KR820002107B1 - 소형 금속증기방전램프의 고주파 동작방법 - Google Patents

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Description

소형 금속증기방전램프의 고주파 동작방법

제1∼4도는 첫번째 것은 안정한 아크로 동작하고 다른 것들은 여러 형태의 음향불안정을 예시한 소형금속할로겐 화합물방전램프의 아크관에 대한 예시도.

제5도는 60Hz에서 재점등 전압피크를 보이는 소형 금속 할로겐 화합물의 방전램프의 전형적인 볼트 암페어 특성에 대한 예시도.

제6도는 밸브 규격에 대하여, 재점등 전압비를 주파수의 함수로서 도시한 그래프.

제7도는 준비기간 동안의 재점등 전압비를 주파수의 함수로서 도시한 그래프.

제8도는 소형구형방전램프의 여러 구경에 대하여 음향공진 대역 및 안정창을 도시하는 도표.

제9도는 한 램프규격에서 수은밀도의 함수로서 공진 스펙트럼을 도시하는 도표.

제10도는 반도체 소자들을 사용하는 고주파 안정회로의 계통도.

본 발명은 1cm³에서 시작하여 수분의 1cm³로 내려가는 매우 작은 방전체적을 가지며, 바람직하기로 할로겐 화합물을 포함하는 고압금속증기방전램프들의 고주파 동작에 관한 것이다. 1977년 10월 26일 출원된 엘머 지·프리드리히씨의 미합중국 특허원 제845,738호의 "소형 고압 방전램프"에는 종전에 실용적이라고 생각했던 것보다 훨씬 더 작은 크기 즉, 1cm³이하의 방전체적을 가진 유용하고 효율적인 고압방전램프가 기술되어 있다.

최대효율을 얻을 수 있는 적합한 형태에서, 이러한 고강도 램프는 일반적으로 약간 편평한 구체로 부터 실질적으로 편장한 형태로 변할 수 있는 얇은 구형벽의 아크실을 이용한다. 금속증기 압력을 5기압 이상으로 올리고 또 크기가 감소함에 따라 점차 더 높은 기압으로 올리므로써 현저하게 높은 효율이 얻어진다.

이러한 소형램프에서는, 보통 이용된 고압과 관련된 환류 아크 불안정을 피할 수 있으며, 폭발가능성으로부터 약간의 위험도 없다.

실용적인 디자인은 약 100왓트에서 시작하여 10왓트 이하로 내려가는 왓트비 또는 램프규격을 제공해주는데 이 램프들은 일반적으로 조명용에 적합한 색상, 효율, 내구성 및 수명을 갖는 특성을 소유하게 된다.

이러한 소형 고압금속증기램프의 바람직하지 못한 특성은 이들이 매우 신속하게 탈이온화된다는 것이다.

60Hz 고류 전류에서 작동할 때, 탈이온화가 거의 1/2싸이클 사이에서 완성되므로 매우 높은 재기전압(restriking voltage)이 안정에 의하여 공급되어지도록 요구된다. 특히 금속할로겐 화합물램프들에서는, 아크점등 후 처음 수초이내의 램프준비 기간동안, 재점등 전압은 극도로 높은 레벨에 도달한다.

소형 금속 할로겐화합물 램프의 저주파수동작과 관련된 이러한 탈이온화 제한의 관점에서 보아, 통상적인 60Hz 안정을 사용하는 것은 많은 단점을 갖게된다.

본 발명의 목적은 낮은 동작 주파수의 급속한 탈 이온화에 의해 부과되는 제한을 극복하고 또 축소형의 실용적이고 효율적인 고주파 안정 램프에 대한 디자인을 가능케하는 소형 금속 할로겐화합물 램프를 위한 개선된 방법 또는 동작시스템을 제공하는 것이다.

일반적으로, 상업상 유용한 금속할로겐 화합물의 램프가 20 내지 50KHz의 범위내의 주파수에서 동작될때, 그것은 해로운 음향 공진을 받게된다.

본 발명은 램프전류가 약 20 내지 50KHz의 주파수 범위내에 있을때 발생하는 비공진 영역을 본원의 소형램프가 갖는다는 점을 발견한 것으로 단정할 수 있다. 이러한 영역에서는 안정한 동작이 가능하다. 이 램프는 공진효과의 세 레벨이 다음과 같이 정의될 수 있는 공진대역을 가진다.

1. 아크가 벽면에 힘을 주고 석영을 통하여 재빨리 용해되는 격변 불안정.

2. 빛 출력이 동요하고 아크가 방황하는 아크불안정.

3. 아크 주변둘레의 발광후광이 안정되지 않은 후광불안정.

제1 및 제2격변 불안정대역 사이에 위치한 가장 유용한 비공진 영역은 또한 6mm의 내부구경 또는 그 이하의 경우에 첫 번째 격변대역 바로 아래가 된다.

또한 이러한 영역내에 있는 비교적 협소한 대역의 아크불안정 및 후광불안정은 피해져야 한다. 따라서 이러한 영역내에서 그리고 바람직하기로는 선택된 디자인창 내에서 동작주파수를 선택하므로써, 안정하고 효율적인 램프수행이 실용적이고 경제적인 고주파 안정에 의해서 이루어질 수 있다. 소형 고압금속증기램프 특히 금속 할로겐 화합물램프의 저주파 동작에 영향을 주는 주요전기 파라미터는 작동과 준비기간동안의 실질적인 재검등 전압의 존재 바로 그것이다. 전압상승은 각각 반주기의 종단에서 전류의 제로점 이후에 발생한다. 통상적인 패턴은 제5도에 도시되는데, 이것은 정현파신호원으로부터 나온 60Hz에서 작동하는 아크관 양단의 전압(실선) 및 아크관을 통한 전류에 대한 오실로스코프의 궤적이다.

NR은 NR=VR/VIP로 정의되는데, 여기서 VR은 피크 재점등전압이고 V_IP는 전류피크의 순간에서 램프의 양단에 걸린 전압이다. 제5도에서 재점등 전압비 NR은 약 3.3이다.

재점등에서의 전압상승은 전류가 거의 제로인 시간동안 플라스마 임피던스 증가의 결과로서 발생한다.

고압방전에서 아크의 임피던스는 전자밀도 및 이온밀도에 의해 지배되고 이들은 아크코어에서의 가스온도에 따라 지수적으로 변화한다. 벽에 대한 전도에 의한 아크의 냉각은 제일 중요하며 냉각비는 아크관의 구경에 반비례하며 변환한다. 이것은 두 밸브(bulb) 규격의 경우 즉, 약 4.2mm의 o.d(외부구경)를 가진 3.2mm 내부구경의 구와 7.0mm i.d(내부구경)의 구의 경우에 재점등 전압비를 주파수의 함수로서 도시한 제6도에서 증명된다. 본 적합한 밸브규격은 약 6mm의 내부구경을 가지며 또 이를 위해서 전압 재점등비 NR은 60Hz에서 약 2.0이다. 이것은 매우 큰 비율이지만 60Hz 안정디자인에서 극복할 수 없는 것은 아니다.

소형 금속할로겐 화합물 램프 6060Hz동작에 있어서 참으로 심각한 문제는 아크관의 준비기간 동안 일어난다. 재점등전압의 현저한 증가는 아크점등 이후 수초만에 발생한다. 이 시간 후 재점등 피크는 아크관 온도가 계속 상승하여 증기 압력이 증가함에 따라 크기가 감소하여, 제6도에 도시된 어떤 주어진 주파수에 대하여 최종값 또는 정상값으로 떨어진다. 준비기간 동안 피크 재등점전압 V_R은 같은 구격 및 형태의 두 아크관 즉, 6mm 내부구경의 구에 대하여 제7도에서 주파수의 함수로서 도시된다. 표시된 바와 같이, 하나는 통상의 금속 할로겐 램프에 사용된 충전물에 해당하는 수은 플러스 나트륨, 스칸듐 및 토륨옥화물의 충전물을 함유하고, 다른 것은 수은 및 수은 옥화물의 충전물을 함유한다.

특히 수은 옥화물의 경우에는 10배선주파수에서 조차 큰 재점등 전압이 표시될 것이다. 이 램프를 위한 재점등전압운 600Hz에서 800볼트를 초과하는 반면 나트륨-스칸듐-토륨을 함유하는 다른 램프에 대하여, 피크 800볼트는 60Hz와 100Hz 사이에서 초래된다.

준비기간 동안의 높은 재점등 전압은 고압 아크내에서 직면하는 가스온도의 증가이전에 기체상 내의 할로겐원자 또는 분자에 부착하므로써 전자 손실비의 급속한 증가에 기인하는 것이라 생각된다. 이 문제는 또한 통상적인 램프에서 발생하고 1971년 M.I.T출판사간 J.F. Waymouth의 Electric Lamp라는 문헌에 발표되었다. 기체상 할로겐은 수은자체의 증기압력에 비교하여 다른 할로겐 화합물보다 훨씬 높은 증기압을 가지는 농축 수은 옥화물로부터 얻어질 것이다. 따라서 전자 소멸율은 가스(또는 증기)에 나타나는 옥소원자 또는 분자의 수에 비례한다. 재점등 전압은 주어진 시간이후에 남겨진 전아의 수에 의존하며 주파수에 반비례한다.

전자의 생성 및 손실 메카니즐은 비교적 옥화물에 무관한 아크 코어온도에만 좌우되므로 부착공정은 이제 정상동작 상태하에서 제일 중요한 것으로 되지 않는다. 수은 옥소 증기로부터 얻어진 자유옥화물을 동작상태 훨씬 아래인 벽온도에서 포화한다. 이러한 관점은 작동하는 아크관상에서 찬공기의 흐름을 끊어지게 하므로써 준비기간에 상응하는 높은 재점등 전압이 무한정 지속되는 것을 관찰하므로써 실험상으로 확인되었다. 이것이 수은의 완전한 기화를 방지하므로 높은 가스온도의 방전상태는 결코 얻어지지 않는다.

저주파에서 동작되는 소형 금속 할로겐 램프의 준비기간 동안의 실질적인 재점등 피크의 존재는 램프내에서 할로겐화합물 반응메카니즘을 통하는 할로겐 원자를 방출시키는 수증기와 같은 오염물질의 불가피한 존재로 인하여 손쉽게 극복되지 않는다. 실제로 재점등 문제를 극복하는 고주파수 안정은 페라이트코아의 결합한 트랜지스터와 같은 반도체 제어장치를 사용해야 한다. 20KHz 이하에서, 소형안정의 실현이 의심스러운 지점까지 증가한다.

페라이트의 규격은 또한, 페라이트 물질에서의 신속변화로부터 유대하는 자기 변형진등이 청각범위내에 있거나 또는 그 임계점상에 있기 때문에 잡음 또는 음향 레벨이 문제가 된다. 이러한 상태가 합쳐질때 그 결과는 실제의 고주파수 안정디자인이 청각범위 이상의 동작으로 제한하는 것이다. 50KHz 이상에서는 고능률작동을 위한 실제의 트랜지스터 스윗칭속도의 제한이 접근되어 안정손실이 과도하게 증가하기 시작한다. 또한 전자기교란 즉 램프 및 관련 회로망으로 부터 생기는 라디오와 텔레비 혼신은 심각한 문제로 대두된다.

나토륨과 수은램프 같은 고강도 램프에서의 유해한 음향공진의 발생은 공지되어 있다.

본 발명에 종래의 범위의 지식은 다음과 같이 요약된다.

l. 음향 진동은 선 또는 전류 주파수의 두 배인 신호원의 전력주파수에서 램프내에 발생한다. 이러한 진동은 가스밀도파로 전파되고 따라서 정의에 의해 20KHz 이상일 경우에는 음향 교란 또는 초음파이다.

2. 보통 상업상 유용한 금속할로겐 화합물 램프는 공진효과 때문에 20KHz와 50KHz 사이에서 동작될 수 없다.

3. 어떤 전류의 포락선 또는 파형에서 10% 고주파수 변조만큼 작은 변조로 음향공진이 충분히 생길 것이다.

은도와 가스종류를 위한 평균 음향의 속도를 사용하는 단순한 이론상의 모델은 램프 피봉내에 함유된 가스의 공진모드를 선정하도록, 상업상 유용한 금속할로겐 화합물 램프상에서의 측정시 관찰된 음향 공진의 주파수발생 또는 주파수 폭을 예견하는데 사용될 수 없다. 그러나 9mm 외부 구경과 10mm의 실제길이를 갖는 구형아크관의 조사연구 동안, 800왓트의 입력과 약 100Hz의 비공진영역의 대역폭으로 20KHz에서 안정작동이 발생되는 것을 알수 있었다.

램프의 규격이 더 작아지고 피봉이 더 구형이 될수록 비공진대역의 주파수가 상승되고 또 그것이 넓어진다는 판단을 내리게 되었다. 이것은 소형금속할로겐화합물 램프의 모든 규격을 위해 20KHz 내지 50KHz사이의 비공진 안정영역을 찾아낼 가능성 그것은 방전실 체적의 1cm³이하인 램프이다. 그 이후로 램프는 더욱 작고 더욱 구형으로 만들어져 왔다. 이후에 설명될 바와 같은 블로킹 발진기 안정을 사용하여, 약 5mm의 내부구경을 가지는 6mm 외부구경의 구형램프를 위한 안정한 동작을 발견했다. 이 램프를 위한 비공진영역은 약 33KHz가 중심이 되고 약 10KHz의 폭을 가진다.

어떤 모델이 소형금속할로겐 화합물램프에서 음향공진의 발생 및 주파수폭을 예견하는데 가져야할 필요가 있는 필수적인 특징 몇 가지를 나열하는 것이 가능하다. 아크실의 구조형이 아크인 구동력 및 벽에서의 경계조건의 양관점으로 부터 고려되어야 한다. 평면차를 위하여, 속도는 램프내에서 직면하는 온도 규배(gradient) 때문에 2보다 더 큰 인수에 의해 변화할 수 있다. 그러므로 이들은 가스혼합에 따른 비선형성의 가능성과 더불어 고려되어야 한다. 경계면에서의 밀도변화에 따른 반사파의 진폭이 가스증기매체 및 경계물질을 통한 음향 임피던스의 비값에 좌우되므로 절대가스밀도는 하나의 인수가 된다. 끝으로, 아크의 교란 및 환류의 효과뿐 만 아니라 "강성" 효과가 허용되어야 한다. 만족할만 한 이론상 모델의 복잡성 때문에 실험으로 이 문제를 해결하였다.

구형의 밸브상에 집중된 소형 금속할로겐 화합물램프의 음향 공진스펙트럼을 밸브구경, 수은밀도 및 전극간격의 함수로서 조사하였는데, 이 구형밸브는 제1 내지 4도에 도시된 구형 또는 구형에 가까운 밸브이다. 단방향 전류로 시작하여 20 내지 50KHz 범위를 강조하여 250KHz로 올라간 주파수 범위에 걸쳐 측정이 이루어졌다. 교류측정은 정현신호원과 램프를 통한 전류를 제한하는 직렬 인덕턴스를 사용하여 이루어졌다.

제1도를 참조하면, 아크관은 소형금속할로겐화합물 램프의 내부방전 피봉의 전형적인 것이다.

이것은 유연하도록 가열되는 동안 석영관의 폭발 및 전복에 석영 또는 녹기 쉬운 규산으로 적당하게 제조된다. 목부 2,3은 표면장력을 통하여 석영관을 목아래로 허영하므로써 형성될 수도 있다. 도시된 예에서 벽두께는 0.5mm이므로 내부구경은 약 6mm이며 피봉질량은 대략 0.11cc이다. 핀과 같은 텅스텐 전극 4,5는 이 예에서는 3mm의 아크캡 중간전극으로 정의되는 말단의 종단부로서 피봉의 축상에 위치된다.

핀들은 버트 이음새에서 박막의 몰리브덴 인입리드 6,7에, 바람직하기로는 레이저용접에 의해 접합된다.

전극 핀-인입 리이드 조립체 및 그 제조 방법은 이 출원과 동일한 양수인에게 양수된 Electrode-Inlead for Miniature Discharge Lamps라는 명칭의 Richard L. Hahs1er씨의 현재 계류중인 미합중국 특허원 824,557호(1977년 8월15일에 출원)에 더욱 자세히 기재되어 있다. 텅스텐 전극의 근종단과 몰리브덴에 대한 레이저용접은 용해된 규산에 포함되어 있고 이것은 몰리브덴 인입 리이드의 얇은 종이부분에도 불구하고 적당한 경도를 제공해준다. 전극의 봉합공정에서, 박으로된 부분은 목 2,3의 용해된 규산에 의해 젖으며 이는 용접밀폐를 보장해 준다.

예로서, 약 30왓트의 동급을 가지는 이 규격의 램프를 위한 적절한 충전은 85중량% NaI, 5중량% ScI₃및 10중량% Ih1₄로 구성된 2.2mg의 할로겐화 소금, 4.3mg의 Hg 100 내지 120토르(torr)의 압력에 있는 아르곤을 포함한다. 이러한 수은의 양은 동작상태 하에서 전적으로 기체화될 때 약 23기압의 압력에 해당하는 39.4mg/cm³의 밀도를 제공해 줄 것이다.

제8도는 제1도에 도시된 것과 유사한 네 램프들의 공진스펙트럼에 대한 막대도표이다.

전극가스는 충전물이 각 램프내에서 동일한 수은밀도를 이룰 수 있도록 피봉 질량으로 조정되어지는 동안 3mm로 일정하게 유지된다. 공진동작의 세 레벨은 다음과 같이 정의 될 수 있다.

1. 격변 불안정 : 제1도에서 10으로 표시된 전극단 사이에서 보통 똑바로 연장된 아크는 제2도에서 21로 표시된 벽에 힘이 가해진다. 그것은 수초이상 동안 이러한 식으로 계속되게하면 석영을 통하여 용해될 것이다. 아크전압강하는 아크경로를 길게 함에 따라 증가하여 2배이상이 될 것이다. 이 상태는 그것이 존재하는 주파수범위 전체에 걸쳐 연장하는 완전한 높이의 막대로 제8,9도에 표시된다.

2. 아크 불안정 : 아크는 제3도내의 31로 표시된 바와같이 때때로 꾸불꾸불한 형태로 빗나가서 전후이동을 할 것이다. 즉, 전압강하는 동요하고 빛 출력도 또한 상당히 동요한다. 이 상태는 I/2 높이의 막대로 표시된다.

3. 후광 불안정 : 후광은 아크를 둘러싼 발광 글로우이며, 정상적으로 대략 제1도에서 11로 도시된 전극 상부에 집중된다. 나트륨 함유 램프에서 그것은 나트륨여기로 인한 불구스룸한 색광이다. 후광 불안정에서 전극을 사이에 똑바로 연장된 강렬한 아크는 안정을 유지하기는 하지만 후광이 이러저리 이동한다.

빛 동요는 미소량이고 눈에 띌만한 전압효과가 생기지 않는다. 그것은 불안정의 최소한의 좋지 못한 형태이며 도표에서 I/4 높이의 막대로 표시된다. 밸브 중심부에 중간대역(43)으로 발생하는 후광 불안정의 독특한 형태가 제4도에 도시되어 있다. 그것은 아마도 상부와 하부의 곡선형 화살표(4l)(42)로 표시된 이중의 환류패턴에 기인한 것이다. 이 패턴은 그것에 걸쳐 문자를 가진 1/4 높이의 막대로 표시된다.

제8도 및 9도의 공진 스펙트럼 도표에서, 중앙아크 및 후광은 도시된 불안정사이의 표시되지 않은 주파수영역에서는 안정하다. 이러한 표시되지 않은 영역은 비공진동작 대역를 포함하고 여기서 램프는 그들의 유용한 수명을 넘어 안정하게 작동할 것이다. 제8도에 도시된 스펙트럼의 가장 중요한 특징은 밸브규격에 따른 패턴의 반복이다. 따라서, 예를들면 처음으로 발생하는 격변불안정대역은 밸브규격이 증가됨에 따라 압축되어 저수파수로 전위된다. 동일한 반복패턴은 주파수내에서 다음으로 더 높고 B로 표시되는 역변불안정대역으로 관찰되며 그리고 마찬가지로 C로 표시되는 그 다음의 것으로 관찰된다. 아크 불안정 및 후광불안정대역을 포함하는 전체 스펙트럼은 모든 밸브규격에 따라 유사한 방식으로 압축되고 전위된다. 데이타는 필수적으로 정현파전력원을 사용하여 얻어진다. 만일 비정현파가 사용된다면, 비공진 영역을 좁히거나 교란시키는 여분의 불안정이 나타날 수도 있다.

제8도에 요약된 데이타 및 다른 관계된 측정에 입각하여, 소형 고압 금속증기램프 즉, 1cm³이하인 방전체적을 가지는 램프를 위한 가장 유용한 고주파 동작영역은 제1 및 제2 격변불안정 대역 사이에 위치하는 비공진 영역이라는 결론을 내렸다. 따라서 7mm 내부구경 램프의 경우에는, A 대역이상과 B 대역이하 즉, 약 20내지 40KHZ의 범위에서 동작하도록 선택된다. 그러나 약 29로 부터 31KHZ로 연장되는 아크불안정 대역은 피해야만 한다. 또한 21KHZ 및 28KHZ 내지 29KHZ의 좁은 후광불안정 대역 및 39 내지 41KHZ의 넓은 후광불안정 대역을 피하는 것이 바람직하다. 제조상의 오차에 주의하기 위하여, 동작주파수는 불안정영역으로 부터 가능한 한 멀리 선택되어져야 한다. 따라서 7mm내부구경의 구형램프를 위한 최적주파수는 약 24KHZ와 35KHZ임을 알 수 있다. 20 내지 50KHZ 범위내에서 작동하도록 안정회로를 설계하는 경우에는, 일반적으로 이 범위의 하부종단이 전자기 교란을 감소시키고 트랜지스터 스위칭 속도를 더 늦추는데 적합하다. 그러므로 24KHZ가 디자인 주파수로 선택될 것이며, 이는 불안정대역으르 들어갈 위험이 없이, 주파수에서 ±5%의 제조상의 오차 즉, 약 23 내지 25KHZ 간의 오차를 허용할 것이다.

적합한 디자인의 중심정 및 중앙범위는 제8도에서 굵은선(81)로 표시된다.

6mm 내부구경의 구형램프와 유사한 방식으로, 적합한 디자인의 중앙점은 26.5KHZ이고, ±5% 주파수 오차범위는 (82)로 표시되며, 5mm 내부구경의 경우에, 중앙점은 31KHZ이고 이 범위는 (83)으로 표시된다. 4mm 내부구경의 경우에는, 디자인 중앙점이 45KHZ이고 이 범위는 (84)로 표시된다. 만일 이 범위의 상부종단을 선택한 경우, 적합한 디자인 중앙점은 7mm 내부구경 램프의 경우에 34KHZ이고 ±5% 주파수 오차범위는 (85)로 표시되며 ; 6mm 내부구경 램프의 경우에는 40KHZ이고 범위는 (86)으로 표시되며; 4mm 내부구경 램프의 경우에는 65KHZ이고 범위는 (88)로 표시된다.

여러규격을 위한 디자인 범위의 종단을 합친하위 대역을 위한 파선(89)와 상위대역을 위한 파선(90)은 중간구경의 구형램프를 위한 적합한 ±5% 주파수 오차디자인창(window)(빗금으로 도시된)를 망라한다.

6mm내부구경이하의 램프 경우에는, 제1 격변불안정 대역 이하인 동작주파수가 선택될 것이다. 따라서 내부구경 4mm 램프의 경우에, 약 25.5KHZ의 디자인 중앙점을 사용한 동작주파수가 선택될 것이며, ±5% 주파수 오차범위는 (91)로 표시된다. 5mm 램프의 경우에 제1 격벽불안정대역 이하의 디자인 중앙점은 약 17KHZ이고 ±5% 범위는 (92)로 표시된다. 파선(93)은 4와 5mm의 중간구경을 가지는 구형램프를 위한 적합한 ±5% 주파수 디자인창을 망라한다.

비공진영역의 압축과 협소화, 즉 대역 A와 B사이의 주파수폭 감소는 비봉구경이 증가됨에 따라 발생한다. 이 사실은 비공진 영역이 본 발명에 앞서 20내지 50KHZ 영역에서 왜 관찰되지 않았는지를 암시한다. 그 이유는 상업적으로 유용한 금속할로겐 화합물의 아크관 구경 램프(의 일반적으로 14mm 내부구경보다 작지 않은)이 20내지 50KHZ의 전영역에 걸쳐 격변영역이 이들을 신장 및 연장하여 여기에서 동작한 아무런 안정영역 또는 창도 남겨두지 않을만큼 충분히 크기 때문이다.

수은 증기밀도에 따른 패턴의 변화는 제9도에서 알 수 있다. 3mm 전극갭을 가지는 6mm 내부구경의 다섯 구형램프는 기화될때 약 10, 20, 39, 79 및 118mg/cc의 수은밀도를 제공하는 충전물로 주어진다. 램프는 일정한 벽부하에서 동작한다. 스펙트럼의 주특징은 수은밀도변화에도 불구하고 변하지 않는다. 격벽불안정대역의 위치는 증기압이 증가됨에 따라 하위 주파수로 약간 전위된다.

따라서 A대역의 상연부는 25KHZ로 부터 23KHZ로 떨어지며, 반면에 B대역의 하연부는 10mg/cc에서 118mg/cc로 갈때 50KHZ로 부터 43KHZ로 떨어진다. 아마도 음향 교란에 대한 결합 증가되고 또 더 높은 증기밀도에 환류 및 대류가 더 커지는 것에 기인하여, 모든 세 종류의 더 좁은 교란이 스펙트럼으로 들어간다. 좁은 교란이 더 낮은 증기밀도에서 그러나 아크를 방해하지 않을만큼 낮은 진폭레벨에서 나타나는 것으로 보인다.

밀도가 증가됨에 따라, 교란은 커진다. 따라서 소형램프가 높은 밀도에서 동작될지라도, 20내지 50KHZ스펙트럼에서의 비공진영역이 밀도가 증가됨에 따라 효과적으로 좁아지므로 만족스러운 실행을 위한 실용적인 상부밀도 레벨에 이르게 된다. 본 데이타는 협소한 교란의 초과를 피하기 위하여 어떤 규격의 소형금속할로겐 화합물 램프를 위한 수은밀도 레벨은 100mg/cm³을 초과하지 않아야 하며, 6mm 내부구경의 밸브의 경우에는, 80mg/cm³을 초과하지 않아야 한다. 7mm 내부구경 램프의 경우에는, 20내지 50KHZ범위의 넓은 안정동작대역 또는 창을 얻는 관점에서 보아 적합한 수은증기 동작밀도는 약 30내지 40mg/cm³이다.

본인이 발명한 비공진대역의 존재로 말미암아 소형 금속증기램프는 바람직한 20내지 50KHZ의 주파수범위에서 밀집하고, 경제적이고 효율적인 고주파 안정회로와 함께 동작될 수 있다. 이러한 회로는 일반적으로 램프에 결합된 전류 제한 장치를 갖는 전력발진기를 포함한다. 전형적인 회로는 반도체 제어장치 및 페라이트코어를 사용하며, 이 회로는 실용화 관점에서 즉 전기콘센트와 소켓에 램프를 직접 부착하기 위하여 충분히 밀집하여 만들어지거나, 소위 스크루-인 유니트(screucin unit)를 형성하도록 램프에 완전체로 접합될 수도 있다.

제10도의 참조를 보면, 밀집된 고주파수 안정회로의 예는 블로킹 발진기의 형태로 예시되어 있다. 120V, 60Hz 선단 t₁,t₂양단에 접속된 전파 브릿지 정류기는 인버터를 구동시키도록 정류된 직류전력을 공급해준다. 브릿지의 출력단의 양단에 접속된 필터 캐퍼시터 C₂는 고주파수 출력의 선주파수 변조에 기인하는 재정등의 문제점을 피하기 위한 충분히 순탄화 작용을 제공해준다. 페라이트 코어 변압기 T는 제1차 권선 p와, 양단에 소형램프 Lp가 접속된 제2차 고전압권선(S₁)을 가지며, 그리고 궤환선센스는 관례적으로 권선의 적절한 종단에 있는 공동점(hollow point)으로 표시된다. 제1차 권선 p, 트랜지스터(Q₁)의 콜렉터-에미터 경로 및 궤환권선(S₂)는 모두 직렬로 연결되어 주요 일차전류경로를 형성한다. 이밖에 경로(R₃)는 전류제한저항이고 다이오드(P₂)는 트랜지스터(Q₁)을 위한 역전류방지를 제공해준다. 저항(R₁, R₂) 다이오드(D₁) 및 축전기(C₃)는 이 트랜지스터를 위한 베이스구동을 제공해 준다.

블로킹 발진기의 동작은 다음과 같이 요약될 수 있다. 콜렉터 전류가 스윗칭 트랜지스터 Q구동의 이득보다 작을때에는 언제든지, 트랜지스터는 포화되며, 즉, 완전히 On되고 스위치처럼 작용한다. 콜렉터 전류는 변압기 권선 P와 S₂의 인덕턴스에 의하여 제한된다. 콜렉터 전류가 상승하여 베이스 구동전류의 이득배에 일치한 값으로 접근함에 따라 트랜지스터는 포화로 부터 벗어나기 시작한다. 차례로 베이스구동을 감소시키고 재발생작용을 통해 트랜지스터 Q을 off 시키는 S₂양단의 전압을 감소시키게 된다. 권선 P에서 자장붕괴이후에 일어난다. 이것은 처음 상태로 되돌아가므로, 싸이클 반복되며 따라서 그것에 의하여 2차권선 S₁의 양단에 접속된 램프를 위해 고주파구동이 제공될 것이다. 변압기 T의 누설리액턴스는 램프를 통하는 방전 전류를 제한하게 된다.

상술한 것은 가청주파수범위 이상과 과잉 전자기 교란의 주파수범위 이하에서 동작하도록 쉽게 디자인될수 있는 밀집한 고주파수 안정회로의 한 실시예에 지나지 않는다. 공지된 회로로부터 많은 다른 형태가 존재하거나 디자인될 수 있다.

Claims (1)

1. 봉해진 한쌍의 전극(4,5) 및 이 전극의 양단에 접속된 AC원을 포함하는 램프를 작동시키기 위한 수단을 갖는 방전체적을 정의하는 방법에 있어서, AC원의 주파수가 가청영역을 넘어서지만 과잉전자기교란의 영역의 아래가 되도록 20kHz 이상 50kHz 이하의 자유공진영역내에 있는 것을 특징으로 하는 소형금속 증기방전 램프의 고주파 동작방법.

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