JP2004055560A - 放電ランプの点灯回路装置及び点灯方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い始動電圧を持った放電ランプのコスト的に好ましい動作を可能にする回路装置および方法を提供する。
【解決手段】交流電圧を供給するための交流電圧供給装置（１）と、交流電圧から始動電圧を発生するために交流電圧供給装置（１）に接続されかつ出力端に放電ランプ（４）を接続可能である始動電圧発生装置とを備えた放電ランプ（４）の点灯回路装置において、始動電圧発生装置が、始動電圧発生装置の出力端に並列接続された少なくとも１つのダイオード（３）を含んでいる。
【選択図】　　図４

Description

　本発明は、交流電圧を供給するための交流電圧供給装置（例えば交流電圧発電機またはその他の交流電源）と、交流電圧から始動電圧を発生するために交流電圧供給装置に接続されかつ出力端に放電ランプを接続可能である始動電圧発生装置とを備えた放電ランプの点灯回路装置に関する。さらに、本発明は放電ランプの点灯方法に関する。

　ガス放電ランプを点灯するには、ランプ内にガス放電プロセスを開始させるために、まずランプに高電圧を印加しなければならない。引き続いて、連続的な点灯電圧をランプ電極に印加すべきである。このためには、始動過程と点灯状態との両方を受け持つ電源ユニットもしくは回路装置を使用してもよいが、しかしながら、２つの別々の電源を用意し、一方の電源が始動用に、他方の電源が点灯用に使用されるようにしてもよい。両方の状態に使用できる電源は、始動用の高電圧を発生し、続いて点灯中は持続的に高効率で動作することができなければならない。

　これまで、放電ランプの始動には重畳形始動装置または共振回路が使用されてきた。しかし、特に高い始動電圧を持つ放電ランプにとって次の欠点があった。

　重畳形始動装置の場合、ランプの連続点灯のための点灯周波数はランプのインダクタンスによって上限がある。これは、音響共鳴に基づいて定められた周波数範囲でしか点灯できない特に高圧放電ランプの場合、著しい制限である。さらに、重畳形始動装置は、コイル、スイッチング要素（例えば火花ギャップ）およびコンデンサが必要であるために高価である。

　直列共振回路では、特に高い始動電圧を持った放電ランプにおいて電圧上昇によって始動するのに非常に高いＱ値が要求され、これにともなってコストが高くなる。かかる共振回路の共振周波数を確実に捉えるためには、著しい回路費用がかかる。直列共振回路の場合にもインダクタンスがランプの連続点灯のための点灯周波数を制限する。コスト的に好ましい高周波点灯装置は非常に限られた条件下でしか可能とならない。

　そこで、本発明の課題は、高い始動電圧を持った放電ランプのコスト的に好ましい点灯を可能にする点灯回路装置および点灯方法を提供することにある。

　点灯回路装置に関する課題は、本発明によれば、交流電圧を供給するための交流電圧供給装置（例えば交流電圧発電機またはその他の交流電源）と、交流電圧から始動電圧を発生するために交流電圧供給装置に接続されかつ出力端に放電ランプを接続可能である始動電圧発生装置とを備えた放電ランプの点灯回路装置において、始動電圧発生装置が、始動電圧発生装置の出力端に並列接続された少なくとも１つのダイオードを含んでいることよって解決される。

　点灯方法に関する課題は、交流電圧を供給しこの交流電圧から始動電圧を発生させることによって放電ランプを点灯する放電ランプの点灯方法において、始動電圧が放電ランプに並列に配置されているダイオードによって発生されることによって解決される。

　始動電圧発生装置の出力端もしくは放電ランプに並列接続されたダイオードは、交流電圧供給装置つまり交流電圧発電機の出力キャパシタンスと共に、ポンプ回路作用にしたがって電圧振幅を上昇させるのに役立つ。カスケードポンプ回路に関して、上述の回路は０次のポンプ回路に相当する。

　したがって、始動電圧発生装置が電圧ポンプ回路としてダイオードに直列の１次またはそれよりも高次のカスケード回路を含むと好ましい。この種のカスケード回路によりその次数に応じて高い電圧上昇が得られるが、これは、結局、使用される構成要素のＱ値もしくはそれらの固有損失と次数の上昇にともなって増大する時定数とによって制限される。

　カスケード回路においては、とくに次数ごとに２つのコンデンサと２つのダイオードとが公知の相互接続で設けられている。したがって、比較的低コストの構成要素でもって有効な電圧上昇を得ることができる。

　始動電圧発生装置の出力端とダイオードとの間に、すなわち放電ランプの前に電流制限用チョークコイルが接続されていると好ましい。それにより、始動過程後に放電ランプの抵抗値の減少によって生じる電流を制限することができる。

　ダイオードに直列に、放電ランプの始動過程後の電圧ポンプ動作を遮断するための遮断ユニットが設けられていると好ましい。この遮断ユニットはツェナーダイオードまたはＴＶＳ（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ、過渡電圧抑制）ダイオードによって低コストで実現することができる。その場合、このツェナーダイオードまたはＴＶＳダイオードの定格電圧は、点灯過程を阻止または妨害しないように、放電ランプのランプ電圧よりも高くあるべきである。

　回路装置の好ましい構成では、始動電圧発生装置が圧電変圧器を含む。これにより、より僅かの構造寸法でもって高い変圧比を得ることができる。

　しかしながら、代替として、供給電圧を発生させるために、従来の交流電源、例えば結合コンデンサを備えたハーフブリッジを使用することもできる。

　本発明による回路装置は、例えば自動車前照灯用の高圧放電ランプのような高い始動電圧を有する放電ランプの低コスト点灯を可能にする。

　以下において添付図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。

　以下に記載する実施例は本発明の優れた実施形態である。図１に示す本発明による第１の実施形態によれば、交流電圧供給回路１の出力端に変圧器２が接続されている。変圧器２の出力端子はガス放電ランプ４の電極と接続されている。ガス放電ランプの電極間にはダイオード３が接続されている。

　図１による回路の動作は図６に示されている電圧経過から推測することができる。ガス放電ランプの電極における交流電圧は、ダイオード３がない場合、図６の範囲Ａにおける正弦波状の電圧経過を持つ。ガス放電ランプ４の電極に並列接続されたダイオード３は、電圧振幅の２倍化が生じるように交流電圧が正もしくは負の値に上げられるかまたは下げられる。放電ランプの形式に応じてこの２倍化された電圧振幅が始動に十分である。

　図２および図３には、図１の実施形態に対する代替としての実施形態が示されている。それぞれ同じ回路要素もしくは構成要素１〜４が使用されている。追加的に、図２の回路ではダイオード３と直列に遮断ユニットもしくは閾値スイッチ５が接続されている。この例では、遮断ユニットもしくは閾値スイッチ５はツェナーダイオードである。代替として単方向性のＴＶＳダイオードを使用してもよい。閾値スイッチ５としてのツェナーダイオードはダイオード３に対して逆方向に接続されている。ツェナーダイオード５によりランプのブレークダウン後におけるポンプ回路の遮断が行なわれる。この場合に、ツェナーダイオード５の定格電圧すなわちツェナー電圧は少なくともランプの最大ランプ電圧の大きさでなければならない。遮断要素としてのツェナーダイオードの直列接続によって、ダイオード３だけからなる０次のポンプ回路のポンプ作用が開閉される。高次のポンプ回路は図８に関連して示されている。

　図３に示されている回路は図２の回路と同様にほぼ同じ構成要素を有する。図３の回路において変圧器２は電磁式変圧器である。２次コイルは同時に共振動作のための共振コイルとして使用される。２次コイルに直列にポンプ回路によって充電される結合コンデンサ６が接続されている。この共振回路により、給電回路もしくはガス放電ランプが非常に効果的に作動させられる。ランプの始動前には回路は無負荷で作動され、共振変圧器の出力電圧は最大になり、ランプを始動させることができる。ランプが点灯中になる始動後にはランプの内部抵抗が下がり、それにより共振変圧器の出力電圧が同調はずれのために低下するので、ガス放電ランプはランプ形式に特有の低い電圧値で高効率にて点灯することができる。この電圧値はダイオード３の順方向電圧値よりも低くなければならない。これがそうでない場合にはランプ４に印加される電圧はダイオード３の順方向電圧に制限される。

　図４は、図２に示されている実施形態の具体的な構成を示す。変圧器２は圧電変圧器として構成されている。１次側には交流電圧源もしくは発電機１から供給された交流電圧が圧電素子によって機械的振動に変換される。圧電素子を介して伝達されるこの機械的振動は２次側で再び電気信号に変換される。圧電素子の機械的共振の場合に２次電圧の相応の共振上昇が起きる。ダイオード３，５を有するポンプ回路によって、この電圧はさらに高められるので、ランプ４の始動電圧が到達される。ガス放電ランプの始動時および点灯中には、ガス放電ランプは非常に低抵抗となるので、場合によっては電流がチョークコイル７によって制限されなければならない。この場合に、１次側交流電圧を発生するための発電機１はハーフブリッジを含むことができる。

　図５には本発明による回路の別の実施形態が示されている。発電機１によって発生された交流電圧は、共振コイル８と共振コンデンサ９とからなる直列共振回路に印加される。共振コンデンサ９における電圧は結合コンデンサ１０を介してランプ４に供給される。ランプ４に並列に、上記の図に関係して説明したダイオード３，５を含むポンプ回路が接続されている。ガス放電ランプ４の電極における電気泳動を避けるための結合コンデンサ１０は、いわゆる移転、すなわちグロー放電からアーク放電への移行のための十分高い静電容量を持つべきである。必要な場合には結合コンデンサ１０に、より高い電圧を得るために、場合によっては僅かのＱ値を持った直列共振を前置するとよい。

　図６には、範囲Ａにおいて、ダイオード３が存在しなかった場合に放電ランプ４に印加される変圧器の出力側交流電圧の信号波形が示されている。図６の範囲Ｂには、ダイオード３によって放電ランプ４に生じる信号波形が示されている。つまり、放電ランプ４の電極における電圧の振幅の倍増が生じる。したがって、ダイオード３は既に述べたとおり０次のポンプ回路として考慮することができる。

　図７には、放電ランプの始動後、すなわち点灯段階中における交流電圧の経過が示されている。交流電圧の振幅が図６のそれよりも低下していることが明確に分かる。この理由は、放電ランプ４は始動後には明白な低抵抗値を持つので、始動後の点灯段階における放電ランプ電圧が低下するからである。さらに、図７から分かることは、ポンプ回路すなわちダイオード３が始動後の点灯段階中には何ら作用しないことである。なぜならば、範囲Ａにおける、すなわちダイオード３が接続されていない状態における信号経過が、範囲Ｂにおける、すなわちダイオード３が接続されている状態における信号経過と同じであるからである。この理由は、ダイオード５によってランプのブレークダウン後、連続点灯中にはポンプ回路が遮断されるからである。

　図８には、図４の実施例の変形例が示されている。図４における０次のポンプ回路の代わりに、図８の回路では２次のポンプ回路となっている。これは、ダイオード３とツェナーダイオード５との間にダイオードとコンデンサとからなるカスケード回路が接続されていることを意味する。具体的には、ダイオードＤ１〜Ｄ５がダイオード３とツェナーダイオード５との間に直列に接続されている。ダイオード３，Ｄ１に並列にコンデンサＣ１があり、ダイオードＤ１，Ｄ２に並列にコンデンサＣ２があり、ダイオードＤ２，Ｄ３に並列にコンデンサＣ３があり、ダイオードＤ３，Ｄ４に並列にコンデンサＣ４があり、そしてダイオードＤ５に並列にコンデンサＣ５がある。カスケードの一段の構成要素は図８における範囲Ｉ，ＩＩによって示されている。

　０次のカスケードによってピーク電圧Ｕ＝Ｕ_SS−Ｕ_Zが得られる。カスケードの第１段、すなわち１次のポンプ回路によればピーク電圧Ｕ＝２×（Ｕ_SS−Ｕ_Z）が得られる。さらに、カスケード回路の第２段、すなわち２次のポンプ回路によればピーク電圧Ｕ＝３×（Ｕ_SS−Ｕ_Z）が生じる。ただし、Ｕ_SSは変圧器２の２次側における交流電圧のピークピーク値であり、Ｕ_Zはツェナー電圧である。

　図９には、図２乃至図５による本発明による実施形態についてのガス放電ランプ４における電圧経過が示されている。投入後、最終的なポンプ電圧が非常に速やかに生じる。始動後にはポンプ過程が遮断され、電圧が図６および図７に関連して既に説明したとおりランプ電圧に低下する。

　図８に示されている２次のポンプ回路の場合、図１０に示されている電圧経過が生じる。この場合に交流電圧は直流電圧を重畳され、この直流電圧の値は０次のポンプ回路と比べて約２倍の大きさである。約４ミリ秒（ｍｓ）後に最終的なポンプ値に到達する。始動後に同様にポンプ過程が終了し、ランプには図９におけるようなランプ電圧が生じる。

　最後に図１１に、３次のカスケード回路における時間的電圧経過が示されている。到達可能なポンプ電圧は理想的な場合確かにそれ相応に高くなるが、しかしこの最終的なポンプ電圧に到達する時定数が、図１０による２次のポンプ電圧の場合におけるよりも同様に明白に高くなる。この場合には１０ｍｓ後にも最終的なポンプ値に到達しない。非常に高い始動電圧に対しては、このポンプ技術はその本来の限界にぶち当たる。

　上述の始動回路の利点は、一般に、電圧時間積がこの場合には大きいことから、パルス始動装置におけるよりも著しく低いブレークダウン電圧しか必要でないところにある。

本発明による回路装置の原理図 本発明の他の実施形態の原理図 本発明のさらに他の実施形態の原理図 本発明の別の実施形態の回路図 本発明のさらに別の実施形態の回路図 始動前の放電ランプの電極における電圧経過図 点灯過程中の放電ランプの電極における電圧経過図 本発明の優れた実施形態の回路図 図４による０次のポンプ回路によって始動前および始動後に生じる放電ランプの電極における電圧経過図 図８による２次のポンプ回路によって始動前および始動後に生じる放電ランプの電極における電圧経過図 ３次のポンプ回路によって始動前および始動後に生じる放電ランプの電極における電圧経過図

符号の説明

　１　　　　　交流電圧供給回路
　２　　　　　変圧器
　３　　　　　ダイオード
　４　　　　　ガス放電ランプ
　５　　　　　閾値スイッチ
　６　　　　　結合コンデンサ
　７　　　　　チョークコイル
　８　　　　　共振コイル
　９　　　　　共振コンデンサ
１０　　　　　結合コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ５　　カスケード回路ダイオード
Ｃ１〜Ｃ５　　カスケード回路コンデンサ

Claims (15)

1. 　交流電圧を供給するための交流電圧供給装置（１）と、交流電圧から始動電圧を発生するために交流電圧供給装置（１）に接続されかつ出力端に放電ランプ（４）を接続可能である始動電圧発生装置とを備えた放電ランプの点灯回路装置において、
   　始動電圧発生装置が、始動電圧発生装置の出力端に並列接続された少なくとも１つのダイオード（３）を含んでいることを特徴とする放電ランプの点灯回路装置。
2. 　始動電圧発生装置が電圧ポンプ回路としてダイオード（３）に直列の１次またはそれよりも高次のカスケード回路（Ｄ１〜Ｄ５，Ｃ１〜Ｃ５）を含むことを特徴とする請求項１記載の回路装置。
3. 　カスケード回路（Ｄ１〜Ｄ５，Ｃ１〜Ｃ５）が次数ごとに２つのコンデンサと２つのダイオードとを有することを特徴とする請求項２記載の回路装置。
4. 　始動電圧発生装置の出力端とダイオード（３）との間に電流制限用コイル（７）が接続されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の回路装置。
5. 　ダイオード（３）に直列に、放電ランプ（４）の点灯のための始動電圧を遮断するための遮断ユニット（５）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の回路装置。
6. 　遮断ユニット（５）がツェナーダイオードまたはＴＶＳダイオードを有することを特徴とする請求項５記載の回路装置。
7. 　ツェナーダイオードのツェナー電圧が放電ランプ（４）の最大ランプ電圧よりも大きいかまたは等しいことを特徴とする請求項６記載の回路装置。
8. 　始動電圧発生装置が圧電変圧器（２）を有することを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の回路装置。
9. 　始動電圧発生装置が、２次側に結合コンデンサ（６）を接続された磁気式変圧器を有することを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の回路装置。
10. 　交流電圧を供給しこの交流電圧から始動電圧を発生させることによって放電ランプ（４）を点灯する放電ランプの点灯方法において、始動電圧が、放電ランプ（４）に並列に配置されているダイオード（３）によって発生されることを特徴とする放電ランプの点灯方法。
11. 　始動電圧が、電圧ポンプ回路としてダイオード（３）に直列の１次またはそれよりも高次のカスケード回路（Ｄ１〜Ｄ５，Ｃ１〜Ｃ５）によって発生されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 　放電ランプ（４）を通る電流がチョークコイル（７）によって制限されることを特徴とする請求項１０または１１記載の方法。
13. 　始動電圧のポンプが始動過程後に構成要素の特性により自動的に停止されることを特徴とする請求項１０乃至１２の１つに記載の方法。
14. 　交流電圧が圧電変圧器（２）によって発生されることを特徴とする請求項１１乃至１３の１つに記載の方法。
15. 　交流電圧が２次側に結合コンデンサ（６）を接続された磁気式変圧器によって発生されることを特徴とする請求項１１乃至１３の１つに記載の方法。

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