CN1747617A - 稀有气体荧光灯照明装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种稀有气体荧光灯照明装置，包括：输入电源；变压器，稀有气体荧光灯连接到其次级侧；串联连接到变压器的初级侧的开关元件；以及驱动开关元件的驱动块。驱动块包括：恒压电路，将输入电源的电压转换成恒压作为输出；恒流电路，根据输入电源的电压输出充电电流；三角波形振荡电路，分别根据输入电源的电压增加和减小，增加和减小振荡频率；以及比较电路，将从三角波形振荡电路输出的三角波形变换为具有预定占空比的矩形波形作为输出。

Description

稀有气体荧光灯照明装置
技术领域
本发明涉及稀有气体荧光灯照明装置，以及更具体地说，涉及在文档阅读设备，诸如传真机、图像扫描仪和复印机中，使稀有气体荧光灯发光作为光源的稀有气体荧光照明装置。
背景技术
近年来，通过稀有气体放电而发光的稀有气体荧光灯正日益用作文档阅读设备，诸如复印机和图像扫描仪中的照明光源。当施加高频脉冲电压时，使稀有气体荧光灯发出高强度亮度的光是非常公知的，以及最好采用具有生成这种高频脉冲电压的反相电路的照明装置使稀有气体荧光灯发光。
另一方面，稀有气体荧光灯具有在上述文档阅读设备的操作期间，当由于输入电压的波动等等而改变灯电流时，灯的光量被改变，从而损坏阅读文档的精度，导致损害图像再现质量的问题。为了处理该问题，提出了一种稀有气体荧光灯照明装置，其中，将DC-DC转换器放在电路的输入侧以便生成高频电压，从而稳定输入侧的电功率，以便稳定稀有气体荧光灯的光量，而不受输入电压的波动影响(例如参见日本专利申请公开号No.2001-15284)。
图18是如在上述日本专利申请公开号No.2001-15284中所公开的稀有气体荧光灯照明装置的框图，其中，在高频电压生成电路HC的输入端提供升压DC-DC转换器CV。DC-DC转换器CV中的第二驱动电路CT用来基于从电流检测电路R反馈的信号，将PWM调制的驱动信号提供给第二开关元件S2，使得在电流检测电路R处检测的电流具有恒定峰值，由此输出被控制在恒定电功率，而不受到DC电源E1的电压波动的影响，从而稳定稀有气体荧光灯DL的光量。
图18所示的稀有气体荧光灯照明装置，包括置于高频电压生成电路HC的输入端的升压DC-DC转换器CV，由于开关元件S2的开关损耗、线圈L1的铜耗和铁耗以及二极管D1处的损耗，经受效率下降，并且还需要用于安装部件的大的空间，从而阻止了装置的小型化。并且，第二驱动电路CT通常构造成IC，因此，增加了整个成本。
发明内容
鉴于上述问题，已经做出了本发明，因此，具有提供稀有气体荧光灯照明装置的目的，其中，稳定光量，而不受输入电源的电压波动的影响以及不恶化效率，以及通过更小尺寸廉价制作。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种稀有气体荧光灯照明装置，包括：输入电源；变压器，稀有气体荧光灯连接到其次级侧；串联连接到变压器的初级侧的开关元件；以及驱动开关元件的驱动块。驱动块包括：三角波形振荡电路，分别根据输入电源的电压的增加和减小，增加和减小振荡频率；以及比较电路，将从三角波形振荡电路输出的三角波形变换成具有预定占空比的矩形波形。由于驱动连接到变压器的初级侧的开关元件的驱动块包括适合于根据输入电压的改变而改变频率的振荡电路，可以将输入到变压器的初级侧的电压基本上保持恒定，从而稳定稀有气体荧光灯的光量。
在本发明的方面中，驱动块可以进一步包括：恒压电路，将输入电源的电压转换成恒压作为输出；以及恒流电路，根据输入电源的电压输出充电电流，以及三角波形振荡电路可包括：将通过恒流电路的充电电流充电并将以预定时间常数放电的振荡电容器；以及比较器，在用于振荡电容器的充电模式和放电模式之间进行切换，向其输入由来自恒压电路的恒压的分压而产生的阈值电压和振荡电容器两端的基于端子的电压，从而输出基于端子的电压作为三角波形电压。由于用比较器和电容器作为主要元件而简单地构造振荡电路，而不采用用于电功率控制的电路元件来稳定输入电源的电压，可稳定稀有气体荧光灯的光量而不恶化效率，从而允许小型化和成本降低。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的稀有气体荧光灯照明装置的框图；
图2是图1的稀有气体荧光灯照明装置的电路；
图3A至3C是图1的稀有气体荧光灯照明装置中的三角波形振荡电路的操作序列的时序图，分别示出输出电压、正相电压以及反相电压；
图4A是用于三角波形振荡电路的操作序列的时序图，以及图4B是用于图1的稀有气体荧光灯照明装置中的比较电路的操作序列的时序图；
图5是在输入电源的电压为21.6V的情况下，图1的稀有气体荧光灯照明装置的相关部件处生成的波形的图，其中(a)和(b)分别表示三角波形振荡电路的比较器的正相输入电压和反相输入电压，以及(c)表示开关元件的栅极驱动电压；
图6是在输入电源的电压为22.8V的情况下，图1的稀有气体荧光灯照明装置的相关部件处生成的波形的图，其中(a)和(b)分别表示三角波形振荡电路的比较器的正相输入电压和反相输入电压，以及(c)表示开关元件的栅极驱动电压；
图7是在输入电源的电压为24.0V的情况下，图1的稀有气体荧光灯照明装置的相关部件处生成的波形的图，其中(a)和(b)分别表示三角波形振荡电路的比较器的正相输入电压和反相输入电压，以及(c)表示开关元件的栅极驱动电压；
图8是在输入电源的电压为25.2V的情况下，图1的稀有气体荧光灯照明装置的相关部件处生成的波形的图，其中(a)和(b)分别表示三角波形振荡电路的比较器的正相输入电压和反相输入电压，以及(c)表示开关元件的栅极驱动电压；
图9是在输入电源的电压为26.4V的情况下，图1的稀有气体荧光灯照明装置的相关部件处生成的波形的图，其中(a)和(b)分别表示三角波形振荡电路的比较器的正相输入电压和反相输入电压，以及(c)表示开关元件的栅极驱动电压；
图10是示出在图1的稀有气体荧光灯照明装置中，频率作为输入电源处的电压的函数的图；
图11是在输入电源的电压为21.6V的情况下，图1的稀有气体荧光灯照明装置的相关部件处生成的波形的图，其中，(a)表示当关断开关元件时，在变压器的初级侧生成的电压，(b)表示流过变压器的电流，以及(c)表示开关元件的栅极驱动电压；
图12是在输入电源的电压为22.8V的情况下，图1的稀有气体荧光灯照明装置的相关部件处生成的波形的图，其中，(a)表示当关断开关元件时，在变压器的初级侧生成的电压，(b)表示流过变压器的电流，以及(c)表示开关元件的栅极驱动电压；
图13是在输入电源的电压为24.0V的情况下，图1的稀有气体荧光灯照明装置的相关部件处生成的波形的图，其中，(a)表示当关断开关元件时，在变压器的初级侧生成的电压，(b)表示流过变压器的电流，以及(c)表示开关元件的栅极驱动电压；
图14是在输入电源的电压为25.2V的情况下，图1的稀有气体荧光灯照明装置的相关部件处生成的波形的图，其中，(a)表示当关断开关元件时，在变压器的初级侧生成的电压，(b)表示流过变压器的电流，以及(c)表示开关元件的栅极驱动电压；
图15是在输入电源的电压为26.4V的情况下，图1的稀有气体荧光灯照明装置的相关部件处生成的波形的图，其中，(a)表示当关断开关元件时，在变压器的初级侧生成的电压，(b)表示流过变压器的电流，以及(c)表示开关元件的栅极驱动电压；
图16是示出在图1的稀有气体荧光灯照明装置中，在变压器的初级侧生成的电压作为输入电压的函数的图；
图17是示出在图1的稀有气体荧光灯照明装置中，照度作为输入电压的函数的图；以及
图18是传统的稀有气体荧光灯照明装置的框图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图，描述本发明的优选实施例。
参考图1，根据本发明的实施例的稀有气体荧光灯照明装置50通常包括连接到输入电源Vin的反相电路6、驱动反相电路6的驱动块10以及在反相电路6和驱动块10之间提供的保护电路7。包含主要由例如氙(Xe)组成的稀有气体的稀有气体荧光灯DL连接到反相电路6的输出侧。反相电路6包括变压器TR和串联连接到变压器TR的初级侧TRp的开关元件Q1，以及开关元件Q1由例如n沟道MOSFET构成。驱动块10包括连接到输入电源Vin的恒压电路1和恒流电路2，以及进一步包括从恒压电路1接收电压的三角波形振荡电路3、比较电路4和驱动电路5，以及恒流电路2的输出连接到三角波形振荡电路3。驱动电路5的输出连接到开关元件Q1。
参考图2，将论述稀有气体荧光灯照明装置50中的电路的结构和操作。
恒压电路1包括电阻器R1和R2、齐纳二极管ZD和晶体管Tr1。电阻器R1和齐纳二极管ZD的连接部分连接到晶体管Tr1的基极端，以及由齐纳二极管ZD的齐纳电压设定的恒压V提供给三角波形振荡电路3、比较电路4和驱动电路5。
恒流电路2包括可变电阻器R3、R4、R5、R6和R7、二极管D1和晶体管Tr2。电阻器R6和二极管D1的连接部分连接到晶体管Tr2的基极端，以及由输入电源Vin的电压和可变电阻器R3、R4、R5、R6和R7的电阻值设定的充电电流Ic提供给三角波形振荡电路3。在恒流电路2中，将可变电阻器R3、R4、R5、R6和R7设定在各个预定值从而提供恒流，而与连接到晶体管Tr2的集电极端的负载的变化无关，但当输入电源Vin的电压经受变化时，使施加在由电阻器R5和二极管D1构成的串联电路的两端上的电压改变，特别是分别根据输入电源Vin的电压的增加和减小而增加和减小，引起由电压和电阻器R7设定的电流值增加和减小。因此，采用本实施例中的恒流电路2向三角波形振荡电路3提供根据输入电源Vin的电压变化而变化的充电电流Ic。恒流电路2可以另外由非常公知的电流镜电路构成。
三角波形振荡电路3包括比较器COMP1和振荡电容器C1作为主要部件。比较器COMP1的正相输入端COMP(+)连接到构成恒压电路1的输出电压线11和地之间的串联电路的电阻器R8和R9的连接部分，以及还经由反馈电阻器R11连接到比较器COMP1的输出端COMP1o。振荡电容器C1的一端连接到比较器COMP1的反相输入端COMP(-)，以及另一端接地。振荡电容器C1的一端还经由二极管D2连接到恒流电路2，以及经由二极管D3和电阻器R12连接到比较器COMP1的输出端COMP1o。采用本实施例中的三角波形振荡电路3将在振荡电容器C1的两端产生的三角波形电压输出到比较电路4，以及稍后将详述三角波形振荡电路3的操作。
比较电路4包括比较器COMP2和电阻器R13和R14。比较器COMP2的反相输入端连接到构成恒压电路1的输出电压线11和地之间的串联电路的电阻器R13和R14的连接部分，以及将上述三角波形电压作为来自三角波形振荡电路3的输出输入到比较器COMP2的正相端。采用本实施例中的比较电路4来比较三角波形电压与由电阻器R13和R14对恒压V进行分压所产生的阈值电压，从而在比较器COMP2的输出端COMP2o产生具有预定占空比的矩形波形电压并输出到驱动电路5。
驱动电路5是包括晶体管Tr3和Tr4的推挽电流放大电路。驱动电路5由来自比较电路4的矩形波形电压驱动，以便快速充放电反相电路6的开关元件Q1的栅极和源极之间的电容，从而将具有高频矩形波形的驱动信号Vgs提供给开关元件Q1的栅极端。
如上所述，反相电路6包括变压器TR和串联连接到变压器TR的初级侧TRp的开关元件Q1。开关元件Q1接收从驱动电路5提供的高频驱动信号Vgs，从而导通和截止。当开关元件Q1导通时，使线性增加的电流Id在变压器TR的初级侧TRp流动，以及将能量存储在变压器TR处。然后，当截止开关元件Q1时，断开电流Id，以及将存储的能量放电到变压器TR的次级侧TRs，从而在变压器TR的次级侧TRs感应输出电压，并提供给稀有气体荧光灯DL，以及使稀有气体荧光灯DL发光。在该过程期间，在开关元件Q1的漏极和源极两端生成根据存储在变压器TR中的能量的脉冲电压Vds。
采用保护电路7来保护电路元件免受在变压器TR的次级侧TRs的无负载放电期间所生成的应力。保护电路7检测在变压器TR的次级侧TRs流动的电流，从而例如当不连接稀有气体荧光灯DL时，驱动电路5被去激励。将简单地说明保护电路7的操作。当连接稀有气体荧光灯DL时，由二极管D4整流在变压器TR的次级侧TRs流动的电流以便充电电容器C4，从而接通晶体管Tr6，使电容器C5存储的电荷被放电，因而截止晶体管Tr5。因此，在连接到晶体管Tr5的集电极端的比较电路4的比较器COMP2的输出端COMP2o生成上述矩形波电压，以及正好激活驱动电路5。另一方面，当不连接稀有气体荧光灯DL时，放电电容器C4从而截止晶体管Tr6，使电容器C5充电因而接通晶体管Tr5。因此，使比较电路4的比较器COMP2的输出基本上固定维持在地电位，以及去激励驱动电路5。
将参考图3A至3C以及图4A和4B，描述三角波形振荡电路3和比较电路4的操作。在以下描述中，将来自恒压电路1的输出电压定义为V，以及R8＝R9＝R11＝R，其中，R基本上大于R10。
将首先参考图3A至3C，描述有关当输入电源Vin的电压恒定时，三角波形振荡电路3如何操作。
参考图3A，假定在时间周期Tc期间，比较器COMP1的输出端COMP1o处的输出电压保持在高电平(即电压V)。参考图3B，在周期Tc期间，将阈值电压VTH(VTH＝R/(R+R/2)V0.66V)输入到比较器COMP1的正相输入端COMP(+)。由从恒流电路2提供的充电电流Ic来充电振荡电容器C1，以及如图3C所示，在时间周期Tc期间，振荡电容器C1两端的电压几乎线性增加。将该电压输入到比较器COMP1的反相输入端COMP(-)，以及当反相输入端COMP(-)处的输入电压增加并在时间点t1达到阈值电压VTH时，比较器COMP1的输出端COMP1o处的输出电压被切换到低电平，如图3A所示。
再参考图3A，在时间周期TD期间，比较器COMP1的输出端COMP1o处的输出保持在低电平，以及如图3B所示，在时间周期TD期间，阈值电压VTL(VTL＝(R/2)(R+R/2)V0.33V＜VTH)被输入到比较器COMP1的正相输入端COMP(+)。经由二极管D3和电阻器R12对振荡电容器C1进行放电，因此，通过振荡电容器C1和电阻器R12所确定的时间常数，振荡电容器C1两端的电压减小(调整本实施例中的时间常数使得如图3C所示，电压几乎线性减小)。该电压被输入到比较器COMP1的反相输入端COMP(-)，以及当反相输入端COMP(-)处的输入电压减小并在时间点t2达到阈值电压VTL时，比较器COMP1的输出端COMP1o处的输出电压被切换回高电平。
在时间周期TC和TD期间重复上述操作，以及在振荡电容器C1两端生成如图3C所示的三角波形电压。采用本实施例中的三角波形振荡电路3将该三角波形电压输出到比较电路4。
现在，将参考图4A，描述输入电源Vin的电压变化对三角波形振荡电路3的操作的影响。当输入电源Vin的电压增加而三角波形振荡电路3输出具有如图4A所示的实线所表示的波形的三角波形电压时，使波形改变成在此所示的虚线所表示的波形。即，由于如上所述，根据输入电源Vin的电压的增加，来自恒流电路2的充电电流Ic增加，充电振荡电容器C1的速度增加。因此，在充电周期T1C期间出现的实直线VC1的梯度改变成在充电周期T2C期间出现的虚实线VC2的梯度，从而表示梯度增加。同时，由于使基于来自恒压电路1的输入电压V而生成的阈值电压VTH和VTL基本上保持恒定，与增加电压前的充电时间T1C相比，增加电压后的充电时间T2C被减小。而且，由于在放电周期T1D和T2D期间，放电振荡电容器1的过程彼此相同，实直线VD1和虚直线VD2的梯度几乎彼此相同，因此，放电周期T1D和T2D几乎彼此相同。因此，与增加输入电源Vin的电压前的三角波形电压的循环时间T1相比，增加输入电源Vin的电压后的三角波形电压的循环时间T2被减小，从而输出具有更高频率的三角波形电压。
将从三角波形振荡电路3输出的三角波形电压输入到比较电路4的比较器COMP2的正相输入端，以及将由电阻器R13和R14对恒压电路1的输出电压V进行分压所产生的阈值电压Vth输入到比较器COMP2的反相输入端。因此，当三角波形电压高于阈值电压Vth时，在比较器COMP2的输出端COMP2o产生的矩形波形处于高电平，而当三角波形电压低于阈值电压Vth时，处于低电平，从而生成矩形波形电压。在本发明中，比较器COMP2的阈值电压Vth被设置为基本上处于比较器COMP1的两个阈值电压VTH和VTL之间的中间水平，以及从比较器COMP2的输出端COMP2o输出的矩形波形电压的占空比大约被设置在50％，而与频率无关。
图4B示出分别对应于由实线和虚线表示的三角波形电压并在阈值电压Vth处变压的矩形波形电压。由于当输入电源Vin的电压增加时，矩形波形电压的频率增加，其占空比基本上保持恒定，一个循环时间中处于高电平和低电平的时间周期被缩短。如上所述，采用矩形波形电压经由驱动电路5来驱动反相电路6的开关元件Q1，例如，使得当接通开关元件Q1时，矩形波形电压处于高电平。因此将理解，使开关元件Q1的开/关操作的导通时间随输入电源Vin的电压增加而减小。
将参考图5至17，描述根据本实施例的稀有气体荧光灯照明装置50的效果和优点。
首先参考图5至9，应理解到比较器COMP1的反相输入端COMP(-)处的电压的频率，即，驱动信号Vgs的频率随输入电源Vin的电压增加而增加，如图10所示。
然后参考图11至15，应理解到在开关元件Q1的一个导通操作期间电流Id的峰值增加，以及在开关元件Q1的截止时间，变压器TR的初级侧TRp处生成的脉冲电压Vds的峰值随输入电源Vin的电压增加而减小，这表示在开关元件Q1的一个导通操作期间在变压器TR中存储的能量被减少。对应于输入电源Vin处的电压的变化的电压Vds的峰值的上述变化如图16所示。
因此，在根据本实施例的稀有气体荧光灯照明装置50中，开关元件Q1的操作频率被改变，输入电源Vin的占空比基本上维持恒定，从而使在开关元件Q1的一个导通操作期间在变压器TR处存储的能量改变，以便抵消输入电源Vin的电压变化，因此使施加到变压器TR的电功率基本上保持恒定。结果，即使输入电源Vin的电压改变，也能使连接到变压器TR的次级侧TRs的稀有气体荧光灯DL的光量基本上保持恒定，如由图17的图所示。
可以用其他具体的形式来体现本发明，而不背离其精神或基本特性。在所有方面，上述实施例将仅视为示例性而不是限制。因此，本发明的范围由附加权利要求而不是上述说明书来表示。落在权利要求的含义和等效范围内的所有改变将包含在它们的范围内。

Claims (2)

1.一种稀有气体荧光灯照明装置，包括：
输入电源；
变压器，稀有气体荧光灯连接到其次级侧；
串联连接到所述变压器的初级侧的开关元件；以及
驱动所述开关元件的驱动块，所述驱动块包括：三角波形振荡电路，分别根据所述输入电源的电压增加和减小，增加和减小振荡频率；以及比较电路，将从所述三角波形振荡电路输出的三角波形变换成具有预定占空比的矩形波形。
2.如权利要求1所述的稀有气体荧光灯照明装置，其中，所述驱动块进一步包括：恒压电路，将所述输入电源的电压转换成恒压作为输出；以及恒流电路，根据所述输入电源的电压输出充电电流，以及其中，所述三角波形振荡电路包括：振荡电容器，将通过所述恒流电路的充电电流进行充电并将以预定时间常数放电；以及比较器，在用于所述振荡电容器的充电模式和放电模式之间进行切换，以及向其输入由来自所述恒压电路的恒压的分压产生的阈值电压和所述振荡电容器两端上基于端子的电压，从而输出所述基于端子的电压作为三角波形电压。
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