JP4082238B2 - 高圧放電灯の点灯装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は高圧水銀ランプ、メタハラドランプ等始動時に高圧パルスを印加する高圧交流放電灯の点灯装置およびそれを用いたデータプロジェクター等の電子機器に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
高圧放電灯(ランプ)は小型で高輝度が得られるが、電極や高圧ガス等の物性的なバラツキや時間的変化、温度によりランプ電圧が変化し、輝度が変化しやすい。そこで、高圧放電灯には常に一定電力を供給して輝度の安定を図る高圧放電灯装置が必要となる。
【0003】
図5は上記高圧放電灯の点灯装置の構成を示すブロック図である。図5において、高圧放電灯11に一定電力を供給するために、直流電源1からの電力をDC−DCコンバータ50で電力制御し、交流変換回路51を介して高圧放電灯11に接続される。前記DC−DCコンバータ50は、制御回路14で制御する。制御回路14は高圧放電灯11のランプ電圧55とランプ電流56を常に検出し、DC−DCコンバータ50が一定電力を保つようにPWM制御信号58を出力する。そして、直流電源1からの電力はDC−DCコンバータ50で数十KHzの高周波の電圧に変換し、平滑してランプ出力電力を得る。また、高圧放電灯11を最初に高電圧(約20KV)を印加して点灯させるイグナイタ6が交流変換回路51を介して前記高圧放電灯11に接続される。
【0004】
又、以前の制御回路14はランプ電圧とランプ電流を検出し、その2信号を掛け算器を用いて掛け算し、その出力結果を基準値と比較してPWM制御信号58を出力し、DC−DCコンバータ50を制御していた。
【0005】
しかし、掛け算器を含む回路構成が複雑でバラツキも大きかった。そこで、図6における高圧放電灯の点灯装置の回路構成図はランプ電流56をブリッジ回路に取り込み簡単な回路構成で精度のよい回路構成とした。前記交流変換回路51は4個のスイッチング素子7,8,9,10で構成され、それぞれのスイッチング素子は駆動回路52で切り替え制御することにより高圧放電灯11に交流電力を供給する。点灯波形発生回路18からは、数十から数百Hzの矩形波信号24を出し駆動回路52で交流変換駆動信号に加工する。さらに前記点灯波形発生回路18からはランプフリッカー低減のための階段信号18osとランプ出力電力制御信号18ocを出し、制御回路14において、この2つの信号18osと18ocの合成信号と抵抗23で検出したランプ出力電流と比較し、PWM制御信号58を得る。
【0006】
制御回路14の構成は、図6において基準電源59から抵抗14bと抵抗14dと交流ランプ電流検出抵抗23とを直列接続しその他端を接地すると共に前記基準電源59から抵抗14aと抵抗14cとを直列接続しその他端を接地するブリッジ回路に、点灯波形発生回路18からのランプフリッカー低減のための階段信号18osとランプ出力電力制御信号18ocを抵抗15と抵抗16で合成し、抵抗14aと抵抗14cの交点に入力する。
【0007】
また、DC−DCコンバータ50の出力電圧55は点灯波形発生回路18内の抵抗18eと18fで分圧し、A/Dコンバータ18dに入力する。A/Dコンバータ18dの出力からマイクロコンピュータ18aはランプの電力が一定になる電流を流せるようにD/Aコンバータ18cへの出力値を下記の(式1)から計算しランプ出力電力制御信号18ocを得る。
【0008】
ランプ出力電力制御信号18oc=α×ランプ電流(Ila)
=α×(Pla/Vla) (式1)
制御回路14において、この2つの信号18osと18ocの合成信号と抵抗23で検出したランプ出力電流をブリッジ回路に入力し、抵抗14aと抵抗14cの交点を増幅器13の+入力(Vin1)に接続し、抵抗14bと抵抗14dの交点を増幅器13の−入力(Vin2)に接続し、ランプ出力電流が小さいと増幅器13の出力であるPWM制御信号58が上昇し、スイッチング素子2の導通期間が長くなり、交流変換回路51に供給する電力が増加し、ランプ出力電流を増加させるように制御する。
【0009】
ここで、ブリッジ回路の抵抗14aと抵抗14cの交点電圧及び抵抗14bと抵抗14dの交点電圧は電源59の電圧の半分以下に設定する。それにより増幅器13の電源に負電源が必要でなく電源59と共用できる。また、増幅器13の出力をフィードバックする抵抗57aとコンデンサ57bがブリッジ回路に接続でき制御の安定化が図れる。
【0010】
そして近年、電子機器の小型化はどんどん進み、ランプの電流検出抵抗23もその実装面積をより小さくする必要がある。そこで、その抵抗値を小さくして抵抗23の消費電力を減らし、抵抗を小型化する。その結果、抵抗23(抵抗値0.05〜0.1Ω)を使いランプ電流(例えば、5A〜1A)を約50mA単位で制御すると、抵抗23の電圧降下は2.5mVとなり、ブリッジ回路の抵抗14a、抵抗14b、抵抗14c、抵抗14dや増幅器13のオフセットのバラツキが電流制御の精度に大きく影響する。
【0011】
図7にブリッジ回路の抵抗値がバラついた時(MAX,MIN)とバラツキのないTYP時のランプ電流とランプ電力(Power)の図を示すように、ランプ電力(Power)が一定にならない。
【0012】
そこで、高精度の抵抗を使用するとコストは数十倍となってしまう。更に、ランプの電流制御では増幅器13の入力オフセットもあり、これも精度のよいものは高価である。
【0013】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
【0014】
【特許文献1】
特許第3326968号公報
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、近年、電子機器の小型化はどんどん進み、ランプの電流検出抵抗23や周辺回路部品もその実装面積をより小さくする必要がある。そこで、その抵抗値を小さくして消費電力を減らし小型化が必須である。その結果、例えば抵抗23(抵抗値0.05Ω)を使いランプ電流(例えば、5A〜1A)を50mA単位で制御すると、抵抗23の電圧降下は2.5mVとなり、ブリッジ回路の抵抗14a、抵抗14b、抵抗14c、抵抗14dのバラツキが電流制御の精度に大きく影響する。そこで、高精度の抵抗を低オフセット入力の増幅器を使用するとコストは数十倍となってしまうという問題点を有していた。
【0016】
本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、抵抗や増幅器のオフセットのバラツキに対し、増幅器を検出器として利用し、マイクロコンピュータとD/Aコンバータで補正することにより、安価な部品で高精度にランプの輝度を一定にして、制御を安定にする高圧点灯装置とそれを用いた電子機器を安価で小型化すると共にランプの点灯性能をよくすることを目的とするものである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【0018】
本発明の請求項1に記載の発明は、特に増幅器の出力により直流−直流コンバータの出力を制御する手段と、ランプ電流制御バラツキ補正手段とを有し、このランプ電流制御バラツキ補正手段は、高圧放電灯が点灯する前におけるマイクロコンピュータからのD/Aコンバータへの基準値H0と、前記マイクロコンピュータを接続した前記D/Aコンバータの出力変化により前記増幅器の出力が変化した時点の前記マイクロコンピュータからの前記D/Aコンバータへの入力値H1との差を、ランプ点灯後の前記D/Aコンバータに入力しランプ電流制御信号値に加算する手段であり、前記出力変化は段階的に増加させることで、高圧放電灯装置は安価な部品で高精度にランプの輝度を一定にして、制御を安定にする効果が得られる。
【0019】
本発明の請求項2に記載の発明は、特にブリッジ回路を構成する第三の抵抗と第四の抵抗の交点電圧は第一の抵抗と第二の抵抗の交点電圧の最大値と最小値の中間に設定したことにより、新しく部品を追加することなく、高精度にランプの輝度を一定にして、制御を安定にすることが可能となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面によって説明する。なお、説明にあたっては従来技術と同一部分は同一番号を付して説明する。
【0021】
(実施の形態1)
以下、実施の形態1について説明する。図1は本発明による高圧放電灯の点灯装置の構成を示すブロック図である。図2は本発明の実施の形態1における高圧放電灯の回路構成図と図3はその動作を示す動作波形図である。
【0022】
図1の高圧放電灯の点灯装置は、従来の技術でも説明したように、直流電源1からDC−DCコンバータ50、交流変換回路51を介して高圧放電灯(ランプ)11に接続される。前記DC−DCコンバータ50は制御回路14hからのPWM制御信号58により直流電源1の電圧を数十KHzの高周波の電圧に変換し、平滑してランプ出力電力を得る。前記制御回路14hはランプ電圧に応じて高圧放電灯11に供給する出力電流を可変しランプ電力が一定になるように制御している。
【0023】
ここで、本発明の高圧放電灯の点灯装置のバラツキ補正手段は、高圧放電灯11が点灯する前に機能させるものである。この高圧放電灯11が点灯前には、ランプ電流がゼロ(ランプ出力電流検出電圧56=0V)であり、制御回路14hの出力であるPWM制御信号58が基準値であれば制御回路14hにはバラツキが存在しないのであり、PWM制御信号58が基準値よりも大きいか、小さいかでバラツキを検出できる。そこでPWM制御信号58を点灯波形発生回路18hのマイクロコンピュータ18haに入力し、PWM制御信号58が基準値よりも大きいか、小さいかを検出する。更に、階段信号18os=0Vとしランプ出力電力制御信号18ocを上記マイクロコンピュータでPWM制御信号58が基準値になるまで変化させることにより、制御回路14hに発生するバラツキ要因をキャンセルすることが可能となる。
【0024】
次に、図2の高圧放電灯の回路構成図と図3の動作波形図を用いてバラツキ補正手段の詳細を説明する。
【0025】
図2において、本発明の高圧放電灯装置のバラツキ補正手段は、高圧放電灯11が点灯する前、すなわちランプ電流がゼロ(ランプ出力電流検出電圧56=0V)の時には、制御回路14h内のブリッジ回路を構成する抵抗14b(Rb)と抵抗14d(Rd)と交流ランプ電流検出抵抗23(R23)及び抵抗14a(Ra)と抵抗14c(Rc)において、前記抵抗の( )内は各抵抗の抵抗値とすると、交流ランプ電流検出抵抗23の両端電圧は、0Vである。(例えば、Ra=Rb=3KΩ、Rc=Rd=2KΩ、R23=0.1Ωとすると)
(1)増幅器13の+入力端子の電圧をVin1、−入力端子の電圧をVin2とし、電源59の電圧をV5(=5.0V)とすると
Vin1=Vin2=V5×(Rd/(Rb+Rd))
=V5×(Rc/(Ra+Rc))=2.0V
となる。
(2)ここで、抵抗14d(Rd)が−1%バラつくと
Rd=1.98KΩとなる。すると
Vin2=V5×(Rd/(Rb+Rd))=1.988Vとなり、 Vin2が電流制御電圧Vin1=2.0Vとなるランプ電流Ilaは
Vin2=(V5×Rd+R23×Rb×Ila)/(Rb+Rd)
Ila=(Vin2×(Rb+Rd)−V5×Rd)/(R23×Rb)
=0.2A(ランプ電流が0.2A多く流れることになる)
すなわち定格150Wのランプでランプ電圧(Vla=75V)、ランプ電流(Ila=2.0A)を点灯させると
ランプPOWER(W)=75V×(2.0A+0.2A)
=165Wとなってしまう。
【0026】
そこで、マイクロコンピュータ18haとD/Aコンバータ18cを用いて上記バラツキを補正する。すなわち、D/Aコンバータ18cの出力18ocに抵抗16を介してブリッジ回路の抵抗14aと抵抗14cの交点(電圧Vin1)に接続する。Vin2=2.0Vの標準値であれば出力18ocの電圧:Voc=2.0Vとすると、抵抗16の両端は同電位で電流は流れず、制御回路14hの出力であるPWM制御信号58は基準値がでる。
【0027】
しかし、上記(2)の抵抗14d(Rd)が−1%バラつく場合、次のように補正制御する。その動作は、図3を用いて説明する。
【0028】
1)マイクロコンピュータ18haからD/Aコンバータ18cの出力18ocが0Vになるデータから5Vになるデータを段階的に出力し、出力18ocを上昇させる。その出力18ocの電圧は抵抗16を介してブリッジ回路の抵抗14cに流れその端子電圧Vin2を上昇させる(図3−bのVin2波形:左下から右上に階段状に上昇する)。
【0029】
2)Vin2が上昇し、Vin2がVin1=1.988Vを超えると増幅器13の出力であるPWM制御信号58が0Vから5Vに変化する(図3−aの波形)。この時のマイクロコンピュータ18haからD/Aコンバータ18cへのデータ「DATA“1”」を記憶する。
【0030】
3)ここで、Vin2=2.0Vの標準値の時、出力18ocの電圧をVoc=2.0Vとするマイクロコンピュータ18haからD/Aコンバータ18cへのデータ「DATA“0”」は予め判っているので、補正データDATA“H”は、
DATA“H”=DATA“1”−DATA“0”で得られる。
【0031】
4)そこで、ランプ点灯後、マイクロコンピュータ18haはA/Dコンバータ18dからのランプ電圧を読み込み、ランプ電力が一定になる電流を流すDATA“1”を算出し、上記補正データを使い、DATA“I” −DATA“H”をD/Aコンバータ18cへ出力する。その結果、ブリッジ回路のVin2電圧は補正され、ランプは定格電力150Wが供給される。
【0032】
本発明による高圧放電灯その時のマイクロコンピュータからのD/Aコンバータへの入力値DATA“1”と、基準値DATA“0”との差をランプ点灯後のD/Aコンバータ入力に入力するランプ電流制御信号値に加算することにより、安価な部品で高精度にランプの輝度を一定にして、制御を安定にする効果が得られる。
【0033】
(実施の形態2)
以下、実施の形態2を用いて説明する。
【0034】
上記実施の形態1において、高圧放電灯11が点灯する前、すなわちランプ電流がゼロ(ランプ出力電流検出電圧56=0V)の時には、制御回路14h内のブリッジ回路を構成する抵抗14b(Rb)と抵抗14d(Rd)と交流ランプ電流検出抵抗23(R23)及び抵抗14a(Ra)と抵抗14c(Rc)において、前記抵抗の( )内は各抵抗の抵抗値とすると、交流ランプ電流検出抵抗23の両端電圧は、0Vである。(例えば、Ra=Rb=3KΩ、Rc=Rd=2KΩ、R23=0.1Ωとすると)
増幅器13の+入力端子の電圧をVin1、−入力端子の電圧をVin2とし、電源59の電圧をV5(=5.0V)とすると
Vin2=(V5×Rd+R23×Rb×Ila)/(Rb+Rd)
であるから、ランプ電流が0〜3.8A流れると(Ila=3.8Aを代入)
Vin2=(5×2+0.1×2×3.8)/(3+2)
=2.125Vとなる。
【0035】
そこで、Vin1をVin2の変化電圧2.0V〜2.125Vの約中間電圧(2.063V)に設定すると、D/Aコンバータ18cのランプ出力制御信号18ocの電圧が0〜5Vの範囲でVin2を変化させればランプ電流が0〜3.8Aを無駄なく制御可能となる。(ランプ電力180Wでは、ランプ電流の最大は3.0A)
例えば、Ra=3KΩ、とした時、Vin2=2.063VになるRcは
Rc=2.11KΩとなる。
【0036】
図4に本実施の形態2におけるランプ出力制御信号18ocとランプ電流(Ila)、ランプ電圧(Vla)、ランプ電力の関係を示す。
【0037】
(実施の形態3)
以下、実施の形態3について説明する。
【0038】
前記実施の形態2で説明したように点灯中のランプの輝度を一定に保つにはランプ電流(Ila)を3.8Aまで制御できれば十分である。しかし、ランプ点灯時はその2倍以上の電流を流さないと点灯直後に消えてしまうことがある。
【0039】
そこで、ランプ点灯中はフリッカー低減電流を制御するD/Aコンバータ18bをランプ点灯時に別途、設定し動作させ、ランプの点灯を確実に行う。
【0040】
図2において、従来、ランプ点灯前から点灯時はD/Aコンバータ18cはランプ電流が最大になるように設定し、A/Dコンバータ18dはオフにしていた。
【0041】
本発明は、ランプ点灯時にはA/Dコンバータ18dもランプ電流が最大になる設定を行い、D/Aコンバータ18cとA/Dコンバータ18dが同時に抵抗16と抵抗15を介して、ブリッジ回路の抵抗14cに電流を流し、ランプ電流を最大に流す動作をさせる。その結果、点灯中のランプの輝度を一定に保つにはD/Aコンバータ18cで精度良く行い、ランプ点灯時にはD/Aコンバータ18cとA/Dコンバータ18dを同時に働かせランプに大きな電流を流し、よりランプ点灯をよくすることを可能とした高圧放電灯装置を備えた電子機器となる。
【0042】
なお、図2においてマイクロコンピュータ18haがD/Aコンバータ18cの出力電圧(Voc)を用いてランプ電力(Pla)を制御する計算式は以下となる。ランプ電圧(Vla)、ブリッジ回路の抵抗14a,14b,14c,14dのそれぞれの抵抗値をRa,Rb,Rc,Rdとし、ランプ電流検出抵抗23と抵抗16の抵抗値をR23とR16とする。
【0043】
また、RaR16+RaRc+RcR16=Rxとすると、
D/Aコンバータ2:18c出力電圧(Voc)は
Voc=R23RxRb/(RaRc(Rb+Rd))×Pla/Vla+5RxRd/(RaRc(Rb+Rd))−5R16/Raとなる(式1の詳細)。
【0044】
【発明の効果】
本発明は、抵抗や増幅器のオフセットのバラツキに対し、増幅器を検出器として利用し、マイクロコンピュータとD/Aコンバータで補正することにより、安価な部品で高精度にランプの輝度を一定にして、制御を安定にすると共によりランプの点灯性を良くする高圧点灯装置とそれを用いた電子機器を安価で小型化できるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1における電子機器のブロック図
【図2】 本発明の実施の形態1における電子機器の回路構成図
【図3】 本発明の実施の形態1における電子機器の動作波形図
【図4】 本発明の実施の形態2における電子機器の動作波形図
【図5】 従来例における電子機器のブロック図
【図6】 従来例における電子機器の回路構成図
【図7】 従来例における電子機器の動作波形図
【符号の説明】
1 直流電源
2,7,8,9,10 スイッチング素子
6 イグナイタ
11 高圧放電灯(ランプ)
13 増幅器
14,14h 制御回路
18,18h 点灯波形発生回路
18b,18c D/Aコンバータ
18a,18ha マイクロコンピュータ
24 矩形波信号
50 DC/DCコンバータ
51 交流変換回路
52 駆動回路
58 PWM制御信号
Claims (2)
- 高圧放電灯に電力を供給する直流−直流コンバータもしくは交流−直流コンバータと、前記コンバータの出力を交流ランプ電流に変換して前記高圧放電灯に供給する交流変換回路と、基準電源から第一の抵抗と第二の抵抗と交流ランプ電流検出抵抗とを直列接続しその他端を接地すると共に前記基準電源から第三の抵抗と第四の抵抗とを直列接続しその他端を接地するブリッジ回路と、前記コンバータ出力電圧に比例した電圧をA/Dコンバータに入力し、A/Dコンバータの出力からマイクロコンピュータはランプに最適な電流を計算しD/Aコンバータへ出力し、その出力を前記第四の抵抗に電圧−電流変換して信号電流を流す手段と、第一の抵抗と第二の抵抗の交点電圧と第三の抵抗と第四の抵抗の交点電圧を増幅器で増幅し、その増幅器の出力で前記直流−直流コンバータもしくは交流−直流コンバータの出力を制御する手段と、前記増幅器の出力を前記マイクロコンピュータで読みとることによるランプ電流制御バラツキ補正手段とを備え、このランプ電流制御バラツキ補正手段は、前記高圧放電灯が点灯する前における前記マイクロコンピュータからの前記D/Aコンバータへの基準値H0と、前記マイクロコンピュータを接続した前記D/Aコンバータの出力変化により前記増幅器の出力が変化した時点の前記マイクロコンピュータからの前記D/Aコンバータへの入力値H1との差を、ランプ点灯後の前記D/Aコンバータに入力しランプ電流制御信号値に加算する手段であり、前記出力変化は段階的に増加させたものである、高圧放電灯の点灯装置。
- ブリッジ回路を構成する第三の抵抗と第四の抵抗の交点電圧は第一の抵抗と第二の抵抗の交点電圧の最大値と最小値の中間に設定した請求項1記載の高圧放電灯の点灯装置。
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