KR20100098688A - 디밍가능한 광 생성 디바이스 - Google Patents

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KR20100098688A
KR20100098688A KR1020107015337A KR20107015337A KR20100098688A KR 20100098688 A KR20100098688 A KR 20100098688A KR 1020107015337 A KR1020107015337 A KR 1020107015337A KR 20107015337 A KR20107015337 A KR 20107015337A KR 20100098688 A KR20100098688 A KR 20100098688A
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야콥 딕스트라
빌헬무스 에테스
쉘테 헤링아
페트뤼스 예. 브레메르
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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  • Discharge-Lamp Control Circuits And Pulse- Feed Circuits (AREA)

Abstract

웨이크-업 조명 디바이스가 개시되며, 상기 웨이크-업 조명 디바이스는 가스 방전 램프(10), 및 교류 램프 전류(I)의 이격된 전류 버스트들(51)을 생성할 수 있는 전력원(100)을 포함하는 램프 구동기(1; 2)를 포함한다. 웨이크-업 조명 디바이스는 어떠한 램프 전류도 생성되지 않는 오프-모드로 동작할 수 있고, 그의 오프 모드에서 웨이크-업 모드로 스위칭하도록 구성되고, 웨이크-업 모드에서, 전력원(100)은: 최소의 듀티 사이클 값(ΔT) 및 0에 근접한 감소된 전류 진폭(IR)을 갖는 교류 램프 전류(I)를 초기에 생성하고; 후속적으로, 전류 진폭이 공칭 전류 진폭(IM)에 도달할 때까지 듀티 사이클(Δ)을 최소 듀티 사이클(ΔT)에서 일정하게 유지하면서, 전류 진폭을 점진적으로 증가시키고, 후속적으로, 전류 진폭을 공칭 전류 진폭(IM)에서 일정하게 유지하면서, 듀티 사이클(Δ)을 점진적으로 증가시키도록 동작한다.

Description

디밍가능한 광 생성 디바이스{DIMMABLE LIGHT GENERATING DEVICE}
본 발명은 일반적으로 형광 램프들(fluorescent lamps)의 분야에 관한 것이며, 더욱 상세하게, 형광 램프를 포함하는 디밍가능한 광 생성 디바이스(dimmable light generating device)에 관한 것이다.
통상적인 백열 램프들을 LED들 및 가스 방전 램프들(gas discharge lamps)과 같은 다른 유형들의 광원들로 대체하고자 하는 일반적인 경향이 존재한다. LED들 및 가스 방전 램프는 서로에 대해, 일부 이점들 및 단점들을 갖고, 설계자는 그의 설계 고려 사항들에 따라 LED 또는 가스 방전 램프 중 어느 하나를 이용하도록 선택할 수 있다.
백열 램프, LED 또는 가스 방전 램프인 광원은 공칭 램프 전압 및 공칭 램프 전류를 갖는 공칭 동작을 위해 설계되어, 공칭 램프 전력 및 공칭 광 출력을 발생시킨다. 특정 상황에서, 이용자가 더 많은 광을 갖고자 한다면, 그는 현재 램프를 더 강력한 램프 또는 더 높은 광 출력을 갖는 상이한 유형의 램프로 대체할 수 있다. 반대로, 이용자가 더 적은 광을 갖고자 한다면, 그는 램프를 더 작은 광 출력을 갖는 또 다른 램프로 대체할 수 있다. 그러나, 이것은 매우 번거로워서, 램프를 디밍하고자 하는 공통적인 바람, 즉, 광 출력이 공칭 광 출력보다 낮도록 램프의 공칭 전력 미만의 전력으로 램프를 구동하고자 하는 바람이 존재한다.
본 발명은 특히 감소된 전력에서, 즉, 디밍된 상태에서 가스 방전 램프를 구동하는 분야에 관한 것이다.
가스 방전 램프는 네가티브 저항 특성을 가지므로, 램프를 구동하기 위한 밸러스트 디바이스(ballast device)가 필요하다. 원칙적으로, DC 전류로 가스 방전 램프를 구동하는 것이 가능하지만, 전자 밸러스트(electronic ballast)는 통상적으로 고주파수 램프 전류를 제공한다. 예를 들면, 램프 전류의 크기를 감소시키거나, 특정 듀티 사이클로 램프를 온(on) 및 오프(off)로 스위칭함으로써 디밍이 성취될 수 있다.
몇몇 문제점들 및 단점들은 특히, 램프가 공칭 광 출력의 1 % 미만의 매우 낮은 레벨로 어둡게 되도록 하고자 한다면, 무엇보다도 특정 용도에 따라 가스 방전 램프를 디밍하기 위한 상이한 메커니즘들(mechanisms)과 연관된다. 본 발명이 관련된 특정 광 생성 디바이스는 소위 웨이크-업 조명(wake-up light)이며, 이는 예를 들면, 클록에 의해 트리거링(triggering)되고, 광 출력을 0 에서 최대로 점진적으로 증가시키는 디바이스이다. 그러한 애플리케이션에 대한 문제점들 중 하나는 점화(ingition)와 연관된다. 점화를 위해, 가스 방전 램프는 상대적으로 높은 전압을 요구한다. 결과적으로, 램프가 0에 근접한 광 출력을 갖는 어두운 조건에서 점화되면, 램프는 점화 시에 섬광을 생성하고, 그 다음 그의 광 출력을 원하는 딤 레벨(dim level)로 감소시킬 수 있다. 이러한 광 섬광은 바람직하지 않다.
또 다른 문제점은 매우 낮은 딤 레벨에서 램프 안정성을 유지하는 것이 매우 어렵다는 것이다.
또 다른 문제점은 컬러와 연관되고, 실제로 광 출력이 감소되는 램프가 광 출력의 컬러를 변경할 수 있다고 알려져 있다.
필라멘트 전극들을 갖는 가스 방전 램프들의 경우에, 전극들을 최적의 동작 온도에서 유지하기 위해 전극들은 전극 가열 전류가 공급될 필요가 있다. 그러나, 통상적인 전자 밸러스트들에서, 필라멘트들은 점화 상태에서만 가열되고, 디밍 동안에 필라멘트들의 온도는 매우 낮아질 수 있다. 따라서, 개별적인 전극 가열 회로를 제공할 필요가 있지만, 그러한 회로들은 복잡하고 상대적으로 고가인 경향이 있다. 상대적으로 간단한 실시예들에서, 전극 가열 회로들은 램프 전압으로부터 그들의 전력을 얻고, 램프 전압은 통상적으로 정류된 본선들로부터 유도된 DC 전압을 수반하므로, 주요 전압 변동들에 민감하다. 램프 전류의 크기를 감소시킴으로써 디밍하는 경우에, 유도된 가열 전력이 또한 감소될 것이다. 듀티 사이클 디밍의 경우에, 램프 전압이 규칙적으로 중단되고, 이는 전극 가열을 중단시킬 것이다. 따라서, 전극 가열이 실제로 변동할 수 있고, 이는 원하지 않는 것이다. 전극이 너무 많이 가열되면, 음극 온도가 너무 높아질 것이고, 음극들이 이미터 재료(emitter material)(바륨)를 상실할 것이고, 일정 시간 이후에, 램프는 붉게 빛나면서 탈 것이고, 전극이 불충분하게 가열되면, 음극 온도가 너무 낮아질 것이고, 램프는 매우 빠르게 검게 될 것이다. 양자의 경우들에서, 결과는 전극들의 수명을 가능하게 단지 몇 시간(불충분한 가열) 또는 수백 시간(과열)으로 실질적으로 감소시킬 것이다.
선형 가스 방전 램프에서, 전극들은 장축 램프 튜브의 대향 엔드들에 배열된다. 소위 소형 가스 방전 램프의 경우에, 램프 튜브가 접혀지는 것으로 고려될 수 있어, 램프는 서로 옆에 병렬로 배열된 짝수의 튜브 세그먼트들을 포함하고, 한편 램프 전극들을 갖는 램프 엔드들은 램프의 동일한 장축 엔드에서 서로 옆에 배치된다. 그러한 램프 형태에서, 매우 낮은 딤 레벨들을 갖는 웨이크-업 조명과 같은 애플리케이션의 경우에, 웨이크-업 시퀀스의 시작 시에, 램프가 전극들에 근접한 램프부들로부터만 광을 조사할 것이고, 램프부들이 램프의 다른 엔드를 향해 전극들로부터 벗아나는 방향으로 상대적으로 느리게 성장하고, 한편 중간 튜브 세그먼트들이 광을 조사하지 않는다는 불안정성 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명은 특히 이러한 문제점들에 대한 해결책을 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, 본 발명은 램프가 0 럭스(lux)에 근접한 극단적으로 낮은 광 레벨들을 조사하도록 구동될 수 있으면서 공칭 광 출력이 약 300 럭스 정도일 수 있는 가스 방전 램프에 대한 설계 및 이러한 램프를 구동하기 위한 전자 구동기에 대한 설계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
미국 특허 출원 제 2006/0214605 호는 형광 램프의 디밍하는 방법을 개시하고 있다. 공칭 동작(즉, 100 % 광 출력)에서, 램프는 일정한 진폭 및 상대적으로 높은 주파수에서 교류 램프 전류로 구동된다. 램프를 디밍할 때, 램프 전류 진폭은 교류 전류 주파수보다 낮은 특정 변조 주파수를 갖는 톱니 형태로 변조되어, 각각의 톱니 기간에서, 전류 진폭이 최대값에서 최소값으로 느리게 감소된다. 더 디밍할 때, 최소값이 감소되지만, 최대값은 유지된다. 또한, 더 디밍 동안에, 한번 특정 디밍 레벨이 도달되면, 변조 깊이가 일정하게 유지되면서, 최소값이 0와 동일하거나 근접한 제한값에 도달할 때까지 최대값 및 최소값 양자가 감소된다. 또한 더 디밍 동안에, 톱니의 경사 각도(ramp angle)가 일정하게 유지되면서, 최소값이 일정하게 유지되지만, 최대값이 감소되어, 각각의 톱니 기간에서 최소값을 갖는 전류 부분의 지속 기간이 증가되고, 실제 톱니 부분이 좁아진다.
이러한 공지된 기술의 하나의 단점은 큰 디밍 범위에 걸쳐 공칭값 미만의 전류가 이용되어, 컬러의 편차가 발생한다는 것이다. 또한, 이러한 공지된 기술이 진폭 변조 수단을 요구한다는 단점이 있다.
본 발명의 특정 목적은 상대적으로 간단한 구현을 이용하여 넓은 범위에 걸쳐 디밍을 제공하고, 조사된 광의 실질적으로 일정한 컬러를 산출할 수 있는 디밍 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 특정 목적은 디밍 레벨과 독립적으로 전극들의 실질적으로 일정한 가열을 가능하게 하는 상대적으로 간단한 수단을 구비한, 램프를 디밍하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 공칭 광 출력과 미리 규정된 디밍 문턱값 간의 제 1 디밍 범위에서 일정한 램프 전류 진폭을 갖는 듀티 사이클 디밍을 적용하고, 상기 디밍 문턱값 이하의 제 2 디밍 범위에서 일정한 듀티 사이클을 갖는 진폭 디밍을 적용하는 것을 제안한다. 디밍 문턱값은 예를 들면, 약 0.5 %의 광 출력 레벨일 수 있고, 제 2 디밍 범위는 예를 들면, 디밍 문턱값 및 0.01 %의 광 출력 레벨 또는 그 이하 사이일 수 있다.
부가적인 이로운 상술들은 종속항들에서 언급된다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들, 특성들 및 이점들은 도면들을 참조하여 하나 이상의 바람직한 실시예들의 다음의 기재에 의해 또한 설명될 것이며, 도면들에서 동일한 참조 번호들은 동일하거나 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 전자 구동기를 간략하게 예시하는 블록도.
도 2는 구동기용 메인 전력원을 간략하게 예시하는 블록도.
도 3a 및 도 3b은 본 발명에 따른 구동기의 램프 전류원의 동작을 간략하게 예시하는 그래프들.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 구동기의 디밍 동작을 예시하는 타임 그래프들.
도 5는 브리지 레그들 간의 가변 위상 차이를 갖는 브리지의 동작을 예시하는 타임 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 웨이크-업 조명의 동작을 예시하는 타임 그래프.
도 7은 전극 가열 수단을 갖는 전자 구동기의 바람직한 실시예를 간략하게 예시하는 블록도.
도 8은 전극 가열 수단을 갖는 전자 구동기의 또 다른 바람직한 실시예를 간략하게 예시하는 블록도.
도 9a는 소형 가스 방전 램프의 사시도.
도 9b는 본 발명에 따른 외부 전극의 바람직한 실시예의 사시도.
도 1은 가스 방전 램프(10)를 구동하는 전자 구동기(1)의 일부 특성들을 간략하게 예시하는 블록도이다. 램프(10)는 열음극 형광 램프(hot cathode fluorescent lamp)이고, 내부 공간(12) 및 제 1 및 제 2 전극 필라멘트들(13, 14) 각각으로 표시된, 내부 공간(12) 내에 배열된 두 개의 전극 필라멘트들(13, 14)을 갖는 램프 튜브(11)를 포함한다. 각각의 전극 필라멘트에는 램프 튜브(11)의 외부로 연장되는 두 개의 전극 단자들(15, 17 및 16, 18) 각각이 제공된다.
구동기(1)는 램프 전극 단자들(15, 16, 17, 18)에 각각 접속된 출력 단자들(21, 22, 23, 24)을 갖는다. 특히, 제 1 출력 단자(21)는 제 1 램프 전극 필라멘트(13)의 제 1 전극 단자(15)에 접속되고, 제 2 출력 단자(22)는 제 2 램프 전극 필라멘트(14)의 제 1 전극 단자(16)에 접속되고, 제 3 출력 단자(23)는 제 1 램프 전극 필라멘트(13)의 제 2 전극 단자(17)에 접속되고, 제 4 출력 단자(24)는 제 2 램프 전극 필라멘트(14)의 제 2 전극 단자(18)에 접속된다.
구동기(1)는 램프 전류, 특히, 펄스 램프 전류를 생성하는 메인 전력원(100)을 포함하고, 여기서, 듀티 사이클을 변경하고 따라서 평균 광 출력을 변경하기 위해 펄스 폭이 변경될 수 있다. 메인 전력원(100)의 제 1 메인 출력 단자(101)는 제 1 구동기 출력 단자(21)에 접속되고 따라서 제 1 램프 전극 필라멘트(13)의 제 1 전극 단자(15)에 접속되고, 메인 전력원(100)의 제 2 메인 출력 단자(102)는 제 2 구동기 출력 단자(22)에 접속되고 따라서 제 2 램프 전극 필라멘트(14)의 제 1 전극 단자(16)에 접속된다.
구동기(1)는 램프 전극 필라멘트들(13, 14)을 가열하는 전극 가열 수단(30, 40)을 추가로 포함한다. 특히, 제 1 램프 전극 필라멘트(13)에 대한 전극 가열 전류를 생성하고, 제 1 램프 전극 필라멘트(13)에 전극 가열 전류를 공급하는 제 1 전극 가열 전력원(30)은 제 1 및 제 3 구동기 출력 단자들(21, 23)에 각각 접속된 제 1 출력 단자들(31, 32)을 갖는다. 마찬가지로, 제 2 램프 전극 필라멘트(14)에 대한 전극 가열 전류를 생성하고, 제 2 램프 전극 필라멘트(14)에 전극 가열 전류를 공급하는 제 2 전극 가열 전력원(40)은 제 2 및 제 4 구동기 출력 단자들(22, 24)에 각각 접속된 제 2 출력 단자들(41, 42)을 갖는다.
도 2는 메인 전력원(100)의 실시예의 상세들을 간략하게 예시하는 블록도이다. 도 2에서, 간략하게 하기 위해 2 개의 전극 가열 전력원들(30, 40)이 도시되지 않는다. 전극 가열 전류를 생성하는 전극 가열 전력원들이 그 자체가 공지되어 있다는 것을 유의하라.
메인 전력원(100)은 제 1 및 제 2 DC 전력 라인들(107, 108) 사이에 배열된 풀 브리지 토폴로지(full bridge topology)를 갖는다. 제 1 브리지 레그(bridge leg)(110)는 상기 제 1 및 제 2 DC 전력 라인들(107, 108) 간에 접속된 2 개의 제어가능한 스위치들(111, 112)의 제 1 직렬 배열과 이러한 2 개의 스위치들 간의 제 1 브리지 출력 노드 A를 포함한다. 제 2 브리지 레그(120)는 상기 제 1 및 제 2 DC 전력 라인들(107, 108) 간에 접속된 2 개의 제어가능한 스위치들(121, 122)의 제 2 직렬 배열과 이러한 2 개의 스위치들 간의 제 2 브리지 출력 노드 B를 포함한다. 브리지 대각선(130)은 상기 2 개의 출력 노드들 A 및 B 사이에 접속되고, 유도 수단(inductive means)(131, 132) 및 용량 수단(capacitive means)(133)의 직렬 배열을 포함한다. 대칭을 위해, 유도 수단은 제 1 인덕터(131) 및 제 2 인덕터(132)의 직렬 배열을 포함하고, 용량 수단(133)은 2 개의 인덕터들 사이에 배열된다. 메인 전력원(100)의 메인 출력 단자들(101, 102)은 용량 수단(133)과 병렬로 배열된다. 제 1 및 제 2 DC 전력 라인들(107, 108)은 DC 전압, 통상적으로 정류된 본선들의 소스(106)에 접속된다.
메인 전력원(100)은 대응하는 스위치들(111, 112, 121, 122)의 제어 단자들에 접속된 제어 출력들(91, 92, 93, 94)을 갖는 제어기(90)를 추가로 포함한다. 제어기(90)는 제 1 브리지 레그(110)의 2 개의 제어가능한 스위치들(111, 112)에 대한 제어 신호들을 생성하여, 제 1 스위치(111)가 개방(비-도전성)되면서 제 2 스위치(112)가 폐쇄(도전성)되거나, 제 1 스위치(111)가 폐쇄되면서 제 2 스위치(112)가 개방된다. 이들 스위치들은 실질적으로 동일한 순간에서 개방/폐쇄되고, 이들 스위치들이 동일한 순간에 모두 폐쇄되는 것을 방지하기 위해 약간의 지연을 갖는다. 양자 스위치들은 50 %의 듀티 사이클로 동작되어, 그들이 폐쇄되는 만큼 길게 개방된다. 이후에 브리지 스위칭 주파수로서 표시되는 스위칭 주파수는 예로서 100 kHz 정도일 수 있다.
제어기(90)는 유사한 방법으로 제 2 브리지 레그(120)의 2 개의 제어가능한 스위치들(121, 122)에 대한 제어 신호들을 생성한다. 제 2 브리지 레그(120)에 대한 스위칭 주파수는 정확하게 제 1 브리지 레그(110)와 동일하다. 동작 파라미터로서, 제어기(90)는 2 개의 레그들(110, 120) 간의 위상 차이
Figure pct00001
를 변경할 수 있다. 2 개의 레그들(110, 120)이 정확히 위상(
Figure pct00002
=0°)에서 동작되면, 노드들(A 및 B)은 항상 서로 동일한 전위를 갖게 되어, 램프(10)에서 어떠한 전류도 흐르지 않고, 이러한 상황은 도 3a에 예시된다. 2 개의 레그들(110, 120)이 정확히 위상(
Figure pct00003
=180°)에서 동작되면, 노드들(A 및 B)은 교대로 반대 공급 라인 전압 전위들일 것이며, 스위칭 주파수를 갖는 교류 램프 전류 I는 램프(10)에서 흐를 것이고, 이러한 상황은 도 3b에서 예시된다. 제 1 상태에서, 제 1 및 제 4 스위치들(111, 122)이 폐쇄(도전성; 온)이고, 제 2 및 제 3 스위치들(112, 121)이 개방(오프)이고, 이러한 경우에, 램프 전류는 노드 A에서 노드 B로 흐를 것이다(도 3b에서 양의 전류로서 표시됨). 제 2 상태에서, 제 1 및 제 4 스위치들(111, 122)이 개방이고 제 2 및 제 3 스위치들(112, 121)이 폐쇄되어, 램프 전류는 노드 B에서 노드 A로 흐른다(도 3b에서 음의 전류로서 표시됨). 인덕터들(131 및 132) 및 캐패시터(133)는 공진 회로(resonant circuit)로서 동작하고, 램프 전류의 진폭 IM은 스위칭 주파수에 의존한다. 이러한 전류가 간략함을 위해 블록 전류로서 도시되지만 실제 표현을 표시하는 것이 아니라는 것을 유의하라.
도 4a는 최대 광 출력의 경우에 램프 동작을 간략하게 예시하는 그래프이다. 수평축은 시간을 나타내고, 수직축은 램프 전류를 나타낸다. 2 개의 브리지 레그들(110, 120)은 180°위상 차이에서 연속적으로 동작되어, 실질적으로 일정한 크기 IM의 고주파수 램프 전류가 일정하게 생성된다.
제어기(90)는 램프의 원하는 딤 레벨을 나타내는 입력 신호 Sin를 수신하기 위한 입력 단자(95)를 갖는다. 예시적인 예에서, 입력 신호 Sin는 예를 들면, 전위차계(potentiometer)를 포함하는 이용자 작동 회전 디바이스(96)에 의해 생성될 수 있다. 입력 신호 Sin가 또한 예를 들면, 제어기(90) 외부 또는 제어기(90)와 통합된 타이머와 같은 제어 디바이스에 의해 생성될 수 있다는 것을 유의하라. 웨이크-업 조명의 경우에서, 원하는 입력 레벨은 미리 결정된 시간, 통상적으로 약 30 분 정도 내에서 0에서 100 %로 점진적으로 증가될 것이다.
이용자가 출력 광을 감소시키고자 하면, 제어기(90)는 도 4a의 그래프와 비교 가능한 그래프인 도 4b에 예시된 듀티 사이클 모드로 동작하기 시작한다. 이러한 듀티 사이클 모드에서, 제어기는 브리지 스위칭 주파수(예를 들면, 약 100 kHz 정도)보다 낮은 반복 주파수(예를 들면, 약 100 Hz 정도)에서 0°와 180°사이의 위상 차이
Figure pct00004
로 주기적으로 스위칭하여, 0 램프 전류(
Figure pct00005
=0°) 및 공칭 전류 크기 IM(
Figure pct00006
=180°)와 동일한 실질적으로 일정한 전류 크기의 교류 램프 전류의 버스트(51)가 램프에 교대로 제공된다. 도 4b에서, 스위칭 기간의 지속 기간은 T로서 표시되고, 교류 램프 전류의 전류 버스트(51)의 지속 기간은 Tc로서 표시된다. 듀티 사이클 Δ은 Δ=Tc/T로서 규정된다.
위상 차이
Figure pct00007
가 180°와 동일한 전류 버스트들 동안에, 듀티 사이클이 50 %와 동일하다는 것은 반대 방향에서와 동일하게 긴 시간 동안 한 방향으로 전류가 흐른다는 것을 의미하는 것을 유의하라. 더 긴 타임 스케일 상에서, 평균 전류 IAV은 IAV=Δ·IM으로 표현될 수 있다. 평균 광 출력이 평균 전류에 비례하기 때문에, 평균 광 출력 LAV은 LAV=Δ·LM으로 표현될 수 있고, LM은 공칭 또는 최대 광 출력을 나타낸다.
따라서, 광 출력은 듀티 사이클 Δ을 변경(감소)함으로써 변동(디밍)될 수 있다. 본 발명의 중요한 이점은 광 출력이 단지 전류 버스트들 동안에 생성되면서, 전류 버스트들 간의 시간 기간들에서 실질적으로 어떠한 광 출력도 존재하지 않는다는 것이다. 전류 버스트들에서, 전류는 항상 공칭 크기를 유지하기 때문에, 전류 버스트들 동안의 광 출력 특징들은 공칭 광 출력 특징들과 항상 동일하고, 특히 광의 컬러가 일정하게 유지된다. 이격된 전류 버스트들에서 램프를 동작시킴으로써, 광은 실제로 시간 상에서 "희석(diluted)"되고, 즉, 강도에서 흐릿해지지만, 모든 다른 특징들에서 동일하게 된다.
듀티 사이클을 감소시킴으로써 디밍이 또한 성취된다. 도 4c는 도 4b와 비교 가능한, 감소된 광 출력을 갖는 상황의 그래프이다.
듀티 사이클 Δ이 미리 규정된 문턱값 ΔT에 도달할 때까지, 듀티 사이클 Δ을 감소시킴으로써 디밍이 또한 실행된다. 이러한 상황은 도 4d에 간략하게 예시된다. 문턱값 듀티 사이클 ΔT이 임계적인 것은 아니지만, 예를 들면, 1 % 정도일 수 있거나, 예를 들면, 0.5 %로 더 낮을 수 있다. Δ=ΔT에서, 평균 광 출력 LAV은 LAV=ΔT·LM로 표현될 수 있다.
가능한 실시예에서, 문턱값 ΔT은 도 4d에 예시된 바와 같이 단지 하나의 전체 통신 사이클을 통해 진행되는 램프 전류에 대응한다. 실제 실시예에서, 100 kHz의 브리지 스위칭 주파수 및 100 Hz의 반복 주파수에서, 문턱값 ΔT은 1 %와 동일하도록 선택될 수 있고, 이는 10 개의 브리지 스위칭 사이클들을 포함하는 버스트들(51)에 대응한다. 듀티 사이클의 부가 감소에서, 회피하기 어려운 예를 들면, 제어기의 정확도로 인한 듀티 사이클에서 작은 변동들은 광 출력의 가시적인 변동들을 발생시킬 수 있다.
이용자가 광 출력을 더 감소시키고자 하면, 도 4e에 예시된 바와 같이, 제어기(90)는 Δ=ΔT와 동일한 듀티 사이클을 유지하지만, 전류 크기 I를 공칭값 IM보다 낮은 IR로 감소시킨다. 매우 작은 광 출력들에 대해 광 출력 특성, 특히 광의 컬러의 임의의 편차가 발생하고, 그러한 편차는 더욱 수용가능할 것이다.
전류 크기를 감소시키는 것은 전력원(106)의 출력을 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 그러나, 이것은 제어가능한 전력원을 요구한다. 바람직한 실시예에서, 전류 크기는 2 개의 브리지 레그들(110, 120) 간의 위상 차이
Figure pct00008
를 변경함으로써 변경된다. 이러한 원리는 도 5에 예시된다. 이러한 그래프의 상부에서, 제 1 브리지 레그(110)의 스위치들(111, 112)이 서로에 대해 50 %의 듀티 사이클 및 180°의 위상 차이로 스위칭되고, 제 2 브리지 레그(120)의 스위치들(121, 122)이 서로에 대해 50 %의 듀티 사이클 및 180°의 위상 차이로 스위칭되고, 두 개의 레그들(110, 120) 간에 위상 차이
Figure pct00009
가 존재한다는 것을 볼 수 있다. 그래프는 또한 제 1 DC 전력 라인(107) 및 제 2 DC 전력 라인(108)의 전압 간에 교대하는 노드 A에서의 전압을 도시하고, 제 1 DC 전력 라인(107) 및 제 2 DC 전력 라인(108)의 전압 간에 또한 교대하는 노드 B에서의 전압을 도시하고, 이러한 2 개의 전압들 간에 동일한 위상 차이
Figure pct00010
를 갖는다. 그래프는 또한, 전압 차이가 램프 전류 I를 구동시키는 이러한 2 개의 노드들(A 및 B) 간의 전압 차이 VA-VB를 도시한다.
램프 전압의 매우 작은 듀티 사이클로 인해, 램프는 점화할 기회를 얻지 못하고 단지 용량적으로 동작한다. 따라서, 램프는 상대적으로 큰 임피던스를 제공하고, 회로의 거동은 공진 탱크(도 2에서 131, 132, 133)에 의해 주로 결정된다. 브리지 레그들의 스위칭 주파수가 공진 주파수에 근접하면서, 노드들(A 및 B) 간의 회로가 동조이기 때문에, 노드들(A 및 B) 간의 브리지 대각선(130)에서의 전류는 노드들(A 및 B) 상의 전류와 대략적으로 같은 위상에서 사인형 전류이다. 따라서, 병렬 캐패시터(133) 상에서 전개되는 전압(도 2)은 노드들(A 및 B) 상의 전압과 대략적으로 같은 위상에서 사인형 전압이고, 이러한 전압이 램프 전류를 결정하기 때문에, 용량성 램프 전류는, 도 5에서 최하부 곡선에 의해 개략적으로 예시된 바와 같이, 노드들(A 및 B) 상의 전압과 대략적으로 같은 위상의 사인형 전류이다.
용량성 램프 전류는 약간의 광이 생성되도록 한다. 이러한 방법으로 획득된 최대 전류 크기(전류 곡선의 피크들)가 0°≤
Figure pct00011
≤ 180°의 범위에서 위상 차이
Figure pct00012
에 비례한다는 것은 당업자에게 명백하다. 마찬가지로, 전류 크기의 평균은 위상 차이
Figure pct00013
에 비례한다. 따라서, 위상 차이
Figure pct00014
를 변경함으로써, 평균 전류 크기를 변경하고 따라서 광 출력을 변경하는 것이 가능하다.
더 높은 듀티 사이클 따라서 더 높은 광 출력에서, 램프가 점화를 획득하고, 이러한 경우에 램프 전류는 형태 상에서 더욱 삼각형이라는 것을 유의하라.
웨이크-업 조명의 경우에서, 제어기(90)에 의한 동작은 정확히 반대이다. 초기 상태에서, 램프는 오프이다. 예를 들면, 클록에 의해 결정된 시간 상의 특정 순간에서, 제어기는 레그 위상 차이
Figure pct00015
를 0°에 근접하게 설정함으로써 Δ=ΔT으로 설정된 듀티 사이클 및 0에 근접한 전류 크기(도 4e)로 그의 동작을 시작한다. 시간의 함수로서, 제어기는 듀티 사이클을 일정하게 유지하면서, 레그 위상 차이
Figure pct00016
가 180°에 도달하기 때문에, 전류 크기가 공칭값 IM에 도달할 때까지(도 4d) 레그 위상 차이
Figure pct00017
를 증가시킴으로써 전류 크기를 증가시킨다. 이러한 순간부터, 시간의 함수로서, 제어기는 마침내 듀티 사이클이 100 %와 동일하게 될 때까지 전류 크기를 일정하게 유지하면서(도 4c 및 도 4b) 듀티 사이클을 증가시킨다. 이러한 웨이크-업 동작은 도 6에 간략하게 예시되고, 여기서 상위 그래프는 위상 차이
Figure pct00018
를 시간의 함수로서 도시하고, 하위 그래프는 듀티 사이클을 시간의 함수로서 도시한다.
도 6에서, 위상 차이
Figure pct00019
및 듀티 사이클이 시간의 함수로서 선형으로 증가하는 것으로 도시된다는 것을 유의하라. 그러나, 설계 고려 사항들에 따라, 이들 파라미터들의 2차 시간-도함수는 0와 동일하지 않을 수 있고, 예를 들면, 위상 차이
Figure pct00020
및 듀티 사이클이 지수함수적으로 증가할 수 있다.
상술된 바와 같은 디밍 절차 또는 웨이크-업 절차가 제어기(90)의 적절한 프로그래밍, 즉, 소프트웨어 구현에 의해 쉽고 저가로 성취될 수 있다는 것을 또한 유의하라.
상술된 바와 같이, 전극 가열 전력원들(30, 40)은 개별적인 일정한 전류원들로서 구현될 수 있다. 그러한 경우에, 어떠한 램프 전류도 흐르지 않는 시간 기간들 동안에, 제어기(90)가 모든 스위치들(111, 112, 121, 122)을 오프 상태로 유지하는 것이 가능하다. 그러나, 듀티 사이클 변동들 및 전류 크기 변동들이 상술된 바와 같은 레그 위상 차이 변동들에 의해 구현되는 경우에서, 본 발명은 그의 전력을 노드들(A 또는 B)로부터 각각 유도하여 전극 가열 전력원에 대해 상대적으로 간단한 구현을 제공한다.
도 7은 도 2에 비교하여 본 발명에 따라 구성된 구동기(2)의 블록도이고, 여기서, 구체적으로 전극 가열 전력원들(30, 40)은 본 발명에 따라 구현된다. 간략하게 하기 위해, 제어기(90) 및 DC 전력원(106)은 도 7에 도시되지 않는다. 램프(10)에 병렬인 용량 수단이 2 개의 캐패시터들(133, 134)의 직렬 배열로서 구현된다는 것을 유의하라.
제 1 전극 가열 전력원(30)은 제 1 입력 단자(33)와 제 2 입력 단자(34) 간에 결합된 1차 변압기 권선(51)을 갖고, 제 1 전극 가열 전력원(30)의 출력 단자들(31, 32)에 결합된 2차 변압기 권선(52)을 갖는 제 1 변압기(50)를 포함한다. 도시된 바람직한 실시예에서, 전압 조정기(71)는 2차 변압기 권선(52)과 출력 단자들(31, 32) 간에 결합된다. 제 2 입력 단자(34)는 DC-디커플링용으로 설계된 캐패시터(35)를 통해 접지선(108)에 결합된다. 이러한 디커플링 캐패시터(35)의 용량은 스위칭 주파수 및 1차 변압기 권선(51)의 인덕턴스에 비해 상대적으로 높게 선택되어, 실제로 이러한 캐패시터 상의 임의의 전압 리플(voltage ripple)이 실제로 0일 것이다.
마찬가지로, 제 2 전극 가열 전력원(40)은 제 1 입력 단자(43)와 제 2 입력 단자(44) 간에 결합된 1차 변압기 권선(61)을 갖고, 제 2 전극 가열 전력원(40)의 출력 단자들(41, 42)에 결합된 2차 변압기 권선(62)을 갖는 제 1 변압기(60)를 포함한다. 도시된 바람직한 실시예에서, 전압 조정기(72)는 2차 변압기 권선(62)과 출력 단자들(41, 42) 간에 결합된다. 제 2 입력 단자(44)는 제 2 디커플링 캐패시터(45)를 통해 접지선(108)에 결합된다.
램프가 브리지 노드들(A 및 B)에 직접 접속되지 않기 때문에, 2 개의 HF 변압기들(50, 60)은 레벨 시프터들(level shifters)로서 작동한다. 직렬 캐패시터들(35, 45)은 DC 오프셋이 1차 변압기 권선들(51, 61)을 구동시키는 것에 관하여 어떠한 문제점도 일으키지 않는 효과를 갖는다.
HF 변압기들(50, 60)은 브리지 노드들(A 및 B)에서의 고전압을 램프 음극 가열에 적합한 더욱 낮은 전압으로 변환한다. 통상적인 음극 가열 정격은 26W PL-C 램프에서 4 V 및 320 mA이다. 음극 가열 전력이 램프에 따라 정확한 값들에서 가능한 일정하게 유지되는 것이 매우 중요하다. 가열 출력 전압이 너무 높다면, 음극 온도가 너무 높을 것이고, 음극은 이미터 재료(통상적으로 바륨)를 상실할 것이고, 램프의 수명은 수백 시간으로 감소될 것이다. 가열 출력 전압이 너무 낮다면, 음극 온도가 너무 낮을 것이고, 음극이 검게 되고, 램프의 수명이 단지 수 시간으로 감소된다. 브리지 노드들(A 및 B)가 도 5에 도시된 바와 같이 고주파수 고전압을 연속적으로 전달하여, 변압기들(50, 60) 및 램프 전극들에 일정한 전압이 제공된다는 것을 유의하라.
음극 가열 전압의 정확도를 개선하기 위해, 각각의 전극 가열 전력원(30, 40)은 도시된 바와 같이 전압 조정기(71, 72)를 포함하는 것이 바람직하고, 전압 조정기 각각은 정류기(예를 들면, 다이오드 브리지), 버퍼(예를 들면, 캐패시터), 및 안정기(stabilizer)를 포함한다. 이것은 DC 전력원(106)의 출력 전압의 가능한 변동들을 무효화하는데 이로울 수 있다. 그러나, DC 전력원(106)이 충분히 안정된 전압을 제공하면, 그러한 전압 조정기들이 생략될 수 있다.
본 발명에 따른 구동기에서, 전극 가열 전력은 딤 레벨을 설정하는 제어기에 의해 설정된 듀티 사이클, 딤 레벨을 설정하는 제어기에 의해 설정된 램프 전류 크기와 상관없이 실질적으로 일정하게 유지된다.
상기에서, 스위치들(111, 112, 121, 122)의 동작은 램프 전류의 생성에 대한 관점 및 가열 전류의 생성에 대한 관점으로만 기재되었다. 이러한 관점에서, 스위칭의 정확한 타이밍은 단락 회로를 방지하기 위해 직렬로 배열된 2 개의 스위치들의 온 기간들 간에 약간의 "데드 타임(dead time)"이 존재해야 한다는 사실 이외에 필수적이지 않다. 이러한 조건이 만족되면, 다음 스위치가 용량성으로 턴(turn)되는 정확한 타이밍이 필수적이지 않다. 그러나, 바람직한 실시예에서, 스위치 상의 전압이 이러한 스위치가 용량성으로 턴되기 전에 0가 되는 것이 보장되는데, 그렇지 않다면, 스위칭으로 인해 전력 손실이 발생하기 때문이다. 설명에 의해 스위치들(111 및 112)의 스위칭의 더욱 상세한 설명이 주어질 것이다.
제 1 단계에서, 제 1 스위치(111)가 온이고 제 2 스위치(112)가 오프라고 가정된다. 전류는 제 1 스위치(111) 및 1차 변압기 권선(51)을 통해 흐르고, 노드 A는 라인(107)의 고전압이다.
제 2 단계에서, 양자의 스위치들(111 및 112)은 오프이다. 전류는 1차 변압기 권선(51)에서 계속 흐르고, 전류 경로는 MOSFET(112)(또는 스위치(112)와 병렬로 배열된 개별적인 다이오드)의 바디 다이오드(body diode)에 의해 폐쇄된다. 결과적으로, 노드 A에서의 전압이 드롭된다. 이것은 제 2 스위치(112)와 병렬인 부하 캐패시터(도시되지 않음)를 방전시키는 것으로 볼 수 있다는 것을 유의하라. 이러한 부하 캐패시터는 MOSFET(112)의 드레인과 소스 간의 기생 용량, 또는 노드 A에 부착된 부하의 용량 성분, 즉, 1차 변압기 권선(51)과 병렬인 캐패시터에 의해 형성될 수 있다. 노드 A에서 볼 수 있는 인덕턴스를 증가시키기 위해, 1차 변압기 권선(51)과 직렬로 배열된 작은 인덕터(도시되지 않음)가 존재하는 것이 바람직하지만, 이러한 부하 캐패시터는 1차 변압기 권선(51)의 인덕턴스와 동일할 수 있는 노드 A에서 볼 수 있는 인덕턴스를 갖는 공진 회로를 형성한다는 것을 유의하라. 바람직하게, 이러한 인덕터(누설 인덕턴스를 제공함)는 변압기 1차 권선과 직렬로 접속된 부가적인 구성요소를 가질 필요성을 회피하기 위해 변압기 디바이스에 통합된다.
특정 시간 지연(노드 A 및 상기 부하 캐패시터에서 볼 수 있는 상기 인턱턴스의 LC 시간에 의해 결정됨) 후에, 노드 A에서의 전압은 0에 도달한다. 이러한 시간 지연이 너무 짧지 않다면, 노드 A에서 높은 값의 dV/dt가 무선 잡음이 삭제되도록 하기 때문에 이롭다. 그 다음 또는 얼마 후에, 제 2 스위치(112)가 온으로 스위칭되고, 제 1 스위치(111)는 오프 상태이다. 따라서, 제 2 스위치(112)가 온으로 스위칭되고, 이러한 스위치 상에 어떠한 전압도 존재하지 않는다. 이제, 제 1 스위치(111)가 오프이고, 제 2 스위치(112)가 온인 제 3 단계에서, 전류는 제 2 스위치(112) 및 1차 변압기 권선(51)을 통해 흐르고, 노드 A는 라인(107)의 고전압이다. 이러한 전류는 제 1 단계와 비교하여 반대 방향으로 흐른다.
제 4 단계에서, 양자의 스위치들(111 및 112)은 오프이다. 전류는 1차 변압기 권선(51)으로 계속해서 흐르고, 전류 경로는 MOSFET(111)(또는 스위치(111)와 병렬로 배열된 개별적인 다이오드)의 바디 다이오드에 의해 폐쇄된다. 결과적으로, 노드 A에서의 전압이 상승한다. 이것은 제 2 스위치(112)와 병렬인 부하 캐패시터(도시되지 않음)를 충전하는 것으로 볼 수 있다는 것을 유의하라.
특정 시간 지연(노드 A 및 상기 부하 캐패시터에서 볼 수 있는 인턱턴스의 LC 시간에 의해 또한 결정됨) 후에, 노드 A에서의 전압은 라인(107)의 고전압 레벨에 도달한다. 그 다음, 또는 얼마 후에, 제 1 스위치(111)가 온으로 스위칭되고(이러한 스위치 상에 어떠한 전압도 존재하지 않는다), 상기와 같이 반복된다.
스위치에 걸친 전압이 0과 동일하면서 스위치를 비-도전성에서 도전성으로 스위칭하는 것을 "제로 전압 스위칭"으로 표시할 것이다.
상기에서, 브리지 스위치들(111, 112 및 121, 122)(도 5 참조)의 고주파수 스위칭은 전류 버스트들(51)(도 4b 참조)의 스위칭과 독립적으로 설명되었다. 특히, 문턱값 듀티 사이클 ΔT에 근접한 낮은 듀티 사이클들에서, 버스트(51)에서 브리지 스위칭 사이클들의 수는 매우 적다. 이 수는 10(Δ=1%를 갖는) 또는 5(Δ=0.5%를 갖는)와 같을 수 있다. 고주파수 브리지 스위칭의 위상에 대해 버스트들(51)의 시작의 정확한 타이밍에서의 매우 작은 변동들은 램프 및 그의 공진 탱크 시스템의 시작 조건들에서의 변동을 야기할 것이고, 이는 평균 램프 전류의 작은 변동을 야기하고, 따라서 램프의 광 출력에서의 작지만 가시적인 변동들(깜박임)을 야기할 수 있다.
이러한 문제점을 회피하기 위해, 브리지의 듀티 사이클 스위칭은 브리지의 고주파수 스위칭과 동기화되는 것이 바람직하다.
브리지의 듀티 사이클 스위칭을 결정하는 저주파수 클록 신호 및 브리지의 고주파수 스위칭을 결정하는 고주파수 클록 신호가 동일한 소스로부터 얻어지면, 그러한 동기화가 성취될 수 있다.
브리지의 고주파수 스위칭을 결정하는 고주파수 클록 신호가 프리 러닝(free-running)이면, 버스트(51)가 시작되는 때를 결정하는 저주파수 클록 신호에 응답하여, 버스트(51)의 실제 시작이 고주파수 클록 신호의 미리 규정된 위상, 예를 들면, 고/저 전이 또는 저/고 전이까지 지연되는 경우에 그러한 동기화가 성취될 수 있다.
원하지 않는 깜박임의 또 다른 소스는 전력 공급기(106)에 의해 제공될 수 있다. 이는 이러한 전력 공급기(106)가 리플로부터 안정되고 자유로운 실제 DC 전압을 제공하는 것일 수 있고, 그러한 경우에, 전력 공급기는 깜박임을 일으키지 않는다. 그러나, 전력 공급기(106)가 메인 소스로부터 그의 전력을 유도하면, 정류 및 버퍼링 후에, 이는 전력 공급기(106)의 출력이 메인 주파수의 두 배를 갖는 작은 리플을 보여주는 것은 실제로 불가피할 수 있다. 버스트(51) 시작의 정확한 시간에서, 전력 공급기(106)의 출력 전압의 순간적인 값은 점화를 위해 램프에서 필요한 시간에 영향을 주고, 이러한 순간적인 값이 약간 더 높다면, 램프는 약간 더 빠르게 점화할 수 있고, 램프 전류가 약간 더 길게 제공되어, 대체로 다소 더 높은 광 출력을 야기한다. 0.5 %의 듀티 사이클에서, 1 ㎲의 작은 점화 지연이 버스트 길이의 2%, 즉, 광 출력의 2 % 변동만큼 대등할 수 있다는 것을 고려하여, 이러한 변동들이 낮은 듀티 사이클들에서 가시적일 수 있다.
이러한 문제점을 회피하기 위해, 브리지의 듀티 사이클 스위칭은 메인 주파수와 동기화되는 것이 바람직하다.
도 9a는 일반적으로 참조 번호(901)로 표시된 소형 가스 방전 램프의 사시도를 개략적으로 도시한다. 램프(901)는 램프 베이스(902) 및 서로 병렬로 배열된 4 개의 튜브 세그먼트들(911, 912, 913, 914)을 포함한다. 도면에서, 튜브들의 축 방향은 수직으로 지시되고, 이러한 방향은 또한 장축 방향으로서 표시될 것이다. 튜브들은 램프 베이스(902)의 상부면(903)으로부터 수직으로 위로 연장된다. 각각의 램프 세그먼트는 2 개의 엔드들, 즉, 램프 베이스(902)에 근접한 근위 엔드(proximal end) 및 램프 베이스(902)로부터 이격된 원위 엔드(distal end)를 갖는다. 제 1 램프 전극 필라멘트(921)는 제 1 램프 세그먼트(911)의 근위 엔드에 배치된다. 제 1 및 제 2 램프 세그먼트들(911, 912)은 그들의 원위 엔드들에 근접한 제 1 브리지 세그먼트(931)에 의해 상호 접속된다. 제 2 및 제 3 튜브 세그먼트들(912, 913)은 그들의 근위 엔드들에 근접한 제 2 브리지 세그먼트(932)에 의해 상호 접속된다. 제 3 및 제 4 튜브 세그먼트들(913 및 914)은 그들의 원위 엔드들에 근접한 제 3 브리지 세그먼트들(933)에 의해 상호 접속된다. 제 2 전극 필라멘트(922)는 제 4 튜브 세그먼트(914)의 근위 엔드에 배열된다. 각각의 전극 필라멘트에는 베이스(902)를 통해 아래로 연장되는 2 개의 전극 단자들이 제공되고, 이들 각각은 램프 베이스(902)의 밑면으로부터 연장되는 대응하는 접속기에 결합되고, 이는 간략하게 하기 위해 도 9a에 도시되지 않는다. 그러한 램프의 예는 필립스에서 상업적으로 이용 가능한 PL-C 램프이다. 따라서, 이러한 램프 설계의 부가적인 설명은 본원에서 요구되지 않는다.
극단적으로 낮은 디밍의 경우들에서, 예를 들면, 웨이크-업 조명을 시작할 때, 부가적인 문제점은 각각의 전극들(921 및 922)에 근접한 제 1 튜브 세그먼트(911)의 근위 부분 및 제 4 튜브 세그먼트(914)의 원위 부분에서만 광이 생성되는 상황이 발생할 수 있다는 것이다. 이것은 동작 조건들이 적절한 방전을 발생시키기에 불충분하고 용량성 전류가 튜브 세그먼트들의 유리 엔빌로프(glass envelope)를 통해 흐른다는 사실에 의해 발생되는 것으로 사료된다. 서서히, 이러한 광 생성 부분들이 제 1 및 제 4 튜브 세그먼트들(911, 914)의 원위 엔드들을 향해 성장하고, 그 다음 제 2 및 제 3 튜브 세그먼트들(912, 913)이 광을 생성하기 시작할 수 있지만, 제 2 및 제 3 튜브 세그먼트들(912, 913)이 광 출력에 전혀 기여하지 않는 것이 또한 가능하다. 대체로, 램프는 불규칙하고 불안정된 거동을 보여줄 수 있다.
이러한 문제점을 제거하거나 적어도 감소시키기 위해, 본 발명에 따른 램프(901)에는 튜브 세그먼트들(911, 912, 913, 914)의 외부에 배치된 외부 보조 전극(950)이 제공된다. 보조 전극은 전기적으로 도전성이고, 튜브 세그먼트들의 축 길이에 대응하는 축 크기를 갖고, 4 개의 튜브 세그먼트들(911, 912, 913, 914) 서로를 결합하고, 모든 튜브 세그먼트들의 전체 길이에 걸쳐 가스 방전이 생성되도록 촉진하는 용량성 커플링으로서 작동한다. 보조 전극이 모든 튜브 세그먼트들(911, 912, 913, 914)과 기계적으로 접촉되면, 용량성 커플링이 최적화된다.
보조 전극(950)은 전기적으로 플로팅(floating)일 수 있고, 즉, 전자 구동기의 임의의 멤버에 전기적으로 접속되지 않는다. 그러나, 보조 전극(950)이 기준 전압에 접속되면, 개선된 효과가 획득된다. 그러한 기준 전압에 대한 적절한 소스들은 접지, 또는 램프 전극 중 하나이다. 바람직한 실시예에서, 보조 전극(950)은 램프 전극 전위들 간의 중간 전압에 접속된다. 바람직하게, 보조 전극(950)은 상기 2 개의 캐패시터들(133 및 134) 간의 노드에 접속된다.
보조 전극에 대해 몇몇 형태들이 가능하다. 도 9a의 실시예에서, 보조 전극(950)은 제 2 브리지 세그먼트(932)를 수용하기 위한 리세스(recess)를 갖는 직사각형 블록의 형태를 갖는다. 그의 2 개의 메인 표면들이 모든 튜브 세그먼트들과 접촉하도록 크기가 설정될 수 있다. 도 9b는 참조 번호(960)로 표시된 보조 전극의 바람직한 실시예의 개략적인 사시도이고, 보조 전극은 평판(911)으로서 형성되고, 이는 도 9a의 판형 실시예와 같이 배치되도록 의도되고, 즉, 하나의 측면 상의 제 1 및 제 2 튜브 세그먼트들(911, 912)과 다른 측면 상의 제 3 및 제 4 튜브 세그먼트들(913, 914) 사이에서 연장된다. 평판(960)은 제 2 브리지 세그먼트(932)를 수용하는 리세스(965)를 갖는다. 평판(961)은 제 1 및 제 4 튜브 세그먼트들(911, 914) 간의 거리보다 약간 작은 두께를 갖는다. 램프에 대한 보조 전극(960)의 단단한 고정을 위해, 평판(961)에는 리세스(965) 맞은 편의 전면 수직 에지(966)로부터 연장되는 립들(lips)(962, 963, 964)이 제공되고, 이러한 립들은 튜브 세그먼트의 반경에 실질적으로 대응하는 반경에 따라 모두 동일한 방향으로 구부러진다. 립들은 모두 동일한 크기를 가질 수 있다. 도시된 실시예에서, 전극(960)은 약 180°에 걸쳐 튜브 세그먼트 주위를 맞추는 2 개의 더 작은 U 형 립들(962), 및 튜브 세그먼트에 인접하여 연장되는 2 개의 더 큰 J 형 립들(964)을 갖는다. 전극(960)의 최하단 립(963)은 이러한 립(963)이 180°이상 튜브 세그먼트 주위를 맞추도록 평판(961)을 향해 구부러진 단부를 갖는다.
보조 전극(960)은 제 1 또는 제 4 튜브 세그먼트, 즉, 전극을 포함하는 튜브 세그먼트 주위의 그의 립들과 배치되고, 선택은 립들이 구부러진 방향에 의존하고, 도시된 실시예에서, 이것은 제 4 튜브 세그먼트(914)일 것이다. 립들은 보조 전극(960)을 이러한 튜브 세그먼트(914)에 단단히 고정시키고, 평판(961)은 실질적으로 그의 전체 높이에 걸쳐 이러한 튜브 세그먼트(914)와 기계적으로 접촉된다. 평판(961)은 또한, 거의 횡단력(transverse force)이 없지 않은 J 형 립들(964)에 의해 제자리에 수용된 인접하는 튜브 세그먼트(913)와 기계적으로 접촉한다.
실질적으로 평평한 대신에, 보조 전극은 기복이 있는 단면을 가질 수 있어, 보조 전극이 그들의 길이를 따라 분리된 수의 포인트들에서 튜브 세그먼트들을 접촉한다. 대안적인 실시예들에서, 보조 전극은 튜브 섹션들 간에 중심 공간에 배치된, 예시된 바와 같은 속이 꽉 찬 막대 또는 속이 빈 막대로서 구현된 실질적으로 원형 단면을 가질 수 있다. 보조 전극이 튜브 세그먼트들의 주위를 나선형으로 감싼 배선으로서 구현되는 것이 또한 가능하다. 보조 전극이 대응하는 튜브 세그먼트 주위를 각각 감싸는 4 개의 전극 배선들을 포함하는 것이 또한 가능하다. 보조 전극이 튜브 섹션들 간에 중앙 공간에 배치된 원통형 브러시로서 구현되는 것이 또한 가능하다.
본 발명이 도면들 및 상기 기재에서 상세히 예시 및 설명되었지만, 예시 및 설명은 예시적이거나 실례로서 고려되고 제한적인 것이 아니라는 것이 당업자에게 명백해야 한다. 본 발명은 개시된 실시예들로 제한되지 않고, 오히려, 첨부한 특허청구범위에 규정된 본 발명의 보호 범위 내에서 일부 변동들 및 수정들이 가능하다.
예를 들면, 구동기의 공급기가 AC 메인 전력을 정류하는 정류기, 및 정류된 AC 전력을 안정화된 DC 전력으로 변환하기 위한, 정류기와 제 1 및 제 2 DC 전력 라인들 간에 배열된 프리컨디셔너(preconditioner) 및 변환기를 포함하는 것이 가능하다.
또한, 기재되고 예시된 바와 같은 바람직한 실시예에서, 구동기는 풀 브리지 포톨로지를 포함한다. 그러나, 다른 토폴로지들 예를 들면, 출력 전압이 예를 들면 플라이 백(fly back) 또는 벅 변환기를 이용하여 변경될 수 있는 공급기(106)와 조합하여 하프 브리지 토폴로지(half bridge topology)를 이용하여 본 발명을 구현하는 것이 가능하다.
또한, 기재되어 예시된 바와 같은 바람직한 실시예에서, 램프 출력 단자들(101, 102)은 브리지 대각선(130)에서 접속되어, 각각의 램프 전극이 접지에 대해 변동하는 전압을 수신한다. 무선 교란을 방지하기 위해, 하나의 램프 전극을 고정된 전압 레벨에서, 바람직하게는 접지로 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 도 8의 실시예에서 성취되며, 여기서 램프 출력 단자들(101, 102)은 커플링 변압기(810)를 통해 브리지 대각선(130)에 결합된다. 도시된 실시예에서, 브리지 대각선(130)은 커플링 변압기(810)의 1차 권선(811) 및 DC 디커플링 캐패시터(820)의 직렬 배열을 포함한다. 커플링 변압기(810)의 2차 권선(812)은 접지에 접속된 하나의 엔드를 갖고, 공진 인덕터(131)를 통해 하나의 메인 출력 단자(101)에 접속된 또 다른 엔드를 갖는다. 다른 메인 출력 단자는 접지에 접속된다.
개시된 실시예들에 대한 다른 변동들은 도면들, 본 개시, 및 첨부된 특허청구범위의 연구로부터 청구된 본 발명을 실시할 때 당업자에 의해 이해되고 실시될 수 있다. 특허청구범위에서, 단어 "포함하는(comprising)"은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 부정관사("a" 또는 "an")는 복수를 배제하지 않는다. 단일의 프로세서 또는 다른 유닛이 특허청구범위에 인용된 몇몇 아이템들의 기능들을 실행할 수 있다. 특정 수단들이 상호 상이한 종속항들에서 인용된다는 단순 사실은 이러한 수단들의 조합이 이롭게 이용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다. 컴퓨터 프로그램은 광 저장 매체 또는 다른 하드웨어와 함께 또는 일부로서 제공된 고체 상태 매체와 같은 적절한 매체 상에 저장/분배될 수 있지만, 인터넷 또는 다른 유선 또는 무선 원격 통신 시스템들을 통해 다른 형태들로 또한 분배될 수 있다. 특허청구범위에서 임의의 참조 부호들은 범위를 제한하는 것으로 구성되어서는 안된다.
상기에서, 본 발명은 블록도들을 참조하여 설명되었고, 블록도는 본 발명에 따른 디바이스의 기능적 블록들을 예시한다. 이러한 기능 블록들 중 하나 이상은 하드웨어로 구현될 수 있고, 여기서 그러한 기능 블록의 기능은 개별적인 하드웨어 구성요소들에 의해 실행되지만, 이들 기능 블록들 중 하나 이상이 소프트웨어에 의해 구현되는 것이 가능하여, 그러한 기능 블록의 기능이 마이크로프로세서, 마이크로제어기, 디지털 신호 프로세서 등과 같은 프로그래밍 가능한 디바이스 또는 컴퓨터 프로그램의 하나 이상의 프로그램 라인들에 의해 실행된다는 것이 이해된다.
1: 구동기 10: 가스 방전 램프
11: 램프 튜브 13, 14: 전극 필라멘트
15, 16, 17, 18: 전극 단자
21, 22, 23, 24, 101, 102: 출력 단자
30, 40: 전극 가열 전력원 33, 34: 입력 단자
50, 60: 변압기 51, 52, 61, 62: 변압기 권선
70, 71: 전압 조정기 90: 제어기
91, 92, 93, 94: 제어 출력 95: 입력 단자
96: 이용자 작동 회전 디바이스 100: 메인 전력원
106: 전력 공급기 107, 108: 전력 라인
110, 120: 브리지 레그 111, 112, 121, 122: 스위치
131, 132: 인덕터 133: 캐패시터
810: 커플링 변압기 811, 812: 권선
901: 가스 방전 램프 902: 램프 베이스
911, 912, 913, 914: 튜브 세그먼트 921, 922: 전극 필라멘트
931, 932, 933: 브리지 세그먼트 950, 960: 보조 전극
962, 963, 964: 립

Claims (22)

  1. 공칭 광 출력 레벨(nominal light output level)(LM)과 최소 광 출력 레벨 간의 범위 내의 가변 광 레벨로 가스 방전 램프(gas discharge lamp)(10)를 구동시키는 방법에 있어서:
    일정한 전류 진폭을 갖는 교류 램프 전류(I)를 생성하는 단계;
    상기 공칭 광 출력 레벨(LM)을 생성할 때, 공칭 전류 진폭(IM)을 갖는 상기 교류 램프 전류(I)를 상기 램프(10)에 일정하게 공급하는 단계;
    상기 공칭 광 출력 레벨(LM) 미만의 제 1 범위 내의 광 출력 레벨을 갖는 광을 생성할 때, 버스트 지속 기간(burst duration) TC 및 버스트 반복 기간 T을 갖는 이격된 전류 버스트들(51)을 상기 램프(10)에 공급하는 단계로서, 각각의 전류 버스트에서, 상기 램프에는 상기 공칭 전류 진폭(IM)을 갖는 상기 교류 램프 전류(I)가 일정하게 공급되고, 연속적인 전류 버스트들 간의 간격들에서, 실질적으로 어떠한 전류도 상기 램프에 공급되지 않고, 상기 광 출력 레벨은 100%와 최소 버스트 듀티 사이클 값(ΔT) 사이의 범위 내에서 Δ=TC/T로서 규정된 버스트 듀티 사이클(Δ)을 변경함으로써 변경되는, 상기 이격된 전류 버스트(51) 공급 단계; 및
    상기 제 1 범위 미만의 제 2 범위 내의 광 출력 레벨을 갖는 광을 생성할 때, 이격된 전류 버스트들(51)을 상기 램프(10)에 공급하는 단계로서, 각각의 전류 버스트에서, 상기 램프에는 상기 공칭 전류 진폭(IM)보다 낮은 감소된 전류 진폭(IR)을 갖는 상기 교류 램프 전류(I)가 일정하게 공급되고, 연속적인 전류 버스트들 간의 간격들에서, 실질적으로 어떠한 전류도 상기 램프에 공급되지 않고, 상기 광 출력 레벨은, 상기 버스트 듀티 사이클(Δ)을 상기 최소 버스트 듀티 사이클 값(ΔT)에서 일정하게 유지하면서, 0과 상기 공칭 전류 진폭(IM) 간의 범위 내에서 상기 감소된 전류 진폭(IR)을 변경함으로써 변경되는, 상기 이격된 전류 버스트(51) 공급 단계를 포함하는, 가스 방전 램프(10) 구동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 최소 버스트 듀티 사이클 값(ΔT)은 1 % 정도 또는 더 낮은, 예를 들면, 0.5 %인, 가스 방전 램프(10) 구동 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 출력 레벨을 0으로부터 상기 공칭 광 출력 레벨로 점진적으로 증가시키기 위해:
    상기 미리 결정된 최소 버스트 듀티 사이클 값(ΔT)을 갖는 이격된 전류 버스트들(51)을 상기 램프(10)에 초기에 공급하는 단계로서, 각각의 전류 버스트에서, 상기 램프에는 0에 근접한 상기 감소된 전류 진폭(IR)을 갖는 상기 교류 램프 전류(I)가 일정하게 공급되는, 상기 전류 버스트(51) 공급 단계;
    후속적으로, 상기 버스트 듀티 사이클(Δ)을 상기 최소 버스트 듀티 사이클 값(ΔT)에서 일정하게 유지하면서, 상기 전류 진폭이 상기 공칭 전류 진폭(IM)에 도달할 때까지 상기 감소된 전류 진폭을 점진적으로 증가시킴으로써 상기 광 출력 레벨을 점진적으로 증가시키는 단계; 및
    후속적으로, 상기 전류 진폭을 상기 공칭 전류 진폭(IM)에서 일정하게 유지하면서, 상기 버스트 듀티 사이클(Δ)을 점진적으로 더 증가시킴으로써 상기 광 출력 레벨을 점진적으로 증가시키는 단계를 포함하는, 가스 방전 램프(10) 구동 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 버스트 반복 기간은 약 100 Hz 정도인, 가스 방전 램프(10) 구동 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 교류 램프 전류는 일정한 전류 주파수를 갖고, 상기 주파수는 약 100 kHz 정도인 것이 바람직한, 가스 방전 램프(10) 구동 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 교류 램프 전류는 50 %와 동일한 일정한 전류 듀티 사이클을 갖는, 가스 방전 램프(10) 구동 방법.
  7. 버스트 지속 기간 TC 및 버스트 반복 주파수 1/T를 갖는 이격된 전류 버스트들(51)에서 램프 전류(I)를 생성할 수 있는 메인 전력원(100)을 포함하는, 가스 방전 램프(10)를 구동시키기 위한 구동기(1)로서, 각각의 전류 버스트에서, 상기 램프 전류는 상기 버스트 반복 주파수보다 더 높은 일정한 전류 주파수, 일정한 전류 진폭, 및 바람직하게는 50 %와 동일한 일정한 전류 듀티 사이클을 갖는 교류 전류인, 상기 구동기(1)에 있어서,
    상기 전류 진폭을 공칭 전류 진폭 값(IM)에서 일정하게 유지하면서, 100 %와 최소 버스트 듀티 사이클 값(ΔT) 사이의 범위 내에서 Δ=TC/T로서 규정된 버스트 듀티 사이클(Δ)을 변경할 수 있고;
    상기 버스트 듀티 사이클(Δ)을 상기 최소 버스트 듀티 사이클 값(ΔT)에서 일정하게 유지하면서, 0과 상기 공칭 전류 진폭(IM) 사이의 범위 내에서 상기 전류 진폭을 변경할 수 있는, 구동기(1).
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 상기 방법을 실행하는, 구동기(1).
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 버스트 듀티 사이클(Δ)과 독립적으로 및 상기 전류 진폭과 독립적으로, 일정한 필라멘트 가열 전류 또는 일정한 필라멘트 가열 전압을 제공하는 전극-가열 전력원들(30, 40)을 추가로 포함하는, 구동기(1).
  10. 제 7 항에 있어서,
    DC 전압원(106);
    상기 DC 전압원(106)의 각각의 출력 단자들에 접속된 제 1 및 제 2 DC 전력 출력 라인들(107, 108);
    상기 제 1 및 제 2 DC 전력 라인들(107, 108) 간에 접속된 2 개의 제어가능한 스위치들(111, 112)과 상기 2 개의 스위치들 간의 제 1 브리지 출력 노드(A)의 제 1 직렬 배열을 포함하는 제 1 브리지 레그(110);
    상기 제 1 및 제 2 DC 전력 라인들(107, 108) 간에 접속된 2 개의 제어가능한 스위치들(121, 122)과 상기 2 개의 스위치들 간의 제 2 브리지 출력 노드(B)의 제 2 직렬 배열을 포함하는 제 2 브리지 레그(120);
    상기 2 개의 출력 노드들(A, B) 간에 접속된 브리지 대각선(bridge diagonal)(130); 및
    상기 스위치들의 스위칭 동작을 제어하기 위한 제어기(90)를 포함하는, 구동기(1).
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기는 각각의 스위치(111, 112, 121, 122)가 상기 전류 주파수와 동일한 스위칭 주파수에서 도전성 상태와 비-도전성 상태 간에 계속해서 교대되도록 상기 스위치들을 제어하고, 상기 제 1 브리지 레그(110)의 2 개의 스위치들(111, 112)은 180°의 상호 위상 차이로 항상 스위칭되고, 상기 제 2 브리지 레그(120)의 2 개의 스위치들(121, 122)은 180 °의 상호 위상 차이로 항상 스위칭되고, 상기 제어기는 상기 제 1 브리지 레그(110)와 상기 제 2 브리지 레그(120) 간의 위상 차이(Δ
    Figure pct00021
    )를 0°와 180°사이의 범위 내에서 선택적으로 설정하는, 구동기(1).
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기는 연속적인 전류 버스트들 간의 간격들에서, 상기 램프에 실질적으로 어떠한 전류도 공급하지 않기 위해 상기 위상 차이(Δ
    Figure pct00022
    )를 0°와 동일하게 설정하는, 구동기(1).
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기는 전류 버스트 동안에, 상기 공칭 전류 진폭(IM)을 갖는 상기 교류 램프 전류(I)를 생성하기 위해 상기 위상 차이(Δ
    Figure pct00023
    )를 180°와 동일하게 설정하는, 구동기(1).
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어기는 전류 버스트 동안에, 상기 감소된 전류 진폭(IR)을 갖는 상기 교류 램프 전류(I)를 생성하기 위해 상기 위상 차이(Δ
    Figure pct00024
    )를 0°와 180°사이의 값을 갖도록 설정하는, 구동기(1).
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 브리지 대각선(130)은 램프 출력 단자들(101, 102) 및 유도 수단(131, 132)의 직렬 배열을 포함하고, 용량 수단(133, 134)은 상기 램프 출력 단자들(101, 102)과 병렬로 배열되는, 구동기(1).
  16. 제 10 항에 있어서,
    커플링 변압기(810)를 추가로 포함하고, 상기 브리지 대각선(130)은 바람직하게는 DC 디커플링 캐패시터(820)와 직렬로 상기 커플링 변압기(810)의 1차 권선(811)을 포함하고, 상기 램프 출력 단자들(101, 102)은 상기 커플링 변압기(810)의 2차 권선(812)과 직렬로 배열되는, 구동기(1).
  17. 제 10 항에 있어서,
    내부 공간(12) 및 상기 내부 공간 내에 배열된 2 개의 전극 필라멘트들(13; 14)을 갖는 램프 튜브(11)를 포함하는 형태의 열음극 형광 램프(hot cathode fluorescent lamp)(10)를 구동시키기 위해, 각각의 전극 필라멘트(13; 14)에는 상기 램프 튜브 외부로 연장되는 2 개의 전극 단자들(15, 17; 16, 18)이 제공되고; 상기 구동기는:
    전극 가열 전류를 램프 전극 필라멘트(13; 14)에 제공하기 위한 적어도 하나의 전극-가열 전력원(30; 40)을 추가로 포함하고;
    상기 전극-가열 전력원(30; 40)은 상기 메인 전력원으로부터 입력 전력을 얻기 위해 브리지 출력 노드(A; B)에 결합된 제 1 입력 단자(33)를 갖는, 구동기(1).
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전극-가열 전력원(30; 40)은 변압기의 제 1 입력 단자(33; 43)에 접속된 1차 권선(51; 61) 및 상기 변압기의 가열 출력 단자들(31, 32; 41, 42)에 결합된 2차 권선(52; 62)을 갖는 상기 변압기(50; 60)를 포함하는, 구동기(1).
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전극-가열 전력원(30; 40)은 상기 1차 변압기 권선(51; 61)과 기준 전위 간에 배열된 캐패시터(35; 45)를 추가로 포함하는, 구동기(1).
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 전극-가열 전력원(30; 40)은 상기 2차 변압기 권선(52; 62)과 상기 가열 출력 단자들(31, 32; 41, 42) 간에 결합된 전압 조정기(71; 72)를 추가로 포함하는, 구동기(1).
  21. 가스 방전 램프(10), 및 교류 램프 전류(I)의 이격된 전류 버스트들(51)을 생성할 수 있는 전력원(100)을 포함하는 램프 구동기(1; 2)를 포함하는 웨이크-업 조명 디바이스(Wake-up lighting device)에 있어서,
    어떠한 램프 전류도 생성되지 않는 오프-모드(off-mode)에서 동작할 수 있고, 상기 오프-모드로부터 웨이크-업 모드로 스위칭하고, 상기 웨이크-업 모드에서 상기 전력원(100)은:
    - 최소 듀티 사이클 값(ΔT) 및 0에 근접한 감소된 전류 진폭(IR)을 갖는 교류 램프 전류(I)를 초기에 생성하고;
    - 후속적으로, 상기 전류 진폭이 공칭 전류 진폭(IM)에 도달할 때까지, 상기 듀티 사이클(Δ)을 상기 최소 듀티 사이클 값(ΔT)에서 일정하게 유지하면서, 상기 전류 진폭을 점진적으로 증가시키고;
    - 후속적으로, 상기 전류 진폭을 상기 공칭 전류 진폭(IM)에서 일정하게 유지하면서, 상기 듀티 사이클(Δ)을 점진적으로 증가시키도록 동작하는, 웨이크-업 조명 디바이스.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 가스 방전 램프는 서로에 대해 실질적으로 병렬로 배열된 복수의 튜브 세그먼트들(911, 912, 913, 914)을 포함하고, 상기 튜브 세그먼트들은 축 길이를 갖고, 상기 튜브 세그먼트들의 수는 짝수이고, 각각의 튜브 세그먼트는 내부 공간을 갖고, 상기 튜브 세그먼트들은 하나의 튜브 세그먼트의 내부 공간이 적어도 하나의 다른 튜브 세그먼트의 내부 공간과 항상 통신하도록 횡단 튜브 세그먼트들(transverse tube segments)(931, 932, 933)에 의해 서로에 결합되고;
    상기 디바이스는 상기 튜브 세그먼트들(911, 912, 913, 914) 외부에 배열되고, 상기 튜브 세그먼트들의 축 길이에 대응하는 축 크기를 갖고, 모든 튜브 세그먼트들에 용량적으로 결합되고, 기준 전압 레벨에 결합되는 전기적으로 도전성인 외부 보조 전극(950; 960)을 추가로 포함하는, 웨이크-업 조명 디바이스.
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