(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流ランプ電流を高圧放電灯に供給して高圧放電灯を点灯させる方法において、
前記交流ランプ電流の半周期中に該半周期の所定数分の一の電流パルスを発生させて、前記電流パルスが前記交流ランプ電流と同じ極性を有し、前記電流パルスを、前記交流ランプ電流の、前記電流パルスを発生させたのと同じ半周期の後半部分に重畳させることを特徴とする高圧放電灯点灯方法。
【請求項２】
前記電流パルスを、前記交流ランプ電流の半周期毎に発生させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
電圧源に接続するための入力端子と、
前記入力端子に結合され、一周期の平均振幅が０である交流ランプ電流を高圧放電灯に供給する手段とを具えた、高圧放電灯を点灯させる回路装置において、
前記回路装置がさらに、前記交流ランプ電流の半周期中に該半周期の所定数分の一の電流パルスを発生させる電流パルス発生手段を具えて、前記電流パルスが前記交流ランプ電流と同じ極性を有し、前記電流パルスを、前記交流ランプ電流の、前記電流パルスを発生させたのと同じ半周期の後半部分に重畳させることを特徴とする高圧放電灯点灯回路装置。
【請求項４】
前記電流パルス発生手段が、前記交流ランプ電流の半周期毎に前記電流パルスを発生させることを特徴とする請求項３に記載の回路装置。
【請求項５】
前記高圧放電灯に前記交流ランプ電流を供給する手段が、
前記入力端子に結合され、前記電圧源によって供給される電源電圧から直流電流を発生させる手段と、
前記直流電流を前記交流ランプ電流に変換する直流−交流変換器と
を具えていることを特徴とする請求項３または４に記載の回路装置。
【請求項６】
前記直流電流を発生させる手段が、前記高圧放電灯の点灯中に高周波数で動作するスイッチング素子を設けた直流−直流変換器を具えて、
前記電流パルス発生手段が、前記スイッチング素子のデューティサイクルを調整する手段を具えていることを特徴とする請求項５に記載の回路装置。
【請求項７】
前記直流電流を発生させる手段が、前記高圧放電灯の点灯中に高周波数で動作するスイッチング素子を設けた直流−直流変換器を具えて、
前記電流パルス発生手段が、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を調整する手段を具えていることを特徴とする請求項５または６に記載の回路装置。
【請求項８】
前記交流ランプ電流の周波数が50Hz〜500Hzの範囲から選択され、前記電流パルスの持続時間中の平均振幅と前記交流ランプ電流の半周期の平均振幅との比が0.6〜2であり、前記電流パルスの持続時間と前記交流ランプ電流の半周期との比が0.05〜0.15であることを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載の回路装置。
【請求項９】
前記半周期中に前記高圧放電灯に供給されるエネルギーのうち、前記電流パルスによって供給される分が、前記交流ランプ電流によって供給される分の5%〜15%であることを特徴とする請求項３〜８のいずれかに記載の回路装置。
【請求項１０】
前記回路装置が、前記高圧放電灯によって消費される電力の所望量の尺度となる信号を発生する手段を設けた電力制御ループを具えて、
前記電流パルス発生手段が、前記信号を調整する手段を具えていることを特徴とする請求項３〜９のいずれかに記載の回路装置。
【請求項１１】
前記直流−交流変換器が全波ブリッジ回路を具えていることを特徴とする請求項５、６または７に記載の回路装置。
【発明の詳細な説明】
発明の技術分野
本発明は交流ランプ電流を高圧放電灯に供給して高圧放電灯を点灯する方法に関するものである。
また、本発明は電圧供給源に接続する入力端子(K1,K2)と、これら入力端子に結合され、交流ランプ電流を高圧放電灯に供給する手段とを具える高圧放電灯点灯回路に関するものである。
発明の背景
この種高圧放電灯点灯方法および回路は米国特許第4,485,434から既知である。高圧放電灯を低い周波数の交流ランプ電流で交流作動させる場合には高圧放電灯（以下ランプと称する）の電極が急速に侵食されるのを防止するとともにランプを比較的高い効率で点灯させることができることは知られている。
この種ランプの点灯に関する問題は電極温度および電極表面の状態に依存して電極のすぐ近くの放電アークが不安定となることである。その理由は放電アークの起点が電極表面のあるスポットから次のスポットにジャンプするからである。電極表面が冷たすぎる場合には、放電アークは電極のすぐ近くでは極めて薄く、従って、電極表面の起点が過熱され、これにより微小パイクを生ずるようになる。点灯作動中放電アークの起点がこれら微小パイク間でジャンプすると、高圧放電灯にフリッカが生じる。かかるフリッカは電極温度が高すぎることによっても生じる。かかる状態の下では電極材料が絶えず変位し蒸発して放電アークの不安定性の原因となる。高圧放電灯を交流電流で作動させる場合には、ランプの各電極はランプ電流の順次の半周期中交互に陰極としておよび陽極として機能する。これら半周期中電極はそれぞれ陰極フェーズおよび陽極フェーズにあると言うことができる。陽極フェーズで電極から除去される電極材料は陰極フェーズでイオン流として電極に戻る。これらの移送プロセスはランプ電流の一周期中に電極温度の挙動を複雑にする。その理由は陽極フェーズにおける電極温度の時間依存性が陰極フェーズにおける電極温度依存性とは相違するからである。このことにより、電極温度がランプ電流の一周期中全体に亘って強く変化して放電アークが陽極フェーズ中電極の表面の種々の箇所から発生するようになる。しかし、陰極フェーズでは同一電極の表面での放電アークの発生はこれら種々の箇所のうちの１箇所のみに限定されるようになる。この挙動は、高圧放電灯を投射（プロジェクション）テレビジョンのような光学的用途に用いる場合には、特に許容し得ないものとなる。かかる用途では電極間の距離は極めて短くする必要がある。その理由は放電アークを点光源に近づける必要があるからである。しかし、かように電極間の距離を極めて短くすることにより、放電アークが交互に陰極フェーズ中電極の異なる箇所から発生するため全放電アーク中不安定となり、従ってフリッカが極めて強くなる。
発明の概要
本発明の目的は作動中のランプのフリッカを著しく抑制するようにした高圧放電灯点灯方法および回路を提供せんとするにある。
本発明による高圧放電灯点灯方法は交流ランプ電流を高圧放電灯に供給して高圧放電灯を点灯するに当たり、この交流ランプ電流の半周期中にこの半周期の所定数分の一の電流パルスを発生させ、この電流パルスは前記交流ランプ電流と同じ極性を有し、この電流パルスを、前記交流ランプ電流の、前記電流パルスを発生させたのと同じ半周期の後半部分に重畳することを特徴とする。
また、本発明は電圧源に接続するための入力端子と、これらの入力端子に結合され、交流ランプ電流を高圧放電灯に供給する手段とを具えた高圧放電灯点灯回路装置において、ランプ電流の半周期中にこの半周期の所定数分の一の電流パルスを発生させる手段IIIをさらに具え、この電流パルスは前記交流ランプ電流と同じ極性を有し、この電流パルスを、前記交流ランプ電流の、前記電流パルスを発生させたのと同じ半周期の後半部分に重畳することを特徴とする。
ランプを流れる電流の全量は電流パルスによって、前記ランプ電流の半周期の所定数分の一の終端で増大するため、電極の温度は著しく高い値に上昇する。この高温度のため、放電アークの安定性が増大する。その理由は放電アークが各陰極フェーズで電極の同一箇所から発生するからである。本発明による高圧放電灯点灯方法および／または高圧放電灯点灯回路を用いる場合には、高圧放電灯の点灯時にフリッカを著しく抑制し得ることを確かめた。
さらに、高圧放電灯を金属ハロゲン化物ランプとする場合には、電流パルスにより発生した増大イオン電流によって電極の表面上へのランププラズマに含まれる金属の堆積が増大し、これにより電極の仕事関数が低下する。
電流パルスは周期的に発生する（例えば、ランプ電流の３番目の半周期ごとに、または５番目の半周期ごとに）あるいはバースト的に電流パルスを発生する（例えば５個の連続する半周期中一個の電流パルスを発生し、次の５個の連続する半周期中電流パルスを発生せず、さらに次の５個の連続する半周期中一個の電流パルスを発生する等）。
電流パルスをランプ電流の半周期毎に発生させる場合には、極めて良好な結果を得ることができた。
また、電流パルスの振幅が高い場合には、フリッカを抑制する意味で同じ結果を達成するための期間を短くし得ることを確かめた。電流パルスの最適な振幅および期間はランプの種類および電極の寸法に依存する。前記ランプ電流の周波数は50Hz〜500Hzの範囲から選択し、電流パルスの平均振幅とランプ電流の平均振幅との比を0.6〜２の範囲とし、電流パルスの持続期間とランプ電流の半周期との比を0.05〜0.15の範囲とする場合には、良好な結果を得ることができた。ランプ電流の平均振幅は半周期におけるランプ電流の振幅の平均値である。電流パルスの平均振幅は電流パルスの持続期間における電流パルスの振幅の平均値である。前記電流パルスによって高圧放電灯に供給されるエネルギーの量は半周期中にランプ電流により高圧放電灯に供給されるエネルギーの量の5%乃至15%とするのが好適である。
前記交流ランプ電流を高圧放電灯に供給する手段が、前記入力端子に結合され、前記電圧源によって供給される電源電圧から直流電流を発生する手段と、この直流電流を交流ランプ電流に変換する直流−交流変換器IIとを具える場合には、本発明による高圧放電灯点灯回路を比較的簡単且つ廉価に製造することができる。また、前記直流電流を発生する手段は、ランプ点灯中高周波数で作動するスイッチング素子を設けた直流−直流変換器と、電流パルスを発生し前記スイッチング素子のデューティサイクルまたはスイッチング周波数を調整する手段とで構成する。斯様にすれば、交流ランプ電流を発生するために用いられる手段を用いて電流パルスを発生させることができる。
本発明による高圧放電灯点灯回路の好適な例では、高圧放電灯点灯回路は高圧放電灯によって消費される電力の所望量の尺度となる信号を発生する手段を設けた電力制御ループを具え、電流パルス発生手段は前記信号を調整する手段を具えるようにする。
さらに他の好適な例では、前記転流器は全波ブリッジ回路を具えるようにする。
発明を実施するための最良の形態
図１において、Ｋ１およびＫ２は電源電圧を印加する電圧源に接続する入力端子である。入力端子Ｋ１およびＫ２に結合されたブロックＩは直流電流を発生する手段である。手段Ｉの出力端子は直流−交流変換器IIの各入力端子に接続する。直流−交流変換器IIの出力端子は高圧放電灯Ｌａに接続する。手段Ｉおよび手段IIは双方で高圧放電灯に交流ランプ電流を供給する手段Ａを構成する。IIIはランプ電流の半周期毎に１つの電流パルスを発生する手段である。この目的のために手段IIIは図１に点線で示されるように手段Ａに接続する。
図１に示す高圧放電灯点灯回路の作動は次の通りである。
入力端子Ｋ１およびＫ２を電圧源の極に接続すると、手段Ｉは電圧源によって供給された電源電圧から直流電流を発生する。直流−交流変換器IIによってこの直流電流を交流ランプ電流に変換する。ランプ電流の各周期では、手段IIIによって、極性がランプ電流の極性に等しく、ランプ電流の各半周期の後半部分に重畳される電流パルスを発生する。ランプ電流およびこれに重畳される電流パルスの双方は高圧放電灯Ｌａに供給される。
図２において、直流電流を発生する手段Ｉは整流ブリッジＲＢ、コンデンサＣ１およびＣ２、駆動回路ＤＣ１、スイッチング素子Ｓ１、ダイオードＤ１および誘導素子Ｌによって構成する。本例では、直流−交流変換器IIはスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４およびＳ５と、駆動回路ＤＣ２およびＤＣ３と、抵抗Ｒ１とで構成する。手段IIIは回路部分ＣＰＩおよびＣＰII、比較器ＣＯＭＰ、スイッチング素子Ｓ６、端子Ｋ３、ポテンショメータＲ２、抵抗Ｒ３、およびランプ点灯中に端子Ｋ３にほぼ一定な電圧を発生する追加の手段によって構成する。この追加の回路は図示しない。入力端子Ｋ１およびＫ２は低周波数のＡＣ電源電圧を供給する電圧源に接続するための入力端子である。この入力端子Ｋ１およびＫ２を整流ブリッジＲＢの各入力端子に接続する。整流ブリッジＲＢの第１出力端子はコンデンサＣ１の一方の側に接続する。このコンデンサＣ１の他方の側は整流ブリッジＲＢの第２出力端子に接続する。また、コンデンサＣ１の一方の側をスイッチング素子Ｓ１の第１主電極に接続する。スイッチング素子Ｓ１の制御電極を駆動回路ＤＣ１の出力端子に接続する。スイッチング素子Ｓ１の他の制御電極をダイオードＤ１の陰極に接続するとともに駆動回路ＤＣ１の入力端子に接続する。ダイオードＤ１の陽極をコンデンサＣ１の他方の側に接続する。ダイオードＤ１の陰極を誘導素子Ｌの１側にも接続する。誘導素子Ｌの他側をスイッチング素子Ｓ２の第１主電極およびスイッチング素子Ｓ４の第１主電極に接続する。また、誘導素子Ｌの他側をコンデンサＣ２の１側に接続する。コンデンサＣ２の他方の側をコンデンサＣ１の他方の側に接続する。スイッチング素子Ｓ２の他の主電極をスイッチング素子Ｓ３の第１主電極に接続するとともにスイッチング素子Ｓ４の他の主電極をスイッチング素子Ｓ５の第１主電極に接続する。スイッチング素子Ｓ３の他の主電極およびスイッチング素子Ｓ５の他の主電極を低周波数Ｒ１の一方の側に接続し、この低周波数Ｒ１の他方の側をコンデンサＣ１の他方の側に接続する。スイッチングＳ２およびスイッチング素子Ｓ４の他の主電極を高圧放電灯Ｌａによって（作動状態中）接続する。スイッチング素子Ｓ２の制御電極およびスイッチング素子Ｓ３の制御電極を駆動回路ＤＣ２の各出力端子に接続する。スイッチング素子Ｓ４の制御電極およびスイッチング素子Ｓ５の制御電極を駆動回路ＤＣ３の各出力端子に接続する。抵抗Ｒ１の一方の側および誘導素子Ｌの他方の側を回路部分ＣＰＩの各入力端子に接続する。回路部分ＣＰＩの出力端子を比較器ＣＯＭＰの第１入力端子に接続する。比較器ＣＯＭＰの他の入力端子を抵抗Ｒ３の一方の側およびポテンショメータＲ２の一方の側に接続する。ポテンショメータＲ２の他方の側を端子Ｋ３に接続する。抵抗Ｒ３の他方の側をコンデンサＣ１の他方の側に接続する。抵抗Ｒ３をスイッチング素子Ｓ６によって分路する。比較器ＣＯＭＰの出力端子を駆動回路ＤＣ１の入力端子に接続する。回路部分ＣＰIIの第１出力端子をスイッチング素子Ｓ６の制御電極に接続する。回路部分ＣＰIIの他の２つの出力端子ＤおよびＥを駆動回路ＤＣ２およびＤＣ３の各入力端子に接続する。
図２に示す高圧放電灯点灯回路の動作は次の通りである。
入力端子Ｋ１およびＫ２を低周波数の交流電源電圧を供給する電圧源の両極に接続すると、この低周波数の交流電源電圧は整流ブリッジＲＢにより整流されてコンデンサＣ１に両端間に存在する直流電圧に変換される。駆動回路ＤＣ１、スイッチング素子Ｓ１、ダイオードＤ１および誘導素子Ｌはその全体で直流−直流変換器、特にダウンコンバータとして機能する。このダウンコンバータによってコンデンサＣ１の両端間に存在する直流電圧が直流電流に変換される。コンデンサＣ２はバッファコンデンサとして作用する。スイッチング素子Ｓ２およびＳ５とスイッチング素子Ｓ３およびＳ４とは駆動回路ＤＣ２およびＤＣ３によって交互に導通状態および非導通状態とする。これにより、前記直流電流は交流ランプ電流に変換される。回路部分ＣＰＩの入力端子に存在する電圧はランプを流れる電流および前記直流−交流変換器の供給電圧の振幅の尺度となる。回路分路ＣＰＩによってこれら２つの電圧からランプで消費された電力の尺度となる信号を発生する。この信号は比較器ＣＯＭＰの第１入力端子に存在する。ランプの作動中端子Ｋ３にはほぼ一定の電圧が存在する。この電圧は図２に示さない手段によって発生する。ポテンショメータＲ２、抵抗Ｒ３およびスイッチング素子Ｓ６によって、比較器ＣＯＭＰの第２入力端子に存在し、ランプで消費される電力の所望量の尺度となる基準電圧を発生する。駆動回路ＤＣ１は、比較器ＣＯＭＰの出力信号に応じて、駆動回路ＤＣ１が発生した高周波パルスのパルス幅を制御する。ランプ電流の各半周期の最初の部分中にスイッチング素子Ｓ６を導通させる。これにより、比較器ＣＯＭＰの第２入力端子に存在する基準電圧は比較的低い。従って、駆動回路ＤＣ１により発生した高周波パルスのパルス幅、ランプを流れる電流の振幅およびランプにより消費される電力の量はすべて比較的低い値となるランプ電流の各半周期の後半部分には回路部分ＣＰIIによってスイッチング素子Ｓ６を非導通とする。これにより基準電圧は増大し、この結果、駆動回路ＤＣ１により発生した駆動信号のデューティサイクルが増大しランプ電流に電流パルスが重畳され、且つランプによって消費される電力の量が増大する。
図３は３つの回路部分：ＣＰIII乃至ＣＰＶより成る回路部分ＣＰIIを示す。ＣＰIIIは第１出力端子Ａおよび第２出力端子Ｂを有するデジタル回路である。ランプの作動中ランプ電流と同一周波数を有する第１デジタル信号が出力端子に存在する。回路部分ＣＰIIIの第２出力端子には、ランプ電流の周波数を有する第２デジタル信号が存在する。両信号の時間依存性を図４に曲線ＡおよびＢでそれぞれ示す。第２デジタル信号は第１デジタル信号を反転し、且つその位相を半周期に亘って推移することによって第１デジタル信号から導出し得ることは明らかである。出力端子ＡおよびＢは回路部分ＣＰIVの各入力端子に接続する。回路部分ＣＰIVは“ＯＲゲート”として機能し、従って、その出力端子Ｃに存在するデジタル信号は、第１または第２デジタル信号の何れかが“高”レベルにあるが、他の信号が“低”レベルにある際に、“高”レベルとなる。他の全ての状態では、出力端子Ｃに存在するデジタル信号は“低”レベルにある。出力端子Ｃに存在するデジタル信号の時間依存性を図４に曲線Ｃで示す。出力端子Ｃを回路部分ＣＰＶの入力端子に接続する。この回路部分ＣＰＶは“双安定マルチバイブレータ”または“フリップフロップ”とする。回路部分ＣＰＶの第１出力端子Ｄには出力端子Ｃに存在するデジタル信号の逐次的な傾斜間で“高”レベルとなるデジタル信号が存在し、この期間中この出力端子Ｃに存在するデジタル信号は“低”レベルから“高”レベルに変化する。回路部分ＣＰVIの第２出力端子Ｅには出力端子Ｄに存在するデジタル信号がそれぞれ“低”レベルおよび“高”レベルの際に、“低”レベルおよび“高”レベルになるデジタル信号が存在する。回路部分ＣＰＶの出力端子ＤおよびＥに存在するデジタル信号の時間依存性を図４に曲線ＤおよびＥでそれぞれ示す。出力端子Ｃを図２のスイッチング素子Ｓ６の制御電極に接続するため、出力端子Ｄのデジタル信号が高レベルにある際はスイッチング素子Ｓ６が導通状態となる。従って、電流パルスの持続時間は出力端子Ｄのデジタル信号が高レベルである時間間隔に等しくなる。図４の曲線Ｉは、かかるランプが本発明による高圧放電灯点灯回路によって動作する場合における高圧放電灯を流れる電流の総量の振幅の時間依存性を示す。曲線Ｉはランプ電流をほぼ矩形波状の交流電流として表わし、電流パルスも矩形である。ランプ電流および電流パルスの双方の形状は本発明にとって重要ではない。実際上、電流パルスの形状は例えば正弦波状、三角波状または指数関数状とすることができる。
図２に示す高圧放電灯点灯回路の特定の例はドイツ国特許3813412に記載された高圧放電灯の作動に用いられる。このランプはその公称電力消費が100Ｗで、電極距離が1.4mmである。平均振幅が0.9Ａの電流パルスを各半周期の後の方の8％の期間中に（平均振幅が1.1Ａで交番周波数が90Hzの）ランプ電流に重畳する場合にはフリッカを充分抑制することができた。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の高圧放電灯点灯回路の一例を示すブロック回路図である。
図２は、図１のブロック図の詳細な回路図である。
図３は、図１の高圧放電灯点灯回路の一部分をさらに詳細に示す回路図である。
図４は、図２の詳細な回路における種々の箇所のランプ点灯中の電流および電圧の形状を示す特性図である。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図２】
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