JP3730268B2 - 高輝度放電灯点灯装置 - Google Patents

Description

【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ＩＮＶ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ＴＲ５、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】
上述した課題を解決するため、本願の請求項１に記載の発明は、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、
前記インバータ装置の昇圧トランスの一次側には、一次コイルに対して並列に一個のスイッチ素子が接続されコンデンサとチョークコイルが前記一次コイルに直列に接続されて準Ｅ級電圧共振型インバータを形成し、該インバータに商用電源を整流する整流回路を接続し、かつ帰還コイルを設け、
前記昇圧トランスの二次側にはチョークコイルとメタルハライドランプと該メタルハライドランプのランプ電流を検出するランプ電流検出手段を設け、
前記スイッチ素子を制御する制御回路を具備し、該制御回路は前記ランプ電流検出手段が検出した信号を誤差増幅器に接続して該誤差増幅器の出力に応じて発振周波数を変える電圧制御発振器を備えてパルス周波数変調を行って前記スイッチ素子の間欠間隔を変化させてランプ電流を制御して前記メタルハライドランプ起動時には前記パルス周波数変調によって前記インバータの出力を大きくし、
前記帰還コイルが前記制御回路内に設けられた基準電圧発生回路に接続してなることを特徴とする高輝度放電灯点灯装置を提供する。
本願の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に加えて、前記インバータのスイッチング周波数が５００ＫＨｚ以上であ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・５〜５ＫＶ（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ＯＰＡ、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ＬT −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Ｒｏｐｔでは図４（ａ）に示すようにスイッチＳの電圧ｖｓ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（ＭＯＳＦＥＴ）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Ｔ１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ＩＣｌ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Ｒ１８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の問、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ＯＰＡの位相補正用の素子である。ダイオードＤｌｌ、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)

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、
   前記インバータ装置の昇圧トランスの一次側には、一次コイルに対して並列に一個のスイッチ素子が接続されコンデンサとチョークコイルが前記一次コイルに直列に接続されて準Ｅ級電圧共振型インバータを形成し、該インバータに商用電源を整流する整流回路を接続し、かつ帰還コイルを設け、
   前記昇圧トランスの二次側にはチョークコイルとメタルハライドランプと該メタルハライドランプのランプ電流を検出するランプ電流検出手段を設け、
   前記スイッチ素子を制御する制御回路を具備し、該制御回路は前記ランプ電流検出手段が検出した信号を誤差増幅器に接続して該誤差増幅器の出力に応じて発振周波数を変える電圧制御発振器を備えてパルス周波数変調を行って前記スイッチ素子の間欠間隔を変化させてランプ電流を制御して前記メタルハライドランプ起動時には前記パルス周波数変調によって前記インバータの出力を大きくし、
   前記帰還コイルが前記制御回路内に設けられた基準電圧発生回路に接続してなることを特徴とする高輝度放電灯点灯装置。
2. 前記インバータのスイッチング周波数が５００ＫＨｚ以上であることを特徴とする請求項１記載の高輝度放電灯点灯装置。

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