JP2010525537A - ガス放電ランプ用のドライブ装置 - Google Patents

Abstract

ガス放電ランプLを駆動するドライブ装置100は、コントローラ6によって制御される、並列共振周波数f_R をもつ、当該ランプと直列に接続されたコイルL2と、当該ランプと並行に接続されたコンデンサC3とを備えた、4個のスイッチT1乃至T4を有するブリッジ構成をもつ転流回路5を有する。定常モードでは、コントローラは4個のスイッチT1 乃至T4を、100 Hzのオーダーの相対的に低い転流周波数で駆動する。ランプが依然として熱いときに、当該ランプを点灯するために、コントローラは4個のスイッチT1乃至T4を、第1の点火周波数f_P1＝f_R/n1で駆動する。ここでn1は奇数の整数である。ランプが冷たいときに、当該ランプを点灯するために、コントローラは4個のスイッチT1乃至T4を、第2の点火周波数f_P2＝f_R/n2で駆動する。ここでn2はn1よりも大きな奇数の整数である。

Description

本発明は、概して、放電ランプ、特に高強度放電（HID）ランプ、即ち、例えば高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプ、及びハロゲン化金属ランプなどの高圧ランプの分野に関する。

ガス放電ランプは普通に知られており、これゆえ、斯様なランプの設計の詳しい説明は、この明細書では必要としない。ガス放電ランプは、イオン化ガス又は気化物質で満たされた密閉容器内に位置している、2個の電極を有する。当該密閉容器は、通常、水晶又はセラミック材、例えば多結晶アルミナ（PCA）である。電極は互いから特定の距離を置いて配置され、動作の間、電気アークがこれらの電極間で維持される。

ガス放電ランプは、電子ドライバによって駆動されることができる。電子ドライバは普通に知られており、これゆえ、斯様な電子ドライバの設計の詳しい説明は、この明細書では必要としない。当該電子ドライバは、二つの重要な役割をもっている。一つの役割は、定常状態での動作の間、ガス放電を維持することであり、通常の設計において、当該ドライバは、約100 Hzのオーダーの転流周波数で、ランプに印加される転流電流を生成する。しかしながら、原理的には、直流動作も可能である。他の設計例では、より低い転流周波数又はより高い転流周波数も可能である。電子ドライバのもう一つの役割は、ランプが消えた場合、ランプを点灯することである。通常、点灯は、点灯フェイズにおいて、相対的に高い電圧で電圧信号を印加することによって実現される。原理的には、点灯は一定電圧でもよいが、しかし、より良い結果が、電圧パルス又は共振電圧を印加することによって得られる。

本発明は、特に、共振電圧をベースにした点灯機能をもっている電子ドライバに関する。

点灯に関する重要な課題は、点灯のために必要とされる電圧が、ランプの状態に依存することである。特にランプがちょうど消灯し、依然として熱いときに、再点灯のために必要とされる電圧は、ランプが冷たいときの状況と比較して、非常に高い可能性がある。例えば、熱い状態で必要とされる再点灯電圧と、冷えた状態での当該電圧との間の比率は、少なくとも2、そして、7又は8である可能性さえある。ランプが、自身の状態が何であれ点灯することを確実にするためには、熱い状態での再点灯のために必要とされる高電圧を常に印加することが、これ故、考えられねばならない。しかしながら、良好な状況で5 kV乃至8 kV程度は高いこの電圧は依然として大変高く、理由なく印加された場合、ランプの寿命を減じる可能性がある。更にまた、壊れたランプの場合、電子ドライバからランプへの経路にある部品が、高電圧によって損傷を受ける。従って、冷たい状態での点灯用に、より低い点灯電圧を印加することが望ましい。

この課題を解決する一つの可能な態様は、2個の点灯器を使用することであり、1個は、ランプが冷たいときに、相対的に「低い」高電圧を印加するためのものであり、もう一つは、ランプが熱いときに、「より高い」高電圧を印加するためのものである。しかしながら、斯様な解決策は、実用的でないし、高価である。

本発明の目的は、上述の課題を除去するか、又は少なくとも減じることである。

本発明の重要な態様によれば、電子ドライバは、相互に異なる電圧レベルで、少なくとも二つの異なる点灯信号を生成することができる点灯器を有している。更に、当該電子ドライバは、これらの点灯信号のうちのどちらが印加されねばならないかを自動的に決めることができる。

二つの異なる点灯信号を生成するために、点灯器は、コントローラによって制御された、二つの異なる動作周波数で動作することができる。従って、追加のハードウェア無しで、単一の点灯器が、熱い状態での再点灯と同様に冷たい状態での点灯のための適切な点灯信号を生成することができる。

考え得る実施例では、電子ドライバは、ランプの消灯から経過した時間を測定する。再点灯のためのコマンドが受信された場合、電子ドライバはこの時間を調べ、これが所定の閾値以下である場合、ランプは「熱い」と考えられ、最も高い電圧を伴う点灯信号が印加される。対照的に、当該時間が所定の閾値よりも長い場合、ランプは「冷たい」と考えられ、最低電圧を伴う点灯信号が印加される。

別の考え得る実施例では、電子ドライバは、常に両方の点灯信号を順番に印加する、即ち、第1番目に、最低電圧を伴う点灯信号が印加され、第2番目に、最高電圧を伴う点灯信号が印加される。ランプが冷たい場合、当該ランプは低電圧点灯信号を適用し、これは高電圧の点灯信号が適用されることを防止するであろう。ランプが熱い場合、低電圧点灯信号は点灯に不十分であると思われ、この結果、高電圧の点灯信号が自動的に生成されるであろう。

更に有利な詳細が、従属請求項で規定されている。

米国特許公開公報US 2004/0257001は、放電ランプを点灯させ動作させるためのバラスト配置を開示しており、点灯器は、相互に異なる周波数及び電圧レベルで、少なくとも二つの異なる点灯信号を生成することができる点に留意されたい。点灯後は、前記公報に記述されているウォームアップ・フェイズ及び/又は引き継ぎフェイズの間、点灯信号の周波数はステップ状に減じられる。反対に、本発明によれば、点灯のために必要とされる場合、点灯信号の周波数はステップ状に増やされる。

本発明のこれらの及び他の態様、特徴、並びに長所は、図面を参照して一つ又はこれより多くの好ましい実施例についての以下の説明の態様により解明されることであろう。 ここで、同一の参照番号は、同じ、又は同様の部品を意味する。

電子ドライバを概観的に示しているブロック図である。 周波数の関数として、点灯電圧を示しているグラフである。 第1の点灯方法を例示しているフロー図である。 第2の点火方法を例示しているフロー図である。

発明を実施する形態

図1は、放電ランプLを駆動するために、本発明による電子ドライバ100の可能な実施例の設計を概観的に示しているブロック図である。ランプLは、例えば、HIDランプ又はUHPランプである。電子ドライバ100は、主AC電圧1から入力されたAC入力電圧を整流するために、出力コンデンサとしてコンデンサC1を有する、AC／DC変換回路2を有する。斯様なAC／DC変換回路は、それ自体が公知であるので、その設計及び動作は詳細に説明されないであろう。

電子ドライバ100は、更に、「チョッパ」とも呼ばれている、変換回路によって供給されたDC電圧を入力する入力部と、ランプ電流を供給する出力部とをもつ、制御された／切替え型のDC/DC変換回路3を有する。当該チョッパは、
- スイッチングトランジスタT0と、
- スイッチングトランジスタT0と直列に接続されたコイルL1と、
- 出力端子と平行に接続された出力コンデンサC2と、
- スイッチングトランジスタT0とコイルL1との間のノードに接続されたダイオードD1と、を有する。
斯様なチョッパ回路は、それ自体が公知であるので、その設計及び動作は詳細に説明されないであろう。スイッチングトランジスタT0は、とりわけ、アーク放電がランプ中で絶えず起こる通常の動作フェイズ、即ちランプが「ON」であるときに、ランプ電流を安定させるために、制御回路4によって既知の方法で制御される。

電子ドライバ100は、更に、チョッパ3によって供給された電流を入力する入力部をもつ、電流源として作用する、転流回路5を有する。図の実施例では、転流回路5は、2個のスイッチングトランジスタT1、T2の間にある第1のノードP1を備え、転流回路5の二つの入力端子の間に直列に接続された2個のスイッチングトランジスタT1、T2がある第1の分岐と、2個のスイッチングトランジスタT3、T4の間にある第2のノードP2を備え、転流回路5の二つの入力端子の間に直列に接続された2個のスイッチングトランジスタT3、T4がある第2本の分岐と、を有する。転流回路5は、更に、
- 二つのノードP1とP2との間に接続された、ランプLを接続するためのランプ出力端子から成る、対角線の分岐と、
- ランプ出力端子と直列に配置されたコイルL2と、
- ランプ出力端子と並列に配置されたランプ・コンデンサC3と、を有する。

コントローラ6は、4個のスイッチングトランジスタT1乃至T4の切替えを制御する。アーク放電がランプL内で連続して起こる、即ち、ランプが「ON」である、通常の動作フェイズでは、対角線で向かい合っているトランジスタT1及びT4がオン（導通状態）になり、他の2個のトランジスタT2及びT3がオフになるか、又はその逆になるかの何れかとなるよう、制御回路6は、スイッチングトランジスタT1乃至T4に、相対的に低周波のスイッチング電圧を供給し、この結果、ランプ電圧は、通常約70V乃至130Vのオーダーである、相対的に小さな、又は相対的に中程度の振幅をもつ方形波をした供給電圧がランプに供給される。この通常の動作フェイズ、即ち定常フェイズにおいて、スイッチング周波数は定常転流周波数と呼ばれることであろう。この周波数は、より高い周波数も可能であろうが、通常約40 Hz乃至200 Hzのオーダーである。

通常の動作フェイズは、点灯フェイズよりも後にあり、点灯フェイズの間、ランプは高電圧の信号によって点灯される。再度、コントローラ6は、ペアの態様でT1乃至T4をオンにするよう、スイッチングトランジスタT1乃至T4に対する制御信号を生成する。即ち、T1及びT4、又はT2及びT3がオンにされるが、しかしここでは、スイッチング周波数は、コイルL2及びランプ・コンデンサC3によって規定されている直列の共振回路を励起するために、より高い。この直列の共振回路は、共振時は、ランプLのアーク放電に着火することができる電圧振幅で、ランプ・コンデンサC3間に、共振している高電圧の信号を発生する。この電圧振幅の正確な値は、図2を参照して後述されるように、スイッチング周波数に依存する。

図2は、例えば300μHのコイルL2と、2.2 nFのランプ・コンデンサC3との組合せに対する、スイッチング周波数f（水平軸、単位［Hz］）の関数として、ランプ端子間の電圧振幅（垂直軸、単位［ボルト］）の計算結果を示しているグラフである。この電圧は、一連の特徴的なピークを示すことが見てとれ、LCによる共振周波数は、スイッチング周波数の奇数次高調波である。図の最も右側にあるピークは、コイル／コンデンサの組合せであるこの実施例の共振周波数に相当し、当該ピークは、f_Rとして示され、この場合は、大体200 kHzであり、対応する点灯電圧はほぼ15 kVで、この電圧は、通常のガス放電ランプに対しては高過ぎる。

約70 kHzの周波数にある第2のピークは、このコイル/コンデンサの組合せによる共振周波数の1/3、即ちf_R /3に相当し、対応する点灯電圧はほぼ5 kVであり、この電圧は、ガス放電ランプの熱い状態での再点灯に適している。

約40 kHzの周波数にある第3のピークは、f_R /5に相当し、対応する点灯電圧はほぼ3 kVであり、この電圧は、ガス放電ランプの冷たい状態での点灯に適している。

図2は、更に、常に減少してゆくピーク電圧をもった、共振周波数f_R /7、f_R /9等でのピークを示している。

（

によって決定される）共振周波数は、L2及びC3の種々異なる組合せに対して種々異なる値をもつことができる点に留意されたい。しかしながら、図2に例示されている概略の態様は引き続き有効である。即ち、ランプ・コンデンサC3間の電圧は、f_R/nのスイッチング周波数でのピークを示すことであろう。ここでnは奇数の整数であり、低くなったピーク共振周波数では、ピークの共振電圧は減少する。この所見に基づいて、本発明は二つの異なるピーク周波数の値f_P1＝f_R /n1、及びf_P2＝f_R /n2の選択を提案する。ここでn2＞n1であり、f_P1は熱い状態での点灯のために使用し、f_P2は冷たい状態での点灯のために使用する。

本例では、 n1=3 及びn2=5である。f_R/3での共振ピークが、共振周波数f_R より下にある最初のピークであることに留意されたい。しかしながら、n1が常に3に等しいことは必要ではなく、設計、部品の値、及びランプの要件に依存して、n1は1と等しくてもよいし、又は3よりも大きな別の奇数の整数でもよい。しかしながら、通常、n1は、対応する共振点灯電圧が約5 kVのオーダーであるように、選択されることであろう。

更にまた、f_P1及びf_P2での二つのピークが、この例では隣接したピークであることに留意されたい。これもまた、必要ではない。しかしながら、通常、n2は、対応する共振点灯電圧が約2 kV乃至3 kVのオーダーであるよう選択されることであろう。

f_P1及びf_P2の値は、コントローラ6に付随するメモリ7内に記憶される。これらの値は、実際の共振周波数f_Rに適応し、装置の製造時にメモリに書き込まれた。これらの値は、設計値としてメモリに書き込まれることもでき、この場合、公差によって生じる実際の共振周波数f_Rの偏移が許容される。初期化手順において、コントローラ6が実際の共振周波数f_Rを測定し、f_P1及びf_P2の適切な値を算出し、メモリ7にこれらの値を記憶することができてもよい。

動作時に、ランプLがOFFであり、コントローラ6がランプを点灯せよとのコマンドを受信した場合、コントローラ6は、第1の所定のピーク周波数f_P1でスイッチT1乃至T4を操作することによって、熱い状態での再点灯を実施するか、又は、第2の所定のピーク周波数f_P2でスイッチT1乃至T4を操作することによって、冷たい状態での点灯を実施するかの何れかを行う。この手順を実施する二つの可能な方法が、図3及び図4に示されるフロー図に例示されている。これらの方法の全てにおいて、コントローラは、点灯手順がランプを点灯させることに成功するかどうかをモニタし、点灯するとすぐに、点灯手順は中止され、当該コントローラは引き継ぎフェイズ及び定常状態へと移行する。これは、図に例示されてはいない。

図3は、第1の点灯方法30を例示している。当初、ランプはONであると看做される。ステップ31において、コントローラ6は、ランプがONのままであるかどうかをモニタする。ステップ31において、コントローラ6がランプは消えていることを見出した場合、コントローラ6はタイマーを始動し［ステップ32］、ランプを再点灯させるコマンドを待つ［ステップ33］。代替的には、コントローラ6は、ランプが意図されずに消えていることを見出した上で、自動的に当該ランプを再点灯させようとすることができる。

スイッチT1乃至T4を操作することによる点灯動作を実際に始める前に、コントローラ6は、タイマーの値を所定の時間の閾値T_THと比較することによって、当該タイマー値をチェックする［ステップ34］。当該タイマー値が、ランプは熱いと考えるべきことを表す、ランプは十分に長い間OFFではなかったことを示すときに、コントローラ6は、第1の所定のピーク周波数f_P1でスイッチT1乃至T4を操作することによって、熱い状態での再点灯手順を実行する［ステップ35］。さもなければ、タイマー値が、ランプが冷たいと考えられることを表す、ランプが十分に長い間OFFであったことを示すときに、コントローラ6は、第2の所定のピーク周波数f_P2でスイッチT1乃至T4を操作することによって、冷たい状態での点灯手順を実行する［ステップ36］。

時間の閾値T_THは重大な意味をもつわけではなく、例えば約5分のオーダーで選択されることができる。ランプのタイプに応じて、時間の閾値T_THは、5分よりも短くても又は長くてもよい。コントローラ6は、ランプのタイプに応じた時間の閾値のリストを含んでいるメモリを付随していてもよい。概して、時間の閾値T_THの適切な値は、1分から15分の範囲であろう。

図4は、第2の点灯方法40を例示している。当初、ランプはOFFであると看做される。コントローラ6は、ランプを再点灯させるコマンドを待つ［ステップ41］。コントローラ6がこのコマンドを受信した後、コントローラ6は、第2の所定のピーク周波数f_P2でスイッチT1乃至T4を操作することによって、第1の期間t1の間、冷たい状態での点灯手順を最初に実行する［ステップ42］。第1の期間t1の継続時間は重大な意味をもつわけではなく、例えば、1 msから1 sの範囲であってもよいが、適切な値は、例えば、約500 msのオーダーである。ランプが実際に冷たい場合、点灯はこの第1の期間内で始まらねばならず、点灯が始まった場合、先に言及されたように、点灯手順40は中止される。ランプが、実際に熱かったため又は他の理由のために点灯に問題をもつことを示す、この第1の期間t1の終了時に点灯しなかった場合、コントローラ6は、第1の所定のピーク周波数f_P1でスイッチT1乃至T4を操作することによって、熱い状態での再点灯手順を実行し続ける [ステップ 43]。この場合もまた、点灯手順は、例えば約500 msのオーダーの継続時間をもつこともできる第2の期間t2の後に中止される可能性があり、ランプが依然として点灯しない場合、何かが間違っている可能性があり、点灯手順は終了されねばならないか、又は、ランプは、点灯が再度試行された後、休憩を与えられなければならない。同じ手順をステップ35及びステップ36にも適用することに留意されたい。

要約すると、本発明は、コントローラ6によって制御される4個のスイッチT1乃至T4と、ランプに直列に接続されたコイルL2及びランプに並列に接続されたコンデンサC3とを備えたブリッジ構成をもっている転流回路5を有する、ガス放電ランプLを駆動するドライブ装置100を供する。コイルL2及びコンデンサC3は並列共振周波数f_Rをもつ。定常モードでは、コントローラ6は、4個のスイッチT1乃至T4を、100 Hzのオーダーの相対的に低い転流周波数で駆動する。依然として熱い状態にあるランプを点灯するために、コントローラ6は、第1の点火周波数f_P1＝f_R／n1で、4個のスイッチT1乃至T4を駆動する。ここでn1は奇数の整数である、冷たい状態にあるランプを点灯するために、コントローラ6は、第2の点火周波数f_P2＝f_R／n2で、4個のスイッチT1乃至T4を駆動する。ここでn2はn1よりも大きな奇数の整数である。

本発明が、図及び前述の説明で詳細に例示され説明された一方、斯様な例示及び説明が、例示のみ又は例のみとして考えられるべきであることが、当業者に明らかでなければならない。本発明は、開示された実施例に限定されることはなく、複数のバリエーション及び変更が、添付の請求項で規定された本発明の保護範囲の中で考えられる。

コントローラは、点灯用に利用可能な二つ以上の動作周波数をもってもよい。例えば、図4での方法40を参照して、点灯が第1の周波数f_P1でも成功しない場合、点灯はより高い第3の周波数で、更により高いピーク電圧で試みられてもよい。

更にまた、4個のスイッチを備えたフルブリッジ構成の代わりに、本発明は、2個のスイッチを備えたハーフ・ブリッジ構成で行うこともできる。

図、開示物、及び添付の請求項の学習から、開示された実施例の他のバリエーションが、請求された本発明を実施する際に、当業者によって理解され、遂行されることができる。請求項において、動詞「有する」及びその活用型の使用は、他の要素又はステップを排除することはないし、不定冠詞「a」又は「an」は、複数を除外することはない。単一のデータプロセッサ又は他のユニットが、請求項において列挙されている複数の項目の機能を満たすことができる。特定の手段が、相互に種々異なる従属請求項において列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有効に使われることができないことを示してはいない。コンピュータ・プログラムは、他のハードウェアと共に、又はそれの一部として供される光学記憶媒体若しくは半導体媒体などの適切な媒体上に、記憶又は配信されることができるが、しかし、インターネット又は他の有線若しくは無線の通信システムを介してなど、他の形で配布されてもよい。請求項中のいかなる引用記号も、範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

本発明は、本発明による装置の機能ブロックを例示しているブロック線図を引用して説明された。これらの機能ブロックの一つ以上のものがハードウェアで実行されることができる点を理解すべきであり、 斯様なブロックの機能は、個々のハードウェア部品によって実行される。しかしながら、これらの機能ブロックの一つ以上のものが、ソフトウェアで実行されることもでき、この結果、斯様なブロックの機能が、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号処理装置等々などのコンピュータ・プログラム又はプログラム可能な装置の、1行以上のプログラム行によって実行される。

Claims (10)

1. 入力電流を受け取るための入力端子と、
   ガス放電ランプを接続するためのランプ接続端子を有し、前記ランプ接続端子と直列に接続されたコイル及び当該ランプ接続端子に並列に接続されたコンデンサを備え、当該コイル及びコンデンサは並列共振周波数f_Rをもつ分岐と、を有する転流回路、及び
   前記ランプの電流が、第1の方向をもつ第1の状態と、第2の方向をもつ第2の状態との間を行き来するよう、前記転流回路を制御するためのコントローラをもつ、ガス放電ランプを駆動するドライブ装置であって、
   前記コントローラは、前記第1の状態と前記第2の状態との間を行き来することが相対的に低い転流周波数で生じる、定常モードで動作することができ、
   前記コントローラは、前記第1の状態と前記第2の状態との間を行き来することが、奇数の整数n1を用いて、第1の点火周波数f_P1＝f_R /n1で生じる、熱い状態での再点灯モードで動作することができ、
   前記コントローラは、前記第1の状態と前記第2の状態との間を行き来することが、n1よりも大きな奇数の整数n2を用いて、第2の点灯周波数f_P2＝f_R /n2で生じる、冷えた状態での点灯モードで動作することができる、ドライブ装置。
2. 前記ランプが消灯状態にある場合に、前記コントローラは、当該ランプが冷たい状態か又は熱い状態にあるかどうかを調査し、この調査の結果に基づいて、前記ランプを点灯するために、冷たい状態での点火モード、又は熱い状態での再点火モードの何れかを選択するよう設計されている、請求項１に記載のドライブ装置。
3. 前記ランプが消灯状態にある場合に、前記コントローラはタイマーを始動し、当該タイマーの値を所定の時間の閾値と比較し、当該タイマーの値が前記時間の閾値よりも小さい場合は前記熱い状態での再点灯モードで動作し、当該タイマーの値が前記時間の閾値よりも大きな場合は前記冷たい状態での点灯モードで動作するよう設計されている、請求項２に記載のドライブ装置。
4. 前記時間の閾値が、1分乃至15分の範囲で、好ましくは約5分のオーダーである、請求項３に記載のドライブ装置。
5. 前記コントローラは、最初に、第1の所定の期間の時間は冷たい状態での点灯モードで動作し、前記ランプが当該第1の所定の期間の時間に点灯しなかった場合、熱い状態での再点灯モードで動作し続けるよう設計されている、請求項１に記載のドライブ装置。
6. 前記第1の所定の期間の時間が、1 ms乃至1 sの範囲であり、好ましくは約500msのオーダーである、請求項５に記載のドライブ装置。
7. 前記コントローラが、前記ランプが点灯するまで、熱い状態での再点灯モードで動作し続けるよう設計されている、請求項５に記載のドライブ装置。
8. 前記コントローラは、第2の所定の期間の時間は熱い状態での再点灯モードで動作し、前記ランプが前記第2の所定の期間の時間に点灯しなかった場合は、当該点灯プロセスを中止するよう設計されている、請求項５に記載のドライブ装置。
9. 前記ランプの点灯に応答して、前記コントローラが点灯モードから定常モードへの移行を成すよう設計されている、請求項１乃至８の何れか一項に記載のドライブ装置。
10. 前記転流回路が、
    前記二つの入力端子間に接続されている、2個の直列接続された制御可能なスイッチがある第1の分岐と、
    前記二つの入力端子間に接続されている、2個の直列接続された制御可能なスイッチがある第2の分岐と、
    前記ランプを接続するための前記ランプ接続端子を有する対角線の分岐と、を有し、
    当該コントローラは、前記第1の分岐の第1のスイッチ及び前記第2の分岐の対角線上に対向している第2のスイッチの両方が、2個の他のスイッチが非導通である間導通する第1の状態と、前記第1の分岐の第2のスイッチ及び前記第2の分岐の対角線上に対向している第1のスイッチの両方が、2個の他のスイッチが非導通である間導通する第2の状態との間を行き来するように前記制御可能なスイッチを制御するよう設計されている、請求項１乃至９の何れか一項に記載のドライブ装置。

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