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KR100450650B1 - 방전램프작동용장치및그방법 - Google Patents

방전램프작동용장치및그방법 Download PDF

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KR100450650B1
KR100450650B1 KR1019960074064A KR19960074064A KR100450650B1 KR 100450650 B1 KR100450650 B1 KR 100450650B1 KR 1019960074064 A KR1019960074064 A KR 1019960074064A KR 19960074064 A KR19960074064 A KR 19960074064A KR 100450650 B1 KR100450650 B1 KR 100450650B1
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오스람 실바니아 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 램프 입력 파형을 진폭 변조하고 펄스화함으로써 방전 램프를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 이런 기술은 각각 아크 안정화 및 램프의 색 둘 다를 제어한다. 교류 전류(AC) 입력 파형은 아크를 안정화하기 위해 스위프 AC 주기파(이를테면 사인파, 톱니파, 구형파 등, 또는 그것들의 조합)로 진폭 변조된다. 이런 스위프 파는 일반적으로 대략 40 kHz로부터 50 kHz까지의 적당한 대역 스위프를 가지고 약 20 kHz로부터 60 kHz까지 스위프될 수 있다. 또한 스위프는 패턴화될 수 있다(이를테면 스위프가 단계적으로 상승하여 스위프 사이클로 하강하는 것). 또한 스위프는 반송파를 변조하기 위해 서로 그룹화될 수 있는 다중 주파수 스위프를 포함할 수 있다. 이런 변조의 형성은 아크를 중앙에 두고, 억제하고, 및 안정화시키는데 사용된다. 이런 안정화에 부가적으로, 램프 입력 파형은 램프의 색특성을 제어하고 조정하기 위해 펄스화된다.

Description

방전 램프 작동용 장치 및 그 방법
본 발명은 방전 램프에 관한 것으로서, 특히 아크 안정화와 색특성을 둘 다 제어하기 위해 입력 교류(AC : alternating current) 전력파를 주기적 파형 및/또는 펄스파로 진폭 변조함으로써 방전 램프의 특성을 안정화하고 제어하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
방전 램프는 미합중국 특허 제4,904,903호(1990년 2월 27일, 파코록, 발명의 명칭이 "고밀도 방전 램프를 위한 안정기" )에 설명된 바와 같이 펄스 모드에서 작동된다. 상기 특허는 형광, 수은 증기, 나트륨 및 할로겐화 금속(MH : metal halide) 램프의 작동 방법을 제시하는데, 입력은 파형 주기의 일부에 위해 전기적으로, 주기적으로 게이트에 의해 제어된다. 이런 펄스 작동은 바람직하지 않은 전자기 및 무선 간섭 방출을 제거하는데 효과적이다.
또한 펄스화 기술에 의한 고밀도 방전(HID : high-intensity discharge)의 색 제어는 미합중국 특허 제 4,137,484호; 제4,839,565호; 및 제 4,963,796호에 의해 도시된 바와 같이 종래 기술로 이미 공지되어 있다. 일본국 특허 제 432153호는 방전 램프의 색을 제어하기 위해 외부 온도 조정의 사용을 개시한다. 다른 색제어 방법은 내부 온도 조정 기술 및 방전 튜브내의 염류(salt)의 변화를 포함한다.
방전 램프의 작동에서 주요한 문제의 하나는 대류 가스 흐름에 의한 방전 튜브내의 아크(arc)의 변형이다. 이런 아크를 안정화하고 중앙에 두기 위한 기술은 계속 진보되어 왔다. 미합중국 특허 제 5,134,345호(1992년 7월 28일, 엘하맘시 등, 발명 명칭이 "고밀도 방전 램프의 아크 방전을 안정화하기 위한 피드백 시스템" )는 불안정 현상을 일으키는 음향 주파수를 방지하는 방법을 개시한다. 이런 특허의 방법은 아크 불안정의 검출 및 아크 불안정을 일으키는 구동 주파수의 변경을 제시한다.
미합중국 특허 제 5,306,987호(1994년 4월 26일, 다킨, 발명의 명칭이 "방전 램프의 음향 공명 아크 안정화 장치" )에서, 아크 안정화 기술은 구동 신호의 주파수가 변조되는 것을 나타낸다. 방전 램프에서 아크 제어의 유사한 방법은 미합중국 특허 제 5,198,727호(1993년 3월 30일, 알렌, 발명의 명칭이 "단향 전류 상의 할로겐화 크세논 금속 할로겐 램프의 음향 공명 작동" )에 개시되어 있다. 이런 방법을 사용하여, 아크는 구동 신호의 주파수에 의해 유도된 "음향 요동" 에 의해 중앙에 있게 된다. 음향 요동은 가스 또는 증기 이동 패턴이 중력 유도 대류에 역행하도록 한다.
본 발명은 HID 램프에서 아크 불안정을 제어하는 새로운 방법을 제시한다. 이런 기술은 램프의 색특성을 변화시키는 방법에 부가적으로 제공될 수 있다. 새로운 색변화 기술은 램프에 전력 입력을 펄스화 한다. 다음에 램프의 아크는 반송파를 주기적 파형으로 진폭 변조함으로써 안정화된다. 바꾸어 말하면, 색제어 펄스화는 아크의 음향 중앙화, 억제 및 안정화로 조합된다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 극복하는 것이다.
본 발명의 목적은 방전 램프의 작동을 강화하는 것이다.
이런 목적은 본 발명의 일 특징에 따라 램프 입력 전력 파형을 진폭 변조하고 펄스화함으로써 방전 램프를 작동하기 위한 방법의 제공에 의해 달성된다.
도 1은 본 발명의 방법으로 이득을 얻을 수 있는 전형적인 고밀도 방전(HID) 램프의 투시도.
도 2는 도 1에 도시된 램프를 위해 펄스화 여기와 음향적 아크 안정화를 조합하는 본 발명의 한 실시예를 수행하고 실행하는 시스템의 블록도.
도 3은 소인 주파수로 진폭 변조된 250kHz의 반송파가 20 kHz로부터 60kHz까지의 소인으로 변조된 모양을 도시한 본 발명의 실시예에 따른 전형적인 보기의 램프 파형 그래프.
도 4는 소인 주파수 음향 안정화를 갖는 15 마이크로초의 전력 펄스를 도시하는 샘플 램프 파형의 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 램프 14 : 아크 튜브
101 : 펄스 발생기 102 : 소인 주파수 발진기
105 : 전력 증폭기
이런 기술은 램프의 아크 안정화 및 색특성 모두를 각각 제어한다. 교류 입력 파형은 소인 AC 주기파(이를테면 사인파, 톱니파, 구형파 등, 또는 이들의 조합)를 사용하여 아크를 안정화하기 위해 진폭 변조된다. 이런 소인 파는 일반적으로 약 20 kHz로부터 60 kHz까지 소인될 수 있으며, 바람직한 소인 대역은 대략 40 kHz로부터 50 kHz까지이다. 또한 소인은 소인 주기 내에서 소인이 단계적으로 상승 및 하강하는 것과 같이 패턴화될 수 있다. 또한 소인은 반송파를 변조하기 위해 함께 통합된 다중 주파수 소인을 포함할 수 있다. 이러한 변조는 아크를 중앙에 두고, 억제하고, 안정화시키는데 사용된다. 이런 안정화에 부가적으로, 램프 입력 파형은 램프의 색특성을 제어하고 조정하기 위해 펄스화된다.
진보적 방법론을 사용할 수 있는 전형적인 방전 램프는 100 와트 금속 할로겐(MH) 램프를 포함할 수 있다. 램프의 펄스 작동은 연속적 전력 작동과 구별된다. 펄스 사이의 억제된(simmer) 주기 동안, 램프는 평형이 유지된 저전력 상태에서 작동한다. 전력 펄스가 갑자기 인가될 때, 고전력 상태를 위한 새로운 평형 상태의 도달에 포함되는 시간 의존 과정은 고유한 시간 상수에 의해 분리된다. 이런 예는 수은 방출로부터 증가된 광 출력을 일으키는 고속 반응 과정의 우위성이다. 본 발명의 특징에 따라, 평균 전력은 일정하게 유지되면서 펄스 전력은 동안 증가된다. 이것은 색온도 및 연색 평가수(CRI : color rendering index)가 비교적 일정한 밀도로 증가하게 한다. 이런 펄스화 기술을 사용할 때, 아크 튜브내의 아크는 통상적으로 아크 튜브 벽에 대해 압을 가할 것이다. 전술된 안정성이 없다면, 이것은 상기 벽에 손상을 초래하고 짧은 램프 수명 및 색특성의 일반적 악화를 가져온다. 그러므로, 2개 방법을 조합하는 것이 바람직하다. 이와 같이 작동되면, 램프는 수직 또는 수평 작동 위치에서 기능할 수 있다.
이제 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 더 상세히 설명할 것이다.
도 1은 전형적인 방전 램프(10)를 도시한다. 이런 고밀도 방전 램프(10)는 유리로 구성되는 외관(12)을 포함한다. 상기 외관(12)의 내부는 아크 튜브(14)가 배치된다. 상기 아크 튜브(14)는 어떤 적당한 재료의 덮개(20)에 의해 둘러싸일 수 있다. 상기 아크 튜브는 전기적으로 여기될 때 고밀도 광 방전을 형성할 가스 및/또는 (금속 할로겐같은) 물질로 채워진다.
상기 아크 튜브(14)는 또한 상기 덮개(20)도 둘러싸고 있는 설치 지지대(16)에 의해 상기 외관(12)의 소정 위치에 배치된다. 전력 입력은 각각 베이스(22), 램프 스템(24) 및 도선(26과 28)을 통해 상기 아크 튜브(14)에 공급된다. 상기 설치 지지대(16)는 스트랩(31)을 통해 상기 램프 스템(24)에 부착되는 금속 지지 로드(30)를 포함한다. 상기 지지 로드(30)는 또한 상기 외관(12)의 상부에서 내부로 향하는 돌기(32)와 결합한다. 상기 지지 로드(30)의 중앙부는 실질적으로 아크 튜브(14)와 덮개(20)를 통과하여 지나가는 수직축에 평행하다. 각각의 클립(40과 42)은 상기 아크 튜브(14) 및 덮개(20)와 관련하여 상기 로드(30)를 추가로 지지한다. 상기 클립(40과 42)은 각각 상기 로드(30)에 용접된다. 방전 램프 재료 및 제조 상세한 설명은 본 명세서에 참조된 미합중국 특허 제 5,270,608호에서 알 수 있다.
도 2를 참조하면, 음향 아크 안정화를 제공하는 입력 전력의 진폭 변조와 조합하여 색특성을 제어하는 도 1의 램프(10)를 펄스 여기하는 시스템(100)이 도시된다. 램프(10)의 색제어를 제공하는 펄스는 펄스 발생기(101)에 의해 공급된다. 사용될 수 있는 전형적인 펄스 발생기(101)는 B & K에 의해 제조된 모델 번호 3300이다. 상기 펄스는 신호(103)를 공급하기 위해 소인 주파수 발진기(102)에 의해 발생된 소인 주기파와 합성된다. 전형적 소인 주파수 발진기(102)는 인터스테이트 일렉트로닉스 코포레이션에 의해 제조된 모델 번호 F34이다.
상기 합성된 신호(103)는 상기 250 kHz 발진기(104)에 의해 공급되는 입력 전력파의 진폭을 변조한다. 전형적인 발진기(104)는 휴렛 팩커드에 의해 제조된 모델 번호 3325A를 포함한다. 이어 상기 변조된 입력은 전력 증폭기(105)에 의해 증폭된다. 전형적인 전력 증폭기는 일렉트로닉 네비게이션 인스트루먼트에 의해 제조된 모델 번호 1140LA일 수도 있다. 이어, 상기 증폭된 입력 신호는 임피던스 정합 회로(106)에 의해 상기 램프(10)에 임피던스 정합된다. 이어, 상기 정합 신호는 도시된 바와 같이 램프(10)에 공급된다.
도 3을 참조하면, 도 2에 도시된 시스템에 따른 전형적인 소인 주파수로 진폭 변조된 250 kHz 반송파 입력이 도시된다. 일반적 소인은 대략 20 kHz로부터 60 kHz 까지 될 수 있으며, 도 1에 도시된 램프에 있어서 바람직한 소인 대역은 대략 40 kHz와 50 kHz 사이이다. 다른 램프는 서로 다른 여기를 요구할 것이다.
램프(10)에 공급되는 소인 주파수에 의한 음향 안정화를 갖는 전형적 전력 펄스가 도 4에 도시된다. 전력 펄스화는 램프의 색온도와 연색 평가수(CRI)를 변화시키기 위해 변경될 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시된 입력을 이용하면, 100 와트 금속 아크TM램프에서 상기 색온도는 400도 만큼 증가되고, CRI는 4 포인트만큼 증가되며, 평균 전력은 100 와트로 유지된다.
전술된 바와 같이, 상기 소인은 또한 (이를테면 소인이 각각의 소인 사이클내에서 상승하고 하강하도록) 패턴화될 수 있다. 상기 소인은 또한 반송파를 변조하기 위해 함께 통합된 다중 주파수 소인을 포함한다. 이런 변조 파형은 상기 아크를 중앙에 두고, 억제하고, 안정화하는데 사용된다. 상기 AC 입력 파형은 임의의 특성을 갖는 전력 스펙트럼을 생성하기 위해 진폭 변조될 수 있다. 구체적으로 말하면, 전력 스펙트럼은 상기 아크를 불안정하게 할 수 있는 대역내의 중요하지 않은 진폭을 포함하는 반면, 상기 아크의 스트레이트화 및 억제를 초래하는 주파수 대역내의 충분한 진폭을 포함해야 한다. 예를 들면, 40 kHz로부터 50 kHz까지의 주팟수로 소인 사인파 진폭 변조는 100 W 금속 아크TM램프의 방전을 안정화하기에 적당한 전력 스펙트럼을 생성한다. 그러나, 유사한 결과는 대역 제한된 노이즈 또는 노이즈에 의해 주파수 변조된 사인파 변조를 사용하여 달성되었다. 모든 성공적인 수행은 40 kHz로부터 50 kHz 대역에 유사한 주파수 범위를 갖는 전력 스펙트럼을 생성했다.
이상에서는 본 발명의 양호한 일 실시예에 따라 본 발명이 설명되었지만, 첨부된 청구 범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게는 명백하다.
본 발명은 HID 램프에서 아크 불안정을 제어하는 새로운 방법을 제공한다. 이런 기술은 램프의 색특성을 변화시키는 방법에 부가적으로 제공될 수 있다.

Claims (28)

  1. 방전 램프의 작동을 개선하기 위한 시스템으로서,
    상기 방전 램프에 전력을 공급하기 위해 상기 방전 램프에 입력 파형을 공급하는 전력 입력 수단;
    상기 방전 램프의 색특성을 제어하기 위해 상기 입력 파형을 펄스화하도록 상기 전력 입력 수단에 동작가능하게 접속된 펄스화 수단; 및
    적어도 하나의 주기적인 파형에 의해 상기 입력 파형을 진폭 변조하고, 상기 전력 입력 수단 및 상기 펄스화 수단에 동작가능하게 접속된 아크 안정화 수단을 포함하는 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 아크 안정화 수단은 사인파, 톱니파, 구형파 및 이들의 조합으로 이루어진 주기적인 파형들의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 주기적인 파형을 공급하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 아크 안정화 수단은 소인 주파수의 주기적인 파형을 공급하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 아크 안정화 수단은 소인 주파수의 그룹을 공급하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 아크 안정화 수단은 20 kHz 내지 60 kHz 사이의 근접한 범위에서 주파수를 소인하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 아크 안정화 수단은 40 kHz 내지 50 kHz 사이의 근접한 범위에서 주파수를 소인하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 아크 안정화 수단은 패턴화된 주파수의 소인을 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 입력 파형을 증폭하기 위해, 상기 펄스화 수단, 상기 아크 안정화 수단 및 상기 전력 입력 수단에 동작가능하게 접속된 전력 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 입력 파형을 상기 방전 램프에 임피던스 정합하기 위해 상기 펄스화 수단, 상기 아크 안정화 수단 및 상기 전력 입력 수단에 동작가능하게 접속된 임피던스 정합 수단를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 방전 램프의 작동을 개선하기 위한 시스템으로서,
    상기 방전 램프에 전력을 공급하기 위해 입력 파형을 공급하는 전력 입력 수단;
    상기 방전 램프의 색특성을 제어하기 위해 상기 입력 파형을 펄스화하도록 상기 전력 입력 수단에 동작가능하게 접속된 펄스화 수단; 및
    상기 전력 입력 수단과 상기 펄스화 수단에 동작가능하게 접속되고, 적어도 하나의 소인 주파수의 주기적인 파형에 의해 상기 입력 파형을 진폭 변조하기 위한 소인 주파수 발진기를 포함하는 아크 안정화 수단을 포함하는 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 아크 안정화 수단은 사인파, 톱니파, 구형파 및 이들의 조합으로 이루어진 주기적인 파형들의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 주기적인 파형을 공급하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 아크 안정화 수단은 소인 주파수의 그룹을 공급하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 아크 안정화 수단은 20 kHz 내지 60 kHz 사이의 근접한 범위에서 주파수를 소인하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 아크 안정화 수단은 40 kHz 내지 50 kHz 사이의 근접한 범위에서 있는 주파수를 소인하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 아크 안정화 수단은 패턴화된 소인 주파수의 소인을 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제 10항에 있어서,
    상기 입력 파형을 증폭하기 위해, 상기 펄스화 수단, 상기 아크 안정화 수단 및 상기 전력 입력 수단에 동작가능하게 접속된 전력 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제 10항에 있어서,
    상기 입력 파형을 상기 방전 램프에 임피던스 정합하기 위해, 상기 펄스화 수단, 상기 아크 안정화 수단 및 상기 전력 입력 수단에 동작가능하게 접속된 임피던스 정합 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 방전 램프를 제어하기 위한 방법으로서,
    a) 방전 램프에 전력을 공급하기 위해 상기 방전 램프에 입력 파형을 공급하는 단계;
    b) 상기 방전 램프의 색특성을 제어하기 위해 상기 입력 파형을 펄스화하는 단계; 및
    c) 상기 입력 파형을 진폭 변조함으로써 상기 방전 램프를 아크 안정화시키는 단계를 포함하는 방전 램프 제어 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 아크 안정화 단계 (c)는 적어도 하나의 주기적인 파형으로 상기 입력 파형을 진폭 변조하는 것을 특징으로 하는 방전 램프 제어 방법.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 아크 안정화 단계 (c)는 소인 주파수의 주기적인 파형으로 상기 입력파형을 진폭 변조하는 것을 특징으로 하는 방전 램프 제어 방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 주기적인 파형은 사인파, 톱니파, 구형파 및 이것들의 조합으로 이루어진 주기적인 파형들의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방전 램프 제어 방법.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 소인 주파수의 주기적인 파형은 사인파, 톱니파, 구형파 및 이들의 조합으로 이루어진 주기파의 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방전 램프 제어 방법.
  23. 제 18항에 있어서,
    상기 아크 안정화 작동 (c)는 소인 주파수의 그룹으로 상기 입력 파형을 진폭 변조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프 제어 방법.
  24. 제 20항에 있어서,
    상기 소인 주파수는 20 kHz 내지 60 kHz 사이의 근접한 범위에 있는 것을 특징으로 하는 방전 램프 제어 방법.
  25. 제 20항에 있어서,
    상기 소인 주파수는 40 kHz 내지 50 kHz 사이의 근접한 범위에 있는 것을 특징으로 하는 방전 램프 제어 방법.
  26. 제 20항에 있어서,
    상기 소인 주파수는 패턴화된 것을 특징으로 하는 방전 램프 제어 방법.
  27. 제 18항에 있어서,
    d) 상기 진폭 변조되고 펄스화된 입력 파형을 증폭하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프 제어 방법.
  28. 제 18항에 있어서,
    d) 상기 진폭 변조되고 펄스화된 입력 파형을 상기 방전 램프와 임피던스 정합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방전 램프 제어 방법.
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