(57)【要約】【課題】安価な電力調整回路を利用して一定の電力を提供し、かつ、ランプのディミングをオプションで可能にするバラスト回路を提供すること。【解決手段】高−輝度−放電ランプ５０への電力を制御するシステムと方法とが、提供される。電圧検知器５４は、ランプに掛かる電圧を決定する。電流検知器４０は、ランプを流れる電流を決定する。制御回路は、この検知器からの入力に基づいてランプ電力を近似し、このランプ電力を所望のレベルと比較し、かつ、この比較に基づいてランプ電力を調整する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高−輝度−放電ランプへの電力を制御するシステムであって、
前記ランプに掛かる電圧を決定するための電圧検知器と、
前記ランプを流れる電流を決定するための電流検知器と、
前記電流検知器と前記電圧検知器とに有効に接続されている制御回路とを有し、
前記制御回路が、前記検知器からの入力に基づいてランプ電力を近似し、
前記ランプ電力を所望のレベルと比較し、かつ、
前記比較に基づいてランプ電力を調整するシステム。
【請求項２】
前記電流検知器が、前記ランプと直列に接続されている抵抗器を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記電流検知器の出力をスケーリングしかつフィルタリングする信号整形回路を更に有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記電圧検知器が、前記ランプをシャントする分圧器ネットワークを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記分圧器が、前記電力近似に対する始動電圧の影響を低減する電圧−制限化ネットワークを有する、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記制御回路が、前記電圧検知器からの前記出力と、前記電流検知器の出力から決定された代表的な電圧とを加算することによって、前記ランプに供給される前記電力を近似する加算回路を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記加算回路が、前記加算された電圧を時間について平均化するフィルタを含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記制御回路が、前記電流検知器の出力から決定された代表的な電圧の絶対値を、前記電圧検知器の出力の絶対値に加算することによって、前記ランプに供給される前記電力の前記近似を可能にするために接続されている複数の整流器を含む、前記ランプに供給された前記電力を近似する加算回路を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記制御回路が、前記ランプ電力と比較するための電圧基準信号生成器を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記電圧基準信号生成器が、前記検知された電流に同期し、かつ、前記検知された電流の周波数の２倍である鋸歯状波形を生じる、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記制御回路が、前記ランプと直列の電子スイッチによってシャントされる電流制限コンポーネントを含む、請求項１に記載の前記システム。
【請求項１２】
前記制御回路が、ランプ電力を代表する電圧を基準と比較するための比較器回路を含む、請求項６または８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記制御回路が、前記ランプと直列の電子スイッチによってシャントされる電流制限コンポーネントを含み、かつ、前記比較器回路が、電気的に絶縁されているカプラを介して前記電子スイッチを制御する、請求項１２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高−輝度−放電ランプを作動させるためのバラスト回路と、特に、広範囲の電源電圧とランプ電圧とに渡ってランプ電力を調整するための新規なバラスト回路とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高−輝度−放電ランプは、多様な物質のアークがその中で生じる管から成る。外側のガラス外被は、アーク管の温度を維持するために断熱性を提供する。アーク管の温度は、発光する色とランプの寿命とに影響を与える。バラスト回路は、アーク管の中でアークを開始させる高電圧を提供し、かつ、このアークを維持するための電力を供給するために使用される。ランプに供給される電力を調整することによって、アーク管の温度を制御することが出来る。高−輝度−放電ランプの例には、金属ハロゲンランプ（ｈｉｇｈ−ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ−ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｌａｍｐｓ）と高圧ナトリウム蒸気ランプ（ｈｉｇｈ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｏｄｉｕｍ−ｖａｐｏｒ ｌａｍｐｓ）とが含まれる。高−輝度−放電ランプの最近の進歩によって、色と、始動時間と、寿命とが向上し、これにより、以前は白熱ランプが支配していた新しい市場へのドアが開かれた。この新規な高−輝度−放電ランプの欠点の１つは、この新規なランプが、より厳格な電源調整を必要とすることである。
【０００３】
典型的な高−輝度−放電バラスト回路を、図１に示す。この回路は、ランプ２５６に直列のインダクタ２５０と、力率を補正するために電圧源２５２をシャントするキャパシタ２５４とから成る。このインダクタは、典型的に、所定の供給電圧で公称のランプに最適電力を提供するように、大きさが設定されている。ランプ（Ｐｌａｍｐ）に供給される電力は、ランプに掛かる電圧（Ｖｌａｍｐ）にランプ（Ｉｌａｍｐ）を流れる電流を乗算したものになるであろう。オームの法則を適用すると、Ｉｌａｍｐは、Ｖｌａｍｐをランプ抵抗（Ｒｌａｍｐ）で除算したものに等しい。回路周辺の電圧を加算すると、供給電圧（Ｖｓｕｐｐｌｙ）は、インダクタ（Ｖｉｎｄｕｃｔｏｒ）に掛る電圧にＶｌａｍｐを加算したものに等しくなる。この電力式を書き直すと、Ｐｌａｍｐ ＝（Ｖｓｕｐｐｌｙ−Ｖｉｎｄｕｃｔｏｒ）２／Ｒｌａｍｐとなる。ランプは古くなると、その抵抗は減少する。ユーティリティ会社の多くは、供給電圧が、公称値から１０パーセントまで変化することは、典型的でかつ許容されるものと考えている。電源の負荷を変えると、一部のアプリケーションでは、電圧が、この典型的な１０パーセントよりも大きく変化してしまう場合がある。上記のランプ電力式に示されているように、ランプ抵抗と供給電圧が変化すると、ランプに供給される電力が変化してしまう。多くの照明アプリケーションの場合、ランプが発する光度は一定であることが好ましいが、これには、ランプに提供される電力が一定である必要がある。一定の電源を供給することによって、光度が変化しないことに加えて、ランプ寿命が延びることが可能になる。他のアプリケーションの場合、ディミングさせたり、電力消費を低減させたり、または、ランプの色を変えるために、様々な一定電力レベルでランプを動作させることが望ましい。
【０００４】
今日では、一定の電力とディミングとを提供することができる電子バラストを使用することが可能である。しかしながら、これらのバラストは、極めて高価である。この価格が増加する原因は、ランプに供給される電力を検知し、計算し、かつ調整するために、更なる回路が必要となることにある。これらの３つの回路の内、通常、ランプの電力を計算するために使用される回路が、最も高価である。上述したように、ランプに供給される電力は、ランプに掛かる電圧に、ランプを通過する電流を乗算することによって、計算することが出来る。乗算回路は、一般的に複雑であり、かつ、高水準の精度を必要とし、これがこの高コストの原因となる。
【０００５】
従って、安価な電力調整回路を利用して一定の電力を提供し、かつ、ランプのディミングをオプションで可能にするバラスト回路が、必要になる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の態様の１つは、高−輝度−放電ランプへの電力を制御する方法を提供する。ランプに掛かる電圧とランプを流れる電流とが、決定される。ランプへの電力は、この電圧と電流とを使用して近似される。ランプへの電力は、この近似された電力と予め定められている値との比較に基づいて、調整することが出来る。
【０００７】
ランプを流れる電流は、この電流を代表的な電圧に変換することによって、決定される。ランプに掛かる電圧は、ランプ電圧をスケーリングすることによって決定される。ランプ電力は、代表的な電圧とスケーリングされた電圧とを加算することによって、近似される。この近似された電力が、予め定められている値よりも大きいか、または小さいかが、比較される。
【０００８】
本発明の別の態様は、高−輝度−放電ランプへの電力を制御するシステムを提供する。ランプに掛かる電圧は、電圧検知器によって測定される。ランプを流れる電流は、電流検知器によって測定される。制御回路は、電流検知器と電圧検知器とに有効に接続されている。この制御回路は、検知器からの入力に基づいて、ランプ電力を近似する。この制御回路は、このランプ電力を所望のレベルと比較し、かつ、この比較に基づいてランプ電力を調整する。電流検知器は、ランプと直列に接続されている抵抗器を有する。信号整形回路は、電流検知器の出力をスケーリングし、かつフィルタリングする。この電圧検知器は、ランプをシャントする分圧器ネットワークを有する。この分圧器には、電圧−制限ネットワークが含まれている。制御回路には、加算回路が含まれている。この加算回路には、１つのフィルタと複数の整流器とが含まれている。制御回路には、電圧基準信号生成器が含まれている。この信号生成器は、検知された電流に同期化され、かつ検知された電流の周波数の２倍の鋸歯状波形を生じる。制御回路には、電流を制限するコンポーネントが含まれている。制御回路には、比較回路が含まれている。
【０００９】
本発明の上記の特徴と、他の特徴と、利点とが、添付の図面と関連付けて読むべき、好ましい本実施例に関する以下の詳細な説明から、更に明らかになるであろう。
【００１０】
【発明を実施するための形態】
ランプ電力を調整するためのバラスト回路の一実施例（全体が数字１０により指定されている）が、図２に示されている。このバラスト回路は、ランプに掛かる電圧とランプを流れる電流とを決定することが出来る検知器と、これらの検知器からの情報を使用することによってランプ電力を計算する制御回路とを含むことが出来る。この制御回路は、ランプ電力を所望のレベルと比較し、かつ、この比較に基づいてランプ電力を調整する。
【００１１】
検知器は、ランプを流れる電流を検知することが出来る。一実施例では、電流検知器は、ランプ５０と直列に接続されている抵抗器４０を有することができる。抵抗器４０の一方の側は、ＡＣ電圧源５２の中性点を接続することが出来る端子４８に接続可能である。この抵抗器の他方の側は、電圧検知ネットワーク５４の信号整形回路１３０と、抵抗器３８と、ツェナーダイオード４４と、ランプ５０の一方の側を接続することが出来る端子４６とに接続可能である。当業者は、所望の抵抗と電力消散とを得るために、抵抗器４０を抵抗器のネットワークによって置換することが可能であることを認識するであろう。
【００１２】
検知器は、ランプに掛かる電圧を検知することが出来る。一実施例では、電圧検知器５４は、分圧器を形成するために直列に接続されている３つの抵抗器３４、３６、３８を有することが出来る。抵抗器３６と３８は、アノード同士が直列に接続されている２つのツェナーダイオード４２と４４とによって、シャントすることが出来る。ツェナーダイオード４２と４４とを選択して、抵抗器３６と３８に掛かる電圧を制限することが出来る。電圧を制限することによって、電圧検知器の出力波形の始動電圧コンポーネントを減らすことが出来る。この始動電圧コンポーネントを減らすことによって、より正確なランプ電圧を表すことが出来る。抵抗器３４は、ランプ５０の他方の側とインダクタ３０とを取り付けることが出来る端子３２に接続可能である。抵抗器３８と３６とは、加算回路１２０の入力の１つに接続可能である。
【００１３】
バラスト回路は、検知器からの情報を使用することによってランプ電力を計算し、このランプ電力を所望のレベルと比較し、かつ、この比較に基づいてランプ電力を調整する制御回路を含むことが出来る。一実施例では、この制御回路は、信号整形器１３０と、加算回路１２０と、比較器１１０と、基準生成器１００と、この比較器によって制御される電流制限回路５６とを有することが出来る。
【００１４】
信号整形回路は、電流検知器の出力に接続され、処理のために信号を整形することが出来る。一実施例では、信号整形器１３０は、電流を検知する抵抗器４０に掛かる電圧を増幅することが出来る。上述したタイプの電流検知器の出力電圧は、通常、電力を考慮して低く保たれているため、当業者は、このような増幅が必要であることを認識するであろう。
【００１５】
加算回路を使用して、ランプ電圧とランプ電流とを表わす電圧を加算することにより近似電力を計算することが可能となる。加算回路１２０は、信号整形器１３０と電圧検知器５４とからの電圧の絶対値を加算することが出来る。加算回路１２０は、２つの電圧の合計を、時間について平均化するフィルタを有することが出来る。真のランプ電力は、ランプ電流とランプ電圧とを乗算することによって計算可能である。図４は、ある範囲のランプ電圧とランプ電流とにおける、真に一定のランプ電力のプロットを示す。図４にプロットされている電流と電圧の線形関数も、ランプ電圧とランプ電流のある範囲で真のランプ定電力を近似していることが、判る。この線形関数の式は、式、Ｋ ＝ Ａ（Ｖｌａｍｐ） ＋Ｂ（Ｉｌａｍｐ）によって表すことが出来る。式中、Ｉｌａｍｐはランプ電流であり、Ｖｌａｍｐはランプ電圧であり、かつ、Ｋ、Ａ、およびＢは定数である。この線形式と図４は、スケーリングされたランプ電圧と電流とを加算することによって、近似のランプ電力を計算することが出来ることを示している。
【００１６】
近似電力を表わす電圧と比較するための基準電圧を生成するために、基準生成器を使用することが出来る。一実施例では、基準生成器１００は、供給電圧の波形に同期した鋸歯状波形を生じることが出来る。この鋸歯状波形は、供給電圧の波形の２倍の波形をしている。この鋸歯状波形の振幅は、時間が経つと所望のレベルに増加し、次いで、リセットされる。
【００１７】
比較器回路は、ランプの電力レベルを所望のレベルと比較し、かつ、この比較に基づいて信号を出力することが出来る。一実施例では、比較器１１０は、近似の実際の電力を代表する電圧レベルを、基準波形と比較することが出来る。比較器１１０は、電気的に分離した出力を有することが出来る。比較器１１０は、アクティブなパルス幅を所望の持続時間に制限するリセット関数を有することが出来る。当業者は、ランプへの電力が低いことを示す加算回路１２０からの低電圧を、増大する鋸歯状波形と比較することによって、結果的に出力信号が、加算回路１２０からのより高い電圧を比較した場合の出力信号よりも、早くアクティブになることを認識するであろう。当業者は、このタイプの信号を使用することによって、トライアック、絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）、などの電子スイッチの導通角の制御が可能となることも認識するであろう。
【００１８】
電子スイッチは、ランプへの電力を制御する負荷−制限素子をシャントすることが出来る。一実施例では、制御回路の電流制限部５６は、トライアック２６と直列のインダクタ１６に端子１８と２８とを介して並列接続されているインダクタ２０を含むことができる。トライアック２６のゲートは、比較器回路１１０の出力に接続することが出来る。トライアック２６は、直列に接続されている抵抗器２２とキャパシタ２４とから成る緩衝回路（ｓｎｕｂｂｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ）によってシャントすることが出来る。インダクタ１６と２０は、ヒューズ１４へ接続することが出来る。ヒューズ１４の他方の側は、電圧源５２のライン側を接続することが出来る端子１２に接続可能である。当業者は、トライアック２６が導通していない場合、インダクタ２０と３０によって、ランプ４０内の電力を制限することが出来ることを認識するであろう。トライアック２６が導通している場合、インダクタ３０と、並列なインダクタ１６と２０との有効インダクタンスとによって、ランプ４０の電力を制限することが出来る。トライアックの導通角を変化させることにより、２つの当該レベル間のいかなる平均電力レベルも達成することが出来る。当業者は、インダクタ２０を、抵抗器、キャパシタと直列の抵抗器、または電流を制限する他の素子によって置換することが出来ることも認識するであろう。
【００１９】
動作時、バラスト回路は、ランプに掛かる電圧と、ランプを流れる電流とを検知し、検知器からの情報を使用することによってランプ電力を計算し、このランプ電力を所望のレベルと比較し、かつ、この比較に基づいてランプ電力を調整することが出来る。
【００２０】
図３は、バラスト回路１０の一実施例の波形のタイミングダイアグラムを示す。ダイアグラム１は、電源５２の電圧波形を示す。ダイアグラム２は、ランプ５０の電圧波形を示す。ダイアグラム３は、ランプ５０の電流波形を示す。ダイアグラム４は、電圧検知器５４の出力における電圧波形を示す。ダイアグラム５は、信号整形器１３０の出力における電圧波形を示す。ダイアグラム６は、基準生成器１００の波形と加算回路１３０の出力とを示す。ダイアグラム７は、比較器１１０の出力信号を示す。
【００２１】
ｔ１〜ｔ２時間の間、ランプ内のアークを消失させることが出来る。ランプ内にアークが全くない場合は、ランプ５０と抵抗器４０とを流れるいかなる電流の流れも無視することが出来る。抵抗器４０に電流が全く流れない場合は、抵抗器４０には電圧が発生しない。つまり、信号整形器の入力には電圧が存在しない。電圧が、信号整形器１３０の入力に全く印加されていない場合、信号整形器１３０の出力はゼロとなる。電流が、ランプ５０に全く流れていない場合、ランプ電圧は供給電圧に等しくなる。ランプ５０に掛かる電圧を、抵抗器３４、３６、３８によって分圧し、スケーリングされたランプ電圧を、加算回路１２０に印加することが出来る。加算回路１２０への入力の絶対値の合計が、加算回路１２０の出力より少ない場合、加算回路１２０の出力電圧は、僅かに減少する。
【００２２】
時刻ｔ２において、ランプ５０に掛かる電圧は、ランプ５０に高電圧を印加するために始動器回路１４０を起動させるレベルにまで増加する。始動器回路１４０からの高電圧は、ランプ５０内でアークを起こすことが出来る。始動器電圧は、抵抗器３４， ３６， ３８によって分圧されているため、抵抗器３６と３８に掛かる電圧が増加する。抵抗器３６と３８に掛かる電圧が、ツェナーダイオード４２と４４のツェナー電圧にまで増加すると、これらのダイオードは、導通を開始し、加算回路１３０の入力への電圧制限を行う。
【００２３】
ｔ２〜ｔ３間の時間には、アークがランプ５０内に存在するため、電流は、ランプ５０と、抵抗器４０と、インダクタ２０と３０とを流れる。抵抗器４０を流れる電流は、抵抗器４０に電圧を発生させる。信号整形器１３０は、抵抗器４０に掛かる電圧を増幅し、かつ、ランプ電流を表す電圧を加算回路１２０に出力する。ランプ５０の電圧は、供給電圧よりインダクタ２０と３０に掛かる電圧分低くなる。このランプ電圧は、分圧器によるスケーリングが可能であるため、結果的に、加算回路１２０の入力への電圧がスケーリングされる。
【００２４】
時刻ｔ３において、基準生成器１００からの電圧は、加算回路１２０からの出力電圧を超える。基準生成器１００からの電圧が、加算回路１２０の出力電圧を初めて上回ると、比較器１１０は、トライアック２６のゲートにパルスを出力し、トライアック２６が導通する。トライアック２６は、一度導通すると、ゲートに対する電圧が除去されても、トライアック２６を通過する電流がゼロになるまで、導通状態のままである。トライアック２６が導通している場合、インダクタ２０と並列のインダクタ１６のインダクタンスが低減するために、ランプ電圧とランプ電流が増加する。
【００２５】
時刻ｔ４において、ランプ電圧とランプ電流は、ゼロを通過し、基準生成器１００をリセットする。トライアックに電流が全く流れない場合、このトライアックは、非導通状態になる。ランプ電圧が全くない場合、アークは消失するであろう。当業者は、この制御回路がバイポ―ラであり、かつ、上記の動作が供給電圧のマイナス部分で反復されることを認識するであろう。
【００２６】
本願明細書において開示されている本発明の実施例は、現在好ましいと考えられているが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、様々な変更と修正とを行うことが出来る。本発明の範囲は、添付の請求の範囲に示されており、かつ、均等物の意味と範囲における全ての変更点が、包含される。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な磁気バラストのダイアグラムを示す従来技術である。
【図２】電力調整を有する高−輝度−放電ランプのバラスト回路の一実施例の、部分的なダイアグラムであり、部分的なブロック図である。
【図３】図２のバラスト回路内の波形のタイミングダイアグラムを示す。
【図４】真の定出力のプロットと、真の出力を近似した線形関数とを示す。
【符号の説明】
１０…バラスト回路
１２…端子
１４…ヒューズ
１６…インダクタ
１８…端子
２０…インダクタ
２２…抵抗器
２４…キャパシタ
２６…電子スイッチ
２８…端子
３０…インダクタ
３２…端子
３４…抵抗器
３６…抵抗器
３８…抵抗器
４０…抵抗器
４２…ツェナーダイオード
４４…ツェナーダイオード
４６…端子
４８…端子
５０…ランプ
５２…ＡＣ電圧源
５４…電圧検知器
５６…電流制限回路
１００…基準生成器
１１０…比較器
１２０…加算回路１
１３０…信号整形回路
１４０…始動器回路
２５０…インダクタ
２５２…電圧源
２５４…キャパシタ
２５６…ランプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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2004537838.tif 000019
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【国際調査報告】
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2004537838.tif 000022