JP2001505704A - 汎用高光度放電（ｈｉｄ）装置用電子スターター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 高光度放電装置（８０）用の電子スターター（６０）。本発明の装置は、印加される直流電圧と、その一部として高光度装置（８０）を備えた別の共振回路（６２、６４）とによって共振周波数が決定される電圧制御式発信器を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 汎用高光度放電（ＨＩＤ）装置用電子スターター技術分野 本発明は、汎用高光度放電ランプ及び類似の特性を有する全ての装置用の電子 スターターに関するものである。背景技術 高圧ナトリウムランプや他の高光度放電装置を始動及び動作させるための幾つ かの装置が従来より設計されてきた。しかし、その多くは５０／６０Ｈｚの公用 電源網を用いており、比較的大形で重量のかさむ安定抵抗やコイルが必要であっ た。また、その多くは比較的高い電流の切り替えが必要で、これがランプアセン ブリや関連回路を劣化させたり、その寿命を短くしたり、また他の電子装置に干 渉し得る望ましくない高調波を発生する原因となる。このような装置の１つが、 “Starting and Operating Ballast For High Pressure Sodium Lamps”なる名 称の１９７５年に“Bodine，Jr.及びRosiak.”に付与された米国特許第３，８８ ９，１５２号の明細書に記載されている。この装置は、コンデンサに加わる電圧 が所定のレベルに達した時に制御整流器を作動させる。この方法には上述のよう な欠点があった。 本出願人が知る最近の引用例は、International Rectifier社（233 Kansas St reet，E1 Segundo，CA90245）が公開した製品説明書ＡＮ−９７３であり、ここ ではこの製造業者が製造しているＭＯＳＦＥＴトランジスタ（ＨＥＸＦＥＴブラ ンド）の用途として、蛍光灯や高光度放電ランプに利用した時の例が記載されて いる。 別の参照例は、“Universal Electronic Ballast System”なる名称の１９９ ２年にJohnsに付与された米国特許第５，１３０，６１１号である。前の参照例 と同様に、この発明は、高い電流が上述のような悪い影 響をもたらすスイッチング装置を用いている。 ３００ＫＨｚ程度の高周波電界で高光度放電装置の負荷において蒸気をイオン 化し、イオン化の後に、全共振回路への装置のインピーダンスの作用によりこの 周波数を低下させ、かつ動作周波数を２０〜１００ＫＨｚの範囲に維持するよう な装置は、前に挙げた参照例にも他の従来の装置でも用いられていない。上述の 参照例のように動作周波数を安定に維持しないことにより、望ましくない高調波 や歪みが最小となる。 関連技術について記した最近の他の特許にも、種々の多かれ少なかれ複雑な特 徴が備えられており、これらは効率的且つ経済的に上記問題を解決するには至っ ていない。また、これらの特許の何れにも本発明の新規な特徴は開示されていな い。発明の要約 本発明の主な目的の１つは、高光度放電ランプを含む全ての高光度放電装置に おいて用いることができる、必要な始動時間を最少にする電子スターター装置を 提供することである。 本発明の別の目的は、高光度ランプ装置において同じ光度を維持しつつ消費さ れる電気エネルギーが少なくて済む装置を提供することである。 本発明の更に別の目的は、ＡＣ入力電力の周波数（５０〜６０Ｈｚ）で、３０ ０ＫＨｚの周波数で始動電気エネルギーを供給し、２０〜１００ＫＨｚの可変動 作周波数を供給する発信器を備えた装置を提供することである。 本発明の更に別の目的は、望ましくない高調波や歪みを最少に維持する装置を 提供することである 本発明の更に別の目的は、体積あたりの効率が高く、比較的軽量な高光度放電 装置用の電子スタータ装置を提供することである。 本発明の別の目的は、発生するパルスや他の望ましくない高調波が最 少である電子スタータ装置を提供することである。 本発明の更に別の目的は、力率を最大化させて１．０に近くし、従来の安定抵 抗を用いる時は通常必要であった補償コンデンサの必要性を排除した構成の電子 スタータ装置を提供することである。 本発明の別の目的は、その高い動作周波数にも関わらず、熱の発生が最少であ るような電子スタータデバイスを提供することである。 本発明の更に別の目的は、以下の実施例の説明の項に譲る。この実施例の説明 の項は、本発明の内容について完全に説明する目的で書かれているが、但し本発 明の内容をここに記載された実施例の範囲に限定しようとするものではない。図面の簡単な説明 本発明の上述の目的及び関連する他の目的を達成するための本発明の詳細な構 成及び部品の組み合わせは、実施例の説明の項を以下に説明する添付の図面と共 に参照することにより、より完全に理解されよう。 第１図は、本発明の構成の概略ブロック図である。 第２Ａ図は、従来の安定抵抗を用いた場合Ｂと、本発明の構成を用いた場合Ａ の高光度放電ランプを流れる電流の挙動を経時的に示したグラフ図である。 第２Ｂ図に示すのは、本発明が用いられる時の公用電源の入力電圧Ｖ及び電流 Ｉの波形を概ね同位相で示した図である。 第３図は、本発明の好適実施例の１つの模式図である。 第４図は、従来の構成で供給される安定化ＤＣ電圧と、本発明の構成で供給さ れる可変ＤＣ電圧を示したグラフである。 第５図及び第５Ａ図は、それぞれ従来の構成を用いた場合に発生する高調波の 分布と、本発明の構成において発生する高調波の分布である。好適実施例の詳細な説明 本発明が符号１０を付して示された第１図を参照すると、本発明の装置は、基 本的な構成要素として、整流回路２０、発信回路４０、共振安定抵抗回路６０、 及び高光度放電負荷８０を有している。本出願の目的のため、負荷８０として高 光度放電ランプを用いた特定の例について説明するが、本発明の利点を利用でき るものにはランプの他にも他の高光度装置が存在する。回路保護回路１００は、 負荷８０が除去されるか他の異常状態が存在する時に、発信回路６０の動作を止 める回路である。 第１図は、本発明の簡単な実施例が示されている一般的なブロック図である。 ＤＣ３００Ｖの整流済み可変ＤＣ電源は、公用電源ＡＣ２２０Ｖから得られる。 可変ＤＣ電圧は発信回路４０に供給され、このためその共振周波数は印加される 可変ＤＣ電圧の関数となり、これが共振回路６０の構成要素の定格を決める。こ の可変電子電圧を得るために、コンデンサ２１のキャパシタンスが、好適実施例 では極めて小さい７μＦの範囲に選択される。前に引用した製品説明書で選択さ れたキャパシタンスは１００μＦであり、つまり、本発明では一桁以上キャパシ タンスが高い。この説明書に記載の構成は、本発明で実現しようとしているもの とは異なり安定化ＤＣ出力を供給する従来の形態をとっているのである。ランプ 負荷８０は必要なイオン化電圧を供給するべくコンデンサ６２と並列に接続され ており、コイル６４は電流リミッタとして作用する。 可変ＤＣ電圧を共振安定抵抗回路６０に供給することにより、発振周波数もそ れに応じて所定の範囲で変化する。可変ＤＣ電源を形成する簡単な方法の１つは 、上述のように、過剰に静電容量の小さいフィルタリング用コンデンサを選択す ることである。好適実施例では、発振を決定する構成要素及び可変電圧は、６０ ＨｚのＡＣ電源を用いた時、発振周波数が０．００８３３秒（１／２×６０）で ２０ＫＨｚから１００ＫＨｚに変化するように選択された。 第５図及び第５Ａ図に示すように、International Rectifier社の説明書の記 載されているもののような従来型の共振安定抵抗回路は、比較的低い力率のＡＣ 入力に対する無効負荷となり、高調波は４０ｋＨｚ領域に集中する。本発明では 、発振周波数が変化し、望ましくない高調波は、極めて低い強度でより広い帯域 に分布した。後者の高調波の方が処理しやすく、より簡単に除去、フィルタリン グすることができる。 第１図を参照しつつ、本発明の装置の始動後の動作の概略について説明する。 始動回路についても後に説明する。基本的に発振電流は、暴走状態を防止するべ くコイル６４のインピーダンスによって電流のレベルを制限されつつ、共振安定 抵抗回路６０を通して流れる。スイッチング回路Ｓ₁Ｓ₂、により、コンデンサ６ ２及び６３が周期的に充電される。ランプ負荷８０が接続されていない場合には 、この周期的動作は共振周波数で発生し、この共振周波数は好適実施例では、約 ３００ｋＨｚである。ランプ負荷８０が（イオン化の後）コンデンサ６２と並列 に接続されている場合、共振周波数は始動イオン化が達成された後（ランプ負荷 ８０が実質的に開回路としての挙動を示す前に）、好適実施例では整流器アセン ブリ２０によって供給される電圧に応じて２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲で 低下する。この周波数が低下すると、コンデンサ６２の両端の無効インピーダン スが高くなる。効率を最大限にするため、動作周波数におけるコンデンサ６２の 容量性インピーダンスは、負荷の動作インピーダンスに近いものであるべきであ る。 保護回路１００は、コイル６４の右側で誘導された電圧が所定のレベルを越え た時、ゲートをスイッチング回路Ｓ₁に短絡して、動作を止めるスイッチング回 路Ｓ₃を有する。これがないと、発振回路４０が共振周波数で無限に動作するこ とが可能となる場合（ランプ負荷８０が破損しているが除去された時）、回路が 焼き切れる。この保護回路１００は、 前に引用したＩＲ社の説明書に記載されている。 第３図に模式的に示されているような本発明の装置の動作は、以下の通りであ る。初めに、ＡＣ電源が供給されると、このＡＣ電源は上述のように整流され、 上述のような波形を示すようになる。次に抵抗４２を通してコンデンサ４１が充 電される。好適実施例におけるこれらの構成要素の定格は、それぞれ１０μＦ及 び２ＭΩである。コンデンサ４１は約３２Ｖで概ね２秒間充電される。ＤＩＡＣ ４３は、３２Ｖ定格であり、電流抵抗器４３’（装置説明書には記載されていな い）を介して、更に抵抗値が１００Ωの抵抗４５を介してトランジスタ４４のゲ ートに接続される。トランジスタ４４はＭＯＳＦＥＴトランジスタで実現される が、このＭＯＳＦＥＴはHarris & Motorola社製の部品番号ＩＲＦ７４０か同等 のデバイスである。コンデンサ４１の両端の電圧が３２Ｖを越えると、トランジ スタ４４（またはＩＲＦ７４０ ＭＯＳＦＥＴトランジスタ）がオン状態になり 、トランス４６の一次側４６’を通して共振回路６０用の回路を閉じる。同時に 、コンデンサ４１が１ＫΩ定格の抵抗４７を通してそれが充電された時の速度よ り約２０倍早く放電される。 コイル６４は、直列に接続されたコンデンサ６２及び６３の全体の容量と組み 合わせたとき、一時的な始動時周波数である約３００ＭＨｚで共振するように設 計される。コイル６４の実現形態は、好適実施例では、Ｎｏ．１２のワイヤを３ ５回巻回した一次側６４’と、Ｎｏ．３０のワイヤを３回巻回した二次側コイル ６４”を有するものである。コンデンサ６２は０．０３３μＦのコンデンサであ り、一方コンデンサ６３の容量は１．５μＦで、前者よりも極めて大きい静電容 量である。コンデンサ６２のリアクタンスがコンデンサ６３のリアクタンスより 極めて大きいことから、これら二つのコンデンサの両端の電圧の大部分はコンデ ンサ６２の両端に現れ、更にこのコンデンサ６２はランプ負荷８０と並列 に接続されている。しかし、一度ランプ負荷８０が動作を始めると、コンデンサ ６２の両端の電圧はランプ負荷８０の名目電圧まで低下し、発振回路４０の共振 及び発振周波数は、２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの間まで低下する。（この２０ ｋＨｚの周波数は、コンデンサ６３とコイル６４の実効直列組み合わせ共振と、 影響度はそれより少ないが基本的に切り替えられるコンデンサ６２によって決ま る。）これらの低い動作周波数及びＱにおいて、コンデンサ６４はイオン化され たランプ負荷８０を通して流れる電流を制限する。これらのより低い周波数は動 作周波数であり、概ね２０ｋＨｚと１００ｋＨｚの間で変化し得、このため生ず る高調波の分布が広くなる。 トランス４６のコイル４６’はＮｏ．２２のワイヤを３回巻いたものであり、 トランジスタ４４がオン状態にあり、コンデンサ６２及び６３が充電中であると き、電流を一方向に流す。充電が完了した後この電流は止まり、トランス４６に 蓄えられた磁気エネルギーがコイル４６”（ワイヤＮｏ．３０を１９回）に極性 が逆の電圧を誘導し、これによって（トランジスタ４４に類似した）ＭＯＳＦＥ Ｔトランジスタ４８が、一次コイル４６’を通してコンデンサ６２及び６３を放 電させる経路をつなぐ。この時トランジスタ４４は、オフ状態にあるからである 。一度イオン化がなされると、コンデンサ６２が実際にスイッチされ、その点か ら、コイル６４のリアクタンスが実際にランプ負荷８０を通して流れる電流を制 限することから、この周波数は自動的に低下する。このようにして、重量のかさ む安定抵抗を用いる必要なく、ランプ負荷８０に高周波で必要なエネルギーを供 給できる。前に引用した製品説明書（説明書第６ページ図１１）には、トランス を実現するには二つのＥ形コアが必要であると書いてあるが、本発明では、１つ のＥ形コアともう１つのＩ形コアで十分である。これによって部品の重量が低下 し、これは公的な照明設 備で用いるために特に非常に望ましいことである。 上述のように、保護回路１００は、第３図に示すようにコイル６４の一次側コ イル６４’の両端の電圧をモニタリングする。二次側コイル６４”に誘導された 電圧は、ダイオード１０１で整流され、コンデンサ１０２を充電するのに用いら れる。通常の動作状態では、コンデンサ１０２の両端に約２０Ｖの電圧が生ずる 。しかし、この電圧が所定の電圧を越えた場合、（トランジスタ４４に類似した ）トランジスタ１０４がオン状態になり、トランジスタ４４のゲートをプルダウ ンし、これによってそれ以上の発振を止める。前記所定の電圧のためにＤＩＡＣ １０３の定格が選択されている（好適実施例では３２Ｖ）。ランプ負荷８０が取 り除かれた時には、電圧が更に上昇し得るが、そうでなければその仕様通りに動 作しなくなる。 （公用電源の５０〜６０Ｈｚより）高い周波数で動作することの利点の１つは 、誘導性部品のサイズ及び重量が小さくなることである。 上述の説明は、本発明の目的及び利点を最も良く理解できるようにするための ものである。本発明の本質的な概念に基づいた別の実施例も可能である。ここに 開示した内容の全ては単なる説明のためのものであり、本発明の範囲をこれに限 定しようとするものでないことは理解されたい。産業上の利用 前の段落の説明から、このような電子スターターは、必要な始動時間を最小化 したこのタイプのランプを含む全ての高光度放電装置と共に用いられるように適 切な改良を施して実現することが極めて望ましいということは理解されよう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＥＥ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ，Ｋ Ｒ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＳＧ， ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ，Ｙ Ｕ，ＺＷ (72)発明者 カボリーナ、アレハンドロ アメリカ合衆国フロリダ州33166・マイア ミ・ノース ウエストシクスティーセブン スストリート 7922

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ガス放電ランプ負荷用の電子スターターであって、 Ａ）周期的可変式直流電圧を供給するための電源手段と、 Ｂ）前記電源手段に選択的には接続され、且つ前記電源手段に接続時に概ね３ ００ｋＨｚの始動発振信号を供給するように適合されている電圧制御式発振器手 段と、 Ｃ）誘導性リアクタンス素子と、該誘導性リアクタンス素子に直列に接続され た、直列に接続された第１容量性リアクタンス部品及び第２容量性リアクタンス 部品とを有する前記発振器手段に共振周波数を与えるための手段であって、前記 負荷がイオン化された時に前記素子及び部品の組み合わせの動作共振周波数が低 下するように、前記負荷が前記第２容量性リアクタンス部品と並列に接続されて おり、前記動作共振周波数が２０ｋＨｚと１００ｋＨｚとの間で周期的に変化す る、該手段と、 Ｄ）前記誘導性リアクタンス素子の両端の電圧をモニタリングするためのセン シング手段と、 Ｅ）所定の電圧が検知された時、前記発振器手段を動作停止させるように前記 センシング手段に接続された前記発振器手段を動作停止させるための手段とを有 することを特徴とするガス放電ランプ負荷用の電子スターター。 ２．前記電源手段が、出力端を有する全波ブリッジ型整流器を有することを特徴 とする請求項１に記載の電子スターター。 ３．前記電源手段が、波形の電圧波形が与えられるように前記出力端に容量性素 子を有することをと特徴とする請求項２に記載の電子スターター。 ４．前記第１容量性リアクタンス部品の静電容量が、前記第２容量性リアクタン ス部品の静電容量より少なくとも１０倍大きいことを特徴とす る請求項３に記載の電子スターター。 ５．前記第２容量性リアクタンス部品が、０．０１乃至０．０５μＦの範囲の静 電容量を有することを特徴とする請求項４に記載の電子スターター。 ６．前記発振器手段を動作停止させるための手段が、前記誘導性リアクタンス素 子に接続された二次側誘導コイルを有し、前記二次側誘導コイルにおいて誘導さ れる電圧が、前記誘導性リアクタンス素子を流れる電流に比例することを特徴と する請求項５に記載の電子スターター。 ７．前記発振器手段が、トランジスタ式スイッチング回路を有することを特徴と する請求項６に記載の電子スターター。 ８．前記発振器手段が、所定の周波数で前記発振器手段の発振を生起させるため のＲＣ回路を有することを特徴とする請求項７に記載の電子スターター。