JP2012503270A - 放電灯を駆動する回路装置および放電灯の駆動方法 - Google Patents

Abstract

第１および第２の入力端子と、第１の入力端子に接続された第１の電子スイッチと、アノードが第２の入力端子に接続され、カソードが第１の接続点を介して第１の電子スイッチの基準電極に接続された第１のダイオードと、第１の電子スイッチの制御電極に接続された制御装置と、第１および第２の出力端子と、出力端子の一方に直列接続された第１のコイルと、第１の接続点と第１の出力端子とのあいだに接続されたランプチョークコイルと、第１の出力端子と第１のダイオードのアノードとのあいだに接続された第１のコンデンサとを有しており、制御装置により、第１の電子スイッチがオン時間中導通され、オフ時間中非導通にされる、放電灯を駆動する回路装置において、測定された出力電圧に相関する信号が形成されて制御装置へ伝送され、この信号に基づいてオフ時間が調整される。

Description

本発明は、給電電圧の印加される第１の入力端子および第２の入力端子を有する入力側と、制御電極、動作電極および基準電極を有し、かつ、該動作電極が前記第１の入力端子に接続されている第１の電子スイッチと、アノードが前記第２の入力端子に接続され、カソードが第１の接続点を介して前記第１の電子スイッチの前記基準電極に接続されている第１のダイオードと、前記第１の電子スイッチを駆動するために前記第１の電子スイッチの前記制御電極に接続されている制御装置と、放電灯への出力電圧を形成する第１の出力端子および第２の出力端子を有する出力側と、前記出力端子のいずれか一方に対して直列に配置されている第１のコイルと、前記第１の接続点と前記第１の出力端子とのあいだに接続されているランプチョークコイルと、前記第１の出力端子と前記第１のダイオードの前記アノードとのあいだに接続されている第１のコンデンサとを有しており、前記制御装置は、前記第１の電子スイッチを、オン時間のあいだ持続的に導通させ、オフ時間のあいだ持続的に非導通にするように構成されている、放電灯を駆動する回路装置に関する。また、本発明は、こうした回路装置によって放電灯を駆動する方法に関する。

従来の技術
こうした回路装置は従来技術から公知である。こうした回路装置は主として放電灯用の点灯回路を後置接続したバックコンバータであり、前述した第１のコイルは所定のインダクタンスを有する点弧コイルである。しかし、実際には、こうした回路装置によって駆動される放電灯はときおり消弧してしまうことが確認されている。この場合、出力回路において放電灯に対して直列に付加的なオーム抵抗を導入することにより、消弧を阻止することができるが、こうした手段によって生じる損失電力は望ましくない。

発明の開示
したがって、本発明の課題は、小さな損失電力で放電灯の消弧を確実に回避できる、冒頭に言及した回路装置または冒頭に言及した方法を提供することである。

この課題は、請求項１に記載された特徴を有する回路装置または請求項１４に記載された特徴を有する方法により、解決される。

本発明は、第１のコイル（点弧コイル）および第１のコンデンサによって出力回路に振動が発生することがあるという認識に基づいている。ランプインピーダンスが低い場合には、ランプ電流が振動するので、ランプインピーダンスがほとんど減衰されず、ランプ動作が阻害される。従来技術から公知の回路装置の通常の構成では、出力電流が測定され、第１の電子スイッチを相応に駆動することによって、出力電流が固定の周波数でピークツーピーク制御される。出力回路に振動が発生すると、複数のオン周期が完全に欠落し、有効な駆動周波数が主として第１のコイルおよび第１のコンデンサによって定められる共振周波数に近似して、制御回路が"振動し"はじめる。このとき、電流は負の値へ振れ、このために放電灯が消弧にいたる。

従来技術から公知の、オーム抵抗を出力回路に挿入するアプローチは、気づかれずに振動を減衰させることができるが、高い損失電力を生じさせるので、望ましくない。

こうした認識に基づいて、回路装置を連続モードのほぼ固定の周波数で駆動するのではなく、第１の電子スイッチのオフ時間を変化させることによって、本発明は上述した問題を解決する。出力電圧を測定することにより、前述した共振周波数までの距離を求め、オフ時間を変化させることにより共振周波数までの充分な間隔を形成する。これにより、制御回路が振動へ"入り込んでしまう"ことが確実に回避される。その結果、出力回路の振動の減衰のための付加的なオーム抵抗を使用しなくても、放電灯の消弧を確実に回避することができる。

本発明の有利な実施形態では、制御装置は、オフ時間を、出力電圧に対して特に直接または間接に比例するように、変化させる。制御装置は、特に、出力電圧が増大する場合にオフ時間を短縮し、出力電圧が減少する場合にオフ時間を延長するように構成されている。オン時間Ｔ_ｅｉｎ、オフ時間Ｔ_ａｕｓ、出力端子に対して直列に配置された第１のコイルのインダクタンスＬ_Ｚ、第１のコンデンサのキャパシタンスＣ_１とすると、制御装置は、オフ時間を、式

にしたがって変化させるように構成されている。

特に有利には、制御装置は、オフ時間を変化させることにより、共振周波数を中心として±２０％の範囲を回避するので、式

が成り立つ。共振周波数の高調波の回避を保証するために、さらに、式

が用いられる。特に有利には、それぞれの周波数を中心として±２０％の範囲が回避されるので、式

が成り立つ。

特に、出力側に接続された放電灯のインピーダンスを無視することができない場合、それぞれ前述の式において、第１のコンデンサおよび第１のコイルから成る振動回路の離調の度合は、出力側に接続された放電灯のインピーダンスによって考慮されなければならない。これにより、回避すべき周波数の特に正確な値が求められ、制御装置による制御の際に考慮される。

有利には、本発明の回路装置では、さらに、第１の電子スイッチの導通状態においてこの第１の電子スイッチを通る電流を測定する電流測定抵抗が第１のダイオードのアノードと第２の入力端子とのあいだに接続されており、ここで、制御装置は、電流測定抵抗に接続されており、かつ、電流の閉ループ制御のためにオン時間を所定の設定値へ変化させるように構成されている。この場合、オン時間は、特に、オフ時間が種々に異なっても平均電流が一定となるように制御される。

前述した実施形態では、本発明の回路装置は唯一の電子スイッチを有する。しかし、本発明の基礎となる着想を、フルブリッジ回路トポロジへ適用することもできる。この場合、有利な実施形態として、本発明の回路装置に、第１の電子スイッチに加えて、第２から第４の電子スイッチが設けられ、第１から第４の電子スイッチがフルブリッジ回路を形成し、第１の接続点が第１のブリッジ中間点となり、また、第２のダイオードが第１の電子スイッチに対して並列に接続され、第２の電子スイッチが第１のダイオードに対して並列に接続され、第３の電子スイッチと第４の電子スイッチとが第２のブリッジ中間点となる第２の接続点を介して相互に接続され、この第２のブリッジ中間点は第２の出力端子に通じており、ここで、制御装置は、第１から第４の電子スイッチを駆動するように構成されている。

この場合、有利には、制御装置は、第１のフェーズで、第３の電子スイッチを導通させ、かつ、第４の電子スイッチおよび第１の電子スイッチを非導通にし、第２のフェーズで、第４の電子スイッチを導通させ、かつ、第３の電子スイッチおよび第２の電子スイッチを非導通にし、第１のフェーズと第２のフェーズとを、設定された第１の頻度、特に低い頻度で、連続的に切り換えるように構成されており、また、第１のフェーズでは第２の電子スイッチを、第２のフェーズでは第１の電子スイッチを、設定された第２の頻度、特に高い頻度で、交互に導通と非導通とのあいだで切り換え、測定された出力電圧に基づいてオフ時間を調整するように構成されている。

有利には、第３の電子スイッチおよび第４の電子スイッチにはそれぞれ１つずつフリーホイールダイオードが並列接続される。

また有利には、本発明の回路装置は、さらに、第１の入力端子と第１の出力端子とのあいだに接続された第２のコンデンサを有する。この場合、前述した式では、第１のコンデンサのキャパシタンスに代えて、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの全キャパシタンスが用いられる。

他の有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

電子スイッチを備えた本発明の回路装置の第１の実施例の概略図である。 電子スイッチを備えた本発明の回路装置の第２の実施例の概略図である。 従来技術のピークツーピーク制御における電流時間特性を示すグラフである。 従来技術で共振が発生する場合の相応の制御量の時間特性を示すグラフである。

本発明の回路装置の利点は本発明の方法の利点に相当する。以下に、本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。

本発明の有利な実施例
図１には本発明の回路装置の第１の実施例の概略図が示されている。本発明の回路装置は、まず、入力側に、給電電圧の接続される第１の入力端子Ｅ_１と第２の入力端子Ｅ_２とを有する。２つの入力端子のあいだには、入力電圧を安定化する付加的なコンデンサＣ_Ｅが配置されている。本発明の回路装置は、次に、制御電極、動作電極および基準電極を有し、動作電極が第１の入力端子Ｅ_１に接続されている、第１の電子スイッチＱ_１を有する。また、本発明の回路装置は、アノードが第２の入力端子Ｅ_２に接続され、カソードが第１の接続点Ｎを介して第１の電子スイッチＱ_１の基準電極に接続された第１のダイオードＤ_１を有する。さらに、本発明の回路装置は、出力側に、放電灯Ｌ_ａへの出力電圧Ｕ_Ａを形成する第１の出力端子Ａ_１および第２の出力端子Ａ_２を有する。第１の接続点Ｎと第１の出力端子Ａ_１とのあいだにはランプチョークコイルＬ_１および点弧コイルＬ_Ｚの直列回路が配置されている。ランプチョークコイルＬ_１と点弧コイルＬ_Ｚとのあいだの接続点は第１のコンデンサＣ_１を介して第２の出力端子Ａ_２に接続されている。第１のダイオードＤ_１のアノードも同様に第２の出力端子Ａ_２に接続されている。

さらに、出力電圧Ｕ_Ａを測定するために、電圧測定装置１０が設けられている。測定された出力電圧Ｕ_Ａに相関するパラメータは制御装置１２へ供給される。この制御装置１２は第１の電子スイッチＱ_１の制御電極に接続されており、当該の第１の電子スイッチＱ_１を駆動制御する。また、制御装置１２は電流測定装置１４に接続されており、この電流測定装置１４は第１のダイオードＤ_１のアノードと第２の入力端子Ｅ_２とのあいだに接続された電流測定抵抗Ｒ_Ｓを介して電圧を測定し、この電圧を制御装置１２へ伝送する。破線で示されているのは点弧コンデンサＣ_Ｚ１である。本発明によれば、制御装置１２は、第１の電子スイッチＱ_１のオフ時間を測定された電圧Ｕ_Ａに基づいて変化させるように構成されている。この変化は、特に、第１の電子スイッチＱ_１の駆動のための周波数が、主として点弧コイルＬ_Ｚおよび第１のコンデンサＣ_１によって定められる共振周波数およびその整数倍の周波数と異なるように行われる。図１では、さらに、ランプチョークコイルＬ１を流れる電流Ｉ_Ｌ１、ランプを流れる電流Ｉ_Ｌａおよび第１の電子スイッチＱ_１を流れる電流Ｉ_Ｑ１が示されている。

図２には、本発明の回路装置の第２の実施例の概略図が示されており、ここでは、回路装置はフルブリッジ回路トポロジにしたがって構成されている。図１に即して説明した要素と同じ要素または同様の機能を有する要素には同じ参照番号を付してあるので、繰り返しては説明しない。

当該の回路装置は、第１の電子スイッチＱ_１に加えて、第２の電子スイッチＱ_２、第３の電子スイッチＱ_３および第４の電子スイッチＱ_４を有しており、第１の電子スイッチＱ_１に第２のダイオードＤ_２が並列接続されている。第１の入力端子Ｅ_１と第１の出力端子Ａ_１とのあいだには第２のコンデンサＣ_２が接続されている。また、第１の電子スイッチＱ_１と第２の電子スイッチＱ_２とのあいだに第１のブリッジ中間点ＢＭ１が形成されており、第３の電子スイッチＱ_３と第４の電子スイッチＱ_４とのあいだには第２のブリッジ中間点ＢＩが形成されている。ここでは、点弧コイルＬ_Ｚは第２の出力端子Ａ_２と第２のブリッジ中間点ＢＩとのあいだに配置されている。第１の点弧コンデンサＣ_Ｚ１に代えてまたはこれに加えて、第２の点弧コンデンサＣ_Ｚ２を設けることもできる。第２の点弧コンデンサＣ_Ｚ２は２つの出力端子Ａ_１，Ａ_２に対して並列に接続される。

図２の回路装置の動作は、第１の電子スイッチＱ_１から第４の電子スイッチＱ_４までを制御装置１２によって相応に駆動することにより行われる。この場合、制御装置１２は、第１のフェーズにおいて、第４の電子スイッチＱ_４を導通させ、かつ、第３の電子スイッチＱ_３および第２の電子スイッチＱ_２を非導通にし、第２のフェーズにおいて、第３の電子スイッチＱ_３を導通させ、かつ、第４の電子スイッチＱ_４および第１の電子スイッチＱ_１が非導通にする。第１のフェーズと第２のフェーズとは、設定された第１の頻度、特に低い頻度で、連続的に切り換えられる。第１のフェーズでは第１の電子スイッチＱ_１が、第２のフェーズでは第２の電子スイッチＱ_２が、設定された第２の頻度、特に高い頻度で、交互に導通と非導通とのあいだで切り換えられる。この場合、オフ時間は、測定された出力電圧Ｕ_Ａに基づいて、駆動周波数が、主として、２つのコンデンサＣ_１，Ｃ_２のキャパシタンスおよび点弧コイルＬ_Ｚのインダクタンスによって定められる共振周波数およびその整数倍の周波数と異なるように、変化される。

図３，図４には、本発明の基礎となる考察および認識を説明するためのグラフが示されている。基本的な回路トポロジは図２の回路装置に相当するが、本発明のような制御は行われない。図３には、電子スイッチＱ_１を通る電流Ｉ_Ｑ１に対してピークツーピーク制御を行った場合の電流の時間特性が、遮断電流閾値Ｉ_Ｓとともに示されている。切り換えによって電流の値が遮断電流閾値Ｉ_Ｓに達すると、電子スイッチＱ_１は非導通状態へ切り換えられる。オン時間Ｔ_ｅｉｎはグラフに見られるような長さとなり、ランプチョークコイルＬ_１を通る電流Ｉ_Ｑ１が増大する。電子スイッチＱ_１が非導通となった後、すなわち、ランプチョークコイルＬ_１の脱磁フェーズにおいて、ランプチョークコイルＬ_１を通る電流Ｉ_Ｌ１は連続的に低下し、オフ時間Ｔ_ａｕｓはグラフに見られるような長さとなる。また、このグラフには、フリーホイールフェーズ、すなわち、電子スイッチＱ_１の開放状態での電流Ｉ_Ｄ１と、ランプチョークコイルＬ_１を通る電流の平均値Ｉ_{Ｌ１ｑｕｅｒ}に相当し、放電灯Ｌ_ａへ供給される電流Ｉ_Ｌａとが示されている。

図４には、出力回路の出力電流Ｉ_Ｌａに振動が発生する場合の状況を表すグラフが示されている。出力回路の出力電流Ｉ_Ｌａに振動が発生すると、電流測定抵抗Ｒ_Ｓを通る電流について、振動の最大値に"オフセット"が生じる（つまり、遮断時点が速まり、初期的にオン時間Ｔ_ｅｉｎが低下する）一方、振動の最小値でオン時間Ｔ_ｅｉｎが維持される。したがって、最大値でよりも最小値でのほうが多くのエネルギが入力される。特に、エネルギは、点弧コイルＬ_Ｚおよび２つのコンデンサＣ_１，Ｃ_２から成る振動回路の固有振動数によって、入力される。このため、当該の回路は振動し、最大値のオフセットが増大して、図４の電子スイッチＱ_１の導通時点ｔ_１で既に遮断電流閾値に達するほど高くなってしまう。このため、電子スイッチＱ_１は導通しない。全エネルギは最小値で入力され、回路は共振周波数で励振される。言い換えると、制御回路が"振動状態へ入り込む"。

Claims (14)

1. 給電電圧の印加される第１の入力端子（Ｅ_１）および第２の入力端子（Ｅ_２）を有する入力側と、
   制御電極、動作電極および基準電極を有し、かつ、該動作電極が前記第１の入力端子に接続されている第１の電子スイッチ（Ｑ_１）と、
   アノードが前記第２の入力端子に接続され、カソードが第１の接続点（Ｎ）を介して前記第１の電子スイッチの前記基準電極に接続されている第１のダイオード（Ｄ_１）と、
   前記第１の電子スイッチを駆動するために前記第１の電子スイッチの前記制御電極に接続されている制御装置（１２）と、
   放電灯（Ｌ_ａ）への出力電圧（Ｕ_Ａ）を形成する第１の出力端子（Ａ_１）および第２の出力端子（Ａ_２）を有する出力側と、
   前記出力端子のいずれか一方に対して直列に配置されている第１のコイル（Ｌ_Ｚ）と、
   前記第１の接続点と前記第１の出力端子とのあいだに接続されているランプチョークコイル（Ｌ_１）と、
   前記第１の出力端子と前記第１のダイオードの前記アノードとのあいだに接続されている第１のコンデンサ（Ｃ_１）と
   を有しており、
   前記制御装置は、前記第１の電子スイッチを、オン時間のあいだ持続的に導通させ、オフ時間のあいだ持続的に非導通にするように構成されている、
   放電灯を駆動する回路装置において、
   当該の回路装置は、さらに、前記出力電圧を測定し、測定電圧に相関する信号を出力として形成し、該信号を前記制御装置へ伝送する電圧測定装置（１０）を有しており、
   前記制御装置は、さらに、前記測定電圧に基づいて、前記オフ時間（Ｔ_ａｕｓ）を変化させるように構成されている
   ことを特徴とする放電灯を駆動する回路装置。
2. 前記制御装置は、前記オフ時間を、前記出力電圧に比例して、例えば前記出力電圧に直接または間接に比例して、変化させるように構成されている、請求項１記載の回路装置。
3. 前記制御装置は、前記出力電圧が増大する場合に前記オフ時間を短縮するか、または、前記出力電圧が低下する場合に前記オフ時間を延長するように構成されている、請求項２記載の回路装置。
4. 前記制御装置は、前記オフ時間を、式
   

   

   によって変化させるように構成されており、ここで、Ｔ_ｅｉｎは前記オン時間であり、Ｔ_ａｕｓは前記オフ時間であり、Ｌ_Ｚは前記出力端子の一方に対して直列に配置された前記第１のコイルのインダクタンスであり、Ｃ_１は前記第１のコンデンサのキャパシタンスである、請求項１から３までのいずれか１項記載の回路装置。
5. 式
   

   

   が成り立つ、請求項４記載の回路装置。
6. 式
   

   

   が成り立つ、請求項４または５記載の回路装置。
7. 式
   

   

   が成り立つ、請求項６記載の回路装置。
8. 前記式において、前記第１のコンデンサと前記第１のコイルから成る振動回路の離調の度合が前記出力側に接続された前記放電灯のインピーダンスによって考慮される、請求項４から７までのいずれか１項記載の回路装置。
9. さらに、前記第１の電子スイッチの導通状態において該第１の電子スイッチを通る電流を測定する電流測定抵抗（Ｒ_Ｓ）が前記第１のダイオードの前記アノードと前記第２の入力端子とのあいだに接続されており、前記制御装置は、前記電流測定抵抗に接続されており、かつ、電流制御のために前記オン時間を所定の設定値へ変化させるように構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の回路装置。
10. 当該の回路装置は、さらに、第２の電子スイッチおよび第３の電子スイッチおよび第４の電子スイッチ（Ｑ_２〜Ｑ_４）を有しており、前記第１から前記第４の電子スイッチがフルブリッジ回路を形成しており、前記第１の接続点が第１のブリッジ中間点となっており、当該の回路装置は、さらに、前記第１の電子スイッチに対して並列に接続された第２のダイオード（Ｄ_２）を有しており、前記第２の電子スイッチが前記第１のダイオードに対して並列に接続されており、前記第３の電子スイッチと前記第４の電子スイッチとは第２のブリッジ中間点となる第２の接続点を介して相互に接続されており、前記第２のブリッジ中間点は前記第２の出力端子に通じており、前記制御装置は、前記第１から前記第４の電子スイッチを駆動するように構成されている、請求項９記載の回路装置。
11. 前記制御装置は、
    第１のフェーズで、前記第３の電子スイッチを導通させ、かつ、前記第４の電子スイッチおよび前記第１の電子スイッチを非導通にし、
    第２のフェーズで、前記第４の電子スイッチを導通させ、かつ、前記第３の電子スイッチおよび前記第２の電子スイッチを非導通にし、
    前記第１のフェーズと前記第２のフェーズとを、設定された第１の頻度、例えば低い頻度で、連続的に切り換える
    ように構成されており、
    さらに、前記制御装置は、
    前記第１のフェーズで前記第２の電子スイッチを、前記第２のフェーズで前記第１の電子スイッチを、設定された第２の頻度、例えば高い頻度で、交互に導通と非導通とのあいだで切り換え、
    測定された出力電圧に基づいて前記オフ時間を変化させる
    ように構成されている
    請求項１０記載の回路装置。
12. 前記第３の電子スイッチおよび前記第４の電子スイッチにはそれぞれ１つずつフリーホイールダイオードが並列接続されている、請求項１０または１１記載の回路装置。
13. 当該の回路装置は、さらに、前記第１の入力端子と前記第１の出力端子とのあいだに接続された第２のコンデンサ（Ｃ_２）を有している、請求項１から１２までのいずれか１項記載の回路装置。
14. 給電電圧の印加される第１の入力端子（Ｅ_１）および第２の入力端子（Ｅ_２）を有する入力側と、
    制御電極、動作電極および基準電極を有し、かつ、該動作電極が前記第１の入力端子に接続されている第１の電子スイッチ（Ｑ_１）と、
    アノードが前記第２の入力端子に接続され、カソードが第１の接続点（Ｎ）を介して前記第１の電子スイッチの前記基準電極に接続されている第１のダイオード（Ｄ_１）と、
    前記第１の電子スイッチを駆動するために前記第１の電子スイッチの前記制御電極に接続されている制御装置（１２）と、
    放電灯（Ｌ_ａ）への出力電圧（Ｕ_Ａ）を形成する第１の出力端子（Ａ_１）および第２の出力端子（Ａ_２）を有する出力側と、
    前記出力端子のいずれか一方に対して直列に配置されている第１のコイル（Ｌ_Ｚ）と、
    前記第１の接続点と前記第１の出力端子とのあいだに接続されているランプチョークコイル（Ｌ_１）と、
    前記第１の出力端子と前記第１のダイオードの前記アノードとのあいだに接続されている第１のコンデンサ（Ｃ_１）と
    を有しており、
    前記制御装置は、前記第１の電子スイッチを、オン時間のあいだ持続的に導通させ、オフ時間のあいだ持続的に非導通にするように構成されている
    回路装置を用いた
    放電灯の駆動方法において、
    ａ）前記出力電圧を測定するステップ、
    ｂ）測定電圧に相関する信号を形成し、該信号を前記制御装置へ伝送するステップ、および、
    ｃ）前記制御装置により、前記測定電圧に基づいて、前記オフ時間（Ｔ_ａｕｓ）を変化させるステップ
    を有する
    ことを特徴とする放電灯の駆動方法。

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