JP4593821B2 - 放電灯の作動方法および放電灯を作動するための安定器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の放電灯の作動方法に関する。本発明は、更に、請求項６の上位概念に記載の放電灯を作動するための安定器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス放電灯（以下、「放電灯」という）の作動期間中、電極に対する放電の定着形態は、電極が電子を放出しているか（カソード）あるいは電子を捕獲しているか（アノード）に依存している。アノードの場合、放電は電極の広範囲に分布するように定着しているが、カソードの場合、いわゆる焦点（ホットスポット＝過熱点）が常例として形成され、その結果、放電は点状で定着されると言うことができる。焦点の定着点は、電極幾何学形状、電極材料、電極上の温度分布に左右される。これらのパラメータは作動中変化しやすく、焦点の定着点がその位置を変える程にもなる。このことは放電の不安定性（アークの不安定性）またはちらつきと呼ばれる。このちらつきは特に交流電流でランプを作動させる場合に生じるが、その原因は電極がカソードとアノードとを交番的に形成し、それ故にアノードからカソードに変わる度に焦点が新たに形成されなければならないからである。
【０００３】
ちらつきの低減を目的としたものには、例えばＵＳ４４８５４３４号のいわゆる放電灯の方形波作動が公知である。高圧放電灯のＡＣ作動を安定させるには、正弦波電灯電流よりも方形波電灯電流を使用する方が有利であることが明らかとなっている。この方形波周波数の通例の値は、５０Ｈｚから２００Ｈｚである。方形波操作は、特に、光束の安定性が重要である、画像記録及びプロジェクション技術に適用される場合において確立されている。光束が方形波の振幅に一致しない時間間隔が可能な限り短くなるように、できるだけ早く整流することが求められている。
【０００４】
しかし、方形波作動であっても、特に、プロジェクション技術への使用が好ましいショートアーク高圧放電灯においては、放電の安定性は未だ十分とは言えない。アークの不安定性を改善するために、ＰＣＴ出願ＷＯ９５/３５６４５号は、方形波周期の終わりに電灯電流をパルス状に上昇させることを提案している。この電流の上昇は、安定化力を焦点の位置に及ぼすように温度を上昇させることにより達成される。しかしここで述べられているのは、パルスの持続時間及び高さと作動周波数の近似データのみである。また、方法の形態または作動は示唆されているに過ぎない。このため、例示されている実施例に示されている電灯とは異なった仕様の電灯（例えば、電極の形状や充填圧が種々異なっているもの）にこの方法を適用するには、費用が嵩む実験研究を行うしかない。
【０００５】
さらには、電流曲線を安定した形状に固定するという問題だけでなく、以下に示すように、所望の曲線形状を作り出すという問題もある。放電灯を作動する構成の負荷回路は、特に、寄生的であるかもしれないエネルギー蓄積部、及び非線形負荷を形成する放電灯を含んでいる。
【０００６】
エネルギー蓄積部の回路網は、この非線形負荷により励振される可能性がある共振周波数を生成する。このために特に、ショートアーク高圧放電灯を作動する場合、方形波作動における電灯電流の整流後に長時間過渡現象が持続するということになる。また、このような発振は、当然、その光束においてもみられるはずである。それ故に、高い安定性の光束を必要とする用途（ビデオプロジェクション等）の場合、方形波の周期に比して過渡現象が生じる時間間隔を確実に短くする必要がある。また、関連の作動装置に使用されるコントローラは、過渡現象の持続時間に相当の影響を及ぼす。前記用途に使用される従来の作動ユニットでは、電灯電力の指標を形成し、基準指標と比較される変数が生成される。この比較の結果により作動ユニットの電力部に操作量が供給される。方形波作動による光源の設定時間は、整流から光束が設定値の＋／−５％範囲に自動的に調整された瞬間までの経過時間によって決まってくる。前述した従来のコントローラでは、この設定時間は２５０μｓから３００μｓである。この設定時間は、最大でも方形波の半周期の１０％であるべきなので、従来のコントローラに関しては方形波に対して最大２００Ｈｚの周波数が実現されることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術について述べたように、本発明の課題は次の２つに分類される。第１に、本発明は、請求項１の上位概念に記載の方法を、明確に定義されたパラメータを用いて実質的にちらつきのない放電灯の作動を可能にするようにすることである。第２に、請求項６の上位概念に記載のように、本発明は、前記方法を実施することができる手段を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の課題は、請求項１の特徴を具備する方法の手段により解決される。特に有利な改良点は、請求項１の従属項である請求項２乃至５において明らかとなっている。
【０００９】
従来技術について説明したように、電灯のちらつきが生じる原因は、ガス放電の電極への定着を形成する焦点が連続的にその位置を変化させているという事実にある。さらに正確に分析すると、電極がカソードに整流されたすぐ後には焦点は全く形成されないことがわかっている。むしろ、広範囲に放電が定着していることが最初に認められる。カソードに温度の不均等が生じた直後に漸く、放電は収縮し焦点を形成する。本発明によれば、放電が焦点を形成する前に電灯電流の整流を行うことによって、放電灯のちらつきを大幅に低減することができる。電極ができるだけ早くカソードからアノードに変わるためには、時間的にしゅん度の高い電流端が必要となるが、これは当該方法が方形波電流特性により極めて有効的に実現されるからである。特に、プロジェクション技術に適用するには、フリッカレス作動が重要であるので、当該方法はこの種の用途等に使用される放電灯には特に重要である。高品質の光学画像を得るため、主としてこれらは高圧及び超高圧放電灯であって、ショート放電アークを備えている。本発明による方法の思想を実現可能にするために、この種の電灯に対して、方形波被駆動電灯電流の周波数は最低３００Ｈｚである必要がある。
【００１０】
本発明の方法を初めて試験用放電灯に適用する場合、あるいはこの放電灯が本発明の方法とは異なる方法を用いてある時間の間作動されていた場合、本発明の方法を適用したとしても放電灯が作動して少しの間はちらつき現象が生じる可能性がある。このようなちらつきが生じる原因は、焦点がすぐに種々異なる地点で生じ易いという電極構成にある。しかし本発明の方法を適用すれば、電極が放電アークに安定化力を及ぼすようにすることができる。これにより、本発明の方法によって短時間後に実質的にフリッカレス作動が実現される。
【００１１】
上記の如く、超高圧ショートアーク放電灯の場合には本発明の方法を実施するには、方形波電灯電流として少なくとも３００Ｈｚの周波数が必要となるが、従来の構成のコントローラを備える作動ユニットでは、実現可能な周波数は最大でも２００Ｈｚである。すなわち、本発明の課題の第２の部分はこの周波数の差を小さくすることにある。これは請求項６の特徴を有する作動ユニットを使用することにより解決される。特に有利な改良点は請求項６の従属項である請求項７乃至１０に明らかである。
【００１２】
通常、放電灯の作動ユニットでは、タイミング制御されるＤＣ−ＤＣコンバータによって一定の、いわゆる中間回路電圧Ｕ０から出力電圧ＵＡを生成する。出力電圧は、操作量Ｕｓにより設定することができるＤＣ電圧である。ＤＣ−ＤＣコンバータは、例えば昇圧、降圧またはインバースコンバータ等の種々のコンバータであってよい。これらのコンバータを使用することで、操作量Ｕｓは該コンバータに内臓の回路遮断器のパルスデューティファクターを変化させる。多くの場合、放電灯の方形波作動は、方形波に合う所望の周波数を有するフルブリッジ回路によって出力電圧ＵＡがその極性を反転させるという事実に基づいて実施される。
【００１３】
作動ユニットの被制御量は放電灯の電力（Ｐｉｓｔ）である。放電灯電力を検出するにはコストがかかりかつ作動ユニットの電力損が十分正確に知られている場合には、被制御量として、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電力が使用されてもよい。従来の作動ユニットでは、Ｐｉｓｔが設定値Ｐｓｏｌｌと比較され、操作量Ｕｓは、別の測定された変数を使用することなく、直接または制御特性（Ｐ，ＰＩ，Ｉ，ＰＩＤ）により重み付けられた後にこの比較から決定される。しかしこの構成を用いては放電灯電流の整流後の短い設定時間は不可能である。
【００１４】
本発明によれば、この問題はカスケード制御とフィードフォワード制御という２つの手段によって解決される。カスケード制御は、原理的には、スイッチド・モード・パワー・サプライのいわゆる電流モードの場合にも使用されるように、ＰｉｓｔとＰｓｏｌｌとの重み付けられた制御偏差は操作量Ｕｓの値を固定しないが、放電灯電流Ｉｓｏｌｌに対する設定値を定めるという事実があるために、本発明による作動ユニットにおいて実施される。Ｉｓｏｌｌは放電灯電流の指標を形成している値Ｉｉｓｔと比較され、直接あるいは制御特性（Ｐ，ＰＩ，ＰＩＤ）により重み付けられた後に操作量を固定するのはこの比較の結果である。このフィードフォワード制御は、本発明の作動ユニットにおいて次のように実施される。つまり、放電灯端子で測定されるようになっている出力電圧ＵＡも、放電灯電力の決定因子である。補助回路（点弧回路等）及び給電手段が、出力電圧ＵＡに変動を引き起こす可能性がある。ＵＡ中の変動は、特に、放電灯電流の整流後の過渡反応の場合に、制御プロセスに干渉する。その結果、本発明によれば、ＩｓｏｌｌはＰｉｓｔとＰｓｏｌｌとの制御偏差により決定されるのみならず、出力電圧ＵＡにも依存しているようにされる。このことは、制御特性による重み付けを用いて実施してもよく、この場合好ましくは、ＵＡ中の変動を強調するために微分特性が選択される。
【００１５】
【実施例】
本発明によるコントローラの構成の好適な実施例及びこれにより放電灯の作動中に実現することができる効果について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は放電灯電流の整流直前のショートアーク高圧放電灯の放電状態を示している。この図では焦点が形成されていることが分かる。このような放電は本発明の思想に対応せず、それ故にちらつき現象を起こし易い。
【００１７】
図２も放電灯電流の整流直前のショートアーク高圧放電灯の放電状態を示している。しかし、ここでは方形波放電灯電流の周波数が極めて高いため、焦点は形成されない。このことは、本発明の思想に対応する。その理由は、ちらつき現象はほとんど認められないからである。
【００１８】
図３は本発明によるコントローラの構成をブロック線図にて示す。目的は一次制御ループにおいて放電灯電力を制御することであるので、第１のステップは第１の減算点Ｓ１でＰｉｓｔとＰｓｏｌｌとの制御偏差を形成し、制御特性ＲＣ１によりこの偏差に重みを付けることである。該制御特性ＲＣ１は、Ｐ，ＰＩ，ＩまたはＰＩＤ特性であってよい。重み付けられた信号は第２の減算点Ｓ２に送られる。制御特性Ｒ２により重み付けられた出力電圧ＵＡが減算される。制御特性ＲＣ２は図３では好適な微分特性（ＤＴ１）として示されているが、これは基本的には種々異なる特性（Ｐ，ＰＩ，ＩまたはＰＩＤ等）を有していてもよい。冒頭に言及したフィードフォワード制御は、第２減算点にて実現される。
【００１９】
第２減算点Ｓ２の出力は、冒頭で言及したカスケード制御の内部制御ループの設定値Ｉｓｏｌｌを構成する。Ｉｓｏｌｌは第３の減算点Ｓ３にて放電灯電流の値に相当する変数と比較される。ここで比較された結果は制御特性Ｒ３により重み付けられた後に操作量Ｕｓとなる。該制御特性ＲＣ３は、Ｐ，ＰＩまたはＰＩＤ特性であってよい。
【００２０】
図４は図３に図示した標準的構成が具体化されている回路を示す。図４において、Ｒと数字で表示されている構成要素は抵抗器を、Ｃと数字で表示されている構成要素はコンデンサを、Ｔと数字で表示されている構成要素はトランジスタを表している。中央モジュールはＵｎｉｔｒｏｄｅ社より入手できる電流モードコントローラＵＣＣ３８００である。このＩＣは、第１（Ｓ１）及び第３（Ｓ３）の減算点と、制御特性Ｒ３を固定する能力と、冒頭に説明したＤＣ−ＤＣコンバータの回路遮断器を駆動するクロック信号としての操作量Ｕｓを生成する回路とを具備する。この回路遮断器は典型的には、オンしている時間間隔がゲート（Ｇａｔｅ）の信号により変化するＭＯＳＦＥＴである。この信号はＵＣＣ３８００においてピン６で（出力）使用される。この信号を生成するには内部発振器が必要である。該発振器の周波数は、それが自走形である場合、Ｒ１０８及びＲ１０３によって設定することができる。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータはいわゆる連続モードにて作動する。Ｒ１０８とＣ１０３は直列接続されている。この接続点は、ピン８（ＲＥＦ）と５Ｖの基準電圧とに接続されている。Ｒ１０８の他端はピン４（ＲＣ）に接続され、Ｃ１０３の他端はフレームに接続されている。
【００２１】
本発明に直接関連しない固有の作動状態では、該ＤＣ−ＤＣコンバータは構成要素Ｃ６，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ１０７，Ｔ１００，Ｒ１０６，Ｃ１０１，Ｒ１０５，Ｄ１０２，Ｒ１０４及びＣ１０２を含んでいる回路部によって不連続モードに切換えられる。この回路部は前述したＭＯＳＦＥＴのドレインの電圧により制御される。Ｃ６，Ｒ１，Ｒ２及びＲ１０７からなる直列回路は該ドレイン（Ｄｒａｉｎ）と動作電圧１０．５Ｖとの間に配置されている。抵抗器Ｒ１０７の一端は１０．５Ｖの動作電圧とＴ１００のエミッタとに同時に接続されている。抵抗器Ｒ１０７の他端はＴ１００のベースに接続されている。Ｒ１０６及びＣ１０１はＴ１００のコレクタに接続されている。Ｒ１０６の他端はフレームに接続され、Ｃ１０１の他端はＲ１０５とＤ１０２のアノードとに接続されている。Ｒ１０５の他端はフレームに接続され、Ｄ１０２のカソードはＲ１０４とＣ１０２とに接続されている。Ｒ１０４の他端はフレームに接続され、Ｃ１０２の他端はＵＣＣ３８００のピン４（ＲＣ）に接続されている。
【００２２】
ＵＣＣ３８００は、ピン７（ＶＣＣ）とピン５（ＧＮＤ）にて動作電圧（１０．５Ｖ）とフレームとに接続されている。Ｐｓｏｌｌはピン８（ＲＥＦ）を介して供給される。この場合、基準電圧は５Ｖである。
【００２３】
Ｐｉｓｔは、構成要素Ｒ１１，Ｒ２８，Ｒ２９，Ｒ３１，Ｒ１１７，Ｒ２４，Ｒ２５，ＩＣ１１−Ｂ，Ｒ１０１，Ｃ１３，Ｃ１２，Ｒ２０，Ｒ２２及びＩＣ１１−Ａを含んでいる回路部により用意される。ＩＣ１１−Ａ及びＩＣ１１−Ｂは反転増幅器である。ＩＣ１１―Ａの出力（ピン１）において、この回路部はＤＣ−ＤＣコンバータの入力電力に比例する電圧を供給する。この目的のため、中間回路電圧Ｕ０が端子ＵＡ１を介して、構成要素Ｒ１１，Ｒ２８，Ｒ２５，Ｒ２４及びＩＣ１１−Ｂを含んでいる反転増幅器に供給される。Ｒ１１及びＲ２８はＵＡ１とフレームとの間で分圧器を形成している。Ｒ１１とＲ２８の接続点の信号は、ＩＣ１１−Ｂの反転入力側(ピン６)に供給される。ＩＣ１１−Ｂの非反転入力側（ピン５）は、２．５Ｖの基準電圧に接続されている。フィードバック抵抗器Ｒ２５は、ＩＣ１１−Ｂの出力（ピン４）とＩＣ１１−Ｂの反転入力側との間に配置されている。ＩＣ１１―Ｂの出力側は、Ｒ２４とＲ１０１とからなる直列回路を介してＩＣ１１−Ａの反転入力側（ピン２）に接続されている。
【００２４】
抵抗器Ｒ３１，Ｒ２９及びＲ１１７はＲ２４とＲ１０１との接続点に接続されている。Ｒ２９の他端はフレームに接続され、Ｒ１１７の他端は５Ｖの基準電圧に接続され、Ｒ３１の他端は端子Ｐｏｔｉに導かれている。ポテンショメータが端子Ｐｏｔｉを介してフレームに接続されてもよく、この場合これにより放電灯電力を設定することができる。
【００２５】
構成要素Ｒ１０１，Ｒ２２，Ｃ１３，Ｒ２０，Ｃ１２及びＩＣ１１−Ａは加算回路を形成し、ここで、増幅された電圧信号ＵＡ１と、端子Ｓｏｕｒｃｅを介して供給され、入力電流の指標である信号とが加えられる。
【００２６】
端子Ｓｏｕｒｃｅからの信号はＲ２２を介してＩＣ１１−Ａの非反転入力側（ピン３）に供給される。Ｃ１３はＩＣ１１−Ａの非反転入力側とフレームとの間に配置されている。Ｃ１２とＲ２０からなる直列回路はＩＣ１１−Ａの反転入力側とＩＣ１１−Ａの出力側との間に配置されている。
【００２７】
この加算により、動作点における乗算の近似値が形成され、その結果、ＩＣ１１−Ａのピン１には、電圧値がＤＣ−ＤＣコンバータの入力電力の指標である信号が現れる。この加算回路は、Ｃ１２よって、同時に制御特性Ｒ１、この場合はＰＩ特性を生成する。従って、重み付けられたＰｉｓｔ信号はがＣ１１−Ａのピン１にて使用可能である。
【００２８】
端子Ｓｏｕｒｃｅを介して供給される信号を指標とする入力電流は同時に、連続的に制御される入力電力と一定の中間回路電圧Ｕ０とした放電灯電流Ｉｉｓｔの指標である。結果的に、カスケード制御の内部制御ループを実現するために、端子Ｓｏｕｒｃｅの信号がＲ１１４を介してピン３（ＣＳ）に供給され、次にＵＣＣ３８００に組込まれている第３減算点Ｓ３に供給される。
【００２９】
カスケード制御の外部制御ループはＲ１１２を介して閉じられており、Ｒ１１２はＩＣ１１−Ａの出力側とＵＣＣ３８００のピン２（ＦＢ）とを接続している。ＵＣＣ３８００のピン２（ＦＢ）は同時に、信号Ｉｓｏｌｌと第２減算点Ｓ２を形成する。ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧ＵＡは端子ＵＡに現れる。この電圧はＣ１００とＲ１１１からなる直列回路を介してＵＣＣ３８００のピン２（ＦＢ）に供給され、これにより前述のフィードフォワード制御が実現される。Ｃ１００及びＲ１１は制御特性ＲＣ２を形成する。この場合はＤＴ１特性である。
【００３０】
制御特性ＲＣ３、この場合ＰＩ特性は、Ｃ１０４とＲ１０９とからなる並列接続された構成要素によって決定することができる。これらはＵＣＣ３８００のピン１（ＣＯＭＰ）とピン２（ＦＢ）との間に接続されている。
【００３１】
括弧内に記載されているＵＣＣ３８００のピン指定については、製造業者ＵＮＩＴＲＯＤＥ，Merrimack, ＵＳＡのデータシートに依拠している。
【図面の簡単な説明】
【図１】ちらつきを発生している放電状態を示す略図である。
【図２】ちらつきの無い放電状態を示す略図である。
【図３】コントローラの構成を示すブロック図である。
【図４】好適な実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
Ｋ カソード、 Ａ アノード、 Ｐｉｓｔ 実際電力値、 Ｐｓｏｌｌ 設定電力値、 Ｉｉｓｔ 実際電流値、 Ｉｓｏｌｌ 設定電流値、 ＵＡ 出力電圧、 ＵＳ 操作量

Claims (5)

1. １台以上の並列接続された放電灯をＡＣ作動するための安定器であって、
   該放電灯は放電灯電流を導く電極を備えており、
   放電灯電流の周波数の値は３００Ｈｚより高く、放電灯電流は方形波であり、
   前記安定器は、
   ＤＣ電圧（出力電圧ＵＡ）を供給する装置と、
   該放電灯電力の指標である電気量（Ｐｉｓｔ）を供給する装置と、
   該放電灯電力の設定値の指標である電気量（Ｐｓｏｌｌ）を供給する装置と、
   該放電灯電流の指標である電気量（Ｉｉｓｔ）を供給する装置と、
   前記電気量を制御する装置と
   を具備している形式のものにおいて、
   前記電気量を制御する装置は、前記放電灯電力の指標である電気量（Ｐｉｓｔ），前記放電灯電力の設定値の指標である電気量（Ｐｓｏｌｌ）及び前記ＤＣ電圧（ＵＡ）の関数として、前記放電灯電流の設定値の指標である量（Ｉｓｏｌｌ）を固定しかつ前記放電灯電流の指標である電気量（Ｉｉｓｔ）と比較することにより放電灯電流を設定し、
   前記ＤＣ電圧（ＵＡ）は比例及び／または積分及び／または微分制御特性を使用して評価される
   ことを特徴とする放電灯をＡＣ作動するための安定器。
2. 前記放電灯電力の指標である電気量（Ｐｉｓｔ）及び前記放電灯電力の設定値の指標である電気量（Ｐｓｏｌｌ）は比例及び／または積分及び／または微分制御特性を使用して評価される
   請求項１記載の放電灯をＡＣ作動するための安定器。
3. 前記放電灯電流の指標である電気量（Ｉｉｓｔ）及び前記放電灯電流の設定値の指標である量（Ｉｓｏｌｌ）は比例及び／または積分及び／または微分制御特性を使用して評価される
   請求項１記載の放電灯をＡＣ作動するための安定器。
4. 放電灯は高圧又は超高圧放電灯である
   請求項１〜３のいずれか一項記載の放電灯をＡＣ作動するための安定器。
5. 放電灯はショートアーク灯である
   請求項４記載の放電灯をＡＣ作動するための安定器。

Images