JP2006339102A - 放電灯点灯回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】 放電灯点灯回路の起動性を保証するとともに、そのために部品サイズやコストの著しい増加を伴わないようにする。
【解決手段】 放電灯10への電力伝送機能及び放電灯に起動用信号を供給するための始動機能を備えたトランス7と、直流−交流変換を行ってトランス7の出力を放電灯10に供給する直流−交流変換回路3と、起動用信号を放電灯10に印加するための起動回路4を備えた回路において、トランス7の一次側には、第1のコンデンサ11、整流素子を含む回路部13と、スイッチング素子14が設けられる。トランス7には起動用信号の発生に必要な電圧を起動回路に供給するための補助巻線7vが設けられており、該補助巻線と回路部13との間に第2のコンデンサ12が介挿され、起動用信号の発生時においてコンデンサ11によるエネルギー吸収を防ぎ、起動用信号が減衰しないように構成した。
【選択図】図1

Description

本発明は、トランスに設けられた補助巻線により得られる電圧を用いた起動回路を備え、トランスの主巻線を介して放電灯に起動用信号を印加する構成をもった点灯回路において、起動回路を構成するコンデンサ(スタータコンデンサ)による起動用信号の減衰を防ぐための技術に関する。
車両用照明光源に用いられる、メタルハライドランプ等の放電灯の点灯回路には、DC−DCコンバータの構成をもった直流昇圧回路と、直流−交流変換回路、起動回路を備えた構成が知られている。起動回路として、例えば、トランスの一次側にコンデンサ(スタータコンデンサ)と、スパークギャップ等の自己降伏型スイッチング素子を設け、該コンデンサの充電によってその端子電圧が所定の閾値を超えた場合に自己降伏型スイッチング素子が導通する構成において、トランスに一次電流を流して起動用パルス(あるいはスタータパルス)を発生させ、トランスの二次巻線から放電灯に印加することができる。
上記コンデンサを充電してエネルギーを蓄えるための回路としては、トランスに高圧発生用の補助巻線を設け、ダイオード等の整流素子を介して該補助巻線からの電圧をコンデンサに供給する構成が挙げられる。
ところで、上記の回路構成では、トランスを構成する主巻線(一次巻線及び二次巻線)と、高圧発生用の補助巻線とがコアを通じて磁気的に結合していることが問題とされる。即ち、放電灯の起動時に、トランスの一次巻線に高圧パルスが発生した際に、補助巻線にも該パルス発生に伴うサージ電圧が発生する。そのエネルギーがスタータコンデンサによって奪われると起動用信号を減衰させ、起動性の悪化に繋がる虞が生じる。
そこで、本発明は、放電灯点灯回路の起動性を保証するとともに、そのために部品サイズやコストの著しい増加を伴わないようにすることを課題とする。
本発明は、放電灯への電力伝送機能及び放電灯に起動用信号を供給するための始動機能を備えたトランスと、直流入力電圧を受けて交流変換を行って該トランスの出力を放電灯に供給する直流−交流変換回路と、起動用信号を放電灯に印加するための起動回路を備えた放電灯点灯回路において、下記に示す構成を有するものである。
・トランスの一次側には、第1のコンデンサと、整流素子を含む回路部と、スイッチング素子が設けられており、第1のコンデンサの端子電圧が上昇して該スイッチング素子が導通状態となったときにトランスの一次巻線に発生する信号が該トランスでの昇圧後に起動用信号として放電灯に印加されること。
・上記トランスには起動用信号の発生に必要な電圧を起動回路に供給するための補助巻線が設けられており、該補助巻線と上記回路部との間に第2のコンデンサが介挿されていること。
本発明では、起動用信号の発生時に第1のコンデンサによるエネルギー吸収を防止するために第2のコンデンサを設けている。即ち、第2のコンデンサは、起動用信号の発生時に高電圧が第1のコンデンサに直接印加されないようにして、起動用信号を減衰させない役目を有する。
本発明によれば、主巻線及び高圧発生用補助巻線を含むトランスを用いた回路構成において、放電灯の起動の確実性を保証することができる。
上記第1のコンデンサについては、複数のコンデンサを直列に接続して構成し、各コンデンサを流用して倍電圧整流回路を構成すると、部品サイズやコストの削減に有効である。
また、グランド電位を基準とする交流電圧が倍電圧整流回路に供給され、該交流電圧に係る正半波及び負半波の各期間での電荷移送によって第1のコンデンサが充電される構成を用いることにより、回路構成の簡素化や低コスト化を図ることができる。
補助巻線については、起動用信号の発生時に誘起されるサージ電圧が負電位となる極性をもって巻回し、上記回路部を構成する整流素子の一端を接地し、かつ該整流素子の他端を第2のコンデンサに接続すると、起動用信号の発生時におけるサージ電圧に関して第2のコンデンサの耐量を最低限に抑えることができるので、コスト面で有利になる。
また、少ない個数で上記第1のコンデンサを構成するためには、該コンデンサに常誘電体の積層セラミックコンデンサを用いることが好ましい(例えば、低耐圧かつ大容量のコンデンサを使用することができる。)。
図1は本発明に係る放電灯点灯回路の基本構成例を示すものであり、放電灯点灯回路1は、直流電源2から電源供給を受ける直流−交流変換回路3と起動回路4を備えている。
直流−交流変換回路3は、直流電源2から直流入力電圧(図の「+B」参照)を受けて交流変換及び昇圧を行うために設けられている。本例では、2つのスイッチング素子5H、5Lと、それらの駆動制御を行う制御手段6を備えている。つまり、高段側のスイッチング素子5Hの一端が電源端子に接続され、該スイッチング素子の他端が低段側のスイッチング素子5Lを介して接地されており、制御手段6によって各素子5H、5Lが交互にオン/オフされる。尚、図では簡単化のために素子5H、5Lをスイッチの記号で示しているが、電界効果トランジスタ(FET)やバイポーラトランジスタ等の半導体スイッチング素子が用いられる。
直流−交流変換回路3は、インダクタンス素子又はトランス及びコンデンサを含む直列共振回路を有する。本例では、直流−交流変換回路3が電力伝送用のトランス7を有しており、その一次側において共振用コンデンサ8と、インダクタ又はインダクタンス成分との共振現象を利用した回路構成が用いられている。つまり、構成形態としては、例えば、下記の3通りが挙げられる。
(I)共振用コンデンサ8とインダクタンス素子との共振を利用した形態
(II)共振用コンデンサ8とトランス7のリーケージ(漏れ)インダクタンスとの共振を利用した形態
(III)共振用コンデンサ8と、インダクタンス素子及びトランス7のリーケージインダクタンスとの共振を利用した形態。
先ず、上記(I)では、共振用コイル等のインダクタンス素子9を付設し、例えば、該素子の一端を共振用コンデンサ8に接続して、該コンデンサ8をスイッチング素子5Hと5Lとの接続点に接続する。そして、インダクタンス素子9の他端をトランス7の一次巻線7pに接続した構成が挙げられる。
また、上記(II)では、トランス7のインダクタンス成分を利用することで、共振用コイル等の追加が不要である。つまり、共振用コンデンサ8の一端をスイッチング素子5Hと5Lとの接続点に接続し、該コンデンサ8の他端をトランス7の一次巻線7pに接続すれば良い。
上記(III)では、インダクタンス素子9とリーケージインダクタンスとの直列合成リアクタンスを用いることができる。
いずれの形態でも、共振用コンデンサ8と誘導性要素(インダクタンス成分やインダクタンス素子)との直列共振を利用し、スイッチング素子5H、5Lの駆動周波数を直列共振周波数以上の値に規定して該スイッチング素子を交互にオン/オフさせれば、トランス7の二次巻線7sに接続された放電灯10(車両用灯具に用いるメタルハライドランプ等)を点灯させることができる。尚、制御手段6による各スイッチング素子の駆動制御において、スイッチング素子がともにオン状態とならないように相反的にそれぞれの素子を駆動する必要がある(オンデューティーの制御等に依る。)。また、直列共振周波数については、点灯前の共振周波数を「f1」、点灯状態での共振周波数を「f2」と記し、共振用コンデンサ8の静電容量を「Cr」、インダクタンス素子9のインダクタンスを「Lr」、トランス7の一次側インダクタンスを「Lp1」と記すとき、例えば、上記形態(III)において、放電灯の点灯前では、「f1=1/(2・π・√(Cr・(Lr+Lp1))」となる。例えば、駆動周波数がf1よりも低いとスイッチング素子の損失が大きくなり効率が悪化するので、f1よりも高い周波数領域でのスイッチング動作が行われる。また、放電灯点灯後には、「f2≒1/(2・π・√(Cr・Lr))」となる(f1<f2)。この場合も、f2よりも高い周波数領域でスイッチング動作が行われる。
トランス7は、一次巻線7p及び二次巻線7sを含む主巻線7Mと、放電灯10への起動用信号の発生用に設けられた高圧発生用の補助巻線7vを有する。
起動回路4は、放電灯10に起動用信号を供給するために設けられており、第1のコンデンサ11、第2のコンデンサ12、整流素子を含む回路部13(例えば、倍電圧整流回路等のチャージポンプ式回路)、スイッチング素子14(図にはスイッチの記号で簡略化して示す。)を用いて構成される。
トランス7の一次側には、第1のコンデンサ11、回路部13とスイッチング素子14が設けられており、補助巻線7vによって得られる電圧が第2のコンデンサ12を介して回路部13に供給され、第1のコンデンサ11が充電されて該コンデンサの端子電圧が所定の閾値を超えた時点でスイッチング素子14が導通状態となる。そのときにトランス7の一次巻線7pに発生する信号が該トランス7で昇圧されて放電灯10に印加される(交流変換された出力に対して起動用信号が重畳されて放電灯10に供給される。)。尚、本例では、自己降伏型スイッチング素子14の一端がコンデンサ11に接続され、該素子14の他端が一次巻線7pの中間タップに接続されている。
また、本例では、補助巻線7vと回路部13との間にコンデンサ12が介挿されているが、これに限らず、始動用巻線を用いた高圧発生部(コアや絶縁ボビンを含む)及びコンデンサ12を用いる等、各種形態での実施が可能である。
図1の構成において、トランス7は、放電灯10への電力伝送機能と、放電灯10に起動用信号を供給するための始動機能を兼ね備えており、制御手段6の下に直流−交流変換回路3で直流入力から交流への変換及び昇圧が行われて放電灯10の電力制御が行われる。放電灯10の起動時にはトランス7の補助巻線7vから供給される電圧に基づいて起動用信号が発生され、該トランス7の主巻線7Mを介して放電灯10に印加される。
尚、インダクタンス素子9(共振用コイル)や、二次巻線7sを用いて放電灯の始動に必要な一次電圧を得る方法も考えられるが、共振用コイルに補助巻線を追加した構成ではコアが大きくなり、損失の増加により熱的な問題が生じる(∵コア損はコア体積に比例する。)。あるいは、トランスの二次巻線を用いる方法では、高電圧パルスとされる起動用信号の発生時に該信号がコンデンサ11に印加されてしまい、パルスの減衰が問題となる。
そこで、トランス7の補助巻線7vを設け、起動用信号の発生に必要な電圧を得るとともに、コンデンサ12を用いた構成を採ることで、上記した各種の問題を解決することができる。
図2はトランス7の構成例を示す斜視図であり、本例では、E型コアとI型コアを用いた閉磁路型の構成を示している。
E型コア15とI型コア16を用いて構成される磁気コアにおいて、E型コア15の中脚に主巻線7M(図には外周に位置する二次巻線7sだけを示す。)が巻回されている。つまり、コア支柱(中脚)の中心軸に沿って、一次巻線7p、スペーサ17、二次巻線7s、絶縁ボビン18、スペーサを兼ねた端子台19が配置され、E型コア15には端子台20が取り付けられる。
本例では、中脚の周囲に一次巻線7pが配置され、その周囲に絶縁ボビン18が配置され、該絶縁ボビン18の外周に二次巻線7sが巻回された構成とされている。尚、図示は省略するが、E型コア15及びI型コア16を用いた磁気回路において、E型コア15の中脚の端部とI型コア16との間にはギャップが形成されている。
補助巻線7vは導電性線材を用いてボビン21に巻回されており、主巻線7Mが巻回されたコア支柱とは別のコア支柱(本例では、外脚)の外周に配置される。これは、主巻線7Mとの磁気的結合を弱くするためである。即ち、主巻線7Mと同程度の磁気結合をもって補助巻線7vを配置したのでは、放電灯の始動時に発生される起動用信号と同程度の高電圧パルスが補助巻線7vに誘起されてそれが前記コンデンサ11で吸収され、起動用信号の発生に必要なエネルギーを有効に利用できなくなる。主巻線7Mと補助巻線7vとの磁気的結合を弱めることにより、そのような不具合が起きないようすることができる。
図3は、トランス7を用いた起動回路の構成を例示したものである。本例22では上記回路部13が2つのダイオード23、24を用いて構成され、補助巻線7vによって得られる電圧に基づいて起動回路により起動用信号が発生され、これがトランス7の主巻線7Mを介して放電灯10に印加される。
コンデンサ11は、その一端がスパークギャップ等の自己降伏型のスイッチング素子14を介して、一次巻線7pの中間タップに繋がれている。そして、コンデンサ11の他端が接地され、トランス7の一次巻線7p及び二次巻線7sの一端(巻き始端)に接続されている。
ダイオード23は、そのアノードが接地され、該ダイオード23のカソードがダイオード24のアノードに接続されるとともに、コンデンサ12を介して補助巻線7vに接続されている。
ダイオード24は、そのカソードがコンデンサ11とスイッチング素子14との接続点に接続されている。
ダイオード23を介してコンデンサ12が充電される動作と、コンデンサ12からダイオード24を介してコンデンサ11が充電される動作とが繰り返されて、コンデンサ11の端子電圧が閾値を超えた時点でスイッチング素子14が導通状態となり、このときに高電圧パルスが発生し、トランス7の主巻線7Mでの昇圧後に放電灯10に印加される。
コンデンサ12は、高圧パルスの発生時に補助巻線7vに誘起される高電圧がコンデンサ11に印加されないようにする役目をもち、起動回路における一次電圧発生用の倍電圧整流回路の構成素子を兼ねている。
尚、本例に限らず、回路部13において多段階の昇圧回路を用いた構成でも構わない。
図4は、トランス及び起動回路の構成例25を示す回路図である。
本例では、複数のコンデンサ26、27を直列に接続することにより上記コンデンサ11に相当するスタータコンデンサが構成され、各コンデンサを流用して整流素子(ダイオード)とともに倍電圧整流回路を形成している。
ダイオード28とコンデンサ12とにより倍電圧整流回路が構成され、ダイオード28のアノードが接地されるとともに、該ダイオード28のカソードがコンデンサ12を介して補助巻線7vの一端に接続されている。尚、補助巻線7vの他端は接地されており、放電灯10に印加される起動用信号の発生時に誘起されるサージ電圧がグランド電位に対して負電位となる極性をもってコアに巻回されている。
倍電圧整流回路(28、12)からダイオード29及び抵抗30を介してコンデンサ27が充電されるように、ダイオード29のアノードがダイオード28のカソードに接続され、ダイオード29のカソードが抵抗30を介してコンデンサ27の一端に接続されている。尚、コンデンサ27の他端が接地されている。
コンデンサ26はコンデンサ27に対して直列に接続されており、該コンデンサ26の一端がスイッチング素子14に接続されている。該スイッチング素子14にはスパークギャップ等の自己降伏型素子が用いられる。
ダイオード31は、そのアノードがコンデンサ26と27との間に繋がれており、該ダイオードのカソードがコンデンサ32の一端に接続されている。
コンデンサ32は、ダイオード31に接続されない方の端子がダイオード28のカソード及びダイオード29のアノードに接続されている。
コンデンサ32に蓄えられた電荷は、ダイオード33及び抵抗34を介してコンデンサ26に移送されるように、ダイオード33のアノードがコンデンサ32の一端に接続されるとともに、該ダイオード33のカソードが抵抗34を介してコンデンサ26とスイッチング素子14との間に接続されている。
コンデンサ26の一端はスイッチング素子14を介して一次巻線7pの中間タップに接続されている。
図5乃至図8は図4の回路における各コンデンサの電荷移送の流れを示すものである。
トランス7の補助巻線7vを用いて、図中に点Pで示すダイオード28とコンデンサ32との接続点において正負に振動する高圧の交流電圧を発生させる。つまり、グランド電位を基準とする交流電圧が後段の倍電圧整流回路に供給され、以下に示すように、該交流電圧に係る正半波及び負半波の各期間での電荷移送によってコンデンサ26、27が充電される。
最初の半周期(負半波)にて、図5に矢印Aで示すように、ダイオード28からコンデンサ12へと電流が流れる。
次の正半波では、図6にて、コンデンサ12及びダイオード28を含む倍電圧整流回路により、図に矢印Bで示すように、ダイオード29の順方向に沿って該ダイオード及び抵抗30を通してコンデンサ27に電荷が蓄積される。
図7では、交流電圧に係る次の負半波において矢印Cに示すようにコンデンサ32に電荷が蓄えられる。つまり、コンデンサ32とダイオード31により倍電圧整流回路が形成される。
さらに、その次の半周期では、図8に矢印Dで示すように、ダイオード33の順方向に沿って該ダイオード及び抵抗34を通してコンデンサ26に電荷が蓄えられる。
コンデンサ26と27の静電容量は等しくされており、上記した電荷移送に従ってこれらのコンデンサには、倍電圧整流回路(28、12)による生成電圧のさらに2倍の電圧が発生する(補助巻線7vの電圧に対して4倍の昇圧が行われる。)。
コンデンサ26及び27に係る電圧が上昇してこれが閾値を超えた場合にスイッチング素子14が導通状態となって起動用信号が発生する。つまり、トランス7の一次巻線7pに発生する信号が、該トランスでの昇圧後に放電灯10に印加される。
上記構成において、コンデンサ12は、起動用パルスの発生時に、コンデンサ26及び27によるエネルギー吸収(延いてはパルス減衰に繋がる。)を防ぐ役目をもつ。つまり、高電圧発生用の補助巻線7vは上記したように弱いながらも主巻線7Mと磁気的に結合しているので、起動用信号である高圧パルスが発生した際に、補助巻線7vに該パルス発生に伴うサージ電圧が発生する。そのエネルギーがコンデンサ26及び27によって奪われると起動用信号の減衰に繋がるので、そのような不具合を防ぐためにコンデンサ12が設けられている。尚、コンデンサ12の静電容量は、上記交流電圧の周波数に対してコンデンサ26及び27を所定時間(つまり、スイッチング素子14の導通に好適な時間であり、数ミリ秒乃至数十ミリ秒程度とされる。)内で充分に充電可能な大きさに選定する。但し、起動用信号の減衰を抑えるためには、極力小さな容量にすることが望ましい。
また、サージ電圧の発生時におけるコンデンサ12の電位を確定するためにダイオード28が介挿されてそのアノードが接地されており、補助巻線7vについては、起動用信号の発生時に誘起されるサージ電圧がグランド電位に対して負電位となる極性で巻回されている。
スタータコンデンサを構成する複数のコンデンサ26、27には、常誘電体の積層セラミックコンデンサを用いることが回路の小型化等の面で好ましい。つまり、積層セラミックコンデンサに使用される誘電体は、強誘電体と常誘電体に分けられるが、強誘電体では充電に伴う静電容量の低下や圧電効果をもつため、常誘電体を用いることが望ましい。
また、複数のコンデンサを用いて所定の容量を得るための接続形態には並列接続による方法と、低耐圧で大容量のコンデンサを複数個直列に接続する方法が挙げられるが、少ない個数で必要な容量を確保するには後者が好ましい。つまり、積層セラミックコンデンサの耐圧は内部電極の距離で決まり、電極間距離が長い程耐圧は上がるが静電容量は下がる。コンデンサ外形の厚さが規格で決められており、必要な静電容量を確保する場合に、耐圧の低い大容量のコンデンサを直列に接続する方が、より少ない個数で済む(∵コンデンサ1個の内部を考えた場合に、その耐圧が低ければ内部電極1層当たりの容量が増え、かつ積層数を増やすことができるため。)。
上記した回路では、2個のコンデンサ26と27を直列に接続し、各コンデンサを倍電圧整流回路のコンデンサに兼用するとともに、補助巻線7vの電圧に対して4倍の昇圧を行っているため、該補助巻線7vの巻数を低減させることができ、トランス7の小型化に寄与する。また、起動用パルスの発生時におけるサージ電圧を抑えることで、構成部品の耐圧を下げ、コスト削減に有効である。
以上に説明したように本構成によれば、下記に示す利点が得られる。
・コンデンサ12を設け、起動用信号の発生時にコンデンサ26、27によるエネルギー吸収を防ぐことができ、また、該コンデンサを用いて倍電圧整流回路を形成できること
・グランド電位を基準として正負に変化する交流電圧を倍電圧整流回路に供給することで該回路を比較的少数の部品で構成できること
・起動用信号の発生時に補助巻線に発生するサージ電圧がグランド電位に対して負電位となる極性で補助巻線を巻回するとともに、ダイオード28の作用によりコンデンサ12の該ダイオード側電位がグランドに固定されること(これにより、コンデンサ12における補助巻線7v側の端子には該補助巻線によるサージ電圧以上の電圧が印加されないことが保証され、その結果、該コンデンサ12の耐量を最低限に抑えることができ、コスト低減に有効である。また、ダイオード28の作用により、起動用信号の発生時におけるダイオード29のアノード電位が固定されるため、抵抗30のサージ耐量を抑えることができる。)
・耐圧が低くかつ大容量とされる、複数の積層セラミックコンデンサを直列に接続した形態において、最小個数のコンデンサで必要な静電容量を確保できること
・コンデンサ及びダイオードを用いたチャージポンプ式の電荷移送により、4倍昇圧を行うことで補助巻線の巻数を減らし、トランスの小型化に寄与すること。
本発明に係る放電灯点灯回路の回路構成例を示す図である。 トランスの構成例を示す斜視図である。 起動回路の構成例を示す回路図である。 起動回路の別例を示す回路図である。 図6乃至図8とともに、図4の回路における電荷移送について説明するための図であり、本図はコンデンサ12の充電経路を示す説明図である。 コンデンサ27の充電経路を示す説明図である。 コンデンサ32の充電経路を示す説明図である。 コンデンサ26の充電経路を示す説明図である。
符号の説明
1…放電灯点灯回路、3…直流−交流変換回路、4…起動回路、7…トランス、7p…一次巻線、7v…補助巻線、10…放電灯、11…第1のコンデンサ、12…第2のコンデンサ、13…回路部、14…スイッチング素子、23、24…整流素子、26、27…コンデンサ、28、29、31、33…整流素子

Claims (5)

  1. 放電灯への電力伝送機能及び放電灯に起動用信号を供給するための始動機能を備えたトランスと、直流入力電圧を受けて交流変換を行って該トランスの出力を放電灯に供給する直流−交流変換回路と、上記起動用信号を放電灯に印加するための起動回路を備えた放電灯点灯回路において、
    上記トランスの一次側には、第1のコンデンサと、整流素子を含む回路部と、スイッチング素子が設けられており、上記第1のコンデンサの端子電圧が上昇して上記スイッチング素子が導通状態となったときに上記トランスの一次巻線に発生する信号が該トランスでの昇圧後に上記起動用信号として放電灯に印加されること、
    上記トランスには上記起動用信号の発生に必要な電圧を上記起動回路に供給するための補助巻線が設けられ、該補助巻線と上記回路部との間に第2のコンデンサが介挿されている
    ことを特徴とする放電灯点灯回路。
  2. 請求項1に記載した放電灯点灯回路において、
    複数のコンデンサを直列に接続することにより上記第1のコンデンサを構成するとともに、各コンデンサを流用して上記整流素子とともに倍電圧整流回路を構成した
    ことを特徴とする放電灯点灯回路。
  3. 請求項2に記載した放電灯点灯回路において、
    グランド電位を基準とする交流電圧が上記倍電圧整流回路に供給され、該交流電圧に係る正半波及び負半波の各期間での電荷移送によって上記第1のコンデンサが充電される
    ことを特徴とする放電灯点灯回路。
  4. 請求項1又は請求項2又は請求項3に記載した放電灯点灯回路において、
    上記補助巻線は、上記起動用信号の発生時に誘起されるサージ電圧が負電位となる極性をもって巻回されており、
    上記回路部を構成する整流素子の一端が接地され、かつ該整流素子の他端が上記第2のコンデンサに接続されている
    ことを特徴とする放電灯点灯回路。
  5. 請求項2又は請求項3又は請求項4に記載した放電灯点灯回路において、
    上記複数のコンデンサとして、常誘電体の積層セラミックコンデンサを用いた
    ことを特徴とする放電灯点灯回路。
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