高亮度放電燈點燈裝置的製作方法
2023-06-15 13:26:26
專利名稱：高亮度放電燈點燈裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及高亮度放電燈點燈裝置。
背景技術：
近年來，在汽車的前照明等中代替滷燈使用金屬滷燈。金屬滷燈是HID(高強度放電)燈泡的一種，與滷燈相比較，具有高發光效率，高色溫，長壽命的特徵。在金屬滷燈的發光管內部，封入使鈉、鈧等多種金屬與碘等滷化合的滷金屬，以及作為起動氣體使用的高壓氙、水銀。在金屬滷燈的發光中，首先在常溫下通過作為氣體的氙開始放電，如果由氙的電弧放電發光管內部成為高溫，則由隨著溫升蒸發的水銀達到電弧放電，進而管內成為高溫。隨著管內溫度的進一步上升，滷化金屬蒸發達到電弧放電，可以得到高發光效率而且高色溫的發光。另外，水銀具有作為氙的放電與滷化金屬的放電的連接的作用，而近年來還提供沒有封入水銀的金屬滷燈。
在金屬滷燈的點燈裝置中，由於在燈泡點燈的溫升的各階段氣體中的各物質的密度像這樣很大地變化，因此在金屬滷燈的點燈裝置中，要求持續放電使得沒有電子溫度降低而停止放電的現象。即，必須跟隨所變化的燈泡的負載特性控制放電。這樣，在金屬滷燈點燈的控制中，具有與一般家庭的照明或者液晶顯示器的背景光等中使用的螢光燈(低壓水銀蒸汽放電燈)的點燈電路不同的特有要求。
作為以往的使用了金屬滷燈的車載前照明的點燈電路，例如有專利文獻1中記述的放電燈點燈裝置。這裡，從電路上的特徵出發把專利文獻1中記述的放電燈點燈裝置的電路結構稱為「全橋低頻點燈方式」。全橋低頻點燈方式滿足在金屬滷燈的點燈滿足中的要求，而且能夠實現比較小型的低價格點燈裝置，然而希望進一步小型化和低價格。
另外，在以往的液晶顯示器的背景光中使用的螢光燈的點燈裝置中，例如，一般使用如專利文獻2記述的點燈裝置那樣，徹底地實現了裝置的小型和低價格的結果，使用推挽方式的DC/AC逆變器把來自直流電源的電壓變換為交流波形，用高頻點亮燈泡的方法。這裡，從電路上的特徵出發把專利文獻2中記述的點燈裝置的電路結構稱為「升壓高頻變換器1階段方式」。在升壓高頻變換器1階段方式中，點燈電路內的電力變換由於用推挽方式的DC/AC逆變器僅從直流向交流進行一次，因此簡化了電路結構。進而，通過高頻點燈，能夠把在裝置體積大部分的變壓器做得很小，能夠實現點燈裝置的小型化和低成本。在把該電路方式使用在金屬滷燈的點燈裝置中的情況下必須滿足金屬滷燈特有的要求，還沒有達到實用。
專利文獻1特開2000-352989號公報專利文件2特開平7-211472號公報在上述的全橋低頻點燈方式中，由於變壓器的小型化與高亮度放電燈的穩定性相對立，因此採用把用於升壓的DC/DC變換器與用於把直流電壓變換為交流電壓的變換器分離，進行多級變換的結構。從而增加了電路的元件數量，成為高亮度放電燈點燈裝置的小型和低價格的障礙。
在金屬滷燈的點燈裝置中，為了引起放電起動期間中的絕緣破壞，需要在燈泡兩端發生大約20kV以上的高壓脈衝的功能。在全橋低頻點燈方式中，通過把DC/DC變換器的輸出電壓施加到放電起動專用的變壓器上，在燈泡上施加高壓脈衝。在該高壓脈衝的發生電路中，為了防止放電起動專用的變壓器的大型化，需要把輸入到起動專用的變壓器一次側的電壓提高到某種程度。
另一方面，在使用了升壓高頻變換器1階段方式的電路中，為了發生放電起動時的高壓脈衝，需要加大DC/AC逆變器的變壓器的匝比，或者在變壓器二次側輸出端新設置升壓電路。從而，由於變壓器大型化，或者增加元件數，因此具有成為高亮度放電燈點燈裝置的小型和低成本的障礙的問題。
另外，在全橋低頻點燈裝置中，在把金屬滷燈點亮很短時間就消弧以後進行再次點燈的情況下，為了防止放電的熄滅在變壓器二次側輸出端設置耐壓比較高而且容量比較大的放電生成用電容器，為了維持放電起動剛開始後的金屬滷燈的放電施加充分的電壓。從而，具有成為高亮度放電燈點燈裝置的小型和低成本妨礙的問題。
另一方面，在使用了升壓高頻變換器1階段方式的電路中，在其電路結構上由於變壓器的驅動頻率與燈泡的點燈頻率相等，因此為了在燈泡上施加放電生長所需要的電壓，或者加大變壓器的匝比，或者在一次側的DC電路部分中設置大容量的電容器，需要把該電容器暫時升壓。從而，變壓器以及電容器大型而且價格高，增加電路元件，因此具有妨礙高亮度放電燈裝置的小型和低成本的問題。
發明內容
本發明是為解決以上的課題而產生的，目的在於使用升壓高頻變換器1階段方式，得到能夠不存在放電起動時的熄滅的正常點燈的小型而且廉價的高亮度放電燈點燈裝置。
本發明的高亮度放電燈點燈裝置，具備具有至少一個開關元件從而把直流電壓變換為交流電壓的同時，具有把變換的交流電壓升壓的變壓器的DC/AC逆變器；連接在上述DC/AC逆變器的輸出一側，具有電感元件和第1諧振用電容器的第1諧振電路；連接在上述第1諧振電路上，具有高亮度放電燈，發生用於使上述高亮度放電燈的點燈起動的電壓的放電起動用變壓器和第2諧振用電容器，與上述第1諧振電路一起對應於放電的各個期間高效地在上述高亮度放電燈上供給上述DC/AC逆變器的輸出電壓的第2諧振電路。
如果依據本發明，則由於具備在把直流電壓變換為交流電壓的同時進行升壓的DC/AC逆變器，在DC/AC逆變器的變壓器二次側設置了第1諧振電路以及第2諧振電路，因此具有能夠使電路小型化的同時，在放電生長期間能夠在高亮度放電燈上充分地供給能量，能夠實現正常點亮金屬滷燈62的裝置的小型化的效果。
圖1是示出本發明實施形態1的金屬滷燈點燈裝置100的結構的電路圖。
圖2說明本發明實施形態1的金屬滷燈的點燈控制的順序。
圖3示出DC/AC換流變壓器33的二次繞組一側的傳遞特性。
圖4示出FET31以及FET32的導通佔空比與第1諧振電路40的輸出電壓(第1諧振用電容器42的兩端電壓)以及金屬滷燈62的電壓峰值的關係。
圖5示出示出FET31以及FET32的驅動頻率與第1諧振電路40的輸出電壓(第1諧振用電容器42的兩端電壓)以及金屬滷燈62的電壓峰值的關係。
圖6示出實施形態1的多種條件下的金屬滷燈62的再點燈概率。
圖7示出恆定放電期間中的金屬滷燈62的電壓以及電流波形的一個例子。
具體實施例方式
以下，說明本發明的實施形態。
實施形態1圖1是示出實施形態1的金屬滷燈點燈裝置100(高亮度放電燈點燈裝置)的結構的電路圖。如圖所示，金屬滷燈點燈裝置100具備蓄電池等直流電源10，平滑電容器20，DC/AC升壓電路30(DC/AC逆變器)，第1諧振電路40，高壓脈衝發生器50，第2諧振電路60和點燈控制電路70。
DC/AC升壓電路30具備FET(場效應電晶體)31以及FET32(開關元件)，DC/AC換流變壓器33(變壓器)。FET31以及FET32通過來自點燈控制電路70的脈衝信號輸入到柵極交替導通、關斷。由此，在DC/AC換流變壓器33的一次繞組34中流過的電流變化，在二次繞組35中發生具有直流電流10或者具有平滑電容器20的DC/AC換流變壓器33的匝比倍的峰值矩形波電壓。
第1諧振電路40由作為DC/AC換流變壓器33的漏電感成分的漏電感41和第1諧振用電容器42構成。另外，第1諧振電路40還可以由連接在DC/AC換流變壓器33的二次繞組35上的電感元件和第1諧振用電容器42構成。
高壓脈衝發生電路50具備電阻51，二極體52，間隙開關升壓電容器53，間隙開關54和點火變壓器55(放電起動用變壓器)。點火變壓器55是用於輸出為了金屬滷燈62的點燈起動而所需要的大約20kV電壓的變壓器。通過電阻51和二極體52把間隙開關升壓電容器53充電。間隙開關升壓電容器53的電壓如果達到閾值，則間隙開關54導通，間隙開關升壓電容器53的電壓輸入到點火變壓器55的一次繞組，在點火變壓器55的二次繞組中發生匝比倍的高壓脈衝。
第2諧振電路60包括點火變壓器55，第2諧振用電容器61，金屬滷燈62(高亮度放電燈)。第2諧振電路60在放電起動以後，通過第2諧振用電容器61降低由點火變壓器55的電感發生的第2諧振電路60的無效電力，使得易於在金屬滷燈62中投入電力。
點火控制電路70是用於根據目的改變點燈電壓波形的電路，包括頻率確定電路71，電力控制電路72以及起動時刻控制電路73。
其次，說明金屬滷燈點燈裝置100的動作。
在金屬滷燈的點燈時，具有O.放電待機期間，A.放電起動期間，B.過渡放電期間，C.恆定放電期間的4個階段。以下，對於A.放電起動期間，B.過渡放電期間，C.恆定放電期間的每一個說明其特徵。
A.放電起動期間放電待機期間(O)中的金屬滷燈62的負載狀態與電容器相同，其阻抗是數MΩ左右比較大。該阻抗根據前一次放電結束後經過的時間而其值不同。在前一次的放電結束後，經過充分時間，在管內溫度降低到常溫附近，管內壓力低的狀態下，絕緣破壞電壓低。這裡，把該狀態稱為冷狀態。另一方面，在前一次放電結束以後，沒有充分經過時間，在管內溫度依然是高溫，管內壓力依然很高的狀態下，絕緣破壞電壓比冷狀態高。這裡把該狀態稱為熱狀態。在放電起動期間，需要在金屬滷燈62上施加數十kV的高低壓使得即使在絕緣破壞電壓高的熱狀態下也可靠地發生絕緣破壞。
B.過渡放電期間過渡放電期間進而分為B-1.放電生長期間和B-2.光束上升期間。這些在時間上不能夠明確分割，一體地稱為過渡放電期間。一般，放電生長期間是從點燈起動開始，數十微秒到數百微秒之間的期間，光束上升期間是在放電生長期間以後，數毫秒到數十秒左右的期間。
B-1.放電生長期間與在A.放電起動期間中敘述過的絕緣破壞前的情況相同，絕緣破壞後的金屬滷燈62的阻抗也依賴於前一次放電結束後的經過時間。如果從冷狀態起動放電，則金屬滷燈62阻抗從放電起動前的數MΩ急劇地降低到數十Ω以後，隨著金屬滷燈62的點燈管內溫度、壓力的上升，上升到恆定狀態的數百Ω。反之，如果從熱狀態起動放電，則由於點燈管內溫度是高溫，管內壓力高，因此金屬滷燈62的阻抗經過從數MΩ降低到比恆定狀態的阻抗還高的數百Ω以後，逐漸地降低到恆定狀態的阻抗這樣的過程。
在放電的發展過程中，為了持續放電如果沒有投入充分的能量則放電不穩定，發生放電的熄滅。另外，在放電的陰極表面過程中，為了熱電子釋放也必須投入充分的能量使得能夠維持電弧放電。從而在剛破壞絕緣以後，需要投入充分的能量使得不引起放電的熄滅。如上所述，根據金屬滷燈62的狀態，與管內壓力或者溫度狀態等的變化相吻合，為了使放電不熄滅所需要投入的能量也發生變化。在從冷狀態的起動中，其體積過程中的管內氣體主要是氙，由於管內壓力低因此需要投入的能量也比較少。與此不同，在從熱狀態的起動中，其體積過程中的管內氣體主要是氙以及水銀蒸汽，由於管內壓力高因此需要投入的能量多。
B-2.光束上升期間在金屬滷燈62中，在預定的時間必須得到所希望的光束。為此，需要經過各放電期間後迅速地轉移到電離滷化金屬的過程。從而，必須在短時間內提供比恆定放電期間的額定電力35W大的電力，例如70W左右，在金屬滷燈62中投入充分的能量。這裡在熱狀態和冷狀態下燈泡的動作也不同。從而，必須判斷是熱狀態還是冷狀態調整所投入的能量。即，熱狀態時絕緣破壞後的燈泡的阻抗高，在短時間內轉移到恆定狀態的阻抗，另外，在短時間內達到所希望的光束。從而，在熱狀態的情況下，如果與冷狀態相同的時間投入放電生長用以及光束上升用的能量，則成為過剩的能量投入，使得燈泡的壽命縮短。反之，儘管是冷狀態，但是沒有在充分時間內提供放電生長用、光束上升用的能量，則產生放電的熄滅，或者直到可以得到所希望的光束的時間加長。
C.恆定放電期間在滷化金屬的電弧放電的恆定點燈時，必須把額定電力35W保持為恆定，使得穩定地持續放電。在金屬滷燈62中，點燈頻率是最重要的因素之一，需要選擇不會由於後述的聲音共振現象使放電不穩定的頻率。
以下，按照上述的4個階段，說明金屬滷燈點亮裝置100的動作。
另外，在實施形態1中，只要沒有特別限定，在直流電源10中使用車載用的蓄電池，電源電壓為12V。另外，DC/AC換流變壓器33的匝比為1∶17，DC/AC換流變壓器33的漏電感41為0.35mH，第1諧振用電容器42為3nF，點火變壓器55的電感為1mH，第2諧振用電容器61為3.5nF。另外，在高壓脈衝發生電路中，電阻51為5kΩ，間隙開關升壓電容器53為0.1μF，間隙開關54中使用在800V下導通的元件。
圖2說明實施形態1的金屬滷燈點燈裝置100的金屬滷燈62的控制順序。圖中的期間A，B-1，B-2，C，O相當於上述的各階段，示出在各期間中點燈控制電路70控制的FET31，FET32的驅動頻率和導通佔空比(on duty)。另外，這裡所謂FET31以及FET32的導通佔空比(on duty)表示在把從點燈控制電路70輸出的FET31以及FET32的柵極脈衝信號的1/2周期作為100％的情況下，其中輸出FET31以及FET32成為導通的信號的時間比例。
點燈控制電路70在頻率確定電路71中確定基本點燈波形的頻率，在電力控制電路72中檢測電壓以及電流，通過改變佔空比控制在金屬滷燈62中投入的電力。另外，在起動時刻控制電路73中，在放電待機期間使間隙開關動作，在放電成長期間中對於金屬滷燈62進行用於供給為了維持放電所需要的能量的控制。
首先，說明放電待機期間(O)中的動作。
如果使金屬滷燈62的點燈開關(未圖示)導通，則從點燈控制電路70在FET31以及FET32中輸入柵極脈衝信號，FET31、FET32反覆進行導通、關斷切換動作，在DC/AC換流變壓器33的二次繞組35中發生電源電壓的具有DC/AC換流變壓器33匝比倍波高值的矩形波電壓。另外，這裡FET31以及FET32的驅動頻率為了防止DC/AC換流變壓器33的大型化，最好是大約100kHz以上。這裡，如圖2所示驅動頻率取為170kHz。
在實施形態1的金屬滷燈點燈裝置中100中，由於使用在以往技術中關聯敘述的升壓高頻變換器1階段方式，因此不需要在以往的全橋低頻點燈方式中所需要的DC/DC變換器用的高頻開關。因此，由於能夠使在使用了高頻開關時發生的熱放熱的能力與DC/AC升壓電路30的開關元件發生的熱放熱相當，因此即使提高FET31以及FET32的驅動頻率，也能夠不新添加放熱機構進行動作。
根據FET31以及FET32的動作，如果在DC/AC換流變壓器33的二次繞組35中發生峰值大於200V的矩形波電壓，則在第1諧振電路40中流過電流，在第1諧振用電容器12的兩端發生電壓。所發生的電壓如圖3所示依賴於DC/AC換流變壓器33的二次繞組35一側的傳遞特性，依賴於FET31以及FET32的驅動頻率和金屬滷燈62的阻抗。即，可以說這一點依賴於流過第1諧振電路40的電流，從而，第1諧振電路40的輸出電壓也依賴於FET31以及FET32的導通佔空比。
如上所述，放電待機期間的情況下，由於金屬滷燈62的阻抗為數MΩ充分大，因此在FET31以及FET32的驅動頻率恆定，第1諧振用電容器42的容量恆定的情況下，第1諧振器用電容器42的輸出電壓僅依賴於FET31以及FET32的導通佔空比。
圖4示出把FET31以及FET32的驅動頻率取為170kHz時的FET31以及FET32的導通佔空比和第1諧振電路40的輸出電壓(第1諧振用電容器42的兩端電壓)以及金屬滷燈62的電壓峰值的關係。如圖所示，第1諧振電路40的輸出和金屬滷燈62的電壓依賴於FET31以及FET32的導通佔空比。
在放電待機期間中，必須把間隙開關升壓電容器53充電到間隙開關54接通的電壓。
如果在第1諧振用電容器42的兩端發生電壓，則第1諧振電路40的輸出為正，即，圖1中在第1諧振用電容器42的上側為正的情況下，高電壓脈衝發生電路50的二極體52導通把間隙開關升壓電容器53充電。如果第1諧振單元電路40的輸出翻轉，輸出為負，即圖1中第1諧振用電容器42的上側為負，則二極體成為非導通，不向間隙開關升壓電容器53充電。即，間隙開關升壓電容器53的電壓與第1諧振電路40的輸出電壓的峰值相等。現在，在把FET31以及FET32的驅動頻率設定為上述的DC/AC換流變壓器33的二次側的傳遞特性成為最大的頻率的170kHz的情況下，如圖4所示，如果設定導通佔空比為60％，則由於能夠使第1諧振電路40的輸出電壓成為800V，因此能夠把間隙開關54升壓到800V。
另外，在第1諧振電路40的輸出為負的情況下，在高壓脈衝發生電路50的二極體52中，為了施加達到間隙開關升壓電容器53的電壓和第1諧振電路40負側的峰值電壓的電壓，二極體52的耐壓需要預先做成第1諧振電路40的輸出電壓的峰值的2倍。
進而，由於第1諧振用電容器42耐壓降低，因此調整FET31以及FET32的導通佔空比使得第1諧振電路40的輸出電壓不超過800V。這是因為第1諧振用電容器42的耐壓規格的上升帶來了電容器的大型化。
另外，把間隙開關升壓電容器53充電到間隙開關54接通的電壓花費的時間根據電阻51與間隙開關升壓電容器53的積確定的時間常數和第1諧振電路40的輸出頻率確定。
其次，說明放電開始期間(A)的動作。
如果間隙開關升壓電容器53的電壓成為800V，則間隙開關54接通，在點火變壓器55的一次繞組上施加800V的電壓，在二次繞組中發生匝比倍的電壓。這裡，設點火變壓器55的一次繞組與二次繞組的匝比為6∶200。這種情況下，在二次繞組發生大約30kV的電壓，施加在金屬滷燈62兩端的電極上。該電壓由於超過冷狀態以及熱狀態的絕緣破壞電壓，因此引起絕緣破壞。
其次，說明過渡放電期間的放電生長期間(B-1)中的金屬滷燈點燈裝置100的動作。
在金屬滷燈62的絕緣破壞以後，FET31以及FET32反覆進行通斷動作，在金屬滷燈62上持續供給電力。如上所述，在絕緣破壞後的放電生長期間中，需要根據金屬滷燈62的狀態，在金屬滷燈62中投入為了放電不熄滅所需要的能量。放電生長期間中的金屬滷燈62的阻抗根據金屬滷燈62的狀態變化，因此裝置放電熄滅所需要的能量也變化。
冷狀態下絕緣破壞後的金屬滷燈62的阻抗由於是數十Ω比較低，因此加入比較低的電壓也能夠防止金屬滷燈62的放電熄滅。與此不同，由於熱狀態下絕緣破壞後的金屬滷燈62的阻抗為數百Ω以上很高，因此如果不在金屬滷燈62上施加比較高的電壓則不能夠防止放電的熄滅。從而，在放電生長期間中施加在金屬滷燈62上的電壓最好是與熱狀態下絕緣破壞後施加的電壓一致。
在全橋低頻點燈方式中，由於在金屬滷燈62上供給為了維持放電所需要的能量，因此在DC/DC變換器的二次側與換流器之間的直流電路部分中設置大容量的電容器，由直流電流把電容器充電了以後，在金屬滷燈62上施加直流電壓。
但是，實施形態1的金屬滷燈點燈裝置100使用升壓高頻變換器1階段方式，直流電源部分是僅由DC/AC換流變壓器33的一次側前一級的直流電源10和平滑電容器20構成的部分。在該部分中如果與以往方式相同要設置電容器，則由於充電電壓低因此要設置容量比以往方式大的電容器。另外，為了在金屬滷燈62上施加必要的電壓，需要在DC/AC換流變壓器33中使用匝比大的變壓器，或者添加暫時升壓上述電容器的電壓的電路，成為裝置的小型化和低成本的障礙。因此，在實施形態1中，使用由第1諧振電路40放大DC/AC換流變壓器33的輸出電壓的方式。
這裡，作為一個例子，圖5示出把熱狀態下放電起動時的金屬滷燈62的阻抗取為500Ω時的FET31以及FET32的驅動頻率與第1諧振電路40的輸出電壓(第1諧振用電容器42的兩端電壓)以及金屬滷燈62的電壓的關係。另外，圖5中，FET31以及FET32的導通佔空比恆定為90％。
如圖所示，在把FET31以及FET32的驅動頻率取為170kHz時，金屬滷燈62的電壓成為最大。即，為了在金屬滷燈62上施加充分的電壓，需要用圖3所示的金屬滷燈62的阻抗為500Ω時的DC/AC轉換器變壓器33的二次繞組35一側的傳遞特性中增益成為最大的頻率驅動FET31以及FET32。
另外，為了在金屬滷燈62中投入維持放電的充分的能量，需要使供給到金屬滷燈62中的電流量成為最大。為此，FET31以及FET32的導通佔空比最好是放電起動後瞬時成為最大佔空比。
如果匯總以上各點，則在實施形態1的金屬滷燈點燈裝置100那樣使用了升壓高頻變換器1階段方式的電路中，在放電生長期間最好是用DC/AC換流變壓器33的二次繞組35一側的諧振電路的輸出成為最大的頻率驅動FET31以及FET32，這時的導通佔空比成為最大的順序。
在實施形態1中，為了實現這樣的順序，在放電待機期間中，用DC/AC換流變壓器33的二次繞組35一側的傳遞函數成為最大的頻率170kHz驅動FET31以及FET32，在調整導通佔空比放電起動以後，通過保持170kHz的頻率不變，瞬時使導通佔空比成為最大值的90％進行放電生長。
圖6示出使用上述的順序在很短時間把金屬滷燈62點亮以後，根據電源電壓以及各種條件匯總了10秒後的再次點燈的概略。另外，電路的各常數與上述相同。
圖6中，在相同的特性線上電源電壓高指的是第1諧振電路40的輸出電壓高。如圖6所示，在把DC/AC換流變壓器33的匝比取為1∶17，FET31以及FET32的導通佔空比取為80％的情況下，用電源電壓14V幾乎可以得到100％的再次點燈性能。對此，在與上述相同的匝比下，把FET31以及FET32的導通佔空比取為90％的情況下，用電源電壓12V幾乎可以得到100％的再次點燈概率。這樣，使FET31以及FET32的導通佔空比儘可能接近100％能夠用較少的變壓器匝比可靠地再次點燈。通過減少變壓器的匝比能夠使變壓器小型化。
這裡，車載用的金屬滷燈62點燈起動時的電壓範圍從車載用蓄電池的變動出發，成為9V到16V。電源電壓9V的情況下，在把變壓器匝比取為1∶25，FET31以及FET32的導通佔空比取為90％的情況下幾乎可以得到100％的再次點燈性能。通過改變圖1中的第1諧振電路40以及第2諧振電路60的點火變壓器55和第2諧振用電容器61的值，改變第1諧振電路40的輸出能夠降低上述的變壓器匝比。
其次，說明過渡放電期間的光束上升期間中(B-2)中的金屬滷燈點燈裝置100的動作。
在光束上升期間中，在金屬滷燈62為冷狀態的情況下，投入比金屬滷燈62的額定電力35W大的例如70W的電力，在短時間內上升到所希望的光束。電力的調整通過改變FET31以及FET32的導通佔空比進行。在熱狀態的情況下由於管內溫度依然是高溫，因此與冷狀態相比較該期間短。
這裡，說明FET31以及FET32的驅動頻率。在放電待機期間，放電起動期間和放電生長期間中，FET31以及FET32的驅動頻率不需要確定為特別指定的頻率，在各期間中只要能夠得到所需要的電壓以及電流即可。該頻率根據DC/AC換流變壓器33的二次繞組35一側電路的電容器或者電感器等常數而不同。與此不同，在光束上升期間和恆定放電期間中，需要與金屬滷燈62特有的性質相一致調整驅動頻率。
作為金屬滷燈62特有的性質是如果要用數kHz以上的頻率點亮金屬滷燈62，則將發生放電不穩定或者熄滅的現象。該現象一般稱為聲音共振現象。關於該聲音共振現象的詳細情況例如在照明學會雜誌，第7卷，第10號，平成5年，p.29-36中有所報告。依據上述的文獻，對於由聲音共振現象引起的電弧放電的不穩定性的發生機理說明如下。即，在燈泡內沿著相互的反射方向行進的光波之間的振動頻率發生接近燈泡具有的固有頻率附近的駐波。另外，所謂駐波是支配點燈中的燈泡的水銀蒸汽的粗密波的共振。根據駐波在燈泡內發生不均勻的壓力分布。在該壓力分布中，由於電弧放電使得能量狀態成為最低，因此電弧彎曲。發生由聲音共振現象引起的放電不穩定的頻率根據管內聲波變化。換言之，根據管內壓力和溫度變化。
光束上升期間是過渡放電期間的一部分，其時間從數毫秒到數十秒。該期間中的管內壓力以及管內溫度根據投入電力以及經過時間發生變化，由於也依賴於金屬滷燈62的初始狀態因此不能夠一意確定。在光束上升期間中如果用恆定頻率點亮金屬滷燈62，則根據點燈管的狀態發生聲音共振現象，成為金屬滷燈62閃爍或者熄滅的原因。
因此，在光束上升期間中，為了避免由在變化的管內壓力和管內溫度等下發生的聲音共振引起的放電的閃爍或者熄滅，考慮以下兩種方法。
第1種是檢測金屬滷燈62的電壓變化，如果金屬滷燈62的電壓變化增大，則進行設定頻率的控制使得其變化減小的方法。
該方法是使用如果發生聲音共振現象則弧彎曲，則金屬滷燈62的阻抗很大地變化這樣眾所周知的事實。如果金屬滷燈62的阻抗變化，則施加在金屬滷燈62上的電壓的變化很大。反之，在沒有發生聲音共振的情況下，金屬滷燈62的阻抗穩定，電壓的變化小。即，如果預先檢測電壓的變化，設定頻率使得其變化不是很大，則將不發生聲音共振現象。
另一種方法是預先計數從前一次放電結束後經過的時間，根據經過的時間設定頻率開始放電的方法。
該方法是由於金屬滷燈62的管內溫度或者管內壓力的變化某種程度上依賴於金屬滷燈62的初始狀態，因此從前一次放電結束後的經過時間和過去的經驗值判斷金屬滷燈62的初始狀態，確定在光束上升期間使用的頻率。這時，頻率在光束上升期間中不一定是恆定，也可以根據過去的經驗值設定頻率隨時間的變化。
其中，上述兩種方法都必須根據與DC/AC換流變壓器33的二次繞組35一側傳遞特性的兼容性調整FET31以及FET32的導通佔空比，設定為在規定時間內能夠使光束上升的範圍內的頻率。
其次，說明恆定放電期間(C)中的金屬滷燈點燈裝置100的動作。
在光束上升了以後進入到恆定放電期間。調整FET31以及FET32的導通佔空比，在額定35W恆定下反覆放電。35W恆定控制如下進行，即通過把DC/AC換流變壓器33的二次繞組35一側電路的電壓和電流取入到圖1中的點燈控制電路70，進行現行電力與作為額定電力的35W的比較，把所需要的導通佔空比的柵極脈衝信號輸出到FET31、FET32中。
在恆定放電期間，為了避免由聲音共振現象引起的不穩定放電，用在頻率上加入了調製的頻率掃描方式的波形點燈驅動。在實施形態1中，用中心頻率90kHz，調製頻率1kHz，最小頻率80kHz，最大頻率100kHz的波形點燈驅動。另外，也可以從放電待機期間到點燈結束，連接地用頻率掃描波形點燈驅動。
圖7示出恆定點燈時的金屬滷燈62的電壓以及電流波形的一個例子。如圖所示，在電亮金屬滷燈62的各個期間，通過設置了第1諧振電路40以及第2諧振電路60的2級諧振電路，作為矩形波的DC/AC換流變壓器33的輸出電壓形成為接近正弦波的波形施加到金屬滷燈62上。即，2級諧振電路起到電濾波器的作用，供給到金屬滷燈62的波形不包括預想以外的高次諧波，能夠用預想的頻率控制點燈。
如以上所述，如果依據該實施形態1，則使用了由DC/AC升壓電路30把來自直流電源10的電壓變換為交流波形，用高頻點亮金屬滷燈62的「升壓高頻1階段點燈方式」。即，根據設置在DC/AC換流變壓器33的二次繞組35一側的具有DC/AC換流變壓器33的漏電感41和第1諧振用電容器42的第1諧振電路40，能夠在放電生長期間向金屬滷燈60充分地供給能量，因此簡化了電路結構，具有能夠實現正常點亮金屬滷燈62的裝置的小型化和低價格的效果。
另外，在構成第1諧振電路40時，通過使用DC/AC換流變壓器33的漏電感41，不需要新添加電感就能夠實現電路的小型化和低成本。
另外，通過設置了高頻脈衝發送電路50，不需要為了得到在金屬滷燈62的點燈起動用的點火變壓器55的一次側線圈上輸入的電壓而加大DC/AC換流變壓器33的匝比，或者在DC/AC升壓電路30的二次側設置新的升壓電路，具有能夠實現電路的小型和低成本的效果。
另外，如果依據實施形態1，則由於在DC/AC換流變壓器33的二次繞組35上僅連接容量比較低的第1諧振用電容器42，就能夠在從放電開始到恆定點燈的各期間輸出用於維持放電所需要的電壓。由此，不需要使用在全橋低頻點燈裝置中使用的容量比較大的電容器，具有能夠實現點亮金屬滷燈62的裝置的小型化和低價格的效果。
另外，由於點燈控制電路70根據金屬滷燈62點燈的各期間的狀態控制FET31以及FET32的驅動頻率以及導通佔空比，因此不需要設置用於輸出在放電的各期間所需要的電壓的新的電路，能夠防止放電的熄滅，維持穩定的放電。
另外，如果依據實施形態1，則通過在DC/AC換流變壓器33的二次繞組35一側的輸出電路上設置第1諧振電路40和第2諧振電路60的2級諧振電路，該電路起到電濾波器的作用，把作為矩形波的DC/AC換流變壓器33的二次繞組35的電壓形成為接近正弦波的電壓，作為在各放電期間加入到金屬滷燈62上的電壓。由此，不需要考慮預想以外的高次諧波，能夠用可以預想的頻率穩定地控制點燈。
另外，如果依據實施形態1，則在金屬滷燈62內的壓力以及溫度急劇變化的光束上升期間中，通過點燈控制電路70檢測金屬滷燈62的電壓上升，調整FET31以及FET32的驅動頻率抑制電壓的變動，因此沒有由聲音共振現象引起的燈泡光閃爍，能夠在規定時間內使光束上升。
另外，由於點燈控制電路70計測從前一次點燈結束到下一次點燈開始的經過時間，用與經過時間相對應的頻率驅動金屬滷燈62，因此能夠防止由聲音共振現象引起的燈泡光的閃爍，能夠在規定時間內使光束上升。
進而，如果依據實施形態1，則通過把在恆定放電期間內加入在金屬滷燈62上的電壓波形做成頻率掃描波形，因此能夠沒有燈泡光的閃爍，維持穩定的點燈。
權利要求
1.一種高亮度放電燈點燈裝置，其特徵在於具備具有至少一個開關元件從而把直流電壓變換為交流電壓的同時，具有把變換了的交流電壓升壓的變壓器的DC/AC逆變器；連接在上述DC/AC逆變器的輸出一側，具有電感元件和第1諧振用電容器的第1諧振電路；連接在上述第1諧振電路上，具有高亮度放電燈、發生用於使上述高亮度放電燈進行點燈起動的電壓的放電起動用變壓器和第2諧振用電容器，與上述第1諧振電路一起對應於放電的各個期間高效地將上述DC/AC逆變器的輸出電壓供給上述高亮度放電燈的第2諧振電路。
2.根據權利要求1所述的高亮度放電燈點燈裝置，其特徵在於第1諧振電路作為電感元件使用DC/AC逆變器的變壓器的漏電感。
3.根據權利要求1所述的高亮度放電燈點燈裝置，其特徵在於具備高電壓脈衝發生電路，該高電壓脈衝發生電路具有經過第1諧振電路輸入DC/AC逆變器的輸出電壓從而在放電起動用變壓器的一次側發生電壓的間隙開關、以及存儲用於使上述間隙開關導通的電壓的間隙開關升壓電容器。
4.根據權利要求2所述的高亮度放電燈點燈裝置，其特徵在於具備高電壓脈衝發生電路，該高電壓脈衝發生電路具有經過第1諧振電路輸入DC/AC逆變器的輸出電壓從而在放電起動用變壓器的一次側發生電壓的間隙開關、以及存儲用於使上述間隙開關導通的電壓的間隙開關升壓電容器。
5.根據權利要求1～4中任一項所述的高亮度放電燈點燈裝置，其特徵在於具備控制驅動DC/AC逆變器的開關元件的頻率以及佔空比以便能夠在從高亮度放電燈的放電起動到恆定放電為止的各個期間供給必要的電力的點燈控制電路，在上述高亮度放電燈的放電待機期間，以能夠升壓至使得在放電起動變壓器的一次側發生電壓的間隙開關成為導通的頻率以及佔空比驅動，在放電生長期間，用上述DC/AC換流器的變壓器的二次側電路的傳輸效率成為最大的頻率以及佔空比驅動，在光束上升期間，用能夠在規定的時間內使光束穩定上升的頻率以及佔空比驅動，在恆定放電期間，用能夠在上述高亮度放電燈上施加規定電力且使放電穩定持續的頻率以及佔空比驅動。
6.根據權利要求5所述的高亮度放電燈點燈裝置，其特徵在於點燈控制電路在光束上升期間檢測高亮度放電燈的電壓變動，控制驅動開關元件的頻率以便使其成為抑制上述高亮度放電燈的電壓變動、使放電穩定的頻率，通過根據頻率調整佔空比，將光束上升所需要的電力供給上述高亮度放電燈。
7.根據權利要求5所述的高亮度放電燈點燈裝置，其特徵在於點燈控制電路基於前一次高亮度放電燈的點燈結束後經過的時間，在上述高亮度放電燈的點燈之前設定在光束上升期間驅動開關元件的頻率和佔空比。
8.根據權利要求1所述的高亮度放電燈點燈裝置，其特徵在於第2諧振電路把上述DC/AC逆變器的輸出電壓的波形平滑後供給到上述高亮度放電燈。
全文摘要
本發明得到能夠沒有放電起動時的熄滅，能夠正常點燈的小型而且廉價的高亮度放電燈點燈裝置，該點燈裝置具備根據FET(31)、FET(32)的通斷切換動作，DC/AC換流變壓器(33)把直流電壓變換為交流電壓的同時，進行電壓的升壓的DC/AC升壓電路(30)；具有串聯連接在上述DC/AC換流變壓器(33)的二次繞組(35)上的漏電感(41)和與二次繞組(35)並聯連接的第1諧振用電容器(42)的第1諧振電路(40)；具有高亮度放電燈(62)，把用於進行點燈起動的電壓輸出到金屬滷燈(62)上的點火變壓器(55)和第2諧振用電容器(61)的第2諧振電路(60)。
文檔編號H05B41/38GK1592532SQ200410057950
公開日2005年3月9日 申請日期2004年8月27日 優先權日2003年8月29日
發明者泉喜久夫, 原田茂樹, 巖田明彥, 大澤孝 申請人:三菱電機株式會社