JP2010511272A - 高圧放電ランプを点灯するための回路および方法 - Google Patents

高圧放電ランプを点灯するための回路および方法 Download PDF

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Abstract

第1の主電極(HaE1)および第2の主電極(HaE2)を備えた主発光室(HaBK)と補助発光室(HiBK)とを有する高圧放電ランプ(LA)を点灯するための回路および相応の方法であって、インバータ(10)と、該インバータ(10)の電子的スイッチ(S1,S2,S3,S4)を駆動制御するための駆動制御回路と、点灯補助回路(14)とを有し、該点灯補助回路(14)は、第1の入力端子(ZE1)および第2の入力端子(ZE2)と、該高圧放電ランプ(LA)の第1の主電極(HaE1)を接続するための第1の出力端子(ZA1)と、該高圧放電ランプ(LA)の第2の主電極(HaE2)を接続するための第2の出力端子(ZA2)と、該補助発光室(HiBk)内に点灯補助電圧を誘導するための補助電極(HiE)であって前記第1の出力端子の側に配置された補助電極(HiE)とを有し、該点灯補助回路(14)は、出力端に前記高圧放電ランプ(LA)を点灯するための電圧を出力するカスケード回路を含む回路および相応の方法。

Description

本発明は、第1の主電極と第2の主電極とを有する主発光室と、補助発光室とを有する高圧放電ランプを点灯するための回路であって、少なくとも1つの第1の電子的スイッチと第2の電子的スイッチと第1の出力端子と第2の出力端子とを有するインバータと、該インバータの電子的スイッチを駆動制御するための駆動制御回路と、第1の入力端子および第2の入力端子を備えた点灯補助回路と、前記高圧放電ランプの第1の主電極を接続するための第1の出力端子と、前記高圧放電ランプの第2の主電極を接続するための第2の出力端子と、前記補助発光室に点灯電圧を誘導するための補助電極とを備え、前記第1の入力端子は前記インバータの第1の出力端子に結合されており、前記第2の入力端子は前記インバータの第2の出力端子に結合されており、前記補助電極は前記第1の出力端子の側に配置された回路に関する。本発明はさらに、第1の主電極と第2の主電極とを有する主発光室と補助発光室とを備えた高圧放電ランプを、前記のような回路で点灯するための方法にも関する。
従来技術
上位概念に記載のこのような回路は、たとえばテレビ分野で後方照明に使用される。その際には、高圧放電ランプを一定の方形波電流で動作させるか、または段階的な方形波電流で動作させる。典型的な動作周波数は100Hzである。現在のところ、高圧放電ランプを点灯するために使用される手段として、2つの異なる手段が存在する。1つの手段は共振点灯である。これを実現するための手間は比較的小さいが、この共振点灯の大きな欠点は、高温の高圧放電ランプの再点灯時間が約120秒と長くなることである。共振点灯では、たとえばLC回路を共振させ、共振の過剰な上昇によって発生した高電圧を点灯に使用する。他方の手段はいわゆるパルス点灯として知られている。これは、たとえばサイダックまたは火花放電区間等の素子を降伏させることを特徴とする。パルス点灯の再点灯時間は、10〜20秒と比較的短い。しかし、残念ながらパルス点灯方式の回路の実装手間は格段に高くなるので、コストが不所望に高くなる。
本発明の開示
それゆえ本発明の課題は、未だ高温の高圧放電ランプの再点灯を可能な限り短い再点灯時間で、かつ可能な限り低い実装コストで実現できるように、上位概念に記載の回路ないしは上位概念に記載の方法を発展させることである。
この課題は、請求項1記載の特徴を備えた回路および請求項9記載の特徴を備えた方法により解決される。
本発明の基礎となる認識は、ベースとして共振点灯方式を使用し、この共振点灯方式を、高い成極電圧を生成するように構成された点灯補助回路によって補足し、高圧放電ランプの補助電極と、対向する主電極との間に最大電圧が生成されるように該成極電圧を適切な位相で印加することで、上記課題を解決することが可能になることである。こうするために点灯補助回路は、出力端において高圧放電ランプを点灯するための電圧を出力するカスケード回路を含み、該カスケード回路の出力は、前記補助電極と前記点灯補助回路の第2の出力端子とによって形成される。
このような構成により、点灯補助回路を非常に低い電流に対して構成すればよくなり、最終的には、短い再点灯時間かつ低いコストで非常に高信頼性の点灯システムが実現される。
1つの有利な実施形態では、点灯回路はさらに、点灯補助回路の第1の入力端子と第2の入力端子との間に結合された共振コンデンサを有し、該共振コンデンサの第1の端子は前記点灯補助回路の第1の出力端子に結合されており、該共振コンデンサの第2の端子は前記点灯補助回路の第2の出力端子に結合されている。
有利には、点灯補助回路はさらに、第1のカスケードコンデンサと、第1のカスケードダイオードと、第2のカスケードダイオードとを有し、前記共振コンデンサの第1の端子はさらに、該第1のカスケードコンデンサと第2のカスケードダイオードとの直列回路を介して前記補助電極に結合されており、前記第1のカスケードコンデンサの接続点は第2のカスケードダイオードのアノードと第1のカスケードダイオードのカソードとに結合されており、前記第1のカスケードダイオードのアノードは前記共振コンデンサの第2の端子に結合されている。このような構成により、巧妙に高電圧を生成して補助電極に印加する点灯カスケードが実現される。このことによって、補助発光室内にエキシマ放電が生成され、該エキシマ放電は主発光室内の点灯をトリガする。
適切な構成で、共振コンデンサに印加された電圧をほぼ3倍にすることができる。したがって、共振コンデンサにおける電圧が約2.5kVであることを前提とすると、本発明による方法によって最大7.5kVの点灯電圧を生成することができる。このような補助電圧は、補助電極と、対向する主電極との間に印加される。
有利には、点灯補助回路はさらに、共振コンデンサの第2の端子と第2のカスケードダイオードのカソードとの間に結合されたオーム抵抗器を有する。これによって、第1のカスケードコンデンサが充電される速度と、高圧放電ランプの通常の動作時に存在したままである残留電圧を制御することができる。なおかつ、オーム抵抗の値は0近くになることができる。
有利には、点灯補助回路はさらに第2のカスケードコンデンサを有する。この第2のカスケードコンデンサの第1の端子は第1のカスケードダイオードのカソードに結合されており、該第2のカスケードコンデンサの第2の端子は補助電極に結合されている。このような構成により、システムに起因して補助電極と、対向する主電極との間に生じる容量を向上することができる。このことによって電圧のリプルが低減され、再点灯時間が短縮される。
1つの有利な実施形態では、点灯補助回路はさらにマッチング回路網を有する。このマッチング回路網は点灯補助回路の第1の入力端子および第2の入力端子と、共振コンデンサの第1の端子および第2の端子との間に結合されている。その際に有利なのは、マッチング回路網は少なくとも1つのインダクタンスを有し、とりわけ第1のインダクタンスおよび第2のインダクタンスを有し、該第1のインダクタンスは点灯補助回路の第1の入力端子と共振コンデンサの第1の端子との間に直列に結合され、第2のインダクタンスは点灯補助回路の第2の入力端子と共振コンデンサの第2の端子との間に直列に結合されている。この少なくとも1つのインダクタンスは共振コンデンサとともに、本願の点灯補助回路の基礎となる共振回路を構成する。このことによってさらに、インバータの固定的な出力電圧パターンを簡単かつ低損失で、高圧放電ランプが動作で必要とする電流に変換することができる。それと同時に高圧放電ランプには、その時点で提供されている電流で得られる固有の電圧を設定する必要な自由度が与えられる。さらに、前記少なくとも1つのインダクタンスは次のような反射ノイズ軽減フィルタ(Rueckschlagsfilter)として、すなわち、高圧放電ランプがインバータに及ぼす妨害作用を減衰すると同時に該インバータのスイッチング過程自体に好影響を及ぼす反射ノイズ軽減フィルタとして作用する。
第1のカスケードコンデンサと第1のカスケードダイオードと第2のカスケードダイオードとが第1のカスケード段を構成する場合、さらに有利には点灯補助回路は、該第1のカスケード段と、点灯回路の第1の出力端子、第2の出力端子および補助電極との間に結合された少なくとも1つの第2のカスケード段を有するように構成することができる。複数のカスケード段を直列に配置することにより、点灯補助回路の出力側に出力される電圧を任意の高さに調整することができる。
従属請求項にさらに別の有利な実施形態が示されている。
本発明による回路に関して述べてきた有利な実施形態ならびにそれらの利点は、適用可能であるかぎり、本発明による方法にも相応にあてはまる。
次に、本発明による回路の実施例について添付の図面を参照しながら詳しく説明する。
本発明による回路の構成を示す概略図である。 図1の3つのパラメータの時間特性を示しており、同図では第2のカスケードダイオードは短絡に置換されている。 第2のカスケードダイオードが使用される場合の、図2のパラメータの時間特性を示す。
本発明の有利な実施形態
図1は、本発明による回路の1つの実施例の構成を示す概略図である。同図にはインバータ10が示されており、該インバータ10の入力端子WE1,WE2に直流電圧が印加され、通常はいわゆる中間回路電圧UZWが印加される。インバータ10のスイッチS1〜S4は公知のように、制御装置12によって駆動制御されることにより、該インバータ10の出力端子WA1,WA2に方形波信号を生成する。1つの有利な実施例では、方形波信号の系列は30kHz〜100kHzの間である。当業者に自明であるように、インバータ10をフルブリッジ回路によって構成するのではなく、ハーフブリッジ回路として構成することもできる。
インバータ10の出力端子WA1は点灯補助回路14の入力端子ZE1に接続されており、該インバータ10の出力端子WA2には該点灯補助回路14の入力端子ZE2に接続されている。点灯補助回路14はまず、インダクタンスL1およびL2を含むマッチング回路網を有する。これらは共振コンデンサCRESとともに共振回路を構成する。その際には、インダクタンスL1およびL2を2つの独立した部品とすることができ、これらのインダクタンスの値を等しくすることができるが、このことは必須ではない。ここではとりわけ、両インダクタンスのうち1つのインダクタンスをほぼ0にすることができる。特に有利には、これらのインダクタンスを、2つの巻線が同一の磁性コアに取り付けられた複合部品によって形成することができる。ここでは、インダクタンスL1と共振コンデンサCresとの接続点が接続点2によって示されており、インダクタンスL2と共振コンデンサCresとの接続点が接続点1として示されている。接続点2は点灯補助回路14の第1の出力端子ZA1を形成し、接続点1は該点灯補助回路14の出力端ZA2を形成する。さらに点灯補助回路14は補助電極HiEを有し、該補助電極HiEは高圧放電ランプLAの補助発光室に配置されており、螺旋形に形成されている。点灯補助回路14の出力端子ZA1は高圧放電ランプLAの第1の主電極HaE1に接続されており、該点灯補助回路14の出力端子ZA2は該高圧放電ランプLAの第2の主電極HaE2に接続されていることにより、該第1の主電極HaE1および第2の主電極HaE2は高圧放電ランプの主発光室HaBk内に引き込まれている。接続点2と補助電極HiEとの間に、第1のカスケードコンデンサCHV1と第2のカスケードダイオードD2との直列回路が配置されている。ここでは、カスケードダイオードD2のカソードは接続点3として示されており、第1のカスケードコンデンサCHV1と第2のカスケードダイオードD2との接続点は接続点5として示されている。接続点1と接続点5との間に、オーム抵抗器Rと第1のカスケードダイオードD1との直列回路が配置されている。ここでは、オーム抵抗器RとカスケードダイオードD1のアノードとの接続点は接続点4として示されている。接続点4と接続点3との間にオプションとして、第2のカスケードコンデンサCsysを配置することができる。図1に示されているように、共振コンデンサCresにおいて降下する電圧、すなわち接続点1と接続点2との間で降下する電圧を、電圧U12と称する。接続点1と第2のカスケードダイオードD2のカソードとの間で降下する電圧、すなわち接続点1と接続点3との間で降下する電圧を、電圧U13と称する。接続点3と接続点2との間の電圧をU32と称する場合、電圧U13は以下の数式にしたがって得られる。
13=U12−U32
電圧U13をこのようにして求めることが必要である理由は、電圧U12およびU32と比較して、電圧U13を測定するのが困難であるからだ。
動作を説明するために、図2および3も参照する。図2は、第2のカスケードダイオードD2が短絡に置換された場合の電圧U12,U32およびU13の時間特性を示し、図3は、第2のカスケードダイオードD2が使用される場合の相応の特性を示す。また、電圧U12,U32およびU13に対する共通のゼロ線は、図2および3に示されたグラフに相応に示された中間の線であることにも留意されたい。
インダクタンスL1およびL2と共振コンデンサCresとを有する直列共振回路を介して、共振コンデンサCresに電圧U12が発生する。このことに関しては、以下のことに留意すべきである。素子L1,L2およびCresによって定義される共振周波数の1/3,1/5または1/7でフルブリッジ回路が動作することにより、該フルブリッジ回路は、形成された共振電圧のちょうどゼロ交差でスイッチングされる。図2および3では、発生した共振電圧が正または負の最大値をとることから、このスイッチング時点を認識することができる。その間には、共振回路にエネルギーが供給されず、電圧は指数関数にしたがって次第に消失する。方形波電圧によるこのような刺激によって、共振コンデンサCresにおける共振電圧は正弦波電圧として形成される。
電圧U12は、定電流を含まない正弦波形の交流電圧である。このような電圧により、接続点1が接続点2に対して正の極性を有する場合、充電抵抗として作用するオーム抵抗器Rと第1のカスケードダイオードD1とを介して第1のカスケードコンデンサCHV1が充電される。ダイオードD2が存在しない場合、すなわち接続点5と接続点3とが短絡によって接続されている場合、第1のカスケードコンデンサCHV1は、実質的に一定の充電量を有する。すなわち電圧U32は、振幅がほぼ変化しない定電圧である。このことに関しては、図2を参照されたい。電圧U13は、電圧U12と電圧U32との差を形成することによって得られる。それゆえ図2では、電圧U13は電圧12より、U32の絶対値だけ低減されている。この電圧は、第2の主電極HaE2と補助電極HiEとの間に印加され、補助発光室HiBk内でエキシマ放電を生成することによって点灯を支援する。
図3中の電圧U32の時間特性と図2中の電圧U32の時間特性とを比較すると分かるように、第2のカスケードダイオードD2を使用することによって、電圧U32も同様に正弦波形になる。その際には最小振幅は、図2中の電圧U32に相応する。このことによって、電圧U13の時間特性は0まで低減されることがなくなり、連続的に顕著に現れる平均値を形成するようになる。このことによって、補助発光室内のエキシマ放電の発生が非常に良好になり、本発明による点灯補助回路を有さない回路と比較して再点灯時間を、最大50%短縮することができる。
図2と図3との相違点に関して:まず、図2すなわち第2のカスケードダイオードを有さない実施形態に関して:
第1のカスケードダイオードD1に正の半波が現れた場合、これによって第1のカスケードコンデンサCHV1が充電される。第1のカスケードダイオードD1に負の半波が現れた場合、これによって第2のカスケードコンデンサCsysが充電される。しかし、第2のカスケードダイオードD2が無い場合、次に第1のカスケードダイオードD1に正の半波が現れると、コンデンサCsysが再充電される。このことによってU12はU32に等しくなり、電圧U13はゼロ位置を有するようになる。第2のカスケードダイオードD2によって、第2のカスケードコンデンサCsysの放電は阻止され、U12がU32に等しくなることが阻止され、U13はゼロ位置を有さなくなる。
離散的な第2のコンデンサCsysを設けるのではなく、この第2のコンデンサCsysを省略することもできる。というのも、この第2のコンデンサCsysはシステムに起因して、補助電極HiEと主電極HaE1,HaE2との間にいずれにしても存在するからである。
ランプLAの完全点灯後、共振回路は急激に大きく減衰される。この状況はインバータ10の制御部12によって識別され、このことに応答して高圧放電ランプは、持続動作パラメータによって動作するようになる。
第2のカスケードダイオードD2を有さない構成だけでもすでに、単純な共振点灯と比較して格段な改善が見られることが、図2および図3中の電圧U12およびU13を比較すると理解できる。

Claims (9)

  1. 第1の主電極(HaE1)および第2の主電極(HaE2)を備えた主発光室(HaBK)と補助発光室(HiBk)とを有する高圧放電ランプ(LA)を点灯するための回路であって、
    ・少なくとも1つの第1の電子的スイッチおよび1つの第2の電子的スイッチ(S1,S2,S3,S4)と、第1の出力端子(WA1)および第2の出力端子(WA2)とを有するインバータ(10)と、
    ・前記インバータ(10)の電子的スイッチ(S1,S2,S3,S4)を駆動制御するための駆動制御装置(12)と、
    ・点灯補助回路(14)
    とを有し、
    前記点灯補助回路(14)は、
    ・前記インバータ(10)の第1の出力端子(WA1)に結合された第1の入力端子(ZE1)と、該インバータ(10)の第2の出力端子(WA2)に結合された第2の入力端子(ZE2)と、
    ・前記高圧放電ランプ(LA)の第1の主電極(HaE1)を接続するための第1の出力端子(ZA1)と、
    ・前記高圧放電ランプ(LA)の第2の主電極(HaE2)を接続するための第2の出力端子(ZA2)と、
    ・前記第1の出力端子(ZA1)の側に配置された、前記補助発光室(HiBk)内に点灯補助電圧を誘導するための補助電極(HiE)
    とを有する回路において、
    前記点灯補助回路(14)は、出力端に前記高圧放電ランプ(LA)を点灯するための電圧を出力するカスケード回路を有し、
    前記カスケード回路の出力は、前記補助電極(HiE)と前記点灯補助回路(14)の第2の出力端子(ZA2)とによって形成される
    ことを特徴とする回路。
  2. 前記点灯補助回路(14)はさらに、該点灯補助回路(14)の第1の入力端子(ZE1)と第2の入力端子(ZE2)との間に結合された共振コンデンサ(Cres)を有し、
    前記共振コンデンサ(Cres)の第1の端子は、前記点灯補助回路(14)の第1の出力端子(ZA1)に結合されており、
    前記共振コンデンサ(Cres)の第2の端子は、前記点灯補助回路(14)の第2の出力端子(ZA2)に結合されている、請求項1記載の回路。
  3. 前記点灯補助回路(14)はさらに、
    ・第1のカスケードコンデンサ(CHV1)と、
    ・第1のカスケードダイオード(D1)と、
    ・第2のカスケードダイオード(D2)
    とを有し、
    前記共振コンデンサ(Cres)の第1の端子はさらに、前記第1のカスケードコンデンサ(CHV1)と前記第2のカスケードダイオード(D2)との直列回路を介して前記補助電極(HiE)に結合されており、
    前記第1のカスケードコンデンサ(CHV1)の接続点(5)は、前記第2のカスケードダイオード(D2)のアノードと前記第1のカスケードダイオード(D1)のカソードとに結合されており、
    前記第1のカスケードダイオード(D1)のアノードは前記共振コンデンサ(Cres)の第2の端子に結合されている、請求項2記載の回路。
  4. 前記点灯補助回路(14)はさらにオーム抵抗器(R)を有し、
    前記オーム抵抗器(R)は、前記共振コンデンサ(Cres)の第2の端子と前記第1のカスケードダイオード(D2)のアノードとの間に結合されている、請求項3記載の回路。
  5. 前記点灯補助回路(14)はさらに第2のカスケードコンデンサ(Csys)を有し、
    前記第2のカスケードコンデンサ(Csys)の第1の端子は前記第1のカスケードダイオード(D1)のアノードに結合されており、
    前記第2のカスケードコンデンサ(Csys)の第2の端子は前記補助電極(HiE)に結合されている、請求項3または4記載の回路。
  6. 前記点灯補助回路(14)はさらにマッチング回路網(L1,L2)を有し、
    前記マッチング回路網(L1,L2)は、前記点灯補助回路(14)の第1の入力端子(ZE1)および第2の入力端子(ZE2)と、前記共振コンデンサ(Cres)の第1の端子および第2の端子との間に結合されている、請求項1から5までのいずれか1項記載の回路。
  7. 前記マッチング回路網は第1のインダクタンス(L1)および第2のインダクタンス(L2)を有し、
    前記第1のインダクタンス(L1)は前記点灯補助回路(14)の第1の入力端子(ZE1)と前記共振コンデンサ(Cres)の第1の端子との間に直列に結合されており、
    前記第2のインダクタンス(L2)は、前記点灯補助回路(14)の第2の入力端子(ZE2)と前記共振コンデンサ(Cres)の第2の端子との間に直列に結合されている、請求項6記載の回路。
  8. 少なくとも前記第1のカスケードコンデンサ(CHV1)と第1のカスケードダイオード(D1)と第2のカスケードダイオード(D2)とが第1のカスケード段を構成し、
    前記点灯補助回路(14)は、前記第1のカスケード段と、前記点灯補助回路(14)の第1の出力端子(ZA1)、第2の出力端子(ZA2)および補助電極(HiE)との間に結合された少なくとも1つの第2のカスケード段を有する、請求項3から7までのいずれか1項記載の回路。
  9. 第1の主電極(HaE1)および第2の主電極(HaE2)を備えた主発光室(HaBK)と補助発光室(HiBk)とを有する高圧放電ランプ(LA)を点灯する方法であって、
    前記高圧放電ランプ(LA)を、
    ・少なくとも第1の電子的スイッチおよび第2の電子的スイッチ(S1,S2,S3,S4)と、第1の出力端子(WE1)および第2の出力端子(WE2)とを有するインバータ(10)と、
    ・前記インバータ(10)の電子的スイッチ(S1,S2,S3,S4)を駆動制御するための駆動制御装置(12)と、
    ・点灯補助回路(14)
    とを有する回路で点灯し、
    前記点灯補助回路(14)は、
    ・前記インバータ(10)の第1の出力端子(WA1)に結合された第1の入力端子(ZE1)と、該インバータ(10)の第2の出力端子(WA2)に結合された第2の入力端子(ZE2)と、
    ・前記高圧放電ランプ(LA)の第1の主電極(HaE1)を接続するための第1の出力端子(ZA1)と、
    ・前記高圧放電ランプ(LA)の第2の主電極(HaE2)を接続するための第2の出力端子(ZA2)と、
    ・前記第1の出力端子(ZA1)の側に配置された、前記補助発光室(HiBk)内に点灯補助電圧を誘導するための補助電極(HiE)
    とを有する方法において、
    a)前記点灯補助回路(14)に含まれるカスケード回路によって前記高圧放電ランプ(LA)を点灯するための電圧を生成するステップと、
    b)前記補助電極(HiE)と前記点灯補助回路(ZE2)の第2の出力端子(ZA2)との間に前記高圧放電ランプ(LA)を点灯するための電圧を生成するステップ
    とを実施することを特徴とする方法。
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