무전극 조광장치{electrodeless dimmer system}

본 발명은 무전극 조광장치에 관한 것으로, 특히 조광펄스제어신호의 크기에 따라 외부전극방전램프(External Electrode Fluorescent Lamp)의 밝기를 조정할 수 있는 무전극 조광장치에 관한 것이다.

외부전극방전램프는 램프 내부에 전극을 가지고 있지 않고, 램프 외부의 양단에 형성된 외부 전극에 고전압과 고전류를 인가하여 강한 전기장에 의해 램프 내부의 가스가 방전되어 램프를 점등시키는 것으로, 내부에 전극이 존재하지 않으므로 이온충격(스퍼트링)에 의한 극 손실을 줄여 램프의 수명을 연장 할 수 있으며, 용량성 부하 특성을 가지므로 휘도 유지 특성이 우수하다.

램프의 밝기를 제어하기 위한 종래의 램프 조광제어방식으로는 주파수 제어방식과 버스트(burst) 방식이 있다.

주파수 제어방식은 일반 형광등용 인버터에 사용하는 방식으로 인버터부의 임피던스 매칭용 코일과 캐패시턴스의 공진 영역에서 공진주파수를 바꾸어 주어 램프의 관내에 흐르는 전류를 제어하여 램프의 밝기를 조정해 주는 것으로 이는 공진대역폭이 큰 램프구동장치에 적합하다.

그러나 외부전극방전램프는 시동시 고전압과 고전류가 필요하고 점등 후에도 고전압이 유지되어져야만 방전을 개시하므로 높은 승압비를 갖는 트랜스에 의해 고전압이 인가되어야 하므로 임피던스 매칭을 위해 코일과 캐패시턴스에 의한 공진이 유발되어야 하므로 공진대역폭은 상당히 좁게 설정되어 있으므로 상기 주파수 제어방식을 사용할 수 없다.

버스트 방식은 주로 액정디스플레이의 백 라이트(LCD back light)의 광원으로 쓰이는 냉음극 방전등의 인버터에서 사용되어 지는 것으로, 인버터와 직류전원사이에 스위칭 트랜지스터를 두어 스위칭 트랜지스터의 온 또는 오프되는 주파수의 듀티비를 변경하여 램프의 조광을 조절하는 방식으로, 이 방식은 냉음극 방전등과 같이 저전압과 저전류에 의해 동작하는 램프에 사용하기 적합하다.

그러나 외부전극방전램프는 소비전력이 냉음극 방전등에 비해 수배에서 수십배 이상이 되므로 버스트 방식을 사용하는 경우 스위칭 트랜지스터의 전력손실이 커서 전체적인 시스템의 효율이 저하되는 문제점을 가지고 있으며, 버스트 방식을 외부전극방전램프의 조광제어방식으로 사용할 경우 잦은 온/오프로 스위칭 노이즈발생에 의해 전자파 장애 및 열이 발생되는 문제점을 가지고 있으므로 외부전극방전램프는 버스트 방식을 사용할 수 없다.

본 발명의 목적은 램프 점등 후 입력되는 가변펄스신호의 하이논리값을 갖는 구간의 수에 따라 램프에 흐르는 전류의 크기를 가변시켜 주어 램프의 밝기를 용이하게 제어할 수 있는 무전극 조광장치를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 무전극 조광장치의 구성도,

도 2는 도 1의 삼각펄스발생부의 구성도,

도 3은 도 2의 삼각펄스발생부의 동작타이밍도,

도 4a 내지 도 4c는 도 1의 본 발명의 무전극 조광장치의 동작타이밍도,

도 4d는 제어신호의 동작타이밍의 확대도이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 무전극 조광장치는 교류입력전원을 수신하여 수신된 교류입력전원을 전파정류시켜 전파정류를 출력하는 전파정류부, 전파정류를 수신하여 교류입력전원의 전류와 전압이 동위상을 갖도록 역률이 개선된 고전압의 직류전압인 제1직류전압 및 제1직류전압 보다 낮은 직류전압인 제2직류전압을 출력하는 정전압부, 제1구동제어신호와 제1구동제어신호와 반전된 신호인 제2구동제어신호를 수신하여 제1구동제어신호와 제2구동제어신호의 구동주파수에 따라 온 또는 오프되는 스위칭 트랜지스터들, 공진코일 및 공진캐패시터들로 구성되어 스위칭 트랜지스터들의 온 또는 오프에 의해 램프를 점등시키는 인버터를 구비한 무전극 조광장치에 있어서,

일정시간을 주기로 활성화된 시간이 가변되는 가변펄스신호를 수신하여 가변펄스신호에 따라 전류의 크기가 가변되고, 가변된 전류에 따라 가변되는 가변전압을 출력하는 가변전압출력부; 가변전압을 수신하여 가변전압을 증폭하여 가변의 기준전압을 출력하는 증폭부; 삼각펄스신호를 출력하는 삼각펄스 발생부; 삼각펄스신호와 가변의 기준전압을 수신하여 삼각펄스신호와 가변의 기준전압을 비교하여 가변의 기준전압에 따라 듀티비가 가변되는 제어신호를 출력하는 비교부; 및 제1직류전압과 제어신호를 수신하여 제어신호에 따라 제1직류전압 보다 작은 가변의 직류전압인 제3직류전압을 출력하여 스위칭 트랜지스터들의 구동전원으로 제3직류전압을 사용하여 램프의 밝기를 제어하는 램프조도제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.

가변전압출력부는 애노드와 캐소드를 가지며 애노드는 가변펄스신호에 연결되고 캐소드는 접지전압에 연결되어 가변펄스신호가 활성화되면 애노드로부터 캐소드로 전류가 흐르는 포토다이오드 및 콜렉터, 베이스 및 에미터를 가지며 콜렉터는 제2직류전압에 연결되어 포토다이오드에 전류가 흐르면 온되는 포토트랜지스터로 구성된 포토커플러; 한 단자가 제3직류전압에 연결되고, 다른 단자가 포토트랜지스터의 에미터에 연결되어 가변전압을 출력하는 제1저항; 및 한 단자가 제1저항의 다른 단자와 연결되고, 다른 단자가 접지전압에 연결된 제2저항을 구비한 것을 특징으로 한다.

램프조도제어부는 제1드레인/소스, 게이트 및 제2드레인/소스를 가지며, 제1드레인/소스는 제1직류전압에 연결되고, 게이트는 제어신호에 연결되어 제어신호에 따라 온 또는 오프되는 제1트랜지스터; 한 단자가 제1트랜지스터의 제2드레인/소스에 연결된 코일; 한 단자가 코일의 다른 단자에 연결되고 다른 단자가 접지전압에 연결된 제1캐패시터; 및 애노드 및 캐소드를 가지며, 애노드는 접지전압에 연결되고, 캐소드는 제1트랜지스터의 제2드레인/소스에 연결된제1다이오드를 구비한 것을 특징으로 한다.

삼각펄스발생부는 구형파의 발진신호를 출력하는 발진부; 발진신호가 로우논리값에서 하이논리값으로 천이될 때 양의 임펄스신호를 출력하고, 하이논리값에서 로우논리값으로 천이될 때 음의 임펄스신호를 출력하는 미분부; 및 임펄스신호를 수신하여 양의 임펄스신호에 동기되어 삼각펄스신호를 출력하는 삼각펄스출력부를 구비한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 무전극 조광장치를 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 무전극 조광장치를 도시한 구성도이고, 도 2는 도 1의 삼각펄스발생부의 구성도이다.

본 발명의 무전극 조광장치는 교류입력전원(Vin)을 수신하여 수신된 교류입력전원(Vin)을 전파정류시켜 전파정류를 출력하는 전파정류부(10), 전파정류를 수신하여 교류입력전원(Vin)의 전류와 전압이 동위상을 갖도록 역률이 개선된 고전압의 직류전압인 제1직류전압(Vdc1) 및 제1직류전압(Vdc1) 보다 낮은 직류전압인 제2직류전압(Vdc2)을 출력하는 정전압부(20), 제1구동제어신호(DC1)와 제1구동제어신호(DC1)와 반전된 신호인 제2구동제어신호(DC2)를 수신하여 제1구동제어신호(DC1)와 제2구동제어신호(DC2)의 구동주파수에 따라 온 또는 오프되는 스위칭 트랜지스터들(DQ1,DQ2), 공진코일(L) 및 공진캐패시터(C)들로 구성되어 스위칭 트랜지스터들(DQ1,DQ2)의 온 또는 오프에 의해 램프(70)를 점등시키는 인버터(60), 일정시간을 주기로 활성화된 시간이 가변되는 가변펄스신 호(PUL)를 수신하여 가변펄스신호(PUL)에 따라 전류의 크기가 가변되고, 가변된 전류에 따라 가변되는 가변전압(VI)을 출력하는 가변전압출력부(30), 가변전압(VI)을 수신하여 가변전압(VI)을 증폭하여 가변의 기준전압(VR)을 출력하는 증폭부(40), 삼각펄스신호(TP)를 출력하는 삼각펄스발생부(80), 삼각펄스신호(TP)와 가변의 기준전압(VR)을 수신하여 삼각펄스신호(TP)와 가변의 기준전압(VR)을 비교하여 가변의 기준전압(VR)에 따라 듀티비가 가변되는 제어신호(CT)를 출력하는 비교부(COMP) 및 제1직류전압(Vdc1)과 제어신호(CT)를 수신하여 제어신호(CT)에 따라 제1직류전압(Vdc1) 보다 작은 가변의 직류전압인 제3직류전압(Vdc3)을 출력하여 스위칭 트랜지스터들(DQ1,DQ2)의 구동전원으로 제3직류전압(Vdc3)을 사용하여 램프(70)의 밝기를 제어하는 램프조도제어부(50)로 구성된� ��.

가변전압출력부(30)는 애노드와 캐소드를 가지며 애노드는 가변펄스신호(PUL)에 연결되고 캐소드는 접지전압(Vss)에 연결되어 가변펄스신호(PUL)가 활성화되면 애노드로부터 캐소드로 전류가 흐르는 포토다이오드(PD) 및 콜렉터, 베이스 및 에미터를 가지며 콜렉터는 제2직류전압(Vdc2)에 연결되어 포토다이오드(PD)에 전류가 흐르면 온되는 포토트랜지스터(PD)로 구성된 포토커플러(31), 한 단자가 제3직류전압(Vdc3)에 연결되고, 다른 단자가 포토트랜지스터(PTR)의 에미터에 연결되어 가변전압(VI)을 출력하는 제1저항(R1) 및 한 단자가 제1저항(R1)의 다른 단자와 연결되고, 다른 단자가 접지전압(Vss)에 연결된 제2저항(R2)으로 구성된다.

램프조도제어부(50)는 제1드레인/소스, 게이트 및 제2드레인/소스를 가지며, 제1드레인/소스는 제1직류전압(Vdc1)에 연결되고, 게이트는 제어신호(CT)에 연결되어 제어신호에 따라 온 또는 오프되는 제1트랜지스터(M), 한 단자가 제1트랜지스터(M)의 제2드레인/소스에 연결된 코일(XL), 한 단자가 코일(XL)의 다른 단자에 연결되고 다른 단자가 접지전압(Vss)에 연결된 제1캐패시터(C1) 및 애노드 및 캐소드를 가지며, 애노드는 접지전압(Vss)에 연결되고, 캐소드는 제1트랜지스터(M)의 제2드레인/소스에 연결된 제1다이오드(D1)로 구성된다.

삼각펄스발생부(80)는 구형파의 발진신호(OSC)를 출력하는 발진부(81), 발진신호(OSC)가 로우논리값에서 하이논리값으로 천이될 때 양의 임펄스신호를 출력하고, 하이논리값에서 로우논리값으로 천이될 때 음의 임펄스신호를 출력하는 미분부(83) 및 임펄스신호(IM1)를 수신하여 양의 임펄스신호에 동기되어 삼각펄스신호(TP)를 출력하는 삼각펄스출력부(85)로 구성된다.

발진부(81)는 애노드와 캐소드를 가진 제2다이오드(D2), 입력단이 제2다이오드(D2)의 애노드와 연결되어 입력단의 신호와 반전된 신호를 출력단으로 출력하는 제1반전부(INV1), 한 단자가 제2다이오드(D2)의 캐소드에 연결되고, 다른 단자가 제1반전부(INV1)의 출력단에 연결된 제3저항(R3), 한 단자가 상기 제1반전부(INV1)의 출력단에 연결된 제2캐패시터(C2), 애노드와 캐소드를 가지며 애노드는 제2캐패시터(C2)의 다른 단자에 연결된 제3다이오드(D3), 입력단이 제3다이오드(D3)의 애노드와 연결되어 입력단의 신호와 반전된 신호를 출력단으로 출력하는 제2반전부(INV2), 한 단자가 제3다이오드(D3)의 캐소드에 연결되고 다른 단자가제2반전부(INV2)의 출력단에 연결된 제3저항(R3) 및 한 단자가 제1반전부(INV1)의 입력단에 연결되고 다른 단자가 제2반전부(INV2)의 출력단에 연결된 제3캐패시터(C3)로 구성된다.

미분부(83)는 한 단자가 제1반전부(INV1)의 출력단에 연결된 제4캐패시터(C4) 및 한 단자가 제4캐패시터(C4)의 다른 단자에 연결되고 다른 단자가 접지전압(Vss)에 연결되어 임펄스신호(IM1)를 출력하는 제5저항(R5)으로 구성된다.

삼각펄스출력부(85)는 미분부(83)의 출력인 임펄스신호(IM1)를 수신하여 양의 임펄스신호에 대해서만 임펄스신호를 출력하는 버퍼부(BUF), 한 단자가 제2직류전압(Vdc2)에 연결되고 다른 단자가 삼각펄스신호(TP)를 출력하는 제6저항(R6), 한 단자가 제6저항(R6)의 다른 단자와 연결되고 다른 단자가 접지전압(Vss)에 연결된 제5캐패시터(C5) 및 에미터, 베이스 및 콜렉터를 가지며 에미터는 접지전압(Vss)에 연결되고 베이스는 버퍼부(BUF)의 출력에 연결되고 콜렉터는 제6저항(R6)의 다른 단자에 연결되어 버퍼부(BUF)의 출력에 따라 온 또는 오프되는 제2트랜지스터(Q)로 구성된다.

상기의 구성에 따른 본 발명인 무전극 조광장치의 동작은 다음과 같다.

도 3의 삼각펄스발생부(80)의 동작을 나타내는 타이밍도에 도시된 바와 같이 발진부(81)는 구형파의 발진신호(OSC)를 출력하고, 제4캐패시터(C4)와 제5저항(R5)으로 구성된 미분부(83)는 구형파의 발진신호(OSC)가 로우논리값에서 하이논리값으로 천이될 때 양의 임펄스신호를 출력하고, 구형파의 발진신호(OSC)가 하이논리값에서 로우논리값으로 천이될 때 음의 임펄스신호를 출력한다. 삼각펄스출력부(85)의 버퍼부(BUF)는 미분부(83)의 출력인 양의 임펄스신호에 대해서만 응답하여 임펄스신호(IM2)를 출력하고, 미분부(83)의 출력인 음의 임펄스신호에 대해서는 동작하지 않고, 로우논리값을 출력한다. 버퍼부(BUF)의 출력이 로우논리값을 가질 때는 제2트랜지스터(Q)는 오프되어 제6저항(R6)과 제5캐패시터(C5)에 의해 제2직류전압(Vdc2)이 제5캐패시터(C5)에 서서히 충전되고, 버퍼부(BUF)의 출력이 임펄스신호일 때는 제2트랜지스터(Q)는 온되어 제5캐패시터(C5)에 충전된 전압은 즉시 접지전압(Vss) 쪽으로 방전된다. 따라서 삼각펄스출력부(85)는 구형파발진부(81)의 출력인 발진신호(OSC)가 로우논리값에서 하이논리값으로 천이되는 시점에 동기되는 삼각펄스신호(TP)를 출력한다. ,

도 4a 내지 도 4d는 램프(70)의 조도를 제어하는 동작을 나타내는 본 발명의 무전극 조광장치의 동작타이밍도이다.

도 4a는 가변전압출력부(30)에 입력되는 가변펄스신호(PUL)의 입력펄스 파형도로 동일한 시간 동안에 입력되는 각각 4개의 가변펄스신호(PUL1∼PUL4)가 도시되어 있다. 즉, 도 4b 및 도 4c에서 T1에서 T2시간, T3에서 T4시간 및 T4에서 T5시간을 동일한 시간을 갖는다.

먼저 도 4b에 도시된 바와 같이 T0에서 T1시간 동안은 가변펄스신호(PUL)에는 어떠한 펄스신호도 입력하지 않는다. 따라서 포토커플러(31)의 포토다이오드(PD)는 오프되고, 포토다이오드(PD)의 오프에 의해포토트랜지스터(PTR)도 오프된다. 이때에는 증폭부(40)의 출력인 가변의 기준전압(VR)이 로우논리값인 접지전압(Vss)을 갖도록 제1저항(R1), 제2저항(R2)과 증폭부의 저항(Ra,Rb)의 저항값을 설정한다. 즉, 도 4a에 도시된 바와 같이 T0에서 T1시간 동안에는 비교부(COMP)의 출력인 제어신호(CT)는 항상 하이논리값을 갖도록 해주어 제1트랜지스터(M)는 항상 온되며, 제1트랜지스터(M)의 온에 의해 구동트랜지스터들(DQ1,DQ2)의 구동전압은 최대값을 가지며, 이때 램프(70)의 밝기는 최대치가 된다.

T1시간에서 T2시간 동안에는 로우논리값을 갖는 구간이 제일 많은 가변펄스신호(PUL1)가 포토다이오드(PD)의 애노드에 입력되면 가변펄스신호(PUL1)의 하이논리값을 갖는 구간 동안 포토다이오드(PD)는 온되고, 포토다이오드(PD)의 계속적인 온에 의해 포토트랜지스터(PTR)는 계속적으로 온과 오프를 반복하여 가변전압출력부(30)의 제2저항(R2)에 흐르는 전류의 양이 T0시간에서 T1시간 구간과 비교해 볼 때 증가하게 되며, 이로 인해 가변전압출력부(30)의 출력인 가변전압(VI)은 T0에서 T1시간 동안의 가변전압(VI) 보다 커지게 되고, 증폭부(40)의 출력인 가변의 기준전압(VR) 역시 접지전압(Vss) 보다 큰 전압(V1)을 가지게 된다. 따라서 비교부(COMP)는 도 4b 및 도 4d에 도시된 바와 같이 삼각펄스신호(TP)와 가변의 기준전압(VR)을 비교하여 삼각펄스신호(TP)가 가변의 기준전압(VR)인 전압 V1 보다 큰 전압을 가지면 하이논리값을 갖는 제어신호(CT)를 출력하고, 삼각펄스신호(TP)가 가변의 기준전압(VR)인 전압 V1 보다 작은 전압을 가지면 로우논리값을 갖는 제어신호(CT)를 출력한다. 램프조도제어부(50)의 제1트랜지스터(M)는 제어신호(CT)가활성화될 때 온되어 코일(XL)에 에너지가 축적되고, 제어신호(CT)가 비활성화될 때 제1트랜지스터(M)는 오프되어 코일(XL)에 축적된 에너지는 제1저항(R1), 제2저항(R2) 및 제1다이오드(D1)의 방전패스를 통해 방전되며, 평활캐패시터인 제1캐패시터(C1)에 의해 램프조도제어부(50)는 제1직류전압(Vdc1) 보다 작은 제3직류전압(Vdc3)을 출력하고, 구동트랜지스터들(DQ1,DQ2)의 구동전압은 T0에서 T1시간 보다 작은 전압을 가지게 되어 램프(70)에 흐르는 전류는 작아지게 되어 램프(70)의 조도는 T0에서 T1시간 보다 작아지게 된다.

T1시간에서 T2시간 동안에 가변펄스신호(PUL2)가 포토다이오드(PD)의 애노드에 입력되면 가변펄스신호(PUL2)의 하이논리값을 갖는 구간 동안 포토다이오드(PD)는 온되고, 포토다이오드(PD)의 계속적인 온에 의해 포토트랜지스터(PTR)는 계속적으로 온과 오프를 반복하여 가변전압출력부(30)의 제2저항(R2)에 흐르는 전류의 양이 T1시간에서 T2시간 구간과 비교해 볼 때 더 증가하게 되어 가변전압출력부(30)의 출력인 가변전압(VI)은 T1에서 T2시간 동안의 가변전압(VI) 보다 커지게 되고, 증폭부(40)의 출력인 가변의 기준전압(VR)은 T1시간에서 T2시간 구간에서의 전압(V1) 보다 큰 전압(V2)을 가지게 된다. 따라서 도 4d에 도시된 바와 같이 비교부(COMP)의 출력인 제어신호(CT)의 하이논리값을 갖는 영역은 T1에서 T2시간 구간과 비교하여 볼 때 더 작아지게 되어 램프조도제어부(50)의 코일에 에너지가 축적되는 시간이 작아지므로 램프조도제어부(50)의 출력인 제3직류전압(Vdc3)은 T1에서 T2시간 구간에서 출력되는 제3직류전압 보다 낮은 직류전압을 출력한다. 따라서 구동트랜지스터들(DQ1,DQ2)의 구동전압은 T1에서 T2시간 보다 작은 전압을 가지게 되어 램프(70)의 조도는 T1에서 T2시간 보다 작아지게 된다.

상기와 동일한 방법에 의해 하이논리값을 갖는 구간을 가변시켜 일정시간 동안 가변펄스신호(PUL3,PUL4)를 포토다이오드(PD)의 애노드에 입력하면 도 4c에 도시된 바와 같이 포토트랜지스터(PTR)의 온되는 시간이 증가하게 되고, 이로 인해 제2저항(R2)에 흐르는 전류가 증가하고, 가변전압출력부(30)의 출력인 가변전압(VI)은 커지게 된다. 증폭부(40)의 출력인 가변의 기준전압(VR) 역시 가변펄스신호(PUL3,PUL4)에 의해 각각 V3전압과 V3전압 보다 큰 전압인 V4전압을 가지게 되고, 도 4d에 도시된 바와 같이 비교부(COMP)의 출력인 제어신호(CT)는 하이논리값을 갖는 구간이 점점 작아지게 되어 램프조도제어부(50)의 출력인 제3직류전압(Vdc3)은 점점 작은 전압을 가진다. 따라서 구동트랜지스터들(DQ1,DQ2)의 구동전압은 작아지게 되어 결국 램프(70)의 조도는 작아지게 되며, 도 4a에서 가변펄스신호(PUL4)인 경우가 램프(70)의 조도는 최저치가 된다.

따라서 본 발명의 무전극 조광장치는 도 4a에 도시된 바와 같이 일정한 시간만큼 하이논리값을 갖는 구간이 가변된 가변펄스신호(PUL1,PUL2,PUL3,PUL4)를 가변전압출력부(30)에 입력되면, 가변펄스신호(PUL)가 동일한 시간 동안 하이논리값을 갖는 구간이 많을 수록 포토트랜지스터(PTR)의 온되는 시간이 많아져서 제2저항(R2)에 발생되는 가변전압(VI)은 증가되고, 증폭부(40)의 출력인 가변의 기준전압(VR)은 점점 증가되고, 가변의 기준전압(VR)이 증가될 수록 비교부(COMP)의 출력인 제어신호(CT)는 하이논리값을 갖는 구간이 작아진다. 따라서 제어신호(CT)가 하이논리값을 갖는 구간이 적어질 수록 제1트랜지스터(M)의 온되는 시간은 점점작아지게되어 코일(XL)에 에너지의 축적되는 시간이 점점 작아지게 되므로 램프조도제어부(50)의 출력인 제3직류전압(Vdc3)은 점점 작은 전압을 가지게 되고, 이로 인해 램프(70)에 인가되는 전류는 작아지게 되어 램프(70)의 조도를 용이하게 제어할 수가 있다. 즉, 가변펄스신호(PUL)가 동일한 시간 동안 하이논리값을 갖는 구간이 많을 수록 램프(70)의 조도는 낮아지게 된다.

가변펄스신호(PUL)는 펄스의 듀티비가 가변된 펄스를 출력할 수 있도록 마이콤 제어기에 미리 프로그램화하여 마이콤 제어기로부터 출력될 수 있다.

본 발명의 무전극 조광장치는 램프 점등 후 입력되는 가변펄스신호의 하이논리값을 갖는 구간의 수에 따라 램프에 흐르는 전류의 크기를 가변시켜 주어 램프의 밝기를 용이하게 제어할 수 있다.