바람직한 코어 재료로 형성될 수 있다. 가파른 히스테리시스 곡선을 가진 코어 재료는 보다 작은 코어 손실들을 발생시키는 보다 작은 영역의 히스테리시스 루프를 발생시킬 뿐 아니라, mH 범위에서 μH 범위까지 인덕턴스를 보다 빠르게 변화시킬 수 있다. 결과적으로, 방전 램프의 보다 빠른 충전 반전 및 이에 따라 방전 램프의 효율성 증가는 달성될 수 있다.
특히 바람직하게, 별개의 인덕턴스가 포화에 진입하는 전압-시간 적분은 트랜스포머가 이차 권선에서의 전압으로 인해 포화로 진입하는 전압-시간 적분보다 작다. 이런 조치는 바람직하게 인덕턴스 코어보다 값싼 재료로 제조된 트랜스포머의 코어가 포화에 진입하지 않는 것을 보장한다. 인덕턴스의 코어는 포화에 진입하지만, 가파른 히스테리시스 곡선을 가진 보다 고품질의 코어 재료로 제조되고, 그 결과 전체적으로 손실들은 종래 기술과 비교하여 감소된다.
바람직하게, 트랜스포머 및 별개의 인덕턴스는 일단 플럭스 컨버터의 적어도 하나의 전자 스위치가 폐쇄되면, 별개의 인덕턴스가 적어도 이차 권선 양단 전압의 미리 결정할 수 있는 전압-시간 적분 동안 트랜스포머의 포화를 방지하는 방식으로 크기가 결정된다. 이런 미리 결정할 수 있는 전압-시간 적분의 적당한 설계가 제공되면, 트랜스포머의 코어가 정상 동작 동안 포화하지 않고, 대신 별개의 인덕턴스의 코어가 포화에 진입하는 것이 보장될 수 있다.
바람직하게, 트랜스포머 및 별개의 인덕턴스는 일단 플럭스 컨버터의 적어도 하나의 전자 스위치가 폐쇄되고 이차 권선 양단 전압의 미리 결정할 수 있는 전압-시간 적분 후, 별개의 인덕턴스가 포화에 진입하고 트랜스포머가 포화에 진입하지 않는 방식으로 크기가 결정된다. 이것은 또한 미리 결정할 수 있는 전압-시간 적분의 대응 설계가 제공되면, 트랜스포머 코어가 정상 동작 동안 포화하지 않는 것을 보장한다.
추가로 바람직하게, 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자는 이차 권선 및 별개의 인덕턴스 사이에 배열되고, 방전 램프 및 별개의 인덕턴스는 제 1 출력 단자 및 제 2 출력 단자에 접속될 수 있는 하나의 유니트로 형성된다. 결과적으로, EMC 간섭은 크게 감소될 수 있다. 이것은 대부분의 파괴적인 무선주파수 신호들이 별개의 인덕턴스 및 램프 사이에 발생한다는 지식을 바탕으로 한다. 그러므로 만약 별개의 인덕턴스 및 램프 사이의 거리가 짧아지면, EMC 간섭은 감소될 수 있다.
바람직하게, 플럭스 컨버터의 적어도 하나의 전자 스위치는 20 내지 100 kHz의 동작 주파수용으로 설계된다. 포화되지 않은 별개의 인덕턴스는 바람직하게 1 내지 400 mH, 특히 100 mH이다. 포화시 별개의 인덕턴스는 바람직하게 5 내지 100 μH, 특히 50 μH이다. 추가로 바람직하게, 트랜스포머의 변환비는 2 내지 100, 특히 7이다.
바람직한 예시적인 실시예에서, 회로 어레인지먼트는 방전 램프를 더 포함하고, 상기 방전 램프는 제 1 캐패시턴스 및 직렬 회로를 포함하는 병렬 회로로 표현되고, 상기 직렬 회로는 제 2 캐패시턴스 및 논리액턴스 레지스턴스를 포함하며, 특성 주파수, 즉
Figure 112009062255418-PCT00001
는 10 kHz보다 작고, , 여기서 L은 포화되지 않은 별개의 인덕턴스를 나타내고, C2는 제 2 캐패시턴스를 나타낸다.
마지막으로, 비용들을 감소시키는 측면에서, 별개의 인덕턴스의 코어는 바람직하게 트랜스포머의 코어보다 가파른 히스테리시스 곡선을 가진 재료로 제조된다.
바람직한 실시예들은 본 발명에 따른 회로 어레인지먼트를 참조하여 제안되고 상기 바람직한 실시예들의 장점들은 만약 적당하면 본 발명에 따른 방법에 대응하여 적용한다.
본 발명에 따른 회로 어레인지먼트의 예시적인 실시예는 지금 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술될 것이고, 상기 도면은 본 발명에 따른 회로 어레인지먼트의 예시적인 실시예의 개략도를 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 회로 어레인지먼트의 예시적 실시예의 개략도를 도시한다.
상기 도면에서, 첫째 La는 유전체 배리어 방전용으로 설계되고 캐패시터(C2) 및 논리액티브 레지스터(R1)를 포함하는 직렬 회로와 병렬로 접속된 캐패시터(C1)에 의해 등가 회로도를 사용하여 도시될 수 있는 방전 램프를 나타낸다. 방전 램프(La)는 이차 회로(S)에 접속되고, 상기 이차 회로(S)는 방전 램프(La) 외에 트랜스포머(T)의 이차 권선(W2) 및 상기 트랜스포머(T)와 병렬로 접속된 별개의 인덕턴스(L)를 포함한다. 게다가, 제 1 출력 단자(A1) 및 제 2 출력 단자(A2)는 제공된 다. 트랜스포머(T)의 일차 권선(W1)은 일차 회로(P) 내에 있고, 상기 일차 권선에는 전력 공급기(Q)로부터 트랜스포머(T), 인덕턴스(L) 및 방전 램프(La)를 위한 전력이 공급된다. 전력 공급기(Q)는 제 1 입력 단자(E1) 및 제 2 입력 단자(E2)를 통해 일차 회로에 결합된다.
게다가, 전력원(Q)과 일차 권선(W1) 사이 브랜치들 중 하나에 빠른-응답 스위치(quick-response switch)(TQ)가 있다. 이런 빠른-응답 스위치는 전력 MOSFET이고, 상기 전력 MOSFET은 제어 장치(SE)에 의해 스위칭되거나 제어된다.
일차 권선(W1)과 스위치(TQ)를 포함하는 직렬 회로와 병렬로 저장 캐패시터(CQ)가 있다. 이런 저장 캐패시터(CQ)는 전력원(Q)으로부터 재충전되고, 본래 전력원(Q)에 속하며 스위치(TQ)의 스위칭 상태에 따라 일차 권선(W1)에 전압을 인가하기 위해 사용된다. 세라믹 다층 캐패시터들은 바람직하게 이런 목적을 위해 사용된다. 일차 권선(W1) 및 스위치(TQ)는 플럭스 컨버터를 형성하고(flux converter), 상기 경우 상기 일차 권선(W1)을 통한 전류 흐름은 통상적으로 형성되고, 트랜스포머(T)의 턴들(turn) 비율은 일차 권선(W1)을 통한 전류 흐름이 이차 권선(W2)의 시작 전압 그러므로 방전 램프(La) 양단에 간접적으로 시작 전압을 유도하는 방식으로 설계된다. 만약 스위치(TQ)가 제어 장치(SE)에 의해 개방되면, 에너지는 적어도 트랜스포머(T) 및 인덕턴스(L)의 잔류 자기 형태로 이차 회로(S)에 남아있는다.
도 1은 완전한 DC 절연이 일차 회로(P) 및 이차 회로(S) 사이에 존재하는 것 을 직접적으로 도시한다. 이런 절연은 이차 회로측(S)에 존재하는 고전압에 관련하여 안전성 측면에서 상당한 장점이다.
도 1에 도시된 본 발명에 따른 회로 어레인지먼트의 실시예에서, 별개의 인덕턴스(L)의 코어는 트랜스포머(T)의 코어보다 가파른 히스테리시스 곡선을 가진 재료로 제조된다. 게다가, 별개의 인덕턴스(L)가 포화에 진입하는 전압-시간 적분은 트랜스포머(T)가 이차 권선(W2)에서의 양단 전압으로 인해 포화 전압에 진입하는 전압-시간 적분보다 작다. 일단 플럭스 컨버터의 스위치(TQ)가 폐쇄되면, 별개의 인덕턴스(L)는 적어도 이차 권선(W2) 양단 미리 결정할 수 있는 전압-시간 적분 동안 트랜스포머(T)의 포화를 방지한다. 특히, 이것은 비록 별개의 인덕턴스(L)가 포화에 진입하더라도, 트랜스포머(T)가 포화하지 않는 것을 의미한다.
만약 L이 포화되지 않은 별개의 인덕턴스를 나타내면, 특성 주파수(f)는 하기 식에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112009062255418-PCT00002
이 경우, 적당한 크기 결정은 주파수(f)가 10 kHz 미만인 것을 보장한다. 그러므로 이 방정식은 방전 램프(La)에 대한 등가 회로도에서 캐패시턴스(C2)에 따른 별개의 인덕턴스(L)의 크기 정도의 관계를 얻기 위해 사용될 수 있다.
비록 도 1이 플러스 컨버터의 특정 실시예를 도시하지만, 본 발명은 다른 플럭스 컨버터들을 사용하여 쉽게 구현될 수 있다.
바람직하게, 별개의 인덕턴스(L) 및 방전 램프(La)는 하나의 유니트로서 형성되어, 인덕턴스(L) 및 방전 램프(La) 사이의 거리는 가능한 한 작게 설계될 수 있다.
바람직한 예시적인 실시예에서, 인덕턴스(L)의 코어는 특히 40mm의 외부 직경, 32mm의 내부 직경, 15mm의 높이 및 81 턴들을 가진 도넛형 코어로서 컴퍼니 Vacuumschmelze에 의한 Vitroperm으로부터 형성된다. 방전 램프(La)는 예시적인 실시예에서 0.28m2의 면적을 가졌다. 트랜스포머(T)의 코어는 바람직한 페라이트 재료로 형성된다.

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 전극 및 하나의 방전 매체 사이에 유전체 층을 가진 방전 램프(La)를 동작시키기 위한 회로 어레인지먼트로서,
    적어도 하나의 전자 스위치(TQ)를 가진 플럭스 컨버터(W1,TQ)를 포함하는 일차 회로(P) ― 상기 플럭스 컨버터(W1, TQ)는 입력 전압과 접속하기 위한 제 1 입력 단자(E1) 및 제 2 입력 단자(E2)를 가짐 ―;
    상기 방전 램프(La)와 접속하기 위한 제 1 출력 단자(A1) 및 제 2 출력 단자(A2)를 가진 이차 회로(S); 및
    상기 일차 회로(P)를 상기 이차 회로(S)에 접속하는 트랜스포머(T) ― 상기 트랜스포머(T)는 적어도 일차 권선(W1), 이차 권선(W2) 및 트랜스포머 코어를 포함하고, 상기 트랜스포머 코어 상에 상기 일차 권선(W1) 및 상기 이차 권선(W2)이 감겨짐 ―를 포함하고,
    상기 회로 어레인지먼트는 코어를 가진 별개의 인덕턴스(L)를 더 포함하고, 상기 별개의 인덕턴스(L)는 상기 이차 권선(W2)과 전기적으로 병렬로 결합되는,
    회로 어레인지먼트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 별개의 인덕턴스(L)가 포화에 진입하는 전압-시간 적분은 상기 트랜스포머(T)가 상기 이차 권선(W2)에서의 전압으로 인해 포화에 진 입하는 전압-시간 적분보다 작은,
    회로 어레인지먼트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 트랜스포머(T) 및 상기 별개의 인덕턴스(L)는 상기 플럭스 컨버터(W1, TQ)의 상기 적어도 하나의 전자 스위치(TQ)가 폐쇄되면, 상기 별개의 인덕턴스(L)가 적어도 상기 이차 권선(W2) 양단 전압의 미리 결정할 수 있는 전압-시간 적분 동안 상기 트랜스포머(T)의 포화를 방지하는 방식으로 크기가 결정되는,
    회로 어레인지먼트.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 트랜스포머(T) 및 상기 별개의 인덕턴스(L)는 일단 상기 플럭스 컨버터(W1, TQ)의 적어도 하나의 전자 스위치(TQ)가 폐쇄되고 상기 이차 권선(W2) 양단 전압의 미리 결정할 수 있는 전압-시간 적분 후, 상기 별개의 인덕턴스(L)가 포화에 진입하고, 상기 트랜스포머(T)가 포화에 진입하지 않는 방식으로 크기가 결정되는,
    회로 어레인지먼트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 출력 단자(A1) 및 상기 제 2 출력 단자(A2)는 상기 이차 권선(W2) 및 상기 인덕턴스(L) 사이에 배열 되고, 상기 방전 램프(La) 및 상기 별개의 인덕턴스(L)는 상기 제 1 출력 단자(A1) 및 상기 제 2 출력 단자(A2)에 접속될 수 있는 하나의 유니트로 형성되는,
    회로 어레인지먼트.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플럭스 컨버터(W1, TQ)의 상기 적어도 하나의 전자 스위치(TQ)는 20 내지 100 kHz의 동작 주파수용으로 설계되는,
    회로 어레인지먼트.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 포화되지 않은 상기 별개의 인덕턴스(L)는 1 내지 400 mH, 특히 100 mH인,
    회로 어레인지먼트.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 별개의 인덕턴스(L)는 포화시 5 내지 100 μH, 특히 50 μH인,
    회로 어레인지먼트.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 트랜스포머(T)의 변환비는 2 내지 100, 특히 7인,
    회로 어레인지먼트.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회로 어레인지먼트는 방전 램프(La)를 더 포함하고, 상기 방전 램프(La)는 제 1 캐패시턴스(C1) 및 직렬 회로를 포함하는 병렬 회로에 의해 표현되고, 상기 직렬 회로는 제 2 캐패시턴스(C2) 및 논리액티브 레지스턴스(R1)를 포함하고, 특성 주파수는 10 kHz보다 작고,
    Figure 112009062255418-PCT00003
    여기서, L은 포화되지 않은 별개의 인덕턴스를 나타내고, C2는 제 2 캐패시턴스를 나타내는,
    회로 어레인지먼트.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 별개의 인덕턴스(L)의 코어는 상기 트랜스포머(T)의 코어보다 가파른 히스테리시스를 가진 재료로 제조되는,
    회로 어레인지먼트.
  12. 회로 어레인지먼트를 사용하여 적어도 하나의 전극 및 하나의 방전 매체 사이에 유전체 층을 가진 방전 램프(La)를 동작시키기 위한 방법으로서,
    상기 회로 어레인지먼트는 적어도 하나의 전자 스위치(TQ)를 가진 플럭스 컨버터(W1, TQ)를 포함하는 일차 회로(P) ― 상기 플럭스 컨버터(W1, TQ)는 입력 전압과 접속하기 위한 제 1 입력 단자(E1) 및 제 2 입력 단자(E2)를 가짐 ―, 상기 방전 램프(La)와 접속하기 위한 제 1 출력 단자(A1) 및 제 2 출력 단자(A2)를 가진 이차 회로(S), 및 상기 일차 회로(P)를 상기 이차 회로(S)에 접속하는 트랜스포머(T) - 상기 트랜스포머(T)는 적어도 일차 권선(W1), 이차 권선(W2) 및 트랜스포머 코어를 가지며, 상기 트랜스포머 코어 상에 상기 일차 권선(W1) 및 상기 이차 권선(W2)이 감겨짐 ― 를 포함하고,
    상기 방법은,
    a) 상기 플럭스 컨버터(W1, TQ)의 적어도 하나의 전자 스위치(TQ)가 상기 트랜스포머(T)의 상기 이차 권선(W2) 양단 전압 변화를 생성하기 위해 폐쇄되는 단계;
    b) 상기 트랜스포머(T)가 포화에 진입하지 않으면서 상기 이차 권선(W2)과 전기적으로 병렬로 결합된 별개의 인덕턴스(L)가 포화에 진입하는 단계를 포함하는,
    방전 램프(La)를 동작시키기 위한 방법.
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