JP2001511305A - 安定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 高輝度放電ランプに電力を供給する安定器は、点弧子と共振回路とを含んでいる。点弧子によって発生する点弧パルスは、ランプの始動中、共振周波数付近で動作する回路によって発生される昇圧低周波数電圧に加えられる。この回路は、ランプ点弧に続く予め決定した期間の経過後に不作動とされる。ランプには、点弧パルスを供給する前に信号を供給する。この回路の不作動によって、点弧子を不作動にしうる。

Description

【発明の詳細な説明】 安定器 本発明は一般に、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプのための安定器に関するもので あり、この安定器はＨＩＤランプの点弧を補助する回路を具えている。 従来のＨＩＤランプを点弧するためには、120ボルトの交流電圧（ＶＡＣ）で ある米国の業務用公称線間電圧が昇圧され、これが、短い持続時間で非常に高い 振幅のパルス電圧と一緒にランプに印加される。安定器は磁気変圧によって米国 の業務用公称線間電圧を昇圧させることができる。このような変圧を行なうと、 安定器は不所望に大型となるか又は許容しえない程大きな損失を有するようにな るか又はこれらの双方を伴うようになる。 公称線間電圧が充分高ければ(例えば、実効値で約200ボルトかあるいはそれ以 上であれば)、変圧は必要としない。このような変圧が無い従来の安定器は米国 特許第４，４６１，９８２号明細書に開示されている。このような安定器は短い 持続時間で高い振幅の電圧パルスを得るに当って、発振器と点弧子との双方を有 する。しかし、発振器によってランプへ供給されるエネルギー量は制限されてい る。発振器からランプへのエネルギーの伝達は点弧子が動作する間、すなわち、 各々の点弧パルスの持続時間の間のみに行なわれる。発振器により蓄えられ、従 って、ランプに利用できるエネルギー量は、蓄積すべきエネルギーを発振器と点 弧子とに分担することを課している蓄積設計によっても制限される。 従って、よりかさばりが少なく、よりエネルギー効率の高い改善したＨＩＤ安 定器を提供することが望ましい。この改善した安定器では、始動中、昇圧した公 称線間電圧からＨＩＤランプへエネルギーを供給するのを１つ以上の点弧パルス の持続時間に制限してはならず、あるいは、点弧子に対しエネルギーの蓄積を分 担することによりランプに供給されるエネルギー量を制限してはならない。 一般的に言うと、本発明の第１の観点によれば、高輝度放電ランプに電力を供 給するための安定器は、入力電圧を受け取るための第１入力端子及び第２入力端 子と、電力をランプに供給するための第１出力端子及び第２出力端子と、第１入 力端子と第１出力端子との間に直列に結合されている第１インダクタ及び第１キ ャパシタとを有している。この安定器は、第２出力端子と、第１インダクタ及び 第１キャパシタの相互接続点との間に直列に結合されているリアクタンス素子及 びスイッチをも有している。リアクタンス素子は、第１インダクタ及び第１キャ パシタより成る群から選択された素子と合俟って第１周波数で第１共振状態とな る。この第１共振状態で発生されるエネルギーは、ランプの点弧を補助するため にランプへ供給される。 この安定器は公称線間電圧である120ボルトの交流電圧によって給電されるが 、共振状態で発生されるエネルギーは、点弧の補助に当って、公称線間電圧であ る120ボルトの交流電圧を少なくとも実効値で約200ボルトに増大する変圧器を必 要とせずに、ランプを始動させるのに充分となるようにするのが有利である。本 発明は、ランプを始動するために、充分なレベルまで公称線間電圧を昇圧する変 圧を必要とする従来の安定器に比べてよりエネルギー効率の高い、かさばりの少 ない安定器を提供する。 本発明の第１の例では、第１インダクタと第１キャパシタとが、ランプの定常 点灯中、ランプ電流を維持するために、第２周波数で第２共振状態となるように する。本発明の好適な例の１つでは、第１周波数を第２周波数よりも大きくする 。 本発明の他の例によれば、安定器が更に、点弧パルスを発生するために前記第 １インダクタを含んでいる点弧子を有している。ランプの始動中、前記リアクタ ンス素子は選択された前記素子と合俟って第１共振状態と関連する信号を発生し 、そのリンギングはスイッチと第２出力端子との間に接続された第２インダクタ により延長される。スイッチの導通状態はランプの動作状態に基づいていて、予 め決定した期間の間ランプを通る電流の流れに応答して、スイッチが導通状態か ら非導通状態に切換わる。 本発明によれば、安定器は、第１の大きさの低周波信号と第２の大きさの高周 波点弧パルスとをランプへその点弧の前に供給する手段を有する。この信号は、 共振周波数の近くで動作し安定器の一部分を構成する回路によって発生される。 点弧パルスは、安定器の一部分を形成することができる点弧子によって発生され る。信号の供給はランプへの点弧パルスの供給より先に行なう。点弧パルスは信 号の少なくとも１つのピーク値付近でランプに供給するのが好ましい。 ランプの点弧に続き、予め決定した期間が経過した後に回路を不作動にするこ とが本発明の特徴の１つである。前記の第２の大きさは、前記の第１の大きさの 少なくとも10倍であることが好ましい。点弧子は、前記回路を不作動にした際あ るいはその前に不作動になる。更に、本発明の他の特徴では、前記回路を不作動 にすることによって点弧子を不動作とすることができる。 従って、従来の安定器に比べてよりかさばりが少なく、エネルギー効率の高い 改善されたＨＩＤ安定器を提供することが本発明の目的の１つである。 点弧子以外からランプへエネルギーを供給するに当り、このような供給を１つ 以上の点弧パルスの持続時間に限定されないようにした改善したＨＩＤ安定器を 提供することが本発明の他の目的である。 点弧子及び共振回路の双方からランプへエネルギーを供給することにより、点 弧子に対するエネルギー蓄積の分担のために共振回路によって発生されるエネル ギー量に限定されないようにした改善されたＨＩＤ安定器を提供することが本発 明の更なる目的である。 本発明の更なる目的及び利点は明細書から明かになるであろう。本発明は種々 の工程を有し、これらの工程間には種々の関係があり、これらの工程を実行する 構成上の特徴、素子の組合せ、部品の配置等はすべて以下の実施例に例示してあ る。 本発明を更に理解するために、添付図面を参照して説明を行なう。図中、 図１は、本発明の第１の実施例による発明の概略図である。 図２は、本発明の他の実施例による発明の概略図である。 図１に示すように、120ボルトの交流電圧で60ヘルツ（Hz）の電圧源VSは、安 定器10の第１入力端子IT1及び第２入力端子IT2に接続され、安定器へ入力電圧を 供給する。安定器10は、第１出力端子OT1及び第２出力端子OT2で、ＨＩＤランプ 負荷LLと接続されていて、ランプへ電力を供給する。第１インダクタ（チョーク ）L1及び第１キャパシタC1によって構成されているＬＣ直列共振回路は、第１入 力端子IT1と第１出力端子OT1との間に直列に結合されている。チョークL1及びキ ャパシタC1の共振周波数は、駆動電圧の周波数付近で それ以上、すなわち、電圧源VSの周波数60Hz付近でそれ以上（例えば、75Hz）で ある。ランプ負荷LLが定常点灯状態である間、すなわち、ランプ負荷LLがうまく 点弧された後、チョークL1及びキャパシタC1は、ランプ負荷LLを安定させる作用 をする。チョークL1及びキャパシタC1のLC組合せ回路は、共振周波数の容量側で 動作し(すなわち、遅延形設計)、公称電圧が交流100ボルトよりも高いランプを1 20ボルトの交流電圧源により信頼的に安定化させる。 安定器10は、ＳＩＤＡＣのような両方向スイッチング装置S1も具えていて、こ の両方向スイッチング装置S1は、チョークL1のタップＴに接続されている。キャ パシタC2は、スイッチング装置S1と抵抗R1とを結合する相互接続点と、チョーク L1とキャパシタC1とを結合する相互接続点との間に接続されている。リレーの常 閉スイッチSW1は、抵抗R1とチョーク（インダクタ）L2の一方の端との間に接続 されている。チョークL2の他方の端は、入力端子IT2を出力端子OT2へ結合してい る相互接続点に接続されている。スイッチSW1は、リレーの一部分である必要は なく、このスイッチSW1が、ランプ負荷LLを通る電流を検出してから、予め決定 した期間が経過した後にターン・オフ（すなわち、開放）される場合には、トラ ンジスタ、両方向スイッチング装置あるいは正の温度係数（ＰＴＣ）抵抗のよう な、しかし、これらに限定されない他の適切なスイッチング装置を含むことがで きる。言い換えれば、ランプ点弧に続いて、予め決定した期間が経過すると、ス イッチSW1は、ランプ負荷LLを流れる電流に応答して導通スイッチング状態から 非導通スイッチング状態へ切換わる必要がある。 リアクタンス素子としてのキャパシタC3とスイッチSW1とは、第２出力端子OT2 と、第１インダクタL1及び第１キャパシタC1の相互接続点との間に直列に結合さ れている。リアクタンス素子のキャパシタC3は、第１インダクタL1と合俟って、 ランプの点弧を補助するためにランプLLに供給されるエネルギーを発生する第１ 周波数で第１共振状態となる回路を構成する。 チョークL1と、スイッチング装置S1と、キャパシタC2と、抵抗R1との組合せ回 路は点弧子として作用する。ランプLLの始動中、電流はチョークL1、キャパシタ C2、抵抗R1、スイッチSW1、チョークL2を流れる。キャパシタC2は実質的に抵抗R 1とキャパシタC2とのRC時定数に基づいて充電される。チ ョークL2のインダクタンスは、電圧源VSの60Hzの周波数では、チョークL1のイン ダクタンスに比べて無視できる。キャパシタC2の両端間の電圧が、スイッチング 装置S1のブレークオーバ電圧に達すると、キャパシタC2は、スイッチング装置S1 と、このスイッチング装置S1をキャパシタC2に接続しているチョークL1の部分と を通り放電する。チョークL1は、数千ボルトまで電圧を増加させる単巻変圧器と して作用する。キャパシタC2は、この非常に高い電圧（点弧パルス）を非常に短 い時間の間ランプLLに印加するように極めて迅速に放電する。点弧パルスは、非 常に高い周波数（例えば、100kHz）にある。チョークL2は点弧パルスに対し高い インピダンスを呈するので、ランプ負荷LL以外で点弧パルスにかかる負荷が最小 となる。 キャパシタC2が放電すると、スイッチング装置S1の両端間の電圧は、スイッチ ング装置S1のブレークダウン電圧よりも低下する。従って、スイッチング装置S1 は開放する。キャパシタC2は再び、スイッチング装置S1のブレークダウン電圧に 達するまで充電を始める。上述のように、他の点弧パルスが発生する。これら点 弧パルスの発生は、ランプ負荷LLが完全にアーク放電するかあるいはその付近ま で（すなわち、安定なランプ電流が確立されるまで）継続する。ランプ負荷LLが 定常点灯状態である間、キャパシタC2の両端間の電圧は、スイッチング装置S1の ブレイクダウン電圧に決して達しない。従って、点弧子によるそれ以上の点弧パ ルスの発生は生じない。すなわち、点弧子は動作しない。 スイッチSW1が一旦開放すると、点弧パルスは発生しえない。すなわち、スイ ッチSW1が非導通状態にある時、キャパシタC3はもはや充電しない。スイッチSW1 は、予め決定した期間の間ランプ負荷LLに電流が流れるのに応答して、導通状態 から非導通状態へ切換わる。従って、スイッチSW1の開放により点弧子を不作動 とする。 スイッチSW1は、抵抗R2及びR3と、キャパシタC1と、電解キャパシタC4と、キ ャパシタC5と、４つのダイオードD1〜D4によって形成されているダイオードブリ ッジとをも含んでいる直流動作リレーの一部分である。ランプ負荷LLが点弧した 後、電流はキャパシタC1、C5、ランプ負荷LLを流れ始める。キャパシタC5を流れ る電流はダイオードブリッジによって整流され、リレーを附勢 してスイッチSW1の常閉接点を引き離してスイッチを非導通状態とするような直 流電圧までキャパシタC4を充電する。キャパシタC4を充分充電してスイッチSW1 を開放させるまでの経過時間は、数10ミリ秒の範囲内としうるもこれに限定され るものではない。キャパシタC4が充電する速度は、主として、キャパシタC1及び C5間のキャパシタンス比とキャパシタC4のキャパシタンスとに依存する。 キャパシタC1に並列に接続されている抵抗R3は、数百ボルトとしうるキャパシ タC1の両端間の電圧を安全のために、ある期間（例えば、30秒〜１分）内で放電 する作用をする。キャパシタC5と直列の抵抗R2は、キャパシタC5を通る電流の突 入を阻止する作用をする。 開路電圧が少なくとも実効値約200ボルトでなければ、特にＨＩＤランプは始 動するのが困難である。従来の安定器は、120ボルトの交流公称線間電圧の磁気 変圧によってランプに印加される電圧を始動中昇圧させる。このような磁気変圧 を行なうと、安定器がよりかさばったものとなるか或いはその損失が一層大きな ものとなる（すなわち、効率がより低いものとなる）か或いはこれらの双方が生 じる。本発明によれば、チョークL1及びキャパシタC3のLC直列共振回路により、 事業用公称線間電圧を少なくとも約200ボルトの実効値まで増大すなわち昇圧さ せる。第１周波数を形成するチョークL1及びキャパシタC3の共振周波数は電圧源 VSの駆動周波数を少し越える、すなわち、60Hzを少し越える(例えば、約85Hzで ある)。 始動中ランプ負荷LLに印加される電圧は、点弧子によって供給される数千ボル ト（例えば、3000〜3500ボルト）に、チョークL1及びキャパシタC3のＬＣ直列共 振回路によって供給される約60Hzでの少なくとも約200ボルトの実効値の電圧が 加えられてなる電圧の高周波電圧パルスを有している。従って、チョークL1及び キャパシタC3の共振回路によって発生され、ランプ負荷LLに供給されるエネルギ ーはランプ負荷LLの点弧を補助する。点弧中、チョークL2は、ランプ負荷LLに印 加されるキャパシタC3の両端間の電圧によって発生するリンギングを弱め、この リンギングが数ミリ秒の範囲で継続するようにする。より詳細には、点弧中、チ ョークL2は、充電されたキャパシタC3からランプ負荷 LLへ供給される電流の振幅を制限し、その持続時間を長くする。これによって、 C3内のエネルギーがランプ負荷LLに供給される期間が延長される。チョークL2が 無いと、キャパシタC3は数百マイクロ秒で放電してしまい、これによっては、ラ ンプ負荷LLをうまく点弧するには不充分な昇圧しか得られなくなる。チョークL2 は、ランプ負荷LLを通る電流の流れを維持するのを補助する。抵抗R4は、予め決 定した期間（例えば、30秒〜１分）内で、キャパシタC3の両端間の電圧を放電す る作用をする。スイッチSW1が開放すると、チョークL1及びキャパシタC3によっ て構成される共振回路は不作動となる。チョークL2は、ランプ負荷LLへキャパシ タC3が放電する間、飽和しないように設計されなければならない。チョークL1に 比べて、チョークL2のインダクタンスは比較的小さい。ランプが点弧する前にチ ョークL2を流れる電流は数百ミリアンペアにすることができる。 安定器10が附勢された後、すなわち、点弧子が点弧パルスを発生し始める前に 、キャパシタC3の両端間の電圧がランプ負荷LLへ印加される。言い換れば、キャ パシタC3の両端間の電圧の印加は、ランプ負荷LLへの点弧パルスの供給よりも先 に行なわれる。点弧子の不作動状態は、チョークL1及びキャパシタC3によって構 成される共振回路が不作動となる際あるいはその前に生じる。 70ワットのＣＤＭハロゲン化金属ランプを安定化させるための代表的な構成要 素の値は、抵抗R1及びR2に対し、それぞれ約8.2キロオーム及び100オームであり 、抵抗R3及びR4に対し、約2.2メガオームであり、キャパシタC1、C2、C3、C4、C 5に対し、それぞれ約8.1テラファラッド及び300ボルト交流電圧、0.15テラファ ラッド及び630ボルト直流電圧、6.3テラファラッド及び300ボルト交流電圧、220 テラファラッド及び25ボルト直流電圧、0.33テラファラッド及び１キロボルト直 流電圧であり、スイッチング装置SW1に対し、260ボルトＳＩＤＡＣであり、ダイ オードD1〜D4に対し、約１アンペア及び1000ボルトであり、チョークL1及びL2に 対し、それぞれ900ミリアンペアで約530ミリヘンリー及び600ミリアンペアで約3 5ミリヘンリーであり、リレーに対し、約10アンペア、250ボルト交流電圧、12ボ ルト直流電圧である。 図２は、本発明の他の実施例を示し、図１と同様の構成要素及び動作を図１と 同じ符号で表す。安定器10'は、チョークL1及び第１キャパシタとしてのキャパ シタC5のＬＣ直列共振回路を含んでいて、定常点灯状態の間、ランプ負荷LLを安 定させるために、このＬＣ直列共振回路は第１入力端子IT1と第１出力端子OT1と の間に接続されている。チョークL1及びキャパシタC5の共振周波数は、駆動電圧 の周波数付近でそれよりも上、すなわち、電圧源VSの周波数60Hz付近でそれより も上（例えば、75Hz）である。キャパシタC5及びチョーク（インダクタ）L3は、 リアクタンス素子として共振回路を構成していて、この共振回路は、第１共振状 態において電圧源VSの駆動周波数よりもわずかに低い（従って、60Hzよりもわず かに低い）第１周波数を有する。スイッチSW1は常閉である。このスイッチSW1導 通状態はリレーPLYによって制御され、このリレーはスイッチS1を、予め決定し た期間の間ランプLLを通る電流の流れに応答して開放させる。 点弧中、チョークL1と、スイッチング装置S1と、キャパシタC2と、抵抗R1とに よって構成されている点弧子回路が、点弧パルスを発生し、これら点弧パルスを 、チョークL3の両端間に生じる60Hzで少なくとも約200ボルトの実効値の電圧に 加えられる。これらの昇圧された点弧パルスがランプ負荷LLに供給される。抵抗 R1と、入力端子IT2を出力端子OT2に結合する相互接続点との間に接続されている チョークL2は、電圧源VSの60Hzの周波数ではチョークL1に比べて無視しうる。チ ョークL2は点弧パルスに対して高いインピーダンスを呈するため、ランプ負荷LL 以外で点弧パルスにかかる負荷が最小となる。 パルス安定器10及び10'の双方では、点弧パルスは、60Hzの発振器出力のピー ク付近で生じる。従って、点弧パルスの結果、ランプ負荷LLが一時的にブレーク ダウンすると、安定器10のキャパシタC3あるいは安定器10'のチョークL3によっ て蓄えられたエネルギーがランプに供給され、放電を維持するのを補助する。 容易に理解しうるように、安定器10のチョークL1及びキャパシタC3や安定器10 'のチョークL3及びキャパシタC5によってそれぞれ構成されている共振回路は、 従来の安定器の変圧器に比べて公称線間電圧である120ボルトの交流電圧を増大 させる点でより一層有効なものである。安定器10及び10'は、公称線間電 圧である120ボルトの交流電圧を昇圧させるために変圧器を設ける必要がないの で、従来の安定器に比べて極めて小型になる。

【手続補正書】 【提出日】平成１１年８月２４日（１９９９．８．２４） 【補正内容】 請求の範囲 １．高輝度放電ランプに電力を供給するための安定器において、 この安定器が、 入力電圧を受け取るための第１入力端子及び第２入力端子と、 ランプへ電力を供給するための第１出力端子及び第２出力端子と、 前記第１入力端子と前記第１出力端子との間に直列に結合されている第１ インダクタ及び第１キャパシタと、 前記第２出力端子と、前記第１インダクタ及び前記第１キャパシタを互いに 結合する相互接続点との間に直列に結合されているリアクタンス素子及びス イッチと を具えており、 前記リアクタンス素子が前記第１インダクタ及び前記第１キャパシタより 成る群から選択された素子と合俟って第１周波数で第１共振状態となり、 前記第１共振状態で発生されたエネルギーが、前記ランプの点弧を補助する ために前記ランプへ供給されるようになっていることを特徴とする安定器。 ２．請求の範囲１に記載の安定器において、前記第１インダクタと第１キャパシ とが、ランプの定常点灯中、ランプ電流を維持するために、第２周波数で第 ２共振状態となるようにしたことを特徴とする安定器。 ３．請求の範囲２に記載の安定器において、前記第１周波数は前記第２周波数よ り大きいことを特徴とする安定器。 ４．請求の範囲１〜３のいずれか一項に記載の安定器において、この安定器が更 に、点弧パルスを発生するために、前記第１インダクタを含んでいる点弧子 を有していることを特徴とする安定器。 ５．請求の範囲１〜４のいずれか一項に記載の安定器において、この安定器が更 に、前記スイッチと前記第２出力端子との間に接続されている第２インダク タを有していることを特徴とする安定器。 ６．請求の範囲５に記載の安定器において、前記ランプの始動中、前記リアクタ ンス素子が、選択された前記要素と合俟って、前記第１共振状態と関連する 信号を発生し、そのリンギングが第２インダクタによって延長されるように なっていることを特徴とする安定器。 ７．請求の範囲１〜６のいずれか一項に記載の安定器において、前記スイッチの 導通状態がランプの動作状態に基づくようになっていることを特徴とする安 定器。 ８．請求の範囲７に記載の安定器において、前記スイッチが、予め決定した期間 の間、前記ランプを流れる電流に応答して導通状態から非導通状態に切換わ るようになっていることを特徴とする安定器。 ９．請求の範囲１〜８のいずれか一項に記載の安定器において、前記リアクタン ス素子がキャパシタであることを特徴とする安定器。 10．請求の範囲１〜８のいずれか一項に記載の安定器において、前記リアクタン ス素子がインダクタであることを特徴とする安定器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．高輝度放電ランプに電力を供給するための安定器において、 この安定器が、 入力電圧を受け取るための第１入力端子及び第２入力端子と、 ランプへ電力を供給するための第１出力端子及び第２出力端子と、 前記第１入力端子と前記第１出力端子との間に直列に結合されている第１イ ンダクタ及び第１キャパシタと、 前記第２出力端子と、前記第１インダクタ及び前記第１キャパシタを互いに 結合する相互接続点との間に直列に結合されているリアクタンス素子及びスイ ッチと を具えており、 前記リアクタンス素子が前記第１インダクタ及び前記第１キャパシタより成 る群から選択された素子と合俟って第１周波数で第１共振状態となり、 前記第１共振状態で発生されたエネルギーが、前記ランプの点弧を補助する ために前記ランプへ供給されるようになっていることを特徴とする安定器。 ２．請求の範囲１に記載の安定器において、前記第１インダクタと第１キャパシ とが、ランプの定常点灯中、ランプ電流を維持するために、第２周波数で第２ 共振状態となるようにしたことを特徴とする安定器。 ３．請求の範囲２に記載の安定器において、前記第１周波数は前記第２周波数よ り大きいことを特徴とする安定器。 ４．請求の範囲１〜３のいずれか一項に記載の安定器において、この安定器が更 に、点弧パルスを発生するために、前記第１インダクタを含んでいる点弧子を 有していることを特徴とする安定器。 ５．請求の範囲１〜４のいずれか一項に記載の安定器において、この安定器が更 に、前記スイッチと前記第２出力端子との間に接続されている第２インダクタ を有していることを特徴とする安定器。 ６．請求の範囲１〜５のいずれか一項に記載の安定器において、前記ランプの始 動中、前記リアクタンス素子が、選択された前記要素と合俟って、前記第１共 振状態と関連する信号を発生し、そのリンギングが第２インダクタによって延 長されるようになっていることを特徴とする安定器。 ７．請求の範囲１〜６のいずれか一項に記載の安定器において、前記スイッチの 導通状態がランプの動作状態に基づくようになっていることを特徴とする安定 器。 ８．請求の範囲７に記載の安定器において、前記スイッチが、予め決定した期間 の間、前記ランプを流れる電流に応答して導通状態から非導通状態に切換わる ようになっていることを特徴とする安定器。 ９．請求の範囲１〜８のいずれか一項に記載の安定器において、前記リアクタン ス素子がキャパシタであることを特徴とする安定器。 10．請求の範囲１〜８のいずれか一項に記載の安定器において、前記リアクタン ス素子がインダクタであることを特徴とする安定器。