JP4220737B2 - 自由振動回路装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１つのスイッチング要素と、少なくとも１つのスイッチング要素の主電流方向に対して逆並列に接続されているフリーホィーリングダイオードと、負荷回路と、少なくとも１つのスイッチング要素の少なくとも１つの制御インダクタンスおよび少なくとも１つの自己キャパシタンスを含んでいる制御振動回路とを有する負荷を作動させるための自由振動回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような種類の自由振動回路装置はドイツ特許第195 48 506号明細書から公知である。そこの図１にこの回路の動作原理が示されている。負荷回路に配置されているインダクタンスＬ２（この例ではランプチョーク）が２つの補助巻線ＨＷ１、ＨＷ２に結合され、補助巻線ＨＷ１は第１のスイッチング要素Ｔ１の制御振動回路に、補助巻線ＨＷ２は第２のスイッチング要素Ｔ２の制御振動回路に配置されている。それぞれの制御振動回路への負荷回路のエネルギーの電磁的な帰還結合により回路装置の振動が維持される。
【０００３】
この回路装置の欠点は、巻線材が非常に高価であり、従ってトランジスタとならんで回路装置のコストを主として決定する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、冒頭にあげた種類の自由振動回路装置を、振動の維持のために負荷回路の構成部分と制御振動回路の構成部分との電磁的結合を必要とせずに、振動の維持が可能にされるように改良することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば、冒頭にあげた種類の自由振動回路装置において、
少なくとも１つのスイッチング要素がミラーキャパシタンスを有し、スイッチング要素の制御電極と動作電極との間に作用するキャパシタンスが少なくとも１つのスイッチング要素のミラーキャパシタンスを含み、
少なくとも１つのスイッチング要素の自己キャパシタンスがその制御電極と基準電極との間に存在している入力キャパシタンスであり、
第１および第２のスイッチング要素を有し、第１および第２のスイッチング要素が相補性に構成され、共通の制御振動回路と結合され、各スイッチング要素が制御電極、動作電極および基準電極を有し、制御電極が互いに第１の接続点の形成のもとに、基準電極が互いに第２の接続点の形成のもとに接続され、制御インダクタンスが第１の接続点と第２の接続点との間に結合され、
制御電極と動作電極との間に、キャパシタンスの充電および放電電流によりエネルギーが制御振動回路に供給されるように制御振動回路と結合されているキャパシタンスが作用し、回路装置が電磁的結合により制御振動回路にエネルギーを供給するための構成要素を有していないことを特徴とする自由振動回路装置により解決される。
【０００６】
本発明は、振動の維持のために必要なエネルギーがキャパシタンスを介して制御振動回路に供給されるという認識に基づいている。高価な、しばしば個々に調製される変成器がそれによってもはや必要でなくなる。
【０００７】
本発明による回路装置の別の利点は、回路装置がより少数の構成要素により実現されることにある。
【０００８】
特に有利な実施態様では、少なくとも１つのスイッチング要素がミラーキャパシタンスを有し、スイッチング要素の制御電極と動作電極との間に作用するキャパシタンスが少なくとも１つのスイッチング要素のミラーキャパシタンスを含んでいる。ミラーキャパシタンスはたとえば電界効果トランジスタにおいて現れる。回路の設計に応じて、少なくとも１つのスイッチング要素のミラーキャパシタンスが単独で、制御振動回路に振動の維持のためのエネルギーを供給することが可能である。ミラーキャパシタンスが単独では十分でないとすれば、それに追加の個別的なキャパシタンスが並列接続され得る。
【０００９】
従って、制御振動回路および少なくとも１つのスイッチング要素のミラーキャパシタンスが、制御振動回路の振動が専ら少なくとも１つのスイッチング要素のミラーキャパシタンスの充電および放電電流により維持されるように、互いに同調されていると特に有利である。このことは構成要素の別の節減をもたらす。しかし、前述のように、少なくとも１つのスイッチング要素のミラーキャパシタンスに追加キャパシタンスが並列接続され、制御振動回路の振動が少なくとも１つのスイッチング要素のミラーキャパシタンスおよび追加キャパシタンスの充電および放電電流により維持されてもよい。
【００１０】
少なくとも１つのスイッチング要素の自己キャパシタンスとして、その制御電極と基準電極との間に存在している入力キャパシタンスが使用され得る。
【００１１】
本発明による回路装置が第１および第２のスイッチング要素を有し、第１および第２のスイッチング要素が相補性に構成され、共通の制御振動回路に結合されていると好ましい。スイッチング要素の相補性の構成は両スイッチング要素に対する共通の制御振動回路の使用を可能にする。各スイッチング要素が制御電極、動作電極および基準電極を有し、制御電極が互いに第１の接続点の形成のもとに、基準電極が互いに第２の接続点の形成のもとに接続され、制御インダクタンスが第１の接続点と第２の接続点との間に結合されていると好ましい。
【００１２】
しかし、同一の形式の第１および第２のスイッチング要素を有し、第１のスイッチング要素が第１の制御振動回路に、第２のスイッチング要素が第２の制御振動回路に結合されていてもよい。再び、各スイッチング要素が制御電極、動作電極および基準電極を有し、第１のスイッチング要素の基準電極が第２のスイッチング要素の動作電極に互いに接続され、それぞれの制御インダクタンスがそれぞれのスイッチング要素のそれぞれの制御電極と基準電極との間に結合されていると好ましい。この実現は、同一の形式の２つのスイッチング要素が使用され得る、それにより電気的挙動も同一であるという利点を有する。
【００１３】
第１および第２のスイッチング要素がハーフブリッジ回路に配置されていると好ましい。
【００１４】
負荷は好ましくは照明手段（特に低圧放電ランプ）である。しかし、本発明による回路を他の種類の負荷に使用することも可能である。
【００１５】
少なくとも１つのスイッチング要素の入力キャパシタンスが回路装置の実現のために望ましくなく設定されている場合に対して、少なくとも１つのスイッチング要素の入力キャパシタンスに個別的な補足キャパシタンスを並列に接続すると好ましい。これにより、制御振動回路の設計に対する別の自由度が生ずる。
【００１６】
負荷回路が、インダクタンスと、負荷に対して並列に接続されているキャパシタンスと、少なくとも１つの減結合キャパシタンスとを有する直列振動回路を含んでいると好ましい。インダクタンスは好ましくは電流制限および共振インダクタンスとして設計されている。
【００１７】
少なくとも１つのスイッチング要素がバイポーラトランジスタまたはＭＯＳ電界効果トランジスタであると好ましい。回路装置が少なくとも１つのＭＯＳ電界効果トランジスタにより実現される場合には、ＭＯＳ電界効果トランジスタのボディダイオードが、逆並列に接続されているフリーホィーリング回路を実現し得る。バイポーラトランジスタとしての少なくとも１つのスイッチング要素の実現の際には個別的なダイオードをフリーホィーリングダイオードとして設ける必要がある。
なお、制御電極、動作電極および基準電極を有する少なくとも１つのスイッチング要素がバイポーラトランジスタである場合、制御電極はバイポーラトランジスタのベース、動作電極はそのコレクタ、基準電極はそのエミッタとなる。一方、制御電極、動作電極および基準電極を有する少なくとも１つのスイッチング要素がＭＯＳ電界効果トランジスタである場合、制御電極はＭＯＳ電界効果トランジスタのゲート、動作電極はそのドレイン、基準電極はそのソースとなる。
【００１８】
本発明の他の有利な実施態様は従属請求項にあげられている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下において本発明の実施例を添付の図面を参照して一層詳細に説明する。
【００２０】
図１に示されている安定器は、ヒューズＳｉを介して４つのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４を含んでいる整流器と接続されている電源端子Ｌ、Ｎを有する。コンデンサＣ１により平滑化された直流電圧はインダクタンスＬ１およびコンデンサＣ２を有するフィルタを介して自由振動回路装置のいわゆる中間回路電圧Ｕ_Zとして利用される。電圧Ｕ_Zに基づいてコンデンサＣ３が抵抗Ｒ１、Ｒ２を経て充電される。回路はさらに２つのＭＯＳ電界効果トランジスタＴ１、Ｔ２を含み、トランジスタＴ１のドレイン端子はコンデンサＣ２のプラス端子に、トランジスタＴ２のドレイン端子はコンデンサＣ２のマイナス端子に接続されている。両トランジスタＴ１、Ｔ２のソース端子は接続点ＶＰ１の形成のもとに互いに接続され、接続点ＶＰ１はコンデンサＣ３のプラス側端子と接続されている。コンデンサＣ３のマイナス側端子はダイオードＤ５および抵抗Ｒ３を介して接地点に接続されている。ダイオードＤ５および抵抗Ｒ３は、コンデンサＣ３が回路装置の作動中に放電されるように、すなわちトランジスタＴ２が導通状態に切換えられているときに、コンデンサＣ３のマイナス側端子と両トランジスタＴ１、Ｔ２の両ゲート端子との間に接続されているダイアックが回路装置の作動中に点弧すると障害となるので点弧しないようにする。接続点ＶＰ１とトランジスタＴ１、Ｔ２の互いに接続されているゲート端子との間にインダクタンスＬ２と抵抗Ｒ４との直列回路が配置されている。トランジスタＴ１のドレイン端子と接続点ＶＰ１との間に一方では抵抗Ｒ５とコンデンサＣ４の直列回路が配置され、この直列回路はコンデンサＣ５、照明手段ＬａならびにランプチョークＬ３から成る直列回路に並列に接続されている。照明手段ＬａにはコンデンサＣ５が並列に接続されている。
【００２１】
図２は図１の安定器の一部分を示し、トランジスタキャパシタンスが破線で記入されている。それぞれのゲート端子とそれぞれのドレイン端子との間にそれぞれのミラーキャパシタンスＣ_M,T1またはＣ_M,T2が配置されており、それぞれのゲート端子とそれぞれのソース端子との間にそれぞれの入力キャパシタンスＣ_E,T1、Ｃ_E,T2が配置され、他方それぞれのドレイン端子とそれぞれのソース端子との間にそれぞれの出力キャパシタンスＣ_A、_T1、Ｃ_A,T2が配置されている。
【００２２】
トランジスタ入力キャパシタンスＣ_E,T1、Ｃ_E,T2及び／又はミラーキャパシタンスＣ_M,T1またはＣ_M,T2が振動を維持するために十分に大きくない場合に対して、図３はこれらを大きくする好ましい可能性を示す。この際にキャパシタンスＣ_MZがミラーキャパシタンスＣ_M,T1、Ｃ_M,T2に並列に接続され、他方キャパシタンスＣ_EZが入力キャパシタンスＣ_E,T1、Ｃ_E,T2に並列に接続されている。
【００２３】
図４は時間的順序で図２の回路装置の電流の流れを示す。これに対応して図５には図２に記入されている電圧に関係して図２の回路部分の種々の量の時間的経過が示されている。
【００２４】
正常作動、すなわち自由振動回路装置の振動の維持の説明に入る前に、先ず、それ自体で維持する振動が生起するまでに経過する過程を説明しなければならない。コンデンサＣ２の両端にかかっている直流電圧によりコンデンサＣ３が抵抗Ｒ１、Ｅ２を経て充電されることから出発する。Ｃ３の両端の電圧上昇に基づいて、ダイアックの両端の電圧も上昇する。この電圧がダイアックのトリガー閾値を上回ると、ダイアックが導通し、それによって負の電圧パルスが相補性トランジスタＴ１、Ｔ２の両ゲート端子に到達する。これによりキャパシタンスＣ_M,T1、Ｃ_E,T1、Ｃ_E,T2が充電され、他方キャパシタンスＣ_M,T2が放電される。図４ａに示されている電流の流れが生ずる。
【００２５】
両トランジスタのゲート端子における負の電圧パルスによって、ダイアックの点弧によりトランジスタＴ２が開く（図５の時間区間４ｂの電流の流れＩ_ST2参照）。それにより負荷回路内にコンデンサＣ５、コンデンサＣ６ならびにインダクタンスＬ３を通る電流が流れ始める。絶対値が増大する電流Ｉ_ST2が図２に定められている電圧方向Ｕ_CA,T2と反対方向に流れ、こうして負の符号を有する。ゲート電極における負の電圧パルスにより同時に制御電流Ｉ_L2の上昇がインダクタンスＬ２により惹き起こされ、その大部分がトランジスタＴ１、Ｔ２の両入力キャパシタンスＣ_E,T1、Ｃ_E,T2の充放電状態を切換える。電流Ｉ_L2はダイアックから供給される電圧と逆方向に作用するので、先の負のゲート電圧は解消される。
【００２６】
図５を参照すると、時間区間４ｃの開始が、トランジスタＴ２の閾値電圧を下回った後にこのトランジスタＴ２が閉じ、インダクタンスＬ３に与えられる負荷電流が抵抗Ｒ５を経てのみ流れ、コンデンサＣ４を放電することにより特徴付けられている。コンデンサＣ４における電圧の変化と同時に両トランジスタＴ１、Ｔ２のミラーキャパシタンスＣ_M,T1、Ｃ_M,T2の両端の電圧も変化する。特にこれにより両ソース電極の接続点がほぼ電圧Ｕ_Zにおかれ、この電圧ストロークはミラーキャパシタンスＣ_M,T1、Ｃ_M,T2により全面的に引き受けられる。ミラーキャパシタンスＣ_M,T1、Ｃ_M,T2における電圧変化は
Ｉ_C＝Ｃ・ｄＵ_C（ｔ）／ｄｔ
による電流の流れを生じさせる。
【００２７】
これらの充電および放電電流Ｉ_CM,T1、Ｉ_CM,T2はインダクタンスＬ２を通る追加的な電流の流れを生じさせる。この位相で制御回路にミラーキャパシタンスＣ_M,T1、Ｃ_M,T2を介してエネルギーが供給される。
【００２８】
時間区間４ｃの開始が、トランジスタＴ１におけるドレイン‐ソース間電圧の低下の後にその内部フリーホィーリングダイオードが導通状態になり、こうしてインダクタンスＬ３の電流の主部分を引き受けることにより特徴付けられている。負荷電流の大部分がトランジスタＴ１のフリーホィーリングダイオードを経て流れると直ちに（図５のＩ_ST1参照）、ミラーキャパシタンスＣ_M,T1、Ｃ_M,T2の充放電状態切換過程がほぼ終了されている。インダクタンスＬ２に与えられる電流はいま主として両トランジスタＴ１、Ｔ２の両入力キャパシタンスＣ_E,T1、Ｃ_E,T2を充電し、また先ず零までのゲート電圧のその後の低下を、また続いて正の電圧値への上昇を生じさせる。トランジスタＴ１の閾値電圧を上回った後にこのトランジスタＴ１がスイッチオンされる。インダクタンスＬ２に与えられた電流はＴ１のオン位相中に零に減衰し、それによって時間区間４ｅの開始が特徴付けられている。両トランジスタＴ１、Ｔ２の入力キャパシタンスＣ_E,T1、Ｃ_E,T2が相応に充電されるので、電流はいま充電されたキャパシタンスからゲート回路Ｌ２、Ｒ４へ流れ得る（負荷回路と同様に制御回路でも電流反転が生ずる）。いまインダクタンスＬ２を通って反転された方向に流れる制御電流Ｉ_L2はまだ正のゲート電圧に逆作用する。それに基づいて減少するゲート電圧が続いてトランジスタＴ１の閾値電圧を下回るので、これがオフ状態に切換わる。これは図５の時間区間４ｆの開始である。インダクタンスＬ３に与えられた電流はいま再び抵抗Ｒ５を経て流れ、コンデンサＣ４を充電する。コンデンサＣ４における電圧の変化と同時に両トランジスタＴ１、Ｔ２のミラーキャパシタンスＣ_M,T1、Ｃ_M,T2の両端の電圧も変化する。それにより強制される充電および放電電流Ｉ_CM,T1、Ｉ_CM,T2が新たにインダクタンスＬ２を通る追加的な流れを生じさせる（図５の一番下の図を参照）。この位相で制御回路に再びミラーキャパシタンスＣ_M,T1、Ｃ_M,T2を経てエネルギーが供給される。トランジスタＴ２の電圧上昇の後にトランジスタＴ２の内部フリーホィーリングダイオードが導通状態になり、インダクタンスＬ３の電流の主部分を引き受ける（時間区間４ｇの開始を参照）。負荷電流の大部分がトランジスタＴ２のフリーホィーリングダイオードを経て流れると直ちに、ミラー‐充放電状態切換過程はほぼ終了している。インダクタンスＬ２に与えられた電流Ｉ_L2は主としてトランジスタＴ１、Ｔ２の両入力キャパシタンスＣ_E,T1、Ｃ_E,T2を充電し、先ず零までのゲート電圧のその後の低下を、また続いて負の電圧値への上昇を生じさせる。
【００２９】
図４および図５の時間区間４ｂ〜４ｇのスイッチング過程はその後も順次に進行するので、制御回路ならびに負荷回路に連続的に往復振動する電流の流れが生ずる。この初期の振動の振動数は負荷回路の共振振動数よりも多少高い。共振振動により照明手段Ｌａの両端の電圧が、照明手段が点弧するように、上昇する。負荷電流の大部分はいま照明手段Ｌａを経て流れる。照明手段自体は点弧の後にほとんど純粋なオーム性負荷のように作用し、振動回路を、最後に安定点灯のために必要な電圧が照明手段Ｌａの両端に生ずるように減衰させる。
【００３０】
本発明の新規な点は原理的に、制御振動回路に時間区間４ｃ、４ｆで両スイッチング要素Ｔ１、Ｔ２のミラーキャパシタンスＣ_M,T1、Ｃ_M,T2の充電および放電過程により、振動を維持するだけのエネルギーを供給することにある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による自由振動回路装置を有する照明手段を点灯するための安定器の回路図。
【図２】トランジスタキャパシタンスが破線で記入されている図１の安定器の一部分の回路図。
【図３】トランジスタの入力キャパシタンスおよびミラーキャパシタンスを高めるための追加的なキャパシタンスを有する図１の安定器の一部分の回路図。
【図４】図２による部分に生ずる電流の流れの時間的順序を説明するための回路図。
【図５】図２の部分の種々の量の時間的経過を説明するための回路図。
【符号の説明】
Ｔ１、Ｔ２ スイッチング要素
Ｌ２ 制御インダクタンス
Ｃ_E,T1、Ｃ_E,T2 入力キャパシタンス
Ｃ_M,T1、Ｃ_M,T2 ミラーキャパシタンス
Ｃ_MZ 追加キャパシタンス
Ｌａ 負荷（照明手段）

Claims (10)

1. 少なくとも１つのスイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）と、少なくとも１つのスイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）の主電流方向に対して逆並列に接続されているフリーホィーリングダイオードと、負荷回路（Ｌ３、Ｃ６、Ｃ５）と、少なくとも１つのスイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）の少なくとも１つの制御インダクタンス（Ｌ２）および少なくとも１つの自己キャパシタンス（Ｃ_E,T1、Ｃ_E,T2）を含んでいる制御振動回路（Ｌ２、Ｃ_E,T1、Ｃ_E,T2）とを有する負荷（Ｌａ）を作動させるための自由振動回路装置において、
   少なくとも１つのスイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）がミラーキャパシタンス（Ｃ _M,T1 、Ｃ _M,T2 ）を有し、スイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）の制御電極と動作電極との間に作用するキャパシタンスが少なくとも１つのスイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）のミラーキャパシタンス（Ｃ _M,T1 、Ｃ _M,T2 ）を含み、
   少なくとも１つのスイッチング要素の自己キャパシタンスがその制御電極と基準電極との間に存在している入力キャパシタンス（Ｃ _E,T1 、Ｃ _E,T2 ）であり、
   第１および第２のスイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）を有し、第１および第２のスイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）が相補性に構成され、共通の制御振動回路（Ｌ２、Ｃ _E,T1 、Ｃ _E,T2 ）と結合され、各スイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）が制御電極、動作電極および基準電極を有し、制御電極が互いに第１の接続点の形成のもとに、基準電極が互いに第２の接続点の形成のもとに接続され、制御インダクタンス（Ｌ２）が第１の接続点と第２の接続点との間に結合され、
   制御電極と動作電極との間に、キャパシタンス（Ｃ_M,T1、Ｃ_M,T2）の充電および放電電流（Ｉ_CM、1、Ｉ_CM、2）によりエネルギーが制御振動回路（Ｌ２、Ｃ_E,T1、Ｃ_E,T2）に供給されるように制御振動回路（Ｌ２、Ｃ_E,T1、Ｃ_E,T2）と結合されているキャパシタンス（Ｃ_M,T1、Ｃ_M,T2）が作用し、回路装置が電磁的結合により制御振動回路にエネルギーを供給するための構成要素を有していないことを特徴とする自由振動回路装置。
2. 制御振動回路（Ｌ２、Ｃ_E,T1、Ｃ_E,T2）および少なくとも１つのスイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）のミラーキャパシタンス（Ｃ_M,T1、Ｃ_M,T2）が、制御振動回路（Ｌ２、Ｃ_E,T1、Ｃ_E,T2）の振動が専ら少なくとも１つのスイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）のミラーキャパシタンス（Ｃ_M,T1、Ｃ_M,T2）の充電および放電電流（Ｉ_CM、1、Ｉ_CM、2）により維持されるように、互いに同調されていることを特徴とする請求項１記載の回路装置。
3. 少なくとも１つのスイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）のミラーキャパシタンス（Ｃ_M,T1、Ｃ_M,T2）に追加キャパシタンス（Ｃ_MZ）が並列接続され、制御振動回路（Ｌ２、Ｃ_E,T1、Ｃ_E,T2）の振動が少なくとも１つのスイッチング要素のミラーキャパシタンスおよび追加キャパシタンス（Ｃ_MZ）の充電および放電電流（Ｉ_CM、1、Ｉ_CM、2）により維持されることを特徴とする請求項１記載の回路装置。
4. 同一の形式の第１および第２のスイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）を有し、第１のスイッチング要素（Ｔ１）が第１の制御振動回路に、第２のスイッチング要素（Ｔ２）が第２の制御振動回路に結合されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の回路装置。
5. 各スイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）が制御電極、動作電極および基準電極を有し、第１のスイッチング要素（Ｔ１）の基準電極が第２のスイッチング要素（Ｔ２）の動作電極と互いに接続され、それぞれの制御インダクタンスがそれぞれのスイッチング要素のそれぞれの制御電極と基準電極との間に結合されていることを特徴とする請求項４記載の回路装置。
6. 第１および第２のスイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）がハーフブリッジ回路に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の回路装置。
7. 負荷が照明手段、特に低圧放電ランプであることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の回路装置。
8. 少なくとも１つのスイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）の入力キャパシタンス（Ｃ_E,T1、Ｃ_E,T2）に補足キャパシタンス（Ｃ_EZ）が並列接続されていることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の回路装置。
9. 負荷回路が、インダクタンス（Ｌ３）と、負荷に対して並列に接続されているキャパシタンス（Ｃ６）と、少なくとも１つの減結合キャパシタンス（Ｃ５）とを有する直列振動回路を含んでいることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の回路装置。
10. 少なくとも１つのスイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）がＭＯＳ電界効果トランジスタであり、少なくとも１つのスイッチング要素（Ｔ１、Ｔ２）に逆並列に接続されているフリーホィーリングダイオードがそのボディダイオードであることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の回路装置。

Images