전자식 vs 자기식 안정기: 현대 조명을 위한 기술 비교

소개:

형광등 구조를 본 적 있나요? 전자식 안정기/초크(choke)를 보셨을 겁니다. 전기식 초크 사용이 점차 사라진 이유도 아실 겁니다. 둘을 비교하고 왜 구식이 됐는지 알아보겠습니다.

먼저 형광등 기본 구조와 동작을 살펴보겠습니다.

형광등 구성 부품:

1. 안정기
2. 형광등 스타터
3. 스위치
4. 방전관

형광등 동작 원리

1. 스위치 ON 시 안정기와 스타터를 통해 풀 전압이 인가되나 방전은 일어나지 않습니다(램프 출력 없음).
2. 최대 전압으로 스타터에서 글로우 방전이 일어나 바이메탈 스트립이 녹아 도통되기 시작합니다.
3. 스타터 내 가스가 이온화되고 풀 전압으로 바이메탈 스트립이 가열돼 휘어지며 고정 접점과 연결됩니다. 결과적으로 큰 전류가 스타터를 통과합니다.
4. 전류로 전압이 점차 떨어지고, 스타터보다 저항이 낮은 방전관으로 전류가 흐릅니다.
5. 수은 원자 방전으로 자외선이 나와 형광체 도료를 자극해 가시광선을 냅니다. 백열등처럼 발광 필라멘트가 없고, 이온화 시 자외선을 내는 수은 증기가 들어 있습니다.
6. 이 단계에서 스타터는 비활성화됩니다(형광등 운전 중).
7. 스타터는 자기식 안정기형에서만 쓰이고 전자식 형광등에는 쓰이지 않습니다.

자기식 안정기 (Magnetic Ballast)

자기식 안정기는 인덕터 코일입니다. 구리선을 철심에 감은 변압기 모양입니다. 인덕터는 전류 변화를 억제하는 특성이 있습니다.

자기식 안정기 동작:

1. 램프 점등을 위해 전극을 고온으로 올려야 합니다.
2. 초기엔 안정기가 전류를 억제해 스타터로 바로 가도록 해 손상을 막습니다.
3. 스타터는 안정기와 직렬로 스위치 역할을 합니다. 전류가 정격치를 넘으면 스타터 소재가 녹아 개방 회로가 됩니다.
4. 전류가 형광등으로 흐릅니다. 방전용 큰 전류는 안정기 인덕터에 저장된 반대 전류로 만들어져 점등됩니다.
5. 공기 매질 존재로 이온화되며 저항이 점차 낮아지고 전류가 증가합니다.
6. 인덕턴스 코일이 이제 리액티브 부하로 작용해 전류를 제한합니다.

왜 자기식 안정기가 대체되는가?

이제 자기식 안정기는 전자식으로 대체되고 있습니다. 덜 정교하고 단점이 더 많기 때문입니다. 자기식 안정기는 전구 소켓과 전원 코드 사이에 쓰입니다.

자기식 안정기에서 전류는 구리 코일을 거쳐 전구로 갑니다. 대부분 전류가 생성된 자기장에 갇히고 적은 양만 전구로 전달됩니다. 구리 코일 두께와 길이에 따라 전류량이 달라집니다. 전구로 흐르는 전류가 일정치 않아 깜빡임과 윙윙거리는 소음이 발생합니다.

전자식 안정기 (Electronic Ballast):

전자식 안정기는 조명 기기 기동 전압과 운전 전류를 제어합니다. 보통 220V, 50-60Hz 교류로 동작합니다. 정류기로 교류 입력을 직류로 변환하고, 커패시터로 필터링합니다. 이 전류가 유도 코일들을 거쳐 고주파 발진기로 공급돼 출력 전류 주파수가 매우 높습니다(약 20-80kHz).

전자식 안정기 동작:

직류 전압 필터링 후 고주파 코일을 통과합니다. 진동은 입력 전압과 주파수에 따라 달라집니다. 높은 전류 변화율과 고주파에 연관된 소량 인덕턴스를 고려할 수 있습니다. 인덕턴스는 I = L(dI/dT)로 표현됩니다.

램프 점등에 440V 이상 필요합니다. 스위치 ON 시 램프에 약 1000V가 인가돼 가스 방전이 즉시 일어납니다. 방전 시작 후 램프 양단 전압은 230-125V 이하로 떨어집니다. 그러면 전자식 안정기가 제한된 전류만 흘려 단락 가능성을 차단합니다. 전자식 안정기는 형광등 운전 중 디머 역할을 해 전류와 전압을 제한합니다.

이 장치는 EMI 필터로 전자기 간섭 차단, 정류기로 교류-직류 변환, 하프 브리지 공진 컨버터로 직류를 고주파 구형파 전압으로 변환합니다.

전자식 안정기와 자기식 안정기 차이:

전자식 안정기는 전압 변화 없이 전류 주파수를 바꿉니다. 자기식 안정기는 약 60Hz에서 동작하지만 전자식은 약 20,000Hz 고주파로 동작합니다. 이 때문에 전자식 안정기 형광등은 깜빡임이나 소음이 없습니다.