JPH11501454A - 広い入力電圧範囲および広い調光範囲を持つ調光可能な電子式蛍光ランプ安定器の制御および保護 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】少なくとも１つの調光可能な蛍光ランプ用の安定器システムは、共振スイッチング・インバータ、並びに始動および正常運転動作の際に該インバータを共振より上で作動するように制御する制御器を含む。始動遅延タイマによりランプのフィラメントを充分に加熱する時間を与えた後、制御器はゲート駆動回路に制御信号を供給して、スイッチング・インバータのスイッチング素子を最初は比較的高い周波数で駆動し、次いでランプを始動するのに充分な高い電圧に達するまで周波数を低下させる。ランプが始動したとき、インバータはその正常帰還モードで作動される。安定器システムは更に過電圧停止機構を含む。ランプの始動の際、始動遅延タイマの出力が高レベルであるか、または出力電圧が第１の過電圧停止閾値より高い場合、過電圧停止タイマが作動されて、所定の過電圧停止期間の間、インバータの動作を停止させる。ランプが始動した後、第１の過電圧停止閾値より低い第２の過電圧停止閾値が、共振より下でのインバータの動作を避けるために設定される。スイッチング・インバータからの出力電圧の周波数およびデューティサイクルの両方が、比較的狭い周波数範囲で広い調光範囲を達成するように変えられる。

Description

【発明の詳細な説明】 広い入力電圧範囲および広い調光範囲を持つ調光可能な電子式蛍光ランプ 安定器の制御および保護 発明の分野 本発明は一般的には蛍光ランプに関し、より具体的には蛍光ランプ用の高周波電子式調光安定器に関するものである。 発明の背景 代表的な現代の調光可能な蛍光ランプ・システムは、直流入力電圧源から作動されてほぼ正弦波の高周波交流電流を蛍光ランプに供給する高周波共振安定器インバータを含む。安定器への直流入力電圧は、典型的には交流電力線路電圧を整流することにより、或いは蓄電池の様な直流電源から直接に得ることができる。共振安定器インバータを共振より上で作動することにより、該インバータの出力特性が理想的な交流電流源に類似するようになり、その調光機能がインバータ・スイッチング周波数を増加してランプ電流を低減することによって達成される。ランプの光出力を調整するのに加えて、安定器インバータはまたランプ始動するために高い出力電圧を供給する。この電圧は、通常、正常運転中のランプ電圧より２乃至３倍高い。 効率を最大にするために、インバータのスイッチング素子をゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）動作させて、スイッチング損失を大幅に低減することが望ましい（ＺＶＳは、素子の両端間の電圧がゼロのときに素子をスイッチングすることである）。他方、同じ共振インバータが共振より下で作動された場合、ＺＶＳ動作が失われて、インバータの素子は厳しいスイッチングが行われ、それにより比較的大きいスイッチング損失が生じる。従って、広い調光範囲すなわち全光出力の１００％から約１％までの範囲を持つ高周波安定器においては、調光範囲全体にわたってＺＶＳ動作が可能になるようにすることが望ましい。また、広い入力電圧範囲、例えば２対１に対して、ＺＶＳ動作および全調光範囲を維持することも望ましい。また更に、スイッチング損失を低減し、他の装置との干渉の可能性を低減し、且つ共振スイッチング・ストレスを低減するために、比較的狭いスイッチング周波数範囲で上述の特徴を達成することも望ましい。 従って、広い入力電圧範囲に対して且つ調光範囲全体にわたって共振より上での動作を維持すると共に、比較的狭いスイッチング周波数範囲を維持する調光可能なランプ安定器用制御装置を提供することが望ましい。更に、安定器インバータが共振より下で作動される場合、比較的大きいスイッチング損失が生じて、スイッチング素子の過熱生じさせ、ひいてはスイッチング素子を故障させることもあるので、安定器の共振より下での長期間の動作を検出し防止するための保護機能を設けることも望ましい。また、始動の際の出力電圧波形の大きいな振幅により安定器インバータの出力における共振部品が損傷を受ける可能性があるので、何らかの過電圧保護を行うことも望ましい。この様な過電圧保護は、正常な始動および運転（ｒｕｎｎｉｎｇ）動作を妨害しないようにすべきであり、且つインバータの動作を停止させることによって出力電圧が所定の値を超えないようにすべきである。（ここで、ＺＶＳ動作中、共振安定器インバータは出力での短絡状態に影響されず、ＺＶＳで動作するシステムをこの故障モードに対して保護することは不必要であることに留意されたい。） 発明の概要 本発明による、少なくとも１つの調光可能な蛍光ランプ用の安定器システムは、共振スイッチング・インバータ、並びに始動および正常運転動作の際に該インバータを共振より上で作動するように制御する制御器を含む。制御器はパルス幅変調（ＰＷＭ）調整器で構成するのが好ましい。始動遅延タイマによりランプのフィラメントを充分に加熱する時間を与えた後、ＰＷＭ調整器はゲート駆動回路に制御信号を供給して、スイッチング・インバータのスイッチング素子を最初は比較的高い周波数（すなわち、ランプの正常の動作周波数より高い周波数）で駆動し、次いでランプを始動するのに充分な高い電圧に達するまで周波数を下げる。ランプが始動したとき、インバータはＰＷＭ調整器に検知したランプ電流信号を帰還する正常の帰還モードで作動される。ＰＷＭ調整器は検知したランプ電流信号を指令電流信号と比較する。 本発明の安定器システムは更に、２つの異なる閾値レベルを持つ過電圧停止機構を含む。ランプの始動の際、出力電圧が第１の過電圧停止閾値より高い場合、過電圧停止タイマが作動されて、所定の過電圧停止期間の間、インバータの動作を停止させる。ランプが始動した後、第１の過電圧停止閾値より低い第２の過電圧停止閾値が、共振より下でのインバータの動作を避けるために設定される。 ゲート駆動回路が一定のオフ時間および可変のオン時間を持つゲート信号を供給するように作動される。このようにして、インバータ共振回路の入力における矩形波電圧波形の周波数およびデューティサイクルの両方が、比較的狭い周波数範囲で広い調光範囲を達成するように変えられる。この狭い周波数範囲により、スイッチング損失が低減し、他の装置との干渉の可能性が低減し、共振回路部品にかかるストレスが低減するという利点が生じる。 本発明の特徴および利点は、添付の図面を参照した以下の説明から明らかになろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明による安定器システムの概略回路図である。 図２は、図１に示したような安定器システムの周波数応答を例示するグラフである。 発明の詳しい説明 図１は、本発明による蛍光ランプ・システムを示す。図１では、蛍光ランプ１２および２２を持つ２ランプ・システムが示されている。しかし、本発明は１つ以上のランプを持つ蛍光ランプ・システムに適用できることを理解されたい。図には、安定器インバータ１０が蛍光ランプ用の従来の半ブリッジ構成のものとして示されている。コンデンサ（典型的には、電解コンデンサ）Ｃ１が、整流され濾波された直流電圧を半ブリッジ接続のスイッチング素子Ｑ１およびＱ２に供給するための安定器入力に結合されている。この入力は、典型的には交流電力線路電圧を整流することにより得られる。この代わりに、入力は蓄電池の様な直流電源から直接得ることができる。ＰＷＭ調整器１１がゲート駆動回路１３にゲート駆動信号を供給し、これによりスイッチング素子Ｑ１およびＱ２を交互にスイッチングして、インダクタＬ１およびコンデンサＣ４を含む共振回路に両方向電流の流れを生じさせる。共振回路は、図示のように、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の間の接続点に出力変圧器Ｔ_OおよびコンデンサＣ２を介して結合されている。直列接続のランプ１２および２２は、直列接続のコンデンサＣ３およびＣ４に並列に接続されている。コンデンサＣ３は、ランプ始動後に共振回路の共振特性を変更することにより安定器の調光範囲を拡張するために使用される。抵抗Ｒ３が、周知のようにランプの調光機能を制御するための電流センサとして設けられている。始動コンデンサＣ５が、ランプ間の接続点とアースとの間に接続されている。始動コンデンサＣ５は始動の際にランプ２２を一時的に短絡して、より高い電圧が始動のためにランプ１２に印加されるようにする。 図２は、図１のもののような代表的な安定器インバータ・システムにおける一群の周波数応答曲線を示す。各々の曲線は、入力電圧ｖ_acの周波数の関数として出力電圧Ｖ_Oを表しており、全ランプ抵抗Ｒ_LAMPが可変のパラメータとして用いられている。入力電圧振幅は一定であった。高周波動作を達成するために、始動および運転の際に、ランプを共振より上で、すなわち共振周波数ｆ_rより高い周波数で動作させる、すなわちそれぞれの共振応答曲線の右側で動作させることが望ましい。共振周波数より高い周波数での動作により、安定器インバータの能動素子のＺＶＳが可能となり、従って効率を向上させることができる。 図１に示したインバータの共振周波数ｆ_rは、図２の共振曲線のピークを見ればわかるように、負荷につれて変化する。これは、図１で２つの極端な負荷の場合を検討することによって容易に理解されよう。始動の際、ランプが点灯する前では、両方のランプ１２および２２のインピーダンスは本質的に無限であり、共振インバータの自己共振周波数はほぼ次の通りである。ランプが全輝度で点灯しているときは、両方のランプのインピーダンスは動作周波数でのコンデンサＣ３のインピーダンスよりずっと小さく、共振インバータの自己共振周波数はほぼ次の通りである。ランプが減光されるにつれて、それらのインピーダンスは増大し、共振インバータの負荷が変化し、その共振周波数も変化する。このことが図２にはっきりと示されており、負荷抵抗パラメータが、全輝度での２つのランプの抵抗を表すＲ_LAMP＝５５０Ωから、５％の輝度での２つのランプの抵抗の近似値であるＲ_LAMP3＝５５０Ωまで変化している。 本発明によれば、１つ以上の蛍光ランプを駆動するための高周波電子式安定器システムは、共振周波数ｆ_r2より高い周波数でランプを始動するための始動制御、始動および正常運転の両方における過電圧保護機構、および広い調光範囲にわたってランプを作動する二重電圧制御を含む。 図１の安定器システムの動作について説明すると、ランプ電流ｉ_acが検知抵抗Ｒ３によって検知されて、絶対値回路２４を介してＰＷＭ調整器に供給される（ランプ電流を検知するために抵抗Ｒ３が設けられているが、光出力を表す信号を供給する任意の他の適当な装置を用いてもよい）。過電圧保護回路３０が、抵抗Ｒ１およびＲ２の間の接続点ａとアースとの間に直列に接続された抵抗Ｒ４およびスイッチング素子Ｑ３で構成されている。接続点ａは、過電圧停止（ＯＶＳＤ）比較器３２の非反転入力に接続されている。比較器３２の反転入力はツェナーダイオード３４に接続されている。比較器３２の出力は過電圧停止タイマ３６の入力として供給される。過電圧停止タイマ３６はゲート駆動回路１３に対する入力を供給する。タイマ３６の出力はまた、直列に接続されたダイオードＤ１およびＤ３並びに抵抗Ｒ５を介してＰＷＭ調整器１１に供給される。始動遅延タイマ４０の出力もまた、ダイオードＤ２およびＤ３並びに抵抗Ｒ５を介してＰＷＭ調整器１１の入力として供給される。ダイオードＤ１およびＤ３の陰極は共に接続点ｂに接続され、接続点ｂはダイオードＤ４およびＲＣ遅延回路４１を介してスイッチング素子Ｑ３のゲートに結合される。 ランプを始動するため、コンデンサＣ５が一時的にランプ２２を短絡して、始動のためのより高い電圧を他方のランプ２２に印加させる。更に、始動遅延タイマ４０がランプの始動を遅らせて、始動遅延タイマ４０が時間切れになるまでの間、ランプのフィラメントが（図示していない別個の電源装置から給電されて）実際のランプの始動の前に充分に加熱されるようにし、これにより、ランプ放電電流が流れ始めるときにフィラメントの電子放出物質のスパッタリングが最小になるようにする。図１には、例として、始動遅延タイマがほぼ３．５秒の時間遅延を与えるものとして示されている。 ＰＷＭ調整器１１は所定の比較的高い周波数、すなわち開回路共振周波数ｆ_r2より高い周波数で始動するように動作し、次いで周波数を低下させることにより、共振曲線のピークの方へ近づけて（図２の曲線２４を参照）出力電圧Ｖ_Oを増加させる。出力電圧Ｖ_Oが充分高くなって、放電を開始させて電離の初期可視段階を生じさせたとき（この始動電圧振幅は、２ランプ安定器の場合、周囲温度に応じて通常４００乃至７００Ｖである）、放電電流が確立される。この様な動作は、図２のグラフを参照して、ほぼ無負荷の状態、すなわちランプが始動する前の高インピーダンスを表す曲線（例えば、４２）上での動作から、ランプ運転中の負荷時の曲線（例えば、４３、４４、４５）上での動作へ移行するものとして、説明することが出来る。これはまた、全光出力（５３ｋＨｚにおける動作点）からほぼ５％の光出力（７０ｋＨｚにおける動作点）までの全てのランプ動作点の軌跡を近似的に示す図２の曲線４６を見ることによって、理解することが出来よう。曲線４６上の各々の動作点は、特定の出力負荷（曲線４２乃至４５）でのインバータの出力特性（共振回路周波数応答）とランプの電圧−電流特性（図示していない）との交点によって決定される。ここで留意すべき重要な事項は、始動動作および調光範囲全体にわたる運転動作の両方において、ランプ動作点の軌跡が、常に、対応する共振曲線（曲線４２乃至４５）の右側に留まり、これにより安定器インバータの共振より上での動作が生じ、従ってＺＶＳ動作ができることである。 本発明による安定器システムはまた、スイッチング素子Ｑ３および抵抗Ｒ４で構成された回路を含む過電圧停止機構を有している。スイッチング素子Ｑ３は最初は、始動遅延タイマの出力が「高」レベルであるので、オンである。また、接続点ａすなわちＲ１およびＲ２の分圧器の出力の電圧が比較器３２に供給されていて、比較器により出力電圧Ｖ_Oが第１の過電圧停止閾値Ｖ_OVSD1より大きいかどうか決定される。大きい場合は、過電圧停止タイマ３６が作動されて、所定の過電圧停止期間、例えば図２に示されているように２．５秒の間、ゲート駆動回路１３を介して安定器インバータ１０のスイッチング素子をターンオフする。過電圧停止期間の後、前に述べたようにランプを始動するために、ＰＷＭ調整器が、最初の所定の高い周波数から周波数を再び低下させ始める。 従って、（Ｒ１およびＲ４と並列のＲ２より成る分圧器によって検知された）Ｖ_Oが第１の過電圧停止閾値電圧より大きい場合、または始動遅延タイマの出力が「高」レベルである場合、ダイオードＤ１およびＤ２より成るダイオード・オア回路構成を介して、素子Ｑ３がオンになると共に、抵抗Ｒ３によって検知されたランプ電流がオーバーライド（無効化）され、これによりＰＷＭ調整器１１が前に述べたように周波数範囲にわたって周波数を低下させるように動作する。 過電圧停止方式の追加の保護機能として、本発明による安定器システムは共振より上での動作と共振より下での動作とを区別する。具体的に説明すると、第１の過電圧停止閾値Ｖ_OVSD1より低い第２の過電圧停止閾値Ｖ_OVSD2（すなわち、Ｖ_OVSD2＜Ｖ_OVSD1）を設ける。低い方の閾値Ｖ_OVSD2は、素子Ｑ３をターンオフして分圧器の利得を大きくする（すなわち、Ｒ１およびＲ２の分圧器を介して比較器３２に供給される電圧Ｖ_Oの割合を大きくする）ことにより、ランプが正常に点灯して運転されるようになった後にのみ、提供される。このように２つの閾値レベルが必要である理由は、高い方の閾値Ｖ_OVSD1が共振より下でのランプの動作を防止するのに充分な低いレベルで無いからである。例えば、ランプが運転中に故障した場合、出力電圧は増加するが、第１の過電圧停止閾値Ｖ_OVSD1を越えるほどにはならない。しかし、第２の過電圧停止閾値Ｖ_OVSD2が始動期間後に有効になるので、いずれかのランプが故障したときの出力電圧は第２の過電圧停止閾値に達して、過電圧停止タイマ３６を作動し、これによりゲート駆動回路１３が停止し、始動プロセスが再び開始される。ところで、第２の過電圧停止閾値により得られるこの追加の保護機能が設けられていない場合には、共振より下で動作している制御装置が周波数を低下させることによってランプ電流を増加させようとしながら、共振より下での動作に留まり、従ってＺＶＳ動作を行うことが出来ず、損失が大きくなり、インバータのスイッチング素子の損傷を招くおそれがある。 ランプが始動して、始動遅延タイマの出力が「低」であり且つ過電圧停止タイマの出力が「低」であるとき、安定器システムは正常の期間モードで動作、すなわち抵抗Ｒ３によりランプ電流を検知して、ランプ電流を絶対値回路２４を介してＰＷＭ調整器１１へ入力として供給する。ここで、一旦ランプが始動したとき、過電圧停止比較器３２の出力はＲＣ回路４１による時間遅延（これは、例えば、１００ミリ秒程度であってよい）後まで「低」にならないことに注意されたい。この時間遅延は、ランプが点灯した後に第２の過電圧停止閾値が設定されるように保証する。 正常運転動作中、この安定器インバータ設計で実現されるＰＷＭ制御方式は、出力電圧Ｖ_Oに二重の効果を有する。具体的に説明すると、ゲート駆動回路１３がＰＷＭ調整器１１によって制御されて、インバータのスイッチング素子Ｑ１およびＱ２に対し一定のオフ時間および可変のオン時間を定める。適当なＰＷＭ調整器１１としては、例えば、ユニトロード社（Ｕｎｉｔｏｒｏｄｅ Ｃｏｒｐｒａｔｉｏｎ）で製造されている製品番号ＵＣＸ８６２およびＵＣＸ８６４である。インバータのスイッチングに対してオフ時間を一定に保ち且つオン時間を可変にしたことにより、変圧器Ｔ_Oの一次巻線における矩形波電圧Ｖ_SQWVの周波数およびデューティサイクルの両方が変えられる。スイッチング周波数の変化は、図２に示されるように安定器インバータの出力電圧Ｖ_Oに影響を及ぼす。交流電圧Ｖ_SQWVのデューティサイクルの変化は、インバータの出力電圧Ｖ_Oに付加的な影響を及ぼす。安定器インバータの最小動作周波数では、ＰＷＭ調整器は、オン時間およびオフ時間をほぼ等しくして、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２を５０％のデューティサイクルで作動するように設定される。これは、所与の直流入力電圧Ｖ_DCに対して電圧Ｖ_SQWVの基本成分の振幅Ｖ_ac1を最大にする。ランプを減光するとき、ＰＷＭ調整器のオン時間を減少させることによって安定器インバータ周波数が増加され、２つのスイッチング素子Ｑ１およびＱ２のデューティサイクルはもはや５０％にはならない（Ｑ１のデューティサイクルは５０％より小さく、Ｑ２のデューティサイクルは５０％より大きい）。結果として、電圧Ｖ_SQWVの基本成分の振幅Ｖ_ac1は、５０％のデューティサイクル（その他の全てが等しいとして）のときの振幅よりも小さくなる。図１の共振回路の入力電圧Ｖ_acが変圧器の一次電圧Ｖ_SQWVの基本成分の振幅Ｖ_ac1に比例するので（比例定数は変圧器巻線比である）、スイッチング素子のデューティサイクルの変化は変圧器の二次電圧Ｖ_acおよび出力電圧Ｖ_Oに直接に影響を及ぼす。周波数の変化とデューティサイクルの変化との組合せの効果により、比較的狭い周波数範囲で全調光範囲を達成するように出力電圧が制御される。この狭い周波数範囲により、スイッチング損失が低減し、他の装置との干渉の可能性が低減し、共振回路部品にかかるストレスが低減するという利点が生じる。更に、どんなランプ動作モード（ランプの故障を含む）でも、ＺＶＳ動作が、上記の二重の過電圧停止レベル回路によって保証される。 本発明の好ましい実施態様を図示し説明したが、この様な実施態様は例として示されたものであることは明らかであろう。当業者には本発明の範囲内で種々の変形、変更および置換をなし得よう。従って、本発明は請求の範囲に記載の精神および範囲によって定められるものと意図されている。

─────────────────────────────────────────────────────フロントページの続き (72)発明者 ステイガーワルド，ロバート・ルイス アメリカ合衆国、12021、ニューヨーク州、 バーント・ヒルズ、サンドストーン・ドラ イブ、３番(72)発明者 ケーラルワラ，マスタンサー・ハッサイン アメリカ合衆国、12309、ニューヨーク州、 スケネクタデイ、ファーンウッド・ドライ ブ、1183番【要約の続き】両方が、比較的狭い周波数範囲で広い調光範囲を達成するように変えられる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つの蛍光ランプ用の安定器システムにおいて、 光出力を生じさせるために前記少なくとも１つの調光可能な蛍光ランプを駆動する安定器インバータであって、前記ランプを動作させるための出力電圧を供給する共振スイッチング・インバータを有する安定器インバータ、 所定の周波数範囲で前記共振スイッチング・インバータにゲート信号を供給するゲート駆動回路、 前記ゲート駆動回路に制御信号を供給して、所定の比較的高い周波数で始動し、前記出力電圧が前記ランプを始動するのに充分高い出力電圧に達するまで前記周波数を低下させることによって、前記インバータを共振より上で動作させるインバータ制御器、および 前記ランプに結合されていて、前記出力電圧が過電圧停止閾値を越えたときは、過電圧停止期間の間、前記インバータを停止させる過電圧停止回路を含んでいることを特徴とする安定器システム。 ２．前記過電圧停止閾値は、ランプ始動の際の第１の過電圧停止閾値および正常運転動作の際の第２の過電圧停止閾値を有し、前記第１の過電圧停止閾値は、ランプを始動させ且つ共振より下での動作を防止するために前記第２の過電圧停止閾値より大きい請求項１記載の安定器システム。 ３．更に、前記ランプからの光出力を表す信号を供給する検知装置を含んでいる請求項１記載の安定器システム。 ４．前記検知装置が、前記ランプの電流を検知する電流センサで構成されている請求項３記載の安定器システム。 ５．前記インバータ制御器が、入力電流指令を受け取って、該指令を検知されたランプ電流と比較するＰＷＭ調整器を有している請求項４記載の安定器システム。 ６．更に、ランプ・フィラメントを加熱するのに充分な時間が経過するまで前記ランプの始動を遅延させる始動遅延タイマ回路を含んでいる請求項１記載の安定器システム。 ７．前記過電圧停止回路が、出力電圧検知回路の利得を変更するスイッチング素子を有している請求項１記載の安定器システム。 ８．前記ゲート信号のオフ時間が一定であり、前記スイッチング・インバータからの出力電圧の周波数および振幅を変えるために前記ゲート信号のオン時間が可変である請求項１記載の安定器システム。