JP2008536459A - 放出電子機器を伴うロイヤー発振器 - Google Patents

Abstract

本発明の分野は主として光弁を用いてディスプレイ画面の照明、特にＬＣＤ画面とも呼ばれる液晶マトリックス・ディスプレイのために使用されるライトボックスに関する。使用される光源は、一般にロイヤー電子発振器を含む装置により高電圧で給電される蛍光管である。これらの電子発振器は、一定の用途に必要となり得る、広い輝度のダイナミックレンジを容易には獲得することができない。本発明による発振器は蓄えられた電気エネルギーを放出するための電子装置を備え、前記放出装置はチョッピング変調を用いて電子制御装置により制御され、従って広い輝度のダイナミックレンジを獲得することを可能にする。本発明の幾つかの実施形態が提案されている。
【選択図】図８

Description

本発明の分野は主として光弁を用いてディスプレイ画面の照明、特にＬＣＤ画面と呼ばれる液晶マトリックス・ディスプレイのために使用されるライトボックスに関する。

本適用分野は、より具体的には昼間の明るい太陽の下で、そして夜の低い光量の下で使用されるために、放射される光量の調節における広いダイナミックレンジを必要とする、航空機の機上ディスプレイに関する。放射される光を調節するためのこの機能は「調光」と呼ばれる。より一般的には、本発明はテレビ又はパソコン用モニタのいずれかとして用いられて、広いダイナミックレンジの輝度を要する、民生品領域であるフラットディスプレイ画面にもまた適用され得る。

一般的に言えば、ライトボックス用の光源は蛍光管である。これらの管は殆どの場合、陰極フィラメントの予熱を必要としない冷陰極管又はＣＣＦＬ（冷陰極蛍光灯）と呼ばれるタイプのものである。これらの光源はその高信頼性に加えて、その高輝度、優れた変換効率、限られたサイズなど多くの利点を提供する。

しかしながら、それらの実装は、それらが１０００Ｖを超えた、高い交流制御電圧を必要とする点でかなり複雑である。これらの電圧の周波数は一般的に数十ｋＨｚである。これらの制御電圧は殆どの場合、低電圧電源から供給される。そのとき別個の電源装置が、この低電圧から出発して蛍光管の正常な動作に必要な交流の高電圧を供給する。これらの電源装置は「インバータ」と呼ばれる。図１はそのような電源装置の回路図を示す。それはインバータ・タイプの装置１を含む。この装置１は数Ｖの低電圧直流電源２により給電される。高い交流電圧は、ランプにおける電流を制限する「安定コンデンサ」として知られるコンデンサＣＢを経由して蛍光管３に配電される。「調光」制御４は蛍光管により放射される輝度が調節されることを可能にする。

これまでの大径の照明管は初歩的な電気機械的電源システムを含んでいた。現在、電源装置の心臓部はロイヤー発振器として知られる電子発振器システムである。この構成は非常に単純な構造と低い製造コストの利点を示す。それは今日、ディスプレイ装置用の照明源として広く使用されている、小型のＣＣＦＬとして知られる蛍光灯の励磁の分野において広汎に用いられている。

図２に示すように、ロイヤー構造は主として、
・変圧器であって、
−二つの部分Ｐ１とＰ２を含む、並列に置かれたコンデンサＣＡと関連する第一の一次磁気巻線と、
−第二の二次巻線ＳＨＴと、
−巻線が従来の方式で磁気回路Ｔの周りに巻かれ、その電圧上昇が二次巻線の巻数に対する一次巻線の巻数比率に実質的に比例する第三の巻線ＳＲと
を備えた変圧器と、
・一次巻線Ｐ１、Ｐ２と並列に接続され、振動周波数を決定する同調回路と、
・ヘッドコイルＬＴとして知られる誘導コイルと
を含む。

変圧器の巻線ＳＨＴは電圧上昇を与え、各蛍光灯に関連する安定コンデンサＣＢを経由して蛍光灯に高電圧信号ＨＴを送る。

変圧器の巻線ＳＲは振動を維持するために設計された同調回路にフィードバック信号を送る。

誘導コイルＬＴは、第一の一次巻線のＰ１部分とＰ２部分との間の変圧器の中間タップが、その電圧変化を許容するために、高インピーダンスにおいて偏倚することを可能にする。

振動の維持は巻線ＳＲの端子を渡って設置される電子装置１０により制御される、二つのスイッチＱ１及びＱ２を用いて達成される。この装置は抵抗器ＲＰを経由して電源２により給電される。前記各スイッチは交代で誘導コイルＬＴにより供給された電流をアースに引き込む。Ｑ１及びＱ２はＭＯＳＦＥＴタイプのトランジスタ、又はバイポーラトランジスタであり得る。それらの制御はその時、それらの伝導のしきい値に固定された共通のバイアスと、巻線ＳＲから来るフィードバック電圧との重ね合わせにより行われ、二つのスイッチの間の差動モードに適用される。

調光機能は輝度の調節を実行する。これは時変調によって達成される。このタイプの制御はパルス幅変調又はＰＷＭ制御と呼ばれる。活性状態の持続時間は固定された変調期間にわたって制御される。この固定された期間に対応する周波数は、人間の目によって知覚できる最大周波数を超えるように、一般的に１００〜３００Ｈｚの間にある。従って、網膜の残像はパルス状の輝度の早い変化を統合し、目は変調期間にわたる活性状態の持続時間の比率に比例する平均的な輝度を知覚するのみである。

このタイプの装置では、輝度の可能なダイナミックレンジは通常１：５０であり、稀に１：１００を超える。

しかしながら、或る用途において、このダイナミックレンジでは不十分である。従って、航空機の操縦席内に配置されるディスプレイ画面に対して、輝度のダイナミックレンジに対する要求は最小で１：１０００である。

不活性状態の期間の制御は、ロイヤー構造において二つの異なる方法で達成され得る。
・その機能が調光指令により制御されるスイッチＱＳＴＯＰによって行なわれる、図３に示すような二つの保持スイッチＱ１及びＱ２の遮断。この遮断はスイッチＱ１及びＱ２の制御のバイアスを接地することにより得られる。この方法には、誘導コイルＬＴ内に蓄えられたエネルギーの流出において固有の過電圧に対する保護が働くとき、振動へのリズムの急激な変化を導くという欠点がある。これらの急激な変化は次に、調光の低い負荷サイクル又は低いＰＷＭ比率において、ランプの光応答の変動を生み出す。そのとき「フリッカ」が放射される光エネルギーにおいて観察される。
・図４に示すような電源と直列の追加スイッチＱＳＴＯＰの設置。それは停止の後に発振器を自然に作動させる。この場合、誘導コイルＬＴの過電流保護は発振器の働きの延長を妨げない。リズムのこの保持の結果は、更に大きく輝度を減少させる可能性を開く。この解決策は主として、調光の最も広いダイナミックレンジを要するが、しかし容易にその要求レベルには達することができないシステムにおいて採用される。

前述のロイヤー構造において、停止状態への途中で、調光制御は電力消費を遮断する。誘導コイルＬＴ内、変圧器の巻線内、及びコンデンサＣＡ内に蓄えられたエネルギーは消費されねばならない。発振器は徐々に停止するため、このエネルギーの一部はランプにおいて消費される。発振器の各活動時間帯の後、それゆえランプに加えられる電圧の、指数関数的に減少している振幅の振動の末尾が存在する。ランプは従ってこの振動の末尾の間は光を放射し続ける。図５はこの現象を例示している。この図は時間の関数として、
・ＰＭＷ調光制御と、
・ロイヤー発振器の高電圧出力ＴＨＴと、
・蛍光管ＣＣＦＬを通って流れる電流ＣＣＣＦＬと、
・前記管により放射された光量Ｌの平均と
の変化を示す。

活性状態の指令は時間ＴＯＮに始まり、時間ＴＯＦＦに終わる。図に示すように、時間ＴＯＦＦの後で管は一定時間の間、照射し続ける。

発振器の負荷が小さい程、言い換えれば発振器の出力におけるランプの数が少ない程、この持続時間は長く、その結果、これは望ましい低レベルの光に達するためのより大きな障害であろう事が実証され得る。

この現象に鑑み、光量Ｌの変化の曲線を、ＰＷＭの活性状態の持続時間の関数として描くことができる。図６における曲線が得られる。この原理によって低い輝度レベルに達するのは不可能であることを、この曲線は実証している。実際、一定の励磁期間ＴＭＩＮ未満では、光は全く放射されない。次に、このしきい値を超えるや否や、放射される光の強さＬＭＩＮは直ちに比較的大きくなる。

本発明の主題はこの欠点が大幅に克服されることを可能にする。本発明の目的はＣＣＦＬとして知られるランプにより生じる輝度の変調を、広範囲にわたって制御し、そして輝度を通常の基本構造によって許容されるものよりも大幅に低い、最小限のレベルに調節可能にすることである。本発明は当然ながら、発振器の速い停止を必要とするロイヤー発振器を備えたあらゆる装置に適用され得る。そして蛍光灯の分野に限定されない。

より正確には、本発明の主題は、低い直流電圧から出発してチョッピングにより時間にわたって変調された交流高電圧の生成を可能にする、ロイヤー発振器として知られる電子発振器であって、
・一次及び二次巻線を有する電圧変成器を含む第一の回路と、
・変調された交流高電圧の周波数の保持を可能にする第二の電子フィードバック回路とを備えた電子発振器において、
第一の回路内に蓄えられた電気エネルギーの放出を制御する電子装置を含み、前記放出制御装置はチョッピング変調を用いる電子制御装置によって制御されることを特徴とする電子発振器である。

有利なことに、電子フィードバック回路は変圧器の一次巻線の両側に直列に配置された二つの調節スイッチを備え、そして電子放出制御装置は、前記スイッチが同時に伝導するように作られることを可能にする手段を備える。それに加えて、前記調節スイッチは、それ自身がフライホイールダイオードとして知られるダイオードを介して低電圧電源に接続されている共通ポイントに接続され、前記共通ポイントはチョッピング変調を用いて電子制御装置により制御されている第三のスイッチによって接地されることができる。

有利なことに、電子放出制御装置は前記共通ポイントの電圧により制御される。

有利なことに、変圧器はアースに接続された二つのスイッチ間に直列に配置される少なくとも一つの二次巻線を備えた追加回路を有し、放出制御装置は前記スイッチの開閉を制御している。該追加回路はまた前記巻線と前記スイッチとの間に直列に置かれる、少なくとも二つの抵抗器を含むことができる。該追加回路はまたアースに接続されたコンデンサ及び二つのスイッチを直列に含む、補足の回路を備えることができる。

本発明の別の主題は、既に定義された特性のうちの一つによる電子発振器を含むことを特徴とする、蛍光管用の電源装置である。本発明の更なる主題は前述の電源装置により給電される少なくとも一つの照明源を含む、フラットスクリーンディスプレイ装置である。

本発明は以下に続く限定されない例によって与えられる説明を読み、添付図を参照することによって更に良く理解され、他の利点が明らかになるであろう。

様々な回路図に用いられる記号体系は、これらのタイプの回路図に慣習的に使用されているものに対応する。特に、接続点は黒のドットで表わされている。

振動を殆ど直ちに停止させるために電源切替えによる調光を有し、それゆえ電流が負荷であるＣＣＦＬランプ内を流れるロイヤー発振器の構造において、本発明は、ランプ用の各刺激のパルス列において振動を減衰させることにある。これは単純な電子機器及び同期動作を用いて共振回路内に蓄えられたエネルギーを自動的に放出することに帰する。

ヘッド誘導コイルＬＴ及び、変圧器と同調コンデンサＣＡを含む並列共振回路のエネルギー放出は、変圧器の短絡により達成される。この機能の実行を可能にする様々な電子装置が存在する。

第一の実施形態を図７に示す。第一の回路内に蓄えられた電気エネルギーの放出を制御するための電子装置１１は、スイッチＱＳＴＯＰを経由してチョッピング変調電子制御装置４により制御される。

この実施形態において、振動を保持するための二つのスイッチＱ１及びＱ２の同時の投入は該機能を果たす。スイッチのこの投入は、電子制御装置１１により生成される指令１２を電子装置１０に作用させることにより達成される。電子部品は理想的ではないため、この効果の大きさは誘導コイルＬＴ内の残留エネルギーに起因する、過渡的な振動フィードバックを避けるために調整されるべきである。例え非常に短くても、これらの非同期振動は光の放射の安定性にとって有害になるフリッカを蛍光灯において引き起こし得る。この実施形態の利点は、元の変圧器が保存され、単純な電子部品のみが追加されることである。

第二の実施形態を図８に示す。この第二の実施形態において、該回路は変圧器内の追加巻線ＳＥを含む追加回路１３を備え、それは次に図９に示すように電子スイッチＱＥ１及びＱＥ２により短絡される。これらのスイッチはＭＯＳ又はバイポーラ型のトランジスタであり得る。それらの各自の構造に特有の、可能性のある単極の欠陥の影響を軽減するため、それらを一対として接続することは有利である。

補足の巻線は浮いているため、それを電気的アースに基準を置かせることが可能な故に、これらのスイッチは容易に制御可能である。第一の実施形態と対照的に、これは従って補足の巻線ＳＥ及び、スイッチＱＥ１とＱＥ２の集合を元の変圧器に含めることを必要とする。

発振器の機能から完全に独立して、本システムの効果は自由に調整可能であり、図１０に示すように、部分的な効果はまたスイッチＱＥ１及びＱＥ２と直列の消散用抵抗器ＲＥ１とＲＥ２により想定され得る。

或る場合において、同調コンデンサＣＢＯＯＳＴの追加を可能にするように、トランジスタ巻線が既に存在する。この特徴は図１１において説明される。このコンデンサＣＢＯＯＳＴの並列接続は、外部指令１４により制御される二つのスイッチＱＢ１及びＱＢ２を用いて達成される。このコンデンサは、あたかもそれがＣＡを渡って並列であるかのように作用し、回路の振動周波数及び、結果的にランプに流れる電流が変化することを可能にする。従って、二つの切替え可能な輝度範囲が得られる。この機能は「ブースト」機能と呼ばれる。

共振ダイポールの短絡による発振器のこの停止は、高出力電源における過渡的な短絡、又はＱＳＴＯＰの制御における故障の場合の恒久的な短絡さえも生じる危険を冒して、発振器の動力供給停止スイッチが確かに開放されているときにそれが生じた場合、回路にとって有害ではない。

この安全性の特徴を確実にするため、Ｑ１とＱ２の同時の制御がスイッチＱＳＴＯＰの遮断に続かなければならない。それは決して如何なる場合でもスイッチＱＳＴＯＰの動作に続いて作動してはならない。追加の精巧さは、過渡的な方法でのみ作動し、スイッチＱ１とＱ２の接合部にある接続点ＬＯＷの電位の上昇にのみ続くことにある。スイッチＱＳＴＯＰが遮断されたとき、接続点ＬＯＷの電位はＯＶから電源２の出力電圧に相当するレベルＶＣＣに向かって上昇する。この上昇は次に容量結合により電子制御装置１１を始動させる。スイッチＱＳＴＯＰの遮断に続く電位の突然の変動がそのとき検知される。故障の結果としての連続的状態は影響を及ぼさないであろう。

図１２は蓄えられた電気エネルギーの放出を制御している電子装置の動作を説明する。この図は時間の関数としての、
・ＰＷＭ調光制御と、
・ロイヤー発振器の高電圧出力ＴＨＴと、
・蛍光管ＣＣＦＬを通って流れる電流ＣＣＣＦＬと、
・放射された光Ｌと
の変化を示す。

活性状態の指令は時間ＴＯＮに始まり、時間ＴＯＦＦに終わる。図に示すように、時間ＴＯＦＦの後、蛍光管はこの回路がない場合よりも短い時間だけ照射し続ける。

ＰＷＭの活性状態の持続時間の関数として光量の変化曲線を描くことができ、図１３の曲線が得られる。この曲線は今やこの原理によって、より低い輝度レベルに達し得ることを示す。それ以下では光が放射されない励磁期間ＴＭＩＮが大幅に短縮されるため、最小の放射光線レベルＬＭＩＮもまた結果として大いに低減され、それは所望の効果にまさしく相当する。

「調光」による制御を有する高電圧電源装置の概略図を示す。 ロイヤー発振器の回路図を示す。 ロイヤー発振器の調光による第一の制御モードを示す。 ロイヤー発振器の調光による第二の制御モードを示す。 ロイヤー発振器の主要パラメータの時間の関数としての変化を示す。 放射された光の調光制御の関数としての変化を示す。 本発明によるロイヤー発振器の回路図を示す。 本発明によるロイヤー発振器の一つの変形を示す。 この変形の異なる実施形態を示す。 この変形の異なる実施形態を示す。 この変形の異なる実施形態を示す。 本発明によるロイヤー発振器における、主要パラメータの時間の関数としての変化を示す。 本発明によるロイヤー発振器における、放射された光の調光制御の関数としての変化を示す。

Claims (5)

1. 低い直流電圧から出発してチョッピングにより時間にわたって変調された交流高電圧の生成を可能にする、ロイヤー発振器として知られる電子発振器（１）であって、
   ・一次及び二次巻線（Ｐ１，Ｐ２，ＳＨＴ，ＳＲ）を有する電圧変成器を含む第一の回路と、
   ・変調された交流高電圧の周波数の保持を可能にする第二の電子フィードバック回路と、
   ・第一の回路内に蓄えられた電気エネルギーの放出を制御する電子装置（１１）であって、前記放出制御装置がチョッピング変調を用いる電子制御装置（４）によって制御される電子装置とを備えた電子発振器において、
   該変成器がアースに接続された二つのスイッチ（ＱＥ１，ＱＥ２）間に直列に配置される少なくとも一つの二次巻線（ＳＥ）を備えた追加回路（１３）を有し、放出制御装置（１１）が前記スイッチの開閉を制御していることを特徴とする電子発振器。
2. 前記追加回路が前記巻線と前記スイッチとの間に直列に置かれる、少なくとも二つの抵抗器（ＲＥ１，ＲＥ２）も含むことを特徴とする請求項１に記載の電子発振器。
3. 前記追加回路がアースに接続されたコンデンサ（ＣＢＯＯＳＴ）及び二つのスイッチ（ＱＢ１，ＱＢ２）を直列に備えた補足の回路を含むことを特徴とする、請求項１及び２のいずれか一項に記載の電子発振器。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子発振器を備えることを特徴とする、蛍光管用の電源装置。
5. 照明源が請求項４に記載の電源装置により給電される少なくとも一つの蛍光管を含むことを特徴とする、少なくとも一つの照明源を備えたフラットスクリーンディスプレイ装置。

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