JP5164782B2 - 点灯装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施例1、2、9において用いる点灯装置の、フルブリッジインバータからなる点灯回路の回路図である。主要部の点灯用インバータをフルブリッジ電流共振型インバータで構成しており、そのうち片方のスイッチング素子上下アームを利用してフィラメント予熱用のSEPP電流共振型インバータを構成している。なお、図1では、スイッチング素子としてパワーMOSFETを用いているが、トランジスタやIGBTを用いてもよい。
〔SWパターン1の回路動作〕
以下に、パワーMOSFET104〜107がSWパターン1でスイッチング動作する場合について、図1の点灯回路の回路動作を説明する。パワーMOSFET104とパワーMOSFET107がオンのとき、初めは、チョークコイル108に蓄えられたエネルギーによって、チョークコイル108、パワーMOSFET104、直流電源100、パワーMOSFET107、コンデンサ109の経路で環流電流が流れ、チョークコイル108のエネルギーが放出される。また、チョークコイル115に蓄えられたエネルギーによって、チョークコイル115、トランス117の1次巻線118、コンデンサ116、パワーMOSFET107の経路にも環流電流が流れる。このとき、コンデンサ116が充電されることで、チョークコイル115のエネルギーがコンデンサ116に移動する。
〔SWパターン2の回路動作〕
次に、パワーMOSFET104〜107がSWパターン2でスイッチング動作する場合について、図1の点灯回路の回路動作を説明する。パワーMOSFET106がオンのとき、初めは、チョークコイル115に蓄えられたエネルギーによって、チョークコイル115、パワーMOSFET106、直流電源100、コンデンサ116、トランス117の1次巻線118の経路に環流電流が流れ、チョークコイル115のエネルギーが放出される。
〔第1のバースト調光〕
本発明の実施例1は、図1の点灯回路を、第1のバースト調光を行う制御装置によって動作させるものである。図3は、実施例1の動作波形図である。図3において、ランプ電流、及びフィラメント電流の波形はそれぞれ単純な正弦波であるが、これらは交流電流であることを表すものであり、実際の波形は単純な正弦波であるとは限らない。なお、このことは図3以外の全ての動作波形図についても同様である。以下では、図3を用いながら点灯状態、消灯状態の順に説明する。
調光用PWM信号がオンのときはバースト調光の点灯状態であり、図1のパワーMOSFETをSWパターン1でスイッチング動作させる。ここで、スイッチング周波数はある一定の値に固定される。このとき、点灯用インバータと予熱用インバータがともに動作することで、図3に示すように、ランプ電流とフィラメント電流がそれぞれ一定の大きさで流れる。
〔制御装置〕
図4は、第1のバースト調光を実現する制御装置のブロック図である。図4の制御装置は、上位制御装置からの調光用PWM信号を入力として、図1におけるパワーMOSFET104〜107のゲート信号を生成する。
〔第2のバースト調光〕
図5は、実施例2の動作波形を示す。以下では、図5を用いながら点灯状態、消灯状態の順に説明する。
〔制御装置〕
図6は、第2のバースト調光を実現する制御装置を示すブロック図である。図6の制御装置は、調光用PWM信号を入力として、図1の点灯回路におけるパワーMOSFET104〜107のゲート信号を生成する。
〔図1の点灯回路の変形例〕
詳細は記載しないが、図1の点灯回路におけるチョークコイル115、トランス117の1次巻線118、コンデンサ116の直列体は、図8の変形例に示すようにパワーMOSFET105のドレイン−ソース間に接続してもよい。または、パワーMOSFET104のドレイン−ソース間に接続してもよい。ただし、これらの場合、消灯状態のSWパターン2において、パワーMOSFET104、及び105をスイッチング動作させ、パワーMOSFET106、及び107を常にオフにする必要がある。これによって、第1のバースト調光、及び第2のバースト調光が適用可能であり、それぞれ、図3及び図5と同様の動作波形が得られる。
〔回路構成〕
図9の点灯回路では、図1の点灯回路と比較して、2つの平滑コンデンサ123、及び124の直列体が追加されており、直流電源100に接続されている。また、図1における共振用チョークコイル115、117の1次巻線118、共振用コンデンサ116の直列体が、2つの平滑コンデンサ123、及び124の接続点と、パワーMOSFET107のドレイン端子との間に移動している。その他については、図1の点灯回路と同じである。
〔SWパターン1の回路動作〕
図9の点灯回路中のパワーMOSFET104〜107がSWパターン1でスイッチング動作することで、図9の点灯回路は点灯用フルブリッジインバータ、及び予熱用ハーフブリッジインバータの両者として動作する。以下、このときの回路動作について説明する。
〔SWパターン2の回路動作〕
図9中のパワーMOSFET104〜107がSWパターン2でスイッチング動作することで、図9の点灯回路は予熱用ハーフブリッジインバータとしてのみ動作する。以下、このときの回路動作について説明する。
〔バースト調光と制御装置〕
本発明の実施例5は、図9の点灯回路を図4の第1のバースト調光を行う制御装置によって動作させるものである。このとき、動作波形は図3のようになる。
〔図9の点灯回路の変形例〕
詳細は記載しないが、図9の点灯回路において、チョークコイル115、117の1次巻線118、共振用コンデンサ116の直列体は、2つの平滑コンデンサ123、及び124の接続点と、パワーMOSFET105のドレイン端子との間に接続してもよい。ただし、この場合、消灯状態のSWパターン2において、パワーMOSFET104、及び105をスイッチング動作させ、パワーMOSFET106、及び107を常にオフにする必要がある。これによって、第1、及び第2のバースト調光方式が適用可能であり、それぞれ、図3、及び図5と同様の動作波形が得られる。
〔回路構成〕
図10の点灯回路における点灯用インバータでは、図1の点灯回路と比較して、以下の点が異なる。トランス112の2次巻線114の端子間には、熱陰極蛍光ランプ101、電流の直流成分を除去するためのコンデンサ111、トランス223の1次巻線224の直列体と、熱陰極蛍光ランプ201、電流の直流成分を除去するためのコンデンサ211、トランス223の2次巻線225の直列体が、並列に接続されている。ここで、トランス223は、2本の熱陰極蛍光ランプ101、及び201に流れるランプ電流を平衡させるための電流バランサである。
〔回路動作〕
図10の点灯回路では、前記の点を除いて図1の点灯回路と異なる点はない。図10の点灯回路における4つのパワーMOSFETのSWパターンには、大きく分けて2通りのパターンがある。そのうちの1つは、既に説明したSWパターン1である。このとき、図10の点灯回路は、点灯用フルブリッジインバータ、及び2つの予熱用SEPPインバータとして動作する。この場合の回路動作は図1の回路動作とほぼ同様であり説明は省略する。
〔第3のバースト調光〕
図12は、実施例7の動作波形図を示す。図12では、2本の熱陰極蛍光ランプのランプ電流、及びフィラメント電流をまとめて図示している点にも注意されたい。以下では点灯状態、消灯状態の順に、第3のバースト調光について説明する。
〔制御装置〕
調光用PWM信号に合わせて前記動作を繰り返すことで、ランプ点灯時に駆動周波数を固定したバースト調光が可能である。なお、これを実現するための制御装置を図13に示す。図13の制御装置は、その構成要素の1つである駆動回路305の動作が異なる点を除けば、図4に示す制御装置と同一である。図13の制御装置が備える駆動回路305は、入力される調光用PWM信号をもとに、点灯であればSWパターン1で、消灯状態であればSWパターン3でパワーMOSFETが動作するようにゲート信号を出力するもので、その他の機能は図4の駆動回路301と同一である。
〔第4のバースト調光〕
図14は、実施例8の動作波形図を示す。以下では点灯状態、消灯状態の順に、第4のバースト調光について説明する。調光用PWM信号がオンのとき、バースト調光の点灯状態であり、図10の点灯回路におけるパワーMOSFETをSWパターン1でスイッチング動作させる。このときのスイッチング周波数はある一定の値に固定される。また、パワーMOSFET104、及び107のオン時間dutyは50%以下、もしくは50%以上である。この場合も、点灯用インバータと予熱用インバータがともに動作することで、図14に示すように、ランプ電流とフィラメント電流がそれぞれ一定の大きさで流れる。
〔制御装置〕
調光用PWM信号に合わせて前記動作を繰り返すことで、点灯状態、消灯状態によらず、駆動周波数を完全に固定したバースト調光が可能である。なお、これを実現するための制御装置を図15に示す。図15の制御装置は、その構成要素の1つである駆動回路306の動作が異なる点を除けば、図6に示す制御装置と同一である。図15の制御装置が備える駆動回路306は、入力される調光用PWM信号をもとに、点灯であればSWパターン1で、消灯状態であればSWパターン3でパワーMOSFETが動作するようにゲート信号を出力するもので、その他の機能は図6の駆動回路303と同一である。
〔変形実施例〕
なお、詳細は記載しないが、図11に示すように、2本の熱陰極蛍光ランプ101、201が直列に接続されている点灯回路に対しても、第3、及び第4のバースト調光方式を適用できる。このことは、3本以上の熱陰極蛍光ランプを点灯させる点灯回路に対しても同様である。
〔回路動作〕
第9の実施例において、図1の点灯回路が有するパワーMOSFETは、図2(d)に示すSWパターン4のようにスイッチング動作する。SWパターン4は、フルブリッジインバータのスイッチング制御として一般的である、位相シフト制御を用いる場合のSWパターンである。位相シフト制御を用いることで、駆動周波数を固定したまま、出力電力を制御することができる。
〔DC調光〕
以下では、本発明におけるDC調光方式について説明する。図16は、本発明におけるDC調光を行う場合の動作波形図を、(a)調光前と、(b)調光後に分けて示したものである。
DC調光では、バースト調光において用いた調光用PWM信号の代わりに、調光レベルを決定するための調光用DC信号を用いる。このDC信号のレベルが大きいほどランプ電流は大きな値に制御される。
〔制御装置〕
図17は、本発明におけるDC調光方式を実現する制御装置のブロック図である。図17の制御装置は、調光用DC信号を入力として、図1の点灯回路におけるパワーMOSFET104〜107のゲート信号を生成する。
〔SWパターン1の回路動作〕
図18の点灯回路における4つのパワーMOSFETのSWパターンには、大きく分けて2通りのパターンがある。そのうちの1つは、既に説明したSWパターン1である。このとき、図18の点灯回路は、フルブリッジインバータとして動作し、熱陰極蛍光ランプ101が点灯する。また、共振用チョークコイル108に交流電流が流れることで、2つの2次巻線119、及び120にそれぞれ電圧が発生し、2次巻線119、コンデンサ121、熱陰極蛍光ランプ101のフィラメント102から成る閉路、及び2次巻線120、コンデンサ122、熱陰極蛍光ランプ101のフィラメント103から成る閉路にそれぞれ交流のフィラメント電流が流れ、フィラメント102、及び103が予熱される。すなわち、図18の点灯回路は、フィラメント予熱用インバータとしても動作すると言える。なお、回路動作の詳細は、既に説明した図1の回路動作から容易に考えられるため、省略する。
〔SWパターン5の回路動作〕
もう1つは、図2(e)に示すSWパターン5である。SWパターン5では、パワーMOSFET104、または105のいずれか一方を常にオン、もう一方を常にオフにする。図2(e)では、パワーMOSFET105を常にオンにする例を示している。その上で、パワーMOSFET106、及び107を交互にオン・オフさせる。また、パワーMOSFET106、または107のいずれか一方を常にオン、もう一方を常にオフにして、パワーMOSFET104、及び105を交互にオン・オフさせてもよい。
〔第5のバースト調光〕
図19は、第5のバースト調光を行う制御装置を用いる場合の動作波形を示したものである。以下では点灯状態、消灯状態の順に説明する。調光用PWM信号がオンのとき、バースト調光の点灯状態であり、図18のパワーMOSFETをSWパターン1で動作させる。ここで、スイッチング周波数はある一定の値に固定される。図18の点灯回路が前記の要領で動作することで、図19に示すように、ランプ電流とフィラメント電流がそれぞれ一定の大きさで流れる。
〔制御装置〕
調光用PWM信号に合わせて前記動作を繰り返すことで、ランプ点灯時に駆動周波数を固定したバースト調光が可能である。なお、これを実現するための制御装置を図20に示す。図20の制御装置は、その構成要素の1つである駆動回路の動作が異なる点を除けば、図4に示す制御装置と同一である。図20の制御装置が備える駆動回路310は、入力される調光用PWM信号をもとに、点灯であればSWパターン1で、消灯状態であればSWパターン5でパワーMOSFETが動作するようにゲート信号を出力するもので、その他の機能は図4の駆動回路301と同一である。
〔第6のバースト調光〕
図21は、第6のバースト調光を行う場合の動作波形を示したものである。以下では点灯状態、消灯状態の順に説明する。調光用PWM信号がオンのとき、バースト調光の点灯状態であり、図18の点灯回路におけるパワーMOSFETをSWパターン1でスイッチング動作させる。このときのスイッチング周波数はある一定の値に固定される。このとき、図18の点灯回路が前記の要領で動作することで、図19に示すように、ランプ電流とフィラメント電流がそれぞれ一定の大きさで流れる。なお、ここで、パワーMOSFET104、及び107のオン時間dutyは50%以下、もしくは50%以上とする。
〔制御装置〕
調光用PWM信号に合わせて前記動作を繰り返すことで、点灯状態、消灯状態によらず、駆動周波数を完全に固定したバースト調光が可能である。なお、これを実現するための制御装置を図22に示す。図22の制御装置は、その構成要素の1つである駆動回路の動作が異なる点を除けば、図6に示す制御装置と同一である。図22の制御装置が備える駆動回路311は、入力される調光用PWM信号をもとに、点灯であればSWパターン1で、消灯状態であればSWパターン5でパワーMOSFETが動作するようにゲート信号を出力するもので、その他の機能は図6の駆動回路303と同一である。
101、201:熱陰極蛍光ランプ
102、202、203:熱陰極蛍光ランプのフィラメント
104、105、106、107:スイッチング素子
108、115、215:共振用チョークコイル
109、116、216:共振用コンデンサ
110、111、121、122、211、221、222:コンデンサ
123、124:平滑コンデンサ
112、117、217:トランス
113、118、218:トランスの1次巻線
114、119、120、219、220:トランスの2次巻線
223:電流バランス用トランス
224:電流バランス用トランスの1次巻線
225:電流バランス用トランスの2次巻線
301、303、305、306、307、310、311:駆動回路
302:周波数制御回路
304、309:オン時間duty制御回路
308:位相シフト制御回路
Claims (9)
- 直流電圧を直流/交流変換して熱陰極蛍光ランプに電力を供給するインバータと、前記インバータを駆動する制御装置を備え、前記インバータは、直列に接続される2個のスイッチング素子で構成される上下アームを有してなる点灯装置において、
前記インバータは、第1の上下アーム、及び第2の上下アームを備え、前記第1の上下アームの出力端子と、前記第2の上下アームの出力端子との間に、前記熱陰極蛍光ランプを含む第1の共振負荷回路を備え、前記第1、及び第2の上下アームのうち、いずれかの上下アームの出力端子に、前記熱陰極蛍光ランプのフィラメントを含む第2の共振負荷回路を備え、
前記制御装置は、外部から与えられる調光用PWM信号のレベルによって、前記熱陰極蛍光ランプの点灯状態及び消灯状態を切り替え、前記調光用PWM信号のオン時間dutyに従って前記熱陰極蛍光ランプを調光するとともに、前記第1、及び第2の上下アームにゲート信号を出力する駆動回路を備え、
前記駆動回路は前記調光用PWM信号を入力とし、点灯状態においては、前記第1、及び第2の上下アームの両者を、第1の上下アームにおける上側スイッチング素子と第2の上下アームにおける下側スイッチング素子とが同時にオンまたはオフするようにスイッチング動作させ、消灯状態においては、前記第1、及び第2の上下アームのうち前記第2の共振負荷回路を出力端子に備える上下アームをスイッチング動作させ、かつ、第1の上下アームにおける上側スイッチング素子と第2の上下アームにおける下側スイッチング素子とが同時にオンにならないように、かつ第1の上下アームにおける下側スイッチング素子と第2の上下アームにおける上側スイッチング素子とが同時にオンにならないようにゲート信号を出力することを特徴とする点灯装置。 - 請求項1に記載の点灯装置において、前記制御装置は、入力される前記調光用PWM信号のレベルに基づいて、前記駆動回路に周波数指令値を出力する周波数制御回路を備えており、前記駆動回路は、前記周波数制御回路から入力される前記周波数指令値に従って前記第1、及び第2の上下アームのうちスイッチング動作させる上下アームに対する前記ゲート信号の周波数を変化させる機能を備え、
前記周波数制御回路は、点灯状態から消灯状態へと移行する時点から、さらにランプ電流がゼロに収束する減衰時間が経過した時点で値が切り替えられ、かつ前記減衰時間が経過した時点の前後ではそれぞれ固定値である前記周波数指令値を出力することを特徴とする点灯装置。 - 請求項1又は2に記載の点灯装置において、前記制御装置はさらに、入力される前記調光用PWM信号のレベルに基づいて、点灯状態と消灯状態で異なる値をとるオン時間duty指令値を出力するオン時間duty制御回路を備え、前記駆動回路は、前記第1、及び第2の上下アームのうちスイッチング動作させる上下アームに固定周波数のゲート信号を出力し、このとき、前記オン時間duty制御回路から入力される前記オン時間duty指令値に従って、点灯状態においては、前記第1の上下アームにおけるいずれか一方のスイッチング素子のオン時間dutyを変化させ、また消灯状態においては、前記第1、及び第2の上下アームのうちスイッチング動作させる上下アームにおけるいずれか一方のスイッチング素子のオン時間dutyを変化させることを特徴とする点灯装置。
- 請求項3に記載の点灯装置において、前記オン時間duty制御回路は、消灯状態においては、前記第1、及び第2の上下アームのうちスイッチング動作させる上下アームにおけるスイッチング素子のオン時間dutyを50%とし、点灯状態においては、前記第1の上下アームにおけるいずれか一方のスイッチング素子のオン時間dutyを50%以上にするように、前記オン時間duty指令値を出力することを特徴とする点灯装置。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の点灯装置において、前記第1、及び第2の上下アームには並列に直流電源が接続されており、
前記第1の共振負荷回路は、共振用チョークコイル及び共振用コンデンサを有する共振回路と、前記共振用コンデンサに並列に接続されるコンデンサ及びトランスの1次巻線を有する直列体と、前記トランスの2次巻線に接続されるコンデンサ及び前記熱陰極蛍光ランプを有する直列体を備えており、
前記第2の共振負荷回路は、共振用チョークコイル及び共振用コンデンサ及びトランスの1次巻線を有する直列体を有する共振回路と、前記トランスが備える少なくとも2個の2次巻線及び前記2次巻線の一方に接続されるコンデンサ及び前記熱陰極蛍光ランプのフィラメントを有する直列体と、前記2次巻線の他方に接続されるコンデンサ及び前記熱陰極蛍光ランプのフィラメントを有する直列体を備えたことを特徴とする点灯装置。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の点灯装置において、前記制御装置は、消灯状態において、前記第1、及び第2の上下アームのうち前記第2の共振負荷回路を出力端子に備える上下アームのみをスイッチング動作させ、他方の上下アームにおける2個のスイッチング素子をともにオフにしてスイッチング動作させないようにゲート信号を出力することを特徴とする点灯装置。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の点灯装置において、前記第1の共振負荷回路には、少なくとも2個の熱陰極蛍光ランプを備えており、前記第1、及び第2の上下アームのうち、前記第2の共振負荷回路を出力端子に備えていない上下アームの出力端子に、前記第2の共振負荷回路に含まれないフィラメントを少なくとも1個含む第3の共振負荷回路を備え、前記駆動回路は、前記調光用PWM信号を入力とし、点灯状態においては、前記第1、及び第2の上下アームの両者を、前記第1の上下アームにおける上側スイッチング素子と前記第2の上下アームにおける下側スイッチング素子とが同時にオンまたはオフするようにスイッチング動作させ、消灯状態においては、前記第1、及び第2の上下アームの両者を、前記第1の上下アームにおける上側スイッチング素子と前記第2の上下アームにおける上側スイッチング素子とが同時にオンまたはオフするようにスイッチング動作させるようにゲート信号を出力することを特徴とする点灯装置。
- 請求項7に記載の点灯装置において、前記第1の共振負荷回路は2個の熱陰極蛍光ランプを備え、前記第1、及び第2の上下アームには並列に直流電源が接続されており、
前記第1の共振負荷回路は、共振用チョークコイル及び共振用コンデンサを有する構成される共振回路と、前記共振用コンデンサに並列に接続されるコンデンサ及びトランスの1次巻線を有する直列体と、前記トランスの2次巻線に接続されるコンデンサ及び前記2個の熱陰極蛍光ランプの一方及び電流バランス用トランスの1次巻線を有する直列体と、前記直列体に対して並列に接続されるコンデンサ及び前記2個の熱陰極蛍光ランプの他方及び前記電流バランス用トランスの2次巻線を有する直列体を備えており、
前記第2の共振負荷回路は、共振用チョークコイル及び共振用コンデンサ及びトランスの1次巻線の直列体を有する共振回路と、前記トランスが備える少なくとも2個の2次巻線及び前記2次巻線の一方に接続されるコンデンサ及び前記熱陰極蛍光ランプのフィラメントを有する直列体と、前記2次巻線の他方に接続されるコンデンサ及び前記熱陰極蛍光ランプのフィラメントを有する直列体を備えており、
前記第3の共振負荷回路は、共振用チョークコイル及び共振用コンデンサ及びトランスの1次巻線を有する直列体を備えた共振回路と、前記トランスが備える少なくとも2個の2次巻線及び前記2次巻線の一方に接続されるコンデンサ及び前記熱陰極蛍光ランプのフィラメントを有する直列体と、前記前記2次巻線の他方に接続されるコンデンサ及び前記熱陰極蛍光ランプのフィラメントの直列体を備えたことを特徴とする点灯装置。 - 請求項7に記載の点灯装置において、前記第1の共振負荷回路は、2個の熱陰極蛍光ランプを備え、
前記第1、及び第2の上下アームには並列に直流電源が接続されており、前記第1の共振負荷回路は、共振用チョークコイルと共振用コンデンサを有する共振回路と、前記共振用コンデンサに並列に接続されるコンデンサ及びトランスの1次巻線を有する直列体と、前記トランスの2次巻線に接続されるコンデンサ及び前記2個の熱陰極蛍光ランプの直列体を備えており、
前記第2の共振負荷回路は、共振用チョークコイル及び共振用コンデンサ及びトランスの1次巻線の直列体を有する共振回路と、前記トランスが備える少なくとも2個の2次巻線及び前記2次巻線の一方に接続されるコンデンサ及び前記熱陰極蛍光ランプのフィラメントを有する直列体と、前記2次巻線の他方に接続されるコンデンサ及び前記熱陰極蛍光ランプのフィラメントを有する直列体を備えており、
前記第3の共振負荷回路は、共振用チョークコイル及び共振用コンデンサ及びトランスの1次巻線の直列体を有する共振回路と、前記トランスが備える少なくとも2個の2次巻線及び前記2次巻線の一方に接続されるコンデンサ及び前記熱陰極蛍光ランプのフィラメントを有する直列体と、前記2次巻線の他方に接続されるコンデンサ及び前記熱陰極蛍光ランプのフィラメントを有する直列体を備えていることを特徴とする点灯装置。
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