트랜스포머의 자가 공진(Self-Resonance)특성을 이용한 자가 발진(Self-Oscillation) UV(Ultra Violet) 발생 플래시램프 전원장치설계 및 그 동작 특성 Design of the self-oscillation UV flash lamp power supply and the characteristic of its operation using self-resonance of the transformer원문보기
김신효
(Research and Development Team, Korea Ship Safety Technology Authority)
,
조대권
(Research and Development Team, Sangyoung Research and New Development, Gyeongnam College of Information)
UV 발생용 플래시램프의 전원공급장치는 강력한 아크방전을 유발하기 위하여 높은 승압 비를 갖는 전압변환회로를 가지고 있다. 일반적인 구조는 높은 승압비의 트랜스포머와 배전압정류방식(코크라프트 올튼 회로 등)으로 방전관의 절연을 파괴함과 동시에 방전관에 전류를 급격히 통과시키는 방식으로 구동한다. 이 때, 제논방전관의 방전특성상 입력전류를 제한하지 않으면 방전관의 과다 발열, 전극손실, 봉입기체의 산화가속 등으로 수명저하의 원인이 되므로, 반드시 방전관에 유입되는 전류를 제한해야 되며, 이를 Ballast라 하는데 일반적으로 인덕터나 저항을 사용하여 인입전류량을 제한한다. 트랜스포머의 자가 공진(self-resonance)을 이용하면 낮은 1, 2차권선 비에도 고유주파수의 전후에서 비교적 높은 피크 전압을 얻을 수 있다. 또한 트랜스포머의 특정주파수에서 고유임피던스 성분을 이용하여 출력전압을 필터링하면 제논방전관이 자가 발진방식으로 동작하므로 종래의 회로구성보다 간단하고 경제적인 아크방전 파워 스테이지의 구성이 가능하다.
UV 발생용 플래시램프의 전원공급장치는 강력한 아크방전을 유발하기 위하여 높은 승압 비를 갖는 전압변환회로를 가지고 있다. 일반적인 구조는 높은 승압비의 트랜스포머와 배전압정류방식(코크라프트 올튼 회로 등)으로 방전관의 절연을 파괴함과 동시에 방전관에 전류를 급격히 통과시키는 방식으로 구동한다. 이 때, 제논방전관의 방전특성상 입력전류를 제한하지 않으면 방전관의 과다 발열, 전극손실, 봉입기체의 산화가속 등으로 수명저하의 원인이 되므로, 반드시 방전관에 유입되는 전류를 제한해야 되며, 이를 Ballast라 하는데 일반적으로 인덕터나 저항을 사용하여 인입전류량을 제한한다. 트랜스포머의 자가 공진(self-resonance)을 이용하면 낮은 1, 2차권선 비에도 고유주파수의 전후에서 비교적 높은 피크 전압을 얻을 수 있다. 또한 트랜스포머의 특정주파수에서 고유임피던스 성분을 이용하여 출력전압을 필터링하면 제논방전관이 자가 발진방식으로 동작하므로 종래의 회로구성보다 간단하고 경제적인 아크방전 파워 스테이지의 구성이 가능하다.
These Xenon flashlamp power supply for Ultra Violet has converter with high voltage conversion ratio. General model is composed of transformer with high voltage conversion ratio and voltage doubler rectifier circuit. Purpose of power supply leads dielectric breakdown of Xenon flashlamp and passes cu...
These Xenon flashlamp power supply for Ultra Violet has converter with high voltage conversion ratio. General model is composed of transformer with high voltage conversion ratio and voltage doubler rectifier circuit. Purpose of power supply leads dielectric breakdown of Xenon flashlamp and passes current rapidly. When passing current, it has to limit current to avoid over-heat, damage of electrode and acceleration of gas oxidation which are cause of performance degradation of lamps. Generally, inductors and resistors, which are called as "Ballast," are used to limit currents. Generally, Transformer has high turn ratio to make high voltages. But we can get high voltages using the transformer with low turn ratio which is driven with self resonance. Also, an advantage of self resonance is to make a circuit simply through impedance of transformer in resonance frequency which filters output voltage. As using an unique impedance of transformer, the circuit does not need other impedance elements like the ballast. So the power supply assures high efficiency of the arc discharge.
These Xenon flashlamp power supply for Ultra Violet has converter with high voltage conversion ratio. General model is composed of transformer with high voltage conversion ratio and voltage doubler rectifier circuit. Purpose of power supply leads dielectric breakdown of Xenon flashlamp and passes current rapidly. When passing current, it has to limit current to avoid over-heat, damage of electrode and acceleration of gas oxidation which are cause of performance degradation of lamps. Generally, inductors and resistors, which are called as "Ballast," are used to limit currents. Generally, Transformer has high turn ratio to make high voltages. But we can get high voltages using the transformer with low turn ratio which is driven with self resonance. Also, an advantage of self resonance is to make a circuit simply through impedance of transformer in resonance frequency which filters output voltage. As using an unique impedance of transformer, the circuit does not need other impedance elements like the ballast. So the power supply assures high efficiency of the arc discharge.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 아크 방전을 위해 제논램프에 공급되는 전류를 Ballast(저항, 인덕터)를 통하여 제한하지 않고, 승압트랜스포머의 커패시터 기생성분과의 공진과 내부 임피던스를 이용한 구동주파수 특성에 따른 전압의 특성 변화를 이용하여 UV 발생 장치용 자가 공진방식의 제논램프 전원공급장치의 설계 방법과 그 동작특성을 소개한다[10]-[13].
본 연구에서는 UV 발생용 제논플래시램프의 전원공급장치를 설계함에 있어 제논방전관의 점등특성에서 중요한 충⋅방전 특성 및 이를 적절히 제어할 수 있는 회로 구조를 통하여 시스템의 크기와 구성을 간소화하여 소출력 UV 발생 장치 시스템에 적용을 목적으로 한다.
제안 방법
Cb값을 각각 25uF, 50uF, 110uF로 하여 자가 발진을 일으키는 충전주기 및 아크 방전개시 전압, 방전종료 전압, 예비방전 유지 전압을 비교하여 본론의 주장과 동일함을 보였으며, 또한 방전관에서 방출되는 빛 에너지의 량을 통해서 방전개시전압을 예비방전유지전압과 동일한 값으로 유지하면서 전류량만으로 광량을 충분히 조절할 수 있음을 보였으며, 실험 결과는 다음과 같다.
트랜스포머제작 시 소밀(疏密) 권선방법으로 2차 측을 권선할 경우, 조밀(稠密)한 권선방법에서 보다 기생용량이 줄어들고 커패시터 기생용량과 자화인덕턴스의 조합으로 결정되는 자가 공진 주파수는 높아지는 경향을 갖게 된다. 이와 같은 특성을 적극 이용하여 고역의 주파수에서 스위치소자를 구동할 경우 트랜스포머의 권선량을 줄일 수 있고 그로 인하여 트랜스포머의 크기가 줄어드는 장점이 있기 때문에 본 연구에서는 일반적인 구동주파수보다 다소 높은 200k~400khz에서 구동하는 용도로 트랜스포머를 설계하였다.
저속 자가 발진을 이용하여, 40Hz ~ 0.2Hz 까지 다양한 충전주기를 이용한 방전특성을 실험해 보았다. 커패시터의 충전전압은 Vpeak보다 적은 값에서 충전하며, 실험에서는 무부하시 Vpeak 1.
안전을 고려하여 수십 Voltage(이하 V)의 저전압 입력을 통하여 1~2kV의 피크전압으로 변환하기에 용이한 트랜스포머의 자가 공진을 이용하고, 출력 펄스발생은 트랜스포머의 고유임피던스 성분과 출력 측 충전 커패시터와의 충전 시정수를 이용하여 시간지연을 유도하며, 방전요구전압에 충분히 출력 전압이 도달하면 방전관을 턴 온(turn–on) 되게 하여, 이를 스스로 연속적으로 반복하는 방식으로 광펄스를 방출하는 방법이다. 즉, 출력 측의 아크방전과 관련하여 별도의 Micro controller unit(MCU)와 스위치 구동 드라이버 등을 필요하지 않으며 소형화, 간소화할 수 있으므로 저출력 제논 플래시램프의 전원공급방법으로 적합하여 아크방전 유지 및 제어를 위한 고전압, 대전류 스트레스에 강한 고가의 SCR, IGBT와 같은 스위치 소자를 적용하지 않아도 됨으로 경제성이 고려된 구조의 회로 (Figure 10)를 제안한다.
2Hz 까지 다양한 충전주기를 이용한 방전특성을 실험해 보았다. 커패시터의 충전전압은 Vpeak보다 적은 값에서 충전하며, 실험에서는 무부하시 Vpeak 1.6kV에 Vc=Vsm 인 240V로 충전이 완료됨과 동시에 방전되도록 설계 및 회로정수를 부여하였다. 이때 충⋅ 방전 주기에 따른 자가 발진 주파수는 계산식과 같이 일치함을 실험을 통하여 확인하였다.
이상과 같은 실험을 통하여, UV 발생 시스템장치의 전원장치로 40~50pps급 제논 방전 램프용 전원공급장치가 적절함을 보였다. 특히, 방전속도를 빨리하기 위해서는 전원공급장치의 전류용량만 증가시키면 되며, 여기에 부가하여 방전관의 최대방전전류용량에 적합하도록 커패시터 뱅크의 용량만 적절히 가변하면 전류조절과 속도조절을 동시에 달성하여, 수십 pps급의 소용량 UV 펄스 발생장치를 콤팩트하게 설계할 수 있도록 하는 하나의 방법으로 제안 한다. 아울러, 100pps급 이상의 고속발진에서도 예비방전과 아크방전이 안정적으로 유지될 수 있도록 하는 심화연구가 필요할 것으로 판단한다.
성능/효과
따라서 트랜스포머를 설계할 때, t를 결정하면, 그에 맞는 각 정수의 결정을 통하여 방전관을 포함한 시스템의 자가 발진주파수를 결정할 수 있는 회로구조를 가짐으로, Micro controller unit(MCU)와 스위치소자 및 스위치 드라이버의 구비를 없애거나 최소화할 수 있으므로, 시스템의 공간적, 경제적 효율을 상승시킬 수 있다는 장점이 있다.
실험을 통하여 광출력 패턴을 파악하면, Figure 12, 13와 같이 용량의 증가에 대하여 광 펄스 출력 Peak power와 광 펄스의 Pulse Width가 증가함을 알 수 있으며, Pulse width는 용량의 증가와 함께 증가기울기가 감소하며, 광 pulse 출력은 기울기가 증가하는 패턴을 보인다.
이때 충⋅ 방전 주기에 따른 자가 발진 주파수는 계산식과 같이 일치함을 실험을 통하여 확인하였다.
이상과 같은 실험을 통하여, UV 발생 시스템장치의 전원장치로 40~50pps급 제논 방전 램프용 전원공급장치가 적절함을 보였다. 특히, 방전속도를 빨리하기 위해서는 전원공급장치의 전류용량만 증가시키면 되며, 여기에 부가하여 방전관의 최대방전전류용량에 적합하도록 커패시터 뱅크의 용량만 적절히 가변하면 전류조절과 속도조절을 동시에 달성하여, 수십 pps급의 소용량 UV 펄스 발생장치를 콤팩트하게 설계할 수 있도록 하는 하나의 방법으로 제안 한다.
후속연구
특히, 방전속도를 빨리하기 위해서는 전원공급장치의 전류용량만 증가시키면 되며, 여기에 부가하여 방전관의 최대방전전류용량에 적합하도록 커패시터 뱅크의 용량만 적절히 가변하면 전류조절과 속도조절을 동시에 달성하여, 수십 pps급의 소용량 UV 펄스 발생장치를 콤팩트하게 설계할 수 있도록 하는 하나의 방법으로 제안 한다. 아울러, 100pps급 이상의 고속발진에서도 예비방전과 아크방전이 안정적으로 유지될 수 있도록 하는 심화연구가 필요할 것으로 판단한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
UV 발생용 플래시램프의 전원공급장치의 특징은?
UV 발생용 플래시램프의 전원공급장치는 강력한 아크방전을 유발하기 위하여 높은 승압 비를 갖는 전압변환회로를 가지고 있다. 일반적인 구조는 높은 승압비의 트랜스포머와 배전압정류방식(코크라프트 올튼 회로 등)으로 방전관의 절연을 파괴함과 동시에 방전관에 전류를 급격히 통과시키는 방식으로 구동한다.
UV 발생용 플래시램프의 전원공급장치는 어떻게 구동하는가?
UV 발생용 플래시램프의 전원공급장치는 강력한 아크방전을 유발하기 위하여 높은 승압 비를 갖는 전압변환회로를 가지고 있다. 일반적인 구조는 높은 승압비의 트랜스포머와 배전압정류방식(코크라프트 올튼 회로 등)으로 방전관의 절연을 파괴함과 동시에 방전관에 전류를 급격히 통과시키는 방식으로 구동한다. 이 때, 제논방전관의 방전특성상 입력전류를 제한하지 않으면 방전관의 과다 발열, 전극손실, 봉입기체의 산화가속 등으로 수명저하의 원인이 되므로, 반드시 방전관에 유입되는 전류를 제한해야 되며, 이를 Ballast라 하는데 일반적으로 인덕터나 저항을 사용하여 인입전류량을 제한한다.
Ballast의 역할은?
일반적인 구조는 높은 승압비의 트랜스포머와 배전압정류방식(코크라프트 올튼 회로 등)으로 방전관의 절연을 파괴함과 동시에 방전관에 전류를 급격히 통과시키는 방식으로 구동한다. 이 때, 제논방전관의 방전특성상 입력전류를 제한하지 않으면 방전관의 과다 발열, 전극손실, 봉입기체의 산화가속 등으로 수명저하의 원인이 되므로, 반드시 방전관에 유입되는 전류를 제한해야 되며, 이를 Ballast라 하는데 일반적으로 인덕터나 저항을 사용하여 인입전류량을 제한한다. 트랜스포머의 자가 공진(self-resonance)을 이용하면 낮은 1, 2차권선 비에도 고유주파수의 전후에서 비교적 높은 피크 전압을 얻을 수 있다.
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