KR900003466Y1 - 방전등 점등 장치의 고역률 특성 정류회로 - Google Patents

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Description

방전등 점등 장치의 고역률 특성 정류회로

제1a, b도는 종래의 저역률 정류회로도 및 전류 전압 파형도.

제2도는 고역률 특성의 백업(Back up)형 정류회로도.

제3도는 형광등 부하의 전압-광효율 관계 특성 곡선도.

제4a도 내지 c도는 AC회로의 전력 특성도.

제5도는 본 고안의 회로 구성도.

제6a도 내지 g도는 본 고안 복합 구성체의 전류 전압 특성 곡선도.

본 고안은 형광등과 같은 방전등의 점등장치에 있어서, 트랜지스터와 같은 스위칭 소자를 사용한 고주파인버터의 정류 회로에 관한 것이다.

종래의 전자식 방전등용 안정기는 재래식 코어 코일(Core-Coil)방식의 안정기에 비하여 자체 전력 손실이 적으므로 효율이 높고, 순간점등, 저 중량, 무 소음등의 여러가지 장점을 지니고 있다.

그러나 일반적으로 정류회로단에 평활용 전해 콘덴서를 사용함으로써 입력 역률(Power factor)이 낮아 송전 선로의 손실에 의한 설비 이용률을 크게 저하시키므로 전자식 안정기의 가장 커다란 장점인 절전 효과를 극대화시키지 못하고 있다.

또한 입력 전류의 파형에 고주파 성분이 함유됨으로써 외부에서의 역률 개선이 어려우며 초기 점등시의 돌입전류(Inrush current)가 아주 커서 기계식 스위치의 수명을 단축시키는 단점을 지니고 있으며, 또한 고주파인버터를 채택한 전자식 안정기의 장점의 하나로써, 형광등을 수십 KHZ의 고주파 전류로써 점등할 경우 그 광속 효율(Luminous efficacy)은 일반 상용 AC전원 주파수(50/60HZ)로 점등할 경우에 비해 15-20% 정도 더 높아진다는 사실이 캠벨(J. H. Campbell)에 의해 보고되었으나, 이 경우의 효율 상승은 고주파 인버터를 직류 전원으로써 구동시켰을 때이며 역률과는 전혀 관계가 없는 경우이다.

그러나 상용 AC전원을 사용하여 고주파 점등을 행할경우, 고역률의 정류 특성을 얻기 위하여는 정류회로의 후단에 통상 접속시키는 평활용 전해 콘덴서를 생략하고 맥류로써 인버터를 구동하여 점등을 행하나 이 경우에는 광속 효율과 전류 파형과의 관계는 시평균 광속을라고 하면,

여기서 T는 시주기, b는 암각의 시구간, I(t)는 램프전류, 그리고 q와 A는 방전등 부하의 특성에 따른 상수임.

I(t) = F(t)·sin(wt+ø) ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ (2)

F(t)는 고주파 엔벨로프 곡선(High frequency envelope curve)과 같이 나타낼 수 있으므로, 램프 부하의 고주파 전류에 암각(Dark angle)b가 발생하여 램프의 발광 효율이 극히 저하되어 직류 전원의 경우에 비하여 약 1/-12, 1b: 2 정도 밖에 기대할 수 없다는 결점이 있음을 다까하시(M. Takahashi)에 의해 연구보고 되었다.

이에 본 고안에서는 고주파 인버터에 공급되는 전원의 파고율을 상당히 개선함으로써 방전등 부하에 흐르는 전류의 암각에 의해 야기될 수 있는 발광 효율의 저하를 극소화하고 동시에 고역률(High power factor)특성을 실현할 수 있는 새로운 정류 방식을 고안한 것으로, 본 고안을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 전원에 대하여 상당히 평활된 저 리플(Loq Ripple)성분의 직류 출력을 얻기 위해 대용량의 평활용 콘덴서를 채용한 공지의 양파 정류 회로이다.

이 방식은 제1b도에 나타낸 바와 같이 입력전압이 정현파 일때 직류 출력 전압은 리플 성분을 포함하게되면, 이때 입력 전류의 파형은 정현파가 아닌 펄스 형태로 흐르게 되어 입력 전압과 동위상인 기본파 이외의 많은 고주파 성분(Harmonic component)을 포함하게 되고 따라서 입력 역률이 60%대까지 저하되므로 고역률 특성을 요구하는 방전등용 안정기의 정류회로로써는 부적합한 회로이다.

만약 역률을 높이기 위해 제1a도의 평활용 콘덴서(C)를 제거하게 되면 램프를 흐르는 고주파 전류는 영 전류 부위(Zero current region)을 가지게 되고 광출력에 있어 암주기(Dark region)를 만들어 그 결과로써 광효율(Luminous efficacy)이 거의 19% 정도 저하하게 된다.

제2도에 고역률을 실현하기 위해 구성한 백업(Back up)형 정류 방식의 기본 회로 구성을 나타내었다.

이 방식에 있어서 V_dc는 가변이며 이의 레벨을 아주 높일 경우에는 인버터 자체의 손실이 커지게 되어 비효율적이 되며 반대로 이를 아주 낮추게 되면 역률이 높아지고 인버터 자체의 손실이 작아지게 되나 전술한 바와 같이 암각이 발생하게 되어 광효율이 나빠지게 되는 문제점을 가지고 있다.

V_dc와 광효율의 관계를 제3도에 나타내었다.

여기에서 완전한 맥류 모드로써 인버터를 구동할 때 즉, V_dc=0 일때의 광효율은 약 3050 1m, 그리고V_dc=V_ac1 즉, 직류 성분으로만 인버터를 구동할 때의 광효율은 약 3750 1m이 되는 것을 알 수 있고 따라서 광효율을 가능한 한 극대화시키기 위하여는 가급적 높은 V_dc의값을 실현할 수 있는 특성을 지닌 정류회로가 요구되는 것을 알 수 있다.

그런데 고주파 인버터 부하의 파고율(Crest factor)을 cf라고 하면 파고율 cf는,

여기서 V_p-p는 부하 전압의 피크-피크 값의 최대치이며, V_rms는 부하 전압의 실효치임.

과 같이 정의 될 수 있으므로 일반 상용의 전원을 사용할 경우 입력 전압의 피크-피크 최대치를 나타내는 V_p-p는 상수로써 취급할 수 있고, 따라서 V_dc의 값이 커지게 되면 V_rms의 값도 커지게되어 결과적으로 파고율 cf의 값을 가급적 낮추는 것이 방전등 부하의 효율을 높이는 것과 직결되는 것을 알 수 있다.

본 고안은 상기에 설명한 바와 같은 고역률 및 저 파고율 특성을 동시에 실현할 수 있는 새로운 정류 회로에 관한 것으로 그 기본 동작원리를 설명하기 위해 역률과 입력 전압, 전류와의 관계를 살펴보면 다음과 같다.

제4도에 복합 임피던스(Complex impedance)에 AC전류가 흐를때의 전류, 전압 및 전력의 관계를 나타내었다.

이 관계를 위상으로써 나타내면,

V = ZⅡ = (z/θ)Ⅱ ………………………………………(4)

이를 실효치로 표현하면

V = ZI ………………………………………………………(5)

와 같이 쓸 수 있다.

순간 전력 (Instant power)는,

와 같이 쓸 수 있고 상기 제6식을 1주기에 대하여 적분하면,

P = VI cosθ ………………………………………………(7)

의 관계를 얻게되고, 평균 전력 P는 전류, 전압의 실효치의 곱에 모든 경우에 있어 1보다 작은 값을 갖는 cosθ를 곱한 값으로서 나타낼 수 있게되며 이 cosθ의 값을 역률이라 한다.

역률의 값을 pf라고 하면 pf는 다음과 같이 정의된다.

이를 확률론적 측면에서 해석하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

E²[VI]-E[V²]E[i²]≤0 이므로 pf의 값의 범위는 0 ≤ pf ≤ 1 가 성립하게 되며,

i(t) = k·v(t)………………………………………………… (10)

즉 입력 전류의 파형이 전압의 그것과 완전히 일치할때 pf 즉 역률의 값이 1이 되는 것을 알 수 있고, 따라서 고역률의 특성을 실현하기 위하여는 전류와 전압의 위상차를 가급적 줄여야 하고 정류 회로를 사용한 기기의 경우에 있어서는 가급적 전류가 흐르는 구간을 넓혀 제8식의 분자의 P_ave값을 극대화 시켜야 하는 것을 알 수 있다.

본 고안의 기본 회로 구성을 제5도에 나타내었다.

본 고안은 브릿지 다이오드(BD₁),콘덴서(C₁,C₂,C₃), 정류용 다이오드((D₁,D₂,D₃,D₄,D₅)로써 구성되어 있으며 그의 기본 동작은 다음과 같다.

교류 정현파의 입력 전압은 양파 정류용 브릿지 다이오드(BD₁)에 의해 양파 정류되어 콘덴서와 다이오드의 복합 구성체에 인가되게 된다.

복합 구성체의 콘덴서(C₁), (C₂) 그리고 (C₃)는 전해 콘덴서로써 제6도의 (a)는 입력전압 파형, (b)는 입력전류 파형 그리고 (c)는 출력 전압과 d점의 전압 파형을 나타내었다.

다이오드와 콘덴서로 이루어진 복합 구성체의 기본 동작에 대하여, 양파 정류된 전압의 1주기를 t₁-t₆의 6구간으로 나누어 설명하면 다음과 같다.

복합 구성체의 충전은 C₁→D₁→C₂→D₂→C₃의 경로로써 t₂-t₃구간에서 이루어지게 되며, 충전시의 전체콘덴서 용량값을 C라고 하면

과 같이 나타낼 수 있다.

이렇게 t₂-t₃구간에 콘덴서(C₁,C₂,C₃)에 충전된 에너지는 t₄,-t'₁구간에 엔버터와 같은 부하로 전달되게 되는데 이를 구간별로 나누어 설명하면 다음과 같다.

각 콘덴서(C₁,C₂,C₃)에 충전되는 전압을 각기 V_c1, V_c2, V_c3라고 하면, 입력전압 Vi의 값이 콘덴서 (C₁)과 (C₃)에 충전된 전압의 합과 같아지는 시점 즉,

에서 부터 콘덴서(C₁)과 (C₃)에 충전되어 있던 에너지는 다이오드 D₃를 통하여 인버터 부하로 방전하게 되며 이 방전 동작은 콘덴서(C₁)과 (C₃)의 전압의 합이 차츰 낮아져 콘덴서(C₂)의 전압과 같아지는 시점 t₅까지 지속되게 된다.

그런데 콘덴서 (C₁)과 (C₃)의 전압의 합이 콘덴서(C₂)의 전압과 같아지면,

즉,

의 조건을 만족시키는 시점 t₅에서 부터는 콘덴서(C₁)과 (C₃)에 충전된 에너지는 다이오드(D₃)를 통하여 콘덴서(C₂)에 충전된 에너지는 다이오드(D₄)와 (D₅)를 통하여 병렬로써 부하로 전달되게 되며 다시 다음 주기의 입력전압 Vi이 상승하여

의 조건을 만족시키는 시점 t₁'까지 상기 병렬 회로 구성의 방전을 지속하게 된다.

그러나 제(14)식의 조건을 만족시키는 시점 t₁'이후 부터는 입력전압 Vi의 전위가 상승하여

를 만족하게 되므로 콘덴서(C₁,C₂,C₃)에 충전된 에너지를 부하로 방전시키는 다이오드(D₃,D₄,D₅)에는 역바이어스가 걸리게 되어 오프되게 되고, 입력전압 Vi의 전위가 Vi=V_c1+ V_c2+ V_c2｜t=t₂'까지 본 콘덴서 및 다이오드의 복합 구성체는 일체의 충, 방전 동작을 중지하고 모든 전력은 전원으로 부터 부하에 직접 전달되게 된다.

제6d, e도는 다이오드(D₁-D₅)의 전류 타이밍 다이어그램을 나타낸다.

다이오드(D₁)과 (D₂)에 전류가 흐르는 t₂-t₃구간에 다이오드(D₁)과 (D₂)를 통하여 콘덴서(C₁,C₂,C₃)에 충전이 이루어지며, 다이오드(D₃)에만 전류가 흐르는 t₄-t₅구간에는 콘덴서(C₁)와 (C₃)에 충전된 전압의 합이 다이오드(D₃)를 통하여 인버터 부하에로 방전하게 되고 다이오드(D₃,D₄,D₅)에 전류가 흐르는 t₅-t₁, 구간에는 콘덴서(C₁)와 (C₃)의 전압의 합과 콘덴서 (C₂)의 전압이 병렬 구성으로 인버터 부하에로 방전하게 된다.

따라서 평활용 콘덴서를 채용한 일반적인 정류회로의 경우에 전류가 흐르는 구간이 1주기의 25%정도에 지나지 않는데 비하여 본 고안의 정류회로의 경우 동일 부하 조건에서 약 70%에 이르게 되어 실제에 있어서 입력 역률의 값이 90%를 넘는 고역률 특성을 실현할 수 있게된다.

표 1에 일반 저역률 정류 회로를 사용할 때의 역률 특성, 그리고 표 2에 본 고안의 정류 회로를 사용하여 고주파 인버터를 구동 할 경우의 역률 특성의 예를 나타낸다.

[표 1]

저역률 정류회로의 특성

[표 2]

고역률 정류회로의 특성

저역률 정류회로의 경우에 있어서는 역률은 대략 60-75%, 그리고 파고율은 1. 1-1.4 사이를 나타내고 있으며 본 고안의 고역률 정류회로의 경우에는 역률은 대략 93-98%, 그리고 파고율은 1.4-1.5 사이를 나타낸다.

따라서 본 고안의 고역률 정류회로는 대한민국 전기용품 기술 기준(별표 8)의 106항 (4)-(나)에서 요구하고 있는 85% 이상의 역률과 106항 (10)-(나)에서 요구하고 있는 1.7이하의 파고율 특성을 동시에 달성할 수가 있다.

이상에서와 같이 본 고안은 교류 전원을 정류하여 직류로써 전원을 공급하는 방전등 점등장치에 있어서 그 역률은 개선함과 동시에 특히 형광등과 같은 방전등을 점등하기 위한 고주파 인버터의 파고율 특성을 개선하여 암각의 발생으로 인해 야기되는 램프 부하의 광속 효율을 높여 전자식 안정기의 효율을 극대화 시킬 수 있는 실용적인 고안인 것이다.

Claims (1)

1. 교류 전원을 정류하여 직류로 사용하는 방전등 점등 장치에 있어서, 교류 전압을 정류하여 맥류 전압을 얻고 이 맥류 전압의 양단점(a,f)에 제1콘덴서 (C₁), 제2다이오드(D₁), 제3콘덴서(C₂), 제4다이오드(D₂) 및 제5콘덴서(C₃)를 직렬로 연결하여 이 경로로 충전을 실행하고, 제5콘덴서(C₃)의 양극점과 제1콘덴서(C₁)의 음극점에 제6다이오드(D₃)를 직렬 연결하여 이 두 콘덴서 (C₁,C₃)의 전압의 합이 제3콘덴서 (C₂)의 전압과 같아질 때까지 제5콘덴서(C₃), 제6다이오드(D₃) 그리고 제1콘덴서 (C₁)의 경로로써 방전 작업의 전반부를 실행하며, 이후 다음 주기의 입력 전압이 인가되어 이 입력 전압의 전위가 제3콘덴서 (C₂)의 전압과 같아질때까지 제1콘덴서(C₁), 제6다이오드(D₃) 그리고 제5콘덴서(C₃)의 직렬 연결 구성과 제7다이오드(D₄), 제3콘덴서(C₂) 그리고 제8다이오드(D₅)의 직렬 구성이 병렬 연결되어 방전 작업의 후반부를 실행하도록 구성된 방전등 점등 장치의 고역률 특성 정류 회로.