JP2007519199A - ガス放電ランプの高周波駆動装置、ガス放電ランプの駆動方法、ガス放電ランプ部品 - Google Patents

Abstract

ガス放電ランプの高周波駆動装置は、直流電圧を供給される。駆動装置は、入力直流電圧を交流電圧に変換し、交流電圧を負荷に供給する。駆動装置は、ガス放電ランプ、ランプと直列に接続されたコイル、及びランプと並列に接続されたコンデンサーを有する。交流電圧は、ランプの点灯中に第１の高周波数を有し、点灯後の通常動作中に第２の高周波数を有する。第１の周波数は、第２の周波数より少なくとも２．２倍高い。交流電圧の周波数を変更することにより、ＥＭＩ及びＲＦＩ要件を満たしつつ、比は増加し得る。

Description

本発明は、並列に接続されたコンデンサー及び直列に接続されたコイルを有するガス放電ランプの高周波駆動装置に関する。

特許文献１は、アーク放電ランプの始動及び動作回路を開示している。この回路は、交流入力端子と結合された直流電源手段、前記直流電源と結合され直流電圧を受信する発振手段、発振器始動手段及び発振器の出力と結合された負荷手段を有し、及び放電ランプと直列のコイル及びランプと並列のコンデンサーを有する低いインピーダンスを有するコンデンサーの回路の交流電源をオンに切り替えた時、コイルを流れる初期電流は高く、ランプの両端にあるフィラメント電極にかかる電圧は高い。前記後者の電圧が十分高いと、ランプは点灯する。次に負荷のインピーダンスが減少し、発振器の動作に反映され、発振周波数は点灯周波数から低い通常動作周波数へ減少する。ある例では、点灯周波数は４６ｋＨｚであり通常動作周波数は２５ｋＨｚである（前記文献による）。これは、これら周波数の間の比が１．８４である事を意味する。

特許文献２は、瞬時点灯ガス放電ランプの電子安定器を開示している。この安定器は、特許文献１により開示された回路と異なり、特許文献２でインバーターと呼ばれる発振器は、コイルとコンデンサーの直列接続に直列に接続された２次巻線が複数のガス放電ランプに電力を供給する変圧器を出力に有する。

インバーターは、ランプの通常動作においてインバーターの共振周波数を５０ｋＨｚより高く上昇させる、２つの切替共振部分を有する。特許文献２（列４、行３３−３６）によると、「周波数の上昇は、変圧器及び安定器及びコンデンサーの値を減少させる。周波数の上昇はまた、性能を向上させ、安定器のコストを低減する。」
特許文献３は、電子安定器を開示している。電子安定器は、相互接続された出力を有し、２つのインバーターを有する。２つのインバーターは、他のインバーターの交流出力で低い交流電圧を供給する。例として、点灯時の周波数は８０ｋＨｚ、通常動作の周波数は４０ｋＨｚである。これは、これら周波数の間の比が２であることを意味する。

依然として、しばしばＣＦＬ（電球型蛍光ランプ）、特にＣＦＬ−Ｉ（統合駆動装置を有するＣＦＬ装置）と称される、低コスト、省エネルギーの放電ランプが必要とされる。また、更に小型で熱拡散の少ない及び／又はコスト低減されたランプも必要とされる。これは、ランプ駆動装置の多くの部品を有する集積回路の開発により、部分的に達成されている。例として、外部発振器出力トランジスターと共に利用されるフィリップス社のＵＢＡ２０２１、内部発振器出力トランジスターを有するフィリップス社のＵＢＡ２０２４がある。しかしながら、大きさ、熱拡散及びＣＦＬ−Ｉに含まれる回路のコストは、ランプと直列のコイルの存在により引き起こされる。

設計者にとって一般的な方法は、コイルを流れる交流電流の周波数を増加し、小型化及び／又は低温化を得て、コイルのコストを低減することである。特許文献２により開示された例は、以上の関連する引用を記載している。

しかしながら、発明者らは、前記一般的な方法を利用する場合、予想に反することが生じることを見出した。つまり、発振周波数の増加に伴いコイルの温度も上昇し、逆も同様になる。更に、ランプを点灯できない低過ぎる周波数は、利用できない。
米国特許第５，１３８，２３５号明細書 米国特許第５，４３８，２４３号明細書 米国特許第６，４３７，５２０号明細書

本発明の目的は、従来技術の不利点を防ぐと共に、以上に説明された要求に適する駆動装置を提供することである。

本発明の目的は、本発明のガス放電ランプの高周波駆動装置を提供することにより、ある特長により達成される。ガス放電ランプは、コイルと直列に接続され及び並列に接続されたコンデンサーを有する。高周波駆動装置は、直流電源と接続する直流入力端子及びランプを有する負荷と接続する交流出力端子、コイル及びコンデンサーを有する発振器を有する。発振器は、ランプの点灯中に第１の高周波数で発振し、ランプの点灯後の通常動作中に第２の高周波数で発振する。第１の高周波数は、第２の高周波数より少なくとも２．２倍の比で高い。

このため、小型化、低コスト及び低温の１つ以上の特徴を有するコイルを利用する。また、電球型蛍光ランプ（ＣＦＬ）を小型化させ、特にこのようなランプの本発明によるランプ部品及びランプに統合される駆動装置を可能にする。

本発明の別の特長によると、請求項７記載の方法が提供される。

本発明の更に別の特長によると、本発明による駆動装置を有するガス放電ランプ部品が提供される。

本発明は、以下の図を用いた説明から明らかだろう。

図１に示された回路は、ガス放電ランプ２、特に電球型蛍光ランプ（ＣＦＬ）を有する負荷と結合された一般的な高周波駆動装置を有する。ランプ２を含む図１に示された回路は、単一の装置に統合され得、ＣＦＬ−Ｉと称される。

駆動装置は、ランプ２、ランプ２と直列のコイル３及びランプ２と並列に接続されたコンデンサー４が無いと動作しない。従って、コイル３及びランプ２に並列接続されたコンデンサー４を有するランプ２の直列回路は、駆動装置の負荷として及び駆動装置の一部としても見なされ得る。

図１に示された回路は、それぞれ直流の正の高電位及び接地電圧を受信する端子６及び７を有する。これらの直流高電位及び接地は、電源の交流電圧に接続されるべき端子を有する整流器ブリッジ（示されない）により供給され得る。

コイル１１の第１の端子は、電源端子６と接続される。コイル１１の第２の端子は、フィリップス社製の集積回路ＵＢＡ２０２１である、インバーター制御部１２の入力ＨＶと接続される。インバーター制御部１２の接地入力ＧＮＤは、接地端子７と接続される。インバーター制御部１２は、相対的に正の直流低電位を生成し、出力ＶＤＤにて提供する。抵抗１４及びコンデンサー１５の直列回路は、出力ＶＤＤと接地端子７の間に接続され、抵抗１４は、出力ＶＤＤと接続される。抵抗１４とコンデンサー１５の間の節点は、インバーター制御部１２の入力ＲＣと接続される。

インバーター制御部１２は、電界効果トランジスター１６及び１７のゲートにそれぞれ接続された、制御又はクロック出力ＣＬ１及びＣＬ２を有する。ＦＥＴ１６及び１７は直列に接続され、ＦＥＴ１６のドレインはインバーター制御部１２の高電位入力ＨＶと接続され、及びＦＥＴ１７のソースは接地端子７と接続される。ＦＥＴ１６及び１７の端子は、ランプ２、コイル３及びコンデンサー４を有する負荷の端子と接続される。負荷の他の端子は、コンデンサー１８を通じてインバーター制御部１２の高電位入力ＨＶと、及び別のコンデンサー１９を通じて接地端子７と接続される。コンデンサー１８及び１９は、直流のデカップリングのためである。

コンデンサー４は、ランプコンデンサーとも呼ばれ、ランプ２の点灯中のみ機能する。コイル３は、安定器コイル又はチョークとも呼ばれ、ランプの点灯中及びランプ２の通常動作中に、ランプ２を流れる電流を安定させるために機能する。

抵抗１４及びコンデンサー１５の値は、示される他の構成要素と組み合わせて、点灯周波数ｆｉｇ及び直流電圧を端子６及び７に印加すると回路が発振する通常動作周波数ｆｏｐを決定する。低いインピーダンスのコンデンサーを有する回路の直流電源電圧を端子６及び７に印加した時、コイルを流れる初期電流は高く、ランプ２の両端にあるフィラメント電極にかかる電圧は高い。前記後者の電圧が十分高いと、ランプは点灯する。

次に負荷のインピーダンスが減少し、発振器の動作に反映され、発振周波数は点灯周波数から低い通常の動作周波数ｆｏｐへ降下する。

図１に示される駆動回路の全ての構成要素の中で、ランプ２を除き、コイル３が最も大きい。つまり、駆動回路を有する筐体の大きさは、コイル３の大きさにより主に決定される。コイル３は、線を多数回巻かれた巻線を有する、コアのようなＥ型のフェライト磁心を有して良い。

駆動回路の構成要素の大きさを点灯周波数ｆｉｇが増加するように決定した場合、以前と同様の十分な点灯電圧を生成するために必要なコイル３の巻数は、減少する。次に、コイル３の大きさが減少しない場合、コイル３の損失は減少するだろう。従って、コイル３の温度、及びその結果、駆動回路の温度は低下しそして筐体は縮小するだろう。また、これは、ランプの比出力のための、ＣＦＬ−Ｉとして知られるランプに組み込まれる小型の駆動回路を設計する場合に重要である。

代案として、点灯周波数を増加させ、コイル３の巻線数を減少させ、同時にコイル３の点灯周波数及び巻線数による損失の増加及び温度の上昇を以前の水準で許容することにより、コイル３の大きさは小型化され得る。

従って、コイル３の損失低下と温度上昇及びコイル３の小型化の望ましい組み合わせを最適化する際に、設計者にとってトレードオフが生じるだろう。

周波数の増加は、コイル及びコンデンサーの値を減少させると広く考えられている。これに関し、特許文献３、列４、行３３−３５に明確に説明されている。

しかしながら、発明者らは、点灯周波数がある水準より増加した場合、コイル３のコアの損失は増加することを見出した。点灯周波数ｆｉｇの増加が、通常又は定常動作周波数ｆｏｐを増加させ、従って通常動作中にコイル３の損失、特にコア及び線の損失を増加させることは、一般に知られている。従って、発明者らは、点灯周波数ｆｉｇ、通常動作周波数ｆｏｐ及び許容損失の最適な組み合わせがあると考えた。

ＦＥＴ１６、１７は明確にオン又はオフに切り替わるので、無線周波妨害（ＲＦＩ）及び他の電子機器との電磁妨害（ＥＭＩ）を引き起こし得る多くの調波が生成される。従って、駆動回路はＲＦＩ及びＥＭＩに国際水準で準拠するよう設計される必要がある。

コンピューターによるシミュレーション及び実地経験から、発明者らは、ＥＥ−１４コアを有するコイル３の温度を、点灯周波数ｆｉｇ及び通常動作周波数ｆｏｐの異なる組み合わせで測定した。表１及び図３は、このような多くの組み合わせの中から３つの結果、Ｐ１、Ｐ２及びＰ３を示す。

注意すべき点は、表１に示される温度Ｔは、駆動回路の周囲温度より上に上昇した温度であることである。発明者らは、コイル３の温度上昇は約３０℃が許容できると考えた。これは、点灯周波数と通常動作周波数の比Ｒ＝ｆｉｇ／ｆｏｐは約２．２以上であるべきだと意味する。

表１に示された周波数より高い周波数では、ＲＦＩ及びＥＭＩ規格に準拠することが不可能である。

図２は、図１に示した回路より簡易な駆動回路を示す。図２の回路は、図１のインバーター制御部１２及びＦＥＴ１６、１７を置き換えたインバーター２２を有する。つまり、インバーター２２は、駆動トランジスターを統合し、共通端子ＯＵＴは高い交流電圧をコイル３に供給する。インバーター２２は、フィリップス社製の集積回路ＵＢＡ２０２４であって良い。

図２に示された駆動回路は、直流高電位端子６とインバーターの入力ＲＣの間に接続された抵抗２４とコンデンサー２５の直列回路を更に有する。コンデンサー２５は電圧をデカップリングする。従って、主周波数の基本的に２倍のリップルは、端子６からインバーターの入力ＲＣへ供給される。これは、出力周波数を主リップルの周波数により変調された周波数にする。

ランプ２に供給される電流の周波数を変調することにより、その電流の高調波に含まれるエネルギーは、駆動トランジスターの切り替えにより、より広範な周波数範囲に広がるだろう。こうすることにより、より高い点灯周波数がＲＦＩ及びＥＭＩ規格に準拠したままで利用され得ることが分かった。

発明者らは、計算及び実地試験を行い、変調周波数１００Ｈｚ及び図２の駆動回路が依然としてＲＦＩ及びＥＭＩ規格に準拠する変調率７％を用い、点灯周波数ｆｉｇ、ｆｏｐ及びコイル３の温度上昇の複数の組み合わせの結果を得た。これを考慮すると、周波数の比は、コイル３を流れる出力電流の最大周波数ｆｍａｘ及び最小周波数ｆｍｉｎを用い、(ｆｍａｘ−ｆｍｉｎ)／（ｆｍａｘ＋ｆｍｉｎ）ｘ１００％により決定される。見付かった組み合わせＰ４−Ｐ７は、表２及び図３に示される。

表２及び図３から、点灯周波数の大幅な増加は、ランプ２を流れる電流の周波数を変調することにより得られることが明らかである。このような点灯周波数の増加は、通常動作周波数を図１に示される駆動回路で利用される周波数と同じに保つと同時に、コイル３の大きさ及び／又はコイル３の損失及び温度上昇を有意に減少させ得る。これは、設計者に目的のための最適な設計を見出す、より多くの機会を与えるだろう。

図１に示された駆動回路のインバーター制御部１２及び図２に示された駆動回路のインバーター２２は、それぞれフィリップス社製のＵＢＡ２０２１及びＵＢＡ２０２４のような集積回路を有して良い。これら集積回路は、設定可能であるか又は特定の点灯及び通常動作条件を満たす特定の動作を実装している。従って、インバーター制御部１２及びインバーター２２が、点灯周波数及び通常動作周波数を要求に応じてオンザフライで生成し、以上に説明された値と異なる値を有する変調周波数及び変調率を生成する内部回路を有して良いことが明らかである。

発明者らは、比Ｒ＝ｆｉｇ／ｆｏｐは２．２及び７の間の範囲であることが望ましいと見出した。より望ましくは、比は約５である。

発明者らはまた、発振周波数の平均の１５％未満を有する変調周波数が望ましいと見出した。

本発明は図示された複数の実施例を参照して説明されたが、複数の変更が当業者により請求の範囲に定義された本発明の真の精神と範囲内で行われ得ることが明らかである。例えば、点灯周波数、通常動作周波数、及び変調周波数は、全て、ランプ２、コイル３及びコンデンサー４の負荷を駆動する集積回路の内部回路により生成され監視され得る。

本発明の利用に適したガス放電ランプと接続される高周波数駆動装置の第１の実施例のブロック図である。 本発明を利用したガス放電ランプと接続される高周波数駆動装置の第２の実施例のブロック図である。 図１及び図２に示された高周波数駆動装置の第１及び第２の実施例と共に利用される点灯周波数と動作周波数の対の図である。

Claims (13)

1. ガス放電ランプの高周波駆動装置であって、前記ガス放電ランプはコイルと直列に接続され及び並列に接続されたコンデンサーを有し、前記駆動装置は、直流電源と接続する直流入力端子及び前記ランプを有する負荷と接続する交流出力端子、前記コイル及び前記コンデンサーを有する発振器を有し、前記発振器は前記ランプの点灯中に第１の高周波数で発振し、及び前記発振器は前記ランプの点灯後の通常動作中に第２の高周波数で発振し、前記第１の高周波数は、前記第２の高周波数より少なくとも２．２倍の比で高い、ガス放電ランプの高周波駆動装置。
2. 前記比は２．２から７の範囲である、請求項１記載の駆動装置。
3. 前記比は約５である、請求項１記載の駆動装置。
4. 前記発振周波数は、前記発振周波数の平均の１５％未満を有する変調された周波数である、請求項１記載の駆動装置。
5. 前記周波数変調は、前記発振周波数の平均の約７％である、請求項４記載の駆動装置。
6. 前記変調周波数は、交流電源から直流電源へ引き出される、請求項４記載の駆動装置。
7. ガス放電ランプの駆動方法であって、前記ランプはコイルと直列に接続され及び並列に接続されたコンデンサーを有し、直流電源と接続する直流入力端子及び前記ランプを有する負荷と接続する交流出力端子、前記コイル及び前記コンデンサーを有する発振器を有する駆動回路により、前記発振器は前記ランプの点灯中に第１の高周波数で発振し、及び前記発振器は前記ランプの点灯後の通常動作中に第２の高周波数で発振し、前記第１の高周波数は、前記第２の高周波数より少なくとも２．２倍の比で高い、ガス放電ランプの駆動方法。
8. 前記比は２．２から７の範囲である、請求項７記載の方法。
9. 前記比は約５である、請求項７記載の方法。
10. 前記発振周波数は、前記発振周波数の平均の１５％未満を有する変調された周波数である、請求項７記載の方法。
11. 前記周波数変調は、前記発振周波数の平均の約７％である、請求項１０記載の方法。
12. 前記変調周波数は、交流電源から直流電源へ引き出される、請求項１０記載の方法。
13. ガス放電ランプ部品であって、ガス放電ランプ、前記ランプと直列のコイル、前記ランプと並列のコンデンサー、直流電源回路及び前記直流電源回路と前記ランプの間に接続された前記請求項１乃至６の何れか１項記載の駆動装置、を有するガス放電ランプ部品。

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