KR20100018957A - 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무전극 방전 램프와의 단선이나 단락시 인버터의 동작을 배제할 수 있고, 제어용 보조 전원과 구동용 주 전원을 분리함으로써 무전극 방전 램프를 안정적으로 구동할 수 있으며, 정류부의 출력을 제어용 보조 전원으로 이용함으로써 에너지 손실을 저감하고, 회로 구성을 단순화하며, 역률을 개선할 수 있는 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따른 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치는, 무전극 방전 램프에 전원을 공급함에 있어서, 상용 교류 전원을 인가받아 전자파를 제거하는 EMI 필터부; 상기 EMI 필터부로부터 출력되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하기 위한 정류부; 상기 정류부가 직류 신호를 출력할 때, 포함되어 인입되는 피크 전류로 인해 발생하는 왜곡된 전압 신호와 고조파 성분이 포함된 전류 신호의 역률을 보상하기 위한 역률 보상부; 상기 역률 보상부로부터 출력되는 제1 직류 전압을 소정의 교류 전압으로 변환하여 출력하는 인버터부; 상기 인버터부의 출력단과 결합되어 상기 무전극 방전 램프와의 단선 혹은 단락을 검출하여 상기 인버터에 검출신호를 제공하기 위한 단선/단락 검출부; 및 상기 인버터부와 상기 무전극 방전 램프 사이에서 상기 무전극 방전 램프의 코어에 감긴 코일과 전기적 결합에 따라 공진을 일으키기 위한 공진부를 포함한다.

무전극, 방전, 램프, 단선, 단락, 보호

Description

보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치{POWER SUPPLY FOR ELECTRODELESS DISCHARGE LAMP WITH PROTECTION CIRCUIT}

본 발명은 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치에 관한 것이다.

최근 효율이 낮은 백열 램프를 개선하여 고효율 램프를 개발하려는 많은 노력이 진행 중이다. 백열 램프에 비하여 상대적으로 효율이 높은 램프로서 가스 방전 램프가 있다.

가정이나 외부에서 일반적으로 사용되는 가스 방전 램프는 두 단자 사이에 채워진 수은과 같은 가스 입자를 고에너지로 여기시키고, 여기된 가스 입자가 형광 물질에서 방전할 때 빛이 발생되도록 한다. 그러나, 이와 같은 가스 방전 램프의 경우에, 방전관 내부에 단자가 삽입되는 형태로 되어 있어, 수명이 단축되는 단점이 있다. 또한, 이와 같은 짧은 수명은 가스 방전 램프에 채워지는 가스, 예를 들어, 수은과 같은 중금속에 의한 심각한 환경 오염을 야기시킨다.

이에 반하여 무전극 방전 램프는 소모 전력을 상당히 줄이고, 수명을 획기적 으로 증가시킨다. 이에 따라 버려지는 중금속 가스를 줄일 수 있게 되므로, 무전극 방전 램프는 친환경적인 광원으로서 각광받고 있다. 이와 같은, 무전극 방전 램프의 원리는 1907년 P. C. Hewitt에 의하여 제안되었으며, 1990년대에 들어서 램프관련 선진 기업들에서는 여러 형태의 무전극 방전 램프들이 상품화되고 있다.

제조사	출시연도	상품명	동작주파수	효율
MATSUSHITA	1991	Everlight	13.56MHz	37.0 lm/W
PHILIPS	1991	QL	2.65MHz	65.0 lm/W
GE	1994	Genura	2.65MHz	48.0lm/W
OSRAM	1994	Endura	0.25MHz	75.0 lm/W

그러나, 이와 같은 종래의 무전극 형광 램프들은 비교적 높은 주파수에서 동작하므로 전자기파 장애의 원인이 될 수 있고, 구동 회로의 안정성을 떨어뜨리는 문제가 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 인버터 출력단과 램프 사이에 고주파 발진 제어회로를 부가함으로써 무전극 방전 램프의 광 효율을 높이면서 안정적으로 구동하기 위한 기술이 공개특허공보 2007-120688호(무전극 형광 램프 구동을 위한 고주파 발생기)에 제시되었다.

도 1은 종래기술(공개특허공보 2007-120688호)에 개시된 조명 시스템 블럭도로서, EMI 필터(111), 정류기(112), PFC 회로(113), DC/AC 인버터(114) 및 발진제어회로(115)를 포함한다.

도 2는 종래기술의 일실시예에 따른 무전극 방전 램프의 사시도로서, 방전관 내부에 필라멘트나 발광판 등이 없이 무전극으로 빛을 방출할 수 있는 광원이다. 무전극 방전 램프는, 페라이트 코어에 감긴 코일을 통하여 고주파의 교류 전압을 인가받는다. 고주파 교류 전압이 인가되면, 무전극 방전 램프의 페라이트 코어에 감긴 코일의 동작에 따라 방전관 내부에는 유도 전계가 발생한다. 이와 같이 발생된 유도전계에 의하여 방전관 내부에 주입된 봉입 가스, 예컨대, 수은과 같은 불활성 가스가 여기되고, 이에 따라 발생되는 전자들이 다른 입자들을 다시 여기시키면서 고 에너지 입자들에 의한 자외선이 만들어진다.

한편, 종래기술의 무전극 형광 램프 구동을 위한 고주파 발생기는, PFC회로(113)와 DC/AC 인버터(114)의 제어신호용 전원으로 DC/AC인버터(114)의 출력을 감압하여 사용한다. 즉, 구동용 전원 라인의 마지막 단으로부터 분기하여 제어신호용 전원으로 사용한다. 이에 따라 램프의 장시간 사용으로 인해 발진주파수가 저하되거나 상승함으로써 발생되는 노이즈 혹은 리플은 제어신호용 전원에 피드백되고, 제어신호용 전원전압이 일정하지 못하고 변동하게 되는 문제점이 있다. 이는 다시 PFC회로나 DC/AC 인버터의 제어에 영향을 주게 되어 출력단에 에러가 발생시키거나 램프의 깜박임 현상을 유발하게 된다.

또한, 도 3은 종래기술의 무전극 형광 램프 구동을 위한 고주파 발생기에 적용된 발진 제어 회로도이다. 종래기술의 도 3 및 상세한 설명에 따르면, 발진 제어 회로 내 결정 회로는 무전극 램프 코일과 연결되는 한 단자(A1)나 다른 단자(A2)가 단락 혹은 개방되는 것을 알리는 보호 신호(PROT)를 생성하고, 단자가 단락되거나 개방되는 경우에 발진 제어 회로의 각부 회로에 손상을 줄 수 있기 때문에 DC/AC 인버터(114) 출력으로부터 커패시터(C1)로의 출력을 차단한다.

그런데, 단자가 단락되거나 개방되는 경우에 DC/AC 인버터(114)의 출력을 차단하기는 하나, 이때에도 DC/AC 인버터(114) 내 스위칭 소자는 동작하고 있고, DC/AC 인버터(114)의 출력이 보호 회로 측의 접지와 연결되는 방식으로 차단된다. 따라서, 단자가 단락되어 충격전압이 발생하거나 단자가 개방되어 무부하로 동작하는 경우 동작중인 DC/AC 인버터 내 스위칭 소자에 영향을 미치게 되어 파괴될 수 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 무전극 방전 램프와의 단선이나 단락시 인버터의 동작을 배제할 수 있는 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치를 제공함에 목적이 있다.

또한, 본 발명은 제어용 보조 전원과 구동용 주 전원을 분리함으로써 무전극 방전 램프를 안정적으로 구동할 수 있는 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치를 제공함에 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명은 정류부의 출력을 제어용 보조 전원으로 이용함으로써 에너지 손실을 저감하고, 회로 구성을 단순화하며, 역률을 개선할 수 있는 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치는, 무전극 방전 램프에 전원을 공급함에 있어서, 상용 교류 전원을 인가받아 전자파를 제거하는 EMI 필터부; 상기 EMI 필터부로부터 출력되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하기 위한 정류부; 상기 정류부가 직류 신호를 출력할 때, 포함되어 인입되는 피크 전류로 인해 발생하는 왜곡된 전압 신호와 고조파 성분이 포함된 전류 신호의 역률을 보상하기 위한 역률 보상부; 상기 역률 보상부로부터 출력되는 제1 직류 전압을 소정의 교류 전압으로 변환하여 출력하는 인버터부; 상기 인버터 부의 출력단과 결합되어 상기 무전극 방전 램프와의 단선 혹은 단락을 검출하여 상기 인버터에 검출신호를 제공하기 위한 단선/단락 검출부; 및 상기 인버터부와 상기 무전극 방전 램프 사이에서 상기 무전극 방전 램프의 코어에 감긴 코일과 전기적 결합에 따라 공진을 일으키기 위한 공진부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 역률 보상부로부터 출력되는 상기 제1 직류 전압을 제2 직류 전압으로 출력하여 상기 역률 보상부 내 제어용 집적회로와 상기 인버터 내 제어용 집적회로에 제공하기 위한 제어용 보조 전원부를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제어용 보조 전원부는, 상기 제2 직류 전압을 상기 역률 보상부 내 제어용 집적회로와 상기 인버터 내 제어용 집적회로에 병렬로 그리고 동시에 제공할 수 있다.

바람직하게는, 상기 무전극 방전 램프가 상기 인버터부의 출력단과 단선되거나 상기 인버터부 양단 출력이 단락되면, 상기 인버터부 내 스위칭 소자의 구동을 차단하는 것을 특징으로 하는 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치.

본 발명에 따르면, 전원 공급 장치와 무전극 방전 램프가 단선되거나 전원 공급 장치의 출력단이 단락되는 경우 이를 검출하여 인버터의 동작을 배제할 수 있어 인버터 내 스위칭 소자의 파손을 예방할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 제어용 보조 전원과 구동용 주 전원을 분리함으로써 무전극 방전 램프를 안정적으로 구동할 수 있는 유리한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 제어용 보조 전원으로부터 출력되는 안정적인 전원에 의해 역률 보상부와 인버터부의 스위칭 소자를 제어함으로써 각 부 스위칭 소자의 발열을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 인버터부의 출력단에서의 에러를 현저하게 줄일 수 있고, 램프의 깜박임 현상을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 보조 전원으로 트랜스포머(T3)를 사용하지 않고, 직류 신호를 직접 감압하기 때문에, 트랜스포머에서의 발열로 인해 에너지 손실을 방지할 수 있어 에너지 효율이 제고되고, 정류회로를 별도로 필요로 하지 않아 회로를 좀 더 작게 구현할 수 있으며, 역률 저하의 문제를 개선할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기의 설명에서는 구체적인 회로의 구성소자 등과 같은 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치 블럭도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치는 EMI 필터부(410), 정류부(420), 역률 보상부(PFC: Power Factor Correction, 430), 인버터부(440), 제어용 보조 전원부(450), 및 단선/단락검출부(460)를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 EMI(Electromagnetic Interference) 필터부(410)는 상용전원인 교류(AC: Alternating Current) 신호 내에 포함된 전자파를 제거한다. 여기서, MOV(Metal Oxide Varister)는 금속성 바리스터 소자로서, 써지 전압이 들어오면 순간적으로 단락시켜서 접지로 고전압을 흘러 보내 입력단에 인입되는 써지 전압을 차단한다.

본 발명의 일실시예에 따른 정류부(420)는 LC 필터부(210)로부터 출력되는 교류 신호를 직류 신호로 변환한다. 정류부(420)는, 예컨대, 브리지 다이오드가 사용될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 역률 보상부(430)는 정류부(420)가 직류 신호를 출력할 때, 포함되어 인입되는 피크 전류로 인해 발생하는 왜곡된 전압 신호와 고조파 성분이 포함된 전류 신호의 역률(power factor)을 보상함으로써 무효전력을 감소시킨다.

본 발명의 일실시예에 따른 인버터부(440)는 직류 신호를 대략 250kHz 정도의 AC 신호로 변환하여 출력한다.

본 발명의 일실시예에 따른 제어용 보조 전원부(450)는 노드1(N1)으로부터 입력되는 DC 300볼트(V)를 14 내지 16볼트(V)로 감압하여 노드2(N2)에 출력하고, 노드2(N2)에 인가된 직류전압은 역률 보상부(430) 내 집적회로(IC1)의 전원전압으로 사용됨과 아울러 인버터부(440) 내 집적회로(IC2)의 전원전압으로 사용된다.

이에 따라, 역률 보상부(430)와 인버터부(440)의 스위칭 소자에서 발열이 감소하며, 노이즈 및 리플 발생이 억제되며, 램프가 깜박이는 현상이 제거된다. 또한, 무전극 방전 램프를 장시간 사용시, 종래 기술에 따르면, 인버터부의 발진 주파수가 245kH 정도로, 즉 5kHz 인 2% 정도가 감소하는 문제가 발생하였으나, 본 발명에 따르면, 정격 발진 주파수의 변화를 대략 발진 주파수의 1% 범위 내에서 유지할 수 있다.

또한, 제어용 보조 전원부(450)로부터 역률 보상부(430) 내 IC와 인버터부(440) 내 IC에 동시에 전원을 공급하므로 무전극 방전 램프의 예열 피드백의 응답속도가 개선되어 점등 시간이 빨라진다.

또한, 제어용 보조 전원부(450)로부터 역률 보상부(430) 내 IC와 인버터부(440) 내 IC에 동시에 전원을 공급하므로 인버터부(440)의 스위칭 소자의 파손을 방지하는 효과도 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어용 보조 전원부는, 도시되지는 않았지만, 인버터부(440)의 출력을 정류하고 감압하여 역률 보상부(430) 내 IC와 인 버터부(440) 내 IC에 동시에 전원을 공급할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 단선/단락검출부(460)는 무전극 방전 램프와 전원 공급 장치간의 단선이나 무전극 방전 램프와 접속되는 전원 공급 장치 출력단의 단락을 검출하여 인버터부(440) 내 IC2에 검출신호를 제공한다. 단선/단락검출부(460)는 전원 공급 장치에 무전극 방전 램프가 접속되어 무전극 방전 램프가 정상적으로 동작하는 경우에는 "H"상태의 검출신호를 출력하고, 단선이나 단락인 경우에는 "L"상태의 검출신호를 출력한다.

단선/단락검출부(460)는 무전극 방전 램프의 코어에 감긴 코일(L1)과 인버터부(440)의 출력단에 구비된 커패시터(C1, C2, C3) 및 코일(CH)을 포함하는 공진부(470)와의 LC 공진 현상을 이용하여 검출신호의 상태를 전환한다. 즉, 단선이나 단락되는 경우무전극 방전 램프의 코어에 감긴 코일(L1)이 탈락하여 커패시터(C2, C3)만 남게 되고, 이에 따라 공진이 일어나지 않게 되고, "L"상태의 검출신호를 출력한다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예(들)에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예(들)에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 종래기술의 조명 시스템 블럭도,

도 2는 종래기술의 일실시예에 따른 무전극 방전 램프의 사시도,

도 3은 종래기술의 무전극 형광 램프 구동을 위한 고주파 발생기에 적용된 발진 제어 회로도, 및

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치 블럭도이다.

*도면의 간단한 설명*

410: EMI 필터부 420: 정류부

430: 역률 보상부 440: 인버터부

450: 제어용 보조 전원부 460: 단선/단락검출부

470: 공진부

Claims (6)

1. 무전극 방전 램프에 전원을 공급함에 있어서,

   상용 교류 전원을 인가받아 전자파를 제거하는 EMI 필터부;

   상기 EMI 필터부로부터 출력되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하기 위한 정류부;

   상기 정류부가 직류 신호를 출력할 때, 포함되어 인입되는 피크 전류로 인해 발생하는 왜곡된 전압 신호와 고조파 성분이 포함된 전류 신호의 역률을 보상하기 위한 역률 보상부;

   상기 역률 보상부로부터 출력되는 제1 직류 전압을 소정의 교류 전압으로 변환하여 출력하는 인버터부;

   상기 인버터부의 출력단과 결합되어 상기 무전극 방전 램프와의 단선 혹은 단락을 검출하여 상기 인버터에 검출신호를 제공하기 위한 단선/단락 검출부; 및

   상기 인버터부와 상기 무전극 방전 램프 사이에서 상기 무전극 방전 램프의 코어에 감긴 코일과 전기적 결합에 따라 공진을 일으키기 위한 공진부

   를 포함하는 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 역률 보상부로부터 출력되는 상기 제1 직류 전압을 제2 직류 전압으로 출력하여 상기 역률 보상부 내 제어용 집적회로와 상기 인버터 내 제어용 집적회로에 제공하기 위한 제어용 보조 전원부

   를 더 포함하는 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 공진부는,

   상기 인버터부 출력단에 직렬 연결되는 제1 커패시터 및 인덕터; 및

   상기 무전극 방전 램프와 병렬 연결되는 제2 커패시턴스 소자군

   를 포함하는 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 제어용 보조 전원부는,

   상기 제2 직류 전압을 상기 역률 보상부 내 제어용 집적회로와 상기 인버터 내 제어용 집적회로에 병렬로 그리고 동시에 제공하는 것을 특징으로 하는 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 단선/단락 검출부는,

   상기 제2 커패시턴스 소자군 양단에 직렬 결합되는 다이오드 및 저항 소자; 및

   상기 저항 소자의 양단에 병렬 결합되는 제3 커패시터

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 무전극 방전 램프가 상기 인버터부의 출력단과 단선되거나 상기 인버터부 양단 출력이 단락되면, 상기 인버터부 내 스위칭 소자의 구동을 차단하는 것을 특징으로 하는 보호 회로를 구비한 무전극 방전 램프용 전원 공급 장치.

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