JP2001513253A - 並列貯蔵直列駆動電子安定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 放電ランプへの供給のために、電力線のような電源により供給される交流電圧および電流を、同じ周波数を有する交替矩形波電圧および電流に変換する電子安定器が、開示されている。この安定器は、少なくとも一つのコンデンサ、ブリッジスイッチおよび高周波のデューティーサイクルスイッチを含む。ブリッジスイッチおよび高周波デューティサイクルスイッチは、協働してスイッチングを行い、逐次、電源に並列にコンデンサを接続し、電気的に電源と放電ランプに直列にコンデンサを接続し、そして電源周波数で所望の方形波電圧および電流で、放電ランプを駆動するために、コンデンサへのおよびコンデンサからの電流を統制する。

Description

【発明の詳細な説明】 並列貯蔵直列駆動電子安定器 技術分野 本発明は、ランプのための安定器に関し、特に、放電ランプの電子安定器に関 する。 背景技術 世界で消費される全電気エネルギーの25％以上が、人工照明を駆動するために 用いられていると、見積もられてきている。従って、電気光源の効率向上の重要 性は、無視することはできない。 一般に使用可能な最も効率的な電気による光源は、低圧および高圧放電管、例 えばそれぞれ、蛍光燈および高輝度放電（HID）ランプである。これらのタイプ のランプは、一般的に負性抵抗特性を持ち、安定器として知られる限流回路によ り駆動される。 通常、放電ランプを駆動するために、ランプ安定器の２つの一般的な形式、即 ち、電磁的及び電子的ランプ安定器、が用いられる。電磁的安定器は、受動回路 素子のみから構成され、通常、電力線の周波数でランプを駆動する。電子安定器 は、受動回路素子と能動回路素子の双方を有し、通常、電力線の周波数より遙か に高い周波数でランプを駆動する。一般的には、電磁的安定器の方が安価である 。しかしながら、電子安定器は、より小型で軽量であり、可聴雑音の発生がより 少なく、又ちらつきが少ない状態でより効率的に放電ランプを動作させ、ランプ の寿命をより長くさせる。さらに、電子安定器は、電力線やランプの動作条件の 変動に対し、電磁的安定器に比較して放電ランプの電力をより効果的に調整する ことができる。 第１図は、地域の電力会社から供給される電力線のような電力源PSによ り提供される交流電圧V_acで、放電ランプLを動作させるための典型的な電子安定 器を線図的に示している。この安定器は、全て電力線とランプLの間で電気的に 直列に接続されている、電磁的干渉フィルターEMI、全波整流ブリッジBR、力率 補正回路、エネルギー貯蔵コンデンサーC_e及び半ブリッジ共振インバーターを有 している。 このフィルターEMIは、安定器回路と放電ランプにより生成される電磁的干渉 が電力線に逆送されることを防止する。電力線に逆送された場合には、過度の中 性電流やトランスの加熱、及び同じ電力線から電気エネルギーを受けている電子 機器への干渉のような諸問題を引き起こしうるEMIを、高調波電流の形態で、こ の安定器は、発生させる。放電ランプは、電磁的干渉と無線周波数の干渉の両方 を発生させる可能性が有る。 この力率補正回路は、コイルL₁₀、スイッチングトランジスターQ₁₀及びダイオ ードD₁₀を有する、周知のブースト・コンバーター型である。これは、AC電源の 力率を増大させ、かつエネルギー貯蔵コンデンサーC_eに提供されるDC電圧をブリ ッジBRによりブーストさせるように機能する。 エネルギー貯蔵コンデンサーC_eは、２つの機能を果たす。第一に、それは共振 インバーターのためのDC電源として機能する。第二に、それは負荷と電源の間の エネルギーの流れをバランスさせる。 AC電源PSが、ある時点で、負荷が消費する電力よりも少ない電力しか供給しな かった場合には、C_eは負荷にエネルギーを送らなければならない。逆にAC電源が 、ある時点で、負荷が消費する電力よりも多く電力を供給したときは、C_eはエネ ルギーを貯蔵しなければならない。 共振インバーター出力段は、エネルギー貯蔵コンデンサーC_eのDC電圧を、ラン プLの高周波正弦ドライブに変換する。２つのトランジスタースイッチQ₁₁及びQ_{1 2} は、半ブリッジ配列で電気的に接続されており、DC電圧を高周波数の矩形波に チョップするために、50％デューティで動作する。コンデンサーC_bは、DC成分が トランスTに到達しないようにするために設けられている。 トランスTは、分離とインピーダンスマッチングの双方のために設けられている 。コイルL_fとコンデンサーC_fとは、基本スイッチング周波数で正弦波の電圧と電 流が放電ランプLに供給されるように、高周波数の矩形波をフィルターする、セ カンドオーダーのフィルターを構成している。 発明の開示 本発明の目的は、放電ランプの駆動電流を最適化してランプの放射効率を改善 する、電子安定器を提供することである。放射効率を最大にするためには、DC駆 動電流の供給は一定でなければならない。これは電圧を消費する安定器抵抗を必 要とするので、実用的ではない。また、これは、蛍光灯の場合、放電柱内でイオ ンを一方向に移動させ、ランプの一端で生成される光が他端で生成される光より も明るくなり、明るさが不均一になる結果を生じる。第１図の従来技術の安定器 により提供される正弦波のAC電流は、これに対する妥協策である。これにより、 駆動電流の極性が周期的に逆転するので、放電柱の全長にわたって輝度は均一に なる。しかしながら、駆動電流の大きさは決して一定にならない。 本発明の他の目的は、小型で放電ランプによる電磁的干渉を発生することがな い、電子安定器を提供することである。第１図の従来技術の安定器の場合、共振 インバーター内の受動フィルター素子のサイズは、動作周波数を増大することに より小さくすることができる。しかしながら、放電ランプの動作周波数の増大は 、同時にそのランプにより放射される干渉エネルギーも増加させてしまう。 本発明のまた別の目的は、ランプの安定器が必要とする、エネルギー貯蔵コン デンサーのサイズを小さくすることである。第１図の電子安定器の場合、コンデ ンサーC_eには電源周波数の２倍の全波整流正弦波電力が供給される。この相対的 に低い周波数では、コンデンサーに供給される電力は、相対的に長い時間間隔に わたって最大強度よりかなり低くなってしまう。共振インバ ーターにリップルの少ない電力を供給するためには、このコンデンサーC_e を物理的に大きくしなければならない。 本発明のまた別の目的は、トランスの使用を必要としない電子安定器を提供す ることである。第１図に示されているような電子安定器に採用されているトラン スは、安定器のサイズと重量を増大させるのみならず、安定器内の電気的な損失 を発生させる原因にもなっている。 本発明のさらに別の目的は、半導体技術の進歩の成果を取り入れた電子安定器 を提供することである。照明産業で通常入手可能な電子安定器は、集積回路技術 、特にパワー半導体分野の技術、の最新の成果を用いることにより得られる、サ イズ、電力消費及びコストでの成果を、完全には利用していない。 本発明によると、電源から供給される予め定められた波形と周波数の交流電圧 及び電流を、放電ランプに供給する、前記周波数の交替矩形波の電圧と電流に変 換する電子安定器が提供される。この安定器は、少なくとも一つの電荷貯蔵手段 と、ブリッジスイッチング手段及び高周波数のデューティサイクルスイッチング 手段とを有する。このスイッチング手段と高周波数のデューティサイクルスイッ チング手段とは、協働して、周期的に、 ・少なくとも一つの電荷貯蔵手段を電源と並列に電気的に接続し、 ・少なくとも一つの電荷貯蔵手段を電源及び放電ランプと直列に電気的に接続し 、そして、 ・この矩形波の電圧と電流の生成に寄与するため、少なくとも一つの電荷貯蔵手 段に出入りする平均電流を規制する。 この安定器により生成される、交替矩形波DC駆動電圧及びそれに対応するDC駆 動電流は、一方向のDC電流で駆動されたときに蛍光管内部で発生する、単一方向 のイオン移動を起こさず、かつ電力を浪費する抵抗器を必要とせずに、放電ラン プの放射効率を最大にする。 低い周波数の交番DCランプ駆動電圧を生成しつつ、非常に高い周期での デューティサイクルスイッチングを採用することにより、ランプにより放射され る電磁的干渉エネルギーを増大させずに、この安定器を小型化することができる 。 ランプが必要とするエネルギーの全てを独立に供給する代わりに、ランプの駆 動のために電源と結合するように、貯蔵コンデンサーを間欠的に電源と放電ラン プに直列に結合するスイッチング回路を用いることにより、貯蔵コンデンサーの サイズを従来技術の安定器の場合よりはるかに小さくすることができる。 上述したスイッチングと電荷貯蔵手段を採用してランプ駆動電力を生成するこ とにより、厄介で損失の多いトランスは不必要となる。 さらに、本発明の安定器に採用されているスイッチング手段は、パワー集積回 路により構成することに特に適している。 図面の簡単な説明 以下に本発明の実施例を、図面と共に説明する。 第１図は、従来技術の電子安定器の概略図である。 第２図は、本発明の電子安定器を用いた、放電ランプシステムの概略図である 。 第3a−3d図は、第２図のシステムの動作を図示する波形図である。 第４図は、第２図の電子安定器の詳細を示す概略図である。 第5a−5f図は、第２図の電子安定器の貯蔵素子の、エネルギー特性を示す波形 図である。 第6a−6c図は、本発明の様々な実施例におけるブリッジスイッチの動作を示す 、タイミング図である。 第７図は、第４図の電子安定器の、より詳細な実施例を示す概略図である。 第８図は、本発明の電子安定器の、他の実施例を用いる放電ランプシステムの 概略図である。 第9a−9f図は、第８図の実施例における、高周波数スイッチの動作を示すタイ ミング図である。 第10図は、本発明の電子安定器の、他の実施例を盛り込んだ放電ランプシステ ムの概略図である。 第11a−11e図は、第10図の実施例の動作を一般的に示すタイミング図である。 第12a-12f図は、第10図の実施例における高周波数スイッチの動作を示す、タ イミング図である。 第13図は、本発明の電子安定器の、他の実施例を用いる放電ランプシステムの 概略図である。 発明を実施するための最良の形態 第２図は、本発明の電子安定器を用いた放電ランプシステムを示す。図示のよ うにこの安定器は、AC電源PSに電気的に並列に接続された分路エネルギー貯蔵素 子10、及び放電ランプLと電気的に直列に接続された直列エネルギー貯蔵素子12 を有している。電源は、標準的な電力周波数、例えば、60Hz、の正弦電圧と電流 を供給する。極性の符号＋及び−は、電源電圧V_acの正の半サイクルの間の電源 の極性を表していることに留意されたい。矢印は以下のような電流の方向を表し ている。 ・i_acは、正の半サイクルの間のAC電源電流を表し、 ・i_lampは、正の半サイクルの間のランプ電流を表し、そして ・i_shunt及びi_seriesは、電気エネルギーがこれらの素子に供給されたときの各 分路及び直列素子電流を表す。 第3a−3d図は、この安定器の動作を一般的に示している。電源PSから供給され る正弦波の電源電圧V_ac及び電流i_acが、電源電圧及び電流と同期して、放電ラン プLを駆動する矩形波電流i_lamp及び電圧V_lampに変換されるように、分路及び直 列エネルギー貯蔵素子は、各々、容量的に充電および放電 するように機能する。このようにして、ランプ電流及び電圧は、各半サイクルの 間、ある一定のDCの値に維持される。矩形波の電力で放電ランプを駆動すること により、電源周波数の正弦波での駆動により得られる放射効率より遙かに効率の 良い、DC動作に匹敵する放射効率が得られる。 第４図は、第２図に示した電子安定器をより詳しく示す。この安定器は、電源 PS及び放電ランプLに加え、２つのエネルギー貯蔵素子A及びB、２つのブリッジ スイッチS_BRp及び２つのブリッジスイッチS_BRnを有している。これらのブリッジ スイッチは、各素子A及びBを、第２図に示されている分路及び直列の電気的接続 に交替にスイッチするように機能する。 特に、AC電源電圧V_acの各正の半サイクルの間、２つのブリッジスイッチS_BRp は閉じられ、これによって貯蔵素子Aは電源PSと並列に、かつ貯蔵素子Bが放電ラ ンプLと直列に電気的に接続される。逆に、AC電源電圧V_acの各負の半サイクルの 間には、２つのブリッジスイッチS_BRnが閉じられ、これによって貯蔵素子Bは電 源PSと並列に、かつ貯蔵素子Aが放電ランプLと電気的に直列に接続される。 第２図、第3a−3d図、第４図、第5a−5f図、及び第6a−6c図は、電源PSから連 続的にエネルギーを蓄積するための分路接続されたエネルギー貯蔵素子10の機能 と、放電ランプLに連続的にエネルギーを供給するための直列接続されたエネル ギー貯蔵素子12の機能とを示している。 AC電源電圧V_acの各正の半サイクルT_pの間、 ・分路貯蔵素子10（ここでは、貯蔵素子A）の電圧V_shuntは、正で、かつV_acと等 しい大きさを有し、そして分路電流i_shuntも、V_shuntのゼロ交点近傍を除き正で 、そして（電力曲線P_shuntの下側の領域で表される）分路貯蔵素子へのネットの エネルギー供給の値は、正であり、かつ ・直列貯蔵素子12（ここでは、貯蔵素子B）の電圧V_seriesは、正で、かつ正の半 サイクルDCランプ電圧V_lampを生成するために、電源電圧V_acの正の極性を増加さ せ、そして直列電流i_seriesは、負で、かつDCランプ電流i_lamp と等しい大きさを有し、そして（電力曲線P_seriesの下側の領域で表される）直 列貯蔵素子へのネットのエネルギー供給の値は、負である。 AC電源電圧V_acの各負の半サイクルT_nの間、 ・分路貯蔵素子10（ここでは、貯蔵素子B）の電圧V_shuntは、負で、かつV_acと等 しい大きさを有し、そして分路電流i_shuntも、V_shuntのゼロ交点近傍を除き負で 、そして（電力曲線P_shuntの下側の領域で表される）分路貯蔵素子への全エネル ギー供給の値は、正であり、かつ ・直列貯蔵素子12（ここでは、貯蔵素子A）の電圧V_seriesは、負で、かつ負の半 サイクルDCランプ電圧V_lampを生成するために、電源電圧V_acの負の極性を増加さ せ、そして直列電流i_seriesは正で、かつDCランプ電流i_lampと等しい大きさを有 し、そして（電力曲線P_seriesの下側の領域で表される）直列貯蔵素子への全エ ネルギー供給の値は、負である。 時間間隔T_p及びT_nなる全サイクルの間、エネルギー貯蔵素子A及びBの電圧V_A及 びV_Bの極性は、それぞれ反転することがないことに留意されたい。これにより、 貯蔵素子A及びBの構造が単純化される。 第７図は、貯蔵素子A及びBのより詳細な実施例を含む第４図のランプシステム を示す。これらの２つの各素子は、同一で、電荷貯蔵コンデンサーC_e、２つの高 周波数デューティサイクルスイッチS_HF及びS’_HF、そしてフィルターコイルL_fを 有している。ブリッジスイッチS_BRp及びS’_BRpを有する安定器内部の全てのスイ ッチは、線図的にのみ表されており、実際の回路は、例えば、パワーMOSFETのよ うな固体半導体スイッチにより実現される。 ２つのコンデンサーC_eの各々は、図示の極性を維持して、交互に電源PSから充 電され、かつランプLに放電する。各貯蔵素子内の２つの高周波数デューティサ イクルスイッチS_HF及びS'’_HFは、ブリッジスイッチS_BRp及びS_BRnの周期スイッ チングレート（例えば、60Hz）に比べ非常に高い周期のレート（例えば、100ｋ Ｈｚ）で起こる、連続した期間T_HFの各期間の間に、交互に動作する。各貯蔵素 子内のフィルターコイルL_fは、高周波数のスイッチング 成分が電源とランプに到達しないようにする。 貯蔵素子A及びBの各々について、 ・ブリッジスイッチが、貯蔵素子を電源と並列に電気的に接続したときには、各 素子内のスイッチS_HFの閉止により、(各フィルター素子L_fを介して)各コンデン サーC_eは電源と並列に接続され、一方、交替に起こるスイッチS’_HFの閉止によ り、コンデンサーはバイパスされる。各期間T_HF(例えば、10)□秒）の間、スイ ッチS_HFは、（D_p）T_HFの間閉止し、スイッチS’_HFは、（1−D_p）T_HFの間閉止、 する(ここで、D_p＝□V_ac□／V_ce)。このようにして、コンデンサーは、瞬間の電 源電圧V_acがコンデンサー電圧V_ceに比べて大きな値を有しているときには、期間 T_HFの大部分にわたって電源に接続され（そして充電され）るが、瞬間の電源電 圧V_acがコンデンサー電圧に比べて小さな値を有しているときには、期間T_HFの大 部分にわたってバイパスされることになる。 ・ブリッジスイッチが、貯蔵素子を放電ランプと直列に電気的に接続したときに は、各素子内のスイッチS_HFの閉止により、（各フィルターコイルL_fを介して） 各コンデンサーC_eはランプと直列に接続されるが、一方、交替に起こるスイッチ S’_HFの閉止によりコンデンサーはバイパスされる。この場合各期間T_HFの間、ス イッチS_HFは、（D_s）T_HFの間閉止し、スイッチS’_HFは、（1−D_s）T_HFの間閉止 する(ここで、D_s＝□V_lamp-V_ac□／V_ce)。このようにして、コンデンサーは、瞬 間の電源電圧V_acが望ましいランプ電圧に比べて小さな値を有しているときには 、期間T_HFの大部分にわたってランプに直列に接続されるが、瞬間の電源電圧V_ac が望ましいランプの電圧に比べて大きな値を有しているときには、期間T_HFの大 部分にわたってバイパスされることになる。 相対的に低い周波数での電圧V_A及びV_Bにおける各フィルターコイルL_fの電圧降 下は、実質的にゼロに等しいとみなしていることに留意されたい。さらに、電圧 V_Ac、V_lamp及びV_ceの間の変動に応じてスイッチS_HF及びS’_HFをデ ューティサイクル変調させる点について、ここでは、特定な回路を記載していな いが、多くの適切な回路がこの技術分野でよく知られていることにも留意された い。例えば、1991年アディソン−ウーズレイ社(Addison-Wesley Publishing Com pany)発行の、ジョン・G・カサキアン、マーティン・F・シュレクト及びジョー ジ・C・ベルゲスク(John G．Kassakian，Martin F．Schlecht & George C．Verg hese)によるパワーエレクトロニクスの原理(Principles of Power Electronics) 、P268−269を参照されたい。 第８図は、第3a−3d図に示された電圧及び電流の波形を生成するために、電荷 貯蔵コンデンサ１つのみを用いた電子安定器の一実施例を含む、ランプシステム を示す。図示されているように、この安定器は、電源PSと直列に接続された第一 フィルターコイルL_f、放電ランプLと直列に接続された第二フィルターコイルL_f 、電荷貯蔵コンデンサーC_e、２つのブリッジスイッチS_BRp、２つのブリッジスイ ッチS_BRn及び３つの高周波数デューティサイクルスイッチS_HF1、S_HF2及びS_HF3を 有している。４つのブリッジスイッチは、電源電圧V_acの正と負の半サイクルの 間に、安定器内のコンデンサーC_eが接続される極性を交互に変化させるようにす るために機能する。３つの高周波数スイッチは、コンデンサーC_eを以下の３つの 異なった状態 ・（各フィルターコイルL_fを経由して）電源PSと電気的に並列に接続された状態 、 ・（各フィルターコイルL_fを経由して）ランプLと電気的に直列に接続され、電 圧V_acとV_ceが互いに補いあうような同じ方向の極性にある状態、 ・接続されていない状態 の各々に逐次接続する。２つのフィルターコイルL_fは、高周波数のスイッチング 成分が電源とランプに到達しないように機能する。ランプLに直列接続されてい るフィルターコイルは、ランプ電圧V_lampが、デューティサイクルにより、又は コンデンサーが電気的にランプに接続されている、上にリストアップした接続状 態の何れかにおける貯蔵コンデンサーの電圧V_ceの平均値に より、確実に影響されることが可能となるようにも機能する。 ブリッジスイッチの動作は、第6a−6c図に示されたタイミングに従う。特に、 AC電源電圧V_acの各正の半サイクルの間、２つのブリッジスイッチS_BRpは閉止さ れ、これにより貯蔵コンデンサーC_eの負の端子がこのときは負である電源PSの端 子に電気的に接続される。反対に、AC電源電圧V_acの各負の半サイクルの間、２ つのブリッジスイッチS_BRnは閉止され、これにより貯蔵コンデンサーの正の端子 がこのときは正である電源PSの端子に電気的に接続される。 ３つの高周波数デューティサイクルスイッチの動作は、第9a−9f図に示された タイミングに従う。第9a−9c図は、AC電源電圧の各正の半サイクルの間の動作を 示し、片や第9d−9f図は各負の半サイクルの間の動作を示す。図に示された期間 T_HFは、ブリッジスイッチの周期的スイッチングレート（例えば、60Hz）に比べ てはるかに高い周波数レート（例えば、100ｋＨｚ）で繰り返される。各期間T_HF は、３つの連続したサブ期間に分割され、そのサブ期間ではランプと電源に流れ る電流が中断しないように、３つ高周波数スイッチのうちの２つが、常に閉止状 態にある。特に、この実施例においては、 ・各サブ期間T₁₂の間、スイッチS_HF1及びS_HF2が閉止され、 ・各サブ期間T₁₃の間、スイッチ_SHF1及びS_HF3が閉止され、 ・各サブ期間T₂₃の間、スイッチS_HF2及びS_HF3が閉止される。 第８図と第9a−9c図を共に参照することにより、電源電圧V_acの各正の半サイク ルの間、２つのブリッジスイッチS_BRpは閉止され、高周波数スイッチの組が、 ・S_HF1及びS_HF3が同時に閉止されていて、それによって貯蔵コンデンサーC_eが電 源及びランプと電気的に直列に接続された状態、 ・S_HF2及びS_HF3が同時に閉止されていて、それによって貯蔵コンデンサーが電源 と電気的に並列に接続された状態、 ・S_HF1及びS_HF2が同時に閉止されていて、それによって貯蔵コンデンサーは 電源及びランプと動作的に切断された状態、 に逐次閉止することを理解することができる。 同様に、第８図と第9d−9f図を共に参照することにより、電源電圧V_acの各負 の半サイクルの間、２つのブリッジスイッチS_BRnは閉止され、高周波数スイッチ の組が、 ・S_HF2及びS_HF3が同時に閉止されていて、それによって貯蔵コンデンサーC_eが電 源及びランプと電気的に直列に接続された状態、 ・S_HF1及びS_HF3が同時に閉鎖されていて、それによって貯蔵コンデンサーが電源 と電気的に並列に接続された状態、 ・S_HF1及びS_HF2が同時に閉止されていて、それによって貯蔵コンデンサーC_eが電 源及びランプと動作的に切断された状態、 に逐次閉止することを理解することができる。 サブ期間の持続期間は、貯蔵コンデンサーの接続の状態に依存する。特に、 ・そのコンデンサーが電源と電気的に並列に接続されている間(正の半サイクル のサブ期間T₂₃及び負の半サイクルのサブ期間T₁₃の間)、これらのサブ期間の持 続期間は、（D_parallel）T_HFである(ここで、D_parallel＝□V_ac□／V_ce)。 したがって、瞬間の電源電圧V_acがコンデンサー電圧V_ceに比べて大きな値を有 しているときには、コンデンサーは、期間T_HFの大部分にわたって電源に接続さ れる（そして充電される）ことになる。 ・そのコンデンサーが放電ランプに電気的に直列接続されている、(正の半サイ クルのサブ期間T₁₃及び負の半サイクルのサブ期間T₂₃の間)、これらのサブ期間 の持続期間は、（D_series)T_HFである(ここで、D_series＝□V_lamp−V_ac□／V_ce) 。したがって、瞬間の電源電圧V_acが望ましいランプ動作電圧に比べて小さな強 度を有しているときには、コンデンサーは期間T_HFの大部分にわたってランプに 直列接続されることになる。 ・そのコンデンサーが動作的に切断されている、(正及び負の半サイクルのサブ 期間T₁₂の間)、このサブ期間の持続期間は、（D_disconnect）T_HFである(こ こで、D_disconnect＝V_ce−□V_lamp□／V_ce)。この切断状態により、D_parallelと D_seriesのデューティサイクルの比を独立して制御することが可能になる。D_{para llel} ＋D_series＋D_disconnect＝1であることに留意されたい。 第７図と第８図の安定器の制限の一つは、何らかの設計変更がなされない限り 、電源電圧がランプ電圧より低くなければならない、ということである。第10図 は、電源電圧により制限を受けないランプ電圧を生成することができる、第８図 の安定器の一つの可能な変形例を示す。第10図の安定器は、電源電圧V_acの上昇 変換と下降変換の双方に対応可能である。この安定器は、 ・電源電圧の各半サイクルの同じ部分の間に、貯蔵コンデンサーC_eと高周波数ス イッチを上昇変換モードで電気的に接続するための、一組の上昇変換スイッチS_U 、及び ・電源電圧の各半サイクルの異なった部分の間に、貯蔵コンデンサーC_eと高周波 数スイッチを下降変換モードで電気的に接続するための、一対の下降変換スイッ チS_D、 が付加されている点を除き、第８図の安定器と同一である。 第11a−11e図は、電源電圧の完全な１サイクルの間の、上昇及び下降変換スイ ッチS_U及びS_Dと、正及び負のブリッジスイッチS_BRp及びS_BRnの動作を示す。AC電 源電圧V_acがランプの望ましい動作電圧V_lampより低いときには、上昇変換スイッ チS_Uが、閉止されることに留意されたい。反対に、AC電源電圧V_acがランプの望 ましい動作電圧V_lampより高いときには、下降変換スイッチS_Dが閉止される。 これらの上昇変換スイッチが閉止されているときには、安定器の構成は常に第 ８図のものと同一になり、その動作も第８図の実施例に記述されたものと同一に なる。 これらの下降変換スイッチが閉止されているときには、安定器の構成とその動 作は常に、高周波数デューティサイクルスイッチS_HF1、S_HF2及びS_HF3に関して変 化する。３つの高周波数スイッチは、コンデンサーC_eを３つの異なっ た接続の状態、 ・（各フィルターコイルL_fを経由して）ランプLに電気的に並列接続されている 状態、 ・（各フィルターコイルL_fを経由して）電源PSと電気的に直列接続されているが 、ランプに賦課される電圧を（V_acから）減少させるために、電圧V_acとV_ceが逆 方向の極性に接続されている状態、 ・動作的に切断されている状態、 の各々に逐次的に切り替える。 この３つの高周波数デューティサイクルスイッチの動作は、第12a−12f図に示 されたタイミングに従う。第12a−12c図は、AC電源電圧の各正の半サイクルの間 の動作を示し、第12d−12f図は、各負の半サイクルの間の動作を示す。 第10図と第12a-12c図を共に参照することにより、電源電圧V_acの各正の半サイ クルの間には、スイッチS_D及びS_BRpは閉止されていて、高周波数スイッチの組が 、 ・S_HF2及びS_HF3が同時に閉止されていて、それによって貯蔵コンデンサーC_eがラ ンプに電気的に並列接続された状態、 ・S_HF1及びS_HF3が同時に閉止されていて、それによってV_acとV_ceの極性が互いに 反対になって、貯蔵コンデンサーが電源及びランプに電気的に直列接続された状 態、 ・S_HF1及びS_HF2が同時に閉止されていて、それによって貯蔵コンデンサーが電源 及びランプと動作的に切断された状態、 に逐次閉止することを理解することができる。 同様に、第10図と第12d−12f図を共に参照することにより、電源電圧V_acの各 負の半サイクルの間には、スイッチS_D及びS_BRnは閉止されていて、高周波数スイ ッチの組が、 ・S_HF1及びS_HF3が同時に閉止されていて、それによって貯蔵コンデンサーC_e がランプに電気的に並列接続された状態、 ・S_HF2及びS_HF3が同時に閉止されていて、それによって貯蔵コンデンサーがV_ac とV_ceの極性が互いに反対になって、電源及びランプに電気的に直列接続された 状態、 ・S_HF1及びS_HF2が同時に閉止されていて、それによって貯蔵コンデンサーは電源 及びランプと動作的に切断された状態、 に逐次閉止されることを理解することができる。 サブ期間の持続期間は貯蔵コンデンサーの接続の状態に依存する。特に、 ・そのコンデンサーがランプに電気的に並列接続されている間(正の半サイクル のサブ期間T₂₃及び負の半サイクルのT₁₃の間)、これらのサブ期間の持続期間は 、（D_parallel）T_HFである(ここで、D_parallel＝□V_lamp□／V_ce)。したがって 、コンデンサーは、瞬間のランプ電圧V_lampがコンデンサー電圧V_ceに比べて大き な値を有しているときには、期間T_HFの大部分にわたって電源に接続され（そし て充電され）ることになる。そのコンデンサーが、電源に電気的に直列接続され ている、(正の半サイクルのサブ期間T₁₃及び負の半サイクルのT₂₃の間)、これら のサブ期間の持続期間は（D_series）T_HFである(ここで、D_series＝□V_ac−V_lamp □／V_ce)。このようにして、コンデンサーは、瞬間の電源電圧V_acが望ましいラ ンプ動作電圧に比べて大きな値を有しているときには、期間T_HFの大部分にわた って電源に直列接続されることになる。 ・そのコンデンサーが、動作的に切断されている間(正及び負の半サイクルの双 方のサブ期間T₁₂の間)、このサブ期間の持続期間は（D_disconnect）T_HFで ある (ここで、D_disconnect＝（V_ce−□V_ac□）／V_ce)。 第１０図の実施例と同様に、D_parallel＋D_series＋D_disconnect＝1である。 第13図は、第3a−3d図に示された電圧及び電流の波形を生成するために、電荷 貯蔵コンデンサー1つのみを用いた電子安定器の他の実施例を含む、ランプシス テムを示す。図示のように、この安定器は電源PSに直列接続され た第一フィルターコイルL_f、放電ランプLと直列に接続された第二フィルターコ イルL_f、電荷貯蔵コンデンサーC_e、ブリッジスイッチS_BRp、ブリッジスイッチS_{B Rn} 、交互に閉止される高周波数デューティサイクルスイッチの第一の対S_HFa及び S’_HFa及び交互に閉止される高周波数デューティサイクルスイッチの第二の対S_{H Fb} 及びS’_HFbを、有している。２つのブリッジスイッチは、電源電圧V_acの正と 負の半サイクルの間、安定器内のコンデンサーC_eが接続される極性を交互に変化 させるように機能する。２対の高周波数スイッチは、貯蔵コンデンサーC_eを、４ つの、異なった可能な接続状態（即ち、スイッチS_HFaとS_HFbが閉止した状態、ス イッチS_HFaとS’_HFbが閉止した状態、スイッチS’_HFaとS_HFbが閉止した状態、及 びスイッチS’_HFaとS’_HFbが閉止した状態）のいずれかに切り替えるように機能 する。 ブリッジスイッチの動作は、第6a−6c図に示されたタイミングに従う。特に、 AC電源電圧V_acの各正の半サイクルの間、ブリッジスイッチS_BRpは閉止され、こ れによりこのときは負である電源PSの端子に、貯蔵コンデンサーC_eの負の端子が 電気的に接続される。反対に、AC電源電圧V_acの各負の半サイクルの間、ブリッ ジスイッチS_BRnは閉止され、これによりこのときは正である電源PSの端子に、貯 蔵コンデンサーの正の端子が電気的に接続される。 ２対の高周波数デューティサイクルスイッチは、互いに他と独立に動作する。 それらは全てAC電源電圧の正と負の双方の期間、ブリッジスイッチの周期的スイ ッチングレート（例えば、60Hz）に比べるとはるかに高い周波数レート（例えば 、100ｋＨｚ）で連続的に動作する。しかしながら、どの時点においても、各対 の内の一つのスイッチのみが閉止されている。 第13図の安定器は、上昇コンバーター（V_ac□V_lamp）モード、又は下降コンバ ーター（V_ac□V_lamp）モードの何れでも動作させることができることに留意され たい。これらの動作モードを、以下に記述する。上昇コンバーターモード V_acが正の半サイクルにあるときに発生する、各高周波数期間T_HF（例えば、10 □秒）の間に、 ・スイッチS_HFaが持続期間（D_pa）T_HFの間閉止され、かつスイッチS’_HFaが各継 続期間の残りの時間、即ち（1−D_pa）T_HFの間閉止され(ここで、D_pa＝□V_ac□／ V_ce)、そして ・スイッチS_HFbが時間（D_pb）T_HFの間閉止され、かつスイッチS’_HFbが各期間の 残りの時間、即ち（1−D_pb）T_HFの間閉止される(ここで、D_pb＝□V_lamp□／V_ce) 。 同様に、V_acが負の半サイクルにあるときに発生する、各高周波数期間T_HFの間 、 ・スイッチS’_HFaが時間（D_na）T_HFの間閉止され、かつスイッチS_HFaが各期間の 残りの時間、即ち（1−D_na）T_HFの間閉止され(ここで、D_na＝□V_ac□／V_ce)、そ して ・スイッチS’_HFbが時間（D_nb）T_HFの間閉止され、かつスイッチS_HFbが各期間の 残りの時間、即ち（1−D_nb）T_HFの間閉止される(ここで、D_nb＝□V_lamp□／V_ce) 。 貯蔵コンデンサーC_eには、 ・このコンデンサーが、（各フィルターコイルL_fを経由して）電源PSに電気的に 並列接続されている並列状態、 ・このコンデンサーが、（各フィルターコイルL_fを経由して）放電ランプLに電 気的に直列接続されて、電圧V_acとV_ceが互いに補いあうような同じ方向の極性に ある直列状態、 ・動作的に切断されている状態、 の３つの重要な接続状態が存在する。 並列状態は、 ・正の半サイクルでS_HFaが閉止される場合、即ち、時間（D_pa）T_HFの間（ここ で、D_pa＝□V_ac□／V_ce）及び ・負の半サイクルでS’_HFaが閉止される場合、即ち、時間（D_na）T_HFの間（ここ で、D_na＝□V_ac□／V_ce） でのみ発生する。 このようにして、瞬間の電源電圧V_acがコンデンサー電圧V_ceに比べて大きな値 を有しているときに、コンデンサーは正と負双方の半サイクルの部分の間に電源 に並列接続される（そして充電される）ことになる。 直列状態は、 ・正の半サイクルでS’_HFaとS_HFbとが同時に閉止される場合、即ち、（1−D_pa） T_HF（ここで、D_pa＝□V_ac□／V_ce）及び（D_pb）T_HF（ここで、D_pb＝□V_lamp□／ V_ce）の継続期間を有する、重なっているサブ期間及び ・負の半サイクルでS_HFaとS’_HFbとが同時に、閉止される場合、即ち、（1−D_na ）T_HF、（ここで、D_na＝□V_ac□／V_ce）及び（D_nb）T_HF（ここで、D_nb＝□V_lamp □／V_ce）の継続期間を有する、重なっているサブ期間 に対してのみ起こる。 このようにして、瞬間の電源電圧がランプ電圧に比べて小さな値である場合に は、コンデンサーはランプ及び電源に直列に接続されることになる。 切断された状態は、 ・正の半サイクルでS’_HFaとS’_HFbとが同時に閉止されている場合、即ち、（1 −D_pa）T_HF、（ここで、D_pa＝□V_ac□／V_ce）及び（1−D_pb）T_HF（ここで、D_pb ＝□V_lamp□／V_ce）の継続期間を有する、重なっているサブ期間の間、及び ・負の半サイクルでS_HFa及びS_HFbが同時に閉止されている場合、即ち(1−D_na)T_{H F} （ここでD_na＝□V_ac□／V_ceである）及び（D_nb）T_HF（ここでD_nb＝□V_lamp□／ V_ceである）の継続期間を有する、重なっているサブ期間の間、 にのみ起こる。下降コンバーターモード 各高周波数期間T_HF（例えば10□秒）の間、V_acが正の半サイクルにあるときに 、 ・スイッチS_HFaが持続期間（D_pa）T_HFの間閉止され、かつスイッチS’_HFaが各期 間の残りの時間、即ち（1−D_pa）T_HFの間（ここで、D_pa＝□V_ac□／V_ce）閉止さ れ、及び ・スイッチS’_HFbが時間（D_pb）T_HFの間閉止され、かつスイッチS’_HFbが各期間 の残りの時間、即ち（1−D_pb）T_HFの間閉止され（ここで、D_pb＝□V_lamp□／V_ce ） る場合に発生する。 同様に、V_acが負の半サイクルにあるときに発生する、各高周波数期間T_HFの間 、 ・スイッチS’_HFaが持続期間（D_na）T_HFの間閉止され、かつスイッチS_HFaが各期 間の残りの時間、即ち（1−D_na）T_HFの間閉止され（ここで、D_na＝□V_ac□／V_ce ）そして、 ・スイッチS’_HFbが持続期間（D_nb）T_HFの間閉止され、かつスイッチS_HFbが各期 間の残りの時間、即ち（1−D_nb）T_HFの間閉止される(ここで、D_nb＝□V_lamp□／ V_ce)。 貯蔵コンデンサーC_eには、 ・上記のコンデンサーが、（各フィルターコイルL^fを経由して）ランプと電気的 に並列に接続されている場合の並列状態、 ・上記のコンデンサーが、（各フィルターコイルL_fを経由して）電源と電気的に 直列に接続されているが、ランプに賦課される電圧を、（V_acから）減少させる ために電圧V_acとV_ceが互いに異なった方向の極性に接続されている直列状態、 ・動作的に切断されている状態、 の３つの重要な接続状態、が存在する。 並列状態は、 ・正の半サイクルでS_HFbが、即ち持続期間（D_pb）T_HFの間閉止される（ここで、 D_pb＝□V_lamp□／V_ce）場合、及び ・負の半サイクルでS’_HFbが、即ち時間（D_nb）T_HFの間閉止される（ここで、D_{n b} ＝□V_lamp□／V_ce）場合 にのみ起こる。 このようにして、上記のコンデンサーはランプの電圧に比例するサブ期間に、 ランプに並列接続される。 直列状態は、 ・正の半サイクルでS_HFa及びS’_HFbが同時に、即ち、（D_pa）T_HF（ここでD_pa＝ □V_ac□／V_ceである）及び、（1−D_pb）T_HF(ここで、D_pb＝□V_lamp□／V_ce）の 継続期間を有するサブ期間と重なる間閉止される場合と、 ・負の半サイクルでS’_HFa及びS_HFbが同時に、即ち（D_na）T_HF（ここで、D_na＝ □V_ac□／V_ce）及び、（1−D_nb）T_HF（ここでD_nb＝□V_lamp□／V_ceである）の継 続期間を有するサブ期間と重なる間閉止される場合 にのみ起こる。 このようにして、瞬間の電源電圧がランプ電圧に比べて大きな値である場合に は、コンデンサーはランプ及び電源に直列接続されることになる。 切断された状態は、 ・正の半サイクルでS’_HFaとS’_HFbとが同時に閉止される場合、即ち、（1−D_pa ）T_HF（ここでD_pa＝□V_ac□／V_ceである）及び、（1−D_pb）T_HF（ここでD_pb＝□ V_lamp□／V_ceである）の継続期間を有するサブ期間と重なる間と、 ・負の半サイクルでS_HFa及びS_HFbが同時に閉止される場合、即ち、（1−D_na）T_{H F} （ここで、D_na＝□V_ac□／V_ce）及び、（1−D_nb）T_HF（ここで、D_nb＝□V_lamp □／V_ce）の継続期間を有するサブ期間と重なる間、 にのみ起こる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 所定の波形および電源により供給される周波数の交替電圧と電流を、放電ラ ンプに供給される前記周波数の交替方形波電圧と電流に変換する電子安定器であ って、 a．少なくとも一つの容量性の貯蔵手段（C_e）と、 b．協働して、周期的に、 i． 電気的に、少なくとも一つの容量性貯蔵手段を前記電 源に並列に接続し、 ii．電気的に、少なくとも一つの容量性貯蔵手段を前記電源 および前記放電ランプに直列に接続し、そして、 iii.当該方形波電圧および電流の生成を効率化するために少 なくとも一つの容量性貯蔵手段に供給しおよびそれから 供給される平均電流を統制する、 ブリッジスイッチング手段（S_BR）および高周波デューティー サイクル手段（S_HF)とを 有する電子安定器。 2. 少なくとも一つの容量性の貯蔵手段が、第一および第二の容量性貯蔵手段を 有する請求項１に記載の電子安定器であって、当該ブリッジスイッチング手段が 、交互に、 a． 電気的に、前記第一容量性貯蔵手段を前記電源と並列に接続 すると共に、電気的に、前記第二容量性の貯蔵手段を前記放電 ランプに直列に接続し、そして、 b．電気的に、前記第一容量性の貯蔵手段を前記放電ランプと直 列に接続すると共に、前記第二容量性の貯蔵手段を前記電源と 並列に電気的に接続し、そして、当該貯蔵手段が前記電源と並 列に電気的に接続されているとき、前記高周波デューティーサ イクルスイッチング手段が、前記容量性貯蔵手段の各々に正味 のエネルギーを与え、そして当該貯蔵手段が前記放電ランプと 直列に電気的に接続されているとき、前記容量性貯蔵手段の各 々から正味のエネルギーを得る、 電子安定器。 3. 少なくとも一つの容量性貯蔵手段が、当該高周波デューティーサイクルスイ ッチング手段が、前記電源と並列にかつ前記放電ランプと直列に交互に電気的に 接続する単一の容量性貯蔵手段を有する請求項１に記載の電子安定器。 4. 前記放電ランプに供給される前記方形波電流が、前記電源により供給される 前記交番電流と同期している請求項１、２または３に記載の電子安定器。 5. 高周波デューティーサイクルスイッチング手段が、 a． 前記電源に並列の前記第一および第二容量性貯蔵手段の何れか のブリッジスイッチング手段による電気的接続の間、当該容量 性貯蔵手段と前記電源間の、前記パワー電源電圧の前記瞬間値 に依存するデューティーサイクルに対して確立される電流パス を、交互に、確立させかつ中断させ、そして、 b．前記放電ランプに直列の前記第一および第二容量性貯蔵手段の 何れかの前記ブリッジスイッチング手段による電気的接続の間、 当該容量性貯蔵手段と前記放電ランプ間の、前記放電ランプ電 圧と前記電源電圧との間の前記差の前記瞬間値に依存するデュ ーティーサイクルに対して確立される電流パスを、交互に、確 立させかつ中断させる、 高周波スイッチング手段を含む請求項２に記載の電子安定器。 6． a． 当該ブリッジスイッチング手段（S_BR）が、前記容量性貯蔵 手段が前記安定器において、電気的に接続される前記極性 を交互に反転させるスイッチング手段（S_BR）を有し、そして b． 当該高周波デューティーサイクルスイッチング手段（S_HF）が、 前記プリッジスイッチング手段に対し高周波で、少なくとも、 i． 当該容量性貯蔵手段が前記電源と並列に電気的に接続 されている第一状態、および、 i． 当該容量性貯蔵手段が前記電源および前記放電ランプ と直列に電気的に接続されている第二状態 において、前記容量性貯蔵手段に繰り返し電気的に接続するように 動作するスイッチング手段（S_HF）を有する、 請求項３に記載の電子安定器。 7. アップコンバータモードかダウンコンバータモードの何れかで前記電子安定 器を二者択一的に切り換えるアップ-ダウンスイッチング手段（S_u'S_d;S_HFA，S_{HF B} ，S_HFA'，S_HFB'）を有している請求項２に記載の電子安定器であって、当該ア ップ-ダウンスイッチング手段が、 1. 前記第一容量性手段が、放電ランプと直列のとき、前記第一容 量性手段の電圧の極性を、前記アップコンバータモードの電源 の極性に等しくし、かつダウンコンバータモードの前記電源の 極性と逆にし、そして、 2. 前記第二容量性手段が、前記放電ランプと直列のとき、前記第 二容量性手段の前記極性を、前記アップコンバータモードの前 記電源の前記極性に等しくし、かつダウンコンバータモードの 前記電源の前記極性と逆にする、 電子安定器。 8. アップコンバータモードかダウンコンバータモードの何れかにおいて、前記 電子安定器を二者択一で切り換えるアップ-ダウンスイッチング手段（S_u，S_d;S_{H FA} ，S_HFB，S_HFA'，S_HFB'）を有する請求項３に記載の電子安定器 であって、当該高周波デューティーサイクルスイッチング手段が、 i．アップコンバータモードにおいて、少なくとも (1) 当該容量性貯蔵手段が前記電源と並列に電気的に接続 されている第一状態、そして、 (2) 前記パワー電源電圧と前記容量性貯蔵手段の電圧の前 記極性が同一方向に有る状態で、当該容量性貯蔵手段 が前記電源と前記放電ランプとに直列に電気的に接続 されている第二状態 で、繰り返し電気的に前記容量性貯蔵手段を接続するよう に前記ブリッジスイッチング手段より高周波で動作し、 ii． ダウンコンバータモードにおいて、少なくとも、 (1) 当該容量性貯蔵手段が電源ランプと並列に電気的に接 続されている第三状態、そして、 (2) 前記パワー電源電圧と前記容量性の貯蔵手段電圧の前 記極性が互いに対向する状態で、当該容量性貯蔵手段 が前記電源と前記放電ランプと直列に電気的に接続さ れている第四状態 で、繰り返し電気的に前記容量性貯蔵手段を接続するよう に前記ブリッジスイッチング手段より高周波で動作する、 電子安定器。 9. 前記容量的貯蔵手段が、前記電源と並列関係にある第一状態と、前記容量性 の貯蔵手段が、前記電源および前記放電ランプと直列関係にある第二状態と、最 後の、容量性の貯蔵手段が前記電源および前記放電ランプから有効に切り離され ている第三状態とで、高周波デューティ・サイクルスイッチング手段が、電気的 前記容量性の貯蔵手段を繰り返し電気的に接続するように作動する請求項３に記 載の電子安定器。 10．デューティーサイクルスイッチング手段が、デューティーサイクル D_parallel，D_series，およびD_disconnect（ここで、D_parallel+D_series+D_{disc onnect} =1）の第一、第二および第三状態において、前記容量性貯蔵手段を繰り返 し電気的に接続する請求項９に記載の電子安定器。 11．前記電源および前記容量性貯蔵手段から流れる電流をフィルター処理する第 一フィルタインダクタ（L_f）を有する請求項１に記載の電子安定器。 12．前記容量性の貯蔵手段から前記ランプに流れる電流をフィルター処理する第 二フィルタインダクタ（L_f）を有する請求項１または11に記載の電子安定器。