KR100419180B1 - 온열점등 예열형 전자식 안정기 - Google Patents

온열점등 예열형 전자식 안정기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온열점등 예열형 전자식 안정기에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 전압안정화부, 정류부, 구동부, 인버터부, 및 공진부를 포함하여 상용전원 주파수를 고주파로 변환시킨 후 이를 이용하여 형광램프를 점등시키는 전자식 안정기에 있어서, 인덕터, 콘덴서, 및 필라멘트로 구성된 L,R,C 공진회로를 통해 변환된 정현파 형태의 예열 주파수로 일정한 시간동안 형광램프를 예열시킨 후, 예열 구간의 예열 주파수가 점등 구간의 점등 주파수로 변화하는 동안에 형광램프를 점등시켜서 점등시 요구되는 전압과 전류를 낮추도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 점등 구간에서 최소의 전류만을 소비하여 에너지 소비효율을 향상시키며 램프 점등시 무리를 주지 않아 램프 수명을 연장시킬 수 있는 전자식 안정기를 구현할 수 있다.

Description

온열점등 예열형 전자식 안정기{BALLAST STABILIZER CAPABLE OF HEAT IGNITION IN THE CONDITIONS OF PREHEATING}
본 발명은 전자식 안정기에 관한 것으로서, 특히 형광램프의 수명을 연장시키고 에너지 소비효율을 향상시킬 수 있는 온열점등 예열형 전자식 안정기에 관한 것이다.
일반적으로, 전자식 안정기는 상용 전원 주파수(60Hz)를 고주파로 변환시킨 후 이를 이용하여 형광램프를 점등시킨다. 이 때, 다양한 주파수로 발진하는 오실레이터를 사용하여 예열, 전광, 및 조광 과정을 구현하는데, 예열 과정은 형광램프 방전시의 흑화현상을 방지하기 위함이고 조광 과정은 형광램프의 밝기를 조절하여 전력을 효율적으로 사용하기 위함이다.
도 1 은 종래의 일반적인 전자식 안정기의 회로도이다. 도 1 을 참조하면, 종래의 전자식 안정기는 전원안정화부(100), 정류부(110), 구동부(120),인버터부(130), 및 공진부(140)로 구분할 수 있다.
전원안정화부(100)는 트랜스포머(LF), 콘덴서(YC1,YC2,XC3) 등의 필터회로로 이루어져 있으며, 입력되는 220V, 60Hz의 교류전원을 필터링하여 안정화시킨다.
정류부(110)는 브리지 다이오드(V1-V4), 저항(ST1), 및 콘덴서(MC1,MC2) 등으로 이루어져 있으며, 전원안정화부(100)로부터 입력되는 상용교류전압을 정류한 후 평활화 과정을 거쳐 직류전압으로 변환시킨다.
구동부(120)는 PWM IC(IC1), 트랜지스터(MQ1), 제너 다이오드(ZD1), 콘덴서(C1,C2,C3,C5), 및 저항(R1,R4,R6,R7,R9,R10) 등으로 이루어져 있으며, 상기 정류부(110)로부터 인가되는 직류전압을 고주파변환 신호전압으로 변환시켜 스위칭 주파수를 발생시킨다.
이러한 구동부(120)의 회로를 상세히 살펴보면, PWM IC(IC1)와, 전원(Vcc)과 노드(N1) 사이에 접속된 저항(R6)과, 상기 노드(N1)와 그라운드(GND) 사이에 병렬 접속된 저항(R7) 및 콘덴서(C3)와, 상기 노드(N1)와 노드(N2) 사이에 접속된 제너 다이오드(ZD1)와, 상기 노드(N2)와 그라운드 사이에 접속된 저항(R4)과, 상기 노드(N2)에 베이스 단자가 접속되고 그라운드에 이미터 단자가 접속되며 노드(N3)에 컬렉터 단자가 접속된 트랜지스터(MQ1)와, 상기 노드(N3)와 노드(N4) 사이에 접속된 콘덴서(C1)와, 상기 노드(N3)와 그라운드 사이에 접속된 콘덴서(C2)와, 상기 PWM IC(IC1)와 노드(N4) 사이에 접속된 저항(R1) 등을 포함한다.
인버터부(130)는 콘덴서(C6), FET(Q1,Q2), 다이오드(V5,V6) 등으로 이루어져 있으며, 트리거 소자인 FET(Q1,Q2)에서 구동부(120)로부터 입력된 스위칭 주파수에 따라 교대로 온/오프 스위칭이 수행되어, 정류부(110)에서 입력된 직류전압을 구형파의 고주파전압으로 변환시킨다.
공진부(140)는 공진 인덕터(L1), 공진 콘덴서(C7), 및 콘덴서(PC1,PC2) 등으로 이루어져 있으며, 상기 인버터부(130)에서 생성된 구형파의 고주파전압을 공진 인덕터(L1)와 공진 콘덴서(C5)를 통해 변환된 정현파로 변환시켜 형광램프를 예열시킨 후에 점등시킨다.
이제, 이처럼 구성된 종래의 전자식 안정기의 구동부(120), 인버터부(130), 및 공진부(140)를 통해 이루어지는 과정을 설명하기로 한다.
PWM IC(IC1)는 저항(R1)과 콘덴서(C1,C2)에 의해 설정된 주파수에 따라 MOS FET 의 게이트 출력 기능을 구비하여, 전원이 PWM IC(IC1)에 인가될 경우에는 설정된 주파수가 발생되어 상기 인버터부(130)로 입력된다.
그런데, 트랜지스터(MQ1)의 베이스 단자가 트리거되어 트랜지스터(MQ1)의 콜렉터 단자로부터 이미터 단자로 전류가 흐르게 되면, C1 콘덴서와 C2 콘덴서가 직렬로 연결되어 있기 때문에 전하가 서서히 방전됨으로써 도 2 에 나타난 바와 같이 예열 구간의 약 80KHz의 주파수가 선형적으로 서서히 낮아져서 점등 구간의 약 40KHz의 주파수로 떨어지게 된다.
이는 형광램프의 이그니션(점등)이 어느 시점에서 시작되는지를 정확히 알수 없게 되어 형광램프가 점등된 이후에도 기준치 이상으로 과전류가 흐르는 결과를 초래한다. 따라서, 에너지의 소비효율을 떨어뜨릴 뿐 만 아니라 필라멘트에 무리를 주게되어 램프수명을 단축시키는 문제가 발생하게 된다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고주파로 형광램프를 일정한 시간동안 예열시키고 주파수가 급변할 때 점등시켜 점등된 이후의 필라멘트를 통해 소모되는 과전류를 방지하여 에너지 소비효율을 향상시킬 뿐 만 아니라 형광램프의 수명을 연장시킬 수 있는 온열점등 예열형 전자식 안정기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 온열점등 예열형 전자식 안정기는, 상용교류전압을 필터링하여 안정화시키는 전압안정화부(300), 상기 전압안정화부(300)로부터 인가되는 상용교류전압을 직류전압으로 변환시키는 정류부(310), 상기 정류부(310)로부터 인가되는 직류전압을 고주파변환 신호전압으로 변환시켜 스위칭 주파수를 발생시키는 구동부(320), 상기 구동부(320)로부터 발생되는 스위칭 주파수에 따라 상기 정류부(310)로부터 인가되는 직류전압을 스위칭하여 구형파의 고주파전압으로 변환시키는 인버터부(330), 및 상기 인버터부(330)로부터 인가되는 구형파의 고주파전압을 정현파로 변환시켜 형광램프를 예열 후에 점등시키는 공진부(340)를 포함한 전자식 안정기에 있어서,
상기 구동부(320)는, PWM IC(IC1)와, 전원(Vcc)과 노드(N1) 사이에 접속된 콘덴서(C4)와, 상기 노드(N1)와 그라운드(GND) 사이에 접속된 다이오드(D1)와, 상기 노드(N1)와 노드(N2) 사이에 접속된 저항(R8)과, 상기 노드(N2)와 그라운드 사이에 접속된 저항(R7)과, 상기 노드(N2)에 베이스 단자가 접속되고 그라운드에 이미터 단자가 접속되며 노드(N3)에 컬렉터 단자가 접속된 트랜지스터(MQ2)와, 전원과 상기 노드(N3) 사이에 접속된 저항(R6)과, 상기 노드(N3)와 그라운드 사이에 접속된 콘덴서(C3)와, 상기 노드(N3)와 노드(N4) 사이에 접속된 저항(R5)과, 상기 노드(N4)와 그라운드 사이에 접속된 저항(R4)과, 상기 노드(N4)에 베이스 단자가 접속되고 노드(N5)에 이미터 단자가 접속되며 노드(N6)에 컬렉터 단자가 접속된 트랜지스터(MQ1)와, 상기 노드(N5)와 그라운드 사이에 접속된 저항(R3)과, 상기 노드(N6)와 노드(N7) 사이에 접속된 콘덴서(C1)와, 상기 PWM IC(IC1)와 노드(N7) 사이에 접속된 저항(R1)과, 상기 노드(N7)와 그라운드 사이에 직렬 접속된 콘덴서(C2) 및 저항(R2)을 포함하고,
상기 공진부(340)는, 1차 권선(T1)과 2차 권선(T2,T3)으로 이루어진 트랜스(T), 상기 트랜스(T)의 2차 권선(T2)에 직렬 연결된 인덕터(L1), 및 콘덴서(C9)와, 상기 트랜스(T)의 2차 권선(T3)에 직렬 연결된 인덕터(L2), 및 콘덴서(C10)를 포함하여,
상기 콘덴서(C4)의 충전이 진행되는 동안 트랜지스터(MQ2)가 턴온되어 동작하면 상기 PWM IC(IC1)가 상기 저항(R1)과 콘덴서(C2)에 의해 설정된 스위칭 주파수(예열 주파수)를 출력하고, 상기 인버터부(330)를 통해 스위칭되어 변환된 구형파의 고주파전압이 트랜스(T)의 2차 권선(T2,T3)에 교대로 유도되어 인덕터(L1), 콘덴서(C9), 및 형광램프의 필라멘트, 혹은 인덕터(L2), 콘덴서(C10), 및 형광램프의 필라멘트로 구성된 L,R,C 공진회로를 통해 변환된 정현파로 일정한 시간동안 형광램프를 예열시키고,
상기 트랜지스터(MQ2)가 턴온되어 동작한 후, 상기 저항(R6)과 트랜지스터(MQ2)의 콜렉터 단자를 통해 유기된 전류가 증가하여 트랜지스터(MQ1)가 턴온되어 동작하면 상기 저항(R1)과 콘덴서(C1,C2)로 설정된 스위칭 주파수(점등 주파수)를 출력하되, 상기 예열 주파수가 점등 주파수로 변화하는 동안에 형광램프를 점등시키는 것을 특징으로 한다.
도 1 은 종래의 전자식 안정기의 회로도,
도 2 는 종래의 전자식 안정기의 시간대별 주파수 변화를 설명하는 개념도,
도 3 은 본 발명에 따른 전자식 안정기의 회로도,
도 4 는 본 발명에 따라 적용된 PWM IC의 출력주파수를 나타낸 도식도,
도 5 는 본 발명에 따른 전자식 안정기의 시간대별 주파수 변화를 설명하는 개념도,
도 6 은 본 발명에 따른 예열구간의 게이트 드라이브 출력파형과 램프전류파형,
도 7 은 본 발명에 따른 점등구간의 게이트 드라이브 출력파형과 램프전류파형,
도 8 은 본 발명에 따른 예열구간/점등구간의 램프전류파형과 램프전압파형,
도 9 는 본 발명에 따른 예열구간/점등구간의 램프전류파형과 필라멘트전압파형이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100,300 : 전압안정화부 110,310 : 정류부
120,320 : 구동부 130,330 : 인버터부
140,340 : 공진부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 3 은 본 발명에 따른 전자식 안정기의 회로도이다. 도 3 을 참조하면, 전원안정화부(300), 정류부(310), 구동부(320), 인버터부(330), 및 공진부(340)로 구성된다.
전원안정화부(300), 정류부(310), 및 인버터부(330)는 도 1 에서 설명한 종래의 일반적인 전자식 안정기와 동일하므로, 여기서는 본 발명의 특징이 되는 구동부(320)와 공진부(340)에 대해 상세히 설명하기로 한다.
상기 구동부(320)는 상기 정류부(310)로부터 직류전압이 인가되면 구동신호를 출력하게 되는데, MOS FET Gate Drive IC 형태인 PWM IC(IC1),트랜지스터(MQ1,MQ2), 콘덴서(C1-C5), 다이오드(D1), 및 저항(R1-R10)을 포함하여 구성된다. 도 4 는 본 발명에 따라 적용된 PWM IC의 출력주파수를 나타낸 도식도이다.
이러한 구동부(320)의 회로를 상세히 살펴보면, PWM IC(IC1)와, 전원(Vcc)과 노드(N1) 사이에 접속된 콘덴서(C4)와, 상기 노드(N1)와 그라운드(GND) 사이에 접속된 다이오드(D1)와, 상기 노드(N1)와 노드(N2) 사이에 접속된 저항(R8)과, 상기 노드(N2)와 그라운드 사이에 접속된 저항(R7)과, 상기 노드(N2)에 베이스 단자가 접속되고 그라운드에 이미터 단자가 접속되며 노드(N3)에 컬렉터 단자가 접속된 트랜지스터(MQ2)와, 전원과 상기 노드(N3) 사이에 접속된 저항(R6)과, 상기 노드(N3)와 그라운드 사이에 접속된 콘덴서(C3)와, 상기 노드(N3)와 노드(N4) 사이에 접속된 저항(R5)과, 상기 노드(N4)와 그라운드 사이에 접속된 저항(R4)과, 상기 노드(N4)에 베이스 단자가 접속되고 노드(N5)에 이미터 단자가 접속되며 노드(N6)에 컬렉터 단자가 접속된 트랜지스터(MQ1)와, 상기 노드(N5)와 그라운드 사이에 접속된 저항(R3)과, 상기 노드(N6)와 노드(N7) 사이에 접속된 콘덴서(C1)와, 상기 PWM IC(IC1)와 노드(N7) 사이에 접속된 저항(R1)과, 상기 노드(N7)와 그라운드 사이에 직렬 접속된 콘덴서(C2) 및 저항(R2) 등을 포함한다.
또한, 상기 공진부(340)는 인버터부(230)로부터 인가된 구형파의 고주파전압을 정현파로 변환시켜 형광램프를 예열시킨 후 점등시키는데, 1차 권선(T1)과 2차 권선(T2,T3)으로 이루어진 트랜스(T), 상기 트랜스(T)의 2차 권선(T2)에 직렬 연결된 인덕터(L1), 및 콘덴서(C9)와, 상기 트랜스(T)의 2차 권선(T3)에 직렬 연결된 인덕터(L2), 및 콘덴서(C10) 등을 포함하여 구성된다.
이제, 이러한 전자식 안정기의 구동부(320), 인버터부(330), 및 공진부(340)를 통해 이루어지는 과정을 설명하기로 한다.
기본적으로, PWM IC(IC1)는 저항(R1)과 콘덴서(C1,C2)에 의해 설정된 주파수에 따라 MOS FET 의 게이트 출력 기능을 구비하여, 전원이 PWM IC(IC1)에 인가될 경우에는 설정된 스위칭 주파수가 발생되어 출력된다.
콘덴서(C4)는 인가되는 전원을 통해 정전용량에 따라 충전되는데, 충전이 진행되는 동안 트랜지스터(MQ2)가 턴온되어 동작하게 된다. 즉, 트랜지스터(MQ2)의 베이스 단자가 로우(Low)에서 하이(High)로 변하면서 트랜지스터(MQ2)가 도통된다. 상기 트랜지스터(MQ2)가 동작한 후에는 상기 저항(R6)과 트랜지스터(MQ2)의 콜렉터 단자를 통해 유기된 전류가 증가함으로써 트랜지스터(MQ1)가 턴온되어 동작하게 된다.
그런데, 상기 트랜지스터(MQ2)는 동작을 하고 있으나 트랜지스터(MQ1)가 동작하고 있지 않을 때는 상기 콘덴서(C1)가 작용을 하지 못해 상기 저항(R1)과 콘덴서(C2)에 의해 설정된 스위칭 주파수(예열 주파수)가 PWM IC(IC1)를 통해 출력된다.
그러면, 상기 인버터부(330)는 이러한 스위칭 주파수에 따라 상기 정류부(310)로부터 인가되는 직류전압을 스위칭하여 구형파의 고주파전압으로 변환시키게 된다. 이 때, 구형파의 고주파전압은 FET(Q1)와 FET(Q2)가 교대로 스위칭되어 FET(Q1)의 소스단과 FET(Q2)의 드레인단을 통해 트랜스(T)의 1차 권선(T1)에 유입된다. 유입된 구형파의 고주파전압은 트랜스(T)의 2차 권선(T2,T3)에 각각 유도되어 인덕터(L1), 콘덴서(C9), 및 형광램프의 필라멘트, 혹은 인덕터(L2), 콘덴서(C10), 및 형광램프의 필라멘트로 구성된 L,R,C 공진회로를 통해 정현파로 변환되어 형광램프를 예열시키게 된다.
부연하자면, 구형파의 고주파전압이 2차 권선의 T2 로 유도될 경우에는 인덕터(L1), 콘덴서(C9), 및 필라멘트의 내부저항(R)에 따라 L,R,C 공진탱크를 형성한다. 그러나, 구형파의 고주파전압이 2차 권선의 T3 로 유도될 경우에는 인덕터(L2), 콘덴서(C10), 및 필라멘트의 내부저항(R)에 따라 L,R,C 공진탱크를 형성한다.
한편, 상기 트랜지스터(MQ2)가 동작한 후에 상기 저항(R6)과 트랜지스터(MQ2)의 콜렉터 단자를 통해 유기된 전류가 증가하여 트랜지스터(MQ1)가 턴온되어 동작하게 되면, 병렬 연결된 콘덴서(C1,C2)의 작용으로 정전용량이 2배가 됨으로써 예열 주파수가 급격히 동작 주파수(점등 주파수)로 떨어지게 된다. 이렇게 예열 주파수가 점등 주파수로 변화하는 동안에 형광램프를 점등시키게 된다.
도 5 는 본 발명에 따른 전자식 안정기의 시간대별 주파수 변화를 설명하는 개념도로서, 약 80KHz의 주파수가 약 1초 동안 지속되면서 형광램프를 예열시키는예열 구간과, 약 50 ms의 짧은 시간동안에 80KHz의 예열 주파수가 40KHz의 동작 주파수(점등 주파수)로 급격히 낮아지면서 형광램프를 점등시키는 이그니션 구간, 및 동작 주파수가 안정되어 점등을 지속하는 점등 구간으로 구분된다.
한편, 도 6 은 본 발명에 따른 예열구간의 게이트 드라이브 출력파형과 램프전류파형을 나타내고, 도 7 은 본 발명에 따른 점등구간의 게이트 드라이브 출력파형과 램프전류파형을 나타낸다. 또한, 도 8 은 본 발명에 따른 예열구간/점등구간의 램프전류파형과 램프전압파형을 나타내고, 도 9 는 본 발명에 따른 예열구간/점등구간의 램프전류파형과 필라멘트전압파형을 나타낸다.
이상에서 설명한 바와 같이 온열점등 예열형 전자식 안정기는 L,R,C 공진탱크를 형성하되 일정한 시간동안 형광램프를 예열시킨 후, 스위칭 주파수가 급변하는 구간에서 점등시켜 점등시 요구되는 전압과 전류를 낮춤으로써 에너지 소비효율을 향상시키면서 램프수명을 연장시킬 수 있다.

Claims (1)

  1. 상용교류전압을 필터링하여 안정화시키는 전압안정화부(300), 상기 전압안정화부(300)로부터 인가되는 상용교류전압을 직류전압으로 변환시키는 정류부(310), 상기 정류부(310)로부터 인가되는 직류전압을 고주파변환 신호전압으로 변환시켜 스위칭 주파수를 발생시키는 구동부(320), 상기 구동부(320)로부터 발생되는 스위칭 주파수에 따라 상기 정류부(310)로부터 인가되는 직류전압을 스위칭하여 구형파의 고주파전압으로 변환시키는 인버터부(330), 및 상기 인버터부(330)로부터 인가되는 구형파의 고주파전압을 정현파로 변환시켜 형광램프를 예열 후에 점등시키는 공진부(340)를 포함한 전자식 안정기에 있어서,
    상기 구동부(320)는,
    PWM IC(IC1)와, 전원(Vcc)과 노드(N1) 사이에 접속된 콘덴서(C4)와, 상기 노드(N1)와 그라운드(GND) 사이에 접속된 다이오드(D1)와, 상기 노드(N1)와 노드(N2) 사이에 접속된 저항(R8)과, 상기 노드(N2)와 그라운드 사이에 접속된 저항(R7)과, 상기 노드(N2)에 베이스 단자가 접속되고 그라운드에 이미터 단자가 접속되며 노드(N3)에 컬렉터 단자가 접속된 트랜지스터(MQ2)와, 전원과 상기 노드(N3) 사이에 접속된 저항(R6)과, 상기 노드(N3)와 그라운드 사이에 접속된 콘덴서(C3)와, 상기 노드(N3)와 노드(N4) 사이에 접속된 저항(R5)과, 상기 노드(N4)와 그라운드 사이에 접속된 저항(R4)과, 상기 노드(N4)에 베이스 단자가 접속되고 노드(N5)에 이미터 단자가 접속되며 노드(N6)에 컬렉터 단자가 접속된 트랜지스터(MQ1)와, 상기노드(N5)와 그라운드 사이에 접속된 저항(R3)과, 상기 노드(N6)와 노드(N7) 사이에 접속된 콘덴서(C1)와, 상기 PWM IC(IC1)와 노드(N7) 사이에 접속된 저항(R1)과, 상기 노드(N7)와 그라운드 사이에 직렬 접속된 콘덴서(C2) 및 저항(R2)을 포함하고,
    상기 공진부(340)는,
    1차 권선(T1)과 2차 권선(T2,T3)으로 이루어진 트랜스(T), 상기 트랜스(T)의 2차 권선(T2)에 직렬 연결된 인덕터(L1), 및 콘덴서(C9)와, 상기 트랜스(T)의 2차 권선(T3)에 직렬 연결된 인덕터(L2), 및 콘덴서(C10)를 포함하여,
    상기 콘덴서(C4)의 충전이 진행되는 동안 트랜지스터(MQ2)가 턴온되어 동작하면 상기 PWM IC(IC1)가 상기 저항(R1)과 콘덴서(C2)에 의해 설정된 스위칭 주파수(예열 주파수)를 출력하고, 상기 인버터부(330)를 통해 스위칭되어 변환된 구형파의 고주파전압이 트랜스(T)의 2차 권선(T2,T3)에 교대로 유도되어 인덕터(L1), 콘덴서(C9), 및 형광램프의 필라멘트, 혹은 인덕터(L2), 콘덴서(C10), 및 형광램프의 필라멘트로 구성된 L,R,C 공진회로를 통해 변환된 정현파로 일정한 시간동안 형광램프를 예열시키고,
    상기 트랜지스터(MQ2)가 턴온되어 동작한 후, 상기 저항(R6)과 트랜지스터(MQ2)의 콜렉터 단자를 통해 유기된 전류가 증가하여 트랜지스터(MQ1)가 턴온되어 동작하면 상기 저항(R1)과 콘덴서(C1,C2)로 설정된 스위칭 주파수(점등 주파수)를 출력하되, 상기 예열 주파수가 점등 주파수로 변화하는 동안에 형광램프를 점등시키는 것을 특징으로 하는 온열점등 예열형 전자식 안정기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2013075276A1 (en) * 2011-11-21 2013-05-30 General Electric Company Device to preheat filaments in a lighting device

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