JP2000514951A - 放電ランプを動作させるための回路構成 - Google Patents

放電ランプを動作させるための回路構成

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Abstract

(57)【要約】 自己発振型のDC/ACコンバータ(II)を有する、放電ランプ(I)を動作させるための本発明に係る回路構成は、DC電圧源(III)に接続するための第1及び第2入力端子(2、2’)の間の第1及び第2スイッチング素子(1、1’)の直列的構成Aを有する。この直列的構成Aは、少なくとも第1容量手段C1と誘導手段(4a、5)と放電ランプ(I)に接続する出力端子(6a、6b)とを備えた負荷ブランチへ、名目上の動作期間中、交流電流Ibを供給する。本発明に係る回路構成Aは、さらに、前記第2スイッチング素子(1’)の前記制御電極(1c’)と前記主電極(1a’)との間にDC電圧成分を発生するための手段(15、12’)を有するスターター回路STを、有する。前記スターター回路STは、補助スイッチング素子(25)を備えた手段Mを有する。手段Mは、名目上の動作期間中、交流電流Ibの振幅が小さい場合、前記第1スイッチング素子(1)を導通状態にする。前記手段Mはスイッチング素子(1、1’)にダメージを与えるのを防止し、名目上の動作状態の開始を促進させる。

Description

【発明の詳細な説明】 放電ランプを動作させるための回路構成 本発明は、自己発振型のDC/ACコンバータを備えた、放電ランプを動作さ せるための回路構成に関する。このDC/ACコンバータは、 DC電圧源に接続するための第1及び第2入力端子の間に第1及び第2スイッ チング素子の直列的構成Aを備えている。 この直列的構成Aは、少なくとも第1容量手段と誘導手段と放電ランプに接続 する出力端子とを備えた負荷ブランチへ、名目上の動作期間中、交流電流Ibを 供給する。 この負荷ブランチの第1端は直列的構成Aにおける第1及び第2スイッチング 素子の間に位置する接続点へ接続され、第2端は入力端子へ接続されている。 各スイッチング素子は、制御電極と、第1及び第2スイッチング素子それぞれ へ交流電流Ibから制御信号を発生するための手段S及び手段S’を有する制御 回路に接続される主電極とを、それぞれ有している。 このDC/ACコンバータは、第2スイッチング素子の制御電極と主電極との 間にDC電圧成分を発生するための手段を備えたスターター回路STを備えてい る。 このような回路構成は、米国特許第4、748、383号公報により既知であ る。その回路は、コイルと放電容器(discharge vessel)とを有する、電極のな い放電ランプのために設計されている。名目上の動作期間中、コイルは高い周波 数の磁場を発生し、この磁場は放電容器内おける電気的放電を持続する。コイル は負荷ブランチの出力端子へ接続されている。この出力端子は、変圧器のキャパ シタと第1巻き器の直列的構成へ接続される。それぞれのスイッチング素子にお ける制御回路は、第2の巻き器を備えている。変圧器の第1巻き器と第2の巻き 器は、交流電流Ibから制御信号を発生するための手段を形成する。第2スイッ チング素子の制御電極と主電極との間にDC電圧成分を発生するための手段は、 抵抗手段と第2容量手段とにより形成される。抵抗手段は、第2入力端子と、第 2スイッチング素子の制御電極の間にある。第2容量手段は制御信号を発生する ための手段に直列的に接続されている。 回路構成がオンに切り替わった後、電流はスターター回路の抵抗手段を通って 、第2スイッチング素子の制御電極へ流れ、第2スイッチング素子は導通状態に なる。そして、電流は、第2スイッチング素子を通り、第1容量手段を通り、変 圧器の第1巻き器を通って、流れる。これによって、第1容量手段は充電される 。この結果、名目上の動作期間の間、ゼロからある値まで、接続点Pの平均電位 は上がる。充電処理の間にDC/ACコンバータが発振を開始するとき、最初の 発振の振幅は非常に小さいので、負荷ブランチを通った結果の電流は変化しやす い直流電流である。これに対して、第2スイッチング素子が非導通状態の場合、 第1スイッチング素子は逆方向に電流を導通させなければならない。その時、負 荷ブランチを通った電流の連続的な反転が、直列的構成Aを通してピーク電流を 発生するように、第1スイッチング素子のリカバリー期間を開始する。ピーク電 流の過大な値は、スイッチング素子にダメージを与えるかもしれない。これを避 けるためには、第1容量手段の容量の値を比較的低く選ぶ必要がある。しかし、 低い容量の値は名目的な動作状態に到達して利用できる時間が短くなるという不 利な点がある。それは、発振がそれ自身で確立する前に、第1容量手段すでに充 電されている場合に、起こるかもしれない。これは、少なくも比較的低い周波数 での動作に適合する既知の回路構成で生じ、例えば、100kHzより低い周波 数で生じる。 DC/ACコンバータの入力端子の間における電圧の上昇が遅すぎる場合、名 目上の動作の開始は同様にそれ自身では確立されないかもしれない。第1容量手 段を充電している間、第2スイッチング素子により導通された電流の強さは低す ぎ、このため、スイッチング素子のゲインは満足な発振増幅を実現するためには 不十分である。名目的な動作状態が発生に失敗した場合、DC/ACコンバータ は最終的には第1スイッチング素子が非導通状態になり、第2スイッチング素子 が導通状態になる。この状態においては、第1容量手段が充電し終わった後は、 負荷ブランチを通ったそれ以上の電流の流れはなくなる。 本発明の目的は、冒頭で述べた種類の回路構成において、スイッチング素子へ のダメージを回避し、名目上の動作状態の開始を促進する手段を提供することで ある。本発明によれば、この目的のために、回路構成は、スターター回路STは 、さらに、名目上の動作期間中、交流電流Ibの振幅が小さい場合、第1スイッ チング素子を導通状態にするための手段Mを備えており、前記手段Mは補助スイ ッチング素子を備えている、ことを特徴とする。回路構成がスイッチオンした後 に、第1スイッチング素子も導通状態になるので、負荷ブランチを介してのみな らず、第1スイッチング素子を介しても、電流は第2スイッチング素子を通って 流れる。スイッチング素子の導通パターンに固有に存在するノイズは、負荷ブラ ンチを通る電流に変動を生じさせる。この変動が増幅されると、これにより、D C/ACコンバータが名目上の動作状態に到達するまでに、発振器の生成する振 幅は次第に大きくなる。DC/ACコンバータの名目上の動作状態においては、 これらのスイッチング素子は交互に導通する。したがって、本発明に係る回路構 成において名目的な動作状態に到達させることは、これらスイッチング素子が同 時に導通状態になることにより、促進される、ということが導き出される。本発 明に係る回路構成において、名目上の動作に到達するまでの時間は、第1容量手 段C1により制限されない。振幅が十分大きくなったとき、例えば、名目上の動 作期間の振幅の少なくとも2/3倍になったとき、手段Mの動作は終了する。第 1スイッ チング素子の状態は、それがオンになった時から、その制御回路Sによりもっぱ ら決定される。 未公開の国際特許出願IB97/00277には、自己発振型のDC/ACコ ンバータを有する回路構成が開示されている。これにおいては、パルス状の電圧 が、回路構成がスイッチオンの場合、第1スイッチング素子の制御電極と主電極 の間に供給される。このパルス状の電圧は、交流電流の振幅には依存しない。補 助スイッチング素子は存在しない。 第2項に定義される発明に係る回路構成の例によれば、簡単な手段により、補 助スイッチング素子の制御信号を実現できるという利点がある。この場合、第1 スイッチング素子の制御信号の振幅のレンジは、補助スイッチング素子に必要な レンジと、対応する。 第2項に定義された例の現実的な実現を第3項で明確にしている。補助スイッ チング素子が非導通状態の場合、交流電流Ibが比較的低い振幅の間、第1スイ ッチング素子の導通状態によりもたらされたDC電圧成分が、制御電極と第1入 力端子の間に張られた分圧器の第2ブランチを横切って、発生する。交流電流I bの振幅が十分に大きくなった瞬間、補助スイッチング素子は、その制御電極で 受けた信号により、導通状態になる。そのとき、分圧器の第1ブランチの第1及 び第2部分ブランチの共通接続点は、第1入力端子の電位をもつ。これにより、 制御電極と第1入力端子の間のDC電圧成分は、除かれる。 一方、手段Mは、第2入力端子と第1スイッチング素子の制御電極との間のブ ランチを形成してもよい。そこでは、補助スイッチング素子は、抵抗手段と直列 的に接続される。この例では、スイッチオンされると直ちに、補助スイッチング 素子は導通状態になるので、DC電圧成分が、前記ブランチを介して第1スイッ チング素子の制御電極へ入力される。交流電流Ibの振幅が十分大きくなるとす ぐに、補助スイッチング素子は非導通状態になり、これにより、DC電圧成分は 消滅する。 回路構成要素をコンパクトにする場合、補助スイッチング素子と、第1及び第 2スイッチング素子を備えた直列的構成Aとの間に、寄生カップリングが生ずる かもしれない。第4項の例は、そのとき、第1スイッチング素子が非導通状態に なることにより、第1スイッチング素子の制御電極の電圧が上昇する危険性を回 避する。 第5項は、交流電流Ibから制御信号を生成するための具体的例を現している 。変圧器の第1巻き器は、例えば、負荷ブランチの出力端子で、例えば1又は複 数の他の構成要素と直列的に、接続されている。一方、変圧器の第1巻き器は、 出力端子に直列的に接続された中に含まれていてもよい。この例の変形において は、制御信号はフォトカップラ手段により交流電流Ibから生成される。 DC/ACコンバータは、全ハーフブリッジ回路(full half-bridge circuit )により構成されてもよい。ここでは、第1容量手段は、第1容量インピーダン スを備えている。第1容量インピーダンスの一端は、負荷ブランチの第2端を形 成している。第1容量インピーダンスは第2容量インピーダンスとともに、入力 端子の間に追加の直列的構成を形成している。代わりの例においては、DC/A Cコンバータは、不完全なハーフブリッジ回路(incomplete half-bridge circu it)である。この不完全なハーフブリッジ回路では、第1容量手段は単一の容量 インピーダンスを備えている。 回路構成のこれら及び他の観点を、実施例を示した図を参照しつつ詳細に説明 する。 図1は、放電ランプIを動作させるための、自己発振型のDC/ACコンバー タIIを有する回路構成を示す図である。DC/ACコンバータIIは、DC電 圧源IIIへ接続する第1及び第2入力端子2、2’を有している。DC電圧源 IIIは、ここではAC/DCコンバータであり、公衆用のコンセントの電極P 、 Nへ接続する入力端子を有している。DC/ACコンバータは、第1及び第2入 力端子2、2’の間に第1及び第2スイッチング素子の直列的構成Aを備えてい る。第1スイッチング素子の主電極1aは、第1入力端子2へ接続されている。 第1スイッチング素子1の別の主電極1bは、第2スイッチング素子1’の主電 極1a’へ接続されている。第2スイッチング素子1’の別の主電極1b’は、 第2入力端子2’へ接続されている。直列的構成Aは第1及び第2スイッチング 素子1、1’の間に接続点Pを有している。直列的構成Aは、このケースでは、 およそ3MHzの周波数で、名目上の動作期間中、負荷ブランチへ交流電流Ib を供給する。この負荷ブランチは、容量インピーダンス3により形成された第1 容量手段C1と、変圧器4の第1巻き器4a及び誘導インピーダンス5を備えた 誘導手段と、放電ランプIに接続するための出力端子6a、6bとを、備えてい る。本実施例では、誘導インピーダンス5と変圧器4の第1巻き器4aは統合さ れている。容量インピーダンス3と変圧器4の第1巻き器4aと誘導インピーダ ンス5とは、直列的構成Aの接続点Pと出力端子6aの1つとの間に、互いに直 列的に接続されている。他の出力端子6bは、第1入力端子2へ接続されている 。容量インピーダンス3の一端側は、ここでは、負荷ブランチの第1端7aを形 成している。第1端7aは接続点Pへ接続されている。接続点Pは、ここでは、 第1スイッチング素子1の別の主電極1bと第2スイッチング素子1’の主電極 1a’との間を、接続する。出力端子6bは、負荷ブランチの第2端7bを形成 している。第2端7bは、入力端子2へ接続されている。放電ランプIは、出力 端子6a、6bの間に接続されている。放電ランプIは、ここでは、低圧水銀放 電ランプであり、これは、放電空間10を囲っている放電容器8と、コイル9と を、有している。このコイル9は、放電空間10に電気的放電を維持する交流磁 場を発生する。出力端子6a、6bは、容量インピーダンス11により接続され ている。この容量インピーダンス11は、誘導インピーダンス5と放電ランプI のコ イル9とともに、発振回路を形成している。 代わりの実施例では、磁場を維持するために、ランプIが放電容器の内側又は 外側に、コイルの代わりに複数の電極を有する。そして、これら複数の電極は、 それぞれ、DC/ACコンバータの出力端子に接続する電流供給線を有している 。 制御回路は、交流電流Ibから制御信号を発生するための手段Sを、備えてい る。制御回路は、第1スイッチング素子1の制御電極1cと主電極1aとの間に 接続されている。手段Sは、このケースでは、変圧器4の第2巻き器4bにより 形成さている。制御回路は、さらに、容量インピーダンス13とブレークダウン 素子14a、14bとを、備えている。第2巻き器4bの一端4baは、第1ス イッチング素子1の主電極1aへ接続されている。第2巻き器4bの他端4bb は、容量インピーダンス12を介して、第1スイッチング素子1の制御電極1c へ接続されている。容量インピーダンス12は、以下に詳述するスターター回路 STの一部を形成している。容量インピーダンス13は、第1スイッチング素子 1の制御電極1cと主電極1aとを接続する。容量インピーダンス13は、変圧 器4の第2巻き器4bとともに、発振回路を形成する。第1スイッチング素子1 の制御電極1cと主電極1aとは、さらに、ブレークダウン素子14a、14b により、接続されている。これらブレークダウン素子14a、14bは、互いに 対向する方向に直列的に接続されている。これらブレークダウン素子は、スイッ チング素子1、1’の制御電極1c、1c’における過大な電圧に対して、スイ ッチング素子1、1’を保護する。第1スイッチング素子1についての制御回路 の構成要素に対応する、第2スイッチング素子1’についての制御回路の構成要 素は、アクセントサイン(’)を付した参照符号を有する。第2スイッチング素 子1’の制御回路は、第2巻き器4b’が第2巻き器4bと反対の極性を有する 電圧を発生する点で、異なる。 本発明に係る回路構成は、さらに、スターター回路STを備えている。スター ター回路STは、第2スイッチング素子1’の制御電極1c’と主電極1a’と の間にDC電圧を発生するための手段を有している。ここで示した実施例におい ては、この手段は、抵抗インピーダンス15と容量インピーダンス12’とを、 備えている。抵抗インピーダンス15は、第1スイッチング素子1’の第2入力 端子2’と制御電極1c’との間に、接続されている。抵抗インピーダンス15 は、同様に、以下に述べるように、手段Mの一部を形成している。容量手段12 ’は、第2スイッチング素子1’の制御電極1c’と主電極1a’の間で制御信 号を発生する手段S’に、直列的に接続されている。手段S’は、変圧器の第2 巻き器4b’により形成されている。 スターター回路STは、さらに、手段Mを有している。手段Mは、名目上の動 作期間の振幅と比べて交流電流Ibの振幅が低い場合に、第1スイッチング素子 が導通状態になることを実現する。この手段Mは、補助スイッチング素子25を 備えている。 手段Mは、同様に、分圧器15〜18と、単方向素子23と、抵抗インピーダ ンス22と、容量インピーダンス12とを、備えている。 分圧器15〜18は、入力端子間を接続する。分圧器15〜18は、抵抗イン ピーダンス15、16、17の直列的構成により形成された第1ブランチと、抵 抗インピーダンス18により形成された第2ブランチとを、備えている。これら のブランチは、共通接続点20を有する。この共通接続点20は、第1スイッチ ング素子1の制御電極1cへ接続されている。第1ブランチは、抵抗インピーダ ンス15と16により形成された第1部分ブランチを有している。第1ブランチ は、第2入力端子2’へ接続されている。第2部分ブランチは、抵抗インピーダ ンス17により形成されている。第2部分ブランチは、これらブランチの共通接 続点20へ接続されている。これら部分ブランチは、共通接続点21を有してい る。この共通接続点21は、補助スイッチング素子25を介して、第1入力端子 2へ接続されている。 補助スイッチング素子25は、交流電流Ibに依存したさらなる制御信号を受 信する。補助スイッチング素子25は、ここでは、第1スイッチング素子1の制 御回路からそのさらなる制御信号を受信する。補助スイッチング素子25の制御 端子25cは、抵抗インピーダンス22を介して、変圧器4の第2巻き器4bの 一端4bbへ、接続されている。 補助スイッチング素子25は、単方向素子23により、接続されている。単方 向素子23は、第1及び第2入力端子2、2’の間のブランチ15、16、23 に逆方向になって、含まれている。 この回路構成は、以下に示すように動作する。DC電圧が入力端子2、2’に 与えられ、分圧器15〜18で構成される手段により、電圧が第1及び第2スイ ッチング素子の制御電極1c、1c’に与えられ、これにより、これらスイッチ ング素子が導通状態になる。この結果、2つのスイッチング素子を通って電流が 流れる。各スイッチング素子を通って流れる電流は、変動しやすい。差分電流も 、現れた変動にしたがって、負荷ブランチへ供給される。制御信号は、変圧器4 を介して、これらの変動から生成される。この制御信号は、スイッチング素子1 、1’の導通状態に影響を与える。これにより変動は増幅され、発振が発生し、 接続点Pにおける電圧の振幅が次第に大きくなる。2つのスイッチング素子はと もに最初は導通状態であるので、第1容量手段C1が充電されることにより、発 振の生成はブロックされ得ない。直列的構成Aの接続点Pにおける電圧の振幅の 増大は、スイッチング素子1、1’が、実質的な全体的導通と、実質的な全体的 非道通とを、交互に繰り返す状態になる瞬間まで、停止しない。そして、DC/ ACコンバータは、動作状態に入る。この動作状態では、接続点Pにおける電圧 は、第1入力端子2の電圧と、第2入力端子2’の電圧との間で、実質的な矩形 波モードで変化する。十分に大きな振幅の交流電流Ibを与えることにより、さ らな る制御信号は補助スイッチング素子25を導通状態にする。その結果、分圧器の 第1及び第2部分ブランチの共通接続点21は、第1入力端子の電圧と同等にな る。そして、第1スイッチング素子1の制御電極1cと主電極1aの間にDC電 圧成分が現れるのは、終了する。 ここで述べた回路構成は、高い周波数で動作するので、補助スイッチング素子 25用のさらなる制御信号は、極めて簡単な手段により、第1スイッチング素子 1の制御回路から、生成することができる。制御信号を制限する抵抗インピーダ ンス22は、ここでの条件を満足することができる。これにより、補助スイッチ ング素子へのダメージを回避する。補助スイッチング素子25は、ここで、DC /ACコンバータが高い周波数で動作している名目上の動作の間、飽和状態にな り、この補助スイッチング素子25は、さらなる制御信号における両フェーズと も導通状態に維持される。低い周波数、例えば、数十kHzで動作させる場合に は、さらなる制御信号を発生させるために、追加の手段が必要である。この追加 の手段は、例えば、抵抗インピーダンス22と直列的に接続された単方向素子と 、電極25cと25aとを接続する容量素子とを、備える。上記回路構成を現実 的に実現するには、抵抗インピーダンス15、16はそれぞれ1MΩの抵抗値を 有する。抵抗インピーダンス17、18はそれぞれ20KΩの抵抗値を有する。 抵抗インピーダンス22の抵抗値は、同様に、20KΩである。容量インピーダ ンス3と容量インピーダンス11は、それぞれ、100nFと680pFの容量 値を有する。容量インピーダンス12、12’は、それぞれ、47nFの容量値 を有する。容量インピーダンス13、13’は、2.2nFの容量値を有する。 誘導インピーダンス5とコイル9は、それぞれ、30μHと8μHの自己インダ クタンス値を有する。ブレークダウン素子14a、14b、14a’、14b’ は、それぞれ、10Vの降伏電圧を有するツェナーダイオードで構成されている 。この値は、ランプの点灯前にブレークダウンが発生し、ランプ動作中は発生し ない ように、選択されている。BC848型のトランジスタが、補助スイッチング素 子25として用いられている。単方向素子23は、1N4148型のダイオード で構成されている。第1及び第2スイッチング素子は、IRFU420型のMO SFETである。変圧器4は、ソフトな磁性材料で円環形状(torus-shaped)の コアを有する。巻き器4a、4b、4b’は、それぞれ、6巻きしてある。変圧 器の自己インダクタンスは、1μHである。電極のない低圧水銀放電ランプIは 、動作状態において、20Wの電力を消費する。 本発明による回路構成のスイッチオンの動作は、本発明によらない手段Mが存 在しない回路構成と、比べられる。この目的のため、2つの回路構成がAC電圧 源に接続されている。このAC電圧源の電圧は、不規則な間隔で中断する。本発 明によらない回路構成におては、名目上の動作は数回復帰しない。本発明による 回路構成は、名目上の動作状態において、いつも、確実に開始する。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 自己発振型のDC/ACコンバータ(II)を有する、放電ランプ(I )を動作させるための回路構成であって、 − DC電圧源(III)に接続するための第1及び第2入力端子(2、2’) の間の第1及び第2スイッチング素子(1、1’)の直列的構成Aであって、 当該直列的構成Aは、少なくとも第1容量手段C1と誘導手段(4a、5 )と放電ランプ(I)に接続する出力端子(6a、6b)とを備えた負荷ブ ランチへ、名目上の動作期間中、交流電流Ibを供給し、 前記負荷ブランチの第1端(7a)は、当該直列的構成Aにおける前記第 1及び第2スイッチング素子(1、1’)の間に位置する接続点(P)へ接 続され、第2端(7b)は入力端子(2)へ接続され、 前記各スイッチング素子(1、1’)は、制御電極(1c、1c’)と、 前記第1及び第2スイッチング素子それぞれへ前記交流電流Ibから制御信 号を発生するための手段S(4b)及び手段S’(4b’)を有する制御回 路に接続される主電極(1a、1a’)とを、それぞれ有する、直列的構成 Aと、 − 前記第2スイッチング素子(1’)の前記制御電極(1c’)と前記主電極 (1a’)との間にDC電圧成分を発生するための手段(15、12’)を有す るスターター回路STと、 を備えるとともに、 前記スターター回路STは、さらに、名目上の動作期間中、交流電流Ibの振 幅が小さい場合、前記第1スイッチング素子(1)を導通状態にするための手段 Mを備えており、 前記手段Mは補助スイッチング素子(25)を備えている、 ことを特徴とする回路構成。 2. 前記補助スイッチング素子(25)は、前記スイッチング素子(1)の 制御回路から発生したさらなる制御信号によりコントロールされる、ことを特徴 とする請求の範囲第1項に記載の回路構成。 3. 手段Mは、さらに、前記入力端子(2、2’)を接続する分圧器を備え 、 前記分圧器は、第1ブランチ(15、16、17)と第2ブランチ(18)を 備え、 これら第1ブランチと第2ブランチは、前記第1スイッチング素子(1)の前 記制御電極(1c)へ接続する共通接続点(20)を有し、 前記第1ブランチは、第2入力端子(2)へ接続する第1部分ブランチ(15 、16)と、前記第1及び第2ブランチの前記共通接続点(20)へ接続する第 2部分ブランチ(17)とを有し、 前記第1及び第2部分ブランチは、前記補助スイッチング素子(25)を介し て、前記第1入力端子(2)へ接続する共通接続点(21)を有する、 ことを特徴とする請求の範囲第1項又は第2項に記載の回路構成。 4. 前記補助スイッチング素子(25)は単方向素子(23)によって接続 されており、前記単方向素子は前記第1及び第2入力端子(2、2’)の間のブ ランチに逆方向になって含まれている、ことを特徴とする請求の範囲第3項に記 載の回路構成。 5. 前記交流電流Ibから制御信号を発生する前記手段S、S’は、それぞ れ、変圧器(4)の第2巻き器(4b、4b’)から形成されており、 前記変圧器は、前記負荷ブランチに第1巻き器(4)を有している、 ことを特徴とする請求の範囲第1項乃至第4項のいずれかに記載の回路構成。
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