JP2004511892A - 回路装置 - Google Patents

Abstract

高輝度放電（ＨＩＤ）ランプを点弧及び点灯させる改善された回路装置を開示する。点弧電圧を１つのキャパシタの両端間に与え、点弧段階の終わりに、もう１つのキャパシタを回路の中へ切り換えて、２つのキャパシタにまたがった電圧を分割し、安定な状態の方形波電流及び電圧を発生させる。

Description

【０００１】
本発明は、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプを点弧させ且つ点灯させる方法及び回路に関するものである。本発明は大量の商業用ＨＩＤ装置において特定の分野を有し、これらＨＩＤ装置において費用は、極めて考慮すべき事柄である。
【０００２】
ＨＩＤランプは代表的に、容器又は放電管内に封入された気体及び蒸気の双方又はいずれか一方を用い、これらは、ランプの安定な点灯中、電気を伝導し、特定の波長の光を放出させる。この波長は、用いられる蒸気の種類に依存する。ＨＩＤランプは一般に負の電圧−電流特性を有する。従って、これらランプは、ランプに流れる電流を安定化させるため、安定なランプ点灯中、バラスト回路が必要となる。ＨＩＤランプの動作を始動させるために、高い電圧パルスが必要とされ、この電圧パルスは一般に、点弧子すなわちイグナイタ回路によって発生される。点弧子は、安定器、特に近年の電子バラスト回路の一部分を形成することができる。代表的に、ＨＩＤランプは２つの電極を有し、これら電極間では、ランプの点灯中、放電が発生する。
【０００３】
ＨＩＤランプを始動すなわち点弧させるためには一般に、点弧子と組み合わされた安定器が説明しなければならない４つの段階がある。第１段階はブレークオーバー段階であり、この段階では、比較的高い電圧パルス（例えば３キロボルト）がＨＩＤランプの２つの電極の間に印加されて、気体分子及び蒸気分子の双方又はいずれか一方から電子が解放され、導電工程を始める。代表的に、安定器及び点弧子は、高い電圧パルスを約１０マイクロ秒間発生させる必要がある。１０マイクロ秒後、ＨＩＤランプはテイクオーバー（引継ぎ）状態に入る。ランプ及び安定器の状態に応じて、テイクオーバー状態はおよそ何百ものマイクロ秒といったように持続する可能性があり、この間、安定器が約２８０〜３００ボルトをランプに供給できるようにする必要がある。このことは、気体及び蒸気の双方又はいずれか一方を、放電が安定となる安定な導電状態にさせる工程を継続させる。
【０００４】
テイクオーバー段階後、ＨＩＤランプはランアップ（急上昇）段階に入る。ランアップ段階の始めでは、ランプ内の温度、内圧及び電圧は比較的低い。ランアップ段階中、電圧は、わずかな間に、比較的低い値例えば約２０ボルトから、安定なランプ点灯に相当する値いわゆるランプ電圧例えば約９０ボルトまで増大する。その後、ランプは、安定な状態の点灯段階である第４段階すなわち最終段階に入る。安定な状態中、ランプは、正常な温度及び圧力で光を放出する。ランプは、正常な温度及び圧力に合わせて設計されている。
【０００５】
一般に、ＨＩＤランプの安定な点灯はＡＣ動作中であり、従って、安定状態中、ランプは振動電流信号に基づいて点灯する。近年の電子安定器では、正の電流と負の電流との間で振動する低周波方形波信号でＨＩＤランプを点灯させるのが好ましい。従って、安定状態では、例えば、１００Ｈｚの方形波電流とすることができ、その結果、＋９０ボルトと−９０ボルトとの間で振動するランプ電圧になる。
【０００６】
前述した４つの段階は、ランプを駆動すべき回路すなわち、ランプを点弧及び点灯すべき回路が所定の信号を発生させることを必要とする。更に詳細には、駆動回路は、約１０マイクロ秒のブレークオーバー点弧パルスを発生させ、その後引き続いて、約２８０〜３００ボルトのテイクオーバー電圧をおよそ何百ものマイクロ秒間発生させ、次に、ランアップ電圧と安定な状態の電圧とを発生させる必要がある。図１は、上記に規定した信号を発生させる従来技術の代表的な回路装置である。代表的に、ＨＩＤランプ用の近年の電子安定器又はスイッチモード電力制御器には、入力電圧例えば、公共電源からの電圧を、比較的高いＤＣ電圧例えば４００ボルトに変換させるプリコンディショナが設けられている。このようにして形成された比較的高いＤＣ電圧は、バラスト回路装置における、ランプを点弧及び点灯させる回路部分に対する供給源を形成する。点弧時において、約４００ボルトの信号が端子１０２及び１０４間に与えられる。この４００ボルトはデバイス１３０とインダクタ１３４とを通って伝えられ、約３００ボルトの信号をキャパシタ１３２の両端間に発生させる。
【０００７】
キャパシタ１３２によって、点弧子１０５が約３キロボルトのパルスを約１０マイクロ秒間発生させ、その後、点弧子１０５は短絡のような外見を実質的に呈する。点弧子は代表的にキャパシタ１３２の両端間の電圧によって起動されて３キロボルトのパルスを発生させる。初期パルスの発生後、点弧子が事実上の短絡として作用すると、キャパシタ１３２からの約２８０〜３００ボルトの電圧が、キャパシタ１３２から点弧子１０５を通ってＨＩＤランプ１０８に与えられる。これら２８０〜３００ボルトは、テイクオーバー段階が終了するまでおよそ何百ものマイクロ秒間維持される。テイクオーバー段階後直ちに、制御器１１０がランアップ工程と安定状態工程とを始める。安定な状態中、制御器１１０がスイッチ１３６〜１３９のゲート電圧を制御して、前述した振動方形波をランプ１０８に与える。
【０００８】
図１の回路に関連する問題は、構成要素の個数によって費用が比較的高価となることにある。より詳細には、極性を周期的に変化させる方形波を発生させる必要があるため、４つのスイッチ例えばトランジスタがコミュテータ１２０中に必要とされる。４つのトランジスタは、制御器１１０によってトランジスタのゲートに印加される制御電圧に関連して作用し、必要な方形波を発生させる。
【０００９】
図２には、規定した４つの段階の信号をＨＩＤランプに与える他の従来技術例を示す。図２の装置は、電圧分割器として２つのキャパシタ２２０及び２２２を直列に用いる。ＨＩＤランプ２１０は点弧子１０５と点２０８との間に接続されている。この装置は、安定な状態で使用される方形波を発生させるために４つの別々のトランジスタを用いる必要がない。その代わりに、２つのトランジスタ２２４及び２２６だけが必要となる。安定な状態中、ランプ２１０は点２０８に接続され、トランジスタ２２４及び２２６は高周波で且つ、変化する衝撃係数で動作することができる。従って、トランジスタ２２４及び２２６が交互に適切な期間スイッチオン及びオフするように制御器２１８を動作させることによって、必要な安定状態の電流波形及び電圧波形を発生させることができる。ＨＩＤランプの電極の一方は、キャパシタ２２０及び２２２によって形成されている分割器の中間に接続されているので、２つのトランジスタ２２４及び２２６だけが、極性を変化させる方形波を発生させるのに必要とされる。
【００１０】
図２の装置に関連する問題は点弧中に発生する。より詳細には、テイクオーバー段階中にランプ２１０の両端間に与えられる必要がある約２８０ボルトを発生させるために、５６０ボルトが点２１４と点２１６との間に与えられなければならない。初期の点弧工程中にだけ用いられるこの増大された電圧は、比較的高い圧力を回路の構成要素に対して生じさせる。このことは故障率を増大させるか、或いは、この装置に、圧力に耐えうる高品質の構成要素を用いる場合、その費用を、図１での４つのトランジスタを用いるのにかかる費用付近まで跳ね上げる。
上述の観点から、従来技術では、ＨＩＤランプ用点弧回路に対して、ほんの少数のスイッチングデバイスを用いれば足り、図２のような装置に必要とされる比較的高い電圧を用いることなく動作させうる必要がある。
【００１１】
従来技術の上記の問題及びその他の問題は、ＨＩＤランプを点弧及び点灯させる回路に関する本発明の教示に従って解決される。この回路には２つのトランジスタが用いられ、これらトランジスタは、ランプ電圧を生じさせる安定な状態の方形波電圧を発生させるのに充分である。点弧工程中、スイッチは、電圧分割器を形成する２つのキャパシタの一方を点弧回路の外に切り換えるのに用いられる。このことによって、全入力電圧を他方のキャパシタに印加させて、点弧に充分な電圧を発生させる。点弧期間後、一方のキャパシタを回路の中へ切り換え、これによって、電圧分割器を形成し、ランプに供給されるべき安定な状態のパルス電圧を発生させる。
【００１２】
図１及び図２に示す回路装置については先に述べた。
図３の装置は、２つのトランジスタ３５４及び３５６と、供給源用キャパシタ３５０及び３５２と、キャパシタ３６０と、制御回路３１０とを具える。従来のように、点弧子３１２はＨＩＤランプ３１４に接続されている。
【００１３】
図面の簡易化のために明示していないが、トランジスタ３５４及び３５６のゲートは制御器（制御回路）３１０に接続されていて、制御器３１０は、以下に述べるように適切な時にスイッチングデバイス（トランジスタ）３５４及び３５６をスイッチオン及びオフできるようになっている。スイッチ３２０はキャパシタ３５２の両端間に配置されている。このスイッチを、ＭＯＳＦＥＴのような半導体デバイスの形態で、又はその他のいずれも便利に利用しうるスイッチで実施することができる。このスイッチの制御を容易にするため、このスイッチをも制御器３１０に接続することができる。キャパシタ３５０及び３５２の代表的な値は２２〜６８マイクロファラドの範囲内にある。
【００１４】
動作中、約４００ボルトの初期のバス電圧は端子３１８及び３１６にまたがって印加され、スイッチ３２０は、制御器３１０によって閉じられた状態になっている。このことによって、点３２８が端子３１６に直結され、４００ボルト全部がキャパシタ３５０の両端間に印加される。点弧子３１２を起動させる２８０〜３００ボルトがキャパシタ３６０の両端間に与えられるようにトランジスタ３５４及び３５６は、高周波で且つ適切な衝撃係数で動作される。
【００１５】
ブレークオーバー期間及びテイクオーバー期間後、装置はランアップ段階に入り、ＡＣ動作用回路を構成しなければならない。制御器３１０は、装置の状態を監視し、ランプがランアップ段階に入った後、スイッチ３２０を開放状態に切り換える。このことは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ又は同様なデバイスから適切なゲート電圧を取除くことによって達成しうる。
【００１６】
このようなスイッチを開放することによって、端子３１６と端子３１８との間の４００ボルトはキャパシタ３５０及び３５２間で分割される。従って、この回路は、図２に示す装置中にあり、安定な点灯中、安定な状態の方形波電流及び電圧をＨＩＤランプ３１４に与える。このように、２つのキャパシタを直列に用い、ブレークオーバー期間及びテイクオーバー期間中、これらキャパシタの一方を回路の外へ切り換えることによって、端子３１６と端子３１８との間の増大された電圧に耐える高圧構成要素を用いるのに必要な費用を支出することなく構成要素の個数を減少させるという利点を得る。
【００１７】
点弧段階から安定状態段階までの変化は正確に時間調節されなければならない。より詳細には、ＨＩＤランプを駆動させる信号は、極性を交互させる方形波であるので、安定状態段階はＡＣ動作を意味するものとする。重要なのは、制御器がテイクオーバー期間の終了を感知し、直ちにスイッチ３２０を開放してキャパシタ３５２を回路中に戻すことである。このことを達成しうる幾つかの方法がある。１つには、ＨＩＤランプ３１４の両端間で測定されたインピーダンスを制御器に監視させることである。テイクオーバー期間の終了時にインピーダンスの降下が生じる。その理由は、気体が導電しやすくなるからである。
他の技術では、制御器に、ＨＩＤランプに与えられた電流を測定させる。その理由は、ランプのインピーダンスが低下するため、ランプに与えられる電流が突然増大し、これによってテイクオーバー段階の終了が表わされるためである。
【００１８】
いかにしてテイクオーバー段階の終了が感知されるかにかかわらず、制御器３１０は、テイクオーバー期間の終了を感知したらスイッチ３２０を開放させ、次に、キャパシタ３５０が放電するのと同時にキャパシタ３５２が自然に充電を始める。それにもかかわれず、端子３１８と端子３１６との間の全電圧はほぼ一定に維持される。キャパシタ３５０及び３５２の各々の両端間の電圧が約２００ボルトに到達したら、制御器３１０は、切り換え用トランジスタ３５４及び３５６を適切にオン及びオフさせて、ＨＩＤランプを安定に点灯させるのに必要な安定状態のＡＣパルス信号を発生させる。
【００１９】
キャパシタ３５０及び３５２を約４７マイクロファラドの代表的な値に選択することによって、キャパシタ３５２を充電させるのにかかる時間を１００ミリ秒以下に保つことができる。この時間調節は重要である。その理由は、充電時間を短く保つことによって、ＨＩＤランプ３１４は延長期間にＤＣモードで点灯されないためであり、そうでなければ、このランプに損傷を生じさせるおそれがあるからである。
【００２０】
ランプが点灯中に消灯し、一方で、電力は依然として発生されている場合、再点弧前にキャパシタ３５２を放電させなければならない。制御器３１０はランプの消灯を感知し、点弧前に、スイッチ３２０を介してキャパシタ３５２を放電させる。スイッチ３２０を破壊する大量の電流を回避するため、この放電は制御器３１０によって制限されるべきである。
【００２１】
このような放電は、制御器３１０が、図３で抵抗３２１によって仮に表わされるような追加の抵抗をキャパシタ３５２と接地点との間の経路中に切り換えて、電流放電経路を制限することによって達成することができる。好ましくは、このような放電抵抗（３２１）をスイッチ３２０の分岐内に配置して、安定なランプ点灯中、放電抵抗がスイッチ３２０によって回路の外に切り換えられるようにする。或いは又、ゲート電圧を通常のように調節して、デバイス特性に応じて正確な電流を生じさせることによって、制御器は、スイッチ３２０を適切に駆動させて、スイッチに流れる許容された電流を制限することができる。キャパシタ３５２が一旦放電されると、制御器３１０は、スイッチ３２０を閉じることによって、従って、キャパシタ３５０の両端間に適切な電圧を印加することによって再び点弧手順を始めることができる。
【００２２】
本発明の好適な実施例を上述したが、様々な変更及び変形を利用できるということは当業者によって理解される。例えば、点弧段階中と、その後の安定状態段階中とに別々の電源を用いることができる。種々のスイッチングデバイスを用いてスイッチ３２０を実施することができる。このような変更は、前述した請求の範囲内に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＨＩＤ装置を点弧させるのに用いられる代表的な従来技術の装置である。
【図２】ＨＩＤ装置を点弧させるのに用いられる他の従来技術の装置である。
【図３】ＨＩＤ装置を点弧されるのに用いられる本発明の代表的な一実施例である。

Claims (17)

1. 高輝度放電（ＨＩＤ）ランプを点弧及び点灯させるのに適した回路装置であって、この回路装置が、
   駆動電圧を発生させる電圧分割器と、
   前記ＨＩＤランプの点弧の予め決定された段階後、前記電圧分割器の一部分を前記回路装置の中へ切り換えるスイッチング手段と
   を有する回路装置。
2. 請求項１に記載の回路装置であって、前記予め決定された段階がテイクオーバー段階である回路装置。
3. 請求項２に記載の回路装置であって、前記電圧分割器が少なくとも２つのキャパシタを有する回路装置。
4. 請求項３に記載の回路装置であって、前記スイッチング手段が更に、前記ＨＩＤランプに与えられた電圧又は電流を監視すると共に前記電圧又は電流に、予め決定された変化が生じたら、前記電圧分割器の前記一部分を切り換えるデバイスを有する回路装置。
5. 電力を高輝度放電（ＨＩＤ）ランプに与える供給方法であって、この供給方法が、
   前記ＨＩＤランプを点弧させるのに充分な初めの信号を、ブレークオーバー段階を起こすことによって発生させる工程と、
   前記信号をテイクオーバー段階の間発生させるのに充分な長さを維持させる工程と、
   前記ＨＩＤランプの前記テイクオーバー段階後、前記信号を分割し、この分割から生じた２つの安定な状態の信号を発生し続けて、安定状態段階中、前記ＨＩＤランプを点灯させる工程と
   を有する供給方法。
6. 請求項５に記載の供給方法であって、この供給方法が更に、前記ＨＩＤランプに与えられた電流を測定すると共に、前記初めの信号を分割する時を決定する工程を有する供給方法。
7. 請求項６に記載の供給方法であって、この供給方法が更に、
   前記安定状態段階中、前記ＨＩＤランプの両端間に与えられた電気信号を監視するモニタリング工程と、
   このモニタリング工程に応じて、前記ＨＩＤランプの安定な状態の点灯中、前記ＨＩＤランプが消灯になっているかを決定する工程と、
   消灯の場合、前記２つの安定な状態の信号の一方において除々の増大を生じさせて、これを前記初めの信号の値と等しい値まで増大させる工程と
   を有する供給方法。
8. 請求項７に記載の供給方法であって、この供給方法が更に、前記除々の増大が前記等しい値に達した後、前記ＨＩＤランプを点弧させる工程を有する供給方法。
9. 請求項８に記載の供給方法であって、前記除々の増大を、キャパシタと直列な放電抵抗を切り換えることによって作用させる供給方法。
10. 請求項６に記載の供給方法であって、前記２つの安定な状態の信号の各々を２つのスイッチングデバイスの別々の１つに与え、前記２つのスイッチングデバイスを交互にスイッチオン及びオフさせる供給方法。
11. 高輝度放電（ＨＩＤ）ランプを駆動させるのに適した回路装置であって、この回路装置が、
    第１端子と第１点との間に接続されている第１キャパシタと、前記第１点と第２端子との間に接続されている第２キャパシタと、
    前記第１点と第２点との間に接続されている点弧子と、
    前記第１端子と前記第２点との間に接続されている第１スイッチと、前記第２端子と前記第２点との間に接続されている第２スイッチと、
    前記第１点と前記第２端子との間に接続されている第３スイッチと、
    この第３スイッチを閉じる（導通させる）ことによって前記ＨＩＤランプを点弧させ、前記ＨＩＤランプがランアップ動作段階に入ったら、前記第３スイッチを開放状態に切り換える制御器と
    を有する回路装置。
12. 請求項１１に記載の回路装置であって、前記制御器が、安定な状態の点灯中、前記第１及び第２スイッチをスイッチオン及びオフに交互に切り換えて、ほぼ方形の方形波を入力電圧から発生させるようにもなっている回路装置。
13. 請求項１１に記載の回路装置であって、点灯中、前記ＨＩＤランプが消灯になっているかを確かめ、点灯の場合、前記第２キャパシタに除々の放電を生じさせるようにする手段を前記制御器が具える回路装置。
14. 請求項１３に記載の回路装置であって、トランジスタに、規定されたように流れる電流を充分に制限するように前記トランジスタのゲートを駆動させることによって前記除々の放電が発生される回路装置。
15. ＨＩＤランプを駆動させる回路装置であって、この回路装置が、
    電源からの電力を電源装置から前記ＨＩＤランプに与える手段と
    前記電力の発生に応じて、前記ＨＩＤランプの特性を監視する手段と
    デバイスを前記回路装置の中へ切り換えて電圧分割器を構成させる手段と
    を有する回路装置。
16. 請求項１５に記載の回路装置であって、監視される前記特性が電流となっている回路装置。
17. 請求項１６に記載の回路装置であって、この回路装置が更に、前記ＨＩＤランプを監視して、点灯中、前記ＨＩＤランプが消灯しているかを決定し、消灯の場合、キャパシタを除々に放電させるモニタを有する回路装置。