JP3839729B2 - 高輝度放電ランプ用の高周波電子安定器の新しい回路設計および制御技術 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ランプの起動を確実に成功させると共に回路を保護するための金属ハロゲン化物ランプのような高輝度放電（ＨＩＤ）ランプ用の高周波（２０ｋＨｚ乃至１ＭＨｚ）電子安定器の新しい回路設計および制御技術に関する。とくに、本発明は、それに限定されないが、ＨＩＤランプが長いケーブルにより安定器回路に接続されている放電ランプシステムに適した安定器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
種々の光源の中で、高輝度放電（ＨＩＤ）ランプが高い輝度効率および良好なカラー表現と高電力小型電源特性との最良の組合せを示している。ＨＩＤランプは広範囲の投光照明、ステージ、スタジオおよびエンターテイメント照明のような多くの用途で紫外線ランプと対抗して使用されている。
【０００３】
高周波電子安定器の使用により、安定器の寸法および重量を減少させ、システム効率を改善することができる。この特徴は、それによって照明システム全体の小型化が期待されるため、とくにワット数の低いＨＩＤランプにとって魅力的である。さらに、動作周波数が増加するので、再点火および消灯ピークがなくなり、その結果ランプ寿命が延びる。ＨＩＤランプの負荷特性は、抵抗およびランプ（電力）の力率が１に近付くように近似されることができる。光出力においてフリッカ効果およびストロボ効果は発生せず、その光束の改善が可能である。しかしながら、高周波電流波形による高圧ＨＩＤランプの動作は圧力定在波（音響共鳴）の発生によって相殺される。この音響共鳴はアーク位置および発光カラーを変化させ、あるいはアークを不安定にする可能性が高い。アークはその不安定さのために時として消える可能性が高い。
【０００４】
音響共鳴は一般的には、変調された放電電流からの周期的な電力入力がランプの気体体積の圧力を変動させるものとして説明される。電力周波数がランプの固有振動周波数であるか、それに近い場合、進行圧力波が現れる。これらの波は放電管の壁に向かって進行し、これによって反射される。その結果、大きい振幅を有する定在波が生成される。気体密度における強い振動は放電路を歪ませる可能性が高く、これは圧力波を駆動する熱入力に歪みを与える（W.Yan,Y.K.E.Ho, and S.Y.R.Hui,“ Stability study and control methods for small-wattage high-intensity-discharge(HID)lamps,”IEEE Transactions on Industry Applications,vol.37,no.5,pp.1522-1530,Sept.-Oct.2001）。ランプの固有振動周波数は、アーク容器の幾何学形状、気体充填および気体熱力学状態変数（圧力、温度および気体密度のような）に依存する。
【０００５】
多くの文献において、音響共鳴によって生じる不安定さを回避するための安定器回路技術または制御方法が提案されている[Yan氏他および J.D.Paul ならびに R.Redl 氏による米国特許第 5,677,602号明細書("High efficiency electronic ballast for high intensity discharge lamps," 1997年10月14日)]。
【０００６】
図１には一般的な回路構成が示されている。基本的に、それは力率補正回路と、出力インバータと、およびランプネットワークとから構成されている。音響共鳴を処理する２つの基本的な方法が存在する：
（１）出力インバータは、ランプの音響共鳴範囲の周波数から十分に離れた周波数で動作される。それらの安定器は（ｉ）直流型安定器と、（ii）同調された高周波安定器と、および(iii) 非常に高い周波数の安定器のカテゴリーに分けられることができる。
（２）出力インバータのスイッチング周波数は、固定されたまたはランダムな周波数により変調される。入力エネルギは広いスペクトルにわたって拡散しているため、ある周波数における入力エネルギの大きさを最小にする。
【０００７】
ランプは点火プロセス中においていくつかの段階を経る。転移は次のように行われる：始めに、ランプの抵抗は著しく大きく（開回路に近い）、その後短期間の間ほぼ０になり（短絡回路転移）、最後にそれが定常状態に達するまで再び増加する。起動中に迅速に放電するために十分なエネルギおよび低いインピーダンスの放電路が利用可能でなければならない。したがって、（１）ランプ抵抗および（２）ランプネットワーク上においてランプと安定器回路とを接続するケーブルのインピーダンスの負荷効果が、時として、初期アーク電流が持続することができず、ランプが消えるような十分に大きいものとなる可能性が高い。したがって、点火期間中に、その電流と低インピーダンスの電流放電とを維持するために十分なエネルギが利用可能でなければならない。この問題は、ランプと安定器とを接続するために長いケーブルが使用される場合にとくに深刻である。それは、長いケーブルが電流変化率ｄｉ／ｄｔを制限する比較的大きいインダクタンスを有するためである。上記の転移特性のために、安定器回路の出力が短絡されたか、あるいはランプが正常動作中であるかを識別することは困難である。
【０００８】
多数の従来の安定器では、スタート直後のアークを維持するために安定器から十分な放電アーク電流の供給が行われなかった。初期放電電流が不十分である場合、ランプはオンに切替わろうとするが、アーク放電管中のアークを維持するには不十分なエネルギのためにアークは迅速にオフに切替わる。その結果、ランプの明滅および、または信頼性の低いランプ動作になることが多い。さらに、いくつかの従来技術の設計による開回路および短絡回路の保護回路は、ランプ電圧および電流の監視に基づいている。制御論理は、ランプの故障と正常動作間とを区別するために複雑なものとなる。
【０００９】
米国特許第 4,277,728号明細書、第 5,001,400号明細書および第 5,381,076号明細書では、図２に示されているようにフロントエンド力率補正回路と、直列のインダクタと分路キャパシタとのＬ−Ｃ回路を通って蛍光灯に供給する出力を備えた出力インバータが使用されている。一般に直流遮断キャパシタがＬ−Ｃ回路と直列に使用されている。この直流遮断キャパシタは、交流電圧だけがランプに供給されるように直流オフセット電圧を除去する。
【００１０】
米国特許第 5,677,602号明細書では、図３に示されているように直列インダクタ・キャパシタ回路と並列インダクタ回路とのＬ₁ −Ｃ₁ −Ｌ₂ 回路が使用されている。安定器は非常に高い周波数で動作される。並列インダクタＬ₂ のインダクタンスは、直列インダクタＬ₁ よりはるかに高い。ランプのスタートおよび動作時に多数の周波数シフトが使用される。すなわち、ランプは点火中は比較的低い動作周波数で動作され、その後定常状態条件の下で比較的高い周波数で動作される。この回路の主な制限は大きいＬ₂ の使用である。ランプを点火させるためのＬ₂ の共振電圧は大きいが、Ｌ₂ の大きいインピーダンス（＝２πｆＬ₂ ，ここでｆは動作周波数である）のためにランプのアークの起動放電電流の変化率ｄｉ／ｄｔが制限される。その結果、ランプアークは、設定できるまでに何度も打たれ続けなければならない可能性がある。最悪の場合、アークは全く設定されないかもしれない。この状況は、安定器とランプとの間で長い接続ケーブルが使用される場合にさらに悪化する。ランプが突然取り外された場合、あるいはランプが突然動作できなくなった場合、Ｌ₁ およびＬ₂ の電流は一致しないために、高い電圧がランプコネクタを横切って発生する。すなわち、Ｌ₁ における電流はＬ₂ における電流とは異なっている。さらに、Ｌ₂ のインピーダンスが大き過ぎる（開回路に等しい）ためにＬ₁ を通った電流は持続的に維持されることができないため、ソフトスイッチング状態が失われる。ソフトスイッチングは、インバータ中の電流が持続的に維持されるときに、ハーフブリッジインバータにおいて維持されることができる。回路内の持続的な電流は、インバータの入力電力スイッチ（すなわち、まさにオンに切換えられようとしているスイッチ）の逆並列ダイオードを通って流れることができる。入力電力スイッチの導電状態の逆並列ダイオードは電力スイッチを横切る電圧をほぼゼロ電圧状態にクランプし、それによって電力スイッチに対するソフト（ゼロ電圧）スイッチング状態を生じさせる。Ｌ₂ に並列の提案された点火キャパシタがない場合、スイッチング装置はハードスイッチングを行い、その結果、熱および、または電圧応力による損傷を受ける可能性がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術で説明した多くの回路において、アーク電流を“短絡”転移状態に維持する意味が考慮されていない。とくに高周波安定器とランプとの間に長い接続ケーブルを有する構成に対する適用に対して、ケーブルの誘導性効果を考慮することが重要である。安定器の開回路および短絡回路保護装置を含む技術は複雑である。さらに、多数の既存の安定器回路では、安定器回路の出力における二乗平均平方根（ｒｍｓ）開回路電圧は考慮されていない。安定器回路のこの開回路電圧はまたＨＩＤランプの点火電圧である。ＨＩＤランプ用の点火電圧は数キロボルト程度である。この開回路電圧のこのｒｍｓ値は、危険な電気ショックに対する保護手段として、および故障ランプを長期にわたって横切る高電圧に対する信頼性の高い手段として定められなければならない。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、インバータ回路および共振回路を具備し、共振回路とランプとの間に少なくとも１つの点火キャパシタが設けられている高輝度放電ランプ用の電子安定器が提供される。
【００１３】
点火キャパシタを設けることによって、起動用のエネルギ源が提供されると同時に低いインピーダンス放電路が提供される。
【００１４】
単一の点火キャパシタが設けられてもよいし、あるいはその代りに、とくにランプが長いケーブルによって安定器に接続されている場合には、２個の点火キャパシタが互いに並列に設けられ、点火キャパシタの第１のものがインバータ回路および共振回路に物理的に近接して配置され、点火キャパシタの第２のものがランプに近接して配置され、第１の点火キャパシタからケーブルによって分離されていてもよい。
【００１５】
好ましい実施形態において、インバータ回路は２個のスイッチを備えており、このインバータ回路のスイッチング周波数を変化させる手段が設けられている。とくに、インバータ回路は点火ステップ中は低周波数で動作され、定常状態の動作中には高周波で動作されることができる。
【００１６】
インバータのスイッチング周波数を変化させることにより定常状態の動作中にランプ電力を調整する手段が設けられていることが好ましい。とくに、これは、直流リンク電流を監視することによってランプ電力を間接的に監視し、電流制御装置からの出力に応答してスイッチング周波数を変化させることによって行われてもよい。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態において、点火を失敗した場合に安定器がディスエーブルされ、予め設定された時間インターバル後にランプの点火をさらに試みる手段が設けられている。点火の成功または失敗はランプ電流を基準電流と比較することにより検出されることができ、点火が成功してランプ電流が基準電流より高い場合には安定器は高いスイッチング周波数で動作される。さらに、ランプの点火が試みられたとき、そのランプの点火が反復的に試みられても、安全性についての考慮事項により定められた予め設定された値よりｒｍｓランプ電圧が低いままであるように、点火電圧が比較的短い持続期間中だけ発生されることが好ましい。
【００１８】
好ましい実施形態において、本発明はさらに、ランプ内に短絡回路または開回路状態を検出する手段を備えている。短絡回路または開回路検出手段は、直流リンク電流が基準値より低くなったことを検出する手段を含んでいることが好ましい。短絡回路または開回路検出手段は、短絡回路または開回路の誤警告を避けるためにランプ点火ステップ中付勢されないこともまた好ましい。
【００１９】
安定器はさらに、点火に続く予め定められた時間中その定常状態レベルより高いレベルにランプ電流を維持して、ランププラズマのウォーミングを加速させる手段をさらに備えていることが好ましい。
【００２０】
本発明の広い観点によると、インバータ回路と、共振回路と、およびランプにおける短絡または開回路状態を検出する手段とを具備している高輝度放電ランプ用の公称的に一定の直流リンク電圧を有する電子安定器が提供される。
【００２１】
本発明のさらに広い観点によると、監視されている直流リンク電流に応答してランプ電力を調整するためにインバータ回路のスイッチング周波数が変化されることのできるインバータ回路および共振回路を具備している高輝度放電ランプ用の電子安定器が提供される。
【００２２】
本発明の広い観点によると、インバータ回路と、共振回路と、起動プロセス時にランプの点火に失敗した場合に安定器をディスエーブルする手段と、および予め定められたインターバル後にランプ点火をさらに試みる手段とを具備している高輝度放電ランプ用の電子安定器が提供される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明のいくつかの実施形態を例示によって説明する。
［Ａ．高輝度放電ランプ用の安定器の概略的回路］
図４には、本発明の好ましい実施形態による電子安定器の概略的回路が示されている。電力回路は以下の素子から構成されている：
（１）電磁妨害（ＥＭＩ）フィルタ；これは、安定器によって発生された雑音が主電源中に入らないようにするために使用される。
（２）ダイオードブリッジ；これは全波整流器であり、その主要な機能は交流電源電圧を直流電圧に整流することである。
（３）力率補正（ＰＦＣ）回路；ＰＦＣ回路の主要な機能は、入力電流波形を正弦波に成形し、その入力電流を入力電圧と同位相に維持することである。ＰＦＣの最も一般的な回路トポロジーは、ブーストタイプの直流電力変換器である。
これによって、ブースト変換器の入力電流が整流された入力電圧に追従することが確実になる。さらに、安定した直流電圧Ｖ_dcは出力において調整される。この回路例において、初期スイッチング周波数は約５０ｋＨｚに設定され、定常状態のスイッチング周波数は約４００ｋＨｚである。ＨＩｄランプは金属・ハロゲン化物（ＭＨ）タイプのものである。直流リンク電圧は３８０Ｖに調整される。制御装置ＩＣはＭＣ３３２６２である。変換器は、臨界モードで動作している。（ブーストタイプの変換器に加えて、適切な制御方法によりＳＥＰＩＣ、フライバックおよびＣｕｋ変換器のような別の変換器トポロジーもまた力率補正のために使用されることができる。）
（４）インバータ；インバータの機能はＰＦＣからの調整された直流出力電圧を対称的な方形波出力に変換することである。高レベル側および低レベル側の駆動信号は死時間（一般に２００ｎ秒の）を有し、それによって直流リンクの短絡が回避される。インバータのスイッチング周波数は電圧制御発振器（ＶＣＯ）によって制御される。スイッチは制御信号“ＩＥＮ”によってエネーブルされる。
（５）ランプネットワーク；これは、Ｌ₁ −Ｃ₁ −Ｌ₂ −Ｃ₂ 回路から構成されたネットワークであり、（ｉ）ランプを起動するのに十分な電圧を発生させ、（ii）インバータ出力における高周波成分を濾波する機能を行う。
（６）点火キャパシタＣ₂ およびＣ₀ ；これらのエネルギ蓄積素子は回路において重要な素子であり、ランプおよび共振素子と並列に接続されている（図４におけるこの回路例では、Ｃ₂ は共振インダクタＬ₂ と並列に接続され、Ｃ₀ はケーブルの他端部においてランプと並列に直接接続されている）。点火キャパシタの機能は２つある。第１に、それらはランプ（共振）ネットワークによって発生された高電圧を保持し、点火中にアークをストライクさせる。第２に、それらは、アークが容易に設定されることができるように最初の点火プロセスにおいて十分なエネルギと低インピーダンスの放電路を提供する。そうでないと、アークは容易に壊れる可能性があり、ランプがオンにならない。安定器回路とランプを接続するために短いケーブルが使用される適用に関しては、短いケーブル中の漂遊インダクタンスは小さく、したがって起動放電電流をスローダウンさせないので、Ｃ₀ およびＣ₂ は単一の点火キャパシタとして結合されることができる。
【００２４】
さらに、ランプが取外された場合、あるいはランプが故障して突然動作できなくなった場合、Ｌ₁ およびＬ₂ の電流間の差はＣ₀ およびＣ₂ によって吸収されることができる。したがって、誘導性（Ｌｄｉ／ｄｔ）効果による高電圧の発生が回避されることができる。さらに、Ｃ₀ およびＣ₂ は付加的な電流路を直列インダクタに提供して（ランプが開回路された場合でも）、スイッチング装置のソフトスイッチングを確保する。
【００２５】
［Ｂ．安定器の特徴］
以下に安定器の特徴を示す：
（１）安定器は点火中にランプを点火するのに十分に高い電圧を発生し、この電圧は典型的に３乃至５ｋＶである。しかしながら、同時に、それは点火電圧のｒｍｓ値を低い安全な値に制限するセイフティ特徴を有している。
【００２６】
（２）安定器はランプへの一定の電力供給を調整する。
【００２７】
（３）安定器は、高電圧起動、高速放電プロセス（すなわち、ランプの迅速なオン切替え）および定常状態でのランプ電力制御を含む機能を行うＬ−Ｃ−Ｌ−Ｃ回路から構成されている。
【００２８】
（４）ランプは、ランプの音響共鳴を回避するために定常状態条件下においては高周波で駆動される。
【００２９】
（５）安定器はいくつかの保護特徴を有している。とくに、以下の場合に安定器は停止する：
（ａ）ランプ側（接続）が開回路または短絡回路のいずれかである場合、
（ｂ）安定器が過熱された場合、
（ｃ）安定器は予め定められた持続時間中（たとえば１０乃至１５分間）ランプに給電しており、ランプは依然としてオンに切替えられていない場合。
【００３０】
（６）安定器とランプとの間のケーブルの長さは変更可能である（一般に、５ｃｍから１０ｍに）。
【００３１】
［Ｃ．動作の段階］
図４に示されているように、安定器がパワーアップされたときに、Ｖ_dcが安定したレベル（ある許容誤差範囲内の）に調整され、交流電源における入力電流がほぼ正弦曲線となり、また入力交流電圧と同位相になるようにＰＦＣ制御装置がブースト変換器（または別の好ましいＰＦＣ変換器）を制御する。したがって、安定器インバータおよびランプに送られた電力は、ランプに送られる平均電力がＶ_dc（調整された）とＩ_dcとの積なので、直流リンク電流Ｉ_dcを調節することによって制御される。すなわち、インバータおよびランプネットワークにおける電力損失がランプ電力と比較した場合に小さいと仮定すると、平均ランプ電力はＶ_dc×Ｉ_dcである。
【００３２】
実際に、安定器は、定常状態になる前にいくつかの段階を経験する。インバータのスイッチング周波数は起動中には低い周波数で動作され、点火後に高周波で動作される。電圧制御発振器（ＶＣＯ）出力の周波数はインバータ内のスイッチのスイッチング周波数を制御する。このスイッチングまたはゲート信号ｖ_g （電力ＭＯＳＦＥＴのゲートに接続された信号）は信号“ＩＥＮ”によってエネーブルされ、インバータ内のスイッチの状態を規定する。ゲート信号ｖ_g は、スイッチの動作を決定する。ｖ_g ＝“１”ならば、上方スイッチＳ_A はオンであり下方スイッチＳ_B はオフである。ｖ_g ＝“０”ならば、上方スイッチＳ_A はオフであり下方スイッチＳ_B はオンである。ＩＥＮ＝“０”ならば、ｖ_g ＝“０”であり、インバータのスイッチ動作がディスエーブルされる。ＩＥＮ＝“１”ならば、ｖ_g はＶＣＯ出力と同じになる。トランジスタ駆動装置は、スイッチＳ_A およびＳ_B に供給されるゲート信号間に必要な死時間を発生する。
【００３３】
信号“ＩＥＮ”は“ＩＳＣ”，“ＩＣＯＮ”および“温度”を含む３つの入力によって制御される。インバータは３つの信号により論理“１”でエネーブルされる。以下に各信号の機能を説明する：
（ｉ）“ＩＳＣ”は短絡保護回路から入来するコマンドである。ランプコネクタに短絡回路がない場合“ＩＳＣ”＝１である。短絡保護回路の動作は以下において詳細に説明される。
【００３４】
（ii）“ＩＣＯＮ”はランプ電流を感知するモジュールから入来するコマンドである。ランプが予め設定された時間の期間［この期間はタイマーにより決定され、そのタイマーの出力信号は、安定器が予め設定された時間の期間（たとえば１５分間）パワーアップされたときに論理“１”である］内にオンに切替えられた場合、“ＩＣＯＮ”＝“１”である。
【００３５】
(iii)“温度”は温度センサから入来するコマンドである。“温度”＝０の場合、回路内の測定された高温スポットは過熱された状態である。
【００３６】
［Ｃ．１．起動または点火プロセス］
このセクションでは、本発明の１実施形態によるＨＩＤランプ用の電子安定器に対する新しい起動制御機構および方法論を説明する。
ＨＩＤランプを点火するために、数キロボルトの十分に高い起動電圧ｖ_stがランプを横切って発生される。この方法は、図４に示されたランプネットワークに基づいている。最初はランプ抵抗は非常に高く、ランプネットワークはＬ₁ ，Ｌ₂ ，Ｃ₁ およびＣ₂ によって形成された単なるＬＣ共振タンク回路に過ぎない。この共振タンクは、２つの異なった周波数領域で動作するように設計されている。Ｌ₂ はＬ₁ よりはるかに大きい（典型的に少なくとも１０倍）。起動または点火期間中、安定器インバータは、優勢な共振タンクがＣ₁ およびＬ₂ によって形成されるように比較的低い周波数ｆ_L で動作される。Ｃ₂ のリアクタンスはＬ₂ のそれよりはるかに大きい（＞１０倍）。ランプの点火後、ランプ抵抗は実質的に減少される。その後、安定器インバータは比較的高い周波数ｆ_H で動作される。Ｌ₂ およびＣ₂ のインピーダンスはランプ抵抗よりはるかに高く、実効共振回路はＣ₁ およびＬ₁ ならびにランプ抵抗によって形成される。
【００３７】
スイッチング周波数は起動時には低く、Ｌ₁ ＜＜Ｌ₂ であるので、Ｌ₂ は共振タンクにおける支配的な影響を持つ素子である。この起動電圧ｖ_stは、二乗平均平方根値ｖ_l,rms が安全性のために所定の限界（セイフティ制御により要求される）より低い値に設定されることができるように、予め設定された持続期間ｔ₁ のあいだ維持され、その後別の予め設定された持続期間ｔ₂ 中停止される。図５は、起動時のランプ電圧波形を示している。数学的には以下のように表される：
ｖ_l,rms ＝［ｖ_st ² ｔ₁ ／（ｔ₁ ＋ｔ₂ ）］^1/2 （１）
これは、ランプ接続部間における長期にわたる高電圧発生に対するセイフティ保護である。
【００３８】
図４に示されているランプ回路は、本発明の実施形態によるＨＩＤランプ用の電子安定器の高周波動作のために使用されることのできる可能な共振回路の単なる一例に過ぎないことが認識されるであろう。本発明の少なくとも好ましい形態での重要な特徴は、点火キャパシタＣ₂ およびＣ₀ と共にランプネットワーク（共振回路）を使用することである。これらの点火キャパシタはランプの両端間におよびランプネットワークの起動共振素子（回路例では図４のＬ₂ ）の両端間に接続されている。通常、ランプへの短いケーブル接続に対して１つのキャパシタＣ₂ で十分である。追加のキャパシタＣ₀ は、長い接続ケーブルのためにランプに対して局部的に接続されている。Ｃ₂ および、またはＣ₀ の機能は２つある。第１に、それらはランプネットワーク内の共振タンクの共振素子によって発生された高電圧（一般に数キロボルト）を供給し、ランプを点火させる。第２に、エネルギ蓄積素子およびキャパシタ放電状態中のインピーダンスの低い素子として、これらの点火キャパシタは、アークを発生させ、そのアークを初期のアーク設定段階中持続させるのに十分なエネルギと高速電流放電路とを提供することができる。
【００３９】
キャパシタンスＣ₂ およびＣ₀ の選択は、少なくとも２つの条件を満たす必要がある。第１に、それらは、点火プロセス中にランプネットワークの共振動作にそれ程影響を与えないように十分に小さくなければならない。図４の回路例において、点火期間中のキャパシタＣ₂ およびＣ₀ のインピーダンスは、Ｃ₁ およびＬ₂ の共振がそれ程影響を受けないように、Ｌ₂ のインピーダンスよりはるかに大きく（一般に１０倍以上）なければならない。Ｃ₂ およびＣ₀ の使用は、それによってランプ内の点火電流に対して低インピーダンスの放電路が可能になるので、点火プロセスにおいて重要である。第２に、それらは、ランプが迅速にオンに切替えられることができるように初期のアークを持続させるのに十分なエネルギを蓄積しなければならない。
【００４０】
［Ｃ．２．リトライアル機構］
このセクションでは、照明システム用の電子安定器に対する新しい起動制御プロセスが説明され、それはとくにＨＩＤランプに適している。
図４に示されているように、無安定マルチバイブレータは信号“Ｆｓ／Ｆｏ”を発生し、この信号は“０”または“１”のいずれかである２つの論理レベルを有する。信号“Ｆｓ／Ｆｏ”の周期は５０ｍ秒である。この“Ｆｓ／Ｆｏ”信号は電圧制御発振器（ＶＣＯ）出力の“中心周波数”を制御するために使用される。信号が“０”ならば、中心周波数はこの回路例において約４００ｋＨｚ（すなわち、高周波ｆ_H ）である。信号が“１”ならば、中心周波数は５０ｋＨｚ（すなわち、低周波ｆ_L ）である。しがって、ＶＣＯ出力の周波数はｆ_L とｆ_H との間で交互に切替わる。通常、低周波数動作はランプを点火するために使用され、一方高周波動作は点火後にランプを持続的に動作するために使用される。図５の点火電圧波形は、信号“Ｆｓ／Ｆｏ”を信号“ＩＯＮ”と同期させることによって発生される。最初はランプ電流はゼロなので、信号“ＩＯＮ”は論理“１”である。したがって、“ＩＥＮ”＝０であり、インバータがディスエーブルされていることを意味する。インバータへの低周波数ゲート信号を発生させるために、キャパシタＣ_stは“Ｆｓ／Ｆｏ”の上昇エッジで瞬間的に（すなわち、出力周波数がｆ_H からｆ_L に変化したときに、あるいは低周波数リトライアル動作の開始時間に）放電される。したがって、信号“ＩＯＮ”は一時的に論理“０”になり、“ＩＥＮ”＝“１”となる。インバータもまた一時的にエネーブルされる。キャパシタＣ_stはこのリトライアルの期間を制御する。Ｃ_stが大きい場合、式（１）中のｔ₁ が長くなる。
【００４１】
ランプが点火されることができない場合、“ＩＯＮ”はｔ₁ 後に論理“１”に回復されず、したがってインバータはディスエーブルされる。ｔ₂ 後に別のリトライアル動作が行われる。
【００４２】
ランプか点火されることができる場合、感知されたランプ電流は、小さい値に予め設定されている基準値Ｉ_lamp,refより大きいものとなる。感知されたランプ電流は、基準値Ｉ_lamp,refと比較される。“ＩＬ”は論理“１”となる。“ＩＯＮ”は論理“０”であり、“ＩＣＯＮ”および“ＩＥＮ”は共に論理“１”である。インバータはエネーブルされるであろう。無安定マルチバイブレータの出力レベルは“ＩＬ”によって論理“０”でその無安定マルチバイブレータの出力の“ＬＯＣＫ”ピンのレベルにロックされ、タイマーはカウントを停止する。ＶＣＯは高周波信号をインバータに出力する。その後、ランプは定常状態に入る。
【００４３】
このリトライアル機構によって、ランプを点火する試みが失敗した場合、インバータは期間ｔ₂ のあいだ一時的にディスエーブルされ、その後再度エネーブルされ、インバータを低周波数で動作することにより、ランプを点火する別の試みが行われる。リトライアルの前の時間の期間を適切に選択することによって、ｒｍｓランプ電圧はセイフティ制御によって定められた限界より低く維持されることができる。ランプが点火すると、インバータは定常状態の高周波条件で動作される。
【００４４】
［Ｃ．３．定常状態動作］
ランプ電圧は点火中の数キロボルトから定常状態中の数百ボルトまで大きく変化するので、ランプの両端間の直流電圧を感知するセンサを使用することは経済的ではない。さらに、電圧センサ出力は動作中ずっと広範囲にわたって変化する。このセクションでは、ランプ電圧およびランプ電流を直接感知せずにランプ電力およびその安定性を制御するための簡単な電力制御技術を説明する。
【００４５】
その方法は、ハーフブリッジインバータ回路に供給された公称直流電力を監視することである。Ｖ_dcは調整されるので、“電流制御装置”を使用して直流リンク電流を調節することによりランプ電力が制御されることができる。制御装置出力はＶＣＯ入力を制御することによってスイッチング周波数（ほぼｆ_H ）を調節する。ランプ電力が減少した場合、Ｉ_inもまた減少する。したがって、ＶＣＯ入力は、インバータに入力される電力を増加するために減少させられ、その逆の場合は反対である。
【００４６】
［Ｃ．４．開回路および短絡回路保護］
本発明の別の重要な特徴は、少なくとも好ましい形態において、開回路状態および短絡回路状態を検出する簡単で廉価な技術を提供し、またこのような状況下において保護を行うことである。
【００４７】
インバータの直流電圧Ｖ_dcが調整されるため、ランプ電圧およびランプ電流を実際に感知せずに、インバータへの入力電流を感知することによって開回路（ｏ／ｃ）および短絡回路（ｓ／ｃ）が保護されることができる。インバータに供給される全アクチブ電力は、理論上ランプに移送される。その主な理由は（１）ランプ電力と比較して、インバータ上の電力損失が比較的小さく、（２）リアクチブ素子から構成されているランプネットワークが基本的にリアクチブ電力を引出すためである。ｏ／ｃおよびｓ／ｃ保護方式は、ランプがｏ／ｃおよびｓ／ｃ状態下でアクチブ電力を消費しないので、インバータおよびランプネットワークによって費やされるアクチブ電力が非常に小さい（たとえば、定格値のほぼ１／１０）ことを認識することによって行われる。ｏ／ｃまたはｓ／ｃのいずれかの状態が発生した場合、インバータへの入力電流は小さい基準レベルＩ_sc,refより小さくなる。信号ＩＳＣは“１”になり、ｏ／ｃまたはｓ／ｃ状態が発生していることを示す。
【００４８】
しかしながら、ランプの起動プロセスにおいて、ランプ抵抗はいくつかの段階：無限大抵抗（オフ状態）、非常に低い抵抗（中間状態）および高い抵抗（定常状態）を経て変化する。保護回路がｏ／ｃまたはｓ／ｃのような中間状態を錯覚しないようにするために、この保護方式は、ランプ点火後の短い期間のあいだ消勢される。典型的な設定は０．６６秒である。
【００４９】
［Ｃ．５．加速された起動プロセス］
一般に、金属・ハロゲン化物のようなＨＩＤランプが点火後にその全輝度を発生するために要する時間は典型的に１乃至１０分である。この期間はここでは“ブライトアップ時間”と呼ばれる。本発明の好ましい特徴は、このブライトアップ時間を短縮する簡単な方法を提供することである。
【００５０】
ＨＩＤランプ内のプラズマ温度を迅速にウォームアップするために、初期のランプ電流は、点火後約２０乃至３０秒のあいだその正常な定常状態値より高く（典型的に３乃至４倍に）なるように制御されることができる。この比較的大きい初期電流とランプ抵抗のＩ² Ｒ電力は、ランプのプラズマがその定常状態温度に迅速に到達することができるようにこれをウォームアップするエネルギを供給する。
【００５１】
以上、本発明は少なくともその好ましい形態において、寸法が物理的に小さくコンパクトであり、ランプ内での音響共鳴を防止する改良された電子安定器を提供することが認識されるであろう。さらに、この安定器は起動短絡回路転移中ランプアークを維持することが可能であり、それによって安定器とランプの間に長い接続ケーブルが使用されていても、ランプのオン切替え中の高速放電プロセスを確実にする。
【００５２】
本発明の別の利点は、開回路および短絡回路保護を行う簡単な構造と、安全性のために点火または開回路電圧のｒｍｓ値を制限する手段とを備えている、安全性の増強された安定器が提供されることである。安定器はさらに、ランプが突然取外された場合や、あるいはランプが突然故障して動作できなくなった場合にランプコネクタの端子間の電圧を制限する手段を備えており、ランプが突然取外されたり、あるいは突然の故障で動作できなくなった場合のスイッチング装置に対するソフトスイッチング状態を確実にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による典型的な回路構成を示す概略図。
【図２】Ｌ−Ｃ回路を使用する従来技術の一例を示す概略図。
【図３】Ｌ−Ｃ−Ｌ回路を使用する従来技術の一例を示す概略図。
【図４】本発明の１実施形態を示す概略図。
【図５】二乗平均平方根が制限されている起動プロセス中のランプ電圧およびＦｓ／Ｆｏ信号の代表的な波形図。

Claims (16)

1. インバータ回路および共振回路を具備している高輝度放電ランプ用の電子安定器において、
   複数の点火キャパシタが放電ランプと並列に前記共振回路と前記放電ランプとの間に設けられている高輝度放電ランプ用の電子安定器。
2. ２個の点火キャパシタが互いに並列に設けられ、前記点火キャパシタの第１のものが前記インバータ回路および前記共振回路に物理的に近接して配置され、前記点火キャパシタの第２のものが放電ランプに近接して配置され、第１の点火キャパシタからケーブルによって分離されている請求項１記載の電子安定器。
3. 前記インバータ回路は２個のスイッチを具備しており、前記インバータ回路のスイッチング周波数を変化させる手段が設けられている請求項１記載の電子安定器。
4. 前記インバータ回路は点火ステップ中は低い周波数で動作され、定常状態動作中には高い周波数で動作される請求項３記載の電子安定器。
5. 直流リンク電流を監視する電流制御装置を具備し、前記電流制御装置からの出力が前記電圧制御発振器に対する入力を制御することによって前記インバータ回路のスイッチング周波数を制御し、前記電圧制御発振器の出力は前記インバータ回路の入力に接続されている請求項３記載の電子安定器。
6. 点火を失敗した場合に安定器がディスエーブルされ、予め設定された時間インターバル後に放電ランプの点火をさらに試みる手段が設けられている請求項１記載の電子安定器。
7. 放電ランプのランプ電流を基準電流と比較して点火が成功したか否かを決定する比較装置を具備しており、ランプ電流が基準電流よりも高いことをこの比較装置が決定した場合には安定器が高いスイッチング周波数で動作される請求項６記載の電子安定器。
8. 放電ランプの点火が反復的に試みられても、ｒｍｓランプ電圧が予め定められた値よりも低いままであるように、点火電圧が比較的短い持続期間中だけ発生される請求項６記載の電子安定器。
9. 前記放電ランプにおける短絡回路または開回路の状態を検出する手段を備え、この手段は直流リンク電流を基準値と比較する比較装置を含んでいる請求項１記載の電子安定器。
10. 前記短絡回路または開回路の状態を検出する手段を放電ランプの点火ステップ中付勢させないための遅延手段を備えている請求項１記載の電子安定器。
11. さらに、放電ランププのラズマのウォーミングを加速させるために点火に続く予め定められた長さの時間中ランプ電流をその定常状態レベルよりも高いレベルに維持するための電流制御装置を具備している請求項１記載の電子安定器。
12. 高輝度放電ランプ用の公称的に一定の直流リンク電圧を有する電子安定器において、
    インバータ回路と、共振回路と、直流リンク電流を検出する手段と、直流リンク電流を基準値と比較して短絡回路状態か開回路状態かを決定する手段とを具備している電子安定器。
13. 点火後予め定められた時間まで短絡回路状態または開回路状態の検出が生じないように、前記直流リンク電流を基準値と比較する手段の出力を遅延させる遅延手段が設けられている請求項１２記載の電子安定器。
14. 高輝度放電ランプ用の電子安定器において、
    インバータ回路と、共振回路と、起動プロセス時に放電ランプの点火に失敗した場合に電子安定器をディスエーブルにする手段と、予め定められた時間後に放電ランプの点火をさらに試みる手段とを具備し、
    さらに、前記放電ランプのランプ電流を検出し、検出されたランプ電流を基準電流と比較する手段を具備し、その検出されたランプ電流が基準電流よりも高いことによって放電 ランプの点火の成功が示されることを特徴とする電子安定器。
15. ランプ電流を基準電流と比較する比較装置を備え、この比較装置の出力がインバータ回路への入力に接続され、ランプ電流が基準電流よりも高いことを前記比較装置が決定した場合には、前記比較装置は出力を生成し、その出力は前記インバータ回路へ入力されてインバータ回路を高いスイッチング周波数で動作させる請求項１４記載の電子安定器。
16. 放電ランプの点火が反復的に試みられても、予め定められたレベルよりもｒｍｓランプ電圧が低いままであるように、各点火の試みを比較的短い持続期間に制限する手段が設けられている請求項１４記載の電子安定器。

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