稀有氣體螢光燈照明裝置的製作方法
2023-12-01 20:14:51
專利名稱：稀有氣體螢光燈照明裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及稀有氣體螢光燈照明裝置，以及更具體地說，涉及在文檔閱讀設備，諸如傳真機、圖像掃描儀和複印機中，使稀有氣體螢光燈發光作為光源的稀有氣體螢光照明裝置。
背景技術：
近年來，通過稀有氣體放電而發光的稀有氣體螢光燈正日益用作文檔閱讀設備，諸如複印機和圖像掃描儀中的照明光源。當施加高頻脈衝電壓時，使稀有氣體螢光燈發出高強度亮度的光是非常公知的，以及最好採用具有生成這種高頻脈衝電壓的反相電路的照明裝置使稀有氣體螢光燈發光。
另一方面，稀有氣體螢光燈具有在上述文檔閱讀設備的操作期間，當由於輸入電壓的波動等等而改變燈電流時，燈的光量被改變，從而損壞閱讀文檔的精度，導致損害圖像再現質量的問題。為了處理該問題，提出了一種稀有氣體螢光燈照明裝置，其中，將DC-DC轉換器放在電路的輸入側以便生成高頻電壓，從而穩定輸入側的電功率，以便穩定稀有氣體螢光燈的光量，而不受輸入電壓的波動影響(例如參見日本專利申請公開號No.2001-15284)。
圖18是如在上述日本專利申請公開號No.2001-15284中所公開的稀有氣體螢光燈照明裝置的框圖，其中，在高頻電壓生成電路HC的輸入端提供升壓DC-DC轉換器CV。DC-DC轉換器CV中的第二驅動電路CT用來基於從電流檢測電路R反饋的信號，將PWM調製的驅動信號提供給第二開關元件S2，使得在電流檢測電路R處檢測的電流具有恆定峰值，由此輸出被控制在恆定電功率，而不受到DC電源E1的電壓波動的影響，從而穩定稀有氣體螢光燈DL的光量。
圖18所示的稀有氣體螢光燈照明裝置，包括置於高頻電壓生成電路HC的輸入端的升壓DC-DC轉換器CV，由於開關元件S2的開關損耗、線圈L1的銅耗和鐵耗以及二極體D1處的損耗，經受效率下降，並且還需要用於安裝部件的大的空間，從而阻止了裝置的小型化。並且，第二驅動電路CT通常構造成IC，因此，增加了整個成本。
發明內容
鑑於上述問題，已經做出了本發明，因此，具有提供稀有氣體螢光燈照明裝置的目的，其中，穩定光量，而不受輸入電源的電壓波動的影響以及不惡化效率，以及通過更小尺寸廉價製作。
為實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供一種稀有氣體螢光燈照明裝置，包括輸入電源；變壓器，稀有氣體螢光燈連接到其次級側；串聯連接到變壓器的初級側的開關元件；以及驅動開關元件的驅動塊。驅動塊包括三角波形振蕩電路，分別根據輸入電源的電壓的增加和減小，增加和減小振蕩頻率；以及比較電路，將從三角波形振蕩電路輸出的三角波形變換成具有預定佔空比的矩形波形。由於驅動連接到變壓器的初級側的開關元件的驅動塊包括適合於根據輸入電壓的改變而改變頻率的振蕩電路，可以將輸入到變壓器的初級側的電壓基本上保持恆定，從而穩定稀有氣體螢光燈的光量。
在本發明的方面中，驅動塊可以進一步包括恆壓電路，將輸入電源的電壓轉換成恆壓作為輸出；以及恆流電路，根據輸入電源的電壓輸出充電電流，以及三角波形振蕩電路可包括將通過恆流電路的充電電流充電並將以預定時間常數放電的振蕩電容器；以及比較器，在用于振蕩電容器的充電模式和放電模式之間進行切換，向其輸入由來自恆壓電路的恆壓的分壓而產生的閾值電壓和振蕩電容器兩端的基於端子的電壓，從而輸出基於端子的電壓作為三角波形電壓。由於用比較器和電容器作為主要元件而簡單地構造振蕩電路，而不採用用於電功率控制的電路元件來穩定輸入電源的電壓，可穩定稀有氣體螢光燈的光量而不惡化效率，從而允許小型化和成本降低。
圖1是根據本發明的實施例的稀有氣體螢光燈照明裝置的框圖；圖2是圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置的電路；圖3A至3C是圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置中的三角波形振蕩電路的操作序列的時序圖，分別示出輸出電壓、正相電壓以及反相電壓；圖4A是用於三角波形振蕩電路的操作序列的時序圖，以及圖4B是用於圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置中的比較電路的操作序列的時序圖；圖5是在輸入電源的電壓為21.6V的情況下，圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置的相關部件處生成的波形的圖，其中(a)和(b)分別表示三角波形振蕩電路的比較器的正相輸入電壓和反相輸入電壓，以及(c)表示開關元件的柵極驅動電壓；圖6是在輸入電源的電壓為22.8V的情況下，圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置的相關部件處生成的波形的圖，其中(a)和(b)分別表示三角波形振蕩電路的比較器的正相輸入電壓和反相輸入電壓，以及(c)表示開關元件的柵極驅動電壓；圖7是在輸入電源的電壓為24.0V的情況下，圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置的相關部件處生成的波形的圖，其中(a)和(b)分別表示三角波形振蕩電路的比較器的正相輸入電壓和反相輸入電壓，以及(c)表示開關元件的柵極驅動電壓；圖8是在輸入電源的電壓為25.2V的情況下，圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置的相關部件處生成的波形的圖，其中(a)和(b)分別表示三角波形振蕩電路的比較器的正相輸入電壓和反相輸入電壓，以及(c)表示開關元件的柵極驅動電壓；圖9是在輸入電源的電壓為26.4V的情況下，圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置的相關部件處生成的波形的圖，其中(a)和(b)分別表示三角波形振蕩電路的比較器的正相輸入電壓和反相輸入電壓，以及(c)表示開關元件的柵極驅動電壓；圖10是示出在圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置中，頻率作為輸入電源處的電壓的函數的圖；圖11是在輸入電源的電壓為21.6V的情況下，圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置的相關部件處生成的波形的圖，其中，(a)表示當關斷開關元件時，在變壓器的初級側生成的電壓，(b)表示流過變壓器的電流，以及(c)表示開關元件的柵極驅動電壓；圖12是在輸入電源的電壓為22.8V的情況下，圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置的相關部件處生成的波形的圖，其中，(a)表示當關斷開關元件時，在變壓器的初級側生成的電壓，(b)表示流過變壓器的電流，以及(c)表示開關元件的柵極驅動電壓；圖13是在輸入電源的電壓為24.0V的情況下，圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置的相關部件處生成的波形的圖，其中，(a)表示當關斷開關元件時，在變壓器的初級側生成的電壓，(b)表示流過變壓器的電流，以及(c)表示開關元件的柵極驅動電壓；圖14是在輸入電源的電壓為25.2V的情況下，圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置的相關部件處生成的波形的圖，其中，(a)表示當關斷開關元件時，在變壓器的初級側生成的電壓，(b)表示流過變壓器的電流，以及(c)表示開關元件的柵極驅動電壓；圖15是在輸入電源的電壓為26.4V的情況下，圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置的相關部件處生成的波形的圖，其中，(a)表示當關斷開關元件時，在變壓器的初級側生成的電壓，(b)表示流過變壓器的電流，以及(c)表示開關元件的柵極驅動電壓；圖16是示出在圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置中，在變壓器的初級側生成的電壓作為輸入電壓的函數的圖；圖17是示出在圖1的稀有氣體螢光燈照明裝置中，照度作為輸入電壓的函數的圖；以及圖18是傳統的稀有氣體螢光燈照明裝置的框圖。
具體實施例方式
在下文中，將參考附圖，描述本發明的優選實施例。
參考圖1，根據本發明的實施例的稀有氣體螢光燈照明裝置50通常包括連接到輸入電源Vin的反相電路6、驅動反相電路6的驅動塊10以及在反相電路6和驅動塊10之間提供的保護電路7。包含主要由例如氙(Xe)組成的稀有氣體的稀有氣體螢光燈DL連接到反相電路6的輸出側。反相電路6包括變壓器TR和串聯連接到變壓器TR的初級側TRp的開關元件Q1，以及開關元件Q1由例如n溝道MOSFET構成。驅動塊10包括連接到輸入電源Vin的恆壓電路1和恆流電路2，以及進一步包括從恆壓電路1接收電壓的三角波形振蕩電路3、比較電路4和驅動電路5，以及恆流電路2的輸出連接到三角波形振蕩電路3。驅動電路5的輸出連接到開關元件Q1。
參考圖2，將論述稀有氣體螢光燈照明裝置50中的電路的結構和操作。
恆壓電路1包括電阻器R1和R2、齊納二極體ZD和電晶體Tr1。電阻器R1和齊納二極體ZD的連接部分連接到電晶體Tr1的基極端，以及由齊納二極體ZD的齊納電壓設定的恆壓V提供給三角波形振蕩電路3、比較電路4和驅動電路5。
恆流電路2包括可變電阻器R3、R4、R5、R6和R7、二極體D1和電晶體Tr2。電阻器R6和二極體D1的連接部分連接到電晶體Tr2的基極端，以及由輸入電源Vin的電壓和可變電阻器R3、R4、R5、R6和R7的電阻值設定的充電電流Ic提供給三角波形振蕩電路3。在恆流電路2中，將可變電阻器R3、R4、R5、R6和R7設定在各個預定值從而提供恆流，而與連接到電晶體Tr2的集電極端的負載的變化無關，但當輸入電源Vin的電壓經受變化時，使施加在由電阻器R5和二極體D1構成的串聯電路的兩端上的電壓改變，特別是分別根據輸入電源Vin的電壓的增加和減小而增加和減小，引起由電壓和電阻器R7設定的電流值增加和減小。因此，採用本實施例中的恆流電路2向三角波形振蕩電路3提供根據輸入電源Vin的電壓變化而變化的充電電流Ic。恆流電路2可以另外由非常公知的電流鏡電路構成。
三角波形振蕩電路3包括比較器COMP1和振蕩電容器C1作為主要部件。比較器COMP1的正相輸入端COMP(+)連接到構成恆壓電路1的輸出電壓線11和地之間的串聯電路的電阻器R8和R9的連接部分，以及還經由反饋電阻器R11連接到比較器COMP1的輸出端COMP1o。振蕩電容器C1的一端連接到比較器COMP1的反相輸入端COMP(-)，以及另一端接地。振蕩電容器C1的一端還經由二極體D2連接到恆流電路2，以及經由二極體D3和電阻器R12連接到比較器COMP1的輸出端COMP1o。採用本實施例中的三角波形振蕩電路3將在振蕩電容器C1的兩端產生的三角波形電壓輸出到比較電路4，以及稍後將詳述三角波形振蕩電路3的操作。
比較電路4包括比較器COMP2和電阻器R13和R14。比較器COMP2的反相輸入端連接到構成恆壓電路1的輸出電壓線11和地之間的串聯電路的電阻器R13和R14的連接部分，以及將上述三角波形電壓作為來自三角波形振蕩電路3的輸出輸入到比較器COMP2的正相端。採用本實施例中的比較電路4來比較三角波形電壓與由電阻器R13和R14對恆壓V進行分壓所產生的閾值電壓，從而在比較器COMP2的輸出端COMP2o產生具有預定佔空比的矩形波形電壓並輸出到驅動電路5。
驅動電路5是包括電晶體Tr3和Tr4的推挽電流放大電路。驅動電路5由來自比較電路4的矩形波形電壓驅動，以便快速充放電反相電路6的開關元件Q1的柵極和源極之間的電容，從而將具有高頻矩形波形的驅動信號Vgs提供給開關元件Q1的柵極端。
如上所述，反相電路6包括變壓器TR和串聯連接到變壓器TR的初級側TRp的開關元件Q1。開關元件Q1接收從驅動電路5提供的高頻驅動信號Vgs，從而導通和截止。當開關元件Q1導通時，使線性增加的電流Id在變壓器TR的初級側TRp流動，以及將能量存儲在變壓器TR處。然後，當截止開關元件Q1時，斷開電流Id，以及將存儲的能量放電到變壓器TR的次級側TRs，從而在變壓器TR的次級側TRs感應輸出電壓，並提供給稀有氣體螢光燈DL，以及使稀有氣體螢光燈DL發光。在該過程期間，在開關元件Q1的漏極和源極兩端生成根據存儲在變壓器TR中的能量的脈衝電壓Vds。
採用保護電路7來保護電路元件免受在變壓器TR的次級側TRs的無負載放電期間所生成的應力。保護電路7檢測在變壓器TR的次級側TRs流動的電流，從而例如當不連接稀有氣體螢光燈DL時，驅動電路5被去激勵。將簡單地說明保護電路7的操作。當連接稀有氣體螢光燈DL時，由二極體D4整流在變壓器TR的次級側TRs流動的電流以便充電電容器C4，從而接通電晶體Tr6，使電容器C5存儲的電荷被放電，因而截止電晶體Tr5。因此，在連接到電晶體Tr5的集電極端的比較電路4的比較器COMP2的輸出端COMP2o生成上述矩形波電壓，以及正好激活驅動電路5。另一方面，當不連接稀有氣體螢光燈DL時，放電電容器C4從而截止電晶體Tr6，使電容器C5充電因而接通電晶體Tr5。因此，使比較電路4的比較器COMP2的輸出基本上固定維持在地電位，以及去激勵驅動電路5。
將參考圖3A至3C以及圖4A和4B，描述三角波形振蕩電路3和比較電路4的操作。在以下描述中，將來自恆壓電路1的輸出電壓定義為V，以及R8＝R9＝R11＝R，其中，R基本上大於R10。
將首先參考圖3A至3C，描述有關當輸入電源Vin的電壓恆定時，三角波形振蕩電路3如何操作。
參考圖3A，假定在時間周期Tc期間，比較器COMP1的輸出端COMP1o處的輸出電壓保持在高電平(即電壓V)。參考圖3B，在周期Tc期間，將閾值電壓VTH(VTH＝R/(R+R/2)V0.66V)輸入到比較器COMP1的正相輸入端COMP(+)。由從恆流電路2提供的充電電流Ic來充電振蕩電容器C1，以及如圖3C所示，在時間周期Tc期間，振蕩電容器C1兩端的電壓幾乎線性增加。將該電壓輸入到比較器COMP1的反相輸入端COMP(-)，以及當反相輸入端COMP(-)處的輸入電壓增加並在時間點t1達到閾值電壓VTH時，比較器COMP1的輸出端COMP1o處的輸出電壓被切換到低電平，如圖3A所示。
再參考圖3A，在時間周期TD期間，比較器COMP1的輸出端COMP1o處的輸出保持在低電平，以及如圖3B所示，在時間周期TD期間，閾值電壓VTL(VTL＝(R/2)(R+R/2)V0.33V＜VTH)被輸入到比較器COMP1的正相輸入端COMP(+)。經由二極體D3和電阻器R12對振蕩電容器C1進行放電，因此，通過振蕩電容器C1和電阻器R12所確定的時間常數，振蕩電容器C1兩端的電壓減小(調整本實施例中的時間常數使得如圖3C所示，電壓幾乎線性減小)。該電壓被輸入到比較器COMP1的反相輸入端COMP(-)，以及當反相輸入端COMP(-)處的輸入電壓減小並在時間點t2達到閾值電壓VTL時，比較器COMP1的輸出端COMP1o處的輸出電壓被切換回高電平。
在時間周期TC和TD期間重複上述操作，以及在振蕩電容器C1兩端生成如圖3C所示的三角波形電壓。採用本實施例中的三角波形振蕩電路3將該三角波形電壓輸出到比較電路4。
現在，將參考圖4A，描述輸入電源Vin的電壓變化對三角波形振蕩電路3的操作的影響。當輸入電源Vin的電壓增加而三角波形振蕩電路3輸出具有如圖4A所示的實線所表示的波形的三角波形電壓時，使波形改變成在此所示的虛線所表示的波形。即，由於如上所述，根據輸入電源Vin的電壓的增加，來自恆流電路2的充電電流Ic增加，充電振蕩電容器C1的速度增加。因此，在充電周期T1C期間出現的實直線VC1的梯度改變成在充電周期T2C期間出現的虛實線VC2的梯度，從而表示梯度增加。同時，由於使基於來自恆壓電路1的輸入電壓V而生成的閾值電壓VTH和VTL基本上保持恆定，與增加電壓前的充電時間T1C相比，增加電壓後的充電時間T2C被減小。而且，由於在放電周期T1D和T2D期間，放電振蕩電容器1的過程彼此相同，實直線VD1和虛直線VD2的梯度幾乎彼此相同，因此，放電周期T1D和T2D幾乎彼此相同。因此，與增加輸入電源Vin的電壓前的三角波形電壓的循環時間T1相比，增加輸入電源Vin的電壓後的三角波形電壓的循環時間T2被減小，從而輸出具有更高頻率的三角波形電壓。
將從三角波形振蕩電路3輸出的三角波形電壓輸入到比較電路4的比較器COMP2的正相輸入端，以及將由電阻器R13和R14對恆壓電路1的輸出電壓V進行分壓所產生的閾值電壓Vth輸入到比較器COMP2的反相輸入端。因此，當三角波形電壓高於閾值電壓Vth時，在比較器COMP2的輸出端COMP2o產生的矩形波形處於高電平，而當三角波形電壓低於閾值電壓Vth時，處於低電平，從而生成矩形波形電壓。在本發明中，比較器COMP2的閾值電壓Vth被設置為基本上處於比較器COMP1的兩個閾值電壓VTH和VTL之間的中間水平，以及從比較器COMP2的輸出端COMP2o輸出的矩形波形電壓的佔空比大約被設置在50％，而與頻率無關。
圖4B示出分別對應於由實線和虛線表示的三角波形電壓並在閾值電壓Vth處變壓的矩形波形電壓。由於當輸入電源Vin的電壓增加時，矩形波形電壓的頻率增加，其佔空比基本上保持恆定，一個循環時間中處於高電平和低電平的時間周期被縮短。如上所述，採用矩形波形電壓經由驅動電路5來驅動反相電路6的開關元件Q1，例如，使得當接通開關元件Q1時，矩形波形電壓處於高電平。因此將理解，使開關元件Q1的開/關操作的導通時間隨輸入電源Vin的電壓增加而減小。
將參考圖5至17，描述根據本實施例的稀有氣體螢光燈照明裝置50的效果和優點。
首先參考圖5至9，應理解到比較器COMP1的反相輸入端COMP(-)處的電壓的頻率，即，驅動信號Vgs的頻率隨輸入電源Vin的電壓增加而增加，如圖10所示。
然後參考圖11至15，應理解到在開關元件Q1的一個導通操作期間電流Id的峰值增加，以及在開關元件Q1的截止時間，變壓器TR的初級側TRp處生成的脈衝電壓Vds的峰值隨輸入電源Vin的電壓增加而減小，這表示在開關元件Q1的一個導通操作期間在變壓器TR中存儲的能量被減少。對應於輸入電源Vin處的電壓的變化的電壓Vds的峰值的上述變化如圖16所示。
因此，在根據本實施例的稀有氣體螢光燈照明裝置50中，開關元件Q1的操作頻率被改變，輸入電源Vin的佔空比基本上維持恆定，從而使在開關元件Q1的一個導通操作期間在變壓器TR處存儲的能量改變，以便抵消輸入電源Vin的電壓變化，因此使施加到變壓器TR的電功率基本上保持恆定。結果，即使輸入電源Vin的電壓改變，也能使連接到變壓器TR的次級側TRs的稀有氣體螢光燈DL的光量基本上保持恆定，如由圖17的圖所示。
可以用其他具體的形式來體現本發明，而不背離其精神或基本特性。在所有方面，上述實施例將僅視為示例性而不是限制。因此，本發明的範圍由附加權利要求而不是上述說明書來表示。落在權利要求的含義和等效範圍內的所有改變將包含在它們的範圍內。
權利要求
1.一種稀有氣體螢光燈照明裝置，包括輸入電源；變壓器，稀有氣體螢光燈連接到其次級側；串聯連接到所述變壓器的初級側的開關元件；以及驅動所述開關元件的驅動塊，所述驅動塊包括三角波形振蕩電路，分別根據所述輸入電源的電壓增加和減小，增加和減小振蕩頻率；以及比較電路，將從所述三角波形振蕩電路輸出的三角波形變換成具有預定佔空比的矩形波形。
2.如權利要求1所述的稀有氣體螢光燈照明裝置，其中，所述驅動塊進一步包括恆壓電路，將所述輸入電源的電壓轉換成恆壓作為輸出；以及恆流電路，根據所述輸入電源的電壓輸出充電電流，以及其中，所述三角波形振蕩電路包括振蕩電容器，將通過所述恆流電路的充電電流進行充電並將以預定時間常數放電；以及比較器，在用於所述振蕩電容器的充電模式和放電模式之間進行切換，以及向其輸入由來自所述恆壓電路的恆壓的分壓產生的閾值電壓和所述振蕩電容器兩端上基於端子的電壓，從而輸出所述基於端子的電壓作為三角波形電壓。
全文摘要
提供一種稀有氣體螢光燈照明裝置，包括輸入電源；變壓器，稀有氣體螢光燈連接到其次級側；串聯連接到變壓器的初級側的開關元件；以及驅動開關元件的驅動塊。驅動塊包括恆壓電路，將輸入電源的電壓轉換成恆壓作為輸出；恆流電路，根據輸入電源的電壓輸出充電電流；三角波形振蕩電路，分別根據輸入電源的電壓增加和減小，增加和減小振蕩頻率；以及比較電路，將從三角波形振蕩電路輸出的三角波形變換為具有預定佔空比的矩形波形作為輸出。
文檔編號H05B41/24GK1747617SQ200510098849
公開日2006年3月15日 申請日期2005年9月9日 優先權日2004年9月10日
發明者鈴木伸一, 寺田龍 申請人:美蓓亞株式會社