JP2005317253A - 管電流平衡化回路及びそれに用いるバランスコイル - Google Patents

Abstract

【課題】 管径が小さく通電時の等価抵抗値の高い冷陰極管であっても、バランスコイルが安定に動作して管電流を平衡化できるようにする。
【解決手段】 インバータ回路１０の負荷となる並列接続された複数の放電管と、該放電管の管電流を均一化するバランスコイル１４を備えた管電流平衡化回路である。ここで放電管は、通電時の等価抵抗値が５０ｋΩ以上の冷陰極管１２であり、前記バランスコイルは同じ巻数の２つの巻線を具備し、該バランスコイルの自己共振周波数を、インバータ回路のインバータトランスの動作周波数の１．５倍以上となるように高く設定する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、通電時の等価抵抗値が５０ｋΩ以上の冷陰極管の管電流を均一化する管電流平衡化回路及びそれに用いるバランスコイルに関するものである。この技術は、特に液晶ディスプレイパネルのバックライト用の細径の冷陰極管の点灯回路に有用である。

液晶ディスプレイパネルのバックライトとして、複数の冷陰極管を配列し並列点灯する装置が用いられている。例えば３０インチ型の液晶ＴＶでは、１６本の冷陰極管を液晶ディスプレイパネルの背面に均等に配置している。液晶ディスプレイパネルは、直接見られるものであるため、極力輝度のばらつきを抑える必要があり、高い電流平衡度が要求される。なお、これらの冷陰極管は、動作時の等価回路としては高抵抗性負荷と見なすことができる。

ところで、一般照明等に用いられる放電管（熱陰極管）については、並列に接続した放電管（熱陰極管）の管電流を一定に保つために、様々な負荷電流平衡装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。これは、管電流を一定に保つために、バランスコイルを介してインバータ回路の出力を放電管（熱陰極管）に供給する構成である。バランスコイルは、典型的には、中間部に仕切りを形成した単一のボビン上に互いに分離して同数の巻線を施し、それに２個のＥ型コアを組み合わせた構造とする。このようなバランスコイルの各巻線は、並列配置された放電管（熱陰極管）の前に接続され、それによって電流平衡を保つ。

一般照明等に用いられる放電管（熱陰極管）は、管径が大きく、通電時の等価抵抗値も数百Ω程度と、かなり低い特性を持つ。このような熱陰極管は、電極の構造上、管径を細くすることが困難である。そのため液晶ディスプレイパネルのバックライトには、管径を細くすることができる冷陰極管が用いられている。しかも近年、液晶ディスプレイパネルの薄型化の要求に伴い、バックライトとして組み込む冷陰極管の管径も５ｍｍ程度もしくはそれ以下（例えば３ｍｍ程度）と細径化しており、それに伴って管の両端にかかる電圧が高くなり、通電時の等価抵抗値も５０ｋΩ以上というように非常に高くなっている。

バランスコイルは、巻数を増やしインダクタンスを増加することで、管電流の平衡化を行っている。以前一般照明等に多用されていた放電管（熱陰極管）では通電時の等価抵抗値が低かった（例えば、５００〜７００Ω）ため、特に大きな問題は生じていなかった。しかし、最近、液晶ディスプレイパネルのバックライトなどに多用されている細径の冷陰極管では、通電時の等価抵抗値が高い（５０ｋΩ以上）ため、巻数を増やしてインダクタンスを更に大きく（数倍に）しなければ管電流を平衡化できない。ところが、巻数を増やしてインダクタンスを更に大きくするとバランスコイルの動作が不安定になるという問題が生じた。

巻数を増やすことなくインダクタンスを増加するには、磁気コアの形状を大きくすればよいが、そうするとバランスコイルが大型化する欠点が生じる。
特開平６−２６９１２５号公報

本発明が解決しようとする課題は、従来技術では管径が小さく通電時の等価抵抗値の高い冷陰極管の場合にバランスコイルの動作が不安定になる点、インダクタンスを増加するため磁気コアの形状を大きくすれば必然的にバランスコイルが大型化する点などである。

従来技術において、管電流を平衡化するために巻数を増やしてインダクタンスを高く設定するとバランスコイルの動作が不安定になる原因は、巻数を増やすことによって線間容量が増加し、バランスコイルの自己共振周波数がインバータトランスの動作周波数に近づき、動作時に自己共振周波数付近のインピーダンスの大幅な変動によることが判明した。本発明は、冷陰極管の細径化に伴って新たに生じた技術的課題を解決するものである。

本発明は、インバータ回路の負荷となる並列接続された複数の放電管と、該放電管の管電流を均一化するバランスコイルを備えた管電流平衡化回路において、前記放電管は、通電時の等価抵抗値が５０ｋΩ以上の冷陰極管であり、前記バランスコイルは同じ巻数の２つの巻線を具備し、該バランスコイルの自己共振周波数が、インバータ回路のインバータトランスの動作周波数の１．５倍以上となるように高く設定されていることを特徴とする管電流平衡化回路である。

このような管電流平衡化回路で用いるバランスコイルは、軟磁性材料からなる磁気コアと巻線を施したボビンの組み合わせからなり、２つの巻線は中間部に主仕切りを形成した単一のボビン上に互いに分離して巻かれ、且つ各巻線は各々補助仕切りにより分けられた２つ以上のセクションに分割して巻き付けられているか、あるいは２つの巻線は個別のボビン上に巻かれ、且つ各巻線は各々補助仕切りにより分けられた２つ以上のセクションに分割して巻き付けられている構造とする。磁気コアとしては、外部磁界の影響を受けにくく且つＥＭＩノイズの自己放射を抑える外磁脚を持つ閉磁路コア、例えばＮｉＺｎ系フェライトあるいはＭｎＺｎ系フェライトからなるＥ型コアを２個、脚部先端が衝合するように対向配置した構造が好ましい。

本発明の管電流平衡化回路は、管径が小さく通電時の等価抵抗値の高い冷陰極管を使用する場合に、巻数を増やしてインダクタンスを増加させても、線間容量の増加を抑え共振周波数を制御できるために、バランスコイルは安定に動作し、管電流を高い精度で平衡化（均一化）できる。また、大きな磁気コアを使用する必要が無いため、バランスコイルを小型化できる。更に、コイル線材の径を小さくしても線間容量の増加を抑え共振周波数を制御できるために、小型化が可能となる。

本発明の管電流平衡化回路は、例えば図１に示すように、インバータ回路１０の負荷となる並列接続された複数（図１では２本もしくは２組）の冷陰極管１２と、該冷陰極管を流れる管電流を均一化するバランスコイル１４を備えている。これらの冷陰極管１２は、管径が小さく（例えば３ｍｍ程度）、通電時の等価抵抗値は５０ｋΩ〜３００ｋΩのかなり高いものである。本発明で用いるバランスコイル１４は、同じ巻数の２つの巻線を具備し、該バランスコイル１４の自己共振周波数は、インバータ回路１０のインバータトランス１６の動作周波数の１．５倍以上となるように高く設定されている。因みに、インバータトランスの動作周波数は、数十ｋＨｚ（典型的には６０ｋＨｚ程度）である。

本発明で用いるバランスコイルの一例を図２に示す。Ａはボビンの平面図であり、Ｂは組立図である。図２のＡに示すように、ボビン２０は、中間部の主仕切り２２で巻枠部分が２つの巻線領域に分けられ、更に両巻線領域に補助仕切り２４が設けられて複数のセクション（ここでは２セクション）に分けられた形状である。２つの巻線は、中間部に主仕切り２２を形成した単一のボビン上の各巻線領域に互いに分離して巻かれ、且つ各巻線は各々補助仕切り２４によって分けられた２セクションに分割して巻き付けられている。このボビン２０は、電気絶縁材料からなる一体成形品である。このように、２巻線が別々に施され、端子２６を有するボビンに、磁気コア２８を組み合わせることでバランスコイル３０が組み立てられる。

図２では、各巻線領域にそれぞれ１個の補助仕切りを設けて２セクション構造にしているが、各巻線領域にそれぞれ２個の補助仕切りを設けて３セクション構造としてもよい。勿論、それ以上多く分割しても構わないが、セクション数は、巻数とコイル線径などを勘案して決定する。磁気コアは、ＮｉＺｎ系フェライトあるいはＭｎＺｎ系フェライトなどの高透磁率磁性材料からなるＥ型コアを、２個、脚部先端が衝合するように対向配置するように組み合わせる構造とする。

なお、上記の例では単一のボビンを使用しているが、主仕切板を境として分離したような構造の２個のボビンとし、それぞれのボビンに１つの巻線を施し、それらを組み合わせるような構成も可能である。

このように補助仕切りで分けられた巻線領域に分割巻きすることにより線間容量を小さくすることができ（Ｃ成分を小さくできる）、そのために自己共振周波数を高周波側にシフトさせることができる。また、巻数を増やしてインダクタンスを増加しても、補助仕切りを増やしてセクション数を多くすることで線間容量を小さく抑えることができ、自己共振周波数を高周波側にシフトさせることができる。更にコイル線材を細くして巻枠部分を小さくしても、複数のセクションに分割することで線間容量を小さくすることができ、自己共振周波数を高周波側にシフトすることができ、小型化も可能となる。

試作したバランスコイルの構造と特性を表１に示す。また、各バランスコイルのインピーダンス周波数特性を図３に示す。

試料Ａ−Ｄは、いずれも１セクション構造（１つの巻線に対して補助仕切り無し）のボビンを用い、コイル線径を変えることにより自己共振周波数を変化させている。試料Ｅ−Ｈは、いずれも２セクション構造（１つの巻線に対して補助仕切り１個、補助仕切り厚：１００μｍ）のボビンを用い、巻数の調整（両セクションの巻数の比率）を変えることにより自己共振周波数を変化させている。試料Ｉ，Ｊは、２セクション構造（１つの巻線に対して補助仕切り１個、補助仕切り厚：２５０μｍ）のボビンを用い、コイル線径を変えることにより自己共振周波数を変化させている。試料Ｋでは、３セクション構造（１つの巻線に対して補助仕切り２個、補助仕切り厚：２５０μｍ）のボビンを用いている。従来のバランスコイルは、１セクション構造のボビンを用い、線径が０．０６ｍｍ程度のコイル線材を用いていたことから、試料Ｂ，Ｃが従来品に相当する。なお、試料Ｇ−Ｋが本発明品であり、それ以外は比較例ということになる。

このような各試料を、図１に示す回路の負荷１，２の前に組み込んで、表２に示す負荷変更条件で負荷１の抵抗値を変化させ（負荷２の抵抗値は一定）、負荷１，２を流れる電流値を測定した。測定結果を表３に示す。なお、表３において「無」とあるのは、バランスコイルを使用しなかった場合の結果である。

なお、測定に用いたインバータ回路のインバータトランスの動作周波数は６０ｋＨｚである。また、自己共振周波数に対する電流平衡化の度合い（電流ばらつき［％］＝（負荷２電流−負荷１電流）／負荷２電流×１００）を図４に示す。

図４及び表３の結果から、使用しているバランスコイルの自己共振周波数がインバータトランスの動作周波数６０ｋＨｚ付近もしくはそれ以下になると、電流平衡が殆ど行われず、バランスコイルとして殆ど機能していないことが分かる。しかし同じインダクタンスでも、バランスコイルの自己共振周波数を高周波側にシフトすると、電流平衡が行われており、インバータトランスの動作周波数６０ｋＨｚの１．５倍である９０ｋＨｚ以上（試料Ｉ−Ｋ）からはほぼ一定となることも分かる。

以上のことから、本発明では、自己共振周波数が、インバータ回路のインバータトランスの動作周波数の１．５倍以上に高く設定されているバランスコイルを用いる。全ての試料においてインダクタンスはほぼ同じであるにもかかわらず、本発明品（試料Ｉ−Ｋ）は従来品（試料Ｂ，Ｃ）の１／２程度以下まで電流ばらつきを低減できる。

管電流平衡化回路の一例を示す回路図。 本発明に係るバランスコイルの説明図。 バランスコイルのインピーダンス周波数特性を示すグラフ。 共振周波数に対する電流平衡化特性を示すグラフ。

符号の説明

１０ インバータ回路
１２ 冷陰極管
１４ バランスコイル
１６ インバータトランス

Claims (4)

1. インバータ回路の負荷となる並列接続された複数の放電管と、該放電管の管電流を均一化するバランスコイルを備えた管電流平衡化回路において、
   前記放電管は、通電時の等価抵抗値が５０ｋΩ以上の冷陰極管であり、前記バランスコイルは同じ巻数の２つの巻線を具備し、該バランスコイルの自己共振周波数が、インバータ回路のインバータトランスの動作周波数の１．５倍以上になるように高く設定されていることを特徴とする管電流平衡化回路。
2. 請求項１記載の管電流平衡化回路で用いるバランスコイルであって、軟磁性材料からなる磁気コアと巻線を施したボビンの組み合わせからなり、２つの巻線は中間部に主仕切りを形成した単一のボビン上に互いに分離して巻かれ、且つ各巻線は各々補助仕切りにより分けられた２つ以上のセクションに分割して巻き付けられているバランスコイル。
3. 請求項１記載の管電流平衡化回路で用いるバランスコイルであって、軟磁性材料からなる磁気コアと巻線を施したボビンの組み合わせからなり、２つの巻線は個別のボビン上に巻かれ、且つ各巻線は各々補助仕切りにより分けられた２つ以上のセクションに分割して巻き付けられているバランスコイル。
4. 磁気コアが、ＮｉＺｎ系フェライトあるいはＭｎＺｎ系フェライトからなるＥ型コアを２個、脚部先端が衝合するように対向配置した構造である請求項２又は３記載のバランスコイル。
   

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