JP2005353366A - 放電ランプ点灯回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】 PWM調光したときにも外面電極放電ランプ13をちらつきなく発光させる。
【解決手段】 トランスT1の2次巻線側からの高周波数矩形ランプ電流を通電されて点灯する外面電極放電ランプ13と、トランスの1次巻線側と並列に接続された中点バイアス作成用の第1、第2のコンデンサC1,C2と、トランスの1次巻線に電流を流すための第1、第2のスイッチング素子S1,S2と、該スイッチング素子夫々に駆動信号を印加する制御回路16とを備えた放電ランプ点灯回路において、オフ期間からオン期間に切り替わる点灯開始1サイクル目に2サイクル目以降の2/5以下の電圧をトランスT1の1次巻線側に印加することでランプ電流Iを低く抑え、低調光率域でもちらつきのない安定点灯を可能にする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、パーソナルコンピュータやナビゲーションシステムなどに使用される液晶表示装置のバックライト光源に適する外面電極放電ランプを点灯させるための放電ランプ点灯回路に関する。
従来、パーソナルコンピュータやナビゲーションシステム等に使用される液晶表示装置のバックライト光源として用いる外面電極放電ランプとして図8、図9に示す構造のものが知られている。図8は外面電極放電ランプの側面図であり、図9は断面図である。1は、内壁に蛍光体2が設けられたガラス管であり、近年、水銀レスの要望から、ガラス管1の内部には、キセノンのような希ガスを放電媒体として封入している。ガラス管1の少なくとも一端には、導入線3を介して内部電極4が封着されている。ガラス管1の外壁には、管軸方向に沿って線状導電材が螺旋状に外部電極5として巻装されている。この外部電極5は透光性熱収縮チューブ6で被覆されることでガラス管1表面に固定され、位置ずれしないようにされている。
このような構造の外面電極放電ランプは、その内部電極4を導入線3を介して電圧供給線8に接続し、また外部電極5を固定用金属棒7を介して電圧供給線8’に接続し、電源(インバーター)9によって高周波の矩形波電圧をこれらの内部電極4と外部電極5との間に印加すると放電を開始し、放電媒体である希ガスから紫外線を放出する。この紫外線は蛍光体2によって可視光に変換され、可視光がガラス管1から外部に放射され、光源として利用される。
上述の外面電極放電ランプを点灯させるには、電源9にて高周波矩形波電圧を印加するのが最適である。図10、図11に従来の放電ランプ点灯回路を、図12にそのタイミングチャートを示している。従来の放電ランプ点灯回路は、トランスT1の1次側には電源Vccと、制御回路10と、第1、第2のコンデンサC1,C2と、第1、第2の抵抗成分を有する素子Z1,Z2及び第1、第2のスイッチング素子S1,S2を備え、トランスT1の2次側には上述の外面電極放電ランプ13を負荷として備えて構成されている。つまり、電源Vccには第1のコンデンサC1と第2のコンデンサC2が直列に接続されており、第2のコンデンサC2の第1のコンデンサC1と接続されていない側は接地されている。また、電源Vccには第1のスイッチング素子S1が接続されると共に、第1、第2のスイッチング素子S1,S2は第1、第2の抵抗成分を有する素子Z1,Z2を介して直列に接続されている。第2のスイッチング素子S2の第2の抵抗成分を有する素子Z2と接続されていない側は接地されている。第1のコンデンサC1と第2のコンデンサC2との接続点にはトランスT1の1次巻線の一方の端子が接続され、第1の抵抗成分を有する素子Z1と第2の抵抗成分を有する素子Z2との接続点にはトランスT1の1次巻線の他方の端子が接続されている。
制御回路10は電源電圧Vccを矩形波直流電圧に整形して2つの矩形波信号を生成し、この2つの矩形波信号を駆動信号(1)11、駆動信号(2)12に割り当てて出力し、駆動信号(1)11が第1のスイッチング素子S1を動作させ、駆動信号(2)12が第2のスイッチング素子S2を動作させる。ここで、図10は駆動信号(2)12により第2のスイッチング素子S2が動作している状態を示し、図11では駆動信号(1)11により第1のスイッチング素子S1が動作している状態を示している。
図12の従来回路のタイミングチャートに示すように、第1、第2のスイッチング素子S1,S2を交互にオン、オフすることで、トランスT1の1次巻線の電圧が矩形波に整形され、その2次巻線には高周波矩形波電流が生起される。この高周波矩形波電流は放電ランプ13に正負のランプ電流として供給され、放電ランプ13に矩形波電圧が継続的に印加され、出力効率の高い点灯が実現できる。なお、図13にはスイッチング素子S1,S2側のトランスT1の1次巻線側の電圧、及びランプ電流の実波形が示してある。
とろこが、従来の放電ランプ点灯回路では、PWM調光した時の点灯オフ期間からオン期間へ切り替わる最初の1サイクル目でランプ電圧が高すぎるとランプ電流が大きくなり、図13に示すように高圧電極側のランプ光が収縮するため放電が安定せずちらつき易く、そのために、特に10%以下の低い調光率では安定した点灯が得られない問題点があった。
また、希ガス外面電極放電ランプは、水銀入り放電ランプと比較してランプに流れる電流がランプに印過される電圧に対して極めて依存性が高いため、従来の放電ランプ点灯回路では、入力される入力電圧のバラツキや封入ガス圧、ガスの種類などに起因するランプの特性が原因となり、ランプ電圧が高すぎるとランプ電流が著しく大きくなって高圧電極側のランプ光が収縮することでガラス管の高圧側の根元がちらつき、逆にランプ電圧が低すぎるとランプ電流が極めて小さくなることでランプ光がガラス管の末端まで十分に届かずにガラス管の末端部分がちらつくという問題点があり、特に調光率が中〜低域(概ね25%以下)では安定した点灯が得られない問題点があった。
特開2002−289390号公報
本発明は、上記従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、希ガス外面電極放電ランプを低い調光率でもちらつきなく、安定して点灯させることができる放電ランプ点灯回路を提供することを目的とする。
請求項1の発明の放電ランプ点灯回路は、2次巻線側に高周波矩形波ランプ電流を生起するトランスと、前記トランスの1次巻線と並列に接続された中点バイアス作成用の第1、第2のコンデンサと、前記トランスの1次巻線に電流を流すための第1、第2のスイッチング素子と、前記第1、第2のスイッチング素子夫々に、交互にスイッチングさせる駆動信号を印加する制御回路と、前記第1、第2のコンデンサの中点とグランドとの間に設けられた放電手段とを備え、前記制御回路は、前記第1、第2のスイッチング素子の動作前に前記放電手段によって前記第1、第2のコンデンサを放電させ、1サイクル目のランプ電流を2サイクル目以降のランプ電流の2/5以下にすることを特徴とするものである。
請求項2の発明は、請求項1の放電ランプ点灯回路において、前記放電手段は、前記第1、第2のコンデンサの中点とグランドとの間に第3のスイッチング素子と放電抵抗を直列に設けたものであり、前記制御回路は、前記第1、第2のスイッチング素子の動作前に前記第3のスイッチング素子を投入することによって、1サイクル目のランプ電流を2サイクル目以降のランプ電流の2/5以下にすることを特徴とするものである。
請求項3の発明の放電ランプ点灯回路は、2次巻線側に高周波矩形波ランプ電流を生起するトランスと、前記トランスの1次巻線と並列に接続された中点バイアス作成用の第1、第2のコンデンサと、前記トランスの1次巻線に電流を流すための第1、第2のスイッチング素子と、前記第1、第2のスイッチング素子夫々に、交互にスイッチングさせる駆動信号を印加する制御回路と、直流電源と前記第1、第2のコンデンサの中点との間に設けられた充電手段と、前記第1、第2のコンデンサの中点とグランドとの間に設けられた放電手段と、当該放電ランプ点灯回路に供給される入力電圧の高低を判定する入力電圧判定回路とを備え、前記制御回路は、前記入力電圧判定回路が入力電圧が高過ぎると判定しているときには、前記第1、第2のスイッチング素子の動作前に前記放電手段によって前記第1、第2のコンデンサを放電させて1サイクル目のランプ電流を低くし、前記入力電圧判定回路が入力電圧が低過ぎると判定しているときには、前記第1、第2のスイッチング素子の動作前に前記充電手段によって前記第1、第2のコンデンサを充電させて1サイクル目のランプ電流を高くすることを特徴とするものである。
請求項4の発明は、請求項3の放電ランプ点灯回路において、前記制御回路は、ランプの調光率が中〜低域で点灯する際に前記1サイクル目のランプ電流の高低を制御することを特徴とするものである。
本発明によれば、1サイクル目のランプ電流がちらつきや明るさに影響するような低調光率の範囲でも、1サイクル目のランプ電流を必要以上に供給することがないので、水銀入りランプと比較してランプに流れる電流がランプに印加される電圧に極めて依存性が高い希ガス外面電極放電ランプを使用した場合でも、ちらつきなく安定して点灯することができる。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
(第1の実施の形態)図1は本発明の第1の実施の形態の放電ランプ点灯回路の回路図である。本実施の形態の放電ランプ点灯回路は、ランプ駆動用トランスT1の1次巻線において、中点バイアス用コンデンサC1,C2と接続された側の一端、若しくは他方のコイル、ダイオード、抵抗、抵抗成分を持った素子、若しくはそれらを組みわせた素子群Z1,Z2側の一端へ、半導体スイッチング素子S1,S2からの矩形波電圧が供給される以前に予めランプの特性に応じた最適な放電電流をコンデンサC1,C2から放電しておき、トランスの1次巻線側の初期電圧を低くすることを特徴としている。すなわち、初期電圧を低くすることによって半導体スイッチング素子S1,S2に必要以上の電圧振幅を供給しないことで、ランプ光が収縮するレベルの1サイクル目のランプ電流の過剰な供給を防ぎ、低調光率域でも安定したランプ点灯状態を可能にしたものである。
本実施の形態の放電ランプ点灯回路は、2次巻線側に高周波矩形波ランプ電流Iを生起するトランスT1と、このトランスT1の1次巻線と並列に接続された中点バイアス作成用の第1、第2のコンデンサC1,C2と、トランスT1の1次巻線に電流を流すための第1、第2の半導体スイッチング素子S1,S2と、これらの第1、第2の半導体スイッチング素子S1,S2夫々に、交互にスイッチングさせる駆動信号(1)11、駆動信号(2)12を印加する制御回路16と、第1、第2のコンデンサC1,C2の中点とグランドとの間に設けられたコンデンサ電流放電回路20とを備えている。そして制御回路16は、第1、第2の半導体スイッチング素子S1,S2の動作前にコンデンサ電流放電回路20によって第1、第2のコンデンサC1,C2を放電させ、1サイクル目のランプ電流を2サイクル目以降のランプ電流の2/5以下にする。
コンデンサ電流放電回路20には、図2に示すように、放電抵抗R1とスイッチングトランジスタQ1で構成され、制御回路16からコンデンサ放電信号17によってスイッチングトランジスタQ1を導通させることでコンデンサC1,C2の電荷を放電抵抗R1を通じてグランドに放電させ、かつこの放電抵抗R1に抵抗値によってコンデンサC1,C2の中点に2/5Vcc以下の電圧に保持するようにしている。
次に、上記構成の第1の実施の形態の放電ランプ点灯回路の動作について説明する。第1、第2の半導体スイッチング素子S2,S1が交互にオンオフして、正、負1組のランプ電流が流れた場合を0.5%調光の1周期と仮定して説明する。すなわち、全灯の100%調光の場合は、正、負200組のランプ電流が流れて1周期となる。図1に示すように、第1、第2の半導体スイッチング素子S1,S2から矩形波電圧が供給される以前に、制御回路16から出力されるコンデンサ放電信号17によって半導体スイッチング素子S3(図2におけるスイッチングトランジスタQ1)が導通する。
これによって、図3のタイミングチャートに示すように、ある周期の始まりにおいて放電電流Iが放電期間t1中、コンデンサC1,C2から放電電流が放出され、トランスT1の1次巻線電圧が2/5Vcc以下まで降下する。これが次の周期の駆動信号(1)11の1サイクル目の初期電圧となり、半導体スイッチング素子S1,S2に必要以上の電圧振幅が供給されないことで、ランプ光が収縮するレベルの1サイクル目のランプ電流の過剰な供給を改善できる。図4は本実施の形態の回路の1.5%調光時の実波形であり、図5は拡大図である。これにより、本実施の形態の放電ランプ点灯回路では、低調光時でも安定したランプ光を提供できることが確認できた。
(第2の実施の形態)図6は、本発明の第2の実施の形態の放電ランプ点灯回路の回路図を示している。本実施の形態の放電ランプ点灯回路は、2個のトランスT2,T3により外面電極放電ランプ(1)14、外面電極放電ランプ(2)15それぞれを点灯駆動するものであり、各トランスT2,T3に対してダイオードD1,D2と放電抵抗R2,R3とを直列接続し、これらを共通のコンデンサ放電用のスイッチングトランジスタQ1にてグランドに接地してコンデンサ電流放電回路21を構成している。スイッチングトランジスタQ1は第1の実施の形態と同様に制御回路16のコンデンサ放電信号17にて各周期の初期に一定の放電時間t1の間導通し、各コンデンサの電荷を放電させて1サイクル目のトランス1次電圧VT2,VT3を2/5Vcc以下にする。なお、トランスが3個以上の場合にも、ダイオードと充電抵抗をトランスの数だけ増やすことで同様に対応可能である。
ここで、上記各実施の形態では、外面電極放電ランプ13〜15それぞれの特性に応じて放電抵抗R1〜R3を最適値にすることで、半導体スイッチング素子S1,S2の電圧振幅を自由に最適化することが可能である。さらに、短時間で中点コンデンサC1,C2を放電した場合、トランスT1〜T3の2次巻線に接続されたランプ13〜15の印加電圧が変動して、ちらつきなどの不安定な点灯を誘発する可能性があるため、t1>>(トランス1次巻線電圧の立ち上り時間)となるように放電時間t1を長く設定して可能な限りゆっくり放電するようにすれば、ちらつきのない安定した点灯が可能となる。
(第3の実施の形態)図7は本発明の第3の実施の形態の放電ランプ点灯回路の回路図である。第3の実施の形態は、第1、第2の半導体スイッチング素子S1,S2からの矩形波電圧が供給される以前に、当該点灯回路に供給される入力電圧Vccの高低又はランプに流れるランプ電流の高低を判定する判定回路18を内包する制御回路16から出力される初期電圧補正用スイッチング信号24によって電圧補正用半導体スイッチング素子S3又はS4を最適にオンすることで充電電流Iを充電期間t2中、第1、第2のコンデンサC1,C2群へ流入させ、あるいは放電電流Iを放電期間t1中、第1、第2のコンデンサC1,C2から放出させることを特徴としている。
この第3の実施の形態の放電ランプ点灯回路は、2次巻線側に高周波矩形波ランプ電流Iを生起するトランスT1と、このトランスT1の1次巻線と並列に接続された中点バイアス作成用の第1、第2のコンデンサC1,C2と、トランスT1の1次巻線に電流を流すための第1、第2のスイッチング素子S1,S2と、これら第1、第2のスイッチング素子S1,S2夫々に交互にスイッチングさせる駆動信号(1)11、駆動信号(2)12を印加する制御回路16と、直流電源Vccと第1、第2のコンデンサC1,C2の中点との間に設けられた充電回路31と、第1、第2のコンデンサC1,C2の中点とグランドとの間に設けられた放電回路32と、当該放電ランプ点灯回路に供給される入力電圧Vccの高低を判定する入力電圧判定回路18とを備えている。
次に、上記構成の放電ランプ点灯回路の動作を説明する。従来回路と同様に、制御回路16が第1、第2のスイッチング素子S1,S2を交互にオン、オフすることでトランスT1の1次巻線の電圧が矩形波に整形し、その2次巻線に高周波矩形波電流が生起させ、この高周波矩形波電流を放電ランプ13に正負のランプ電流として供給し、放電ランプ13を点灯する。
そして制御回路16は、点灯回路に供給される入力電圧Vccの高低又は放電ランプ13に流れるランプ電流Iの高低を判定回路18にて判定して、半導体スイッチング素子S1,S2からの矩形波電圧が供給される以前に、入力電圧Vccが高い場合若しくはランプ電流Iが大きい場合には放電回路32のスイッチング素子S4をオンさせ、放電ランプ13の特性に応じた適切な放電電流Iを予め中点バイアス用コンデンサC1,C2から放電することで、トランスT1の1次巻線側の初期電圧を放電ランプ13の点灯に最適な電圧まで下げて半導体スイッチング素子の電圧振幅を上述のように2サイクル目以降の2/5Vcc以下にする。
制御回路16は逆に、判定回路18が点灯回路に供給される入力電圧Vccが低い若しくはランプ電流Iが小さいと判定した場合には、充電回路31のスイッチング素子S3をオンさせて放電ランプ13の特性に応じた適切な充電電流Iを予め中点バイアス用コンデンサC1,C2へ充電することで、トランスT1の1次巻線側の初期電圧をランプの点灯に最適な電圧まで上げて半導体スイッチング素子S1,S2の電圧振幅を2サイクル目以降の3/5Vcc以上にする。
本実施の形態により、希ガス外面電極放電ランプ13は中〜低域の調光率時でもちらつきのない安定な点灯が可能となる。
なお、点灯回路に供給される入力電圧が低い場合若しくはランプ電流が低い場合でも、放電ランプ13の特性に応じた適切な充電電流Iの効果で概ね3/5VccまでトランスT1の1次電圧が上昇し、次の周期の駆動信号(1)の1サイクル目の初期電圧となり、半導体スイッチング素子S1,S2に十分な電圧振幅が供給されることで、ランプ光がガラス管の末端まで届くレベルの1サイクル目のランプ電流の供給が可能となる。
また、短時間で中点コンデンサC1,C2を充放電した場合、トランスT1の2次巻線に接続された外面電極放電ランプ13の印加電圧が変動して、ちらつきなどの不安定な点灯を誘発する可能性があるため、充放電時間t2,t1を長く設定し、可能な限りゆっくり充放電すれば、ちらつきのない安定した点灯が可能となる。
さらに、点灯回路に供給される入力電圧の高低を判定し、その判定結果を表す信号を電源回路へ帰還することで電源回路の出力電圧を補正してランプ電流の変動を低減することが可能となる。例えば、電源回路から供給される入力電圧が20.0[V]で設計されているにもかかわらず、部品バラツキなどが原因で入力電圧が21.0[V]になっている場合は、電圧が高過ぎるということで電源回路へH信号を帰還することで、電源回路は前記信号に応じて電圧を例えば0.5[V]強制的に下げる構成にすることで電源電圧の補正も可能となる。また逆に、19.0[V]の場合は電圧が低過ぎるということで電源回路へL信号を帰還することで、電源回路は前記信号に応じて電圧を例えば0.5[V]強制的に上げる構成にすることで電源電圧の補正も可能となる。
加えて、本実施の形態の点灯回路の構成と違って、トランスT1〜ランプ13間の結線が逆極性に接続された回路構成では、上記とは大小が逆の初期電圧にすることはいうまでもない。
本発明の第1の実施の形態の放電ランプ点灯回路の回路図。 上記実施の形態におけるコンデンサ放電回路を詳しく示した回路図。 上記実施の形態における各部の信号波形のタイミングチャート。 上記実施の形態における1.5%調光時のトランス1次巻線電圧、ランプ電流の実波形のグラフ。 上記トランス1次巻線電圧、ランプ電流の実波形の拡大図。 本発明の第2の実施の形態におけるコンデンサ放電回路の回路図。 本発明の第3の実施の形態の放電ランプ点灯回路の回路図。 一般的な外面電極放電ランプの正面図。 上記外面電極放電ランプの断面図。 従来例の放電ランプ点灯回路において、第1のスイッチング素子がオフ、第2のスイッチング素子がオンした状態での電流の流れを示す回路図。 従来例の放電ランプ点灯回路において、第1のスイッチング素子がオン、第2のスイッチング素子がオフした状態での電流の流れを示す回路図。 従来例回路のタイミングチャート。 従来例回路の1.5%調光時のトランス1次巻線電圧、ランプ電流の実波形のグラフ。
符号の説明
10,19 制御回路1
11 駆動信号(1)
12 駆動信号(2)
13〜15 外面電極放電ランプ
16 制御回路
17 コンデンサ放電信号
18 判定回路
21 入力電圧検出信号
23 ランプ電流検出信号
24 初期電圧補正用スイッチング信号
T1,T2,T3 トランス
S1,S2,S3,S4 スイッチング素子
Z1,Z2 抵抗、インダクタ、ダイオード、若しくはそれらの組み合わせた素子
C1,C2 コンデンサ
放電電流
充電電流
ランプ電流
T1 トランス1次側電圧
Q1,Q2 トランジスタ
D1,D2 ダイオード
R1,R2,R3 放電抵抗

Claims (4)

  1. 2次巻線側に高周波矩形波ランプ電流を生起するトランスと、
    前記トランスの1次巻線と並列に接続された中点バイアス作成用の第1、第2のコンデンサと、
    前記トランスの1次巻線に電流を流すための第1、第2のスイッチング素子と、
    前記第1、第2のスイッチング素子夫々に、交互にスイッチングさせる駆動信号を印加する制御回路と、
    前記第1、第2のコンデンサの中点とグランドとの間に設けられた放電手段とを備え、
    前記制御回路は、前記第1、第2のスイッチング素子の動作前に前記放電手段によって前記第1、第2のコンデンサを放電させ、1サイクル目のランプ電流を2サイクル目以降のランプ電流の2/5以下にすることを特徴とする放電ランプ点灯回路。
  2. 前記放電手段は、前記第1、第2のコンデンサの中点とグランドとの間に第3のスイッチング素子と放電抵抗を直列に設けたものであり、
    前記制御回路は、前記第1、第2のスイッチング素子の動作前に前記第3のスイッチング素子を投入することによって、1サイクル目のランプ電流を2サイクル目以降のランプ電流の2/5以下にすることを特徴とする請求項1に記載の放電ランプ点灯回路。
  3. 2次巻線側に高周波矩形波ランプ電流を生起するトランスと、
    前記トランスの1次巻線と並列に接続された中点バイアス作成用の第1、第2のコンデンサと、
    前記トランスの1次巻線に電流を流すための第1、第2のスイッチング素子と、
    前記第1、第2のスイッチング素子夫々に、交互にスイッチングさせる駆動信号を印加する制御回路と、
    直流電源と前記第1、第2のコンデンサの中点との間に設けられた充電手段と、
    前記第1、第2のコンデンサの中点とグランドとの間に設けられた放電手段と、
    当該放電ランプ点灯回路に供給される入力電圧の高低を判定する入力電圧判定回路とを備え、
    前記制御回路は、前記入力電圧判定回路が入力電圧が高過ぎると判定しているときには、前記第1、第2のスイッチング素子の動作前に前記放電手段によって前記第1、第2のコンデンサを放電させて1サイクル目のランプ電流を低くし、前記入力電圧判定回路が入力電圧が低過ぎると判定しているときには、前記第1、第2のスイッチング素子の動作前に前記充電手段によって前記第1、第2のコンデンサを充電させて1サイクル目のランプ電流を高くすることを特徴とする放電ランプ点灯回路。
  4. 前記制御回路は、ランプの調光率が中〜低域で点灯する際に前記1サイクル目のランプ電流の高低を制御することを特徴とする請求項3に記載の放電ランプ点灯回路。

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