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JP2004515894A - 安定器回路 - Google Patents

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JP2004515894A
JP2004515894A JP2002549035A JP2002549035A JP2004515894A JP 2004515894 A JP2004515894 A JP 2004515894A JP 2002549035 A JP2002549035 A JP 2002549035A JP 2002549035 A JP2002549035 A JP 2002549035A JP 2004515894 A JP2004515894 A JP 2004515894A
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ウェー ブルニング ヘルト
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Abstract

高輝度放電(HID)ランプを動作させるための低コストの安定器回路に関するものである。この安定器回路は、AC−DCコンバータにおいてDCを発生する回路と、このDCのあらゆるACリップルをバッファキャパシタで捕捉して制御信号を発生する回路と、HFインバータ回路を利用して、前記DCから高周波ランプ電力信号を発生する回路と、前記制御信号を利用して、前記高周波電力信号を変調して周波数掃引したランプ電力信号を発生して、音響共振を回避しつつランプを駆動する回路とを具えている。

Description

【0001】
(技術分野)
本発明は一般に、光輝度放電(HID)ランプを動作させるための安定器回路に関するものであり、特に、平均ランプ電力を調整して、ランプの安定性のための所望のFM変調を達成するためのランプ(傾斜)信号を発生する独立したランプ信号発生器の必要性を回避する非常に低コスト(VLC)の安定器に関するものである。
【0002】
(従来技術)
例えばメタルハライドランプのような光輝度放電(HID)ランプの電子安定器による動作は、音響共振と称する現象(問題)を生じさせる。音響共振は、ランプ内のアークを、旋廻させ、ちらつかせて、安定器または安定器回路がHIDランプを2〜3kHz以上の周波数で動作させる際には、消弧さえもする。HIDランプにおける高周波動作は、音響共振の問題がなければ最も望ましい。
【0003】
HIDランプに採用されるアーク管は、カップ形または円錐形の端を有する種々の大きさの形状にしたアルミナ、水晶、または硬質ガラスの中空管である。アーク管として知られているこれらの管は、一般に始動ガスを加えた、少なくとも1つのイオン化可能な金属蒸気で満たしてある。アーク管内の総圧力は、ランプの動作状態に依存する。このランプ内の圧力は、ランプが加熱されるにつれて増加する。「オルガンパイプ」と称される(音響)共振は、大きさ、形状、及びアーク管内の圧力に応じて、異なる動作周波数で発生し得る。共振点またはその付近(即ち、特定の高周波数)における動作は、音響共振、即ちアークのフリッカ(ちらつき)、アークの伸張、アークの延長及び旋廻を生じさせて、アークを消孤させてアーク管の破損さえも発生させる。
【0004】
高周波数における音響共振の影響を克服する種々の試みが知られている。例えば、Bonazoli他に交付された米国特許4,373,146は、アーク管内部の音響共振を最小化するかあるいは回避するモードで高輝度放電(HID)ランプを動作させる方法及び回路を開示している。こうするために、キロヘルツ範囲の搬送波波形をBonazoli周波数で変調して、可変周波数のAC出力を供給している。AC信号の周波数を変化させることによって、例えばミリ秒のオーダーのような大幅な時間長にわたって、いずれの特定周波数でもランプを駆動しないようにしている。このFM出力をHIDランプの電極間に供給して、音響共振を最小化あるいは回避しつつランプを駆動している。
【0005】
しかしBonazoli回路は低コストではない。Bonazoli回路を従来技術の図1に再現する。Bonazoli回路は、出力をインバータ6に接続したDC電源2を具え、このインバータのDC入力をDC電源2の出力に結合している。出力をインバータ6に結合した、kHz範囲の搬送波波形(方形波)発生器8、並びにこの搬送波波形を周波数変調してインバータ6に可変周波数信号を供給するためのランプ信号発生手段10(慣例のランプ信号発生回路)を具えている。AC信号をランプ電極14間に結合させるスタータ(起動器)手段4も具えている。Banazoli方形波発生器8は、前記ランプ信号発生器が発生するのこぎり歯信号によって変調した、少なくとも20kHzの電圧制御周波数で動作する。
【0006】
動作中には、ランプ周期が1〜10ミリ秒(100〜1000Hz)であり、これは約1マイクロ秒のフライバックを伴う。前記方形波発生器にランプ電圧を印加することによって、搬送波波形が20kHzから30kHzまで掃引される。そして上述したように、こうした動作のモードは、絶えず変化する高周波数によって共振を回避する。Bonazoli回路の問題は、Bonazoli及びこれと同様の、HIDランプ内の音響共振の問題を取り扱う装置及び方法において、こうした回路が、搬送波波形を変調(FM)してランプを駆動するためのランプ信号を供給するために、ランプ信号発生回路にコストをかけなければならない、ということにある。
【0007】
従って本発明の目的は、例えばメタルハライドランプのようなHIDランプを、従来技術の安定器回路の欠点を回避するような周波数変調した方形波で駆動するための簡単かつ巧妙な回路を提供することにある。本発明の他の目的は、ライン規制に適合させるためのフィードフォワード制御にFMを用いるVLC安定器において、簡単なR−C回路を利用して、バッファキャパシタから導出される低周波数(100〜120Hz)のリップルを安定器回路の周波数制御部に結合させる(例えば信号出力の周波数をVCOによって変化させる)、ということを提供することにある。固有のACリップル信号を利用することにより、平均ランプ電力信号を周波数変調するためのランプ信号を発生する追加的な独立したランプ信号発生回路の必要性が回避される。本発明は、長いアスペクト比、即ち少なくとも1で好適には3以上のアスペクト比を有するランプにおいて、特に有用である。
【0008】
(発明の開示)
こうするために、本発明の第1好適例は、HIDランプを駆動するための非常に低コスト(VLC)の安定器である。このVLC安定器は、AC電力の主電源からACを受けてこれをDCに変換するAC−DCコンバータブロックを具え、このAC−DCコンバータの出力にバッファキャパシタを設ける。このAC−DCコンバータの出力は、HFインバータ及び安定器素子に供給する。前記バッファキャパシタが捕捉したAC信号成分を、構成した周波数制御回路によってフィルタリング(濾波)して、HFインバータが供給する搬送波波形を変調する高電圧ドライバ(駆動回路)、及びランプを駆動する安定器素子に供給する。この周波数制御回路は、第1抵抗に並列のキャパシタを具えて、この並列結合を第2抵抗と直列にする。CBUF(図4Aに示す)から導出されるのこぎり波状の信号を前記搬送波信号に加えて、これによりこの搬送波信号を変調する。前記ACは50Hzまたは60Hzのいずれかであるので、前記のこぎり波は約100Hzまたは120Hzの周波数を有する。例えば前記搬送波波形が約80kHzであれば、前記ドライバは80kHzの搬送波を前記フィルタリングした「のこぎり波」信号で変調して、ランプ駆動信号の周波数を約75kHzから約85kHzまで変化させる。
【0009】
なお、HIDの停電があれば、HIDランプの周波数範囲を調整する。例えば、第1好適例のHIDランプは約39ワットである。70ワットのランプの場合には、前記範囲が45kHzから55kHzまで変化して、約150ワットを出力するランプは、約18kHzから約26kHzまで掃引させる。前記バッファキャパシタのAC成分を用いて平均ランプ電力を調整して、ランプの安定動作、即ち知覚されない音響共振のために所望されるFM変調を達成する。
【0010】
本発明は、非常に低コストの、高輝度放電(HID)ランプを動作させる方法も含む。この方法は、ACを受けて、これをAC−DCコンバータにおいてDCに変換することを含む。そしてこのDCをHFインバータ及び安定器回路に供給して、この安定器回路において、HIDランプを駆動する搬送波信号を発生する。前記AC−DCコンバータにおいて発生したDCの最上部のリップルを前記バッファキャパシタによって捕捉して、これを前記ドライバに入力として供給して、前記HFインバータ及び前記安定器回路を駆動する。前記のこぎり波またはリップルが、HIDランプの電極に供給する搬送波周波数(ランプ平均電力)を変調して、これにより掃引周波数信号を発生する。従って、音響共振のHIDランプに対する影響を最小化するように周波数変調した信号によって、ランプが駆動される。
【0011】
(発明を実施するための最良の形態)
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
本発明はACリップルを用いてランプの電力信号を周波数変調(FM)して、このFM信号を用いて高輝度放電(HID)ランプを駆動して、音響共振に関連する問題をなくすものである。このACリップルはAC−DCコンバータから導出し、このAC−DCコンバータは、DC電力を安定器に供給して方形波搬送波信号を発生するために具えている。本発明は、HIDランプの安定器の設計者が長い間取り組んできた問題を解決する、即ち、音響共振を回避しつつ高周波数でランプを動作させる廉価かつ効率的な方法を実現する低コストの方法及び回路を提供するものである。
【0012】
特に本発明は、ランプを駆動する平均電力を調整するためののこぎり波状の信号を、前記DCに乗っているACリップルから導出する低コストの安定器回路を提供するものである。即ち、前記AC−DCコンバータが出力したDCに乗っているACリップルを取り出すことによって、慣例ののこぎり波発生回路を必要とせずに、ランプを駆動するために発生するAC搬送波を変調するためのリップルまたはのこぎり波状信号を利用可能にする。結果的な利益は、安定器回路についてのコストが低減されることである、というのは、安定器回路が独立したのこぎり波発生器を必要としないからである。
【0013】
図2Aに本発明の第1実施例を示し、これは例えば39ワットのHIDランプのHF動作用の最適なFMを発生する安定器回路を具えている。図2Aでは、AC−DCブロックB1を、例えば22ナノファラッドのバッファキャパシタCBUFの両端、及びHFインバータ兼安定器素子B2に接続して示してある。HFインバータ兼安定器素子B2はB1からDCを受けて、これを、HIDランプL1を駆動するための方形波の搬送波信号に変換する。ドライバD1は、HFインバータ兼安定器素子B2を駆動する。前記バッファキャパシタが捕捉したリップル電圧を周波数制御部FC1に指向させて、リップルの一部がドライバD1に供給されるようにする。ドライバD1内では、前記ACリップル信号を利用して、方形波信号の搬送波周波数を周波数変調する。この方形波出力信号の周波数変化は、(図4Aに示す)前記バッファキャパシタの電圧の時間的電圧変化に逆比例するように変化する。
【0014】
図2Bに、AC−DCブロックB1及び周波数制御部FC1をさらに規定した図2Aの実施例を示す。より詳細には、AC−DCブロックB1は、力率修正(PFC)回路PFCに結合したAC/DCコンバータAD1を具えている。このPFC回路は、DCを、HFインバータ兼安定器素子B2、及びバッファキャパシタCBUFに供給する。CBUFは、AC/DCコンバータAD1内で発生したDCに乗っているリップルを取り出して、このリップルを周波数制御回路FC1に供給する。
【0015】
本実施例では、前記周波数制御回路が、第1抵抗R1(本実施例では約158kΩ)に並列接続したキャパシタCFM(本実施例では22ナノファラッド)を具えて、この並列結合を第2抵抗R2(本実施例では約169kΩ)に直列接続している。前記PFC回路はドライバD1に信号を供給して、この信号に、HFインバータ兼安定器素子B2で発生した方形波信号(平均ランプ電力)を周波数変調させて、ランプL1を駆動する。換言すれば、前記DC上のリップルを前記ドライバに供給して、平均ランプ電力の周波数を変化させる。例えば、平均ランプ電力信号、即ちHFインバータ兼安定器素子B2が発生する方形波が、約80kHzで動作しているものと仮定する(約39ワットのHIDランプについての平均、即ち周波数は電力と逆の関係にある)。60HzのACでは、前記リップルが約120Hzであり、このリップルが80kHzの信号を、約75kHzから約85kHzまでに変調する。
【0016】
図2Cに、AC−DCブロックB1のAC/DCコンバータAD1をさらに、EMI保護回路B1−1及び全波整流回路B1−2を含むべく規定した、図2A及び図2Bの実施例を示す。以下に、両実施例の構成のより詳細を説明し、これらの動作は当業者にとって既知である。
【0017】
図3に、図2Aにより一般的に示した、HIDの高周波(HF)動作用の周波数変調(FM)を最適化する第1実施例の安定器回路のより詳細な図を示し、本明細書に開示する発明原理によるものである。
【0018】
図3の左から右に説明すれば、AC電力(AC幹線)を本発明の安定器回路の端子L、N、及びGに供給する。このACをEMI保護回路B1−1によってフィルタリング(濾波)する。EMI保護回路B1−1は、バリスタV1の負極端、及び同相(コモンモード)フィルタのチョーク変圧器T1の1次側の第1端に取り付けたヒューズF1を具えている。バリスタV1の正極端を、フィルタのチョーク変圧器T1の2次側の第1端、及び端子Nに接続する。T1の1次側の第2端を、差動フィルタのインダクタL1の第1端に接続する。差動フィルタのインダクタL1の第2端は、全波整流回路B1−2、及び差動キャパシタCDMの上部に接続する。キャパシタCDMの第2端は同相キャパシタCCMの上部に接続し、同相キャパシタCCMの第2端は端子Gに接続する。
【0019】
全波整流器B1−2では、キャパシタCDMの第1端を、ダイオードD1の負極端及びダイオードD3の正極端に接続する。キャパシタCCMの第1端及びキャパシタCDMの第2端を、ダイオードD4の正極端及びダイオードD2の負極端に接続する。ダイオードD1及びD2の正極端を、PFC部のダイオードD5の負極端に接続する。ダイオードD5の正極端を、ダイオードD6の負極端、キャパシタCPFの上部、及びHFインバータ兼安定器素子B2のキャパシタCR1に接続する。ダイオードD6の正極端を、キャパシタCFMとR1との並列結合、トランジスタQ1のソース端、及びキャパシタCBUFの第1端に接続して、この並列結合を抵抗R2と直列接続する。キャパシタCBUFの第2端を、ダイオードD3及びD4の負極、及び抵抗R5の第1端に接続し、さらにドライバD1に直接接続する。
【0020】
周波数制御部の抵抗R2の第2端、トランジスタQ1のゲート、トランジスタQ1のドレイン、トランジスタQ2のゲート、及びトランジスタQ2のドレインも、ドライバD1に接続する。キャパシタCR1の第2端をインダクタL2の第1端に接続して、このインダクタの第2端を、キャパシタCR2と変圧器T2の1次側との並列結合の第1端に接続する。変圧器T2の2次側は、キャパシタCDCを通してランプL1に接続する。キャパシタCR2の第2端及び変圧器T2の1次側の第2端は、キャパシタCの第1端、トランジスタQ1のドレイン及びトランジスタQ2のソース、キャパシタCの第1端、及びドライバD1の入力に接続する。
【0021】
動作中には、AC−DCブロックによってACがDCに変換されて、HFインバータ兼安定器素子が、ランプを駆動するための平均電力信号を(平均周波数
【外1】
Figure 2004515894
で)発生して、周波数fiLを有する電流Iがランプを通ることになり、図4Bに示すように、周波数fiLの平均値[外1]は平均ランプ電力に比例する。もちろん音響共振を回避するために、平均周波数を絶えず変化させて、ランプがいかなる時間長でも固定周波数(例えば高周波数)で駆動されることを防止して、ランプの固定周波数での駆動は音響共振を生じさせ得る。独立した回路を利用してのこぎり波状の信号を発生して平均ランプ電力信号を周波数変調する代わりに、AC−DCブロックB1内の全波整流器における変換の後に、前記バッファキャパシタがDCに乗っているACリップルを捕捉して、これをフィルタリング(濾波)して、フィルタリングした信号をドライバ回路内に含まれるVCOに供給する。
【0022】
図4Aに、バッファキャパシタCBUFの電圧VCBUFの変化を示す。この電圧は、
【外2】
Figure 2004515894
で示す時間平均を有する。
【0023】
好適な形態では、前記ドライバがCFL用の高電圧ドライバを具体化することができ、例えばイタリア国のST Microelectronics 社が供給するL6567である。前記リップル信号が、前記HFインバータ兼安定器素子からの方形波信号出力(39ワットの平均定格電力及び約80kHzの平均周波数)を、約75kHzから約85kHzまでの範囲の周波数で掃引させる。なお、記載した実施例は単に好適例を示す目的であり、請求項で保護される範囲を限定するものではない。
【0024】
記載した安定器回路に加えて、本発明は、AC−DCコンバータからのDC出力に乗っている固有のACリップルから導出されるのこぎり波状信号を利用して、ランプに給電するためのランプ電力信号の周波数変調を制御する方法を具体化することができる。
【0025】
本発明の方法及び装置が多くの応用を有すること、及び本発明が本明細書に開示した代表例に限定されないことは、当業者が認識することができる。さらに本発明の範囲は、本明細書に記載したシステムまたは回路構成要素に対する、当業者にとって既知の通常知られている変更及び変形をカバーする。
【図面の簡単な説明】
【図1】のこぎり波発生器を具えたHID安定器を駆動する従来技術の回路の回路図である。
【図2A】本発明のHIDランプのHF動作用のFMを最適に発生する回路の図式的なブロック図である。
【図2B】図2AのHIDランプのHF動作用のFMを最適に発生する回路のより詳細な図式的ブロック図である。
【図2C】図2BのHIDランプのHF動作用のFMを最適に発生する回路のより詳細な図式的ブロック図である。
【図3】図2AのHIDランプのHF動作用のFMを最適に発生する回路の特定具体例の詳細回路図である。
【図4A】図4Aはバッファキャパシタの両端の電圧の時間的変化、及びランプ内の電流の周波数の時間的変化を表わす図である。
【図4B】図4Bはバッファキャパシタの両端の電圧の時間的変化、及びランプ内の電流の周波数の時間的変化を表わす図である。

Claims (17)

  1. 高輝度放電(HID)ランプの安定動作用の安定器回路において、この安定器回路が、
    AC電源からの電力をDCに変換するAC−DCコンバータを具えて、該AC−DCコンバータが、前記DCに乗っているACリップルを捕捉するためのバッファキャパシタを具えて;
    前記安定器回路がさらに、前記AC−DCコンバータ及び前記HIDランプに結合した高周波インバータ兼安定器素子(HFIBE)を具えて、該HFIBEが、前記HIDランプを駆動するためのランプ駆動信号を前記DC電力から発生する手段を具えて;
    前記安定器回路がさらに、前記HFIBE回路に結合したドライバ回路を具えて、該ドライバ回路が、前記HFIBEを駆動するための駆動信号を発生する電圧制御発振器(VCO)を具えて;
    前記安定器回路がさらに、前記バッファキャパシタ、前記HFIBE、及び前記ドライバ回路に結合した周波数制御回路を具えて、
    前記バッファキャパシタが前記ドライバ回路に制御信号を供給して、前記ドライバ回路内の前記VCOが、前記制御信号に応答して前記HFIBEを制御することによって、周波数掃引した方形波信号を出力して、前記HIDランプを音響共振状態に至らせることなく前記ランプに給電することを特徴とする安定器回路。
  2. さらに、前記AC−DCコンバータと前記HFIBEとの間に力率修正回路を具えていることを特徴とする請求項1に記載の安定器回路。
  3. 前記周波数制御回路がRC回路であることを特徴とする請求項1に記載の安定器回路。
  4. 前記周波数制御回路を集積回路の一部として構成したことを特徴とする請求項1に記載の安定器回路。
  5. 前記周波数制御回路が、前記バッファキャパシタの電圧を検出して、前記バッファキャパシタにおける電圧の変化と共に周波数が変化する電流を発生することを特徴とする請求項3に記載の安定器回路。
  6. 前記周波数制御回路が、約22ナノファラッドのバッファキャパシタを具えていることを特徴とする請求項3に記載の安定器回路。
  7. 前記ランプがメタルハライドランプであることを特徴とする請求項1に記載の安定器回路。
  8. 前記HFIBEにおいて発生した平均ランプ電力信号が、約80kHzの周波数及び約39ワットの定格電力を有することを特徴とする請求項1に記載の安定器回路。
  9. 前記HFIBEから前記ランプに出力される前記周波数掃引した信号が、約75kHzから約85kHzまで変化することを特徴とする請求項8に記載の安定器回路。
  10. 前記周波数制御回路が、キャパシタ及び該キャパシタに並列接続した第1抵抗を具えて、この並列結合を第2抵抗に直列接続したことを特徴とする請求項1に記載の安定器回路。
  11. 前記キャパシタが約22ナノファラッドであり、前記第1及び第2抵抗がそれぞれ約158kΩ及び約169kオームであることを特徴とする請求項10に記載の安定器回路。
  12. 前記AC−DCコンバータが全波整流器を具えていることを特徴とする請求項1に記載の安定器回路。
  13. 前記AC−DCコンバータがEMI保護回路を具えていることを特徴とする請求項1に記載の安定器制御回路。
  14. 安定動作用に非常に低コスト(VLC)の安定器回路を具えた高輝度放電ランプにおいて、前記安定器回路が、のこぎり波状のACリップル信号をバッファキャパシタ内に捕捉して、前記ランプを音響共振状態外で駆動するために用いる平均ランプ電力信号を周波数変調するための制御信号を発生し、前記安定器回路が、
    AC電源に接続するAC−DCコンバータを具えて、該AC−DCコンバータが前記バッファキャパシタを含み;
    前記安定器回路がさらに、前記AC−DCコンバータ兼バッファキャパシタに結合されて前記HIDランプを駆動するための方形波信号を発生する高周波インバータ兼安定器素子と;
    前記バッファキャパシタが発生する制御信号をドライバに結合する結合回路とを具えて;
    前記ドライバ内のVCOが、前記制御信号に応答して掃引したFM信号を発生して、前記掃引したFM信号が前記HFインバータ兼安定器に前記HIDランプを駆動させて、前記HIDランプが安定状態に維持されるようにしたことを特徴とする高輝度放電ランプ。
  15. 安定器回路を具えた高輝度放電(HID)ランプを動作させる低コストの方法において、
    AC/DCコンバータ内でDCを発生するステップと;
    前記DCのあらゆるACリップルをバッファキャパシタで捕捉して、制御信号を発生するステップと;
    HFインバータ回路を利用して、前記DCから高周波のランプ電力信号を発生するステップと;
    前記制御信号を利用して、前記高周波の電力信号を変調して周波数掃引したランプ電力信号を発生して、音響共振を回避しつつ前記ランプを駆動するステップと
    を具えていることを特徴とする高輝度放電ランプの動作方法。
  16. 前記周波数変調した信号が約75kHzから約85kHzまでの範囲を有して、音響共振に至ることなく前記HIDランプを動作させることを特徴とする請求項15に記載の方法。
  17. 前記制御信号が約10Hz〜1000Hzの周波数範囲を有することを特徴とする請求項15に記載の方法。
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