JP2007128713A

JP2007128713A - 放電灯点灯装置

Info

Publication number: JP2007128713A
Application number: JP2005319543A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Suzuki; 伸一鈴木
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2007-05-24
Also published as: WO2007052514A1; US7791283B2; US20090160355A1

Abstract

【課題】高圧トランスの二次側の高耐圧性部品を削減してコストを低減すると共に、回路動作の安定した高効率の放電灯点灯装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る放電灯点灯装置１は、高圧トランス２と、高圧トランス２の一次側を駆動するスイッチ回路４と、スイッチ回路４の動作周波数を決定する三角波発生回路１５とを備え、三角波発生回路１５は、放電灯３の点灯前と点灯後とでスイッチ回路４の動作周波数を切替える周波数切替手段２５を備えている。また、高圧トランス２の二次側には、容量成分が寄生容量Ｃ_CFLのみからなる共振回路が形成されており、放電灯３の点灯前は、スイッチ回路４を二次側の共振回路の直列共振周波数近傍の周波数で動作させ、放電灯の点灯後は、スイッチ回路４を一次側の電圧と電流の位相差が最小となる周波数近傍の周波数で動作させるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電灯点灯装置に関し、特に、液晶表示装置に用いるバックライト装置の光源である放電灯を点灯するための放電灯点灯装置に関する。

液晶モニタ、液晶テレビジョン装置等の表示装置として利用されている液晶ディスプレイは非発光のため、バックライト装置のような照明装置を必要とする。このようなバックライト装置の光源としては、冷陰極ランプのような放電灯が広く使用されており、このような放電灯を点灯させるために必要な高圧の交流電圧は、通常、インバータ回路の出力を高圧トランスで昇圧することによって得ている。

近年、高圧トランスの二次側に直列共振回路を形成し、この直列共振回路の共振周波数未満であって、かつ、高圧トランスの一次側の電圧と電流の位相差が最小点より予め定めた範囲内にある周波数で、高圧トランスの一次側を駆動するＨブリッジ回路を備えた放電灯点灯装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、このような放電灯点灯装置の回路構成を示すブロック図である。図５に示す放電灯点灯装置１００では、高圧トランス１０１の二次側に、高圧トランス１０１のリーケージインダクタンスと、コンデンサ１３１、１３２と、放電灯１０９が持つ寄生容量１０３により直列共振回路が形成されており、高圧トランス１０１の一次側を駆動するＨブリッジ回路１１７の動作周波数を、この直列共振回路の共振周波数未満であって、かつ、高圧トランス１０１の一次側の電圧と電流との位相差θが最小点より予め定めた範囲内にある周波数とすることによって、高圧トランス１０１の電力効率を向上させるものである。

ここで、高圧トランス１０１の二次側に接続されたコンデンサ１３１、１３２は、寄生容量１０３に対する補助容量として機能するものであり、コンデンサ１３１、１３２の容量を変更することによって、二次側に形成される直列共振回路の共振周波数を所望の値に設定することができる。また、コンデンサ１３１、１３２は、二次側開放時の電圧検知手段としても機能し、コンデンサ１３１、１３２で分圧された信号１３３は、電圧帰還用のエラーアンプ１５１に入力し、その出力電圧１５２は、プロテクト回路１５０及びＰＷＭ回路１０８に入力する。プロテクト回路１５０は、エラーアンプ１５１の出力電圧１５２が予め設定した閾値を越えた場合、ロジック回路１２９の動作を停止して放電灯１０９への過電流を防止するものである。また、放電灯１０９には、その管電流を電圧に変換する電流電圧変換回路１１０が接続されており、その出力電圧１０９ａは、エラーアンプ１１１に入力し、エラーアンプ１１１は、放電灯１０９の電流に応じた出力電圧１１２をＰＷＭ回路１０８に出力することによって、パルス幅変調に基づく定電流制御が実施される。

特開２００５−０３８６８３号公報

しかしながら、このような従来の放電灯点灯装置１００は、二次側開放時の出力過電圧を防止するために、コンデンサ１３１、１３２で高圧トランス１０１の二次側出力の電圧を分圧し、その信号を用いて開放電圧を検知する構成を有するものである。したがって、コンデンサ１３１には、高耐圧性のコンデンサを使用する必要があり、コストの増大を招くという問題があった。特に、液晶テレビジョン装置等の表示装置として使用される大型の液晶ディスプレイでは、高輝度を達成するために複数本の放電灯を配置したバックライト装置が用いられるため、その放電灯点灯装置には放電灯数に応じたコンデンサ１３１、１３２が必要となり、コストの増大に対して一層大きな影響を及ぼすことになる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高圧トランスの二次側の高耐圧性部品を削減してコストを低減すると共に、回路動作の安定した高効率の放電灯点灯装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る放電灯点灯装置は、高圧トランスと、該高圧トランスの一次側を駆動するスイッチ回路とを備え、前記高圧トランスの二次側に接続された放電灯を点灯する放電灯点灯装置において、前記スイッチ回路は三角波発生回路から出力される三角波の周波数に基づいてスイッチング動作し、該三角波発生回路に、前記放電灯の点灯前と点灯後とで前記スイッチ回路の動作周波数を切替える周波数切替手段を備え、前記高圧トランスの二次側に容量成分が寄生容量のみからなる共振回路を形成し、前記放電灯の点灯前は、前記スイッチ回路を前記二次側の共振回路の直列共振周波数近傍の周波数でスイッチング動作させ、前記放電灯の点灯後は、前記スイッチ回路を前記一次側の電圧と電流の位相差が最小となる周波数近傍の周波数でスイッチング動作させることを特徴とする。

本発明によれば、放電灯の点灯前は、スイッチ回路を高圧トランスの二次側に形成される共振回路の直列共振周波数近傍の周波数で動作させ、放電灯の点灯後は、スイッチ回路を一次側の電圧と電流の位相差が最小となる周波数近傍の周波数で動作させることによって、放電灯の点灯前には、放電灯の始動電圧として必要十分な高電圧を得て放電灯を確実に点灯すると共に、放電灯の点灯後には、高圧トランスの電力効率が最大となる周波数領域で、放電灯点灯装置を動作させることが可能となる。

また、高圧トランスの二次側に形成される共振回路の容量成分は、二次側の寄生容量のみから構成されるため、高圧トランスの二次側に設けた高耐圧性のコンデンサが不要となる結果、放電灯点灯装置の大幅なコストダウンが可能となる共に、高圧トランスの二次側において高電圧の発生する箇所を削減してアーク放電等の危険性を低減させ、放電灯点灯装置の品質の向上に寄与するものである。

また、本発明の一態様では、開放電圧設定用のエラーアンプをさらに備え、該エラーアンプに入力する電源電圧と所定の基準電圧に基づいて、前記高圧トランスの二次側開放時の出力電圧を制御するものであり、これによって、高圧トランスの二次側からのフィードバックを要することなく所望の開放電圧を得ることが可能となる。

また、本発明に係る放電灯点灯装置において、好ましくは、前記スイッチ回路は、フルブリッジ回路またはハーフブリッジ回路であり、また、前記高圧トランスの二次側の共振回路の直列共振周波数は、二次巻線のリーケージインダクタンスと寄生容量によって与えられてなるものである。

また、本発明の一態様において、前記三角波発生回路は、抵抗とコンデンサにより発振周波数が調整され、前記周波数切替手段は、第１の抵抗と、トランジスタと、該トランジスタのコレクタに接続する第２の抵抗と、前記トランジスタのベースに接続するインバータ素子とを含んでおり、前記三角波発生回路の周波数は、前記放電灯の未点灯時には、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との並列接続による合成抵抗と前記三角波発生回路に接続したコンデンサとの値によって決定され、前記放電灯の点灯時には、前記第１の抵抗と前記三角波発生回路に接続したコンデンサとの値によって決定されるものである。

さらに、好ましくは、本発明に係る放電灯点灯装置において、前記放電灯は冷陰極ランプであり、また好ましくは、本発明に係る放電灯点灯装置は、液晶表示装置に用いるバックライト装置に用いられるものである。

本発明は、以上のように構成したため、従来の放電灯点灯装置と比較して、高圧トランスの一次側に新たな部品を追加することなく、高圧トランスの二次側の高耐圧性部品を削減してコストを低減すると共に、回路動作の安定した高効率の放電灯点灯装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態における放電灯点灯装置１を示す回路構成図である。
図１に示すように、本実施形態における放電灯点灯装置１は、高圧トランス２と、高圧トランス２の一次側を駆動するスイッチ回路４とを備え、高圧トランス２の二次側には、例えば冷陰極ランプからなる放電灯３が接続されている。本実施形態において、高圧トランス２は、その二次巻線に少なくとも４０ｍＨ以上のリーケージインダクタンスを持つ漏洩磁束型のトランスであり、好ましくは、約３００ｍＨのリーケージインダクタンスを有するものである。図１において、放電灯３は、その一端側が高圧トランス２の二次巻線Ｎｓに接続され、他端側は、ランプ電流検出抵抗１９を介してＧＮＤに接地されている。

ここで、図示されたコンデンサＣ_CFLは、放電灯３が持つ寄生容量であり、本実施形態における放電灯点灯装置１では、高圧トランス２の二次側に容量成分が寄生容量Ｃ_CFLのみからなる共振回路が形成されている。

図２は、放電灯点灯装置１の高圧トランス２部分を示す回路図であり、高圧トランス２の一次巻線Ｎｐと二次巻線Ｎｓの巻数比はｎとする。本実施形態において、高圧トランス２の二次側には、固有の共振周波数を有する共振回路が形成されており、その共振回路は、高圧トランス２の二次巻線Ｎｓの自己インダクタンスＬｓと、放電灯３の持つ寄生容量Ｃ_CFLとから構成される。

図３は、二次側の共振回路を示す等価回路図である。ここで、Ｍは、高圧トランス２の相互インダクタンス、Ｌｅ１、Ｌｅ２はリーケージインダクタンスである。このような共振回路において、その直列共振周波数ｆｓｓは、二次側リーケージインダクタンスＬｅ２と寄生容量Ｃ_CFLによって与えられ、
ｆｓｓ＝１／（２π√（Ｌｅ２・Ｃ_CFL））
で表される。また、この共振回路における並列共振周波数ｆｓｐは、二次巻線Ｎｓの自己インダクタンスＬｓ（Ｌｓ＝Ｍ＋Ｌｅ２）と寄生容量Ｃ_CFLによって与えられ、
ｆｓｐ＝１／（２π√（Ｌｓ・Ｃ_CFL））
で表される。

次に、再び図１を参照して、本実施形態における放電灯点灯装置１の動作について説明する。放電灯点灯装置１において、スイッチ回路４は、２個のスイッチング素子（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ）の直列回路を並列に接続してなるフルブリッジ回路、または２個のスイッチング素子の直列回路からなるハーフブリッジ回路であり、各スイッチング素子のオン・オフ制御は、ロジック回路５から出力される信号（ゲート信号）５ａによって実施される。この際、スイッチ回路４のスイッチング動作の動作周波数は、三角波発生回路１５から出力される三角波１５ａの周波数に基づいて決定され、本実施形態における放電灯点灯装置１は、その三角波発生回路１５に、第１の抵抗１４、トランジスタ１２、トランジスタ１２のコレクタに接続する第２の抵抗１３、及びトランジスタ１２のベースに接続するインバータ素子１１からなる周波数切替手段２５を備えるものである。

また、本実施形態における放電灯点灯装置１は、ランプ電流設定用のエラーアンプ８に加えて開放電圧設定用のエラーアンプ７を備えており、ＰＷＭ回路６によるパルス幅変調制御は、これらのエラーアンプ７、８からの出力７ａ、８ａと三角波１５ａとの比較に基づいて実施され、スイッチ回路４を構成する各スイッチング素子のオンデューティは、ＰＷＭ回路６からのパルス信号６ａによって制御される。

以下、放電灯３の未点灯時及び点灯時における放電灯点灯装置１の動作について、詳述する。まず、入力電圧Ｖ_INの投入直後、放電灯３の未点灯時の動作について説明する。放電灯点灯装置１において、ランプ電流ＩＬは、ランプ電流検出抵抗１９によって帰還電圧信号１９ａに変換され、ダイオードＤ１を介して周波数切替手段２５に入力する。入力電圧Ｖ_INの投入直後にはランプ電流ＩＬは流れていないため、周波数切替手段２５のインバータ素子１１の出力はＨｉｇｈレベルになり、それによって、トランジスタ１２はオンになる。したがって、三角波発生回路１５には、第１の抵抗１４と第２の抵抗１３との並列接続による合成抵抗が接続されることになり、三角波１５ａの周波数は、この合成抵抗値とコンデンサ２６の値によって決定される。本実施形態では、このような放電灯３の未点灯時における三角波１５ａの周波数は、上述した二次側共振回路の直列共振周波数ｆｓｓ近傍の周波数（以下、ｆｏと記す）となるように、設定するものである。

また、帰還電圧信号１９ａは、ダイオードＤ１を介して、トランジスタ２０のベースにも印加されるが、入力電圧Ｖ_INの投入直後にはランプ電流ＩＬは流れていないため、トランジスタ２０はオフになる。したがって、開放電圧設定用のエラーアンプ７の反転入力端子には、電源電圧Ｖ_IN、基準電圧回路２１からの基準電圧Ｖｒｅｆ、および抵抗１６、１７、１８によって決まる電圧が入力されることになり、非反転入力端子に入力された基準電圧Ｖｒｅｆとの誤差に応じた所定の設定電圧７ａをＰＷＭ回路６に出力する。ＰＷＭ回路６は、三角波発生回路１５からの三角波１５ａと設定電圧７ａとの比較に基づいて、所定のパルス幅を有するパルス信号６ａをロジック回路５に出力する。スイッチ回路４を構成する各スイッチング素子は、ロジック回路５から出力されるゲート信号５ａによりオンオフ制御され、スイッチ回路４は、矩形波電圧を出力して高圧トランス２の一次側を二次側共振回路の直列共振周波数ｆｓｓの近傍ｆｏで駆動する。

本実施形態において、基準電圧回路２１からの基準電圧Ｖｒｅｆ、および抵抗１６、１７、１８によって定まるエラーアンプ７からの出力電圧７ａは、高圧トランス２の二次側開放時の出力電圧を所望の開放電圧とするように設定されるものである。その際、スイッチ回路４を上記ｆｏで動作させることによって、その開放電圧を、二次側共振回路の直列共振によって、放電灯３の始動電圧として十分な高電圧とすることができ、それによって、放電灯３を確実に点灯するものである。なお、放電灯３の未点灯時には、二次側の寄生容量は、実質的に、配線間に発生する寄生容量等によって構成されてＣ_CFLよりも小さくなると考えられるため、直列共振周波数ｆｓｓ近傍に設定される周波数ｆｏは、ｆｓｓ以上の値に設定することが好ましい。

本実施形態における放電灯点灯装置１では、三角波発生回路１５で生成した信号によってシンメトリックな信号をスイッチ回路４に入力しているため、スイッチ回路４からはシンメトリックな矩形波電圧が出力され、このシンメトリックな矩形波電圧を高圧トランス２の一次側に入力することにより、高圧トランス２の一次側にトランスの偏磁防止用のコンデンサを設けることなく、スイッチング素子のオン時間の非対称により生じるトランスの偏磁を防止できる。そして、二次巻線Ｎｓの出力電圧は、高圧トランス２の二次側に形成される共振回路により、放電灯３の未点灯時にも、高圧トランス２の出力波形の歪みや非対称性が低減し、正弦波に近い電圧波形を出力することができる。

次に、放電灯３の点灯時の動作について説明する。放電灯３の点灯後は、ランプ電流ＩＬをランプ電流検出抵抗１９によって変換した帰還電圧信号１９ａによって、周波数切替手段２５のインバータ素子１１の出力はＬｏｗレベルになり、それによって、トランジスタ１２はオフになる。したがって、三角波発生回路１５には、第１の抵抗１４のみが接続されることになり、第１の抵抗１４の抵抗値とコンデンサ２６の値によって決定される三角波１５ａの周波数は、上述した未点灯時の周波数ｆｏよりも低い周波数に切替られる。本実施形態では、このときの三角波１５ａの周波数は、高圧トランス２の一次側の電圧と電流の位相差が最小となる周波数近傍の周波数（以下、ｆｏ’と記す）となるように、設定するものである。なお、高圧トランス２は、一次側の電圧と電流の位相差が小さい範囲の周波数において、良好な電力効率で動作するものであり、その周波数は直列共振周波数ｆｓｓよりも低い領域に含まれることが知られている。本実施形態において、ｆｏ’は、例えば、このような位相差が０°〜―３０°となる範囲内の周波数とすることができる。

また、放電灯３の点灯時には、ダイオードＤ１を介して帰還電圧信号１９ａが印加されるトランジスタ２０はオンになるため、開放電圧設定用のエラーアンプ７の動作は停止する。この場合、ＰＷＭ回路６は、三角波発生回路１５からの三角波１５ａとランプ電流設定用のエラーアンプ８の出力電圧８ａとの比較に基づいてパルス信号６ａをロジック回路５に出力する。そして、スイッチ回路４を構成する各スイッチング素子は、ロジック回路５から出力されるゲート信号５ａによりオンオフ制御されて、高圧トランス２の一次側を駆動する。

ここで、ランプ電流設定用のエラーアンプ８の反転入力端子には、帰還電圧信号１９ａがフィードバックされており、エラーアンプ８は非反転入力端子に入力される基準電圧Ｖｒｅｆとの誤差に応じた電圧８ａを出力するものである。これによって、ＰＷＭ回路６は、ランプ電流ＩＬに応じて出力パルス信号６ａのパルス幅を変調し、放電灯３の定電流制御を実施するものである。

さらに、プロテクト回路１０は、内部にコンパレータ回路（図示は省略する）を備えており、高圧トランス２の低圧側に設けたトランス電流検出抵抗９からのトランス電流検出信号９ａがコンパレータ回路の基準電圧よりも大きい場合、ロジック回路５の動作を停止させ、放電灯３の過電流や、高圧トランス２への過電圧を防止するものである。また、プロテクト回路１０には、エラーアンプ７及びエラーアンプ８からの出力電圧７ａ、８ｂも入力され、同様にコンパレータ回路の基準電圧との比較により、その基準電圧を上回った場合には、ロジック回路５の動作を停止させるものである。

図４は、本発明の第２の実施形態における放電灯点灯装置３０の要部を示す回路構成図である。本実施形態における放電灯点灯装置３０は、上述した第１の実施形態における放電灯点灯装置１と比較して、その高圧トランス２部分のみが相違するものであり、以下では重複する部分の説明は省略する。

本実施形態における放電灯点灯装置３０は、放電灯３を２灯接続する場合に好適に適用されるものである。放電灯点灯装置３０において、高圧トランス４０は、それぞれの一次巻線Ｎｐ１、Ｎｐ２が直列に接続され、二次巻線はＮｓ１、Ｎｓ２として分割されており、二次巻線Ｎｓ１、Ｎｓ２の一端はそれぞれの放電灯３の一端に接続され、他端は、抵抗３１を介してＧＮＤに接続されている。また、抵抗３１の両端にはそれぞれコンデンサ３２が接続されており、２灯の放電灯３の低圧側同士は接続されている。なお、図に示すＣ_CFLは、放電灯３が持つ寄生容量である。放電灯３に流れるランプ電流は、抵抗３１によって帰還信号電圧３１ａに変換されて、図１に示すトランジスタ２０、ランプ電流設定用のエラーアンプ８、および周波数切替手段２５に入力するものである。

なお、図４に示す構成では、直管形状の２灯の放電灯３を直列に接続しているが、本実施形態における放電灯点灯装置３０において、Ｕ字管またはコ字管等の屈曲管形状の１灯の放電灯の両端を、二次巻線Ｎｓ１、Ｎｓ２にそれぞれ接続されるものであってもよい。また、図４に示す構成において、２灯の放電灯３の直列接続箇所を、ＧＮＤに接地しても良い。さらに、高圧トランス４０の一次巻線は、１つの巻線からなるものでもよく、あるいは、一次巻線Ｎｐ１、Ｎｐ２を並列に接続するものであってもよい。

本発明の第１の実施形態における放電灯点灯装置を示す回路構成図である。図１に示す放電灯点灯装置の高圧トランス部分を示す回路図である。図２に示す高圧トランスの二次側の共振回路を示す等価回路図である。本発明の第２の実施形態における放電灯点灯装置を示す回路構成図である。従来の放電灯点灯装置を示す回路構成図である。

符号の説明

１，３０：放電灯点灯装置、２，４０：高圧トランス、３：放電灯（冷陰極ランプ）、４：スイッチ回路、２５：周波数切替手段、Ｃ_CFL：寄生容量、Ｎｐ：一次巻線、Ｎｓ：二次巻線

Claims

高圧トランスと、該高圧トランスの一次側を駆動するスイッチ回路とを備え、前記高圧トランスの二次側に接続された放電灯を点灯する放電灯点灯装置において、
前記スイッチ回路は三角波発生回路から出力される三角波の周波数に基づいてスイッチング動作し、該三角波発生回路に、前記放電灯の点灯前と点灯後とで前記スイッチ回路の動作周波数を切替える周波数切替手段を備え、前記高圧トランスの二次側に容量成分が寄生容量のみからなる共振回路を形成し、前記放電灯の点灯前は、前記スイッチ回路を前記二次側の共振回路の直列共振周波数近傍の周波数でスイッチング動作させ、前記放電灯の点灯後は、前記スイッチ回路を前記一次側の電圧と電流の位相差が最小となる周波数近傍の周波数でスイッチング動作させることを特徴とする放電灯点灯装置。
開放電圧設定用のエラーアンプをさらに備え、該エラーアンプに入力する電源電圧と所定の基準電圧に基づいて、前記高圧トランスの二次側開放時の出力電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載の放電灯点灯装置。
前記スイッチ回路は、フルブリッジ回路またはハーフブリッジ回路であることを特徴とする請求項１または２に記載の放電灯点灯装置。
前記高圧トランスの二次側の共振回路の直列共振周波数は、二次巻線のリーケージインダクタンスと寄生容量によって与えられてなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の放電灯点灯装置。
前記三角波発生回路は、抵抗とコンデンサにより発振周波数が調整され、
前記周波数切替手段は、第１の抵抗と、トランジスタと、該トランジスタのコレクタに接続する第２の抵抗と、前記トランジスタのベースに接続するインバータ素子とを含んでおり、
前記三角波発生回路の周波数は、前記放電灯の未点灯時には、前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との並列接続による合成抵抗と前記三角波発生回路に接続したコンデンサとの値によって決定され、前記放電灯の点灯時には、前記第１の抵抗と前記三角波発生回路に接続したコンデンサとの値によって決定されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の放電灯点灯装置。
前記放電灯は、冷陰極ランプであることを特徴とする請求項１に記載の放電灯点灯装置。
前記放電灯点灯装置は、液晶表示装置に用いるバックライト装置に用いられることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の放電灯点灯装置。