JPH05508965A - ガス放電ランプ負荷を駆動する回路 - Google Patents

ガス放電ランプ負荷を駆動する回路

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JPH05508965A
JPH05508965A JP93500467A JP50046792A JPH05508965A JP H05508965 A JPH05508965 A JP H05508965A JP 93500467 A JP93500467 A JP 93500467A JP 50046792 A JP50046792 A JP 50046792A JP H05508965 A JPH05508965 A JP H05508965A
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モイシン,ミハイル・エス
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    • Y10S315/07Starting and control circuits for gas discharge lamp using transistors

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス放電ランプ負荷を駆動する回路 発明の分野 本発明は、ガス放電ランプ(gas discharge lamp)負荷を駆 動することに関し、さらに詳しくは、蛍光ランプを駆動することに関するが、そ れに限定されるものではない。
発明の背景 蛍光ランプなどのガス放電ランプは、高周波(一般に30KHz)のAC電圧で 駆動するともっとも効率的に動作する。このような駆動電圧は、誘導素子と容量 素子とによって構成される共振「タンク」回路によって生成されるのが一般的で ある。一般に、タンク回路は、整流器およびインバータを介して主電源(uti lity mains) (例えば、120VAC,60Hzを有する)から給 電される。一般に、インバータは直列接続されたトランジスタを含み、これらの トランジスタの制御電極はタンク回路出力にトランス結合(transform er−coupled)され、タンク回路の周波数で交流する電源をインバータ はタンク回路に与える。
2つ以上の蛍光ランプを駆動する既知のタイプの回路では、直列共振タンク回路 が用いられる。このような共振回路では、誘電素子と容量素子とが直列接続され ている。このような直列共振回路はほとんど電流源のように挙動する。
すなわち、その共振周波数において、与えられた電圧とは無関係に電流が実質的 に一定の信号を発生する。このような直列共振回路に対して、多重蛍光ランプ負 荷(multiplefluorescent lamp 1oad)が、ラン プを直列にして接続されるのが一般的である。直列共振回路はほとんど電流源の ように挙動するので、このような直列共振回路は本質的に自己バラストW(se lf−ballasting)であり、そのため別のバラスト素子を必要としな い。ランプを直列共振回路にこのように直列接続する構成は、旧式の駆動回路構 成(並列接続されたランプを駆動する並列共振タンク回路)に比べて電力を余り 発生せず、低定格の変圧器や他の素子を使用することができ、散逸によるエネル ギの浪費が少ない。蛍光ランプを駆動するために直列共振回路を利用する別の利 点は、このような回路は電源投入時に高電圧を自動的に実現でき、これはランプ の点火を助けることである。
一般に、このような直列共振回路では、飽和コア変圧器(saturtting −core transformer)によってインバータがタンク回路出力に 結合される。飽和コア変圧器を利用することにより、インバータ・トランジスタ の高速スイッチングが可能になり、インバータ出力を比較的厳密に制御すること できるようになる。しかし、このような飽和コア変圧器は極めて特殊な素子であ り、一般的に高価である。
発明の概要 本発明に従って、ガス放電ランプを駆動する回路が提供され、この回路は: 単方向電圧を受け取る入力と、交流電圧を発生する出力とを有し、少なくとも第 1制御入力を含むインバータ手段;前記インバータ手段の出力に結合された直列 共振発振器手段であって、交流信号を発生するため直列に結合されたインダクタ ンスとキャパシタンスとを含む直列共振発振器手段; インダクタンスと直列に、かつ、キャパシタンスと並列にランプ負荷を発振器に 結合する出力手段;および前記出力手段と並列に結合され、かつ、前記キャパシ タンスと直列に結合された一次巻線を有し、前記インバータ手段の制御入力に結 合された二次巻線を有する変圧器手段;によって構成されることを特徴とする。
このような回路では、変圧器手段は全発振器手段の電流の容量成分のみを流すの で、インバータ手段(つまり、回路全体)の周波数は負荷とは実質的に無関係と なる。これにより、変圧器手段は飽和コア型でなくてもよく、しかも発振周波数 の制御を維持することができる。また、これにより、負荷短絡の場合に回路は遮 断(shut down)する。
図面の簡単な説明 3つの蛍光ランプの負荷をそれぞれ駆動する本発明による2つの回路について、 添付の図面を参照して一実施例として説明する。
第1図は、第1蛍光ランプ駆動回路の回路図を示す。
第2図は、第2蛍光ランプ駆動回路の回路図を示す。
好適な実施例の説明 第1図において、3つの蛍光ランプ102,104,106を駆動する第1回路 100は、約390VのDC電源電圧を受け取る2つの入力端子108,110 を有する。
半ブリッジ・インバータ112はバイポーラnpnffi)ランジスタl l  4 (BUL45型)を有し、このトランジスタはそのコレクタ電極において正 入力端子108に接続されている。トランジスタ114は、ノード116に接続 されたエミッタ電極を有する。インバータ112の別のnpn型トランジスタ1 18 (トランジスタ114と同様に、BUL45型である)は、ノード116 に接続されたコレクタ電極を有する。トランジスタ11gのエミッタ電極は接地 入力端子110に接続されている。2つのコンデンサ120.11.2(約0. 47μFの等しい値を有する)は、ノード124を介して入力端子10gと11 0との間に直列接続されている。
直列共振タンク回路126は、ノード132を介してノード116とノード12 4との間で直列接続されたインダクタ128(約2mHの値を有すゐ)およびコ ンデンサ130(約6.8nFの値を有する)を有する。
負荷結合変圧器134は、コア140に巻かれた一次巻線136(約200巻数 )および二次巻線138(約200巻数)を有する。変圧器134の一次巻線1 36は、ノード132とノード124との間で(インダクタ128と直列に、か つ、コンデンサ130と並列に)接続されている。変圧器134の二次巻線13 8は、出力端子142と144との間で接続されている。蛍光ランプ102,1 04.106は、出力端子142と144との間に直列接続されている。
インバータ結合変圧器146は、コア154に巻かれた一次巻線148(約2巻 数)および2つの二次巻線150゜152(それぞれ約20巻数)を有する。変 圧器146の一次巻線14gは、ノード132とコンデンサ130との間でコン デンサ130と直列に接続されている。
二次巻線150は、ノード156とトランジスタ114のエミッタ電極との間で 接続されている。トランジスタ114のベース電極は、限流抵抗158(約20 Ωの値を有する)を介してノード156に接続されている。コンデンサ160( 約4.7nFの値を有する)は、抵抗158と並列接続されている。ダイオード 162はトランジスタ114のベース電極に接続された陽極を有し、ノード15 6に接続された陰極を有する。別のダイオード164は、トランジスタ114の エミッタ電極に接続された陽極を有し、トランジスタ114のベース電極に接続 された陰極を有する。
二次巻線152は、ノード166とトランジスタ118のエミッタ電極との間で (二次巻!1150に対して反対の極性で)接続されている。トランジスタ11 8のベース電極は、限流抵抗168(約200の値を有する)を介してノード1 66に接続されている。コンデンサ17o(約4゜7nFの値を有する)は、抵 抗168と並列接続されている。ダイオード172は、トランジスタ12gのベ ース電極に接続された陽極を有し、ノード166に接続された陰極を有する。別 のダイオード174は、トランジスタ118のエミッタ電極に接続された陽極を 有し、トランジスタ11gのベース電極に接続された陰極を有する。
駆動回路100を用いる場合、インダクタ12gとコンデンサ130とによって 構成される直列共振タンク回路126は、以下で説明するように、ランプ102 ,104゜106によって与えられる負荷の変化とは実質的に無関係に、はぼそ の固有共振周波数で共振する。ランプ負荷の変化は、ランプの経時変化や、異な るインピーダンスのランプを差し替えることによって生じることがある。回路の 発振周波数がその最適周波数から変化することにより、回路の効率が低下する。
インバータ結合変圧器146により、直列共振タンク回路126の発振がインバ ータ112のトランジスタ114゜118の導通を制御する。変圧器の一次巻線 14gの電流が第1方向の場合、二次巻線150内に発生し、トランジスタ11 4のベースに印加される電圧により、トランジスタ114が導通し、タンク回路 に第1方向の電流を与える。
逆に、変圧器の一次巻線148の電流が第1方向とは逆の第2方向の場合、二次 巻線150内に発生し、トランジスタ118のベースに印加される電圧により、 トランジスタ118が導通し、タンク回路に第2方向の電流を与える。
従って、タンク回路126およびインバータ112は閉ループ帰還構成で接続さ れていることが理解される。
ランプ102,104,106によって与えられる負荷は、変圧器140を介し て、インダクタ128と直列に接続され、コンデンサ130と並列に接続されて いるので、タンク回路126によって発生され、インダクタ128を流れる全電 流Iは、変圧器134の一次巻線136を流れる負荷電流Ilと、変圧器146 の一次巻線148およびコンデンサ130において並列に流れる容量性電流IC とに分離される。ただし、 I 哀 I、+ 1゜ である。
タンク回路126とインバータ112とによって形成される閉ループ帰還構成の 動作について、インバータへの帰還信号は、変圧器146の一次巻!114gを 流れる電流ICであることがわかる。この帰還構成は、帰還信号ICとタンク回 路への入力電圧■1.4との間の位相差がゼロである周波数で動作することが理 解される。タンク回路への入力電圧は、ノード116における電圧である。従っ て、簡単なAC回路解析を行なうことにより、帰還信号ICと入力電圧■I8と の比率は次式によって与えられることがわかる:ただし、Cは共振コンデンサ1 30の値であり、Lは共振インダクタ128の値であり、Rは負荷インピーダン スの値であり、ωはタンク回路126およびインバータ112の発−Q 振周波数であり、 である。
式(1)の分子と分母とに[R(1−co’Lc)−jcoL]を乗すると、次 式が得られる: これは次のようになる: 従って、式(2)の分子から、タンク回路入力電圧v0に対する帰還信号ICの 位相は次式によって与えられることがわかる: tp−arcan(−jjj;;、(1−CIAL:)) (3)従って、上記 のように、タンク回路126およびインバーター12は、帰還信号!。と入力電 圧■1.4との間の位相差が9冨0 ゼロの周波数、すなわち の周波数で発振する。この条件を式(3)にあてはめ ると、次式が得られる:これは次のようになる: 故に、タンク回路126およびインバータ112の発振周波数ωは負荷インピー ダンスRとは無関係であることが式%式% 従って、説明してきたように、タンク回路の容量性電流を帰還信号として利用す ることにより、この回路の発振周波数は負荷インピーダンスとは無関係となり、 変圧器146は、線形動作を行ない、かつ、従来の飽和コア型変圧器に比べそれ ほど特殊でも高価でもない非飽和コア型にすることができる。
コンデンサ160,170は、トランジスタ114,118の一方がオフの場合 に、もう一方をオンに切り換える際にわずかな遅延を行ない、両方のトランジス タが同時に導通することを防いでいる。コンデンサ160,170は、トランジ スタ114,118のスイッチングにおいてわずかな位相遅延を行ない、これは 式(4)から与えられる周波数から回路の発振周波数を低減するが、この回路の 発振周波数は負荷インピーダンスの変化とは実質的に無関係のままである。
動作中、回路100は、負荷が短絡すると、自動的に遮断(shut down )するという利点を提供することが理解される。この固有の安全機能については 以下で説明する。出力端子142と144との間で短絡が生じると、負荷電流■ 1は急速に増加する。しかし同時に、容量性電流ICは極めて低いレベルまで低 下する。インバータ112を制御する帰還信号はタンク回路の容量性電流■。か ら取られるので、負荷短絡時にこの電流のレベルが低いことにより、インバータ 112のトランジスタ114,118から駆動を取り除き、インバータを迅速に ディセーブルにし、そしてタンク回路もディセーブルにする。このように、出力 端子が短絡した場合には、これらの出力端子から駆動が取り除かれる。
第2図において、蛍光ランプ202,204,206を駆動する第2回路200 は、約460vのDC電源電圧を受け取る2つの入力端子208,210を有す る。
半ブリッジ・インバータ212はバイポーラnpn!)ランジスタ214 (M JE18004型)を有し、このトランジスタはそのコレクタ電極において正入 力端子208に接続されている。トランジスタ214のエミッタ電極は、ノード 216に接続されている。ダイオード217は、正入力端子20gに接続された 陰極を有し、ノード216に接続された陽極を有する。インバータ212の別の npnffiトランジスタ21g()ランジスタ214と同様に、MJE180 04型)は、ノード216に接続されたコレクタ電極を有する。トランジスタ2 18のエミッタ電極は、接地入力端子210に接続されている。ダイオード21 9は、ノード216に接続された陰極を有し、接地入力端子210に接続された 陽極を有する。2つのコンデンサ220゜222(約47μFの等しい値を有す る)は、ノード224を介して入力端子208と210との間で直列接続されて いる。別のコンデンサ225(約1200pFの値を有する)は、ノード216 とノード224との間で接続されている。
直列共振タンク回路226は、インダクタ(約1.6mHの値を有する)および コンデンサ(約4.7nFの値を有する)を有し、これらはノード232を介し てノード216とノード224との間で直列接続されている。
負荷結合変圧器234は、コア240に巻かれた一次巻線236(約117巻数 )および二次巻線238(約170巻数)を有する。変圧器234の一次巻線2 36は、ノード232とノード224との間で(インダクタ228と直列に、コ ンデンサ230と並列に)接続されている。変圧器234の二次巻1123gは 、出力端子242と244との間で接続されている。蛍光ランプ202,204 ,206は、出力端子242と244との間で直列接続されている。
インバータ結合変圧器246は、コア254に巻かれた一次巻線248(約6巻 数)および2つの二次巻線250゜252 (それぞれ約24巻線)を有する。
それぞれの二次巻線250,252は、約80μHのインダクタンスを有する。
変圧器246の一次巻線236は、ノード224とコンデンサ230との間でコ ンデンサ230と直列接続されている。
二次巻線250は、ノード256とトランジスタ214のエミッタ電極との閏で 接続されている。トランジスタ214のベース電極は、2つの限流抵抗258( 約270の値を有する)、259 (はぼゼロの低い値を有する)を介してノー ド256に接続されており、これらの限流抵抗258.259はノード260を 介して直列接続されている。
コンデンサ262 (約0.22μFの値を有する)は、抵抗258と並列接続 されている。別のコンデンサ264(約0.1μFの値を有する)は、トランジ スタ214のエミッタ電極とノード260とに接続されている。
二次巻!1252は、ノード266とトランジスタ218のエミッタ電極との間 に(二次巻線250とは逆の極性で)接続されている。トランジスタ218のベ ース電極は、2つの限流抵抗268(約270の値を有する)、269(はぼゼ ロの低い値を有する)を介してノード266に接続され、これらの限流抵抗はノ ード270を介して直列接続されている。コンデンサ272(約0.22μFの 値を有する)は、抵抗168と並列接続されている。別のコンデンサ274(約 0.1μFの値を有する)は、トランジスタ218のエミッタ電極とノード27 0とに接続されている。
駆動回路200はすでに説明した第1図の駆動回路100と基本的に同じであり 、インバータの各トランジスタ214.218のベースへの帰還信号は、直列共 振タンク回路226のコンデンサ230を流れる容量性電流から取られることが わかる。このように、第1図の駆動回路100と同様に、駆動回路200は、負 荷が短絡すると自動的に遮断する安全機能を提供する。また、第1図の駆動回路 100と同様に、回路200は、ランプ202,204,206によって与えら れる負荷の変化とは実質的に無関係な周波数で共振する。しかし、以下で説明す るように、第1図の駆動回路100とは異なり、駆動回路200は、そのタンク 回路の固有発振周波数よりいくぶん低い周波数で共振する。
ランプ202,204,206に対する最大電力伝達のためには、回路の発振周 波数ωは次式によって与えられる:ただし、ω。はタンク回路の固有発振周波数 であり、α−FJであり、rは変圧器234の一次巻線における折り返し負荷計 (reflected 1oad)であるαの一般的な値は であり、これによ り式(5)は次のように整理される:従って、最適な電力伝達を得るためには、 回路の発振周波数はタンク回路の固有発振周波数の約70%でなければならない ことが式(6)かられかる。このように周波数を低下させることは、トランジス タ214のベース駆動における素子258,259,262,264と、トラン ジスタ218のベース駆動における素子268,269,272.274とによ って第2図の回路において実現される。
トランジスタ214,218の各ペース駆動において、コンデンサ262と26 4および272と274は、変圧器146の二次巻線150または152内に発 生する信号に対して、トランジスタ・ベース駆動に印加される信号に位相遅延を それぞれ発生させることが理解される。コンデンサ262,264,272,2 74によって発生された位相遅延は、第1図ですでに説明したコンデンサ160 ゜170と同じように、回路の発振周波数を式(4)で与えられた周波数から低 減する働きをする。しかし、第2図の回路では、コンデンサ262,264,2 72,274は、回路の発振周波数を第1図の回路よりもさらに低減する働きを する。このように、第2図の回路の発振周波数は、式(4)によって与えられる 値の約70%まで低減される。
第2図の回路では、発振周波数は、第1図の回路に比べ、タンク回路の固有発振 周波数から大幅に低減されるが、第2図の回路の発振周波数はこの回路の負荷イ ンピーダンスの変化とは実質的に無関係であることが理解される。
また、第2図の回路では、コンデンサ225は、ノード216と214との間の インバータ出力において生成される公称正弦波信号のH(high)状態とL( low)状態との間の遷移時間を増加する働きがあることが理解される。これは 、トランジスタ214.218における電力損をほぼそのスイッチング点まで低 減する。また、第2図の回路では、ダイオード217,219は、トランジスタ 214,218の周りにエミッタ・コレクタ間導通路をそれぞれ設け、これはト ランジスタのスイッチングを助けることが理解される。
インバータ・トランジスタ・ペース駆動用に他の素子回路も利用でき、あるいは 異なる数のランプを駆動するため別の駆動構成も利用でき、しかも負荷の変化か ら回路の発振周波数を実質的に独立させ、負荷短絡時に自動的に遮断させること ができる。
また、ランプ負荷を共振インダクタと直列かつ共振コンデンサと並列に直列共振 発振器に結合し、共振コンデンサを用いて帰還信号を与え、発振器に供給するイ ンバータのトランジスタを制御して、回路の発振周波数を負荷の変化から独立さ せるという本発明の原理から逸脱せずに、以上説明してきた実施例に対するさま ざまな修正や変形が当業者に明らかである。
要約書 ガス放電ランプ負荷(102,104,106)を駆動する回路(100)は、 単方向電圧を受け取り、がっ、交流電圧を生成し、制御入力(156,166’ )を有するインバータ(112)を含む。インバータ出方(116)に結合され た直列共振発振器(126)は、交流電流を生成するため直列m統されたインダ クタンス(128)とキャパシタンス(130)とを有する。出方変圧器(13 4)は、インダクタンスと直列かつキャパシタンスと並列にランプ負荷を発振器 に結合する。帰還変圧器(146)は、出方変圧器と並列に結合され、かつ、キ ャパシタンスと直列に結合された一次巻線(148)を有し、インバータの制御 出力に結合された二次巻+I!(150,152)を有する。
−次巻線は容量性電流(IC)のみを流すので、回路の周波数は負荷とは実質的 に無関係である。そのため、帰還変圧器は飽和コア型でなくてもよく、しかも発 振周波数の制御を維持する。また、この回路は、負荷短絡時に自動的に遮断する 。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.ガス放電ランプ負荷を駆動する回路であって:単方向電圧を受け取る入力と 、交流電圧を生成する出力とを有し、少なくとも一つの第1制御入力を含むイン バータ手段; 前記インバータ手段の出力に結合された直列共振発振器手段であって、交流信号 を発生するため直列に結合されたインダクタンスとキャパシタンスとを含む直列 共振発振器手段; 前記インダクタンスと直列かつ前記キャパシタンスと並列に、ランプ負荷を前記 発振器に結合する出力手段;および 前記出力手段に並列に結合され、かつ、前記キャパシタンスに直列に結合された 一次巻線を有し、前記インバータ手段の前記制御入力に結合された二次巻線を有 する変圧器手段; によって構成されることを特徴とする回路。
  2. 2.前記インバータ手段は、第2制御入力を有し、前記変圧器手段は、反対極性 で前記第1および第2制御入力にそれぞれ接続された第1および第2二次巻き線 を有し、該第1および第2制御入力は前記インバータの出力をH(high)お よびL(low)状態でそれぞれ制御することを特徴とする請求項1記載の回路 。
  3. 3.前記インバータ手段は、第1および第2スイッチ手段からなり、それぞれの スイッチ手段は、前記インバータの前記第1および第2制御入力にそれぞれ接続 された制御入力を有することを特徴とする請求項2記載の回路。
  4. 4.前記第1および第2スイッチ手段は、トランジスタ・スイッチからなること を特徴とする請求項3記載の回路。
  5. 5.前記第2巻線と前記インバータの制御入力との間に直列接続されたキャパシ タンスをさらに含んで構成されることを特徴とする請求項1記載の回路。
  6. 6.前記キャパシタンスと並列接続された抵抗と、前記キャパシタンスと前記抵 抗とに並列接続された第1ダイオードと、前記二次巻線と並列接続された第2ダ イオードとをさらに含んで構成されることを特徴とする請求項5記載の回路。
  7. 7.前記キャパシタンスと並列接続された抵抗と、前記二次巻線と並列接続され た別のキャパシタンスとをさらに含んで構成されることを特徴とする請求項5記 載の回路。
  8. 8.前記インバータ出力に並列接続されたキャパシタンスをさらに含んで構成さ れることを特徴とする請求項1及至の回路。
  9. 9.前記第1スイッチ手段と並列接続された第1ダイオードと、前記第2スイッ チ手段と並列接続された第2ダイオードとをさらに含んで構成されることを特徴 とする請求項3または4記載の回路。
  10. 10.ガス放電ランプ負荷を駆動する回路であって:単方向電圧を受け取る入力 と、交流電圧を生成する出力とを有するインバータ手段であって、第1制御入力 を有する第1スイッチ手段と、第2制御入力を有する第2スイッチ手段とを含む インバータ手段; 前記インバータ手段の出力に結合された直列共振発振器手段であって、交流信号 を生成するため直列に結合されたインダクタンスとキャパシタンスとを含む直列 共振発振器手段; 前記インダクタンスと直列かつ前記キャパシタンスと並列に、ランプ負荷を前記 発振器に結合する出力手段;および 前記出力手段に並列に結合され、かつ、前記キャパシタンスに直列に結合された 一次巻き線を有し、前記インバータ手段の第1および第2制御入力に反対の極性 でそれぞれ結合された第1および第2二次巻線を有する変圧器手段であって、前 記第1および第2二次巻線と前記インバータ手段の前記第1および第2制御入力 との間で直列に結合されたキャパシタンス手段を有する変圧器手段;によって構 成されることを特徴とする回路。
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