JP2008147004A - Discharge lamp lighting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は放電灯点灯装置、特にそのイグナイタ機構の改良に関する。 The present invention relates to a discharge lamp lighting device, and more particularly to an improvement of its igniter mechanism.
一般に高圧放電ランプを点灯させる為には、数kVから時には20kVといった高電圧の始動パルスを印加して、ランプ内を絶縁破壊する必要がある。このため、放電灯点灯装置は、この高電圧始動パルスを発生するためのパルストランスを具備している。
周知のようにパルストランスには、ランプと直列に接続され、高電圧パルス電圧が誘起される二次巻線と、前記二次巻線と磁気結合した一次巻線とが巻回されている。
また、一次巻線には定電圧にてブレイクオーバー(導通)する放電ギャップが直列に接続されており、この放電ギャップと前記一次巻線の直列回路には充電コンデンサが並列に接続されている。そして、放電灯点灯装置はその内部に充電用の回路を構成し、前記充電コンデンサを充電していく。放電ギャップはこの充電コンデンサの充電電圧が一定電圧に到達した時点でブレイクオーバーし、充電コンデンサに充電した電荷を放電してパルストランスの一次巻線に電圧を発生する。この結果、一次巻線のn倍の巻き数となっている二次巻線にn倍の電圧が誘起され、高電圧のパルス電圧が出力される。
In general, in order to light a high-pressure discharge lamp, it is necessary to break down the interior of the lamp by applying a high-voltage starting pulse such as several kV to sometimes 20 kV. For this reason, the discharge lamp lighting device includes a pulse transformer for generating the high-voltage start pulse.
As is well known, a pulse transformer is wound with a secondary winding connected in series with a lamp and inducing a high voltage pulse voltage, and a primary winding magnetically coupled to the secondary winding.
The primary winding is connected in series with a discharge gap that breaks (conducts) at a constant voltage, and a charging capacitor is connected in parallel to the series circuit of the discharge gap and the primary winding. And the discharge lamp lighting device constitutes a circuit for charging inside thereof, and charges the charging capacitor. The discharge gap breaks when the charging voltage of the charging capacitor reaches a constant voltage, and discharges the charge charged in the charging capacitor to generate a voltage in the primary winding of the pulse transformer. As a result, a voltage of n times is induced in the secondary winding having n times the number of turns of the primary winding, and a high voltage pulse voltage is output.
このような動作により点灯装置は高電圧パルスを出力しているが、この回路に使用されている放電ギャップには、そのブレークオーバー電圧が数百V〜3000V程度のものまで多くの種類が存在する。しかしながら、近年の光源装置小型化や低価格化の要望、パルス電圧値、及びパルストランスの大きさ等から、使用される放電ギャップは800V程度のものが主流となってきている。このため、放電ギャップをブレイクオーバーさせるために、放電ギャップとパルストランスの一次巻線の直列回路と接続された充電コンデンサに電荷を充電させる充電回路は、800V以上の電圧を充電する能力を備えていなければならない。 Although the lighting device outputs a high voltage pulse by such an operation, there are many kinds of discharge gaps used in this circuit up to those having a breakover voltage of about several hundred V to 3000 V. . However, due to recent demands for light source device downsizing and cost reduction, pulse voltage values, and the size of pulse transformers, the discharge gap used is about 800V. For this reason, in order to break over the discharge gap, the charging circuit for charging the charge capacitor connected to the series circuit of the discharge gap and the primary winding of the pulse transformer has the ability to charge a voltage of 800 V or more. There must be.
ところで、DC−DCコンバータの出力を電源とするフルブリッジ回路の出力にLC共振回路を備えた構成の点灯装置の場合、無負荷の状態で共振動作をしている時に、共振用チョークコイル端やコンデンサ端に出力される無負荷電圧は実効値で300〜400V程度の高周波電圧であり、そのピークの値も600〜700V程度である。
そのため、無負荷電圧をそのまま整流して用いようとしても、ブレイクオーバー電圧が800Vの放電ギャップを導通させることができないことになる。この対応として、無負荷電圧をもっと高くするために、この時の動作周波数を共振回路のチョークコイルの持つインダクタンスと、共振回路のコンデンサ容量で決まる固有共振周波数に近い周波数とすることも考えられるが、共振電流が増大し、フルブリッジ回路に使用しているスイッチング素子のロスが増大することで回路故障に繋がる可能性が高くなり、実用的ではない。
このため従来は下記に示すような各種の充電回路を採用している。
By the way, in the case of a lighting device having an LC resonance circuit in the output of a full bridge circuit that uses the output of a DC-DC converter as a power source, when the resonance operation is performed in a no-load state, The no-load voltage output to the capacitor end is a high-frequency voltage having an effective value of about 300 to 400 V, and the peak value is also about 600 to 700 V.
Therefore, even if the no-load voltage is rectified and used as it is, the discharge gap having a breakover voltage of 800 V cannot be conducted. As a countermeasure, in order to further increase the no-load voltage, the operating frequency at this time may be a frequency close to the natural resonance frequency determined by the inductance of the choke coil of the resonance circuit and the capacitor capacity of the resonance circuit. Since the resonance current increases and the loss of the switching element used in the full bridge circuit increases, the possibility of a circuit failure increases, which is not practical.
For this reason, conventionally, various charging circuits as shown below are employed.
図3は従来例の一つの方式で、スイッチング素子10,12,14,16を含むフルブリッジ回路18と、チョークコイル20及び共振コンデンサ22を含む共振回路24とを備え、所望の無負荷共振電圧を出力する共振周波数の交流電力を第一主電力線26、第二主電力線28を介して放電灯30に供給するものである。
そして、放電灯30の始動には、パルストランス32と、放電手段34と、充電手段36を用いる。
すなわち、パルストランス32の二次巻線N2は前記第一主電力線26に直列接続されている。なお、図3では二次巻線N2は第一主電力線26に直列に接続されているが、第二主電力線28に直列に接続されていてもよく、また、分割された巻線N2が電力線26,28の両方に直列接続されていてもよい。
FIG. 3 shows a conventional method, which includes a
For starting the
That is, the secondary winding N2 of the
また、放電手段34は、第一充電コンデンサ37及び第二充電コンデンサ38、放電ギャップ40を含み、第一充電コンデンサ37−前記パルストランス32の一次巻線N1−放電ギャップ40−第二充電コンデンサ38の直列回路が第二主電力線28と並列に接続されている。
さらに、前記充電手段36は、第一充電ダイオード44及び第二充電ダイオード46と、抵抗48,50を有している。そして、第一充電ダイオードのアノードは第一主電力線26に、またカソードは抵抗48を介して前記第一充電コンデンサ37とパルストランス32の接続点に接続されている。また第二充電ダイオード46のカソードは第一主電力線26に、またアノードは抵抗50を介して第二充電コンデンサ38と放電ギャップ40の接続点に接続されている。
The discharging means 34 includes a
Further, the charging means 36 includes a first charging diode 44 and a second charging diode 46, and
この構成の場合、放電ギャップ40とパルストランス32の一次巻線N1の直列回路に印加される電圧は、第一充電コンデンサ37の両端電圧に、第二充電コンデンサ38の両端電圧を加えた値となる。
この時、充電コンデンサ37,38はそれぞれ高周波無負荷電圧を半波整流した電圧に充電されることになり、最大で高周波無負荷電圧のピーク値である600〜700Vまで充電することが可能となる。すなわち放電ギャップ40とパルストランス32の一次巻線の直列回路には、第一、第二の充電コンデンサ37,38の両端電圧を加えた1200〜1400Vを印加することが可能となり、結果としてブレイクオーバー電圧が800V程度の放電ギャップを導通させることが可能となる。
In this configuration, the voltage applied to the series circuit of the discharge gap 40 and the primary winding N1 of the
At this time, the
ところが図3で表される従来例では、イグナイタの放電手段34に使用される充電コンデンサが2個必要となり、しかもこの2個のコンデンサは高耐電圧でありながら、放電ギャップ40のブレイクオーバー時にパルストランス32の一次巻線に必要なエネルギーを送るだけの容量を備えてなければならない。さらに2個の充電コンデンサ37,38が直列に接続されているので、それぞれが同じ容量である場合その合成容量は各コンデンサの容量の2分の1になってしまう。従って、前記充電コンデンサの容量は必要な容量の2倍となり、結果としてコンデンサが大型化し、さらに2個使用するということで、点灯装置のコストアップ、大型化に繋がってしまうという問題を有する。
However, in the conventional example shown in FIG. 3, two charging capacitors used for the discharge means 34 of the igniter are required, and these two capacitors have a high withstand voltage, but the pulse is generated when the discharge gap 40 is broken over. It must have enough capacity to send the necessary energy to the primary winding of the
図4は従来例のもう一つの方式で、チョークコイル、及びコンデンサの共振回路を用いない方式の点灯装置におけるイグナイタの例である(特許文献1参照)。なお、前記図3と対応する部分には同一符号を付し、説明を省略する。
同従来例のイグナイタは、昇圧トランス60、定電圧半導体スイッチ62を有し、コンデンサ64に一定電圧まで電荷が蓄積すると定電圧半導体スイッチ62がターンオンし、昇圧トランス60の一次巻線側に電流を導通させ、該昇圧トランス60の二次巻線側に発生する高電圧で充電コンデンサ37の充電を行うものである。この動作を繰り返すことで充電コンデンサ37両端の電圧が上昇し、放電ギャップ40のブレイクオーバー電圧に達すると放電ギャップ40が導通し、イグナイタ動作をする。
FIG. 4 shows another example of the prior art, which is an example of an igniter in a lighting device that does not use a choke coil and capacitor resonance circuit (see Patent Document 1). Note that portions corresponding to those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
The conventional igniter includes a step-
しかしながら、図4で表される従来例は、充電コンデンサ37の充電回路に昇圧トランス60や、前段のコンデンサ64、整流ダイオード44、定電圧半導体スイッチ62を用いなければならず、コストアップや、点灯装置の大型化に繋がってしまう。
本発明は前記従来技術に鑑みなされたものであり、その解決すべき課題は簡易な構成でしかも小型化が可能な放電灯点灯装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the prior art, and a problem to be solved is to provide a discharge lamp lighting device having a simple configuration and capable of being downsized.
前記課題を解決するために本発明にかかる点灯装置は、
二次巻線が放電ランプと直列に接続されたパルストランスと、
放電ギャップと充電コンデンサを含み、充電コンデンサ−放電ギャップ−パルストランスの一次巻線となるように接続された放電回路を前記第二主電力線に並列接続した放電手段と、
前記充電コンデンサに放電ギャップのブレークオーバー電圧まで電荷を充電する充電手段とを含み、
前記充電手段は
昇圧コンデンサ及び昇圧ダイオードを含み、第二主電力線−昇圧ダイオード−昇圧コンデンサ−第一主電力線となるように、前記放電ランプと並列に接続された昇圧回路と、
前記昇圧コンデンサと昇圧ダイオードの接続点と、前記放電ギャップと充電コンデンサの接続点との間に設置された充電ダイオード及び充電抵抗を備え、
前記交流電力の一極性時に昇圧ダイオードを介して昇圧コンデンサに電荷を蓄積し、他極性時に前記昇圧コンデンサの電荷を、充電ダイオード及び充電抵抗を介して前記充電コンデンサに充電することを特徴とする。
In order to solve the above problems, a lighting device according to the present invention includes:
A pulse transformer in which the secondary winding is connected in series with the discharge lamp;
A discharge means including a discharge gap and a charge capacitor, and connected in parallel to the second main power line, a discharge circuit connected to be a primary winding of the charge capacitor-discharge gap-pulse transformer;
Charging means for charging the charge capacitor up to a breakover voltage of a discharge gap,
The charging means includes a boost capacitor and a boost diode, and a boost circuit connected in parallel with the discharge lamp so as to be a second main power line-boost diode-boost capacitor-first main power line;
A connection point between the boost capacitor and the boost diode, and a charging diode and a charging resistor installed between the discharge gap and the connection point of the charging capacitor;
Charges are accumulated in the boost capacitor via a boost diode when the AC power has one polarity, and charges of the boost capacitor are charged to the charge capacitor via a charging diode and a charge resistor when the polarity is other.
また、前記点灯装置において、放電ランプと直列にチョークコイルを、並列に共振コンデンサを接続し、交流電源電力を供給することにより発振する前記チョークコイルと共振コンデンサの共振電力を前記第一及び第二主電力線に供給することが好適である。
また、前記点灯装置において、充電手段の昇圧ダイオードはそのアノードを第二主電力線に接続し、カソードを抵抗を介して昇圧コンデンサに接続し、昇圧コンデンサの他端を第一主電力線に接続したことが好適である。
このように本発明によれば、第二主電力線の正(又は負)極性時に昇圧コンデンサに電荷を蓄積し、負(又は正)極性時に昇圧コンデンサに蓄積された電荷を充電コンデンサに移行させるが、この際第二電力線が負(又は正)極性であるため、充電コンデンサ自体の充電電圧に昇圧コンデンサからの充電電圧が重畳し、高電圧を得ることができる。
In the lighting device, a choke coil is connected in series with the discharge lamp, a resonance capacitor is connected in parallel, and the resonance power of the choke coil and the resonance capacitor oscillated by supplying AC power is supplied to the first and second It is preferable to supply the main power line.
Further, in the lighting device, the boost diode of the charging means has its anode connected to the second main power line, its cathode connected to the boost capacitor via a resistor, and the other end of the boost capacitor connected to the first main power line. Is preferred.
As described above, according to the present invention, the charge is accumulated in the boost capacitor when the second main power line is positive (or negative) polarity, and the charge accumulated in the boost capacitor when the second main power line is negative (or positive) polarity is transferred to the charging capacitor. In this case, since the second power line has a negative (or positive) polarity, the charging voltage from the boosting capacitor is superimposed on the charging voltage of the charging capacitor itself, and a high voltage can be obtained.
本発明によれば、昇圧ダイオード及び昇圧コンデンサにより充電コンデンサへ高電圧で充電し、この高電圧を放電ギャップに印加することとしたので、大容量且つ高耐電圧の複数の充電コンデンサ、或いは専用の昇圧トランスを用いることなく、イグナイタを構成することが可能となる。 According to the present invention, the charging capacitor is charged with a high voltage by the boosting diode and the boosting capacitor, and this high voltage is applied to the discharge gap. Therefore, a plurality of charging capacitors having a large capacity and a high withstand voltage, or a dedicated capacitor An igniter can be configured without using a step-up transformer.
以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態を説明する。
図1は本発明の一実施形態にかかる放電灯点灯装置100の構成が示されており、前記図3と対応する部分には符号100を加えて示し、説明を省略する。
同図に示す点灯装置100は、DC−DCコンバータ102の出力を電源とする、4個のスイッチング素子(MOSFET)110,112,114,116から構成されるフルブリッジ回路118の出力に、チョークコイル120と共振コンデンサ122を直列に接続した共振回路124とを有し、前記共振コンデンサ122に並列に負荷となる高圧放電ランプ130を備えている。
Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows the configuration of a discharge
The
本実施形態において特徴的なイグナイタは、パルストランス132と、放電手段134と、充電手段136とを含む。
そして、前記パルストランス132は、その二次巻線N2が放電ランプ130と直列に接続されている。
また、前記放電手段134は、放電ギャップ140と充電コンデンサ137を含み、第二主電力線128−充電コンデンサ137−放電ギャップ140−パルストランス132の一次巻線N1−第二主電力線128となるように接続された放電回路を備える。
The igniter that is characteristic in the present embodiment includes a
The
The discharge means 134 includes a
また、前記充電手段136は、昇圧回路と充電ダイオード及び充電抵抗を備える。
前記昇圧回路は、昇圧コンデンサ170、抵抗172及び昇圧ダイオード174を含み、第二主電力線128−昇圧ダイオード174−抵抗172−昇圧コンデンサ170−第一主電力線126となるように、前記放電ランプ130と並列に接続されている。
また、充電ダイオード176は、前記昇圧コンデンサ170と抵抗172との接続点と、前記放電ギャップ140と充電コンデンサ137の接続点との間に設置されており、充電抵抗178を介して充電コンデンサ137に充電を行う。
The charging
The booster circuit includes a
The charging
そして、前記共振電力の一極性時に昇圧ダイオード174により昇圧コンデンサ170に電荷を蓄積し、他極性時に前記昇圧コンデンサ170の電荷を、充電ダイオード176及び充電抵抗178を介して前記充電コンデンサ137に充電する。
次に、本発明にかかる点灯装置の動作について説明する。
周知のように、DC−DCコンバータ102により調圧された直流電源電力はフルブリッジ回路118により交流化され、さらに共振回路124により所望の無負荷共振電圧を出力する共振周波数に調整されて放電ランプ130に供給され、該ランプ130の点灯を行う。
Then, the charge is accumulated in the
Next, the operation of the lighting device according to the present invention will be described.
As is well known, the direct-current power adjusted by the DC-
一方、始動時にはランプ130の絶縁破壊を行うため、無負荷高周波電圧をチョークコイル120とコンデンサ122から構成される共振回路124により出力させる。すなわち、フルブリッジ回路118は数十kHzのスイッチングを行い、極性反転動作をする。ここで、昇圧ダイオード174のアノード側が+極性の場合、昇圧コンデンサ170にはダイオード174、抵抗172を通じて電荷が充電される。一度充電された電荷の量は、ダイオード174の作用により極性が反転するまで減ることはなく、昇圧コンデンサ170に充電されたままとなる。次にこの状態で共振コンデンサ122両端に出力される電圧の極性が反転した場合、充電コンデンサ137には昇圧コンデンサ170、充電ダイオード176、充電抵抗178を通じて電荷が充電される。この時に前サイクルにて昇圧コンデンサ170に充電されていた電荷も合わせて充電コンデンサ137に充電されることになる。
On the other hand, in order to cause dielectric breakdown of the
すなわち充電コンデンサ137には1回の充電サイクルにて、本来充電される電荷量の2倍の電荷量を充電することができる。従って、このサイクルを繰り返すことにより、充電コンデンサ137端の電圧は本来上昇しうる最大値の概ね2倍の値まで上昇することができる。
この本来上昇しうる最大値は、高周波無負荷電圧のピーク値であり、その値は600〜700V程度であるから、コンデンサ137端の電圧は1200V〜1400Vにまで上昇することが可能となる。
結果として、ブレイクオーバー電圧が800V程度の放電ギャップ140を導通させることが可能となり、イグナイタ動作が実施される。
That is, the
The maximum value that can be raised is the peak value of the high-frequency no-load voltage, and the value is about 600 to 700V. Therefore, the voltage at the
As a result, it becomes possible to conduct the
より具体的に、抵抗172を10kΩ程度、充電抵抗178を50kΩ程度とし、昇圧コンデンサ170を10000pF程度のコンデンサとする。この10000pFの昇圧コンデンサ170は、耐圧630V程度のチップコンデンサを使用することが可能である。ダイオード174,176にはそれぞれ耐圧が1600V程度のものを使用し、放電ギャップ140は前述した通り800Vのものとする。また、放電ギャップ140をブレイクオーバーさせるための電圧を供給する充電コンデンサ137は、耐圧が800V以上で、大きな電流の充放電に耐えられるフィルムコンデンサであり、その容量は3000〜5000pF程度のものであるが、図3で表されるようにフィルムコンデンサを2個使用していた従来例と比較して使用フィルムコンデンサは1個となり、装置の小型化に寄与している。
More specifically, the
この構成にて、フルブリッジ回路118を数十kHzでスイッチングさせ、共振回路124に無負荷共振電圧を発生させる。この時、共振回路124のコンデンサ122端に出力される無負荷共振電圧は、前述した通り実効値で300〜400V、ピーク値で600〜700Vの高周波電圧である。
この無負荷共振電圧を受けて、本発明のイグナイタ充電回路がイグナイタ動作を開始する。すなわち、コンデンサ170は、共振電圧の反転サイクルごとに抵抗172の抵抗値とコンデンサ170の容量の時定数で決まる電荷量を充放電する。コンデンサ170から電荷が放電されるサイクルにおいては、反転した共振電圧によりコンデンサ137に電荷が充電され、それに加えてコンデンサ170から放電された電荷がコンデンサ137に充電される。これを繰り返すことでコンデンサ137の電圧が上昇し、数百サイクルにてコンデンサ137の電圧が800Vに達し、放電ギャップ140がブレイクオーバーする。その結果、点灯装置の出力には高圧のパルス電圧が出力されることになる。前述したコンデンサ137、170、抵抗172,178の定数であれば、共振周波数を約40kHzとしておよそ800サイクルごとに充電コンデンサ137の電圧が800Vに達して点灯装置は高圧パルスを出力する。言い替えれば、1秒間に50発前後のパルスを出力できることになる。このパルスの出力数は、本発明の充電回路の時定数により調整することが可能である。
With this configuration, the
Upon receiving this no-load resonance voltage, the igniter charging circuit of the present invention starts the igniter operation. That is, the
図2は、本発明回路によるコンデンサ137の充放電によるコンデンサ137端の電圧波形であり、電圧が800Vに達するごとにブレイクオーバーして電圧が上昇、下降を繰り返しているのが確認できる。
以上述べたように、本発明によればパルストランス以外の昇圧トランス、及びそれに付随する半導体スイッチ、ダイオード、コンデンサを用いる必要がなく、また充電回路の充電コンデンサとして使用するフィルムコンデンサを複数使用することなく、小型で安価なイグナイタ充電回路を構成することができる。
FIG. 2 is a voltage waveform at the end of the
As described above, according to the present invention, there is no need to use a step-up transformer other than a pulse transformer, and accompanying semiconductor switches, diodes, and capacitors, and use a plurality of film capacitors used as charging capacitors for a charging circuit. Thus, a small and inexpensive igniter charging circuit can be configured.
30,130 放電灯
32,132 パルストランス
34,134 放電手段
36,136 充電手段
37,137 充電コンデンサ
40,140 放電ギャップ
170 昇圧コンデンサ
174 昇圧ダイオード
176 充電ダイオード
178 充電抵抗
30, 130
Claims (3)
二次巻線が放電ランプと直列に接続されたパルストランスと、
放電ギャップと充電コンデンサを含み、充電コンデンサ−放電ギャップ−パルストランスの一次巻線となるように接続された放電回路を前記第二主電力線に並列接続した放電手段と、
前記充電コンデンサに放電ギャップのブレークオーバー電圧まで電荷を充電する充電手段と、を含み、
前記充電手段は
昇圧コンデンサ及び昇圧ダイオードを含み、第二主電力線−昇圧ダイオード−昇圧コンデンサ−第一主電力線となるように、前記放電ランプと並列に接続された昇圧回路と、
前記昇圧コンデンサと昇圧ダイオードの接続点と、前記放電ギャップと充電コンデンサの接続点との間に設置された充電ダイオード及び充電抵抗を備え、
前記交流電力の一極性時に昇圧ダイオードを介して昇圧コンデンサに電荷を蓄積し、他極性時に前記昇圧コンデンサの電荷を、充電ダイオード及び充電抵抗を介して前記充電コンデンサに充電することを特徴とする放電灯点灯装置。 In the lighting device that supplies AC power via the first main power line and the second main power line and lights the discharge lamp,
A pulse transformer in which the secondary winding is connected in series with the discharge lamp;
A discharge means including a discharge gap and a charge capacitor, and connected in parallel to the second main power line, a discharge circuit connected to be a primary winding of the charge capacitor-discharge gap-pulse transformer;
Charging means for charging the charge capacitor up to a breakover voltage of a discharge gap,
The charging means includes a boost capacitor and a boost diode, and a boost circuit connected in parallel with the discharge lamp so as to be a second main power line-boost diode-boost capacitor-first main power line;
A connection point between the boost capacitor and the boost diode, and a charging diode and a charging resistor installed between the discharge gap and the connection point of the charging capacitor;
Charge is accumulated in the boost capacitor via the boost diode when the AC power is in one polarity, and the charge capacitor is charged via the charge diode and a charging resistor in the other polarity. Electric light lighting device.
3. The apparatus according to claim 1, wherein the boosting diode of the charging means has an anode connected to the second type power line, a cathode connected to the boosting capacitor via a resistor, and the other end of the boosting capacitor connected to the first main power line. A discharge lamp lighting device characterized by being connected.
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