JP2005123008A - 誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水銀が封入された誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動効率を向上させる。
【解決手段】トランス駆動回路４ａ，４ｂにより矩形波を用いてインバータトランス５ａ，５ｂを交流駆動することで、インバータトランス５ａ，５ｂの１次側については、トランス駆動回路４ａ，４ｂにおける各ＦＥＴ１１〜１８が完全に休止する期間を設ける。また、２次巻線からの出力電圧が正弦波となるようにインバータトランス５ａ，５ｂの結合係数とリーケージインダクタンスを設定することで、正弦波駆動によって誘電体バリア型低圧放電ランプを効率的に駆動できるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置に内蔵される誘電体バリア型低圧放電ランプを駆動する駆動装置に関する。

従来、自励発振を利用したインバータ回路による誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動では、インバータトランスを２個用いるか、あるいは１個のインバータトランスの出力を２つとし、それぞれの出力端子を誘電体バリア型低圧放電ランプの両端部の電極に接続し、一方の出力電圧の位相が他方の出力電圧の位相と１８０度異なるようにして、誘電体バリア型放電ランプの両端に２０００Ｖrmsを超えない程度の高電圧を印加して駆動していた。

ところで、一般的によく知られている希ガスが封入された誘電体バリア型低圧放電ランプは、印加する電圧を矩形波とした方が効率が高いが、希ガスの他に水銀が封入された誘電体バリア型低圧放電ランプでは矩形波による駆動では効率が低く、一般の冷陰極低圧放電ランプと同じく正弦波による駆動の方が効率が高いことが知られている。そして、正弦波駆動の手法として、変形型ロイヤー方式がよく用いられている。

しかしながら、変形型ロイヤー方式では、インバータトランスの１次側（低圧側）と２次側（高圧側）の双方において電圧波形が正弦波となっているため、常に電流と電圧がかかった状態となり、電力の損失が発生し、効率が低下するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水銀が封入された誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動効率を向上させた駆動装置を提供することにある。

本発明に係る誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動装置は、水銀が封入された誘電体バリア型低圧放電ランプの両電極にそれぞれ電圧を出力するインバータトランスと、直流電圧が入力され矩形波を出力するスイッチング回路と、前記矩形波を用いて前記インバータトランスを交流駆動するトランス駆動回路と、を備え、前記インバータトランスを各出力電圧の位相が１８０度異なり、かつ各出力電圧の波形が正弦波となるように設定したことを特徴とする。

本発明にあっては、インバータトランスの１次側では、矩形波を用いてインバータトランスを交流駆動することによって、トランス駆動回路が休止する期間を設けて電力損失を低減し、２次側では正弦波電圧により水銀が封入された誘電体バリア型低圧放電ランプを効率的に駆動するようにしている。

本駆動装置において、前記インバータトランスの各出力電圧は、２つのインバータトランスによりそれぞれ出力された電圧であることを特徴とする。

本駆動装置において、前記インバータトランスは、１入力２出力の構造であることを特徴とする。

本駆動装置において、前記インバータトランスは、結合係数とリーケージインダクタンスにより出力電圧の位相と波形が設定されることを特徴とする。

本発明に係る誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動装置によれば、インバータトランスの１次側での電力損失を低減し、駆動効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

［第１の実施の形態］
図１の回路図に示すように、本実施の形態における誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動装置では、直流電源１と調光回路２がスイッチング回路３の入力段に接続され、スイッチング回路３の出力段は、２つのトランス駆動回路４ａ，４ｂの入力段にそれぞれ接続される。トランス駆動回路４ａは、インバータトランス５ａの１次巻線に接続され、トランス駆動回路４ｂは、インバータトランス５ｂの１次巻線に接続される。単数又は複数の誘電体バリア型低圧放電ランプ６の両端部の電極が電極板７ａ，７ｂに接続され、インバータトランス５ａの２次巻線はこの電極板７ａに、インバータトランス５ｂの２次巻線は電極板７ｂにそれぞれ接続される。

トランス駆動回路４ａ，４ｂは、フルブリッジ型の駆動回路である。具体的には、トランス駆動回路４ａは、４つの電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）１１〜１４を備える。ＦＥＴ１１、ＦＥＴ１２はｐチャネルのエンハンスメントモードＭＯＳ−ＦＥＴであり、ＦＥＴ１３、ＦＥＴ１４はｎチャネルのエンハンスメントモードＭＯＳ−ＦＥＴである。それぞれ直列に接続されたＦＥＴ１１とＦＥＴ１３の組と、ＦＥＴ１２とＦＥＴ１４の組が直流電圧源ＶｉｎとグランドＧＮＤの間で並列接続される。トランス駆動回路４ｂは、基本的にはトランス駆動回路４ａと同一の構成であり、ＦＥＴ１１〜ＦＥＴ１４にそれぞれ対応するＦＥＴ１５〜１８を備える。

スイッチング回路３は、直流電源１による直流電圧に基づいて矩形波を出力する。このための４つの出力端子Ｐ１，Ｐ２，Ｎ１，Ｎ２を備える。出力端子Ｐ１はＦＥＴ１１とＦＥＴ１６のそれぞれのベースに接続され、出力端子Ｐ２はＦＥＴ１２とＦＥＴ１５のそれぞれのベースに接続される。出力端子Ｎ１はＦＥＴ１４とＦＥＴ１７のそれぞれのベースに接続され、出力端子Ｎ２はＦＥＴ１３とＦＥＴ１８のそれぞれのベースに接続される。

ＦＥＴ１１のソースは直流電圧源Ｖｉｎに接続され、ドレインはインバータトランス５ａの１次巻線の一方の端子に接続される。ＦＥＴ１２のソースは直流電圧源Ｖｉｎに接続され、ドレインはインバータトランス５ａの１次巻線の他方の端子に接続される。ＦＥＴ１３のドレインはＦＥＴ１１のドレインに接続され、ソースはグランドＧＮＤに接続される。ＦＥＴ１４のドレインはＦＥＴ１２のドレインに接続され、ソースはグランドＧＮＤに接続される。

トランス駆動回路４ｂにおける各ＦＥＴ１５〜１８のインバータトランス５ｂに対する接続構成は、前述した各ＦＥＴ１１〜１４のインバータトランス５ａに対する接続構成と同様である。

このような構成により、インバータトランス５ａ，５ｂの１次巻線には矩形波が入力されることとなる。インバータトランス５ａ，５ｂは、それぞれの２次巻線から出力する各電圧の位相が１８０度異なり、かつ各電圧の波形が正弦波となるように、結合係数およびリーケージインダクタンスが適切に設定される。

誘電体バリア型低圧放電ランプ６は、管状のガラスバルブの内部に水銀と希ガスが封入され、内壁面に蛍光体層が形成され、ガラスバルブの両端部の内部あるいは外部に電極が設けられた構成である。

次に、本駆動装置の動作について図２のタイミングチャートを用いて説明する。

同図の期間ｔ１では、出力端子Ｐ１の電圧がローレベルであり、ＦＥＴ１１とＦＥＴ１６はオン状態となる。出力端子Ｐ２の電圧はハイレベルであり、ＦＥＴ１２とＦＥＴ１５はオフ状態となる。出力端子Ｎ１の電圧はハイレベルであり、ＦＥＴ１４とＦＥＴ１７はオン状態となる。出力端子Ｎ２の電圧はローレベルであり、ＦＥＴ１３とＦＥＴ１８はオフ状態となる。

このとき、インバータトランス５ａは、ＦＥＴ１１を介して直流電圧源Ｖｉｎに接続されるとともに、ＦＥＴ１４を介してグランドＧＮＤに接続された状態となる。これによって、インバータトランス５ａの１次巻線におけるポイントＡの電圧はハイレベルとなる。また、インバータトランス５ｂは、ＦＥＴ１６を介して直流電圧源Ｖｉｎに接続され、ＦＥＴ１７を介してグランドＧＮＤに接続された状態となり、インバータトランス５ａとは逆方向に直流電圧Ｖｉｎが供給される。インバータトランス５ａ，５ｂの各出力電圧の位相は１８０度異なっており、これら各電圧が電極板７ａ，７ｂを通じて各誘電体バリア型低圧放電ランプ６の両電極に印加される。

期間ｔ２、ｔ２’では、各出力端子Ｐ１〜Ｎ２の電圧が遷移する。出力端子Ｐ１の電位がローレベルからハイレベルに遷移すると、ポイントＡの電圧は一時的にマイナス電位となる。

期間ｔ３では、出力端子Ｐ１の電圧はハイレベルであり、ＦＥＴ１１とＦＥＴ１６はオフ状態となる。出力端子Ｐ２の電圧はローレベルであり、ＦＥＴ１２とＦＥＴ１５はオン状態となる。出力端子Ｎ１の電圧はローレベルであり、ＦＥＴ１４とＦＥＴ１７はオフ状態となる。出力端子Ｎ２の電圧はハイレベルでありＦＥＴ１３とＦＥＴ１８はオン状態となる。

このとき、インバータトランス５ａは、ＦＥＴ１２を介して直流電圧源Ｖｉｎに接続され、ＦＥＴ１３を介してグランドＧＮＤに接続された状態となる。これによって、インバータトランス５ａにはＦＥＴ１２を介して先程とは逆方向に直流電圧Ｖｉｎが供給され、ポイントＡの電圧はローレベルとなる。同様にして、インバータトランス５ｂには、ＦＥＴ１５を介して先程とは逆方向に直流電圧Ｖｉｎが供給される。この場合も、インバータトランス５ａ，５ｂの各出力電圧の位相は１８０度異なっており、これら各電圧が電極板７ａ，７ｂを通じて誘電体バリア型低圧放電ランプ６の両電極に印加される。

期間ｔ４、ｔ４’では、各出力端子Ｐ１〜Ｎ２の電圧が遷移する。出力端子Ｎ２の電位がハイレベルからローレベルに遷移すると、ポイントＡの電圧はローレベルからハイレベルになる。

このように、本実施の形態では、インバータトランス５ａ，５ｂの１次巻線にはスイッチング回路３により矩形波電圧が入力されるようになっており、２次巻線から正弦波に近い交流電圧が出力されるように、インバータトランス５ａ，５ｂの結合係数およびリーケージインダクタンスが設定されている。

次に、第１の比較例における誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動装置について説明する。第１の比較例は、変形ロイヤー方式の駆動装置であり、図３の回路図に示すように、２つのインバータトランス３５ａ，３５ｂの１次側に、直列接続された２つのバイポーラ型のトランジスタ３１，３２と、各トランジスタ３１，３２のベースに接続されたベース抵抗ＲＢと、インダクタンスＬと、共振用コンデンサＣｃを備える。入力された直流電圧Ｖｉｎに基づいてベース抵抗ＲＢ、インダクタンスＬ、共振用コンデンサＣｃが自励発振によって正弦波電圧を生成し、インバータトランス３５ａ，３５ｂの１次巻線にそれぞれ供給する。インバータトランス３５ａ，３５ｂの２次側は図１と同様の構成である。第１の比較例の駆動装置では、インバータトランス３５ａ，３５ｂの１次巻線に正弦波電圧が印加され、２次巻線からも正弦波電圧が出力される。

このように、本実施形態の駆動装置は、第１比較例に対して、インバータトランスを駆動する回路の構成を変更したものである。本実施形態の駆動装置による輝度効率は、結合係数やリーケージインダクタンスといったインバータトランスの仕様にもよるが、第１の比較例の８２％に対して９０％へと８％程度改善することが確認された。

したがって、本実施の形態によれば、トランス駆動回路４ａ，４ｂにより、矩形波を用いてインバータトランス５ａ，５ｂを交流駆動することで、インバータトランス５ａ，５ｂの１次側では、トランス駆動回路４ａ，４ｂにおける各ＦＥＴ１１〜１８が完全に休止する期間を設け、インバータトランス５ａ，５ｂにおける損失およびランプ駆動における損失を低減することができ、休止期間のない変形ロイヤー方式と比べて駆動効率を向上させることができる。

また、１次巻線に矩形波が入力されたインバータトランス５ａ，５ｂの出力電圧が正弦波となるように、インバータトランス５ａ，５ｂの結合係数とリーケージインダクタンスを設定することで、インバータトランス５ａ，５ｂの２次側では、正弦波駆動により水銀が封入された誘電体バリア型低圧放電ランプ６を効率的に駆動することができる。

［第２の実施の形態］
図４の回路図に示すように、本実施の形態における誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動装置では、図１のインバータトランス５ａ，５ｂに代えて、１入力２出力構造のインバータトランス２５を用いることとし、トランス駆動回路４ｂを削減するとともに、インバータトランス２５の２つある２次巻線のうちの一方を電極板７ａに接続し、もう一方を電極板７ｂに接続した構成である。インバータトランス２５は、各２次巻線の出力電圧の位相が１８０度異なり、かつ出力電圧の波形が正弦波となるように、結合係数およびリーケージインダクタンスが設定される。その他、図１と同一物には同一の符号を付すこととし、ここでは重複した説明は省略する。また、本実施形態の駆動装置の各部における電圧波形は、図２のタイミングチャートと同様である。

次に、第２の比較例における誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動装置について説明する。第２の比較例は、変形ロイヤー方式の駆動装置であり、図５の回路図に示すように、１入力２出力構造のインバータトランス４５を用いることとし、その１次側に直列接続された２つのバイポーラ型のトランジスタ４１，４２と、各トランジスタ４１，４２のベースに接続されたベース抵抗ＲＢと、インダクタンスＬと、共振用コンデンサＣｃを備える。入力された直流電圧Ｖｉｎに基づいてベース抵抗ＲＢ、インダクタンスＬ、共振用コンデンサＣｃが自励発振によって正弦波電圧を生成し、インバータトランス４５の１次巻線に供給する。インバータトランス４５の２次側は図４と同様の構成である。第２の比較例の駆動装置では、インバータトランス４５の１次巻線に正弦波電圧が印加され、２次巻線からは正弦波電圧が出力される。

本実施形態の駆動装置は、矩形波を用いてインバータトランス２５を交流駆動することで、インバータトランス２５の１次側では、トランス駆動回路４ａにおける各ＦＥＴ１１〜１４が完全に休止する期間を設け、インバータトランス２５における損失およびランプ駆動における損失を低減することができ、休止期間のない変形ロイヤー方式と比べて駆動効率を向上させることができる。

また、２次巻線からの出力電圧が正弦波となるようにインバータトランス２５の結合係数とリーケージインダクタンスを設定することで、インバータトランス２５の２次側では、正弦波駆動により水銀が封入された誘電体バリア型低圧放電ランプ６を効率的に駆動することができる。

したがって、本実施の形態によれば、１入力２出力構造のインバータトランス２５を用いることで、インバータ駆動回路およびインバータトランスの回路規模を半分に削減した上で、第１の実施の形態と同様の効果を奏することができる。

第１の実施の形態における誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動装置の構成を示す回路図である。 上記駆動装置における各部の電圧波形を示すタイミングチャートである。 第１の比較例における誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動装置の構成を示す回路図である。 第２の実施の形態における誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動装置の構成を示す回路図である。 第２の比較例における誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動装置の構成を示す回路図である。

符号の説明

１…直流電源、２…調光回路
３…スイッチング回路
４ａ，４ｂ…トランス駆動回路
５ａ，５ｂ…インバータトランス
６…誘電体バリア型低圧放電ランプ
７ａ，７ｂ…電極板、１１〜１８…ＦＥＴ
３５ａ，３５ｂ…インバータトランス
３１，３２，４１，４２…トランジスタ
２５，４５…インバータトランス

Claims (4)

1. 水銀が封入された誘電体バリア型低圧放電ランプの両電極にそれぞれ電圧を出力するインバータトランスと、
   直流電圧が入力され矩形波を出力するスイッチング回路と、
   前記矩形波を用いて前記インバータトランスを交流駆動するトランス駆動回路と、を備え、
   前記インバータトランスを各出力電圧の位相が１８０度異なり、かつ各出力電圧の波形が正弦波となるように設定したことを特徴とする誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動装置。
2. 前記インバータトランスの各出力電圧は、２つのインバータトランスによりそれぞれ出力される電圧であることを特徴とする請求項１記載の誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動装置。
3. 前記インバータトランスは、１入力２出力の構造であることを特徴とする請求項１記載の誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動装置。
4. 前記インバータトランスは、結合係数とリーケージインダクタンスにより各出力電圧の位相と波形が設定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の誘電体バリア型低圧放電ランプの駆動装置。
   

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