(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源からの正弦波の交流電圧を、該電源周波数に比して高い周波数の可変デューティ比の変調パルスによりパルス幅変調して放電灯に印加する交流電圧調整方式であって、
上記正弦波の交流電圧が放電灯の放電開始電圧以下の電圧範囲において、上記変調パルスのデューティ比を一定に保ち、上記放電灯の放電開始電圧を超過した電圧範囲において、上記変調パルスのデューティ比を変化させて交流電圧の正弦波を変形させて交流電圧を調整することを特徴とする放電灯用交流電圧調整方式。
【請求項２】
商用電源からの正弦波の交流電圧を、該電源周波数に比して高い周波数の可変デューティ比の変調パルスによりパルス幅変調して放電灯に印加する交流電圧調整回路であって、
上記正弦波の交流電圧が放電灯の放電開始電圧を超過した電圧を得るスライス回路と、該スライス回路の出力に基づいて出力する変調パルスのデューティ比が制御される変調パルス発生回路と、該変調パルスにより上記正弦波の交流電圧をパルス幅変調する変調回路とを具備し、上記放電灯の放電開始電圧以下の電圧範囲において、上記変調パルスのデューティ比を一定に保ち、上記放電灯の放電開始電圧を超過した電圧範囲において、上記変調パルスのデューティ比を変化させて交流電圧の正弦波を変形させて交流電圧を調整することを特徴とする放電灯用交流電圧調整回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流波形を制御することにより交流電圧の制御を行う交流電圧調整回路に関し、特に放電灯の動作電源に適した調整回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より使用されている交流電圧調整回路は、図１に示すように、商用電源６の正弦波の交流入力をノイズ除去コンデンサ61を経て、全波整流する４つのダイオードをブリッジ接続した全波整流回路５と、この全波整流回路５の出力をパルス幅変調する４つの電力用ＦＥＴ41〜44をブリッジ接続した変調回路４と、可変デューティ比のパルスを発生する変調パルス発生回路１と、この変調パルス発生回路１のパルス出力によって変調回路４を駆動する駆動回路２と、その包絡線が交流入力と略同じ正弦波である変調回路４の出力を負荷７に平滑して印加する平滑回路71とを備えている。
【０００３】
変調パルス発生回路１は、商用電源の交流周波数（５０Ｈｚ）に比して高い繰り返し周波数（例えば、２０ｋＨｚ）のパルスを発生する発振回路であって、その出力パルスの繰り返し周波数は一定で、デューティ比を変化させ得る従来より周知の回路である。
【０００４】
駆動回路２は、図４に示すように、商用電源６に対して２つの整流用ダイオード25、26と電流制限用抵抗27、28よりなる直列回路を介して接続され、交流入力の正の半周期に導通するフォトカプラ29および負の半周期に導通するフォトカプラ30と、これら２つのフォトカプラ29、30のフォト・トランジスタから出力される切換信号により導通・非導通を繰り返すＮＰＮトランジスタ31、32と、変調パルス発生回路１の出力により駆動されるＰＮＰトランジスタ35と、変調回路４の４つの電力用ＦＥＴ41〜44のゲート電極にそれぞれ出力側（フォト・トランジスタ）が接続された４つのフォトカプラ21〜24とを備えている。
【０００５】
ＮＰＮトランジスタ35のエミッタ電極は、直流電源の正端子に接続され、ＮＰＮトランジスタ31、32の各エミッタ電極は、直流電源の負端子に接続されている。
【０００６】
そして、４つのフォトカプラ21〜24のうち、フォトカプラ21、23のフォト・ダイオードは直列接続され、電流制限用抵抗33を介してＰＮＰトランジスタ35のコレクタ電極とＮＰＮトランジスタ31のコレクタ電極との間に接続され、フォトカプラ22、24のフォト・ダイオードは直列接続され、電流制限用抵抗34を介して、ＰＮＰトランジスタ35のコレクタ電極とＮＰＮトランジスタ32のコレクタ電極との間に接続されている。
【０００７】
次に、図４に示す駆動回路の動作を説明する。交流入力の正の半周期において、フォトカプラ29から発生する切換信号によりトランジスタ31が導通状態となり、逆に負周期において、フォトカプラ30から発生する切換信号によりトランジスタ32が導通状態となる。
【０００８】
一方、変調パルス発生回路１が発生するパルスの出力レベルが低い期間には、ＮＰＮトランジスタ35が導通し、変調パルス発生回路１が発生するパルスの出力レベルが高い期間には、ＰＮＰトランジスタ35が遮断状態となるように、ＰＮＰトランジスタ35はパルス信号発生回路１からのパルス出力により高い繰り返し周波数（例えば２０ｋＨｚ）でオン・オフを繰り返す。
【０００９】
したがって、交流入力の正の半周期において、フォトカプラ21、23により変調回路４の電力用ＦＥＴ41、43の対が、高い繰り返し周波数でオン・オフを繰り返し、交流入力の負の半周期において、フォトカプラ22、24により電力用ＦＥＴ42、44の対が、高い繰り返し周波数でオン・オフを繰り返すことになる。
【００１０】
この変調回路４から出力される交流電圧は、変調パルス発生回路１から出力されるパルス信号のデューティ比を変化させることにより、図５(Ａ)の波形図に示すように、商用電源６からの正弦波の交流入力を包絡線とするパルス幅変調された波形の出力が得られ、この出力を平滑回路71よって平滑すると、図５(Ｂ)の波形図に示すように、パルス信号のデューティ比に比例した波高値を有する正弦波の交流出力電圧(Eh)〜(El)に調整することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
放電灯を点灯させる際には、放電開始電圧(Ed)以上の電圧を印加しなければ放電を開始せず、放電中の放電灯を停止させる際には、印加電圧を放電停止電圧(Es)以下まで低下させなければ放電を停止しない。
【００１２】
例えば、図５(Ｂ)の波形図に示すように、高い正弦波の交流電圧(Eh)を印加して放電灯を点灯させると、交流電圧が放電開始電圧(Ed)まで上昇したときに放電を開始し、放電停止電圧(Es)まで低下したときに消灯するので、放電期間(t21)と停止期間(t22)が交互に反復する。同様に正弦波の低い交流電圧(El)を印加して放電灯を点灯させると、放電期間(t11)と停止期間(t12)が交互に反復する。
【００１３】
図５(Ｂ)の波形図より明らかなように、従来の交流電圧調整回路を利用して、放電灯に印加する正弦波の交流電圧を調整すると、放電期間と停止期間との比が変化する。すなはち、高い交流電圧(Eh)で放電灯を点灯させると、放電期間(t21)が長くなって停止期間(t22)が短くなり、低い交流電圧(El)で放電灯を点灯させると、放電期間(t11)が短くなって停止期間(t12)が長くなる（t21＞t11、t22＜t12）。
【００１４】
このように、放電灯に流れる電流は、放電灯に印加する交流電圧の波高値に依存するので、放電灯の出力を調整する目的で、印加する正弦波の交流電圧を変化させると、放電期間と停止期間との比が変化する。
【００１５】
放電灯の出力を下げるために、印加する正弦波の交流電圧を低くすると、停止期間が長くなって放電ガスの温度が低下し、放電再開電圧が高くなる傾向があって、より放電開始時期が遅れて停止期間が長くなり、放電が不安定になる。
【００１６】
そこで、この発明は、このような問題を解決するために考えられたもので、放電灯の出力を調整しても、放電期間と停止期間との比を変化させることなく、安定した放電を維持できる交流電圧調整回路を提供することすることを目的とするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明の交流電圧調整方式は、商用電源からの正弦波の交流電圧を、電源周波数に比して高い周波数の可変デューティ比の変調パルスによりパルス幅変調して放電灯に印加する交流電圧調整方式であって、上記正弦波の交流電圧が放電灯の放電開始電圧以下の電圧範囲において、上記変調パルスのデューティ比を一定に保ち、上記放電灯の放電開始電圧を超過した電圧範囲において、上記変調パルスのデューティ比を変化させて交流電圧の正弦波を変形させて交流電圧を調整するものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下図面に基づいて、この発明の実施形態について説明する。
【００２０】
図１は、この発明の交流電圧調整回路を適用する実施形態の構成を示すブロック図である。なお、図１は従来技術において説明した交流電圧調整回路と同じであるが、この発明は、変調パルス発生回路に特徴を有しているので、他の構成要素に関する詳細な説明は重複するので省略する。
【００２１】
この発明の交流電圧調整回路は、図３(Ｅ)の波形図に示すように、負荷に印加する交流電圧として、放電灯の放電開始電圧(Ed)までの立ち上がり波形と、放電停止電圧(Es)以下の立ち下がり波形は変化させず、放電開始電圧(Ed)と放電停止電圧(Es)との期間T21に、パルス幅変調するパルス信号のデューティ比を変化させて、放電灯に印加する交流電力を調整するものである。
【００２２】
そこで、可変デューティ比のパルスを発生するために、図２に示す変調パルス発生回路１を使用する。この変調パルス発生回路１は、一定周波数（例えば、２０ｋＨｚ）のパルスを発生する発振回路11と、放電灯の放電開始電圧(Ed)をスライス・レベルとし、全波整流回路５で全波整流された電圧（図３(Ａ)）のうち、放電開始電圧となるレベル値(Ed)を超過した電圧（図３(Ｂ)）を発生するスライス回路12と、このスライス回路12の出力および基準電圧が印加される演算増幅器13と、この演算増幅器13の出力により発振回路11から出力されるパルスのデューティ比を制御するパルス幅制御回路14とにより構成されている。
【００２３】
演算増幅器13の反転入力端子は、入力抵抗Ｒ2を介してスライス回路12の出力に接続され、かつ帰還抵抗Ｒ1を介して出力端子に接続されている。演算増幅器13の非反転入力端子には、抵抗Ｒ3を介して基準デューティ比を定める基準電圧Ｖsが印加されている。
【００２４】
次に、変調パルス発生回路１の動作を図３の波形図に基づいて説明する。
【００２５】
スライス回路12において、全波整流回路で整流された信号（図３(Ａ)）から、スライス・レベルとなる放電開始電圧(Ed)を超過した電圧（図３(Ｂ)）を出力する。このスライス回路12の出力は、演算増幅器13において基準電圧Ｖsと比較され、演算増幅器13は、その差電圧に比例した反転された信号（図３(Ｃ)）を出力する。
【００２６】
この演算増幅器13の増幅率は、入力抵抗Ｒ2の抵抗値と帰還抵抗Ｒ1の抵抗値との比(Ｒ1/Ｒ2)で決まるので、この抵抗値の比(Ｒ1/Ｒ2)を調整することにより、演算増幅器13から出力される信号の振幅Ｇを変化せることができ、この演算増幅器13の出力信号によってパルス幅制御回路14を制御する。
【００２７】
パルス幅制御回路14は、発振回路11から入力したパルス信号を、演算増幅器13から入力した信号（図３(Ｃ)）の電圧に対応してパルス幅を変化させた信号（図３(Ｄ)）を出力する。したがって、スライス回路12の出力レベルが低い期間には、演算増幅器13の出力レベルが高く、パルス幅制御回路14から出力されるパルスのデューティ比は一定で大きいが、スライス回路12の出力レベルが高くなると、演算増幅器13の出力レベルが低くなって、その出力レベルに対応してパルスのデューティ比は低下する。
【００２８】
このように、放電灯の放電開始電圧(Ed)を超過した期間(T21)の交流電圧を、デューティ比を調整したパルスによりパルス幅変調することにより、図３の波形図Ｅにおいて(EH)〜(EL)で示す波高値の交流電圧に変換することができる。
【００２９】
図３の波形図Ｅの(EH)〜(EL)より明らかなように、交流電圧のうちパルス信号のデューティ比が一定の期間T22（放電灯の放電開始電圧(Ed)以下）においては、正弦波の波形に変化が無く、放電開始電圧(Ed)以上の期間T21においてデューティ比が小さくなるために交流電圧の波高値を低く調整することができる。このデューティ比、すなはち交流電圧の波高値(EH)〜(EL)は、演算増幅器13の増幅率（入力抵抗の抵抗値と帰還抵抗の抵抗値との比(Ｒ1/Ｒ2)）で決まるので、この増幅率を調整することにより任意に設定できる。
【００３０】
このような波高値を調整した交流電圧によって放電灯を点灯させると、放電期間T21と停止期間T22との比が変化することはないので、安定な放電を維持しながら放電灯の出力を調整することができる。
【００３１】
以上で説明した実施形態においては、整流回路５の出力を変調パルス発生回路１に導き、放電灯の放電開始電圧(Ed)をスライス・レベルに設定し、スライス回路12でスライスして変調パルスを発生させているので、平滑回路71を経たパルス幅変調回路12の出力側における電圧波形が理想値と偏差を生じる。この偏差を許容できない場合には、スライス・レベルを予め補正しておけばよいのである。
【００３２】
以上、この発明の交流電圧調整回路の実施形態の構成および動作を説明した。しかし、この実施形態は、この発明の例示に過ぎず、何らこの発明を制限するものではない。この発明の交流電圧調整回路を放電灯以外の交流電源に適用することができる。また、以上で説明した実施形態においては、変調回路に電力用ＦＥＴを使用しているが、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）を使用しても同様に動作させることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上の実施の形態に基づく説明から明らかなように、この発明によれば、正弦波の交流電圧のスライス・レベル(Ed)以内の電圧範囲において、変調パルスのデューティ比を一定に保ち、スライス・レベル(Ed)を超過した電圧範囲において、変調パルスのデューティ比を変化させた変調パルスによってパルス幅変調し、出力する交流電圧の正弦波を変形させて交流電圧(EH)〜(EL)を調整するものであるから、放電灯の交流電源に適用することにより、安定な放電を維持しながら放電灯の出力を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の交流電圧調整回路を適用する実施形態を示すブロック図、
【図２】図１に示す交流電圧調整回路で使用する可変デューティ比のパルスを発生する変調パルス発生回路を示すブロック図、
【図３】図１に示す交流電圧調整回路の各部の電圧波形を波形図、
【図４】図１に示す交流電圧調整回路で使用する駆動回路を示す回路図、
【図５】従来の交流電圧調整回路の動作を説明するために用いる波形図である。
【符号の説明】
１  変調パルス発生回路
２  駆動回路
４  変調回路
５  整流回路
６  交流電源
７  負荷
12  スライス回路
41〜44  電力用ＦＥＴ
21〜24  フォトカプラ
29、30  フォトカプラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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