JP4793122B2 - 放電灯点灯装置及び画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング回路を用いた放電灯点灯装置及び画像表示装置に関するものである。

図９は一般的な出力監視型の電源装置のブロック図である。電力変換回路１はチョッパ回路やインバータ回路であり、そのスイッチング素子のパルス幅や駆動周波数を規定する信号を制御回路２から出力する。電源入力から必要な負荷出力を得るために、出力電圧や出力電流を検出し、制御回路２で出力状態に対応する信号に変換し、電力変換回路１に指示を出す。制御回路２は一般にマイクロコンピュータ（以下「マイコン」と呼ぶ）を含んで構成され、制御指令となる閾値Ｖｔｈを出力する。

閾値Ｖｔｈを出力する回路構成の一例を図１０に示す。マイコンＭＣから出力されるデューティ可変のＰＷＭ信号をコンデンサＣ３と抵抗Ｒ７で平滑して閾値Ｖｔｈとするが、平滑度を上げるために、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ７の時定数を大きく設定する必要があった。

また、図１１のように複数の抵抗Ｒ８〜Ｒ１７を用いて、複数の出力端子Ｐ１〜Ｐ５のＨｉｇｈ／Ｌｏｗの組み合わせを変えることで閾値Ｖｔｈを瞬時に変化させる手段であれば、コンデンサＣ４はノイズ除去用の小容量のもので良いが、マイコンＭＣの出力端子が多く必要となるため、形状の大きなマイコンが必要となる。また、抵抗の数も増えるため、実装面積が増える。

特許文献１には、マイコンを用いた制御手段により放電灯のランプ電流を制御する放電灯点灯装置において、制御手段の見かけ上の分解能を高めてランプ電流の制御に反映させることで、放電灯の光量の変化を滑らかにすることが提案されている。この従来技術は、ランプ電流の指令値の最小分解能よりも小さい変化をビットパターンとし、このビットパターンをランプ電流の指令値に加算することで、見かけ上の分解能を高めることを提案しているが、二段階の変換を必要とするので、構成が複雑になる。
特許第２８１３７８９号公報

図１０のように、マイコンＭＣから出力されるデューティ信号をコンデンサＣ３と抵抗Ｒ７で平滑して閾値Ｖｔｈを出力する手段では、平滑度が低い場合は図１２のように出力波形Ｖｏｕｔのリップルが大きくなってしまう。閾値Ｖｔｈの平滑度を上げるためには、コンデンサＣ３、抵抗Ｒ７の値を大きくする必要があり、形状が大きく、高価な部品が必要であった。また、ＣＲ時定数が大きくなってしまうため、急激な負荷の変化に対応しきれないという問題があった。マイコンなどの処理速度を上げてＰＷＭ信号の周波数を高くすることも考えられるが、部品が高価になってしまうし、マイコンの能力や発振子によって速度の上限が決まってしまう。さらに、図１１や特許文献１の手段では構成が複雑で高価になるという問題があった。

本発明は、マイコン制御されるスイッチング回路を用いた放電灯点灯装置において、マイコンからの出力パルス信号を制御指令となる直流電圧に変換する平滑回路の時定数を大きくすること無く、変換後の直流電圧の平滑度を高めると共に、急激な負荷状態の変化にも対応可能とすることを課題とする。

本発明によれば、上記の課題を解決するために、図２に示すように、電源から放電灯への供給電力を制御する電力変換回路１と、電力変換回路１のスイッチング素子Ｓ１をオン／オフ制御する制御回路２とからなる放電灯点灯装置であって、前記制御回路２は、図３に示すように、放電灯の点灯状態を検出する検出回路（Ｒ２，Ｒ３）と、その検出値に応じた出力値を所定の周期毎に演算しパルス信号として出力するマイコンＭＣと、マイコンＭＣから出力されるパルス信号をその実効値に応じた直流電圧に変換する平滑回路（Ｒ４，Ｃ２）と、平滑回路から出力される直流電圧Ｖｔｈのレベルに応じて前記スイッチング素子Ｓ１のオン期間を制御する信号生成回路２２を備え、前記マイコンＭＣから前記所定の周期内で出力されるパルス信号は、図１（ｂ），（ｃ）に示すように、略等間隔で複数個出力される固定幅のパルスよりなることを特徴とするものである。ここで、前記固定幅のパルスとは、前記マイコンＭＣが出力可能な最小幅ｔｍｉｎのパルスとするか、または、図５〜図７に示すように、その最小幅ｔｍｉｎのパルスが複数個連続して成るパルスとすることが好ましい。

本発明によれば、平滑回路からマイコン側を見たときのパルスの出力間隔が短くなるため、平滑回路の時定数が小さくても制御指令となる直流電圧の平滑度を高めることができ、形状の大きな部品や、高価な部品を使用する必要が無くなる。また、平滑回路の時定数を小さくできるので、急激な負荷状態の変化に対する制御の応答性が高くなる。

（前提となる構成）
本発明の放電灯点灯装置は、図２に示すように、電源から放電灯への供給電力を制御する電力変換回路１と、電力変換回路１のスイッチング素子Ｓ１をオン／オフ制御する制御回路２とからなる。電力変換回路１は、電源からの入力電圧Ｖｉｎをスイッチング素子（リレー、半導体素子等）Ｓ１、ダイオードＤ１、インダクタＬ１からなるチョッパ回路で電圧変換し、その電圧変換された出力をコンデンサＣ１で平滑する。その出力電圧Ｖｏｕｔを検出して演算回路２１で演算し、出力電圧Ｖｏｕｔに対応する閾値Ｖｔｈを出力する。回路電流を抵抗Ｒ１により電圧変換した電圧Ｉｐを信号生成回路２２で閾値Ｖｔｈと比較し、比較した結果をｏｎ／ｏｆｆ信号としてスイッチング素子Ｓ１に入力し、電力制御を行う。

制御回路２は例えば図３のように構成されており、演算回路２１では出力電圧Ｖｏｕｔを抵抗Ｒ２、抵抗Ｒ３で分圧した値をマイコンＭＣに入力し、その値に対応したパルス信号をマイコンＭＣから出力する。マイコンＭＣから出力されたパルス信号は抵抗Ｒ４、コンデンサＣ２で平滑されて、抵抗Ｒ５、抵抗Ｒ６で分圧した値を閾値Ｖｔｈとして信号生成回路２２へ入力する。信号生成回路２２では、例えばコンパレータＣＰを用いて閾値Ｖｔｈと回路電流を抵抗Ｒ１により電圧変換した電圧Ｉｐを比較し、電圧Ｉｐが閾値Ｖｔｈを超えるとスイッチング素子Ｓ１はｏｆｆする。

スイッチング素子Ｓ１のｏｎ／ｏｆｆのタイミングの一例を図４に示す。図４の例では、一定の周期Ｔｏでラッチ回路ＦＦをセットし、Ｉｐ＞Ｖｔｈとなった時点でコンパレータＣＰの出力でラッチ回路ＦＦをリセットしている。

以下の実施の形態１〜４では、マイコンＭＣから出力されるパルス信号の具体的な波形例を従来と対比しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の動作波形図である。マイコンＭＣから出力されるパルス信号波形を図中の左側に示すと共に、平滑回路（抵抗Ｒ４，コンデンサＣ２）で平滑され、抵抗Ｒ５，Ｒ６で分圧された閾値Ｖｔｈの波形を図中の右側に示した。

図１（ａ）は従来のデューティ可変のＰＷＭ信号を用いた場合を示している。ここでは、ＰＷＭ信号の波形のｏｎ幅は最小時間幅：ｔｍｉｎの６倍の時間幅となっている。これをＣＲ時定数回路により平滑すると、閾値Ｖｔｈはリップルの大きな波形となる。

本発明では、図１（ｂ）のように従来のＰＷＭ信号を６波形に分割して、１周期の区間内で等間隔に出力している。これをＣＲ時定数回路により平滑すると、閾値Ｖｔｈはリップルの小さな波形となるが、波形を平滑した閾値Ｖｔｈの実効値は図１（ａ）と同じ（Ｖａ＝Ｖｂ）となる。このときマイコンから出力されるパルス信号の幅はマイコン処理の最小時間幅：ｔｍｉｎとなっている。

図１（ｃ）は負荷状態が変化し、閾値Ｖｔｈの値が増加した場合（Ｖｃ＞Ｖｂ）の波形である。この場合もマイコンから出力されるパルス信号の幅は最小時間幅であるが、１周期の区間内でマイコンから出力されるパルス信号の個数は図１（ｂ）の場合よりも増加している。

なお、マイコン処理の最小時間幅：ｔｍｉｎとは、マイコンが出力可能なパルスの最小時間幅のことであり、例えば、マイコンの出力ポートをＨｉｇｈレベルとする命令を実行した直後に当該出力ポートをＬｏｗレベルとする命令を実行した場合に出力されるパルス信号の時間幅としても良い。以下の実施の形態においても同様である。

（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態２の動作波形図である。ここでもマイコンＭＣから出力されるパルス信号波形を図中の左側に示すと共に、パルス信号を平滑した閾値Ｖｔｈの波形を図中の右側に示す。

図５（ａ）は従来のデューティ可変のＰＷＭ信号の波形を示しているが、この波形のｏｎ幅は最小時間幅：ｔｍｉｎの１２倍の時間幅となっている。これをＣＲ時定数回路により平滑すると、閾値Ｖｔｈはリップルの大きな波形となる。

本発明では、図５（ｂ）のように従来のＰＷＭ信号を６波形に分割して、１周期の区間内で等間隔に出力している。これをＣＲ時定数回路により平滑すると、閾値Ｖｔｈはリップルの小さな波形となるが、波形を平滑した閾値Ｖｔｈの実効値は図５（ａ）と同じ（Ｖａ＝Ｖｂ）となる。このときのパルス信号の幅はマイコン処理の最小時間幅の２倍となっているが、この幅は２倍に限らず整数倍であれば良い。

図５（ｃ）は負荷状態が変化し、閾値Ｖｔｈの値が増加した場合（Ｖｃ＞Ｖｂ）の波形である。この場合もパルス信号の幅は最小時間幅の２倍としているが、１周期の区間内でマイコンから出力されるパルス信号の個数は図５（ｂ）の場合よりも増加している。

また、従来のＰＷＭ信号のｏｎ幅を最小時間幅の整数倍で割り切れない場合は、図６のようになる。図６（ａ）の波形は従来のＰＷＭ信号の波形を示しているが、この波形のｏｎ幅は最小時間幅：ｔｍｉｎの１１倍の時間幅となっている。これをＣＲ時定数回路により平滑すると、閾値Ｖｔｈはリップルの大きな波形となる。

本発明では、図６（ｂ）のようにｏｎ／ｏｆｆの時間幅を６波形に分割して、１周期の区間内で等間隔に出力している。１周期内の最初の５回のパルス信号のｏｎ時間の幅はマイコン処理の最小時間幅の２倍となっているが、最後の１回のパルス信号のｏｎ時間の幅はマイコン処理の最小時間幅となっている。これをＣＲ時定数回路により平滑すると、閾値Ｖｔｈはリップルの小さな波形となるが、波形を平滑した閾値Ｖｔｈの実効値は図６（ａ）と同じ（Ｖａ＝Ｖｂ）となる。

（実施の形態３）
図７は本発明の実施の形態３の動作波形図である。ここでもマイコンＭＣから出力されるパルス信号波形を図中の左側に示すと共に、パルス信号を平滑した閾値Ｖｔｈの波形を図中の右側に示す。

図７（ａ）は従来のデューティ可変のＰＷＭ信号の波形を示しているが、この波形のｏｎ幅はマイコン処理の最小時間幅：ｔｍｉｎの１０倍の時間幅となっている。これをＣＲ時定数回路により平滑すると、閾値Ｖｔｈはリップルの大きな波形となる。

本発明では、図７（ｂ）のように従来のＰＷＭ信号を５波形に分割して、１周期の区間内で等間隔に出力している。これをＣＲ時定数回路により平滑すると、閾値Ｖｔｈはリップルの小さな波形となるが、波形を平滑した閾値Ｖｔｈの実効値は図７（ａ）と同じ（Ｖａ＝Ｖｂ）となる。このときのｏｎ時間の幅はマイコン処理の最小時間幅の２倍となっている。

図７（ｃ）は負荷状態が変化し、閾値Ｖｔｈの値を上げる場合の波形である。パルス信号のｏｎ時間の幅はマイコン処理の最小時間幅の３倍であり、１周期の区間内のｏｎする回数は閾値Ｖｔｈの値を上げる前と同じ５回となっている。

図示された例では従来のＰＷＭ信号の１周期の区間内でｏｎ／ｏｆｆ時間を５分割しているが何分割でも良い。閾値Ｖｔｈのリップルや出力電圧Ｖｏｕｔのリップルの状態により、分割する数は変えても良い。

図７では、マイコン処理の最小時間幅の２倍もしくは３倍で示しているが、整数倍であれば何倍でも良い。また、従来のＰＷＭ信号の波形をマイコン処理の最小時間幅の整数倍で割り切れない場合は、図６と同様に時間幅の異なるパルス信号を１周期の区間内で混在させることになる。例えば、１周期の区間内で３×ｔｍｉｎのパルス信号を４回出力した後、２×ｔｍｉｎのパルス信号を１回出力したり、あるいは、１周期の区間内で３×ｔｍｉｎのパルス信号と２×ｔｍｉｎのパルス信号を交互に出力しても良い。

上述の説明では、放電灯点灯用の電力変換回路が図２のような降圧チョッパ回路であることを前提として説明したが、入力電圧変動幅など設計条件によっては、降圧チョッパ回路でなく、昇圧チョッパ回路や昇降圧チョッパ回路、その他のＤＣ−ＤＣコンバータ回路を用いる場合もある。そのような場合にも、本発明を適用できることは言うまでもない。

また、図２のようなチョッパ回路の出力と負荷である放電灯の間にインバータ回路（極性反転回路）を設けた矩形波点灯方式であっても本発明を適用できることは言うまでもない。

（実施の形態４）
上述の各実施の形態の放電灯点灯装置は、プロジェクタやリアプロジェクションテレビのような画像表示装置の光源となる放電灯の点灯に用いられる。ここでは、プロジェクタに実装する場合を例示する。図８は画像表示装置の３０の内部構成を示す概略図である。図中、３１は投光窓、３２は電源部、３３ａ、３３ｂ、３３ｃは冷却用ファン、３４は外部信号入力部、３５は光学系、３６はメイン制御基板、４０は放電灯点灯装置、Ｌａは放電灯である。破線で示した枠内にメイン制御基板が実装されている。光学系３５の途中には、放電灯Ｌａからの光を透過または反射する画像表示手段（透過型液晶表示板または反射型画像表示素子）が設けられており、この画像表示手段を介する透過光または反射光をスクリーンに投射するように光学系３５が設計されている。このように、放電灯点灯装置４０は放電灯Ｌａと共に画像表示装置３０の内部に実装されている。

本発明の実施の形態１の動作説明のための波形図である。 本発明に用いる電力変換回路の構成例を示す回路図である。 図２の制御回路の具体例を示す回路図である。 図２のスイッチング素子の動作波形図である。 本発明の実施の形態２の動作説明のための波形図である。 本発明の実施の形態２または３の動作説明のための波形図である。 本発明の実施の形態３の動作説明のための波形図である。 本発明の実施の形態４の画像表示装置の内部構成を示す概略構成図である。 一般的な出力監視型の電源装置の構成を示すブロック図である。 平滑回路により閾値を出力する従来例を示す回路図である。 抵抗分圧により閾値を出力する従来例を示す回路図である。 図１０の従来例の問題点を説明するための波形図である。

符号の説明

１ 電力変換回路
２ 制御回路
２１ 演算回路
２２ 信号生成回路
Ｓ１ スイッチング素子
Ｄ１ ダイオード
Ｌ１ インダクタ
Ｃ１〜Ｃ４ コンデンサ
Ｒ１〜Ｒ１７ 抵抗
ＭＣ マイコン
Ｖｉｎ 入力電圧
Ｖｏｕｔ 出力電圧
Ｉｐ 回路電流の電圧変換値
Ｖｔｈ 閾値
Ｔｏ １周期の時間
ｔｏｎ スイッチング素子Ｓ１のｏｎ時間
ｔｏｆｆ スイッチング素子Ｓ１のｏｆｆ時間

Claims (3)

1. 電源から放電灯への供給電力を制御する電力変換回路と、電力変換回路のスイッチング素子をオン／オフ制御する制御回路とからなる放電灯点灯装置であって、
   前記制御回路は、放電灯の点灯状態を検出する検出回路と、その検出値に応じた出力値を所定の周期毎に演算しパルス信号として出力するマイコンと、マイコンから出力されるパルス信号をその実効値に応じた直流電圧に変換する平滑回路と、平滑回路から出力される直流電圧のレベルに応じて前記スイッチング素子のオン期間を制御する信号生成回路を備え、
   前記マイコンから前記所定の周期内で出力されるパルス信号は、略等間隔で複数個出力される固定幅のパルスよりなることを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 請求項１において、固定幅のパルスとは、前記マイコンが出力可能な最小幅のパルス、または、その最小幅のパルスが複数個連続して成るパルスであることを特徴とする放電灯点灯装置。
3. 請求項１又は２記載の放電灯点灯装置と、該放電灯点灯装置により点灯される放電灯と、この放電灯からの光を透過または反射する画像表示手段と、画像表示手段を介する透過光または反射光をスクリーンに投射する光学系を備えたことを特徴とする画像表示装置。

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