JP2003157988A - 放電管駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷陰極放電管駆動用回路に鉄共振トランスを
使用することで、バラストコンデンサや安定化制御を削
除して、安価にすると共に、信頼性の向上を図ること。 【手段】 複数の半導体スイッチ、非線形インダクタ成
分を含むトランス及びコンデンサで鉄共振回路を構成す
ると共に昇圧して、放電管に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ノートパソコンや
デジタルカメラなどの液晶ディスプレイのバックライト
に使用される冷陰極放電蛍光管を発光させる放電管駆動
回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の冷陰極放電管用駆動回路は、昇圧
機能を有した自励共振型発振回路が使われていた。直流
電圧を数十ｋＨｚの交流電圧に変換した後、トランスに
よって数百Ｖに昇圧した後、放電管に印加して発光させ
る方式であった。しかし、電源電圧変動や負荷変動に対
して、負荷電流が大きく変動してしまう欠点があった。
そこで、回路的には複雑になるが、ＤＣ／ＤＣコンバー
タ回路を前段に挿入し、間接的に直流入力電圧を可変電
圧に制御した後、交流変換回路に印加して負荷電圧を定
電流で垂下させ、負荷電流を安定にする方法がとられて
いた。

【０００３】図３および図４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ
を用いた従来の共振型自励発振回路の構成と、その主要
部における電圧波形である。図３において、ＤＣ／ＤＣ
コンバータは半導体スイッチ５３，インダクタ３２、コ
ンデンサ７３およびダイオード６３で構成され、制御回
路４２によりコンデンサ７３の両端から任意の可変直流
電圧を得るものである。ここで、端子４２１は制御回路
４２の電源端子であり、端子４２２は制御回路４２のグ
ランドの共通端子であり、端子４２３は半導体スイッチ
５３の駆動端子であり、端子４２４は放電管２の電流検
出端子である。直流電源１の電圧Ｖ71は半導体スイッチ
５３の開および閉動作時間に応じたパルス状電圧Ｖ63に
変換され、平滑回路によって直流電圧Ｖ73となる。以上
述べた電圧波形を図４に示す。この直流電圧Ｖ73は半導
体スイッチ５３の閉動作時間(ＴON)と開動作時間(ＴOF
F)の比率により任意に選ぶことができる。従って、可変
直流電圧はＶ73＝Ｖ71×ＴON／(ＴON＋ＴOFF)で計算さ
れる。

【０００４】次に、電圧制御された直流電圧Ｖ73はイン
ダクタ３３を介してトランス３４の中間タップ３４２に
印加される。端子３４１には半導体スイッチ５４が、ま
た端子３４３には半導体スイッチ５５が接続されると共
に、コンデンサ７４が並列に接続されている。共振回路
はトランス３４の１次側から見たインダクタンスとコン
デンサ７４とで構成される。半導体スイッチ５４および
５５は、端子３４６、３４７の駆動巻線の働きにより、
前記共振回路の周波数タイミングの開、閉動作を行う。
トランス３４の２次側端子３４４と３４５間に正弦波電
圧Ｖ72を得ることができる。放電管２の電流を抵抗８５
で検出して、制御回路４２により、コンデンサ７３の電
圧Ｖ73を制御することで、放電管２の電流を安定化して
いる。

【０００５】この共振型自励発振回路は、トランス３４
の端子３４１と３４３間のインダクタンスとコンデンサ
７４で決まる共振周波数で共振し、正弦波電圧Ｖ72がト
ランス３４の端子間３４１−３４３、３４４−３４５あ
るいは３４６−３４７から得られる。図４に示すＶ54の
電圧波形は半導体スイッチ５４のコレクターエミッタ間
電圧である。ベースに接続されている端子３４７が負電
圧のときは半導体スイッチ５４が開動作期間となってい
るため、半導体スイッチ５４のコレクタに接続している
端子３４１の電圧は正弦波電圧が印加されるが、端子３
４７が正電圧に変わると閉動作期間となり、端子３４１
の電圧は差がなくなる。一方、半導体スイッチ５５の電
圧波形はV55に示すように、V54と逆位相関係である。

【０００６】トランス３４の巻線電圧波形は、V54とV５
５の合成電圧になり、その電圧波形は、図４のV72の通
り、正負対称電圧波形である。Ｖ342はトランス３４の
端子３４２の電圧波形である。コンデンサ７３の直流電
圧Ｖ73と端子３４２の電圧Ｖ342の差電圧が、インダク
タ３３の端子間に現れることになる。インダクタ３３の
端子間には、電圧時間積Ｓ331とＳ332に等しい電圧脈動
分を含む。このため、トランス３４の端子３４２の平均
電圧値とコンデンサ７３の電圧値が等しい。

【０００７】前記制御回路４２内部の基準電圧と、負荷
の放電管２の電流に比例した電圧を抵抗８５より端子４
２４で検知した電圧を、比較制御することで安定制御し
ていた。これにより、負荷の放電管２が変化しても、前
記ＤＣ／ＤＣコンバータの働きで、負荷２の電流が一定
に保たれている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来方
式の共振型自励発振回路であっても、電源電圧や負荷の
放電管２が変動しても、負荷電流を安定化する目的でＤ
Ｃ／ＤＣコンバータ回路が別途必要であったり、放電管
に直列にバラストコンデンサ７５を接続して、放電管２
への印加電圧を下げなければならず、ＤＣ／ＤＣコンバ
ータでの電圧変換部の損失が加わり、変換効率が低いと
いう欠点があった。このため液晶ディスプレイ用バック
ライト駆動回路においては低廉、小型化の要請を満足す
ることはできなかった。そこで本発明は、電流を検知し
てトランスの入力電力を下げることで負荷電圧を下げる
のではなく、前記トランスが保有の電圧電流特性により
安定して電圧を垂下させることで、回路部品数を少なく
し、もって信頼性が高く安価な放電管駆動回路を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、トランスと、
前記トランスの一次側に接続された複数の半導体スイッ
チで構成された駆動回路と、前記半導体スイッチのゲー
トと接続する制御回路と、前記トランスの二次側に接続
される放電管を備えた放電管駆動回路であって、前記ト
ランスは磁路を形成する磁心と一次巻線と二次巻線を具
備し、前記磁心は、前記一次巻線を配設する部分の前記
磁心の断面積よりも、前記二次巻線を配設する部分の前
記磁心の断面積が小さく形成されており、かつ前記一次
巻線と前記二次巻線との間の前記磁路中に磁心部分が非
接触のギャップを有する放電管駆動回路である。前記複
数の半導体スイッチで構成された駆動回路はプッシュプ
ル駆動回路やブリッジ駆動回路であるのが好ましい。本
発明においては、前記磁心の非接触のギャップにより前
記トランスに非線形インダクタを構成する。そして、前
記トランスの二次側にコンデンサを並列接続し、もって
放電管への負荷電圧を定電流で垂下させる。本発明にお
いては、前記トランスの固有特性の定電圧特性と定電流
垂下特性により、定電流制御のためのＤＣ／ＤＣコンバ
ータ回路や基準電圧や電流検知抵抗など不要になり、構
成部品数が少なく信頼性の高い放電管駆動回路を実現す
ることが出来る。また、非線形インダクタ成分を含むト
ランスは、高周波数で効率良く、かつ、特性バラツキを
安定させるために、ギャップ部分は高精度加工のフェラ
イトコアを採用する。前記の様なトランスの技術は、５
０Ｈｚ〜６０Ｈｚの商用電源用に、珪素鋼板の定電圧ト
ランス（ＣＶＴ）や、単鉄心ＡＶＲと、呼ばれていて、
従来から特定の用途に活用されているものであるが、放
電管駆動回路という動作周波数が千倍以上高い本用途に
は単純には使用できず、またその技術思想も無かった
が、本発明者は磁心として放電管駆動回路を鋭意研究す
るなかで、前記トランスの技術を放電管駆動回路に適用
し、またトランスを構成する磁心としてフェライトコア
を採用することを着想し、本発明の放電管駆動回路を実
現した。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による一実施例を
示す。図２は、その主要部における電圧波形である。図
１において、直流電源１と並列接続のコンデンサ７１
は、リップル電流の平滑用である。直流電源１の正極
は、制御回路４１の電源端子４１１と非線形インダクタ
成分を含むトランス３１の端子３１２に接続している。
直流電源１の負極は、制御回路４１の共通端子４１２と
スイッチ手段の半導体スイッチ５１と５２のソース端子
に接続している。制御回路４１の駆動端子４１３は、半
導体スイッチ５２のゲート端子に接続している。制御回
路４１の駆動端子４１４は、半導体スイッチ５１のゲー
ト端子に接続している。半導体スイッチ５１のドレイン
端子は、非線形インダクタ成分を含むトランス３１の端
子３１１に接続している。半導体スイッチ５２のドレイ
ン端子は、非線形インダクタ成分を含むトランス３１の
端子３１３に接続している。コンデンサ７２は、非線形
インダクタ成分を含むトランス３１の端子３１１と端子
３１３間に接続している。負荷の放電管２は、非線形イ
ンダクタ成分を含むトランス３１の端子３１４と３１５
間に接続している。コンデンサ７６は、放電管２に並列
に接続している。

【００１１】図２を使って、図１の動作を説明する。半
導体スイッチ５２のゲート端子に電圧が印加されると、
半導体スイッチ５２のドレイン端子とソース端子は閉す
る。半導体スイッチ５２が開した後に、半導体スイッチ
５１が閉する。半導体スイッチ５１と５２は、同時に閉
することなく交互に閉する。半導体スイッチ５２が閉す
ると、直流電源１の正極より、トランス３１の端子３１
２と、端子３１３と、半導体スイッチ５２を経由して、
直流電源１の負極に、電流が流れる。このとき、トラン
ス３１の端子３１２と３１３間に、直流電源１の電圧が
印加されているため、その電流は、時間に比例して上昇
する。半導体スイッチ５２が開すると、トランス３１に
流れていた電流が流れ続けようと、逆起電力を発生させ
るが、その電流は、コンデンサ７２に転流される。端子
３１３から端子３１１の方向にコンデンサ７２が充電さ
れる。半導体スイッチ５２のドレイン電圧は上昇して、
半導体スイッチ５１のドレイン電圧は降下する。

【００１２】コンデンサ７２の転流電流が減少して行き
停止した後、半導体スイッチ５１が閉する。半導体スイ
ッチ５１が閉すると、直流電源１の正極より、トランス
３１の端子３１２と、端子３１１と、半導体スイッチ５
１を経由して、直流電源１の負極に電流が流れる。この
とき、トランス３１の端子３１２と３１１間に、直流電
源１の電圧が印加されているため、その電流は、時間に
比例して上昇する。半導体スイッチ５１が開すると、ト
ランス３１に流れていた電流が流れ続けようと、逆起電
力を発生させるが、その電流は、コンデンサ７２に転流
される。端子３１１から端子３１３の方向にコンデンサ
７２が充電される。半導体スイッチ５１のドレイン電圧
は上昇して、半導体スイッチ５２のドレイン電圧は降下
する。この動作が繰り返されことで、図２のＩ82とＶ72
の波形で動作を続ける。非線形インダクタ成分を含むト
ランス３１の端子３１４と３１５より、昇圧された電圧
Ｖ76が、コンデンサ７６と負荷の放電管２に印加され
る。

【００１３】非線形インダクタ成分を含むトランス３１
の構造を図５について説明する。１次巻線と２次巻線の
間に、磁気抵抗ギャップを設けた磁路がある。１次巻線
部分のコアー断面より、２次巻線のコアー断面を小さく
している。１次巻線に電圧を印加すると、コアーに磁路
(イ)と磁路(ロ)の２つの磁束が出来る。磁路(イ)の断面
積が小さいため、印加電圧が高いと飽和する。磁路(イ)
のコアーが飽和すると、磁気抵抗が急速に大きくなるた
め、磁路(ロ)の磁束が増える。印加電圧が変化しても、
磁路(イ)の磁束密度とコアー断面積が変化しないため、
２次巻線の電圧は変化しない。図６は図５と異なる磁心
形状フェライトコアを用いたトランスであるが機能は同
じである。この様なトランスの等価回路を図８で示す。
端子３１１と３１２と３１３のトランスＴ１は、プッシ
ュプル駆動用のセンタータップにより、対象逆位相巻線
がある。トランスＴ３は、過飽和リアクトル特性を持っ
た昇圧トランスである。インダクタＬ２は、漏れインダ
クタンスを表している。

【００１４】トランス３１の出力端子３１４と３１５に
コンデンサ７６が並列接続されている。この並列回路の
電圧・電流特性を図１０に示す。印加電圧がトランスＴ
３の未飽和値であれば、Ｏ点からＡ点の範囲で、印加電
圧に比例した電流が流れる。Ａ点の電圧以上になると、
トランスＴ３が磁気飽和するため、インダクタンス値が
急速に小さくなり、遅れ電流分が増える。コンデンサの
進み電流分と位相が逆なため、その合成電流は、Ａ点か
らＢ点に少なくなる。Ｂ点は、コンデンサ７６の進み電
流値とトランス３の遅れ電流値が一致して打ち消された
ことを示している。さらに、遅れ電流が増大すると、Ｃ
点に達する。磁気飽和点のＡ点からＣ点までの間は、電
流変化が大きいが、電圧変化が抑えられていることを示
している。この働きにより、本発明の放電管駆動回路の
電圧・電流特性は、図７の特性グラフ９１の通り、定電
圧特性を示すと共に、電流が増えると電圧を垂下する特
性を有する。

【００１５】図３に示した従来の放電管駆動回路の電圧
・電流特性は、図７の特性グラフ９２に示す通りであ
る。負荷の放電管が冷陰極管の場合は、冷陰極管の長さ
や内部ガス圧によって、特性グラフ９３や特性グラフ９
４に示す通りに変化するが、本発明の放電管駆動回路で
冷陰極管を駆動した場合は、特性グラフ９１と特性グラ
フ９３の交点Ｅや交点Ｆで動作する。交点Ｅと交点Ｆの
差は電圧が変化しても電流は比例して変化しない。これ
に対して、従来の放電管駆動回路で冷陰極管を駆動した
場合は、特性グラフ９２と特性グラフ９３の交点Ｇと交
点Ｈで動作する。交点Ｇと交点Ｈは電圧が変化量よりも
電流の変化の方が悪化していることを示している。

【００１６】また図９に示すように、出力電圧に入力電
圧の一部を差し引くように、出力電圧の逆位相電圧を負
荷の放電管２に直列に接続すれば、定電圧特性と定電流
特性が改善される。動作周波数は、６０ｋＨｚ前後の一
定で動作させることが基本であるが、動作周波数を下げ
ると低い電圧で磁気飽和することから、入力電圧が高い
ときに周波数を少し下げるように動作させても、同様に
特性が改善される。また、半導体スイッチ５１と５２
を、２００Ｈｚ程度の低い周波数で断続運転して、その
動作時間比を調整することで、バースト調光も可能であ
る。

【００１７】

【発明の効果】本発明によれば、前記トランスが保有の
電圧電流特性により安定して電圧を垂下させることで、
回路部品数を少なくし、もって信頼性が高く安価な放電
管駆動回路を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施例である。

【図２】本発明を実施した場合の起動時電圧波形例であ
る。

【図３】従来例を示す回路図である。

【図４】従来技術による動作時電圧波形である。

【図５】本発明の非線形インダクタ成分を含むトランス
の構造図である。

【図６】本発明の非線形インダクタ成分を含むトランス
の構造図の他の例である。

【図７】本発明の非線形インダクタ成分を含むトランス
の特性図である。

【図８】本発明の非線形インダクタ成分を含むトランス
の等価回路図である。

【図９】本発明の非線形インダクタ成分を含むトランス
の等価回路図である。

【図１０】本発明のＬＣ共振の特性図である。

【符号の説明】

１ 直流電源 ２ 放電管 ３１ 非線形インダクタ成分を含むトランス ３４ トランス ３１１〜３１５、３４１〜３４７ 端子 ３２、３３ インダクタ ４１、４２ 制御回路 ４１１、４２１ 電源端子 ４１２、４２２ 共通端子 ４１３、４１４、４１７、４１８、４２３ 駆動端子 ４１５、４１６、４２４ 検出端子 ５１〜５７ 半導体スイッチ ６１、６３ ダイオード ７１〜７５ コンデンサ ８３〜８５ 抵抗器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 トランスと、前記トランスの一次側に接
   続された複数の半導体スイッチで構成された駆動回路
   と、前記半導体スイッチのゲートと接続する制御回路
   と、前記トランスの二次側に接続される放電管を備えた
   放電管駆動回路であって、前記トランスは磁路を形成す
   る磁心と一次巻線と二次巻線を具備し、前記磁心は、前
   記一次巻線を配設する部分の前記磁心の断面積よりも、
   前記二次巻線を配設する部分の前記磁心の断面積が小さ
   く形成されており、かつ前記一次巻線と前記二次巻線と
   の間の前記磁路中に磁心部分が非接触のギャップを有す
   ることを特徴とする放電管駆動回路。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の放電管駆動回路におい
   て、前記磁心の非接触のギャップにより前記トランスに
   非線形インダクタを構成することを特徴とする放電管駆
   動回路。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の放電管駆動回路におい
   て、前記トランスの二次側にコンデンサを並列接続し、
   もって放電管への負荷電圧を定電流で垂下させることを
   特徴とする放電管駆動回路。