JPH04229598A - 無電極高光度放電ランプ用始動回路 - Google Patents

無電極高光度放電ランプ用始動回路

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JPH04229598A
JPH04229598A JP3145259A JP14525991A JPH04229598A JP H04229598 A JPH04229598 A JP H04229598A JP 3145259 A JP3145259 A JP 3145259A JP 14525991 A JP14525991 A JP 14525991A JP H04229598 A JPH04229598 A JP H04229598A
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starting circuit
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セイド−アムル・アメス・エル−ハマムシイ
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ロバート・ジェームス・トーマス
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は一般に高光度放電(HI
D)ランプに関するものである。更に詳しく述べると、
本発明は無電極HIDランプの中でアーク放電を開始す
るための回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】高光度放電(HID)ランプでは、水銀
蒸気、ナトリウム蒸気のような中圧から高圧の電離可能
なガスは、通常そのガスを電流が通ることによって生じ
る励起の際に可視光を放射する。HIDランプの1つの
種類には高圧ガスのランプ充てん物の中でソレノイド状
の電界を発生することによってアーク放電を発生する無
電極ランプが含まれる。詳しく述べると、ランプ充てん
物、すなわち放電プラズマはアーク管を取り囲む励起コ
イルに無線周波(RF)電流を供給することによって励
起される。アーク管および励起コイルのアセンブリは実
質的に、RFエネルギをプラズマに結合する変圧器とし
て作用する。すなわち、励起コイルは一次コイルとして
作用し、プラズマは単巻二次コイルとして作用する。励
起コイル内のRF電流は時間とともに変化する磁界を作
り、その結果、それ自体で完全に閉じた電界、すなわち
ソレノイド状の電界がプラズマ内に形成される。この電
界により電流が流れるので、アーク管の中にドーナツ形
のアーク放電が生じる。
【0003】室温では、励起コイルの作るソレノイド状
の電界は通常充分に高くないので、ガス状充てん物を電
離してアーク放電を開始することはできない。この欠点
を克服する1つの方法はたとえばまずアーク管を液体窒
素の中に浸すことにより、ガス温度を非常に低い値に下
げて、その後でガス温度が上昇できるように充てん物の
ガス圧を下げることである。温度が上昇するにつれて、
充てん物の電離すなわち降伏が生じてアーク放電が開始
される。しかし、アーク放電を開始する液体窒素法は広
汎な商用には実際的でない。
【0004】無電極HIDランプを始動するためのより
最近の方法は、始動補助装置を使って、励起コイルの巻
回部(ターン)の両端間に発生される高電圧をアーク管
に容量結合することである。この電圧勾配の結果、始動
補助装置と励起コイルとの間に、したがってアーク管を
通って容量性電流が流れる。これによりガス状の充てん
物が電離され、その中に低電流のグロー放電が生ずる。 ガスが充分に電離されると、比較的低電流のグロー放電
から比較的高電流、高光度のソレノイド状アーク放電へ
の遷移が行なわれる。米国特許第4,902,937号
明細書に述べられているように、このような始動補助装
置はたとえば一対の容量性始動電極で構成することがで
きる。各始動電極は、アーク管を囲み、かつHIDラン
プの励起コイルに接続された導電性の環を有する。始動
電極対の間に高電圧信号を結合することにより、始動電
極対の間に電界が生じる。この電界の大きさは充分に大
きいので、アーク管壁容量によりアーク管にグロー放電
が生じる。更に、始動補助装置を介してアーク管に直接
、比較的大きな電界を印加することによりアーク管の早
期劣化が生じることがあるということがわかったので、
アーク放電の開始後、バイメタル条片のような感熱部材
を使ってアーク管から離れるように始動電極を動かし、
これによってランプの有効寿命を維持する。
【0005】無電極HIDランプ用のらせん状の始動電
極が米国特許第4,894,590号明細書に述べられ
ている。単一の円錐らせん形の始動電極がその狭い方の
端でアーク管の表面に隣接するように配置される。励起
コイルの発生する磁束がらせん形の電極の巻回部と交差
するように始動電極の広い方の端が配置される。これに
より高電圧信号が発生され、その結果充分に高い電界勾
配が生じて、アーク管内にグロー放電が生じる。アーク
管の中でアーク放電が開始した後、バイメタル条片を使
って始動電極をアーク管から離れるように動かす。
【0006】圧電手段によって休止位置からアーク管に
隣接した始動位置に動かされるようにした始動電極が米
国特許第4,894,589号明細書に述べられている
。アーク放電が開始された後、圧電手段が不作動にされ
、始動電極が休止位置に戻る。圧電手段によって始動電
極を選択的に動かすことができるので、アーク管がまだ
熱くても必要な場合にはランプを再起動することができ
る。
【0007】米国特許第4,982,140号明細書に
は別の無電極HIDランプ用始動補助装置が説明されて
おり、この装置は第2の導電性コイルのまわりに配置さ
れた第1の導電性コイルを含み、各コイルの形状は円錐
台状になっている。コイルは互いに逆方向に巻かれてい
るので、その中に誘導される電圧は加算されて充分に高
い電界勾配を形成し、アーク管の中にアーク放電を開始
する。バイメタル支持体を使って始動補助装置はアーク
管に隣接した始動位置とアーク管から離れた所定の場所
のランプ動作位置との間を動かされる。
【0008】上記各始動補助装置は無電極HIDランプ
でアーク放電を開始する際に有効であるが、用途によっ
ては始動補助装置の移動を必要としない始動補助装置を
提供することが望ましい。特に、アーク管を囲む外側エ
ンベロープをそなえたHIDランプの場合、高信頼度で
始動補助装置を動かすことが難しいことがある。したが
って、上述のような始動補助装置は多数の用途で実際的
でないものとなる。
【0009】更に、励起コイル電流がその最大振幅に達
するのとほぼ同時に充てん物に電離電界を印加する始動
補助装置が提供されることが望ましい。そうでなくて励
起コイル電流がその最大振幅に達する前に始動補助装置
がグロー放電を開始すると、ランプ装置が制動されて最
大コイル電流が小さくなり、ソレノイド状アーク放電へ
の遷移が妨げられることがある。
【0010】
【発明の目的】したがって、本発明の1つの目的はアー
ク管に近接した始動位置とアーク管からもっと遠く離れ
たランプ動作位置との間に始動補助装置を動かす必要の
ない無電極HIDランプ用始動回路を提供することであ
る。
【0011】本発明のもう1つの目的は安定器回路から
独立し、安定器回路の動作を妨害しない同調始動回路を
用い、これにより最適始動時間で始動電流を印加するこ
とのできる無電極HIDランプ装置用始動回路を提供す
ることである。
【0012】本発明の更にもう1つの目的はランプ始動
後、容量結合された比較的大きな始動電流を遮断してラ
ンプの有効寿命を維持する無電極HIDランプ用始動装
置を提供することである。
【0013】
【発明の概要】上記の目的および他の目的を達成するた
め、無電極HIDランプ用始動回路は固定の始動プロー
ブ、ならびにランプのアーク管の中でアーク放電を開始
するための容量結合始動電流を発生するために無線周波
信号を始動プローブに供給するための、同調出力回路を
そなえた、高効率電源装置、を含む。高効率電源装置は
D級またはE級電力増幅器を有することが好ましい。同
調出力回路は直列に結合されたインダクタンスと容量を
含む。同調回路の容量は始動プローブと励起コイルとの
間の寄生容量を含むことが好ましい。本発明の一実施例
によれば、始動回路は、ランプ安定器を動作させて励起
コイルを駆動するために使用される周波数よりも高い周
波数で動作する。このようにして、始動回路はランプ安
定器回路から独立しているので、たとえばD級型安定器
の出力共振回路を離調させることによりその動作を妨げ
ることはない。更に、このような独立の始動回路を使う
ことにより、励起コイル電流がその最大振幅に達するの
とほぼ同時に始動電流を発生させることができる。アー
ク放電が開始されると、始動回路が不作動にされるので
、ランプ安定器回路に対して事実上、高インピーダンス
となる。その結果、容量結合された始動電流が遮断され
るので、ランプの有効寿命が維持される。
【0014】本発明の特徴および利点は添付の図面を参
照した本発明の以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【0015】
【詳しい説明】図1は本発明の一実施例による固定の始
動プローブ12を用いる無電極HIDランプ10を含む
HIDランプ装置を示す。ランプ10は口金15に取付
けられた外側エンベロープ14を含んでおり、棒18に
よって外側エンベロープ14の中に支持されたアーク管
16を囲んでいる。エンベロープ14およびアーク管1
6はそれぞれ溶融石英または多結晶アルミナのような光
を透過する材料で構成されている。アーク管16には充
てん物が入っており、この充てん物の中でソレノイド状
のアーク放電がランプ動作中に励起される。米国特許第
4,810,938号明細書に述べられている適当な充
てん物の例はハロゲン化ナトリウム、ハロゲン化セリウ
ム、およびキセノンを適切な重量比で組み合わせたもの
であって、白色温度で高効能および良好な演色性を示す
可視光を発生する。たとえば、上記特許によるこのよう
な充てん物は約500トル(Torr)の分圧のキセノ
ンと組み合わせた、等しい重量比のヨウ化ナトリウムお
よび塩化セリウムよりなる。別の適当な充てん物の例は
米国特許第4,972,120号明細書に述べられてい
る。 この特許に記載の充てん物はハロゲン化ランタン、ハロ
ゲン化ナトリウム、ハロゲン化セリウム、および緩衝ガ
スとしてのキセノンまたはクリプトンの組み合わせより
なる。たとえば、上記特許によれば充てん物はヨウ化ラ
ンタン、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化セリウム、および2
50トルの分圧のキセノンの組み合わせで構成すること
ができる。
【0016】励起コイル20は無線周波(RF)安定器
22に結合されており、充てん物の中でアーク放電を励
起するためのアーク管16を囲んでいる。たとえば、図
示するようにコイル20の巻回部はコイル中心線23の
各々の側でほぼV字形の横断面となるように配置される
。このようなコイル構成は米国特許第4,812,70
2号明細書に述べられている。
【0017】動作について説明すると、コイル20のR
F電流によって時間とともに変化する磁界が形成され、
この磁界によってそれ自身で完全に閉じる電界がアーク
管16の中に作られる。このソレノイド状電界によりア
ーク管16の中の充てん物を通って電流が流れ、その中
にドーナツ形のアーク放電24が生じる。RF安定器2
2に対する適当な動作周波数は0.1から30メガヘル
ツ(MHz )の範囲にあり、動作周波数の例は13.
56MHz および6.78MHz である。これらの
周波数は、その中で適度な量の電磁放射が許容できる電
磁スペクトルの工業、科学および医学用(ISM;In
dustrial,Scientific and M
edical )帯域の中にあり、このような放射は一
般に無電極HIDランプ装置によって放出される。
【0018】図1に示すように、始動プローブ12はア
ーク管16に近接してアーク管支持棒18の中に据え付
けられている。始動プローブは一実施例ではたとえば銅
の薄片で構成される。しかし、たとえば針金のループ(
図示しない)のような他の適当な始動プローブを本発明
の始動回路と一緒に使ってもよい。始動プローブ12が
リード線28によって始動回路26に結合されている。 図示するように始動回路26は安定器22から独立して
おり、また安定器22に比べて充分に高い周波数で動作
することが好ましい。始動回路26に対する適当な動作
周波数は約1MHz から4MHz の範囲内にあり、
もちろん安定器の動作周波数によって左右される。
【0019】ここでは始動プローブ12は固定のものと
して説明しているが、本発明の始動回路26は米国特許
第4,902,937号、米国特許第4,894,59
0号、米国特許第4,894,589号、米国特許第4
,982,140号の明細書等に述べられているような
可動の始動補助装置に使ってもよい。
【0020】図2は本発明の一実施例による始動回路を
用いるHIDランプ装置を図式的に表わしたものである
。たとえば安定器22は、1990年1月30日出願の
米国特許出願第472,144号の明細書に述べられて
いる安定器のように、D級電力増幅器を有する。D級安
定器は半ブリッジ構成で直流電源VDDと直列に接続さ
れた2個のスイッチング素子Q1 およびQ2 を含む
。スイッチング素子Q1 およびQ2 は図ではMOS
FETとして示されているが、絶縁ゲート・バイポーラ
・トランジスタ(IGBT)またはMOS制御サイリス
タ(MCT)のように容量性ゲートを持つ他の型のスイ
ッチング素子であってよい。スイッチング素子Q1 お
よびQ2 はそれぞれ入力隔離変圧器30および32を
介して安定器ドライバ28に結合されている。動作につ
いて説明すると、スイッチング素子は一方が導電(オン
)状態にある間は他方が非導電(オフ)状態となるよう
にカットオフと飽和状態とに交互に駆動される。したが
って、D級安定器は方形波信号で駆動するのが都合がよ
い。代案として安定器ドライバ28は、1989年12
月21日出願の米国特許出願第454,614号の明細
書に述べられているように、2つの位相外れ正弦波状信
号を発生する手段で構成してもよい。
【0021】共振負荷回路網は素子Q1 とQ2 との
間の接続点でスイッチング素子Q2 と並列に半ブリッ
ジに接続されている。共振負荷回路網にはHIDランプ
10の励起コイル20およびそれと並列に接続された同
調コンデンサCp が含まれている。(図をわかりやす
くするため、コイル20はアーク管16のまわりのその
動作位置には図示されていない。)コンデンサCp と
コイル20の並列組合わせはインピーダンス変成器とし
て動作して、アーク放電24のインピーダンスを安定器
負荷に反映する。阻止/同調コンデンサCs がコイル
20とコンデンサCp の並列組合わせと直列に接続さ
れている。詳しく説明すると、コンデンサCs は直流
電圧阻止と共振回路同調の両方の目的で使用される。上
記米国特許出願第472,144号明細書に述べられて
いるように、効率が最大となるインピーダンス整合が行
なわれるようにコンデンサCs およびCp が選定さ
れる。
【0022】本発明によれば、始動回路26には共振回
路が含まれており、共振回路には容量Co と直列に結
合されたインダクタンスLo が含まれている。共振回
路は、アーク管16の中でのアーク放電24を開始する
ためにRF電力を供給する高効率RF電源装置30の周
波数に同調している。容量Co は始動プローブ12と
励起コイル20との間の寄生容量で構成することが好ま
しい。安定器22と始動回路26との間の結合を最小に
するため、高効率RF電源装置30は安定器22よりも
高い周波数で駆動される。すなわち、アーク放電の開始
後に始動回路を不作動にするときにインダクタンスLo
 および容量Co を含む同調回路が励起コイル20に
よって励振されないように始動回路26の動作周波数は
選定しなければならない。更に、容量結合された始動電
流は、始動プローブを動かす必要もなく消滅される。安
定器22をたとえば13.50MHz で駆動した場合
、始動回路26の好ましい動作周波数は15から40M
Hz の範囲内にあり、27.12MHz が好ましい
周波数である。27.12MHz では、容量Co お
よびインダクタンスLo の数値例はそれぞれ1−2ピ
コファラドおよび17−34マイクロヘンリーである。
【0023】始動回路26を安定器22より充分に高い
周波数で駆動することのもう1つの利点は、充てん物の
電離が開始されると、放電を通して同じ電流を駆動する
ために必要な電圧が低くなる。詳しく説明すると、電離
が生じれば、放電インピーダンスが容量性になるにつれ
て電流が増大する。更に電離電流が大きくなる程、ソレ
ノイド状の全放電への遷移がより容易になる。その結果
、周波数は容量性インピーダンスに逆比例するので、比
較的高い周波数の始動装置を使うと、比較的低い始動回
路電圧でもグロー放電から高輝度ソレノイド状放電への
遷移がより容易になる。
【0024】独立の始動回路26を用いることの更にも
う1つの利点は、これを最適の時点に作動し、励起コイ
ル電流がその最大振幅に達するのとほぼ同時に始動電流
を発生することができるので、グロー放電から高光度ソ
レノイド状放電への遷移を妨げる恐れのある制動系の形
成が防止される。
【0025】図3は高周波RF電源装置30を含む始動
回路26の一実施例の概略回路図である。図示するよう
に、RF電源装置30にはD級電力増幅器が含まれてい
る。このD級電力増幅器には半ブリッジ構成で直流電源
VDDと直列に接続された2個のスイッチング素子Q3
 およびQ4 が含まれている。スイッチング素子Q3
 およびQ4 は図ではMOSFETとして示されてい
るが、IGBTまたはMCTのような容量性ゲートを持
つ他の型のスイッチング素子を使ってもよい。スイッチ
ング素子Q3 およびQ4 はそれぞれ入力隔離変圧器
36および38を介して高周波発振器34に結合されて
いる。D級電力増幅器26の動作は上記のD級安定器2
2の動作と類似しているが、D級回路26の周波数の方
が充分に高いことが好ましい。
【0026】図4は高効率E級電力増幅器を含む始動回
路26の別の実施例を示す。このE級電力増幅器には直
流電源VDDと直列に接続された単一のスイッチング素
子、ならびに直流電源VDDからの入力電流をほぼ一定
にするためのRFチョークLRFC が含まれている。 スイッチング素子Q5 は図ではMOSFETとして示
されているが、IGBTまたはMCTのような容量性ゲ
ートを持つ他の型のスイッチング素子を用いてもよい。 スイッチング素子Q5 は隔離変圧器40を介して高周
波発振器34に結合される。これにより、上記のように
安定器22より充分に高い始動回路動作周波数が与えら
れる。
【0027】本発明の実施例を図示し、説明してきたが
、このような実施例は例示のためのものに過ぎないこと
は明らかである。当業者は本発明を逸脱することなく多
数の変形、変化、および置換を考え付き得る。したがっ
て、本発明の範囲は請求範囲の記載により限定される。
【図面の簡単な説明】
【図1】無電極HIDランプの一部破断側面図を含む、
本発明の一実施例による始動回路を用いるHIDランプ
装置の一部の概略構成図である。
【図2】図1のHIDランプ装置のより詳細な概略回路
図である。
【図3】図2の始動回路の一実施例の概略回路図である
【図4】図2の始動回路の別の実施例の概略回路図であ
る。
【符号の説明】
10  無電極HIDランプ 12  始動プローブ 16  アーク管 20  励起コイル 24  アーク放電 26  始動回路 Q1 −Q5   スイッチング素子

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  励起コイルに第1の無線周波信号が印
    加されたときにアーク放電を励起するための充てん物が
    封入されているアーク管のまわりに配置された励起コイ
    ルを有する型式の無電極高光度放電ランプのための始動
    回路に於いて、少なくとも上記アーク管の中でアーク放
    電を開始する際、上記アーク管に近接して配置される始
    動プローブ、ならびに上記始動プローブに第2の無線周
    波信号を供給するために上記始動プローブに結合された
    高効率の無線周波電源装置であって、インダクタンスと
    容量とを直列接続した同調出力回路を含む無線周波電源
    装置、をそなえることを特徴とする始動回路。
  2. 【請求項2】  上記電源装置は、半ブリッジ構成で直
    列接続された第1および第2のスイッチング素子を持つ
    D級電力増幅器を有し、上記同調出力回路が上記スイッ
    チング素子相互の間の接続点に結合されている請求項1
    記載の始動回路。
  3. 【請求項3】  上記電源装置は、無線周波チョーク手
    段と直列に結合されたスイッチング素子を持つE級電力
    増幅器を有し、上記出力同調回路が上記スイッチングと
    上記無線周波チョーク手段との間の接続点に結合されて
    いる請求項1記載の始動回路。
  4. 【請求項4】  上記容量は、上記励起コイルと上記始
    動プローブとの間の寄生容量を含む請求項1記載の始動
    回路。
  5. 【請求項5】  上記始動プローブが薄片で構成されて
    いる請求項1記載の始動回路。
  6. 【請求項6】  上記薄片が銅よりなる請求項5記載の
    始動回路。
  7. 【請求項7】  上記第2の無線周波信号の周波数が上
    記第1の無線周波信号の周波数より高い請求項1記載の
    始動回路。
  8. 【請求項8】  上記第1の無線周波信号の周波数が約
    0.1MHz から30MHz の範囲内にあり、上記
    第2の無線周波信号の周波数が約1MHz から40M
    Hz の範囲内にある請求項7記載の始動回路。
  9. 【請求項9】  上記第2の無線周波信号の周波数が約
    27.12MHz であり、上記第1の無線周波信号の
    周波数が約13.56MHz である請求項8記載の始
    動回路。
  10. 【請求項10】  無電極高光度放電ランプ装置に於い
    て、充てん物の入っているアーク管のまわりに配置され
    た励起コイルを含む無電極高光度放電ランプ、上記励起
    コイルに第1の無線周波信号を供給することにより上記
    アーク管の中でアーク放電を励起するための安定器、少
    なくとも上記アーク管の中でアーク放電を開始する際、
    上記アーク管に近接して配置される始動プローブ、なら
    びに請求項1から9のうちのいずれか1項による始動回
    路であって、上記始動プローブに結合されて上記始動プ
    ローブに第2の無線周波信号を供給する始動回路であり
    、容量とインダクタンスとの直列接続を含む同調出力回
    路をそなえた始動回路、を含むことを特徴とする無電極
    高光度放電ランプ装置。
  11. 【請求項11】  上記安定器は、半ブリッジ構成で直
    列接続された2個のスイッチング素子を有すると共に、
    上記2個のスイッチング素子の間の接続点に結合された
    出力共振回路をそなえたD級電力増幅器を含み、安定器
    出力容量と直列接続された上記励起コイルのインダクタ
    ンスが上記出力共振回路に含まれている請求項10記載
    の高光度放電ランプ装置。
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