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JP2003520406A - 高輝度放電ランプを駆動するための電子安定回路 - Google Patents

高輝度放電ランプを駆動するための電子安定回路

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JP2003520406A
JP2003520406A JP2001553346A JP2001553346A JP2003520406A JP 2003520406 A JP2003520406 A JP 2003520406A JP 2001553346 A JP2001553346 A JP 2001553346A JP 2001553346 A JP2001553346 A JP 2001553346A JP 2003520406 A JP2003520406 A JP 2003520406A
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bridge
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resistor
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Abstract

(57)【要約】 電子安定回路(図1)に電圧調整型直流電源と、複数のトランジスタ(Q5,Q6,Q7,Q8)をもつHブリッジとが設けられている。この回路は高輝度放電ランプ(50)を駆動する。トランジスタと電気的に接続された調整回路は、寄生容量(C)を放電させることによりHブリッジを流れるピーク電流を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 本発明は電子安定回路および該回路を駆動する方法に関する。この電子回路は
ピーク電流サージたとえば高輝度放電(HID)ランプを流れるピーク電流サー
ジを検出して制限する。
【0002】 従来の技術 典型的なD1 HIDランプの点弧後に突入電流が発生する。この電流は公称
30Aというピークをもつ。自動車用HID回路において使用されるランプなど
のようなこの種のランプは、ランプへ交流電流を供給するためのスイッチング回
路としてHブリッジまたはフルブリッジを使用する。30AのサージによってH
ブリッジ制御回路の動作信頼性が失われたり、あるいはHブリッジMOSFET
スイッチが故障してしまうおそれがある。
【0003】 電子安定回路を流れる高電流は様々なやり方によって扱うことができる。1つ
のやり方によれば、システムを流れる最大電流と同じ高さあるいはそれよりも高
い所定の電流レベルを定格とするMOSFETのような素子が用いられる。高い
電流を定格とする素子を利用することの1つの欠点は、それらが余計に高価なこ
とである。また、高い定格の素子は低い定格の相当品よりも大きくかつ重くなる
傾向にある。ほとんどの適用事例では、素子の占めるスペースおよび素子の重さ
を最低限に抑えたい。
【0004】 過剰電流を扱う2番目のやり方は、「スイッチオン」時の突入電流を制御する
ためのコンポーネントを組み込むことである。このようなコンポーネントとして
は(これに限定するわけではないけれども)、Huber 等の US 5,719,473 に開示
されているアクティブフィルタ昇圧回路内の1つのサイリスタまたは一対のサイ
リスタ、Huber の US 5,877,614 に開示されている昇圧レギュレータまたはブロ
ッキングオシレータとして設計された出力段、Twardzik の US 6,078,144 に開
示された振動トランス、EP0 757,420 に開示されたヒステリシスつきのマルチバ
イブレータ、あるいは十分なボルトセコンド(volt-second)能力をもつインダ
クタが挙げられる。このインダクタは通常、ピーク電流を制限するためにランプ
と直列に配置されることになる。これらのコンポーネントのいずれを組み込んで
もシステム全体のサイズが増大しシステムが複雑になるし、そのコストが高くな
ってしまう。
【0005】 発明の概要 本発明の目的は、Hブリッジ回路内に設けられている低い定格のMOSFET
を利用してその回路を流れる電流を制限することにある。
【0006】 本発明の別の課題は、ランプ点弧に続く周期中にHブリッジ内のMOSFET
ゲート電圧を抑えて、MOSFETを流れる電流を制限することにある。
【0007】 さらに本発明の課題は、寄生容量を使用してMOSFETを流れる電流を制限
するための方法を提供することにある。
【0008】 本発明によればこれらの課題やそのほかの目的は、既存のHブリッジMOSF
ETスイッチのうちの少なくとも1つを使用して、D1ランプのサージ電流を既
存のデバイスの定格内のレベルに抑えることによって達成される。本発明の有利
な実施形態によれば、回路を駆動することにより発生する寄生容量が利用される
。この寄生容量を放電させる目的で回路内の抵抗のうちの1つから電圧を引き出
すことにより、MOSFETのゲート電圧が抑えられる。その際、このゲートを
不完全に閉じることでMOSFETに流れる電流が制限される。この手法の利点
は、サージの検出および制限にあたり外部のコンポーネントを加える必要がなく
なることであるし、あるいはスイッチングMOSFETのコストが必要以上にか
からなくなることである。
【0009】 図面の簡単な説明 添付の図面を参照することで本発明を明瞭に理解することができる。この図に
は、本発明の有利な実施形態によるHIDランプ用の電子安定回路が示されてい
る。
【0010】 有利な実施例の説明 本発明を他の目的や利点ならびにその可能性を含めてなおいっそう理解できる
ようにするため、上述の図面を参照しながらこの明細書やそれに付随する特許請
求の範囲について説明する。
【0011】 図面には本発明の有利な実施形態が描かれており、この実施形態ではランプ5
0は自動車用D1 HIDランプである。ランプ50は点弧トランス60といっ
しょに統合することができる。ランプ50およびトランス60は破線のブロック
70内の回路によって表されている。
【0012】 安定器の出力によって直流電圧が供給され、これはHブリッジスイッチング回
路30へと導かれる。このような安定器は適切な変形を加えて使用することがで
きる。Hブリッジ30の出力は約500Hzの周波数をもつ方形波電圧である。
Hブリッジのコンポーネントならびに動作についてはあとで説明する。
【0013】 放電ランプ50は密封された慣用のアーク管51を有しており、これによって
放電空間が規定されている。アーク管51は要求に従い透明でも半透明でもよい
。慣用の手法で放電空間内に無水銀ハライド充填物が収容されている。
【0014】 放電ランプ50は、アーク放電を形成するためその内部に密封された2つの電
極を有している。たとえばアーク管51は慣用の手法によって、その内部の対向
する各端部のところで密封された2つの電極53および54を有している。電極
54は接続点66と電気的に接続されており、電極53はトランス60と電気的
に接続されており、さらにこのトランス自体は接続点68と電気的に接続されて
いて、これによりアーク管51がHブリッジスイッチング回路30と電気的に接
続される。
【0015】 Hブリッジスイッチング回路30には4つのMOSFETが含まれており、す
なわち2つのローサイド(低電位側)MOSFET Q5,Q6と2つのハイサ
イド(高電位側)MOSFET Q7,Q8が設けられている。安定した状態の
動作中、回路はQ6,Q8がONとなりQ5,Q7がOFFとなるときと、Q6
,Q8がOFFとなりQ5,Q7がONとなるときとで、交互に入れ替わる。本
発明は点弧動作時点ならびにその直後の動作に係わるものであるため、Q6,Q
8にのみ関連させてこの回路を説明する。殊にQ8のゲートと接続された回路の
検出動作と制御について説明する。
【0016】 Q6とQ8は点弧より前と点弧中と点弧直後、ONに保持される。Q8の駆動
源であるフェーズB(PHB)は直流スイッチング電源であり、つまりこの駆動
源は−85Vとアースとの間で周期的に動作し、約500Hzの周波数を有する
。Q7の駆動源(PHA、図示せず)も同様に動作する。2つの駆動源(PHB
,PHA)は180°の位相のずれをもち、約50%の電力で動作する。
【0017】 図面には、本発明に従い構成された絶縁ゲートデバイスQ8のためのゲート駆
動(制御)回路の1つの実施形態が示されている。この実施形態の場合、絶縁ゲ
ートデバイスQ8はMOSFETである。とはいえ当業者であれば理解できるよ
うに、このゲート駆動回路を他のFET、IGBT、MCTを駆動するためにも
使用できる。当然ながら1つの駆動回路によって1つまたは複数のゲートデバイ
スを駆動することができる。
【0018】 ゲート駆動回路はエネルギー蓄積コンデンサC28を有しており、これは安定
器出力電圧Voutの高電位側すなわちハイサイドと接続されており、さらに抵
抗R14と直列に接続されていて、この抵抗自体は電源の低電位側すなわちロー
サイドと接続されている。また、C28はツェナダイオードD7とも並列に接続
されている。当然ながら他の実施形態として、ダイオードD7をツェナダイオー
ドとしなくてもよい。これらC28,R14,D7がいっしょになって、トラン
ジスタQ11のための調整供給側を成している。図1に示されているようにトラ
ンジスタQ11とトランジスタQ15は、C28とR14の接続点と電源のハイ
サイドとの間に結線されたトーテムポール構成をとっている。図示されている実
施形態の場合、トーテムポール構成は、npnトランジスタQ11ならびにこれ
と直列に接続された第1のpnpトランジスタQ15から成る。Q11およびQ
15のエミッタとゲートQ8のゲートの間にトランジスタR79が接続されてい
る。
【0019】 第2のpnpトランジスタQ39は、抵抗R75における10VDCを維持す
るための電流源として動作する。抵抗R75は電源のハイサイドと接続されてお
り、静的な保護とQ8のゲートのプルダウンつまりはMOSFET Q8のター
ンオフのために用いられる。したがってトランジスタQ39と抵抗R75はレベ
ルシフト回路を成している。とはいえ当業者であれば実現できるように、本発明
の広い範囲内でどのような駆動回路を使用してもどのようなデバイスを使用して
もかまわない。
【0020】 さらにゲート駆動回路は抵抗R76を有しており、これは駆動信号位相源(P
HB)とQ39のエミッタの間に直列に接続されている。PHBは絶縁ゲートデ
バイスQ8をターンオンおよびターンオフする。上述のようにPHBは、Q7を
制御する第2の駆動信号源PHAに対し180°の位相がずれて動作する。
【0021】 駆動信号位相源PHBから生じる駆動電圧VbによりQ8のゲートが駆動され
、これにより絶縁ゲートデバイスQ8がターンオンする。Q8を完全にオンの状
態に維持するために必要とされる電圧は5V〜8Vの間にある。この電圧は、抵
抗R75における電圧降下からQ11のベース・エミッタ接合部における電圧降
下を差し引いたものにほぼ等しい。
【0022】 上述の回路構成ゆえに、Q39のベースとコレクタの間に寄生容量(寄生容量
C)が発生する。普通の当業者であれば通常、このように構成された回路を望む
ことはないであろう。それというのも寄生容量の発生により回路のスイッチング
速度が遅くなるからである。しかしながら本発明にはこれまで知られていなかっ
た寄生容量Cを利用した技術が含まれており、それによって後述のようにMOS
FETからみたピーク電流が低減される。Q8からみたピーク電流を低減するた
めには、Hブリッジ内の電流を抑える必要がある。この電流低減は寄生容量Cを
放電させることによって達成される。寄生容量Cを放電させるための電流はQ3
9から到来する。この放電電流は抵抗R75における10VDCを維持するため
に使われるのと同じ電流源(Q39)からのものであるため、抵抗R75を通る
電流は必然的に低減される。抵抗R75を流れる電流が低減されると、そこにお
ける電圧降下もそれに比例して低減される。上述のようにQ8のゲートにおける
電圧は、抵抗R75における電圧降下からトランジスタQ11のベース・エミッ
タ接合部における電圧を差し引いたものにほぼ等しい。したがって抵抗R75に
おける電圧を低減するということは、Q8のゲートにおける電圧の低減に相応す
る。Q8のゲートにおける電圧は2V〜4Vまで低減する。この電圧降下によっ
てMOSFETチャネルにおけるインピーダンスが増大し、Q8を流れる最大電
流が約20Aまで減少する。
【0023】 ランプ50は最初はオフであり、トランス60の2次側における電圧がランプ
50の点弧に十分になるまでオフのまま維持される。安定器は通常、約−400
VDCを出力する。点弧中は他の約−600VDCが出力され、トランス60の
1次側に加えられる。トランス60の1次側に対し合成された約−1000VD
が生じる。トランス60の2次側は約23,000Vの出力電圧となり、これは
ランプの点弧に十分なものである。
【0024】 点弧シーケンスは0μsから5μsまで継続する。点弧に応じてランプ50が
グロー放電し始めるがまだアーク放電していない。したがって電流はまだ流れず
、非常に高くほぼ無限大の抵抗が存在することになる。電流を流せるようにする
ためにはランプはアーク放電しなければならない。Voutにおける約−400
VDCによって電流を流し始めるエネルギーが供給され、アーク放電が形成され
る。ひとたびランプがアーク放電すれば、ランプの抵抗は約10Ωまで下がり、
回路に電流サージが流れ始める。約13μsの期間内で上述の制御回路の動作に
基づき、電流はゼロAから20Aの最大値まで変化する。
【0025】 電流がそのピーク値まで上昇すると、Voutにおける約−400VDCが0
Vに向かって減少する。その結果として生じた電圧降下により、上述の回路構成
に基づき充電コンデンサである寄生容量Cが生成される。トランジスタQ39は
抵抗R75において10VDCを維持するので、コンデンサCにおける初期の電
圧は−390VDCになる。この電圧は電流が増加するにつれて0Vに向かって
減少する。
【0026】 寄生容量Cは、正の側がアース電位となり負の側がR75の上端の電位となる
よう充電されている。寄生容量Cを放電させるために、寄生容量CのR75の側
からこの寄生容量Cを通ってアースの側へ電流を流さなければならない。寄生容
量Cの放電に用いられる電流はトランジスタQ39から到来する。この電流は通
常は抵抗R75における10VDCを維持するために用いられるものであるから
、寄生容量Cを放電させるためにこの電流の一部を利用することにより、抵抗R
75を流れる電流つまりはそこにおける電圧が減少する。その結果、トランジス
タQ8のゲートにおける電圧が2〜4Vまで下がる。トランジスタQ8のゲート
における電圧が低減することによりQ8のインピーダンスが高まり、トランジス
タQ8のゲートに生じる電圧降下によってドレイン・ソース電圧が0Vから15
0Vまで上昇し、これによってランプのピーク電流が20Aに制限され、これは
この種のデバイスにおいて一般的に達せられる30Aよりも小さい。つまりこの
ことは、MOSFETひいてはデバイスを小さくできることを意味する。
【0027】 最初のフェーズBのサイクル中に電流制限が行われる。ひとたびランプが安定
状態に達してしまえばQ6もQ8もオンとなり、あるいはQ5とQ7がオンにさ
れる。システムにおける電圧は生のランプ電力消費が35Wとなるように維持さ
れる。35Wの電力は、60V〜100Vの範囲内のどこかであるにせよ、約8
5Vの定格Voutと言い換えられる。
【0028】 この回路をそれを逆方向に動作させるように再構成することができ、その場合
、ピーク制限は最初のフェーズAサイクル中に行われる。外部の回路を加えるこ
とができ、主電源出力をコントロールするマイクロプロセッサを回路の逆方向動
作のために使うこともできる。
【0029】 これまで説明してきた実施形態は例証のために挙げたものであり、これに限定
されるものではない。自明のように、当業者であれば容易に理解できるような他
の実施形態を本発明の着想や範囲を大きく逸脱することなく実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の有利な実施形態によるHIDランプ用の電子安定回路を示す図である
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,KE,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ, MD,RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AU, BA,BB,BG,BR,BZ,CA,CN,CR,C U,CZ,DM,DZ,EE,GD,GE,HR,HU ,ID,IL,IN,IS,JP,KP,KR,LC, LK,LR,LT,LV,MA,MG,MK,MN,M X,NO,NZ,PL,RO,SG,SI,SK,TT ,UA,US,UZ,VN,YU,ZA Fターム(参考) 3K072 AA11 AC01 CA12 CB02 DD06 DE02 DE04 GA03 GB18 HA03 HB01 HB02 HB05 3K083 AA23 AA88 AA91 BA05 BA25 BC42 BC47 BD25 BE28 CA32

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電子安定回路において、 電圧調整型直流電源とHブリッジが設けられており、該Hブリッジは複数のH
    ブリッジトランジスタを有しており、該Hブリッジは前記電源と電気的に接続さ
    れており、 該Hブリッジと接続されたランプソケットと、前記Hブリッジトランジスタの
    少なくとも1つと電気的に接続された調整回路が設けられており、該調整回路に
    より前記Hブリッジを流れるピーク電流が調整されることを特徴とする、 電子安定回路。
  2. 【請求項2】 放電ランプと直列に配置された点弧トランスが設けられてお
    り、該点弧トランスは前記複数のHブリッジトランジスタの間でHブリッジと接
    続されており、 前記複数のHブリッジトランジスタは、第1のトランジスタと第2のトランジ
    スタと第3のトランジスタと第4のトランジスタとから成り、 前記第1のトランジスタは電源のローサイドとランプの第1の端子との間に配
    置されており、該ランプの対向する第2の端子は前記点弧トランスの第1の端子
    と電気的に接続されており、 前記第2のトランジスタは点弧トランスの第2の端子と電源のローサイドとの
    間に配置されており、 前記第3のトランジスタは電源のハイサイドと点弧トランスと第2の端子との
    間に配置されており、 前記第4のトランジスタは電源のハイサイドとランプの第1の端子との間に配
    置されており、該第4のトランジスタは前記調整回路と電気的に接続されている
    、 請求項1記載の安定回路。
  3. 【請求項3】 前記トランジスタはMOSFETである、請求項2記載の安
    定回路。
  4. 【請求項4】 前記放電ランプは高輝度放電ランプである、請求項2記載の
    安定回路。
  5. 【請求項5】 前記調整回路は、駆動信号出力側、電源のハイサイドと電気
    的に接続されたバイアス抵抗、電流源トランジスタ、第1のゲート駆動トランジ
    スタおよび第2のゲート駆動トランジスタを有しており、 前記電流源トランジスタは、電源のローサイドと電気的に接続されたベースと
    、前記バイアス抵抗と電気的に接続されたコレクタと、前記駆動信号出力側と電
    気的に接続されたエミッタを有しており、 前記第1および第2のゲート駆動トランジスタは、各々前記バイアス抵抗と接
    続されたベースを有しており、 前記第4のトランジスタは、前記第1のゲート駆動トランジスタのエミッタと
    電気的に接続されており、前記電流源トランジスタのベースとコレクタはそれら
    の間で寄生容量が生じるように接続されている、 請求項3記載の安定回路。
  6. 【請求項6】 前記Hブリッジはさらに、前記電源のローサイドに電気的に
    接続された抵抗と、該抵抗と電気的に接続されたコンデンサと、該コンデンサと
    並列に接続されたツェナダイオードを有する、請求項5記載の安定回路。
  7. 【請求項7】 前記調整回路はさらに、電源のハイサイドに接続された抵抗
    と、該抵抗に接続された電流源を有しており、該電流源は少なくとも1つのHブ
    リッジトランジスタの1つにバイアス電圧を供給する、請求項1記載の安定回路
  8. 【請求項8】 前記抵抗と前記電流源との間に形成された接続部と、電源の
    ローサイドの間に素子が設けられており、該素子は電源により供給される電圧が
    低減したときに前記抵抗からの電流を分流させる、請求項7記載の安定回路。
  9. 【請求項9】 前記電流源は電流源トランジスタから成り、前記少なくとも
    1つのHブリッジトランジスタはゲートをもつMOSFETトランジスタであり
    、前記素子は前記電流源トランジスタのベースと該電流源トランジスタのエミッ
    タとの間の寄生容量である、請求項8記載の安定回路。
  10. 【請求項10】 ベースおよびエミッタをもつ第1のトーテムポールトラン
    ジスタと、ベースおよびエミッタをもつ第2のトーテムポールトランジスタが設
    けられており、前記のベースの各々は前記抵抗と接続されており、前記のエミッ
    タの各々は前記Hブリッジトランジスタのうちの1つのゲートと電気的に接続さ
    れている、請求項9記載の安定回路。
  11. 【請求項11】 電圧調整型直流電源とHブリッジが設けられており、該H
    ブリッジは複数のHブリッジトランジスタを有しており、該Hブリッジは前記電
    源と電気的に接続されており、 該Hブリッジと接続されたランプソケットと、 前記複数のHブリッジトランジスタのうち少なくとも1つを制御して前記Hブ
    リッジを流れる電流を制限する手段が設けられていることを特徴とする、 電子安定回路。
  12. 【請求項12】 放電ランプと直列に配置された点弧トランスが設けられて
    おり、該点弧トランスは前記複数のHブリッジトランジスタの間でHブリッジと
    接続されており、 前記複数のHブリッジトランジスタは、第1のトランジスタと第2のトランジ
    スタと第3のトランジスタと第4のトランジスタとから成り、 前記第1のトランジスタは電源のローサイドとランプの第1の端子との間に配
    置されており、該ランプの対向する第2の端子は前記点弧トランスの第1の端子
    と電気的に接続されており、 前記第2のトランジスタは点弧トランスの第2の端子と電源のローサイドとの
    間に配置されており、 前記第3のトランジスタは電源のハイサイドと点弧トランスと第2の端子との
    間に配置されており、 前記第4のトランジスタは電源のハイサイドとランプの第1の端子との間に配
    置されており、該第4のトランジスタは前記制御手段と電気的に接続されている
    、 請求項11記載の安定回路。
  13. 【請求項13】 前記トランジスタはMOSFETである、請求項12記載
    の安定回路。
  14. 【請求項14】 前記放電ランプは高輝度放電ランプである、請求項12記
    載の安定回路。
  15. 【請求項15】 前記制御手段は、駆動信号出力側、電源のハイサイドと電
    気的に接続されたバイアス抵抗、電流源トランジスタ、第1のゲート駆動トラン
    ジスタおよび第2のゲート駆動トランジスタを有しており、 前記電流源トランジスタは、電源のローサイドと電気的に接続されたベースと
    、前記バイアス抵抗と電気的に接続されたコレクタと、前記駆動信号出力側と電
    気的に接続されたエミッタを有しており、 前記第1および第2のゲート駆動トランジスタは、各々前記バイアス抵抗と接
    続されたベースを有しており、 前記第4のトランジスタは、前記第1のゲート駆動トランジスタのエミッタと
    電気的に接続されており、前記電流源トランジスタのベースとコレクタはそれら
    の間で寄生容量が生じるように接続されている、 請求項13記載の安定回路。
  16. 【請求項16】 前記Hブリッジのローサイドに電気的に接続された抵抗と
    、該抵抗と電気的に接続されたコンデンサと、該コンデンサと並列に接続された
    ツェナダイオードを有する、請求項15記載の安定回路。
  17. 【請求項17】 前記調整回路はさらに、電源のハイサイドと接続された抵
    抗と、該抵抗と接続されていて前記少なくとも1つのHブリッジトランジスタの
    1つにバイアストランジスタを供給する電流源と、前記の抵抗と電流源トランジ
    スタの間に形成された接続部と電源のローサイドとの間に配置された素子を有し
    ており、該素子は電源により供給される電圧が低減したときに前記抵抗からの電
    流を分流させ、 前記電流源はトランジスタを有しており、 前記少なくとも1つのHブリッジトランジスタのうちの1つはゲートをもつM
    OSFETであり、 前記素子は、前記電流源トランジスタのベースと該電流源トランジスタのエミ
    ッタとの間の寄生容量である、 請求項11記載の安定回路。
  18. 【請求項18】 ベースおよびエミッタをもつ第1のトーテムポールトラン
    ジスタと、ベースおよびエミッタをもつ第2のトーテムポールトランジスタが設
    けられており、前記のベースの各々は前記抵抗と接続されており、前記のエミッ
    タの各々は前記少なくとも1つのトランジスタのうちの1つのゲートと電気的に
    接続されている、請求項17記載の安定回路。
  19. 【請求項19】 高輝度放電ランプ回路の作動方法において、 前記放電ランプに点弧電圧を供給するステップと、 該ランプと直列に接続された複数のトランジスタにバイアス電圧を供給するス
    テップと、 ランプ内にアーク放電が形成されるまでランプにアーク電圧を供給するステッ
    プと、 アーク放電が生じると、前記複数のトランジスタのうちの1つに対するバイア
    ス電圧を調整して、該トランジスタを流れる電流を制限するステップが設けられ
    ていることを特徴とする、 高輝度放電ランプ回路の作動方法。
  20. 【請求項20】 前記点弧電圧を供給するステップにおいてアーク電圧によ
    りキャパシタンスを充電し、 前記のバイアス電圧調整ステップにおいてキャパシタンスの電圧を放電させ、
    バイアス抵抗から電流を引き出して前記バイアス電圧を低減する、 請求項19記載の方法。
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