本記事는 日本CQ出版社가 發行하는「トランジスタ技術」誌(2004年9月號)와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다. 역률 개선회로+정전류 제어회로+강압형 DC-DC로 정전력 구동 HID 램프용 전자 밸러스트 설계 및 제작 여기서는 시설조명용 HID(High Intensity Discharge) 램프의 전자 밸러스트 설계 예를 소개한다. 같은 HID 램프라도 시설조명용 HID 램프(사진 1)와 차량탑재용 HID 램프(사진 2)는 구조나 전기적인 동작이 크게 다르다.   田中穗積 HID 램프의 특징과 설계목표 1. HID 램프의 특징 HID 램프에는 수은 램프, 메탈 핼라이드 램프, 고압 나트 륨 램프 등이 있다. 그 중에서도 메탈 핼라이드 램프는 연색 성이 좋고 발광효율도 높기 때문에 점포조명이나 이벤트 시 설 등에서 폭넓게 사용되고 있다. 또 형광등에 비하여 점 광 원에 가깝기 때문에 양질의 배광 특성을 얻기 위한 반사 갓을 만들기 쉽다는 특징도 있다. 한편, 램프를 시동시키기 위해서는 2kV 이상의 고전압이 필요하므로 소정의 밝기까지 되려면 몇 분의 시간을 필요로 한다는 결점이 있다. 또, 일단 밝게 발광된 램프의 전원을 OFF했을 경우에는 냉각시간 십 수분이 경과되지 않으면 재 시동(핫 스타트)이 되지 않는다는 문제도 있어 점멸을 반복하 는 용도에는 적합하지 않다. 차량탑재용 HID 램프는 이 점을 해결한 것이다. 2. HID 램프와 동철 밸러스트 HID 램프 등의 방전관은 부성저항을 가지기 때문에 정전 압전원에 직접 접속할 수 없다. 정전압전원에 접속하려면 램프와 전원 사이에 전압강하 기능을 지닌 소자를 삽입하여 전 류를 제한한다. 그 소자는 인덕터(코일) 이외에 콘덴서나 저 항이라도 상관없지만, 일반적으로 코일로 구성한 것을 동철 밸러스트라 한다. 그림 1에 동철 밸러스트의 회로 예를 나타낸다.  승압 트랜스와 초크 코일은 그림 1과 같이 리케이지 트랜 스에서 일체구조로 하는 예가 많은 것 같다. 3. HID 램프의 동작점 HID 램프를 정전류전원으로 구동하면 그림 2와 같이 거의 정전압 특성이라는 것을 알 수 있다.  램프 전압은 개별적으로 분산이 있지만 시동 시에는 20V 전후, 정상일 때에는 90V 전후에서 시시각각 상승하여 수명 말기의 정상전압은 더욱 높아진다. 이 I-V 커브에 전자 밸러 스트의 구동 특성 커브를 겹쳐 교차시킨 곳이 동작점이다. 4. 전자식 밸러스트라면 각종 부하에 대응 HID 램프는 복잡한 시동조건 등의 이유로 램프마다 특정 밸러스트가 지정되어 있다. 따라서 램프의 기종이나 밝기(와 트 수)를 어쩔 수 없이 변경해야 되는 점포조명, 수조용 조명 등에서는 램프와 함께 밸러스트를 교체해야 한다. 그러한 점 에서 전자 밸러스트는 동철형 밸러스트에 비해 시동 시 성능 의 조성이나 구동전력 변경이 용이하다. 따라서 설계목표로 복수 메이커의 70W, 100W, 150W 램프에 대응하는 전력 전 환형으로 한다. 전자 밸러스트를 구성하는 스위칭 회로는 책상에서의 설계 보다 실천하는 것이 중요하다. 그러나 실험 중에 많은 디바이 스를 파괴시키거나 과전력으로 고가의 램프를 파손시키는 경 우도 있다. 또 전술한 바와 같이, HID 램프는 핫 스타트가 되지 않기 때문에 실험 중에 전원을 OFF했을 경우에는 다음 실험까지 십여분 동안 대기해야 한다. 이 문제를 해결하는 방법이 실리 카 전구에 의한 더미 부하이며 고액의 액티브 로드보다 효과 적이다. 조명용 밸러스트의 기본회로 1. 승압 AC-DC＋강압 DC-DC＋풀 브리지 시설조명용 HID 램프의 전자 밸러스트 회로구성을 그림 3에 나타낸다.  차단 풀 브리지 회로를 사용하여 이 직류전압을 교류로 변 환한다. 풀 브리지 회로의 스위칭 주파수는 상용주파수에 가 까운 55Hz이지만 정밀도는 필요 없다. 동철 밸러스트와의 차 이는 이 교류가 동철 밸러스트에서는 정현파이고 전자 밸러 스트에서는 방형파라는 점이다. 만약, 풀 브리지를 통과하지 않고 직류로 램프를 점등시키 면 전극의 편감(片減)에 의해 램프의 수명이 짧아진다. 2. 전력 에러 생성방식 검토 강압형 초퍼의 출력은 정전압에 가까우므로 램프의 상태를 모니터하여 제어할 필요가 있다. 또 이 제어계의 응답은 풀 브리지의 반전 레이트보다도 빨 라야 한다. 전력 에러의 생성은 다음과 같은 몇 가지 방식을 상정할 수 있다. (1) 정전류 구동방식 그림 4에 나타난 바와 같이 풀 브리지의 전원전류를 PWM제어회로에 피드백하여 정전류 구동했을 경우에는 램프 전압의 분산이 구동전력의 분산에 반영돼버린다.  (2) 아날로그 승산기에 의한 정전력 구동방식 그림 5와 같이 풀 브리지에 주어지는 전압과 전류를 아날로그 승산기(아날로그 멀티플라이어)로 승산하고 목표 전력과 비교하여 PWM 제어회로에 피드백하는 방식이다.  또 아날로그 승산기의 온도 특성에도 문제가 있어, 발열하 는 부품 대부분의 기판 상에 공존시키면 IC의 온도불균형에 의해 큰 드리프트를 발생시킨다는 리스크가 있다. (3) 디지털 연산에 의한 정전력 구동방식 그림 6에 나타난 바와 같이 I와 V를 A-D 변환하여 마이컴 또는 DSP에 도입하고 승산을 디지털 처리하여 정밀도를 올리는 방식이다.  (4) IV합 일정방식 이상적인 전력 일정 커브의 부분적인 경사를 인출하여 그 림 7에 나타난 바와 같이 I와 V에 상수를 곱하고 그 합을 일 정하게 하는 제어이다. 구동전력은 완전히 일정하게는 되지 않지만 그림 7(b)의 점선과 같이 실용영역에서 거의 일정하다고 볼 수 있다.  전류제한이나 전압제한도 부하직선이 제로로 교차하는 포 인트에서 자동적으로 걸린다. 그러나 무부하(전류 제로)일 때의 전압이 180V 전후로 되 어 후술하는 이그니션 생성전압을 확보할 수 없다. 또 이그니 션에서 발광 개시에 이르기까지의 아크 전류를 유입하는 것 도 곤란하다. (5) 강압 초퍼 입력전류 일정방식 그림 3에서 DC300V의 전원으로부터 공급되는 전력 Pi는, 램프 구동전력 Po와 강압 초퍼에서 풀 브리지까지의 회로손 실 Plos의 합이다. 회로손실 Plos가 출력전력 Po에 비해 충분히 작을 경우에는 Pi가 일정해지도록 제어해도 Po는 거의 일정하 게 된다. 여기서 강압 초퍼에 입력되는 전압은 300V로 일정하므로 강압 초퍼에 유입되는 전원전류 Ii의 평균값이 일정해지도록 제어하면 Po를 일정하게 할 수 잇다. 즉, 승산이나 가산이 필요 없고 전류 모니터까지 준비할 경 우 전력일정형 제어가 가능해진다. 블록도와 I-V 특성을 그림 8에 나타낸다.  150W에서 출력전력을 조정하면 스위칭 효율이 높은 듀티 50% 전후에서는 150W보다 플러스 측으로, 그 이외의 영역 에서는 150W보다 마이너스 측으로 약간의 오차가 발생한다. 또 강압 초퍼에 흐르는 전류는 스위칭 주기의 대형파(臺形波) 가 되므로 이것을 서보 루프 내의 필터로 제거해야 한다. 3. 강압 초퍼 입력전류 일정방식 사용 강압 초퍼 입력전류 일정방식이 가장 간단하며 전력 검출 능력으로서는 오차성능, 응답성 모두 가장 우수하다. 주의해 야 할 점은 강압 초퍼의 평활 LC 필터가 서보 루프의 외측에 있으므로 루프 내부 전달함수가 아니라 부하의 일부로서 역 할을 담당한다는 것이다. 회로 구축 회로구성이 결정되었으므로 각 블록의 회로를 검토해 간다. 1. 역률개선 회로 300V/180W의 AC-DC 컨버터와 강압 초퍼 회로에서 스 위칭 회로가 2단 구성으로 되기 때문에 각각의 손실을 10% 로 해도 효율은 80% 전후라 예측된다. 이것을 1단의 RCC로 구성할 수도 있지만 150W를 정격출 력으로 했을 경우, 동작범위가 20V/7.5A∼280V/0.5A로 극 히 광범위해져 설계가 어려운데 대해 경제적인 메리트가 나 오지 않는다. 그래서 300V의 AC-DC 컨버터에 역률개선 회로를 사용하 고 1차 측 코먼 모드 초크나 AC 플러그 등의 전류용량을 억 제하여 종합적인 경제적 메리트를 활용하기로 했다. 회로도 를 그림 9에 나타낸다.  역률개선 회로 IC에는 신일본무선의 NJM12375를 사용 했다. 핀 호환 제품으로 모토롤라의 MC34261, 후지전기의 FA5500A가 있다. 회로상수는 각 사의 반도체 데이터북을 참조하여 컷 & 트라이를 반복한다. 부하로서 최초에 사용하는 것은 그림 9와 같이 4∼5개 직 렬접속한 미니 전구(100V/ 5W)이다. 회로의 안정성을 확인 하면서 3개 직렬 접속한 실리카 전구(100V/60W)에 부하를 증가해 가면 될 것이다. 각 IC 등의 제어계에 사용하는 저압 측 전원(＋15V)도 이 블록에서 인출한다. 플라이백 초크에는 제로 전류검출용 보 조 권선이 필요하지만 이 권선을 저압 측 전원에도 사용한다. NJM2375의 3번 핀(MULT)에는 정류 후의 맥류전압을 입력하여 귀환입력과 승산하고 전류파형을 정현파로 하여 역 률을 개선한다. 이 승산기의 정밀도나 맥류전압의 입력값에 의해 제로 근처의 전류파형이 변화된다. 2. PWM 제어 강압 초퍼 회로 PWM 제어 강압 초퍼 회로를 구축한다. 고속 스위칭이 가 능한 하프 브리지 구성에는 인터내셔널 렉티파이어사의 IR2111을 사용한다. IR2111은 데드 타임이 설정되어 있어 적은 수의 주변부품으로 하프 브리지를 구성할 수 있다는 점 이 특징이다. 그림 10에 나타난 일반적인 강압 초퍼에서 로우 사이드는 다이오드라도 상관없지만 하이 사이드의 플로팅 전원을 부트스트랩으로 만들기 위해 MOSFET를 사용한다.  위아래에 같은 MOSFET를 사용하면 하이 사이드 측의 손 실이 커지는 경향이 있으므로 하이 사이드 측은 스위칭 성능 을 중시한다. 이와 같이, 위아래가 다른 MOSFET를 사용하는 경우에는 스위칭 스피드의 차이에 기인한 관통구간이 발생하기 쉬워 암 단락의 리스크가 있다. 따라서 데드 타이밍을 조정할 때에 는 주의해야 한다. 또 LC 평활회로의 공진주파수에 대해 스위칭 주파수를 충 분히 높게 설정한다. PWM 제어는 3각파 발진기와 콤퍼레이 터로 구성한다. 회로 구축 단계에서는 그림 11과 같이 PWM제어입력에 반고정저항을 접속하여 강제적으로 동작점을 부여한다.  3. 정전력 자동제어회로 정전력 자동제어회로를 구축한다. 역률개선 회로의 마이너 스와 강압 초퍼의 그라운드 사이에 그림 12와 같이 전류검출저항(0.22Ω)을 삽입한다.  서보의 목표값 설정저항을 위상보상 앰프 사이에 접속하고 차동 앰프의 오프셋 조정을 추가하여 전원을 투입한다. 오프 셋 조정용 반고정저항을 사용하여 출력전력이 조정되면 된 다. 실리카 전구의 접속을 100V/100W 실리카 전구 2의 2개 직렬접속이나 100V/100W, 100V/60W의 병렬 혹은 100V/100W 3병렬로 바꿔도 구동전력은 150W로 일정하다. 4. 이그니션 시의 무부하 대책 다음에 이그니션 시의 무부하 모드를 검토한다. 전술한 바 와 같이, 전력 서보를 구성했지만 램프에 전류가 흐르고 있지 않은 이그니션 전의 부하 상태는 오픈이다. 전류가 제로인 경 우 전력 서보는 전압이 무한대가 되도록 제어되므로 전원전 압의 300V에 부가하게 된다. IR2111을 사용한 강압 초퍼에서 이 상태가 길게 지속되면 부트스트랩으로 만들어진 하이 사이드의 전원이 방전돼버리 고 하이 사이드 측 MOSFET의 게이트 전압이 강하하여 파 괴에 이르는 경우가 있다. 따라서 PWM의 듀티는 0∼100%가 아니라 0∼95% 정도 로 제한한다. 회로는 위상보상 OP 앰프의 출력을 저항에서 분압하여 3각파의 상측 피크를 초과하지 않도록 함으로써 강 압 초퍼의 출력을 약 280V로 제한한다. 5. 풀 브리지 회로 풀 브리지 회로는 IR2111을 사용한 하프 브리지를 2회로 사용하여 역상으로 구동한다. 이 부분에 풀 브리지 드라이버IC(IR2011 등)를 사용하면 방열기와의 관계에서 부품배치가 곤란해질 경우가 있다. IC와 MOSFET가 근거리에 위치할 수 있도록 하프 브리지 IC를 2개 사용하여 풀 브리지를 구성했다. 회로를 그림 13에 나타낸다.  또 아무리 저주파라고 해도 MOSFET의 스위칭 스피드는 고속이며 배선 길이에 의한 부유 인덕턴스에서 발생하는 플 라이백에 의해 MOSFET가 드라이버 IC와 함께 파괴되므로 드라이버 IC와 MOSFET 및 부하에 배선할 경우에는 주의해 야 한다. 이그니션 중의 제어는 수 초 동안 발진을 허가하고 1분 정 도 발진을 정지시켜 램프 미접속 시 등에서 상시 이그니션이 계속되지 않도록 한다. 정지 중에는 양쪽 하프 브리지를“L” 로 고정한다. 발진과 정지를 반복하지만 점등 시에는 상시발진으로 모드 를 전환한다. 모드 전환은 전력 서보가 로크되어 있는지, 전 원전압에 부가되어 있는지를 검출하는 로크 검출에 의해 시 행한다. 로크 검출은 위상보상 앰프의 출력전압을 디지털 트 랜스로 콤퍼레이트한다. 6. 이그나이터 이그나이터는 콘덴서와 펄스 트랜스, 트리거 디바이스의 3 소자로 구성한다. 그림 14에 회로도를 나타낸다.  펄스 트랜스에서 승압되어 램프에 수kV의 펄스가 가해지면 램프의 절연이 파괴되어 아크 방전이 개시된다. 방전을 개시하 면 전력 서보에 의하여 램프의 양단 전압이 20∼90V로 되고 방전 개시 전의 무부하전압 280V에 비해 충분히 낮아진다. 사이닥에 인가되는 전압도 브레이크 오버 전압 이하로 되 어 이그나이터는 자동적으로 정지한다. 시동에 실패했을 경 우에는 풀 브리지에서 연속적으로 공급되는 교류를 사용하여 극성이 반전되고 콘덴서에의 충전, 트리거 디바이스 방전이 반복된다. 반복 모습을 그림 15에 나타낸다.  마지막으로 전류제한을 검토한다. 정전력 구동에서 램프에 의 접속단자가 단락됐을 경우에는 부하 양단의 전압이 제로 로 되며 이론상으로는 전류가 무한대로 돼버린다. 실제로는 전력 모니터가 풀 브리지 회로나 강압 초퍼의 전 단에 위치하므로 풀 브리지 회로와 강압 초퍼, 이그나이터, 인버터에서 램프간 전선 저항 등에 손실이 발생하고 이 전력 손실의 총합이 정전력 서보의 목표값에 일치하는 동작점으로 계속 구동된다. 그러나 150W인 전력의 대부분이 인버터 내 부에서 소비되어 MOSFET의 채널 온도는 단시간에 150℃ 를 초과하여 파괴된다. 유효한 대책은 전류제한이다. 전류제한 회로는 강압 초퍼 와 풀 브리지 회로 사이에 3A 전후를 임계값으로 한 전류검 출회로를 추가하여 PWM 제어회로에 인터럽트하는 것이 좋 은 방법이라 생각된다. 블록도를 그림 16에 나타낸다.  그래서 강압 초퍼의 입력전류를 주시해보니 대형파의 선두 에 비어드가 나오고 이 비어드의 파고값은 초퍼 듀티가 작아 지는 동시에 높게 되어 있다는 점에 착안했다. 이 비어드를 피크 검파하여 다이오드의 Vf 불감대를 이용, PWM 제어회로에 피드백시킨다. 회로를 그림 17에, 정격부하와 부하단락 시의 각 부 파형을 그림 18에 나타낸다.     150W 및 70W HID 램프의 실장에서는 그림 19와 같은 시동 특성으로 된다.  펄스 발생, 과전압 보호 등에 사용되는 양방향성 2단자 사이리스터 사이닥의 특징과 사용방법 佐藤智和/高橋一典 사이닥(SIDAC ; Silicon Diode for Alternating Current) 이라는 명칭은 신전원공업이 양방향성 2단자 사이리스터에 붙인 등록상표명이다. 사진 4에 사이닥의 외관을 나타낸다.  1. 사이닥의 특징 사이닥은 규정된 전압을 인가함으로써 어느 방향으로도 도 통하는 반도체소자이다. 통전전류가 소자의 유지전류 이하로 되면 ON 상태에서 OFF 상태로 이행한다. 사이닥은 2단자 사이리스터의 명칭대로 게이트 단자가 없 고 간단한 회로구성으로 사용할 수 있기 때문에 경제적인 소 자라 할 수 있다. 일반적으로 스위칭 소자, 펄스 발생소자, 과전압 보호소자 등에 이용되고 있다. 2. 사이닥의 기본 특성 사이닥의 기본구조는 그림 20과 같이 플레이너형의 5층 구조로 되어 있으며 쇼클리 다이오드를 역 병렬로 접속한 것과 같은 구조로 되어 있다.   그림 22에 사이닥의 기본회로를 나타낸다. 부하 임피던스 RL이 사이닥의 스위칭 저항 RS보다 작은 경우, Vin이 VBO에 도달하면 동시에 턴 온하여 부하전류 IL이 흐른다.  3. 사이닥의 용도 사이닥은 다음과 같은 회로에 사용되고 있다. (1) 펄스 발생회로 · 가스 이그나이터 회로 · 고압 램프 스타터 회로 · 형광등 스타터 회로 · 마이너스 이온 발생회로 · 기타 고압 발생회로 (2) AC 스위치 회로 · 스위칭 전원의 기동회로 (3) 과전압 보호회로 · AC 라인 서지 전압보호 (상용전원 라인에서의 서지 전압보호) · 콘덴서의 과전압 파손방지용 회로 4. 사이닥을 사용한 회로설계와 그 주의점 고압 램프 스타터를 예로 들어 회로설계와 그 주의점에 관 하여 설명한다. 그림 23에 나타난 것은 고압 램프 스타터 회로의 일종이다.  ON 상태로 되면 펄스 트랜스의 1차 측에 전류가 흐른다(전류경로 ①). 전류가 1차 측으로 흐름에 따라 2차 측에 고 전압이 발생하여 램프가 점등하는 구조로 되어 있다(전류경 로 ②). 이 회로가 동작했을 때 램프에 인가되는 전압 파형은 사진 5와 같다.  이 회로를 구성할 때 주의해야 할 점은 다음과 같다. (1) VBO 클래스의 선택방법과 온도 특성 회로의 동작전압에서 VBO 클래스를 선택할 때에는 온도 특 성에 주의해야 한다. 예를 들어 VBO가 작아졌을 경우, 출력 펄스 전압이 저하되어 램프가 점등되지 않는 등의 문제가 발 생한다. 사이닥의 VBO-온도 특성은 클래스에 따라 다르지만, 대부 분 그림 24와 같이 어떤 일정한 온도에 도달하면 저하돼 간다.  (2) 전류내량 전류내량으로서는 고주파 전류내량곡선이 그림 25와 같이 카탈로그에 기재되고 있으며 기재된 전류값을 오버하는 회로구성에서는 소자가 파괴된다.  
단, 어디까지나 계산값이므로 실제 회로에서 전류를 측정한 후 카탈로그와 비교하여 사용하기 바란다. (3) IBO, RS의 주의점 그림 21에 나타난 브레이크 오버 전류 IBO와 스위칭 저항 RS 는 회로를 구성하는 저항의 크기를 결정할 때 주의해야 한다. 그림 22에서도 간단하게 설명했지만 부하 임피던스 RL이 스위칭 저항 RS보다 작아지지 않으면 사이닥에 흐르는 전류 가 브레이크 오버 전류 IBO를 상회할 수 없어 사이닥이 ON 상태로 이행하지 않는다. 따라서 회로를 구성하는 경우, RL에 어느 정도 여유가 있도록 설계하기 바란다. (4) 소자의 설치방법 기판에 사이닥을 실장하는 경우, 카탈로그에 기재되어 있 는 대로 올바르게 설치하기 바란다. 소자와 기판이 밀착되어 있는 경우나 리드선의 구부러짐이 패키지 근원에서 실행되고 있는 경우에는 패키지 내부의 실리콘 칩에 응력이 가해져 최 종적으로 전류 스트레스에 의해 소자가 파괴돼버린다. 5. 소자의 파괴에 관하여 소자가 파괴되는 경우, 매우 큰 정격 외 전류를 흘리지 않 는 한 패키지마다 파괴에 이르는 경우는 없다. 대부분의 경우, 내부의 실리콘 칩이 파괴돼버리고 VBO의 저하와 누설전류 IDRM의 증가를 일으킨다. 실리콘 칩의 파 괴는 사용조건이 스펙을 오버했을 경우나 과도한 외부 스트 레스 등에 의해 발생한다. 실리콘 칩이 파괴되었을 경우, 사진 6과 같은 파괴흔적이 발생한다.  형광등, 냉음극관, HID 램프, 저압 나트륨 램프의 특징과 구동방법 방전관의 토막지식 田中穗積 방전관에는 형광등이나 HID 램프 등 몇 가지 종류가 있으 며 각각 다른 특징을 갖고 있다. 여기서는 방전관의 종류와 특징, 구동방법에 관하여 그 개요를 해설한다. 방전관의 종류와 특징 방전관의 방전상태는 글로 발전과 아크 방전으로 분류할 수 있다. 방전상태에서 분류한 방전관의 종류를 그림 27에 나타낸다.  저압의 기체를 유리관에 봉입하고 양단에 전극을 설치하여 전압을 인가하면 글로 방전이 발생한다. 글로 방전이 발생하 면 발광부와 암흑부가 나타난다. 발광부는 음극 측에서 음극 글로, 부(-)글로, 양광주(陽光柱)의 3개의 발광부위가 존재한 다. 전극의 거리를 사용하여 3개의 발광부위 중 양광주의 길 이가 변화한다. 전극간 거리가 짧은 글로 램프는 부 글로를 이용한 것이며 네온사인은 양광주를 이용한 것이다. 봉입하는 가스의 종류 에 따라 발광 색을 선택할 수 있다. 글로 방전을 안정적으로 지속시키려면 밸러스트(안정기)가 필요하다. 파일럿 램프에 사용되는 글로 램프에는 저항이 직 렬로 접속되고 있으며 이것이 밸러스트의 역할을 구성하고 있다. 2. 아크 방전용 글로 방전을 초과하여 다시 한번 전류를 유입하면 음극이 가열되고 음극휘점이 발생하여 열전자가 방출된다. 그리고 전압은 급격히 저하되어 아크 방전으로 추이한다. 글로 방전 은 대략 10-3A 이하, 아크 방전은 대략 10-2A 이상으로 크게 나뉘지만 봉입되는 기체나 전극구조, 압력, 유리관의 굵기 및 사이즈에 따라 천차만별이다. 방전관의 전원장치를 설계하는 회로 설계자는, 현 상태가 글로 방전인가 아크 방전인가 또 글로라면 어떻게 해서 아크 로 추이시킬 것인가, 교류인가 직류인가 또는 고주파인가, 직 류에서 안정시킨 다음에 교류로 할 것인가, 방전 개시전압은 몇 볼트인가 등, 끝없이 고민하게 된다. 흥미로운 점은 일단 방전이 정지돼도 단시간이라면 이그니 션을 필요로 하지 않고 그때까지의 방전 모드로 방전을 개시 할 수 있다는 것이다. 형광등의 특징과 구동회로의 전자화 1. 형광등의 구동방법 일반적으로 형광등이라 불리는 조명기구는 열음극관을 가 리킨다. 관내에는 미량의 수은과 아르곤 가스가 봉입되어 있 다. 수은증기는 주로 253.7nm의 자외선을 방사하고 유리관 내벽에 도포된 형광체를 여기하여 가시광을 발생시킨다. 아 르곤 가스는 방전을 용이하게 하는 역할을 담당하고 있으며 형광등은 각종 방전관 속에서도 비교적 낮은 전압으로 용이 하게 방전을 개시한다. 형광등은 텅스텐 코일이 전극으로 되어 있어 전극을 통과 하는 방전전류를 사용, 전극의 발열을 유지하고 아크 방전에 의한 대전류로 방전하여 발광을 계속한다. 또 그림 28에 나타난 바와 같이 방전 개시 전에 글로 스타터를 사용, 텅스텐 코일로 전류를 흘려 프리히트를 실행하는 것이 정석이다.    2. 인버터를 사용한 전자 밸러스트 이상과 같이, 상용전원을 사용한 높은 완성도의 스타터 방 식 점등장치에 대해 전자 점등장치, 즉 인버터를 사용하는 데 에는 몇 가지 이유가 있다. 그 중 하나는 동철 밸러스트의 손실이 많다는 것이다. 도선 을 굵게 하고 코어 사이즈도 크게 하면 손실이 작은 것도 만 들 수 있지만 거대하고 무거워진다. 점등이 느리다는 점이나 플리커가 있다는 점도 하나의 이유이다. 따라서 전자화의 장점을 활용하기 위해서는 고주파화 내지 방형파 구동으로 하면 되며, 회로구성이 간결하고 하프 브리 지 1단에서 끝나는 고주파식 인버터가 널리 실용화되고 있다. 그림 30은 대표적인 하프 브리지를 사용한 형광등 인버터이다.  구동주파수가 L1과 C1으로 된 공진주파수와 같을 때에는 하프 브리지의 고주파 출력전압의 실효값 Vi와 2개의 텅스텐 코일에 인가되는 전압 2VRf가 같아져 여열(余熱)이 실행된다. 동시에 형광관의 방전 개시 전압이 하강하기 시작, VC1으로 하강한 시점에서 방전이 개시된다. 그림 31에 시동 시의 파형을 나타낸다.  냉음극관의 특징과 구동방법 냉음극관은 열음극관(형광등)에 비해 유리관의 지름을 작 게 할 수 있으며 액정의 포터빌리티에 매치하는 광원이다. 유리관의 지름은 Ø1.8mm가 실용화되어 박형화에 공헌하 고 있다. 구동장치로서는 DC 전원을 입력한 로이어 방식의 고주파 인버터가 주류를 이루고 있다. 그 회로를 그림 32에 나타낸다.  Lo와 트랜스 Lp의 센터 탭 접속점 파형은 정현파를 전파정 류한 것과 같은 파형으로 된다. Lo에 흐르는 전류는, 약간의 고주파성분은 있지만 일정한 직류전류로 된다. Lo는 이 직류전류에서 포화되지 않은 전류 용량으로 하고, 인덕턴스는 트랜스의 1차 측 Lp보다 큰 값으 로 설정한다. 즉, Lo는 직류저항이 제로이며 고주파적으로는 정전류원의 역할을 담당하고 있다. 2차 측 LS에는 1∼2kV의 고주파전압이 발생하고 트랜스 LP, LS가 밀접하게 결합된 경우, 트랜스의 출력은 정전압원이 되므로 Cb가 밸러스트의 역할을 담당한다. LP, LS를 소(疎)결 합하여 Cb를 생략할 수도 있다. 소결합이면서 Cb를 생략하지 않을 경우에는 1차 측 공진주파수와 2차 측 공진주파수에 차 이가 발생하여 전원전압의 변화에 따라 발진주파수가 점프하 는 경우도 있으므로 주의해야 한다. 1차 측 교류전압(고주파)은, Lo 파형의 평균값이 DC 전원 의 전압과 같기 때문에 평균값에서의 실효값 변환에서, 2×1/ 2×π/2×VDC＝2.22VDC 로 되며, 전원전압이 12인 경우에는 이론값에서 약 26.7 VRMS, 실제로는 손실이나 고조파가 포함되므로 23∼24VRMS 가 된다. 2차 측에 2kVRMS를 발생시키려면 권수비 np : ns를 1 : 87 ∼1 : 100 정도로 설정한다. 또 2차 측의 내압확보와 부유용 량 저감을 위해 섹션 롤이 가능한 보빈을 선택한다. 2차 측 전극간의 거리도 6mm 이상을 확보한다. 일단 전극간에 방전이 시작되면 프린트 기판 표면에 탄화 물질이 부착하여 방전을 더욱 조장한다. 패턴간 거리를 확보 할 수 없을 때에는 슬릿을 설정하여 연면거리를 확보한다. 또 2차 측의 전류가 수m∼십수mA로 낮고 배선의 스타일링이나 램프 주변에 설치된 반사판 등의 부유용량을 통해 누 설되기 쉽다는 점에 주의해야 한다. 시험적으로 2차 측의 배 선을 손으로 잡아보면 1차 측 소비전류가 감소되고 동시에 램 프가 어두워진다는 것을 확인할 수 있다. HID 램프의 특징과 구동방법 HID 램프(고휘도 방전관)의 하나인 수은 램프는 수cm 큰 발광관인 투명석영 유리관 속에 아르곤 가스와 수은이 봉입 되어 있다. 바깥쪽 유리관에는 질소 가스가 봉입되어 있어 발 광관의 보온과 전극 산화방지, 자외선 차단을 실행하고 있다. 메탈 핼라이드 램프는 수은 램프의 결점인 나쁜 연색성을 개선하기 위해 고안되었다. 이 램프는 발광관 내에 수은 이외 의 금속 할로겐화물을 봉입하고 있다. 이그니션을 사용하여 램프가 점등하기 시작하면 먼저 수은 이 증발하여 발광을 시작한다. 다음에 발광관의 온도상승과 함께 할로겐화 금속이 증발하기 시작하여 밝게 빛난다. 시동 에서 정상상태까지 극적인 변화를 일으키기 때문에 구동회로 에 요구되는 과제도 크다. 방전 개시 시 2kV의 전압을 필요로 하고 시동된 직후에는 전압이 20V 정도로 저하된다. 이 때 수A의 방전유지 전류를 흘려 발광관 내의 온도가 상승되기를 기다린다. 얼마 후, 전 압은 80V 정도로 되며 이 동안에 정격전력을 유지하도록 제 어해야 한다. 고체에 따라 분산도 크므로 정상상태의 전압이나 전류뿐만 아니라 시동 개시(이그니션) 전압이나 글로에서 아크로의 상 태 추이 용이성 등 각각의 항목에서 램프의 분산을 검토해야 한다. 소등 시 할로겐화 금속은 고체, 수은은 액체 상태로 존재하 며 시동 시의 컨디션에 차이를 부여하고 있는 것 같다. 일단 정상상태로 된 램프는 고온고압으로 되어 있고 소등 직후의 재시동(핫 스타트)은 불가능하다. 차량탑재용 HID 램프의 특징과 구동방법 차량탑재용 HID 램프는 아르곤 가스 대신에 크세논 가스 를 고압으로 봉입하여 순간적인 시동과 핫 스타트를 가능케 하고 있다. 이로써 종래의 HID 램프에서는 콜드 스타트 전압이 2kV 정도이고 핫 스타트가 불가능했지만 차량탑재용 HID 램프에 서는 콜드 스타트, 핫 스타트 모두 15kV 정도로 되어 20kV 급의 이그나이터를 준비할 수 있다면 어떠한 상태에서도 점 등시킬 수 있게 되었다. 또 시동 직후부터 크세논 발광을 사용하여 정상일 때에 비 해 50% 정도의 명도가 얻어지므로, 입력전력을 2배 정도로 설정하고 조도의 상승과 함께 입력전력을 압축함으로써 시동 직후부터 일정한 조도가 얻어지게 된다. 그림 33은 차량탑재용 HID 램프의 전력보상 커브를 측정한 것이다.  첫 시동, 90s 소등 후, 10s 소등 후 CdS에서 얻어지는 조 도의 데이터는 모두 시동 직후부터 100%로 안정적이다. 이 전력보상은 인텔리전트 회로가 필요하여 CPU나 FPGA 등 이 사용되고 있다. 그 알고리즘은 시동 시의 램프 전압을 측 정하여 전력을 컨트롤하는 구조로 되어 있는 것 같다. 저압 나트륨 램프의 특징과 구동방법M 저압 나트륨 램프는 고속도로의 터널 등에 사용되고 있는 램프이며 오렌지옐로우의 빛을 발하는 가장 고효율의 램프 이다. 사진 8에 저압 나트륨 램프의 외관을 나타낸다.  표식이나 검사광원에도 사용되고 있으며 액정의 도트 결락 검사에 전자 밸러스트와의 조합으로 응용되고 있다. 인버터 의 회로는 HID용과 큰 차이가 없고 설정을 고전압저전류로 정한다. 시동전압은 1kV 이하이며 2차 측 방형파 전압의 링 잉 정도로 시동한다. |
전자회로/Power
