본 논문은 디지털제어방식을 이용한 자동차용 35[W]급 메탈핼라이드 램프용 전자식 안정기의 고효율 조광제어 시스템을 구현하였다. 본 논문에서는 밝기, 연색성, 광효율, 수명 등에서 기존의 할로겐 램프에 비해 우수한 특성을 가지고 있지만 복잡한 과도특성을 가지고 있는 메탈핼라이드 램프를 자동차에 적용하기 위해 디지털 제어방식을 전자식 안정기에 적용하여 램프 요구조건 및 주변 환경에 최적으로 적용할 수 있도록 전자식 안정기를 설계하였다. 또한, 주변의 빛의 세기에 따라 램프의 양단전압을 단계별로 가변 제어하는 조광시스템을 구현하여, 운전자에게는 보다 효율적인 운전여건을 만듬과 동시에 한정된 에너지를 가진 밧데리로 운전하는 자동차에서 효율적인 전력제어를 실현하였다. 개발된 안정기에 대한 동작특성을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다.
본 논문은 디지털제어방식을 이용한 자동차용 35[W]급 메탈핼라이드 램프용 전자식 안정기의 고효율 조광제어 시스템을 구현하였다. 본 논문에서는 밝기, 연색성, 광효율, 수명 등에서 기존의 할로겐 램프에 비해 우수한 특성을 가지고 있지만 복잡한 과도특성을 가지고 있는 메탈핼라이드 램프를 자동차에 적용하기 위해 디지털 제어방식을 전자식 안정기에 적용하여 램프 요구조건 및 주변 환경에 최적으로 적용할 수 있도록 전자식 안정기를 설계하였다. 또한, 주변의 빛의 세기에 따라 램프의 양단전압을 단계별로 가변 제어하는 조광시스템을 구현하여, 운전자에게는 보다 효율적인 운전여건을 만듬과 동시에 한정된 에너지를 가진 밧데리로 운전하는 자동차에서 효율적인 전력제어를 실현하였다. 개발된 안정기에 대한 동작특성을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다.
This paper presents dimming control system for automotive 35[W] metal halide discharge(MHD) lamp electronic ballast using digital control method. HID system has been becoming increasingly popular due to its superior performance(high luminous efficacy, good color rendering and long life etc.)over the...
This paper presents dimming control system for automotive 35[W] metal halide discharge(MHD) lamp electronic ballast using digital control method. HID system has been becoming increasingly popular due to its superior performance(high luminous efficacy, good color rendering and long life etc.)over the conventional halogen system. However, this lamp demands a highly efficient ballast and very complex control circuitry that can control complex transient state in applying to automotive. Therefore, in this paper, digital control method for the HID lamp ballast is presented for optimal control that can adapt complex transient state, steady state and various environments. In developed dimming system, the system is designed to control the lamp output voltage step by step using microcontroller according to cds sensor. Therefore the designed dimming control system give good driving condition to diver and realize the power control effectively. The results of the proposed system is verified through various simulation results and the experiment results.
This paper presents dimming control system for automotive 35[W] metal halide discharge(MHD) lamp electronic ballast using digital control method. HID system has been becoming increasingly popular due to its superior performance(high luminous efficacy, good color rendering and long life etc.)over the conventional halogen system. However, this lamp demands a highly efficient ballast and very complex control circuitry that can control complex transient state in applying to automotive. Therefore, in this paper, digital control method for the HID lamp ballast is presented for optimal control that can adapt complex transient state, steady state and various environments. In developed dimming system, the system is designed to control the lamp output voltage step by step using microcontroller according to cds sensor. Therefore the designed dimming control system give good driving condition to diver and realize the power control effectively. The results of the proposed system is verified through various simulation results and the experiment results.
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문제 정의
디지털제어 방식을 이용한 자동차용 35[W]급 메 탈핼라이드 램프용 전자식 안정기의 고효율 조광제 어시스템을 개발하였다. 본 논문에서는 밝기, 연색 성, 광효율, 수명등에서 기존의 할로겐 램프에 비해 우수한 특성을 가지고 있지만 복잡한 과도특성을 가지고 있는 메탈핼라이드 램프를 자동차에 적용하기 위해 마이크로컨트롤러에 의한 디지털 제어방식을 전자식 안정기에 적용하여 주변환경에 최적으로 적 용할 수 있도록 전자식 안정기를 설계하였다. 또한 주변의 빛의 세기에 따라 램프의 양단전압을 단계별 로 가변 제어하여, 운전자에게는 보다 효율적인 운 전여건을 만듬과 동시에 한정된 에너지를 가진 배터 리로 운전하는 자동차에서 효율적인 전력제어를 실 현하였다.
이러한 이유로 현재 가격이 비싼 고급 차에만 한정되어 사용되고 있고 있는데, 중소형의 자동차에도 사용할 수 있도록 하기위해서는 안정 기의 코스트를 낮추고, 안정기 크기를 줄이는 방 법들이 개발되어야 한다[3][4][5丄 또한 MHD램프 는 고압방전할 때, 방전관내의 음향공진현상으로 인해 방전관내의 아크가 불안정하여 플리커나, 소 음, 아크 소멸 등을 발생시킨다[6]. 본 논문은 복잡 한 과도특성을 갖는 메탈핼라이드 램프를 자동차 에 최적으로 적용하기 위해 마이크로컨트롤러를 이용한 디지털 제어방식의 전자식안정기를 개발 하였으며, 또한 주변의 빛의 세기에 따라 램프의 양단전압을 단계별로 가변 제어하여, 운전자에게 는 보다 효율적인 운전여건을 만듬과 동시에 한정 된 에너지를 가진 배터리로 운전하는 자동차에서 효율적인 전력제어를 실현하였다. 본 논문에 사용된 메탈핼라이드 램프용 전자식 안정기는 Flyback Type 컨버터, 풀브리지 인버터와 승압 점화장치(igniter)로 구성되어있으며, 주변의 빛의 조도에 따른 조광제어에는 CdS 센서를 이용하여, 빛의 세기에 따른 출력전압을 마이크로컨트롤러 에 의해, 단계적으로 제어하도록 프로그램을 개발 하였다.
제안 방법
그림 3과 같이 제안된 시스템은 자동차 주변 의 밝기에 따라 CdS 셀(Cell)에 입력되는 빛의 강도 에 따른 신호를 MCUCMicro- ControUer Unit)에서 단계별로 구분하여, Flyback 컨버터의 MOSFET의 Gate 신호를 PWM제어하여, LAMP 양단의 전압을 제어하여, 조광제어를 하는 구조로 되어있다. CdS 셀(Cell)에 입력되는 빛의 강도에 따른 신호의 제어 시에 히스테리시스 제어를 통해 안정기의 조광제어 시의 민감도를 감소시켜 조광제어시의 안정화를 실 현하였다. 또한 조광제어시의 LAMP의 균일한 조도 를 유지하기위해 인버터 단에서 전압과 전류를 실시 간으로 MCU로 읽어 들여 제어하였다.
또한, 방전관내의 전극수명 감소를 막고 음향공명을 피하기 위하여 고주파 리플성분을 추 가하기 위한 절연형 Flyback 컨버터와 저주파로 구동하는 풀브리지 인버터를 이용하여 구형저주 파에 정현고주파가 첨가되도록 하였다[5][6][7]. 개발된 안정기에 대한 동작 특성을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다.
또한, 방전관내의 전극수명 감소를 막고 음향공명을 피하기 위하여 고주파 리플성분을 추 가하기 위한 절연형 Flyback 컨버터와 저주파로 구동하는 풀브리지 인버터를 이용하여 구형저주 파에 정현고주파가 첨가되도록 하였다[5][6][7]. 개발된 안정기에 대한 동작 특성을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다.
본 논문에서 자동차용으로 개발한 조광제어용 고 효율 전자식 안정기 회로의 블록도를 그림 3에 나타내었다. 그림 3과 같이 제안된 시스템은 자동차 주변 의 밝기에 따라 CdS 셀(Cell)에 입력되는 빛의 강도 에 따른 신호를 MCUCMicro- ControUer Unit)에서 단계별로 구분하여, Flyback 컨버터의 MOSFET의 Gate 신호를 PWM제어하여, LAMP 양단의 전압을 제어하여, 조광제어를 하는 구조로 되어있다. CdS 셀(Cell)에 입력되는 빛의 강도에 따른 신호의 제어 시에 히스테리시스 제어를 통해 안정기의 조광제어 시의 민감도를 감소시켜 조광제어시의 안정화를 실 현하였다.
디지털제어 방식을 이용한 자동차용 35[W]급 메 탈핼라이드 램프용 전자식 안정기의 고효율 조광제 어시스템을 개발하였다. 본 논문에서는 밝기, 연색 성, 광효율, 수명등에서 기존의 할로겐 램프에 비해 우수한 특성을 가지고 있지만 복잡한 과도특성을 가지고 있는 메탈핼라이드 램프를 자동차에 적용하기 위해 마이크로컨트롤러에 의한 디지털 제어방식을 전자식 안정기에 적용하여 주변환경에 최적으로 적 용할 수 있도록 전자식 안정기를 설계하였다.
그림 4에서 커패시터 C2 는 점화전에 충전 저항 人1을 통해 전류를 충전하고, 점화후에 램프가 즉시 글로우 방전상태에서 아크 방 전상태로 전이하도록, 방전저항, 供를 통해 전류를 방전한다. 또한 MHD 램프는 램프의 흑화를 방지하기 위해 교류로 구동해야 하는 데, 250[Hz]의 저주파 로 스위칭하여 구형파를 발생시키는 플브리지 인버 터를 이용하여 음향공명 현상을 방지하였대3丄 본 논문은 여러가지 장점에도 불구하고 복잡한 과도특성을 갖는 메탈핼라이드 램프를 최적으로 제어하여 자동차에 적용하기 위해 마이크로프로세서를 이용한 디지털 제어방식의 전자식안정기를 설계하였다. 또한 제안된 시스템은 램프의 조광제어를 위해, 자 동차 주변의 밝기에 따라 CdS 셀(Cell)을 이용하여 입력되는 빛의 강도에 따른 신호를 검출하여, MCU(Micro -ControUer Unit)로 보내고, MCU에서 는 센싱된 신호를 단계별로 구분하여, Flyback 컨버 터의 MOSFET의 Gate 신호를 PWM 제어하여, 램 프 양단의 전압을 제어하였다.
또한 MHD 램프는 램프의 흑화를 방지하기 위해 교류로 구동해야 하는 데, 250[Hz]의 저주파 로 스위칭하여 구형파를 발생시키는 플브리지 인버 터를 이용하여 음향공명 현상을 방지하였대3丄 본 논문은 여러가지 장점에도 불구하고 복잡한 과도특성을 갖는 메탈핼라이드 램프를 최적으로 제어하여 자동차에 적용하기 위해 마이크로프로세서를 이용한 디지털 제어방식의 전자식안정기를 설계하였다. 또한 제안된 시스템은 램프의 조광제어를 위해, 자 동차 주변의 밝기에 따라 CdS 셀(Cell)을 이용하여 입력되는 빛의 강도에 따른 신호를 검출하여, MCU(Micro -ControUer Unit)로 보내고, MCU에서 는 센싱된 신호를 단계별로 구분하여, Flyback 컨버 터의 MOSFET의 Gate 신호를 PWM 제어하여, 램 프 양단의 전압을 제어하였다. 또한 조광제어시 CdS 셀(Cell)에 입력되는 빛의 강도에 따른 신호를 히스 테리시스 기법을 이용하여 제어함으로써, 조광제어 시의 안정화를 도모하였고, 조광제어시 램프의 균일 한 조도 유지를 위해 인버터단에서 전압과 전류를 실시간으로 MCU로 읽어 들여 제어하였다.
또한 제안된 시스템은 램프의 조광제어를 위해, 자 동차 주변의 밝기에 따라 CdS 셀(Cell)을 이용하여 입력되는 빛의 강도에 따른 신호를 검출하여, MCU(Micro -ControUer Unit)로 보내고, MCU에서 는 센싱된 신호를 단계별로 구분하여, Flyback 컨버 터의 MOSFET의 Gate 신호를 PWM 제어하여, 램 프 양단의 전압을 제어하였다. 또한 조광제어시 CdS 셀(Cell)에 입력되는 빛의 강도에 따른 신호를 히스 테리시스 기법을 이용하여 제어함으로써, 조광제어 시의 안정화를 도모하였고, 조광제어시 램프의 균일 한 조도 유지를 위해 인버터단에서 전압과 전류를 실시간으로 MCU로 읽어 들여 제어하였다.
본 논문에서는 제안된 시스템은 램프의 조광제어 를 위해, 자동차 주변의 밝기에 따라 CdS 셀(Cell)을 이용하여 입력되는 빛의 강도에 따른 신호를 검출하 여, MCU(Mcro-Controller UUit)로 보내고, MCU에 서는 센싱된 신호를 단계별로 구분하여, Flyback 컨 버터의 MOSFET의 Gate 신호를 PWM 제어하여, 램프 양단의 전압을 제어하였다. 또한 조광제어시 CdS 셀(Cell)에 입력되는 빛의 강도에 따른 신호를 히스테리시스 기법을 이용하여 제어함으로써, 조광 제어시의 안정화를 실현하였고, 조광제어시 램프의 균일한 조도 유지를 위해 인버터 단에서 전압과 전 류를 실시간으로 MCU로 읽어드려 제어하였다. 그림 10은 디지털제어와 조광제어를 위해 본 논문에 적용된 마이크로컨트롤러 주변의 제어 및 감지회로 를 블록 다이어그램으로 나타낸 것이다.
CdS 셀(Cell)에 입력되는 빛의 강도에 따른 신호의 제어 시에 히스테리시스 제어를 통해 안정기의 조광제어 시의 민감도를 감소시켜 조광제어시의 안정화를 실 현하였다. 또한 조광제어시의 LAMP의 균일한 조도 를 유지하기위해 인버터 단에서 전압과 전류를 실시 간으로 MCU로 읽어 들여 제어하였다.
이러한 이유로 현재 가격이 비싼 고급 차에만 한정되어 사용되고 있고 있는데, 중소형의 자동차에도 사용할 수 있도록 하기위해서는 안정 기의 코스트를 낮추고, 안정기 크기를 줄이는 방 법들이 개발되어야 한다[3][4][5丄 또한 MHD램프 는 고압방전할 때, 방전관내의 음향공진현상으로 인해 방전관내의 아크가 불안정하여 플리커나, 소 음, 아크 소멸 등을 발생시킨다[6]. 본 논문은 복잡 한 과도특성을 갖는 메탈핼라이드 램프를 자동차 에 최적으로 적용하기 위해 마이크로컨트롤러를 이용한 디지털 제어방식의 전자식안정기를 개발 하였으며, 또한 주변의 빛의 세기에 따라 램프의 양단전압을 단계별로 가변 제어하여, 운전자에게 는 보다 효율적인 운전여건을 만듬과 동시에 한정 된 에너지를 가진 배터리로 운전하는 자동차에서 효율적인 전력제어를 실현하였다. 본 논문에 사용된 메탈핼라이드 램프용 전자식 안정기는 Flyback Type 컨버터, 풀브리지 인버터와 승압 점화장치(igniter)로 구성되어있으며, 주변의 빛의 조도에 따른 조광제어에는 CdS 센서를 이용하여, 빛의 세기에 따른 출력전압을 마이크로컨트롤러 에 의해, 단계적으로 제어하도록 프로그램을 개발 하였다.
본 논문에 사용된 메탈핼라이드 램프용 전자식 안정기는 Flyback Type 컨버터, 풀브리지 인버터와 승압 점화장치(igniter)로 구성되어있으며, 주변의 빛의 조도에 따른 조광제어에는 CdS 센서를 이용하여, 빛의 세기에 따른 출력전압을 마이크로컨트롤러 에 의해, 단계적으로 제어하도록 프로그램을 개발 하였다. 또한, 방전관내의 전극수명 감소를 막고 음향공명을 피하기 위하여 고주파 리플성분을 추 가하기 위한 절연형 Flyback 컨버터와 저주파로 구동하는 풀브리지 인버터를 이용하여 구형저주 파에 정현고주파가 첨가되도록 하였다[5][6][7]. 개발된 안정기에 대한 동작 특성을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다.
본 논문은 복잡 한 과도특성을 갖는 메탈핼라이드 램프를 자동차 에 최적으로 적용하기 위해 마이크로컨트롤러를 이용한 디지털 제어방식의 전자식안정기를 개발 하였으며, 또한 주변의 빛의 세기에 따라 램프의 양단전압을 단계별로 가변 제어하여, 운전자에게 는 보다 효율적인 운전여건을 만듬과 동시에 한정 된 에너지를 가진 배터리로 운전하는 자동차에서 효율적인 전력제어를 실현하였다. 본 논문에 사용된 메탈핼라이드 램프용 전자식 안정기는 Flyback Type 컨버터, 풀브리지 인버터와 승압 점화장치(igniter)로 구성되어있으며, 주변의 빛의 조도에 따른 조광제어에는 CdS 센서를 이용하여, 빛의 세기에 따른 출력전압을 마이크로컨트롤러 에 의해, 단계적으로 제어하도록 프로그램을 개발 하였다. 또한, 방전관내의 전극수명 감소를 막고 음향공명을 피하기 위하여 고주파 리플성분을 추 가하기 위한 절연형 Flyback 컨버터와 저주파로 구동하는 풀브리지 인버터를 이용하여 구형저주 파에 정현고주파가 첨가되도록 하였다[5][6][7].
또한 주변의 빛의 세기에 따라 램프의 양단전압을 단계별 로 가변 제어하여, 운전자에게는 보다 효율적인 운 전여건을 만듬과 동시에 한정된 에너지를 가진 배터 리로 운전하는 자동차에서 효율적인 전력제어를 실 현하였다. 본 논문에 사용된 메탈핼라이드 램프용 전자식 안정기는 크게 방전관내의 전극수명 감소를 막고 음향공명을 피하기 위한 절연형 Flyback 컨버 터와 저주파 구동 풀브리지 인버터 및 승압 점화장 치(igniter)로 구성돼 있으며, 주변의 빛의 조도에 따른 조광제어에는 CdS 센서를 이용하여, 빛의 세기에 따른 출력전압을 마이크로컨트롤러에 의해, 단계적 으로 제어하도록 프로그램을 개발하였다. 개발된 안 정기에 대한 동작 특성을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다.
음향공명을 피하기 위해, 몇 가지 방법이 제안되 었는데[6〕, 첫 번째는 램프를 최소 공진주파수 이하 인 수백 [田]의 저주파에서 구동시키는 방법, 두 번 째는 관내 공진을 일으키지 않는 안정주파수를 찾아 구형저주파에 고주파 성분을 첨가한 방법, 세 번째 는 화이트 노이즈 등을 이용하여 고주파 변조 방법에 의하여 구동시키는 방법, 네 번째는 관내 최고 공 진주파수 이상인 [MHz]에 이르는 주파수로 램프를 구동시키는 방법이다. 본 논문에서는 음향공명을 피 하기 위해 식(1)~(3)을 이용하여 공진을 일으키지 않는 안정주파수를 찾아 구형저주파에 고주파 성분 을 첨가토록한 절연형 Flyback 컨버터를 이용하여 음향공명 현상을 제거하였다.
본 논문에서는 제안된 시스템은 램프의 조광제어 를 위해, 자동차 주변의 밝기에 따라 CdS 셀(Cell)을 이용하여 입력되는 빛의 강도에 따른 신호를 검출하 여, MCU(Mcro-Controller UUit)로 보내고, MCU에 서는 센싱된 신호를 단계별로 구분하여, Flyback 컨 버터의 MOSFET의 Gate 신호를 PWM 제어하여, 램프 양단의 전압을 제어하였다. 또한 조광제어시 CdS 셀(Cell)에 입력되는 빛의 강도에 따른 신호를 히스테리시스 기법을 이용하여 제어함으로써, 조광 제어시의 안정화를 실현하였고, 조광제어시 램프의 균일한 조도 유지를 위해 인버터 단에서 전압과 전 류를 실시간으로 MCU로 읽어드려 제어하였다.
대상 데이터
본 논문에서는 Mega 시리즈 AVR 중 하나인 ATMEGA48 을 사용하였다. AVR시리즈는 기존에 다른 마이컴에 비해 처리속도가 매우 빠르고, SPKSystem Program Interface)기능을 가지고 있어, 보드에 취부되어 있는 상태에서도, 프로그램의 수정 이 가능한 장점을 가지고 있다.
그림 17은 과도상태에서의 램프양단의 전압을 나타낸다. 실험에 사용된 램프는 필립스사의 D2S이다. 그림 17에서 보는 바와 같이 초기에 램프 양단의 절 연을 파괴하기 위한 아크갭의 동작에 의해 25[kV]의 고압이 걸리는 것을 확인할 수 있고, 절연파괴 후에 는 출력단의 인버터에 걸리는 램프의 정격전압으로 양호하게 동작함을 확인할 수 있다.
데이터처리
그림 12는 시뮬레이션에 사용된 제어기의 회로도 이다. 제어기의 시뮬레이션은 PSIM 시뮬레이션 툴 을 이용하여 행하였다.
성능/효과
2) 점화용 고압펄스(Ignition stage, T2~ 100ns) 램프는 램프 종류, 램프 조건, 온도와 경년, 펄 스의 상승시간 등의 조건에 따라 23~30[kV] 크기의 점화펄스로 안전하게 점등될 수 있다.
2.2절의 분석에서 안정기는 서로 다른 여러가지 동작 상태에서 각기 다른 모드로 동작할 필요가 있음을 알 수 있다. 특별히 Tum-on 단계에서 안정기 는 적당한 출력전압을 발생시키고, 점화기가 점화펄 스를 만들어 낼 때까지 이 전압을 유지해야 한다.
개발된 안 정기에 대한 동작 특성을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다. 시뮬레이션과 실험 결과 과도상태에서 안정상태까지 자동차용 고압 방전등의 설계조건에 잘 부합됨을 확인하였다.
표 3은 제안한 조광제어용 안정기의 입력전력 절 감효과를 보여주고 있다. 표 3에서 볼 수 있듯이 차 량의 주변 밝기에 따라 조광제어를 하는 경우에 입 력전력의 비효율적인 소모를 상당히 줄일 수 있어, 차량용 밧데리의 효율적인 전력제어를 실현하는 것이 가능하다.
참고문헌 (11)
이재언, '고압수은등,메탈 헬라이드 램프', 대한영상 시스템 건축전기설비 기술사 II, pp253-257
K.D.G ENG(주), http://www.newparts.co.kr/
In-Kyu Lee, Sung-Jin Choi, Kyu_Chan Lee, Bo H. Cho, 'Modeling and Control of Automotive HID Lamp Ballast', PEDS'99, July 1999, Hong Kong, pp506-510
Yongxuan Hu, 'Analysis and Design of High-Intensity-Discharge Lamp Ballast for Automotive Headlamp' Virginia Polytechnic Institute and State University, 2001
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