JPH0817582A - 高輝度放電灯点灯装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＤＣ−ＤＣコンバ−タ−を使用しない回路構成
の簡単で安価な高輝度放電灯点灯装置を提供し、さらに
ローノイズ化された高輝度放電灯点灯装置を提供するこ
と。 【構成】ＡＣライン電圧整流平滑回路と準Ｅ級電圧共振
型インバ−タ−を有し、これは前記ＡＣライン電圧から
電源を供給されるとともに直流電源をスイッチングして
正弦波交流を出力する回路である。またインバータはメ
タルハライドランプに正弦波の電源を供給し、メタルハ
ライドランプの対の電極に放電を発生させるトリガ−電
圧と、トリガ−後に放電を維持する放電維持電圧との２
つの異なる電圧値を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高輝度の放電灯を点灯
させる高輝度放電灯点灯装置に関し、特に液晶ビデオプ
ロジェクタ−、オ−バ−ヘッドプロジェクタ−、一般照
明等に用いられているショ−トア−クタイプのメタルハ
ライドランプを点灯させる高輝度放電灯点灯装置に関す
る。

【０００２】

【従来技術】液晶プロジェクタ−では、光源からの光を
効率よく集め、且つ、質の高い平行光として、液晶パネ
ルへ照射する必要があるため、発光管の寸法をできるだ
け小さくする必要上、いわゆるショ−トア−クタイプの
メタルハライドランプが使用される。ショ−トア−クタ
イプのメタルハライドランプは、電極間距離が短いので
内部補極等の始動補助手段が取れないためにランプを始
動、再始動させる際には通常のメタルハライドランプ
（以下、ＨＩＤランプと称する。）に比べて、高圧の始
動パルスを必要とする。

【０００３】図５は、ＨＩＤランプ用として使用されて
いるスイッチング電源型の回路図を示す。図５において
商用交流電源ＡＣを、ダイオードＤ１〜Ｄ４とコンデン
サＣ１，Ｃ２を含む倍電圧整流回路ＤＲＣにて直流、昇
圧化し、その出力は、トランス１とダイオードＤ５とコ
ンデンサＣ３とを含む降圧チョッパ−回路ＣＨＣに印加
される。降圧チョッパ−回路ＣＨＣには、その負荷とし
てフルブリッジ方式のインバ−タ−ＩＮＶが接続されて
いる。なお、ＴＲ１〜ＴＲ４はインバータＩＮＶを構成
するスイッチングトランジスタである。インバ−タＩＮ
Ｖの負荷として、トランス２の２次コイルとＨＩＤラン
プＭＬが直列接続されている。

【０００４】該ＨＩＤランプＭＬを点灯させるために、
図５に示す回路全体に電源を印加すると、タイマ−回路
ＴＭが動作し、起動パルス発生回路ＰＧに１００Ｈｚの
起動パルストリガ−信号を出力する。起動パルス発生回
路ＰＧは約５秒間起動パルスを出力し、該起動パルスは
トランス２で１５−２５ＫＶに昇圧される。さらにタイ
マ−回路ＴＭは発振回路ＯＳＣにインバ−タ−動作開始
信号を出力し、これにより発振回路ＯＳＣが動作し、こ
の出力はドライブ回路ＤＣＣを動作させ、結局はインバ
−タＩＮＶを動作させる。

【０００５】インバ−タＩＮＶが動作すると、ＨＩＤラ
ンプＭＬがグロ−放電からア−ク放電に移行して、点灯
状態となる。ＨＩＤランプＭＬを流れる電流を定電流制
御するには、インバ−タＩＮＶの電流、すなわちランプ
電流をランプ電流検出抵抗Ｒ１により検出し、これを制
御回路ＣＯＮＴに入力し、該制御回路ＣＯＮＴからは降
圧チョッパ−回路ＣＨＣの制御入力端であるトランス１
の１次側に、ランプ電流が増加しようとすればこれを抑
えるように、またランプ電流が減少しようとするときこ
れを増加させるような信号を加え、インバ−タＩＮＶを
定電流制御する事により行なわれる。すなわち何等かの
原因でランプ電流が増えるとランプ電流検出抵抗の両端
の電圧が増加する。従ってチョッパ−回路のＰＷＭ動作
によりチョッパ−の出力電圧は低下し、定電流動作が保
たれる。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題点】上記のような従来の
インバ−タ装置を含む高輝度放電灯点灯装置の電力変換
効率には限界が有ることが知られている。なぜならば、
高輝度放電灯点灯装置の総合効率ηは、 η＝（コンバ−タ部分の効率）＊（インバ−タ−部分の
効率） となり、総合効率ηを上げるためには、それぞれの効率
を高める必要があった。例えば、降圧型チョッパ−の効
率悪化の最大原因は、スイッチング用トランジスタＴＲ
５、フライホイ−ルダイオ−ドＤ５のスイッチング損
失、チョ−クコイルＣＨの鉄損、銅損である。これらの
損失をゼロにすることはできない。また、上述した従来
の高輝度放電灯点灯装置は部品数も多く、小型化、低価
格化を図ることがかなりむづかしい。

【０００７】メタルハライドランプは音響的共鳴効果に
より、インバ−タＩＮＶの発振周波数が、４００Ｈｚ位
以上、もしくは３００ＫＨｚ以下の場合、ランプ電流が
立ち消えを起こし、不安定な動作となる。フルブリッジ
方式のインバ−タでは、スイッチング素子のスイッチン
グスピ−ド等の制約により、スイッチング周波数は通常
４００Ｈｚ以下になり、トランスＴ２の小型化は望めな
い。

【０００８】しかしながら、上述した従来の高輝度放電
灯点灯装置は直流高電圧を得るためのＤＣ−ＤＣコンバ
−タ−を備える事が必須であったため、回路構成の複雑
化、大型化を招き、高価になるという問題点があった。

【０００９】そこで本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバ−タ−
を使用しない回路構成の簡単で安価な高輝度放電灯点灯
装置を提供し、さらにローノイズ化された高輝度放電灯
点灯装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した課題解決のた
め、本発明は負荷にメタルハライドランプを有する電圧
共振型インバータ装置を具備する高輝度放電灯点灯装置
において、該インバータに直流電源を供給する電源部
と、該インバータに供給された直流電源を間欠せしめて
メタルハライドランプに高周波電圧を印加せしめるパワ
ースイッチ素子と、該メタルハライドランプのランプ電
流を検出する検出手段と、前記検出手段が検出した電流
が小さければ小さい程前記パワースイッチ素子の間欠間
隔を長く設定する、インバータの発振周波数制御手段
と、電源投入時でメタルハライドランプが不点灯時にこ
れがグロー放電を開始するに足りる電圧を出力し、グロ
ー放電開始後の所定時間内にこれをアーク放電に移行せ
しめてこれを保持するに足りる電圧を出力するインバー
タと、上記グロー放電からアーク放電に移行する時間を
制御するタイマー手段と、を具備することを特徴とする
高輝度放電灯点灯装置を提供する。

【００１１】

【作用】本発明に係る高輝度放電灯点灯装置は、音響的
共鳴効果を避けるために、インバ−タ−のスイッチング
周波数を５００ＫＨｚ以上に設定している。電圧共振型
のために、効率は高い。トランスの出力電圧波形が、正
弦波になるので、ロ−ノイズ特性を有する。負荷、ＡＣ
ライン電圧の変動に対する発振周波数の変化は普通の電
圧共振型より少ないので、隣接回路への妨害は少ない。
また電源オン直後に、インバ−タ−出力が３・５〜５Ｋ
Ｖ（ショ−トア−クタイプのメタルハライドランプの場
合）になるようにトランスの巻数を設定することによ
り、特別な起動回路がなくても、グロ−放電を発生させ
ることができる。

【００１２】

【実施例】本発明の一実施例を図面を用いて詳細に説明
する。図１は本発明の高輝度放電灯点灯装置を示す回路
図である。図１において、Ｔ１は電圧共振型インバ−タ
−の一次コイルＮｐ，二次コイルＮｓ、帰還コイルＮｆ
を備えた昇圧トランスである。ＩＣ１は、電圧共振型ス
イッチング電源用制御回路であり、集積回路からなる。
Ｑ１はパワ−スイッチ素子（ＰＯＷＥＲＭＯＳＦＥＴ）
である。抵抗Ｒ２は起動用抵抗で、電源がオンすると該
起動用抵抗Ｒ２により共振型スイッチング電源用制御回
路ＩＣ１に電源が供給されこれが動作する。この共振型
スイッチング電源用制御回路ＩＣ１は、電圧制御発振器
ＶＣＯ、ワンショットマルチバイブレータＭＢ、パルス
周波数変調器ＰＦＭ、ドライバＤＢ、エラーアンプＯＰ
Ａ、５ボルトの基準電圧Ｖｒｅｆを発生する基準電圧発
生回路ＳＶＧを含む。

【００１３】昇圧トランスＴ１の一次コイルＮｐに対し
て並列にパワースイッチ素子Ｑ１が接続され、コンデン
サＣ８とチョークコイルＬ２と４個のダイオードからな
るブリッジ整流器ＲＥＣがこれと直列に接続され、ブリ
ッジ整流器ＲＥＣにはＡＣ電源が接続される。また昇圧
トランスＴ１の二次コイルＮｓには、ＨＩＤランプＭＬ
とチョークコイルＬ１と電流検出用抵抗ＲＤが直列に接
続されている。

【００１４】従来メタルハライドランプの放電電流を定
電流制御するには、フルブリッジ方式インバ−タ−の電
源電圧、すなわち降圧チョッパ−の出力電圧を放電電流
の値に応じて可変することにより行っていたが、図１に
示す回路図からもわかるように、本発明では、チョーク
コイルＬ１とＬ２、昇圧トランスＴ１、コンデンサＣ８
とＣｓ、パワースイッチ素子Ｑ１を基本的に含む電圧共
振型インバ−タ−により、ＨＩＤランプＭＬを直接ドラ
イブしている。

【００１５】次に本発明の実施例動作を説明するが、こ
の説明に先立ち、電圧共振インバータについて説明す
る。図３は準Ｅ級電圧共振型インバータの基本回路図で
あり、図３においてスイッチＳに流れる電流と該スイッ
チＳにかかる電圧が共に正弦波の一部になり、正弦波出
力が可能なインバ−タ−として知られている。以下に動
作原理を簡単に説明する。

【００１６】図３において、リアクトルＬはチョ−クコ
イルでありその電流が近似的に直流Ｉｃとなる。インダ
クタ−ＬT とキャパシタ−ＣT は共振回路を構成する。
また抵抗Ｒもその回路の一部を構成する。スイッチＳの
オン／オフ動作によって、ＲＬＣ同調回路にパルス状の
電圧が加えられる。スイッチング周波数が、次に示すＬ
T −ＣT の共振周波数Ｆ

【００１７】

【数１】

【００１８】より少々高いとすれば、同調回路によって
Ｒ−ＬT ーＣT を流れる電流が近似的に正弦波となる。
この場合ＲＬＣ同調回路は、誘導性リアクタンスを持
ち、同調回路に流れる電流ｉT は、同調回路にかかる電
圧、すなわちスイッチの電圧ｖｓの基本波より位相が遅
れる。

【００１９】ここで、Ｉｃ＝ｉsdc ＋ｉT なので直流電
流Ｉｃから正弦波電流itを引いた分はスイッチＳ，ダイ
オ−ドＤｓ，キャパシタ−Ｃｓの並列回路に流れる電流
ｉsdc となり、これも正弦波状となる。図４の（ａ）に
スイッチＳのデュ−ティが５０％のときのＥ級共振イン
バ−タ−の動作波形を示す。スイッチＳが、タ−ンオフ
されると正弦波の電流はキャパシタ−Ｃｓを流れ、キャ
パシタ−Ｃｓが、電流ｉcsで充電され、電圧ｖｓが零か
ら正弦波状に上昇する。そのためスイッチＳのタ−ンオ
フは零電圧、非零電流スイッチングとなる。最適負荷Ｒ
ｏｐｔでは図４（ａ）に示すようにスイッチＳの電圧ｖ
ｓは零に近い勾配ｄｖｓ／ｄｔで零に降下しｖｓ＝０，
かつｄｖｓ／ｄｔ＝０となった時点で、スイッチＳがタ
−ンオンされる。

【００２０】負荷抵抗Ｒが最適抵抗値よりも小さい場合
図４（ｂ）に示すように、スイッチＳの電圧ｖｓは大き
な勾配ｄｖｓ／ｄｔで零に降下し、並列の逆方ダイオ−
ドＤｓがオンとなる。スイッチＳの電圧ｖｓは零電圧に
クランプされこの間スイッチＳがタ−ンオンされる。こ
れは準Ｅ級動作であり、電圧共振スイッチと同様で零電
圧スイッチングとなる。スイッチングレギュレ−タ−と
して動作させる場合、負荷、入力電圧の可変範囲全体に
渡ってＥ級動作させることはできず準Ｅ級動作となる。
ＲＬＣ同調回路のインピ−ダンスはスイッチング周波数
に敏感であるため、スイッチング周波数変調により、出
力電圧ｖｏ(=ｉT)を制御した場合、スイッチング周波数
の変化が少ないという利点を持つ。

【００２１】図１において、準Ｅ級電圧共振型インバ−
タ−を構成する昇圧トランスＴ１の一次コイルＮｐ、二
次コイルＮｓとの巻数比をｎとすれば、ＬT はバランス
ドインダクタンスとしてのチョークコイルＬ１のトラン
ス一次換算値であり、ＬT ＝ｎ2 Ｌ１で表わされる。図
１に示す回路ではＬT と昇圧トランスＴ１のリ−ケ−ジ
インダクタンスＬｇの直列合成インダクタンスとコンデ
ンサ−Ｃｓは共振回路を構成し、メタルハライドランプ
ＭＬはその共振回路と直列に接続される。共振回路の共
振周波数Ｆｒは、

【００２２】

【数２】

【００２３】となる。Ｑ1 はパワ−スイッチ素子（ＭＯ
ＳＦＥＴ）である。抵抗Ｒ2 は、起動用抵抗で、電源が
オンすると起動用抵抗Ｒ2 により共振型スイッチング電
源用制御回路ＩＣ１に電流が供給され、該共振型スイッ
チング電源用制御回路ＩＣ１が動作を開始する。ＨＩＤ
ランプＭＬには電流が流れていないので電流検出用抵抗
ＲＤの両端の電圧はＯＶである。電流検出用抵抗ＲＤの
電圧は、ダイオ−ドＤ１２、コンデンサ−Ｃ１１によ
り、整流、平滑され、共振型スイッチング電源用制御回
路ＩＣ１の制御入力端に接続されているので、制御入力
端の電圧は、ＯＶである。共振型スイッチング電源用制
御回路ＩＣ１を構成する電圧制御発振器ＶＣＯは、制御
入力端の電圧が低くなると発振周波数は低下し、逆に制
御入力端の電圧が高くなると発振周波数が高くなる、い
わゆるパルス周波数変調（ＰＦＭ）を行う。従って、ラ
ンプに放電電流が流れている。定常動作時に比べて発振
周波数は低下する。従って、定常動作時よりも、昇圧ト
ランスＴ１の一次電流は増えるので、該昇圧トランスＴ
１の出力電圧も大きくなる。ＨＩＤランプＭＬを起動さ
せるためには、印加パルス電圧とパルス印加時間の積、
すなわちパルス電力密度が重要となる。従って、パルス
周波数が高くなればパルス振幅は小さくて良いことにな
る。昇圧トランスＴ１の巻数比ｎを、昇圧トランスＴ１
の出力電圧が３．５ＫＶ以上になる様に選べば、ＨＩＤ
ランプはグロ−放電を開始する。グロ−放電からア−ク
放電に着実に移行させ点灯状態にするには、ランプの放
電維持電圧（約１００Ｖ）の２倍以上の電圧をランプに
印加する必要が有るが、グロ−放電時にはランプ電流は
定常動作時よりも少ないので、発振周波数も定常動作時
よりも低くなる。また上述の巻数比ｎの設定から、昇圧
トランスＴ１の出力電圧を２００Ｖ以上に設定するのは
可能である。高周波パルスを用いることにより低周波起
動パルスに比べてパルス振巾を1/5 〜1/7 に減らすこと
ができる。

【００２４】チョ−クコイルＬ１は、ランプが点灯時に
ランプ両端の電圧は放電維持電圧（約１００Ｖ）になる
ので、トランスの出力電圧と放電維持電圧の差を分担す
るバラストインダクタ−である。チョ−クコイルＬ１
は、コンデンサ−に、置き換えても動作は可能である。
ランプ電流を定電流制御するには、ランプ電流を検出抵
抗ＲＤで検出し、ダイオードＤ２、コンデンサＣ１で整
流、平滑した直流電圧を共振型スイッチング電源用制御
回路ＩＣ１の制御入力端に接続する事により行われる。

【００２５】すなわち何等かの原因でランプ電流が増加
すると、電流検出抵抗ＲＤの両端の電圧は上昇する。従
って、共振型スイッチング電源用制御回路ＩＣ１のエラ
ーアンプＯＰＡの出力電圧は上昇する。従って電圧制御
用発振器ＶＣＯの発振周波数は上昇し、ランプ電流は減
少する。可変抵抗ＶＲ１はランプ電流設定用の可変抵抗
器である。コンデンサ−Ｃｓはチョ−クコイルＬ２と直
列共振回路を構成し、パワースイッチ素子Ｑ１がオフの
時のドレイン電圧波形を正弦波状にする。抵抗Ｒ１３は
パワースイッチ素子Ｑ１のゲ−トドライブ抵抗、Ｄ１３
はパワースイッチ素子Ｑ１のゲ−ト・ソ−ス間の蓄積電
荷引き抜き用のダイオードである。ダイオ−ドＤ１４、
コンデンサ−Ｃ１２は共振型スイッチング電源用制御回
路ＩＣ１の電源供給用の素子である。

【００２６】次に、共振型スイッチング電源用制御回路
ＩＣ１の動作を図２を基に詳しく説明する。放電電流が
何等かの原因で増加すると、エラーアンプＯＰＡの出力
は上昇し、電圧制御発振器ＶＣＯの発振周波数は高くな
る。該電圧制御発振器ＶＣＯの出力の立ち下がりでワン
ショットマルチバイブレ−タＭＢはセットされ、出力は
ハイレベルとなる。抵抗Ｒ８とコンデンサ−Ｃ１６はワ
ンショットマルチバイブレータＭＢの出力パルス幅決定
用の素子で、その時定数で定まる時間Ｔｏｆｆの間、ワ
ンショットマルチバイブレータＭＢの出力をハイレベル
に保つ。Ｔｏｆｆは、チョ−クコイルＬ２、電圧共振用
コンデンサ−Ｃｓ等のバラツキや温度変化による共振周
波数の変動を考慮して、電圧共振動作が満足されるよう
に設定する。すなわち、Ｔｏｆｆは一定のまま、電圧制
御発振器ＶＣＯの発振周波数（＝スイッチング周波数）
を変化させて、パルス周波数制御を行う。コンデンサ−
Ｃ１４、抵抗Ｒ１４は、電圧制御発振器ＶＣＯの発振周
波数決定用の素子である。また抵抗Ｒ１６、Ｒ１７はエ
ラーアンプＯＰＡの一入力端のＤＣバイアス用素子であ
り、抵抗Ｒ１５、コンデンサＣ１５はエラーアンプＯＰ
Ａの位相補正用の素子である。ダイオードＤ１１、コン
デンサＣ１７はＡＣライン電圧の整流平滑用のダイオー
ドとコンデンサである。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、準Ｅ級電圧共振型イン
バ−タ−を用いる事によりパワ−スイッチの数を一個に
減らす事ができ、効率も向上する。トランスの出力電
圧、電流波形が、正弦波になるので、ロ−ノイズ特性が
得られる。起動パルスとして、インバ−タ−出力を利用
する事により、特別な起動回路が不要になり、部品点数
を大幅に減らす事ができる。発振周波数や負荷の変動に
対する発振周波数の変化が普通の電圧共振型より少ない
ので、隣接回路への妨害等も少ない。起動方式として、
高周波パルスを用いる事により、従来の低周波起動パル
スに比べて、パルス振幅を1/5 -1/7に減らす事ができ
る。市販の電圧共振型制御ＩＣを、使用できるので、部
品点数を少なくでき小型化できる。等の従来には見られ
ない多くの発明の効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の回路図である。

【図２】本発明の第１実施例の動作を説明するための波
形図である。

【図３】本発明の原理を説明するための回路図である。

【図４】本発明の原理を説明するための波形図である。

【図５】従来例を示す回路図である。

【符号の説明】 １・・・・・トランス ２・・・・・トランス ＡＣ・・・・・商用交流電源 ＤＲＣ・・・・倍電圧整流回路 ＣＨＣ・・・・降圧チョッパ−回路 ＩＮＶ・・・・インバータ ＴＲ１〜ＴＲ４・・スイッチングトランジスタ ＭＬ・・・・・ＨＩＤランプ ＴＭ・・・・・タイマー回路 ＯＳＣ・・・・発振回路 ＰＧ・・・・・起動パルス発生回路 ＤＣＣ・・・・ドライブ回路 ＣＯＮＴ・・・制御回路 ＡＰＳ・・・・補助スイッチング電源 Ｒ１・・・・・ランプ電流検出抵抗 Ｒ２・・・・・起動用抵抗 Ｔ１・・・・・昇圧トランス Ｔ２・・・・・カレントトランス Ｎｐ・・・・・一次コイル Ｎｓ・・・・・二次コイル Ｎｆ・・・・・帰還コイル ＩＣ１・・・・共振型スイッチング電源用制御回路 Ｑ１・・・・・パワ−スイッチ素子 Ｑ２・・・・・パワースイッチ素子 Ｑ３・・・・・制御用トランジスタ ＭＢ・・・・・ワンショットマルチバイブレータ ＶＣＯ・・・・電圧制御発振器 ＰＦＭ・・・・パルス周波数変調器 ＤＢ・・・・・ドライバ ＯＰＡ・・・・エラーアンプ ＳＶＧ・・・・基準電圧発生回路 ＲＥＣ・・・・ブリッジ整流器 ＲＤ・・・・・電流検出用抵抗 Ｌ１・・・・・チョークコイル ＶＲ１・・・・可変抵抗 Ｃｓ・・・・・コンデンサ ＶＲ１・・・・ランプ電流設定用の可変抵抗器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】負荷にメタルハライドランプを有する電圧
   共振型インバータ装置を具備する高輝度放電灯点灯装置
   において、該インバータに直流電源を供給する電源部
   と、該インバータに供給された直流電源を間欠せしめて
   メタルハライドランプに高周波電圧を印加せしめるパワ
   ースイッチ素子と、該メタルハライドランプのランプ電
   流を検出する検出手段と、前記検出手段が検出した電流
   が小さければ小さい程前記パワースイッチ素子の間欠間
   隔を長く設定する、インバータの発振周波数制御手段
   と、電源投入時でメタルハライドランプが不点灯時にこ
   れがグロー放電を開始するに足りる電圧を出力し、グロ
   ー放電開始後の所定時間内にこれをアーク放電に移行せ
   しめてこれを保持するに足りる電圧を出力するインバー
   タと、上記グロー放電からアーク放電に移行する時間を
   制御するタイマー手段と、を具備することを特徴とする
   高輝度放電灯点灯装置。
2. 【請求項２】前記高周波電圧は、５００ＫＨｚ以上であ
   ることを特徴とする請求項１に記載の高輝度放電灯点灯
   装置。