JPH10337035A - 圧電トランスの駆動回路 - Google Patents
圧電トランスの駆動回路Info
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Abstract
場合、点灯直後では駆動回路に供給する電力が一時的に
増加するため電源の容量を増加させなければならず、電
源のコストアップを招いていた。 【解決手段】 電源から圧電トランスの駆動回路に供給
する電流値を検出し、この電流の最大値が所定値以上に
なった場合に、第2の周波数によってパルス幅変調(P
WM)調光を行い、駆動回路で消費する電流を減少さ
せ、電源電流が所定値より増加しないように制御する。
Description
直流電圧源から高圧の交流電圧に変換し、冷陰極管等の
放電管を点灯させる圧電トランスの駆動回路に関する。
電圧を変換する素子であり、冷陰極管等の放電管を点灯
するための高圧を発生させるインバータとして、高圧電
源などの用途に利用されているものである。この圧電ト
ランスを駆動するための回路としては、特開平8−10
7678号公報に技術が開示されており、図5がそのブ
ロック図である。
19が接続されており、周波数掃引発振器113で発生
させた圧電トランス110の共振周波数付近の信号を駆
動回路19に供給する。駆動回路19では電源11から
昇圧した正弦波を発生させ、圧電トランス110を駆動
する。圧電トランス110の2次側は冷陰極管111の
高圧側に接続されている。この冷陰極管111の低圧側
は、負荷電流比較回路112に接続されており、圧電ト
ランス110から冷陰極管111を流れた電流は負荷電
流比較回路112に入力される。この回路で電流−電圧
変換を行い、所望の負荷電流値に相当する基準電圧Vr
efAと比較する。この負荷電流比較回路112の出力
は、周波数掃引発振器113に接続されており、この比
較結果により圧電トランス110の駆動周波数の掃引方
向を決定する。
が最大になり、その周波数の低域および高域では急激に
昇圧比が低下する昇圧特性を有している。この性質を利
用して、冷陰極管111を流れた電流値が所望の値に達
した場合には、周波数掃引発振器113の出力周波数を
高域側に変更し、圧電トランス110の昇圧比を低下さ
せて冷陰極管111に出力する電流値を減少させる。負
荷電流が所望の値より小さい場合には、周波数掃引発振
器113の出力周波数を低域側に変更して冷陰極管11
1に出力する電流値を増加させる制御を行う。従って周
波数掃引発振器113は、圧電トランス110が所望の
負荷電流を発生する付近の周波数を出力するように制御
されることになる。
ランス駆動回路は、以上の回路構成によって、一定の交
流電流を冷陰極管に流すことができるインバータを実現
するものである。
明した特開平8−107678による圧電トランスとそ
の駆動回路によってインバータを構成し、冷陰極管を負
荷として点灯させた場合、電流容量の大きい電源を使用
する必要があることである。
に保つように制御を行うと、電源から圧電トランスの駆
動回路に流れる直流電流IDDが、点灯直後において図
4(a)に示すように数分以内の時間の間にピークとな
り、その後、減少したのちに一定の電流値になる現象が
あるためである。これは冷陰極管111として使用する
冷陰極管の温度特性に起因して発生する。冷陰極管には
点灯直後や周囲温度が低い場合に、この管電圧が高くな
る特性がある。しばらく冷陰極管を点灯させるとその自
己発熱によって温度が上昇したのち、一定の温度で平衡
状態となる。そこで駆動回路が冷陰極管に一定の電流を
流す制御を行うと、点灯直後は管で消費する電力が増加
することになる。このため電源から駆動回路に一定電圧
の直流を供給する場合、この電流は増加することにな
る。同様に周囲温度が低い場合には管電圧が高くなるた
め、常温に比べて駆動回路で必要な電流も増加すること
になる。そこでこの駆動回路の電源の電流容量は、点灯
直後のピーク電流や、使用する環境温度の最低の温度に
おいても、電流を供給するように余裕を持たせなければ
ならず、電源のコストアップを招いていた。
定することができないことである。
の温度特性に起因するので、冷陰極管の種類ごとに、こ
の電力の増加分がどのように変化するかを求める必要が
あり、冷陰極管の温度特性の評価なしに電源の最大出力
電流値を算出できないためである。
極管を負荷とした駆動回路の場合、出力電流を制限する
手法としてよく用いられる方式である駆動周波数におい
てパルス幅変調(PWM:Pulse Width M
odulation)を行い出力電流を制限する過電流
保護回路が使用できないことである。
では冷陰極管の輝度を不安定にせずに、回路電流を制限
することができないためである。
3−35171号公報に技術が開示されており、ブロッ
ク図を図6に示す。Vinは直流電源であり、昇圧用の
電磁トランスT1の一次側の一方に接続されている。ま
た電磁トランスT1の一次側の他方にはスイッチング素
子Q1が接続されており、スイッチング素子Q1のソー
ス側には、過電流検出用の抵抗R2が接続されている。
R1、C1はスイッチングによるスパイク状の電流を除
去するための回路である。電磁トランスの2次側のD
1、D2、L1、C2はそれぞれ整流ダイオード、フラ
イホイールダイオード、平滑用インダクタ、平滑用コン
デンサである。
力電流Ioが、所定の値以上になると過電流検出用の抵
抗R2に流れる電流iR2もこれに比例して増加する。
このiR2の値が規準値よりも大きくなると、図6の回
路中のAのループでPWM回路にフィードバックし、ス
イッチング素子Q1のオン期間を短縮する。更に、Bの
ループで発振回路にも過電流検出信号をフィードバック
する。
負荷に供給する電流を制限することができるように構成
されている。
されている従来技術は、特開平6−311734号があ
る。図7がその原理図であり、以下この図面について説
明する。
る。また、コイルLa、ダイオードDa、コンデンサC
aは、整流平滑に用いられる。また、スイッチング素子
としてMOS−FETを用いている。MOS−FETが
オンしているときの飽和電圧は、MOS−FETのオン
抵抗によりMOS−FETの通過電流に正比例する。こ
の特性を利用しMOS−FETがオンの状態で、出力が
短絡などによる過電流が入力端から電源回路に流れた場
合、ドレイン電流をMOS−FETのオン抵抗による電
圧降下Vdsとして検出する。次に検出部の分圧抵抗R
aとRbで分圧した電圧とツェナーダイオードZDによ
る基準電圧とをコンパレータで比較し、その比較信号を
PWM制御回路の時比率制御端子に入力する。検出部の
分圧抵抗RaとRbの分圧した電圧が基準電圧を越える
と、スイッチング素子のオン時間を狭くして、過電流保
護を行うものである。
昇圧機能を持つ電磁トランスや、コイルの駆動周波数に
おいて、これらの素子に電流を流すスイッチング時間を
PWMによって制御して、電磁トランスやコイルに入力
する電流を制限するものである。しかしこの方法は、圧
電トランスを使用した冷陰極管の駆動回路には適用でき
ない問題点がある。その理由を次に説明する。
る圧電トランスとその駆動回路では、冷陰極管111に
供給する電流が一定になるように圧電トランス110の
駆動周波数を制御して、この昇圧比を変化させている。
冷陰極管111の管電圧を制御していないので、前に述
べたように冷陰極管の温度特性によって管電圧が変化し
た結果、管の消費電力が増加することは回避できないこ
とになる。
付近でしか昇圧する能力を持たず、電磁トランスのよう
に広い電送帯域を有しないため、圧電トランス110を
駆動するには正弦波、またはこれに近い波形を用いなけ
れば、圧電トランスの効率が低下することになる。たと
えこの効率低下を許容した上で、PWM波形によって圧
電トランス110を駆動し、電源11から供給する電流
値を所定値以内に制御する方法を採用すると仮定した場
合においても、前述したように圧電トランス110の駆
動周波数を制御して昇圧比を可変しているので、所定の
管電流が冷陰極管111に供給できなくなる。このため
周波数掃引発振器は圧電トランス110の共振周波数に
ロックできず、この発振周波数範囲を掃引し続けるた
め、冷陰極管は安定に点灯できないことになる。そこで
輝度が急変してしまい光源としては不適当な動作をする
ことになる。
のような負荷を点灯している場合は、消費電流が増加し
ても光源が不安定になる動作は許されず、安定した光量
を保つ必要があるため、電磁トランスの場合に駆動周波
数でPWM制御を用いて出力電流を制限することはでき
ない問題がある。
率良く圧電トランスを使用して冷陰極管を点灯させる回
路において、電源から供給される電流が所定値を越えな
い回路を提供することにある。
め、本発明では、圧電効果を利用して1次端子から入力
した電圧を2次端子に出力する圧電トランスと、前記圧
電トランスの2次端子に接続した冷陰極管と、前記圧電
トランスに共振周波数の駆動電圧を供給する駆動手段
と、前記冷陰極管に流れる負荷電流を検出し、前記負荷
電流が所定値になるように第1の周波数を前記駆動手段
に供給する周波数掃引発振器と、前記駆動手段に直流電
源から供給される入力電流を検出し、この電流値が所定
値以上になった場合に第2の周波数のPWM信号を発生
する電源電流制限手段から構成され、前記PWM信号に
よって前記駆動手段を周期的に停止させ、前記入力電流
が所定値以上にならないように、前記PWM信号の時比
率を制御することを特徴とする。前記PWM信号によっ
て前記駆動手段が前記圧電トランス駆動を停止する期間
において、前記周波数掃引発振器が前記第1の周波数の
近傍を保持し、前記圧電トランスの駆動が再開した場合
に、前記第1の周波数の近傍によって前記圧電トランス
を駆動することを特徴とする。また、前記第2の周波数
が前記第1の周波数より低く、かつ60Hzより高いこ
とを特徴とする。
は、圧電効果を利用して1次端子から入力した電圧を2
次端子に出力する圧電トランスと、前記圧電トランスの
前記2次端子に接続した冷陰極管と、前記圧電トランス
に共振周波数の駆動電圧を供給する駆動手段と、前記冷
陰極管に流れる負荷電流を検出し、前記負荷電流が所定
値になるように第1の周波数を前記駆動手段に供給する
周波数掃引発振器と、前記冷陰極管で消費する電力を検
出し、この電力値が所定値以上になった場合に第2の周
波数のPWM信号を発生する電源電流制限手段から構成
され、前記PWM信号によって前記駆動手段を周期的に
停止させ、前記入力電流が所定値以上にならないよう
に、前記PWM信号の時比率を制御することを特徴とす
る。前記PWM信号によって前記駆動手段が前記圧電ト
ランスの駆動を停止する期間において、前記周波数掃引
発振器が前記第1の周波数の近傍を保持し、前記圧電ト
ランスの駆動が再開した場合に、前記第1の周波数の近
傍によって前記圧電トランスを駆動することを特徴とす
る。また、前記第2の周波数が前記第1の周波数より低
く、かつ60Hzより高いことを特徴とする。
陰極管を点灯させる回路において、冷陰極管の点灯直後
や、低温環境時の電源電流の増加時に、駆動周波数より
充分低く、しかも目にちらつきを感じない60Hz以上
の周波数でPWM調光を行うことによって、駆動回路に
流れ込む平均電流を所定電流以内に制限することができ
る。そこで電源の電流マージンを減少できるため電源の
コストダウンが可能となる作用がある。
て図面を参照して説明する。図1は本発明による第1の
実施の形態のブロック図である。以下図面について詳細
に説明する。
回路であり、13は電流検出回路、14はCMP(比較
器)、15は積分器、16は時分割駆動制御回路、17
は電流検出用抵抗、19は駆動回路、110は圧電トラ
ンス、111は冷陰極管、112は負荷電流比較回路、
113は周波数掃引発振器である。
検出回路112に流れ込む。この電流値を基準電圧Vr
ef2と比較して結果を周波数掃引発振器113に出力
し、冷陰極管111に流れる電流値が一定になるように
圧電トランス110の駆動周波数を決定する。この周波
数掃引発振器113から出力された信号が駆動回路19
に入力される。また、この駆動回路19には、電源11
から電力が供給されており、周波数制御回路113から
出力された信号を圧電トランス110を駆動する正弦波
の電圧波形に変換し圧電トランス110を駆動する。
掃引発振器113の内部構成を示した図である。冷陰極
管111を流れた電流Ioは電流電圧比較回路20で電
圧に変換され、整流回路21によってIoに比例した直
流信号になる。そこでCMP22で基準電圧Vref2
と比較され、この結果は2値の信号として周波数掃引発
振器113の積分器23に入力される。冷陰極管111
を流れた電流値が基準電圧Vref2に相当する電流値
より小さい場合、CMP22はロウ(Low)レベルの
信号を出力する。そこで積分器23は時間の経過に比例
して出力電圧が増加する。VCO25は入力電圧に反比
例して出力周波数が低下するように構成された電圧制御
発振回路であり、冷陰極管111を流れる電流値Ioが
Vref2で決めた値より小さな場合には、時間の経過
とともに低くなる信号を駆動回路19に供給する。CM
P24は積分器23の出力電圧が基準電圧Vminより
大きくなると積分器23にリセット信号を供給し、積分
器23の出力電圧を最低電圧にする。そこでVCO25
の出力周波数は速やかに最高周波数にセットされること
になる。この動作は冷陰極管111を流れる電流値が所
定値以下の場合、VCO25の最高周波数側から次第に
低域側に掃引され、最低周波数になると再び最高周波数
に設定される動作を繰り返す。このVCO25の発振周
波数の範囲に圧電トランス110の共振周波数が含まれ
るように設定しておくと、VCO25の発振周波数が高
域側から低域側に掃引されるに従って、次第に圧電トラ
ンス110の昇圧比が増加し、冷陰極管111に流れる
電流値が増加することになる。そこで、基準電圧Vre
f2より整流回路21の出力電圧が大きくなるとCMP
22の出力はハイ(High)レベルに変化する。そこ
で積分器の出力電圧は僅かづつ低下するため、VCO2
5の発振周波数は上昇することになる。
るため、冷陰極管111を流れる電流値は低下してCM
P22の出力は再びLowレベルに戻る。このようにC
MP22は、基準電圧Vref2で定まる負荷電流を供
給する駆動周波数の付近で、頻繁に出力レベルを変化さ
せることで圧電トランス110の駆動周波数を決定する
動作を行う。
検出回路13、CMP14、積分器15、時分割駆動制
御回路16で構成されており、電流検出用抵抗17の両
端の電位差を電流検出回路13で電圧に変換し、CMP
14の反転入力側に入力している。このCMP14の非
反転入力側は、電源電流の最大値に相当する電圧Vre
fが入力されている。もし抵抗17に流れる電流が設定
値より大きくなった場合には、CMP14はLOWレベ
ルを出力する。このCMP14の出力は積分器15に接
続されており、高域成分が除去されるのでLOWレベル
入力信号が続くと次第に出力電圧は増加する。この積分
器15の出力は時分割駆動回路16に入力される。この
時分割駆動回路16は、圧電トランス110の駆動周波
数より十分低い周波数で、しかも目にちらつきを感じな
い数100Hzの周波数を発振するPWM発振回路で構
成されており、積分器15の出力電圧が高くなるに従っ
てHighレベルの時間が長くなるPWM信号を出力す
るように構成されている。このPWM信号は駆動回路1
9と周波数掃引発振器113に出力される。駆動回路1
9はこのPWM信号がHighレベルの期間には圧電ト
ランスの駆動を停止し、周波数掃引発振器113は負荷
電流比較回路112の信号を無視して駆動周波数を一定
に保つ動作を行う。駆動回路19は圧電トランス110
の駆動を停止すると、負荷の冷陰極管111に電流が流
れず、負荷電流比較回路112は、圧電トランス110
の駆動周波数を低域側に掃引する。そこで時分割駆動制
御回路16が次の周期で圧電トランスを駆動する場合
に、昇圧比が低下しすぎてしまい、冷陰極管111の点
灯の失敗を防止することができる。
M信号がLOWレベルになると、駆動周波数が変化して
いないので同じ周波数で圧電トランス110の駆動を再
開し、冷陰極管111を即時に点灯することができる。
この動作の結果、図1の圧電トランスの駆動回路は、時
分割制御回路16が出力する駆動周波数より十分低い周
波数のPWM信号の割合で間欠動作を行うため、電源1
1から供給される電流IDDの平均電流値は減少する。
そこでIDDは図4(b)のように、設定した値以上に
はならない結果になる。 〔実施例〕次に上記実施の形態の具体例について詳細に
説明する。図1を参照すると、本発明の実施例は、圧電
トランス110の素子は42×5.5×1mmのサイズ
であり、共振周波数は約118kHzである。この圧電
トランス110の入力電圧は正弦波で約50Vrms、
出力電圧は約600Vrmsで約12倍の昇圧比を持
つ。冷陰極管のインピーダンスは約120kΩで、約5
mArmsの電流が流れる。電源11の電圧は約12V
の直流電圧を供給する。駆動回路19はこの直流12V
から118kHzの約50Vrmsの交流正弦波に変換
する。
から130kHzの周波数範囲を掃引することができ
る。時分割駆動回路16は積分器15の出力電圧に応じ
て常にLowレベルの信号から、周波数が210Hzで
デューティ比の変化する信号を発生する回路である。
面を参照して説明する。図2は、電力検出回路115を
付加することによって、圧電トランスの駆動回路で消費
する電源電流の上限値を制御する一実施例を示すもので
ある。
路19、負荷電流比較回路112、周波数掃引発振器1
13の動作に関しては図1の例と同等である。本回路で
は、冷陰極管111の低圧側に負荷電流検出回路114
と電力検出回路115が接続されている。電力検出回路
115は、冷陰極管111の高圧側の電圧と、冷陰極管
111を流れる電流の積を算出することによって、冷陰
極管111の消費する電力を求め、この結果をCMP1
4の反転入力端子に出力する。
荷電力114に相当する電圧Vrefが接続されてお
り、冷陰極管111で消費する電力がこの値を超えた場
合には、図1と同等に分割駆動制御回路16がPWM信
号を発生させて、電源11からこの圧電トランスの駆動
回路に供給する電流IDDが、所定値以上にならないよ
うに動作する。
スの駆動回路に接続する電源の最大電流を、CMP14
で設定したVrefの電流に設定できるので、余分ピー
ク電流分の増加を見込む必要が不要になる。そこで電源
のコストダウンをはかれる効果がある。
費する電流値が所定値以上にならない様にPWM制御を
行い、冷陰極管の輝度を低下させて消費電力平均値を制
御するためである。
る電源の最大電流値を容易に設定できることである。
た本発明の駆動回路が消費する電力を測定し、Vref
で最大電流値を設定しておけばよいため、駆動回路が点
灯直後にどれだけのピーク電流を流すかを評価すること
や、低温環境下の消費電流を評価する必要がないからで
ある。
るために冷陰極管の輝度を低下させても安定な輝度で点
灯するので、使用者には特に違和感を与えない効果があ
る。
力される電流値が所定値より大きくなった状態の時だけ
PWM方式で輝度を低下させる動作を行うが、冷陰極管
は点灯直後の輝度は定常時の輝度に比べると低いこと、
低温環境下では輝度が常温時より低下する特性があるた
め使用上の問題はない。さらに本発明においてはPWM
の時比率が連続的に変化するため、人間の目には連続的
な輝度変化として認識できないためである。
動回路のブロック図。
動回路のブロック図。
数掃引発振器113のブロック図。
化を示すグラフであり、(b)は、図1および図2によ
る電源電流IDDの点灯後の変化を示すグラフ。
図。
いた電源回路図。
いた電源回路図。
Claims (5)
- 【請求項1】 圧電効果を利用して1次端子から入力し
た電圧を2次端子に出力する圧電トランスと、前記圧電
トランスの2次端子に接続した放電管と、前記圧電トラ
ンスに共振周波数の駆動電圧を供給する駆動回路と、前
記放電管に流れる負荷電流を検出し、前記負荷電流が所
定値になるように第1の周波数を前記駆動回路に供給す
る周波数掃引発振器と、前記駆動回路に直流電源から供
給される入力電流を検出し、この電流値が所定値以上に
なった場合に第2の周波数のパルス幅変調(PWM)信
号を発生する電源電流制限回路とを有し、前記PWM信
号によって前記駆動回路を周期的に停止させ、前記入力
電流が所定値以上にならないように、前記PWM信号の
時比率を制御することを特徴とする圧電トランスの駆動
回路。 - 【請求項2】 圧電効果を利用して1次端子から入力し
た電圧を2次端子に出力する圧電トランスと、前記圧電
トランスの2次端子に接続した放電管と、前記圧電トラ
ンスに共振周波数の駆動電圧を供給する駆動回路と、前
記放電管に流れる負荷電流を検出し、前記負荷電流が所
定値になるように第1の周波数を前記駆動回路に供給す
る周波数掃引発振器と、前記放電管で消費する電力を検
出し、この電力値が所定値以上になった場合に第2の周
波数のPWM信号を発生する電源電流制限回路とを有
し、前記PWM信号によって前記駆動回路を周期的に停
止させ、前記入力電流が所定値以上にならないように、
前記PWM信号の時比率を制御することを特徴とする圧
電トランスの駆動回路。 - 【請求項3】 前記PWM信号によって前記駆動回路が
前記圧電トランスの駆動を停止する期間において、前記
周波数掃引発振器が前記第1の周波数の近傍を保持し、
前記圧電トランスの駆動が再開した場合に、前記第1の
周波数の近傍によって前記圧電トランスを駆動すること
を特徴とする請求項1または2記載の圧電トランスの駆
動回路。 - 【請求項4】 前記第2の周波数が前記第1の周波数よ
り低く、かつ60Hzより高いことを特徴とする請求項
1または2記載の圧電トランスの駆動回路。 - 【請求項5】 前記放電管は冷陰極管であることを特徴
とする請求項1または2記載の圧電トランスの駆動回
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