JP2009517826A - ガス放電ランプの操作システム及び方法、並びに当該システムの使用方法 - Google Patents

Abstract

本発明は少なくとも1つのガス放電ランプを操作するシステムに関する。当該システムは、実質的な方形波を発生させる方形波電源、並びに、1次巻線及び少なくとも1つの2次巻線を有する少なくとも1つの変圧器を有する。前記少なくとも1つの2次巻線は少なくとも1つのガス放電ランプとの接続が可能である。前記方形波電源は、前記の少なくとも1つの変圧器の1次巻線へ方形波電流を直接供するため、前記の少なくとも1つの変圧器の1次巻線と直接結合することができる。

Description

本発明は、少なくとも1つのガス放電ランプの操作システム及び方法並びに当該システムの使用に関する。

たとえば特許文献1に開示されているような、複数のランプに電力を供給する従来のバラストシステムは、交流電源、及び該電源への直接接続からランプを隔離する複数の変圧器を有する。そのシステムは、共振インダクタ及び変圧器の1次巻線のインピーダンスで形成される共振回路を有する。ランプを点灯させるのに必要な共振回路の共振キャパシタンスは、各変圧器のキャパシタンスによって生成される。共振インダクタンスは共振インダクタによって生成される。各変圧器の2次巻線はランプと接続する。

たとえ特許文献1のバラストが、十分に機能して複数のランプを駆動するとしても、そのバラストはランプを点灯させる共振回路を必要とする。またランプの接続又は切断は、他のランプ全体にわたる電圧に影響を及ぼす。

特許文献2は、蛍光ランプを操作する電力供給システムを供する。そのシステムは一定の電力を供給する。そのシステムは1つに直列接続する変圧器の1次巻線を与える。キャパシタは、変圧器の1次巻線によって直列に接続する。蛍光ランプは、変圧器の各2次巻線と接続する。その電力供給体は、制御された交流電圧を供する発振器を有する。この電圧は、複数のキャパシタ及びコイルを有する共振回路へ供される。1次巻線間に設けられたキャパシタと結合した共振回路は、電源の周波数を供給するように調節される。
米国特許第6232726号明細書 米国特許第4293799号明細書

たとえば製造コストの減少又は寿命の改善のため、バラストシステムを単純化することには一定の必要性がある。これはたとえば、部品の数を減らすことによって実現されて良い。従って共振回路を必要としないように改善されたバラストシステムを供することが望ましい。

本発明の第1態様によると、少なくとも1つのガス放電ランプを操作するシステムは：
-実質的な方形波を発生させる方形波電源、並びに、
-1次巻線及び少なくとも1つの2次巻線を有する少なくとも1つの変圧器、
を有し、
-前記少なくとも1つの2次巻線は少なくとも1つのガス放電ランプとの接続が可能であり、かつ
-前記方形波電源は、前記の少なくとも1つの変圧器の1次巻線へ方形波電流を直接供するように前記の少なくとも1つの変圧器の1次巻線と直接結合する。

部品数が減少して、システムが単純化することで、製造コストと労力が減少する。含まれる部品数が少ないシステムは、より強固でかつ寿命が長いことが分かる。電源を用いることで、1次巻線を流れる電流は実質的に一定となるので、ランプの負荷条件を感知する別個の監視用回路が不要となる。前記少なくとも1つのランプは、1次巻線のインダクタンスと方形波電流によって起動する。点灯前ではガス放電ランプは非伝導状態なので、電流の向きが切り替わるときには、2次巻線に電圧ピークが発生する。電源によって前記少なくとも1つのランプを給電することによって、一のランプの接続又は切断が、他のランプに影響を及ぼすことなく可能となる。

複数のランプを駆動する実施例では、当該システムは少なくとも2つの変圧器を有し、該少なくとも2つの変圧器は互いに直接かつ直列に結合している。本発明によると、共振回路を形成するために、キャパシタ又は他の如何なる部品を供する必要はない。複数のランプは、追加の共振回路なしでも動作することができるので、1次巻線と共振インダクタンスとの間にキャパシタを設ける必要がなくなる。

一の実施例では、当該システムは少なくとも2つのランプを有する。驚くべきことに、本発明によると、同一の2次巻線と接続する少なくとも2つのランプを操作することが可能なので、部品数をさらに減少させることができる。

本発明に係るシステムは、各異なるランプ出力を有する複数のランプを操作することができる。一定電流で1次巻線を駆動させることによって、少なくとも1つのランプのランプ出力は、他のランプのランプ出力とは異なった出力にして良い。

方形波電源は、直流電源と接続する4つのスイッチを有するフルブリッジ回路を有して良い。

当該システムはスイッチと接続する制御装置を有して良い。その制御装置は、スイッチの切り換え周波数を制御する。

他の実施例では、前記少なくとも1つの変圧器は自動変圧器を有する。

一の実施例では、切り換え周波数は、50Hzから1300Hzの範囲で、好適には90Hzから500Hzの範囲である。これらの切り換え周波数は、蛍光ランプのような低圧ガス放電ランプや金属ハライドランプのような高圧ガス放電ランプのいずれを駆動させるのにも適しているので、有利であることが分かる。高圧ガス放電ランプでの音響共振の発生を防ぐのに好ましい周波数は比較的低く、50Hzから10kHzであって良い。たとえば音響共振が弱められる周波数範囲内で高い周波数が用いられても良い。そのような周波数範囲は、100kHzから1300kHzの周波数を含む。蛍光ランプでは、50Hzから1300kHzの周波数範囲全てが用いられて良い。50Hz以上の周波数は、人間の目に見える点滅を防ぐことが分かっている。

前記少なくとも1つのランプはハライドガス放電ランプを有することが好ましい。前記少なくとも1つのランプはまた蛍光ランプをも有して良い。一例として、当該システムは、電力消費の範囲が約5Wから1200W、又は好適には20Wから200Wのランプを有する。

第2態様によると、本発明は、請求項1に記載のシステムを有する構築物を供する。

第3態様によると、本発明は、請求項1に記載のシステムの利用を供する。

本発明のこれら及び他の態様は、以降で説明する実施例を参照することで明らかとなる。

図1は、少なくとも1つのガス放電ランプを操作するシステム1を図示している。図1のブロック図は一例として7つのガス放電ランプ2を図示している。当該システムは、ライン6,8を介して外部電源との接続が可能な方形波電源4を有する。その電源は主部と接続していることが好ましい。多数の変圧器の1次巻線10は、電源4と直列に直接接続している。変圧器の2次巻線12は対応するガス放電ランプ2と接続する。

図2の修正実施例では、たとえば2つの変圧器20,22へ直接方形波電流を供するように電源4は再度配置される。しかしこの場合では、変圧器は自動変圧器である。変圧器の1次部分は直接に接続する。ランプ24,26は変圧器の2次部分と接続する。

図3はシステム1の一実施例を図示している。図3では、少なくとも1つの変圧器の1次巻線へ直接方形波電流を供するように方形波電源4は配置される。図3に図示されているように、当該システムが2つ以上の変圧器を有する場合、その変圧器の1次巻線40,42は直列に接続する。1次巻線は、互いに再度直接結合する。複数のランプ44-52、つまり2つ以上のランプ、は対応する巻線54-62と接続して良い。巻線54-62は、2次巻線として1次巻線40,42と取り外し可能な状態で接続する。つまりランプ及び巻線のユニットはいつでも、1次巻線の1つから取り外し可能だし、又は接続も可能である。

図4は、上述の実施例に適した比較的単純な形式の方形波電源を有するシステム1の実施例を図示している。4つのスイッチ82,84,86,88を有するフルブリッジ構成へ直流電流を供するように直流電源80が配置されている。スイッチは、たとえばFET又は適当な半導体スイッチのような電子スイッチを有することが好ましい。スイッチは既知の方法で、スイッチの切り換えを制御する制御装置に接続される。図4には制御装置は図示されていない。スイッチ82及び88が開くときにスイッチ86及び84が電流を流すように、スイッチは制御されている。その一方で、スイッチ86及び84が開くときにはスイッチ82及び88が電流を流す。よってたとえば2つの変圧器の1次巻線90,92に方形波が供されることで、スイッチ82からスイッチ88へ、又はスイッチ86からスイッチ84へ交流電流が流れる。一例として、ランプ98と接続する2次巻線94及びランプ100と接続する2次巻線96が図示されている。しかし方形波電源の構成は上述の実施例の如何なるものと組み合わせられても良い。

図5に図示されているように、使用中では、方形波電源は1次巻線に方形波電流を供する。図5では、電流iは縦軸で表され、時間tは横軸で表されている。各ガス放電ランプは、それぞれ別の機会に2種類の負荷を与える。それは、最初に使用前の高インピーダンスがかかり、それに続いてランプが点灯しているときの比較的低い抵抗がかかる。

変圧器の1次及び2次巻線で消費される電力は次式で表すことができる。

u_L1×i_L1=u_L2×i_L2 (1)
ここで、u_L1は1次巻線の電圧を、i_L1は1次巻線の電流を、u_L2は2次巻線の電圧を、及びi_L2は2次巻線の電流をそれぞれ表す。ランプの点灯前、対応する1次巻線にかかる電圧は、次式を用いて見積もることができる。

u_L1=L₁×di_L1/dt (2)
ここで、u_L1は変圧器の1次巻線のインダクタンスを表すLにかかる電圧で、di/dtはある期間での電流i_L1の変化である。

上の式(1)及び(2)から分かるように、1次巻線へ直接方形波電流を供することで、電流の流れる方向が切りかわる間に、2次巻線にかかる電圧のピークが発生する。図6は、ランプ起動中に2次巻線にかかる電圧u₂を図示している。横軸は時間tを表す。つまり対応するランプが点灯前に高インピーダンス状態にあるので、2次巻線を流れる電流i_L2は無視できる。ランプの点灯後、2次巻線にかかる電圧はランプのインピーダンスの抵抗特性のため低くなる。

たとえば蛍光ランプのような低圧ガス放電ランプを起動させるのに必要な1kVオーダーの電圧ピークを供することに加えて、本発明によるシステムは、たとえば高輝度放電ランプのような高圧ガス放電ランプを起動させるのに必要な5kVオーダーの電圧ピークを供することもできる。電圧ピークの高さは式(2)によって制御される。変圧器の比がL₁/L₂であるため、1次巻線にかかる電圧ピークは、n₂/n₁を乗じた2次巻線にかかる電圧ピークとなる。ここで、L₁は1次巻線のインピーダンスで、L₂は2次巻線のインピーダンスである。n₁は1次巻線の巻数で、n₂は2次巻線の巻数を表す。方形波電流を供することによって、電流の流れる方向は、電圧ピークが数キロボルトのオーダーとなりうるほど迅速に切りかわる。

本発明の実際的な実施例には、如何なる数の変圧器及びランプが含まれても良い。それらの数は電源の利用可能な電力に依存する。実際ランプの数は1から50であって良い。変圧器の数はランプの数以下であって良い。いずれにせよ、より便利になることは明らかである。方形波電流の周波数は、数Hzから最大で数kHz又はMHzの周波数であって良い。周波数は通常、ランプ特性に依存して決定される。

7つの20W、100Vガス放電ランプを操作する実際的な実施例は、たとえば図1のように7つの変圧器を有する。電源は150Wの最大容量を有し、かつ150Hzの方形波電流を供する。1次巻線の電流は3Aのオーダーである。ランプ電流は約200mAである。1次巻線と2次巻線との比は1V:24Vである。切り換え周波数は約220Hzである。変圧器の1次巻線のインピーダンスは約1mHである。電流の流れる方向を切り換えるのには約10μsかかる。2.6Aオーダーの電流が流れる場合には、ランプを接続するときに発生する電圧ピークは約6.24kVと推定される。実際ピークは、4.5kVオーダーであることが分かる。この値はほとんどのガス放電ランプを起動させるのに十分である。

他の実際的な実施例では、当該システムは、一の2次巻線と接続する70W、100Vランプ、及び他の2次巻線と接続する150W、100Vランプを有する。電源は150Wの最大容量を有する。1次巻線を流れる電流は約3Aである。70Wランプでの1次巻線と2次巻線との比は17.5V:100Vである。70Wランプでは、その比は35V:100Vである。つまり、変圧器の比は、2次巻線と接続するランプに基づいて決定される。

本発明によるシステムは、複数の点で従来技術を改善する。当該システムが有する部品の数は従来技術よりも少なくなるので、当該システムはより強固でかつ費用対効果の良いものとなる。方形波電流と変圧器の1次巻線を併用することによって、電流の流れる方向がほぼ瞬時に切りかわるので、低圧ガス放電ランプと高圧ガス放電ランプのいずれをも点灯させるのに十分なピーク電圧が、点灯前のランプに供される。電圧ピークは、低圧ガス放電ランプで約1kV及び高圧ガス放電ランプで約4-5kVである。本発明は、ランプ出力に依存して電源の出力を制御するフィードバックシステムを必要としない。図4に図示されたスイッチの切り換え周波数を制御する振動子で十分である。さらに1次巻線に供される方形波電流の振幅を制御することで、ランプの出力電力が減少する。

切り換え周波数は、50Hzから1300Hzの範囲で、好適には90Hzから500Hzの範囲である。これらの切り換え周波数は、蛍光ランプのような低圧ガス放電ランプや金属ハライドランプのような高圧ガス放電ランプのいずれを駆動させるのにも適しているので、有利であることが分かる。高圧ガス放電ランプでの音響共振の発生を防ぐのに好ましい周波数は比較的低く、50Hzから10kHzであって良い。その周波数があるレベルを超えていれば、音響共鳴は弱くなる。100kHzから1300kHzの周波数範囲のような高い周波数が用いられても良い。蛍光ランプのような低圧放電ランプを駆動させるには、50Hzから1300kHzの周波数範囲全てが用いられて良い。50Hz以上の周波数は、人間の目に見える点滅を防ぐことが分かっている。

そのランプには、たとえば蛍光ランプ、SOXランプ、アルゴンランプ、及び硫黄ランプのような低圧放電ランプが含まれて良い。そのランプにはさらに、水銀蒸気ランプ、ナトリウムランプ、無水銀ランプ、金属ハライドランプ、キセノンアーク放電ランプ、セラミックス放電金属ハライドランプ、石英高輝度放電ランプ等の高圧放電ランプが含まれて良い。

1次巻線に電流を供することによって、どのランプを接続又は切断しても他のランプにかかる電圧は影響を受けない。また1次巻線に電流が供されるので、各ランプは各異なるランプ出力を有して良い。

本発明は上の典型的実施例に限定されない。その実施例の修正型も、開示された請求項の技術的範囲内であると予想される。

本発明のシステムに係る第1実施例のブロック図を示している。 本発明のシステムに係る第2実施例のブロック図を示している。 本発明のシステムに係る第3実施例のブロック図を示している。 本発明のシステムに係る第4実施例のブロック図を示している。 本発明の方形波電源の方形波電流出力を概略的に図示している。 複数のランプのうちの1つが点灯している間にそのランプにかかる電圧を概略的に図示している。

Claims (15)

1. 実質的な方形波を発生させる方形波電源、並びに、
   1次巻線及び少なくとも1つの2次巻線を有する少なくとも1つの変圧器、
   を有する、少なくとも1つのガス放電ランプを操作するシステムであって、
   前記少なくとも1つの2次巻線は少なくとも1つのガス放電ランプとの接続が可能であり、かつ
   前記方形波電源は、前記の少なくとも1つの変圧器の1次巻線と直接結合することで、前記の少なくとも1つの変圧器の1次巻線へ前記方形波電流を直接供する、
   システム。
2. 少なくとも2つの変圧器を有するシステムであって、前記変圧器の1次巻線は互いに直接かつ直列に結合している、請求項1に記載のシステム。
3. 各ガス放電ランプは対応する2次巻線と接続する、請求項1又は2に記載のシステム。
4. 前記少なくとも1つの変圧器が自動変圧器を有する、上記請求項のうちいずれかに記載のシステム。
5. 前記方形波電源が4つのスイッチを有するフルブリッジ回路を有し、かつ
   前記スイッチは直流電源と接続する、
   請求項1に記載のシステム。
6. スイッチと接続する制御装置を有するシステムであって、前記制御装置は、前記スイッチの切り換え周波数を制御する、請求項5に記載のシステム。
7. 前記切り換え周波数が、50Hzから1300Hzの範囲で、好適には90Hzから500Hzの範囲である、請求項6に記載のシステム。
8. 少なくとも2つのガス放電ランプを有する、請求項1に記載のシステム。
9. 一のランプのランプ出力が他のランプのランプ出力とは異なる、請求項8に記載のシステム。
10. 2つのガス放電ランプが前記少なくとも1つの変圧器の2次巻線の1つと接続する、請求項8又は9に記載のシステム。
11. 前記電源が前記方形波電流の振幅を制御する手段を有する、請求項1に記載のシステム。
12. 前記少なくとも1つのランプがハライドガス放電ランプを有する、請求項1に記載のシステム。
13. 前記少なくとも1つのランプが蛍光ランプを有する、請求項1又は12に記載のシステム。
14. ガス放電ランプの操作方法であって：
    第1及び第2巻線を有する少なくとも1つの変圧器を供する手順；
    前記第2巻線に少なくとも1つのガス放電ランプを接続する手順；
    電源から前記第1巻線へ電流を直接供する手順；
    前記第1巻線ひいては前記第2巻線にかかるピーク電圧によって前記少なくとも1つのガス放電ランプを点灯させる電流の方向を切り換える手順；
    を有する方法。
15. 請求項1から14のうちのいずれかに記載のシステムの使用。
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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