JP4059715B2 - 直線状ランプの光条の電子的排除 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直線状蛍光灯の視覚的見かけを改善することに関し、特に、ガス放電ランプで起こる視覚的光条の排除に関する。
【０００２】
【発明の背景】
一般に、ガス放電ランプは、両端部にそれぞれ電極を有する細長いガス充填管を有する。電極間の電圧は電子の運動を加速する。その結果、電子はガスの原子と衝突して、正イオンと更に多くの電子を発生し、それらが正電荷キャリア及び負電荷キャリアのガスプラズマを形成する。電子はランプの陽極に向かって流れ続け、正イオンはランプの陰極に向かって流れ続けることにより、管内部の放電を維持し、更に電極を加熱する。放電により、特定の充填ガスと放電の電気的パラメータとによって決まる波長を有する放射が行なわれる。
【０００３】
蛍光灯は、管の内面が蛍光体で被覆されているガス放電ランプである。蛍光体は放電からの紫外線放射により励起されて蛍光を発し、これにより可視光を発生する。蛍光灯などのガス放電ランプの動作中、光条として知られる現象が起こることがある。光条は、複数の暗い帯として現れる輝度を持つゾーンである。この現象はランプに望ましくないストロービング効果（strobing effect）を出現させる場合がある。光条現象の一例を図１に示す。図１は、ランプの効率を向上させるための緩衝ガスとして添加されるクリプトンを採用された直線状蛍光灯１０を示す。図１では、蛍光灯１０は蛍光灯の長さに沿って移動する暗い帯として現れる光条ゾーン１２を有する。ガス放電ランプにおける光条は低温で使用したときや、クリプトンを封入したランプなどの他の状況で起こることが知られている。
【０００４】
光条が起こる理由について様々な理論が提示されている。例えば、Sullivanの米国特許第５，００１，３８６号には、光条は高周波数電流がランプの電極の間で様々に変化する電荷分布を有する定在波を増強する結果として起こると考えられると述べられている。
【０００５】
Sullivanは、駆動交流電流の頂上に重ね合わせて直流成分を注入することにより光条の問題を解決しようと試みている。この技法の欠点は、直流バイアスを追加することにより、ランプ内部の水銀が一方の端部へ移動し、その結果として光出力の不均衡が発生するためにランプの損傷を引き起こす危険があるということである。また、ランプ点灯システムにおいて波高因子を増加することにより通常の光条を排除することも示唆されている。しかし、波高因子を増加すると、ランプに加わる応力も大きくなり、ランプの寿命が短くなるおそれがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、直流バイアスを追加せず且つ波高因子を大きく増加させずに上述の問題を解決する安定器を提供することが有益であろう。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、システム電源により給電される安定器回路を提供する。安定器はシステム電源と動作接続しており、安定器は交流システム電源電圧を安定器回路に含まれる直流バスに供給される直流電圧に変換するように構成されている。ランプ入力線に対して非対称交流電流を発生するために、安定器回路に直流バスと動作接続するインバータ回路が含まれている。更に、ガス放電ランプがランプ入力線と動作接続し、非対称交流電流を受け取るように構成されており、その結果、この電流を供給しない場合にランプで起こる視覚的光条が排除される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に示すように、光条ゾーン１２はエンドユーザに対して望ましくない視覚効果を発生させる。この問題に対処する中で、発明者は光条現象を説明するために帰無仮説を適用し、図２に示すような密閉されたオルガンパイプ１６の内部における定在圧力波１４としてモデル化できる光条の背後の物理的現象を提案した。ｌを長さの単位とし、ｎを調波とし、ｃ_pを一定容積であるモル容量とし、ｃ_vを一低圧力におけるモル容量とし、Ｐ₀を乱されていないガス圧力とし、且つρ₀を圧縮ゾーン外のガスの密度とするとき、密閉パイプの共振の周波数は次の式により表される。
【０００９】
【数１】

【００１０】
この仮説の下で、５０％デューティ比以外でインバータを有する安定器を動作させることによりランプにおける光条を減少又は排除できると判定した。すなわち、例えば、２スイッチインバータの場合、一方のスイッチは他方のスイッチより長い時間動作するように構成されている。このようなデューティ比のオフセットがコンデンサなどにより阻止されている間は、ランプのアークに直流電流は流れない。むしろ、例えば、ランプ電流サイクルの正の部分はそれに続く負の部分より短い持続時間を有するが、振幅は大きくなる、あるいはその逆である。そこで、ランプに非対称の入力電流を供給する安定器回路が開発された。このように電流の対称性を変化させることにより、光条を発生させると考えられる繰返し共振周波数が妨害され、その結果、目に見える光条は排除される。
【００１１】
図３は、本発明の概念を取り入れたランプ点灯システム２０の一例を示す。入力電源２２は安定器２４に電力を供給する。安定器２４は、直流バス２８に直流電圧を供給する交流／直流変換器２６を含む。直流バス２８はランプ入力電流発生回路３０に電力を供給する。ランプ入力電流発生回路３０は、ガス放電ランプ３４に電力を供給するランプ入力線３２に対して非対称交流電流を発生するように構成されている。一実施例では、ランプ入力電流発生回路３０はインバータ回路又はインバータ回路のいくつかの部分であっても良く、以下、主にこの点に絞って説明する。しかし、ランプ３４に対して非対称交流電流を発生又は供給することが可能である他の素子及び回路を使用しても差し支えないことを理解すべきである。図３のブロック３０により表されているこれらの追加回路はインバータ回路の一部であっても良いし、そうでなくても良い。例えば、非対称発生信号を非対称形態に変化させるために、反転メカニズムに続く部分回路を使用できる。
【００１２】
図４には、本発明の概念を取り入れるのに適するインバータ回路３０の一実施例を示す。この種の反転回路は当該技術で良く知られており、従って、本発明の概念が実現されている部分を除き、回路の詳細な説明を省略する。回路は、この実施例ではバイポーラ接合トランジスタである相補形スイッチ４０及び４２を具備する。スイッチ４０及び４２のエミッタは、コンデンサ４６と、インダクタ４８とを含む直列構成共振回路４４に共通に接続している。ブロッキングコンデンサ５０は共振回路４４のその他の部分に接続すると共に、接続点５２でランプ３４に直列に接続している。ランプ３４の他方の端子は接続点５４でコンデンサ４６とインダクタ４８の接合点に接続している。インダクタ４８からのタップであるフィードバックインダクタ５６は接続点５８でスイッチ４０及び４２の共通のエミッタに接続し、インダクタ５６の他方の端子はフィードバックコンデンサ６２に接続する駆動インダクタ６０に直列に接続している。フィードバックコンデンサ６２の他方の端子はスイッチ４０及び４２のベース端子に接続している。第１の抵抗器６４はスイッチ４０及び４２のベース端子からスイッチ４０のコレクタ端子に接続している。スイッチ４０のコレクタ端子は接続点６６で直流バス２８の正のリードにも接続している。スイッチ４２のコレクタ端子は、接続点７０で直流バス２８の負のリードに接続する接地点６８に接続している。駆動インダクタ６０は、背面接合、直列接続されたツェナーダイオード７４及び７６から構成される出力クランピング回路７２によりブリッジされている。コンデンサ７８は共振回路４４をブリッジし、抵抗器８０は接続点５８と接地点６８との間に接続している。逆導通ダイオード８２はスイッチ４０のエミッタ端子とコレクタ端子とをブリッジし、ダイオード８２の陰極はスイッチ４０のコレクタ端子に接続している。逆導通ダイオード８４はスイッチ４２のエミッタ端子とコレクタ端子とをブリッジし、ダイオード８４の陽極はスイッチ４２のコレクタ端子に接続している。
【００１３】
図４に示す回路に関してランプ入力電流の非対称性を発生させる好ましい方法は、hfe（一般にベータと呼ばれる）を不整合にしてスイッチ４０及び４２を構成することである。これにより、より低いhfeを有するトランジスタの導通時間がより短くなるので、スイッチ４０及び４２のオン時間は非対称になる。すなわち、一方のＢＪＴが他方より短い時間導通する。
【００１４】
図５は、本発明の非対称駆動関数８６を従来の安定器インバータの典型的な対称駆動関数８８と比較して示す。駆動関数は、図４の接続点５２に関して接続点５８から測定される電圧である。図示されている特定の駆動関数は短い正の持続時間と、長い負の持続時間を有するように構成されている。正と負の持続時間を逆転させても、同等の効果を得ることができる。
【００１５】
図６は、非対称駆動関数８６の効果を示す。図５の下半分には接続点５４から接続点５２へ流れる電流として測定された非対称負荷電流９０を示し、これを図６の上半分に示す対称負荷電流９２と比較することができる。非対称電流サイクルの正の部分はサイクルの負の部分より短い持続時間を有するが、正の部分は負の部分より振幅が大きい。これに対し、対称負荷電流９２では正の持続時間と負の持続時間が等しく、正の振幅と負の振幅も等しい。非対称負荷電流９０に直流成分が存在しないのは、直流電流がブロッキングコンデンサ５０によりブロックされるからである。
【００１６】
本発明の別の実施例を図７に示す。この実施例はＭＯＳＦＥＴスイッチ９４及び９６を含む。図４と照らし合わせて、図７の同じ図中符号は同様の素子を指示する。図７の場合、ＭＯＳＦＥＴスイッチ９４及び９６が固有の逆導通ダイオードを有するため、逆導通ダイオード８２及び８４は省略されている。図７では、ゲート電圧制限ツェナーダイオード９８及び１００が追加されている。ＢＪＴのベース−エミッタ接合部は本質的に入力電圧を制限するため、図４のＢＪＴスイッチは電圧制限ダイオードを必要としていなかった。
【００１７】
相補形ＭＯＳＦＥＴスイッチを含む従来のインバータにおいては、電圧制限ツェナーダイオード９８及び１００は互いに等しい素子電圧定格を有するように構成されていたと考えられる。しかし、本発明のこの第２の実施例では、ツェナーダイオード９８及び１００は互いに等しくない電圧定格をもって構成されている。電圧定格が等しくないために、スイッチ９４及び９６の一方は他方のスイッチより長い時間オン状態になる。スイッチ９４及び９６のオン時間が等しくないことにより得られる効果は、図５及び図６でＢＪＴスイッチ４０及び４２に関して示した効果と同じである。
【００１８】
インバータ回路の非同期スイッチングにより発生する非対称入力線電流の好都合な面は、オン／オフ時間の不均衡がごくわずかでも発生した場合に認識され始める。しかし、例えば、上述の回路における２つのスイッチの間のオン／オフ時間が増加するにつれて、回路の波高因子も増加して、回路の効率が低下することに注意すべきである。従って、実際に適用する場合には、光条を排除した最も効率の良い回路を提供するために、ユーザが利点と欠点の相反する面を考慮して判定することになる。
【００１９】
図４に示す実施例及び図７に示す実施例は単なる例示を目的としている。本発明の範囲内に入る他の構成を想像できることを理解すべきである。
【００２０】
先に述べた通り、本発明は数多くの形態で実現できる。上述の実施例では、図４及び図７の回路に関わる素子の指定及び／又は数値は次の通りであろう。
【００２１】
変圧器インダクタ４８（５６は４８からのタップである）...３．５ｍＨ
変圧器インダクタ６０...............１５０μＨ
コンデンサ４６....................１ｎＦ、１ｋＶ
コンデンサ６２....................１００ｎＦ、５０Ｖ
コンデンサ５０....................１００ｎＦ、５００Ｖ
コンデンサ７８....................１２０ｐＦ、１ｋＶ
ダイオード８２、８４各々............１Ｎ４９３７
ツェナーダイオード９８..............９Ｖ
ツェナーダイオード１００............１１Ｖ
ツェナーダイオード７４、７６各々..... ２４Ｖ
抵抗器６４........................１Ｍｅｇ
抵抗器８０........................１Ｍｅｇ
トランジスタ４０...................ＳＴＭ１３００３
トランジスタ４２...................ＳＴＭ９３００３
トランジスタ９４...................ＩＲＦ３１０
トランジスタ９６...................ＩＲＦ９３１０
【００２２】
提示した数値に対して多様なランプを使用できるであろうが、本発明のランプは電源電圧が交流１２０／２７７Ｖ、６０ヘルツサイクルの電源で動作し、その場合、ランプは希ガス充填Ｔ８直線状蛍光灯などのガス放電ランプであって差し支えないことを理解すべきである。ＳＴＭ素子として列挙した素子はイタリア、CataniaのSTMicroelectronics社製である。
【００２３】
本発明を主に蛍光灯と関連させて説明したが、ここで説明した回路はどのような種類のガス放電ランプの制御に使用されても良い。ここで関連する本発明の範囲から逸脱せずに上述の回路においていくつかの変更を実施できるので、以上の説明に含まれる又は添付の図面に示される全ての事項は例示であり、限定的な意味をもたないと解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 エンドユーザに対してストロービング効果を発生させる光条ゾーンを有する典型的な蛍光灯を示す図。
【図２】 密閉オルガンパイプ内部における定在圧力波を示す図。
【図３】 本発明の概念を実現したシステムのハイレベル図。
【図４】 本発明の好ましい一実施例を示す図。
【図５】 本発明の概念を利用することにより得られる入力駆動関数を標準駆動関数と比較して示す図。
【図６】 本発明の概念を利用することにより得られるランプ入力電流を標準ランプ入力電流と比較して示す図。
【図７】 本発明の別の実施例を示す図。
【符号の説明】
２０…ランプ点灯システム、２２…入力電源、２４…安定器、２６…交流／直流変換器、２８…直流バス、３０…ランプ入力電流発生回路、３２…ランプ入力線、３４…ガス放電ランプ、４０、４２…相補形スイッチ、４６…コンデンサ、５０…ブロッキングコンデンサ、９４、９６…ＭＯＳＦＥＴスイッチ、９８、１００…ゲート電圧制限ツェナーダイオード

Claims (6)

1. 入力電源（２２）と動作接続し、直流電圧を発生するように構成されている交流／直流変換器（２６）により給電される安定器回路（２４）において、
   前記交流／直流変換器と動作接続し、直流電圧を受け取るように構成されている直流バス（２８）と、
   前記直流バスとランプ入力線（３２）に動作接続し、前記ランプ入力線（３２）に対して非対称交流電流を発生するように構成され、前記ランプ入力線（３２）に接続されているインバータ回路（３０）と、
   を具備し、
   前記インバータ回路（３０）は、
   互いに等しくない hfe 値を有することにより、互いに等しくないオン時間を有するように構成された、バイポーラ接合トランジスタスイッチ又は、
   ＭＯＳＦＥＴトランジスタスイッチ（９４、９６）であって、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート端子とソース端子とをブリッジする背面接合及び、直列接続され、互いに等しくない電圧値を有するように構成された複数のツェナーダイオード（９８、１００）とにより、前記ＭＯＳＦＥＴが互いに等しくないオン時間を有するように構成された前記ＭＯＳＦＥＴトランジスタスイッチ（９４、９６）の何れかを備え、
   前記ランプ入力線（３２）に発生された前記非対称交流電流は、前記ランプ入力線（３２）に動作接続する蛍光ランプに供給され、前記非対称交流電流を供給しない場合に前記蛍光ランプで起こる視覚的光条を排除する安定器回路（２４）。
2. 直流電流を非対称交流電流からブロックするように構成された直流ブロッキングコンデンサ（５０）を更に含む請求項１記載の安定器回路（２４）。
3. 安定器（２４）からガス放電ランプ（３４）に非対称交流電流を供給する方法において、
   入力電源（２２）からの交流電圧を変換して、直流バス（２８）へ直流電圧を発生することと、
   インバータ回路（３０）により、前記直流電圧を反転させて、ランプ入力線（３２）へ非対称交流電流を発生することと、
   ガス放電ランプに前記ランプ入力線との動作接続により非対称交流電流を供給し、前記非対称交流電流を供給しない場合に前記ランプで起こる視覚的光条を排除することとから成り、
   前記インバータ回路（３０）は、
   互いに等しくない hfe 値を有することにより、互いに等しくないオン時間を有するように構成された、バイポーラ接合トランジスタスイッチ又は、
   ＭＯＳＦＥＴトランジスタスイッチ（９４、９６）であって、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート端子とソース端子とをブリッジする背面接合及び、直列接続され、互いに等しくない電圧値を有するように構成された複数のツェナーダイオード（９８、１００）とにより、前記ＭＯＳＦＥＴが互いに等しくないオン時間を有するように構成された前記ＭＯＳＦＥＴトランジスタスイッチ（９４、９６）の何れかを備える方法。
4. 直流電流を非対称交流電流からブロックするように構成された直流ブロッキングコンデンサ（５０）を設けることを更に含む請求項３記載の方法。
5. 入力電源（２２）と動作接続し、直流電圧を発生するように構成されている交流／直流変換器（２６）により給電される安定器回路（２４）において、
   前記交流／直流変換器と動作接続し、直流電圧を受け取るように構成されている直流バス（２８）と、
   前記直流バスとランプ入力線（３２）に動作接続し、前記ランプ入力線（３２）に対して非対称交流電流を発生するように構成され、前記ランプ入力線（３２）に接続されているインバータ回路（３０）と、
   を具備し、
   前記インバータ回路（３０）は、
   互いに等しくない hfe 値を有することにより、互いに等しくないオン時間を有するように構成された、バイポーラ接合トランジスタスイッチ又は、
   ＭＯＳＦＥＴトランジスタスイッチ（９４、９６）であって、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート端子とソース端子とをブリッジする背面接合及び、直列接続され、互いに等しくない電圧値を有するように構成された複数のツェナーダイオード（９８、１００）とにより、前記ＭＯＳＦＥＴが互いに等しくないオン時間を有するように構成された前記ＭＯＳＦＥＴトランジスタスイッチ（９４、９６）の何れかを備え、
   前記ランプ入力線（３２）に発生された前記非対称交流電流は、前記ランプ入力線（３２）に動作接続する蛍光ランプに供給され、前記非対称交流電流を供給しない場合に前記蛍光ランプで起こる視覚的光条を排除する安定器回路（２４）。
6. 前記インバータ回路（３０）は、
   前記バイポーラ接合トランジスタスイッチ又は、前記ＭＯＳＦＥＴトランジスタスイッチ（９４、９６）と接続し、コンデンサ（４６）と、インダクタ（４８）とを含む直列構成共振回路（４４）を備えている請求項５記載の安定器回路（２４）。

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