JP2001176687A - 放電灯点灯装置 - Google Patents

放電灯点灯装置

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JP2001176687A
JP2001176687A JP35669599A JP35669599A JP2001176687A JP 2001176687 A JP2001176687 A JP 2001176687A JP 35669599 A JP35669599 A JP 35669599A JP 35669599 A JP35669599 A JP 35669599A JP 2001176687 A JP2001176687 A JP 2001176687A
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lamp
capacitor
resonance
voltage
inverter
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JP35669599A
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Hiroshi Seike
宏 清家
Koji Saeki
浩司 佐伯
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Panasonic Electric Works Co Ltd
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Matsushita Electric Works Ltd
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  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
  • Discharge-Lamp Control Circuits And Pulse- Feed Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】無負荷状態においてもインバータ回路のスイッ
チング素子に与えるストレスを低減し、かつ、ランプ短
寿命化を抑制及びランプの早期黒化を防止する。 【解決手段】直流電源の出力を高周波に変換するインバ
ータ回路の出力にインダクタンスと第1のコンデンサの
直列回路を接続し、第1のコンデンサと並列に放電灯を
接続し、放電灯の非電源側に第2のコンデンサを並列に
接続して構成される放電灯点灯装置において、第1のコ
ンデンサの容量をC1、第2のコンデンサの容量をC2
とすると、C1≦C2とするとなるように設定する。ま
た、第2の共振コンデンサの容量C2は、インバータ動
作周波数をf、点灯時のランプ電圧をVlaとすると、
C2≦定格ランプ電流/(2πf・Vla)となるよう
に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はインバータ回路によ
り負荷である放電灯に高周波電力を供給する放電灯点灯
装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図2は従来例の回路図である(特開昭6
3−175391号)。直流電源1の出力を高周波に変
換するインバータ回路2の出力に、DCカット用のコン
デンサCdcを介して、共振チョークLと第1の共振コ
ンデンサC1の直列回路を接続し、第1の共振コンデン
サC1と並列に放電灯3を接続し、放電灯3の非電源側
に第2の共振コンデンサC2を並列接続したものであ
る。
【0003】図2の回路にあっては、このように、LC
共振作用により放電灯3の両端に共振電圧を得るための
共振コンデンサを、放電灯3の電源側と非電源側とに分
けて、非電源側の共振コンデンサC2によりフィラメン
トの予熱電流を得るようにしたから、電源電圧が低くて
も電源側の共振コンデンサC1を大きくして放電灯3の
両端電圧を高めることができ、また、放電灯3の非電源
側のコンデンサC2の容量を適切に設計することによ
り、放電灯3の点灯後にフィラメントに過大な電流が流
れることを防止できるものである。
【0004】LC共振回路の入力となるインバータ回路
2の出力電圧は高周波(数十kHz〜数百kHz)の矩
形波電圧を出力する。前記矩形波電圧を入力電圧として
矩形波電圧がハイの場合、LC共振回路に流れる電流経
路は、共振チョークL→ランプフィラメント→共振コン
デンサC2→ランプフィラメント→共振チョークLの経
路と、共振チョークL→共振コンデンサC1→共振チョ
ークLの経路となり、共振コンデンサを分割することに
より2経路に電流ループが別れて、共振電流の一部が負
荷であるランプ3に流れる。矩形波電圧がローの場合
は、ハイの場合と反転した電流の流れとなる。負荷に供
給される電力はLC共振カーブに沿ってインバータ動作
周波数の設定により変動する。
【0005】図3はランプフィラメント予熱時及びラン
プ寿命末期時の等価回路図を示す。この場合、ランプが
放電しない程度にインバータ回路の動作周波数を設定す
るため、負荷はランプフィラメントの等価抵抗の成分の
みとなる。以上のように、負荷(ランプフィラメント)
に高周波電流が流れ、電力供給がなされる。
【0006】図4はランプが外れた無負荷時及びランプ
フィラメント断線時の等価回路図を示す。この場合に
は、前記矩形波電圧を入力電圧として、矩形波電圧がハ
イの場合、共振チョークL→共振コンデンサC1→共振
チョークLの経路でのみ電流が流れ、負荷電流ループが
オープンである為、共振チョークLと共振コンデンサC
1のみの共振回路となる。
【0007】図5は負荷に供給される電力(インバータ
回路出力)とLC共振回路によるインバータ動作周波数
との関係を示す。ランプ点灯時は、共振チョークLと共
振コンデンサC1及びC2の合成容量並びにランプイン
ピーダンスによる、(a)ランプ点灯時共振カーブに沿
って電力供給される。また、ランプフィラメント予熱時
及びランプ寿命末期時は、共振チョークLと共振コンデ
ンサC1及びC2の合成容量による、(b)ランプ未点
灯時LC共振カーブに沿って電力供給される。無負荷時
及びランプフィラメント断線時は、共振チョークLと共
振コンデンサC1のみによる、無負荷時LC共振カーブ
(c)に沿って電力供給される。以上のように、負荷に
高周波電流が流れ、電力供給がなされる。
【0008】図5において、f1はランプ点灯時のイン
バータ回路の動作周波数、fsはランプ始動時のインバ
ータ回路の動作周波数、fpはランプフィラメント先行
予熱時のインバータ回路の動作周波数、fa,fbは無
負荷時の出力電圧が先行予熱時の出力電圧と一致すると
きのインバータ回路の動作周波数である。
【0009】上述のようなLC共振回路において、共振
コンデンサC1の容量を大きくすると、当社の特開昭6
3−175391号でも指摘されているように、共振コ
ンデンサC1による共振条件が支配的となる。その結
果、図1の点線で示すカーブのように、ランプ未点灯時
LC共振カーブと無負荷時共振カーブは接近することに
なり、放電灯点灯装置の電源がオンされた状態でランプ
が外されると、インバータ回路のスイッチング素子に大
きなストレスを与える進相領域の周波数で動作すること
になる。特に予熱時のように、高い周波数でインバータ
回路が動作しているときにランプが外された場合には、
無負荷共振点f0B周辺の大きなLC共振電圧が発生し
て、スイッチング素子が破壊する恐れがある。一方、共
振コンデンサC2の容量を大きくしすぎると、ランプ点
灯中にフィラメントに大きな電流が流れて、ランプ寿命
が短くなったり、ランプ黒下が早くなったり等の問題が
生じる。
【0010】(従来例2)従来例1で説明したように、
ランプ点灯中のランプフィラメントに流れる電流が大き
いと、ランプ寿命が短くなったり、ランプ黒化が早くな
ったり等の問題が生じる。ここで、ランプ点灯時にラン
プフィラメントに流れる電流を常時予熱電流として、イ
ンバータ動作周波数と共振コンデンサ容量とランプ電圧
との関係は以下のように表すことができる。 常時予熱電流=C2・(2πf・Vla)
【0011】ここで、C2は共振コンデンサC2の容
量、fはインバータ動作周波数、Vlaは点灯時のラン
プ電圧である。上式より、インバータ動作周波数fを低
く設定するほど常時予熱電流は低減できることが分か
る。ランプ点灯時の常時予熱電流を低減するべく、ラン
プ点灯中のインバータ動作周波数f1をランプ始動電圧
を発生する周波数fs以下に設定し、かつ、インバータ
回路のスイッチング素子のストレスを考慮して、ランプ
未点灯時共振カーブの遅相領域であるLC共振点f0以
上に周波数を設定している。
【0012】ランプ未点灯時のLC共振カーブに沿って
予熱時の周波数fpでインバータ動作させてランプフィ
ラメントを予熱した後、始動時の周波数fsでインバー
タ動作させて始動電圧をランプ3に印加してランプ3を
点灯させる。ランプ点灯後は共振チョークL、共振コン
デンサC1、C2及びランプ3により構成されるランプ
点灯時共振カーブに沿って負荷に電力が供給される。
【0013】インバータ回路動作において、最も電圧が
大きく発生する動作モードは、ランプ始動させるための
始動電圧発生時である。(インバータ出力電力では、当
然、ランプ点灯時の方が大きいが、ランプが放電するに
従いランプ電圧は低下する。)よって、インバータ回路
及び共振チョーク、共振コンデンサ等の部品耐量はラン
プ始動時を許容できるものが最低必要となる。
【0014】しかし、ランプ点灯時のインバータ動作周
波数が上述のように設定されていると、直流電源電圧V
dcが一定であれば、ランプが外された瞬間にランプ始
動時以上の電圧及び電流が発生して、インバータ回路の
スイッチング素子に大きなストレスを与え、かつ、イン
バータ回路及び共振チョーク、共振コンデンサ等の部品
耐量は必要以上に大きなものとなる。
【0015】このように、従来例でランプ点灯中にラン
プが外された場合や、何らかの事故でランプ管が破損し
た場合の過渡状態を等価回路に表すと、図3の状態を経
て図4の状態になる。図3の状態ではランプ未点灯時L
C共振カーブに沿ってLC共振電圧が発生するため、ラ
ンプが外された過渡的な瞬間に大きな共振電圧が発生し
てインバータ回路のスイッチング素子及びランプフィラ
メントに大きなストレスを与えることになる。また、イ
ンバータ回路及び共振チョーク、共振コンデンサ等の部
品耐量として必要以上に大きなものを使用するため、部
品コスト的にも当然高価なものになる。
【0016】(従来例3)従来例2において、ランプ出
力設定の低い点灯モード(調光点灯)を設ける場合につ
いて検討する。調光点灯時には全点灯時とは異なる周波
数でインバータ動作し、また、直流電源回路を電圧可変
する回路を用いて直流電源電圧Vdcを可変とする。負
荷出力はランプ電圧・電流特性とインバータ出力との交
点により決定されるため、ランプ管電圧が高い負荷であ
る場合、インバータ動作周波数が高いと前述した交点を
持てなくなることがある。交点を持てないということは
ランプが立ち消えることになる。図6にランプ電圧・電
流特性とインバータ動作周波数との関係を示す。図6は
インバータ動作周波数を変化させて直流電源電圧Vdc
により負荷電力を一定にした場合の特性データである。
図よりランプ電圧が高いものほど、インバータ動作周波
数が高いと交点を持ちにくくなる。なお、ランプ電圧は
ランプ管壁温度により変動する。このように、ランプ点
灯モードが複数ある場合には、ランプ出力設定の低い点
灯モード(調光点灯)では一般的にインバータ動作周波
数を高くして負荷に供給する電力を制限するので、より
ランプが立ち消えしやすくなる。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上述のような
点に鑑みてなされたものであり、無負荷状態においても
インバータ回路のスイッチング素子に与えるストレスを
低減し、かつ、ランプ短寿命化を抑制及びランプの早期
黒化を防止することを課題とする。また、ランプ点灯中
においてランプが外された場合に、インバータ出力をラ
ンプ始動電圧以下に抑えて、インバータ回路のスイッチ
ング素子及びランプフィラメントに与える過渡的なスト
レスを低減することを課題とする。さらに、ランプ電圧
が高いランプにおいても、ランプ電圧・電流特性とイン
バータ出力との交点を十分持たせて、ランプ点灯モード
及び使用環境が変化しても確実にランプ点灯を維持する
ことを課題とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記の
課題を解決するために、図2に示されるように、直流電
源1の出力を高周波に変換するインバータ回路2の出力
にインダクタンスLと第1のコンデンサC1の直列回路
を接続し、第1のコンデンサC1と並列に放電灯3を接
続し、放電灯3の非電源側に第2のコンデンサC2を並
列に接続して構成される放電灯点灯装置において、第1
のコンデンサの容量をC1、第2のコンデンサの容量を
C2とすると、C1≦C2であることを特徴とするもの
である。また、ランプ点灯時のインバータ動作周波数に
て、インダクタンスLと第1及び第2のコンデンサC
1,C2から構成される共振回路によって発生するラン
プ両端電圧を、ランプ始動時に発生する始動電圧以下に
設定したことを特徴とするものである。さらに、調光点
灯時には全点灯時に比べて直流電源1の電源電圧を低下
させることを特徴とするものである。
【0019】
【発明の実施の形態】(実施形態1)図1により本発明
の実施形態1を説明する。本実施形態では、図2の回路
において、ランプ装着時と無負荷時のLC共振回路の共
振点が離れるように、共振コンデンサC2の容量を大き
くする。特に、インバータ動作周波数の設定自由度を広
く持たせるために、共振コンデンサC1の容量と共振コ
ンデンサC2の容量をC1≦C2となるように設定す
る。
【0020】LC共振回路の共振点f0は、f0=1/
2π√(L・C)で与えられる。ここで、Lは共振チョ
ークLのインダクタンス値、Cは共振コンデンサの容量
である。これより、ランプ装着時の共振点f0と、無負
荷時の共振点f0Aとが最も近接する条件(C1=C
2)では、f0=1/2π√{L・(C1+C2)}、
f0A=1/2π√(L・C1)となり、f0A/f0
=√2となる。この関係が成り立つ場合が最悪条件とな
るので、実際には、f0A/f0≧√2となる。インバ
ータ動作周波数の設定自由度をより広く持たせ、かつ、
無負荷時のストレスを低減するには、ランプ装着時の共
振点f0と無負荷時の共振点f0Aを遠ざけることによ
り効果も増大するため、可能な限り共振コンデンサC2
の容量を大きく、かつ、共振コンデンサC1の容量を小
さくすればよい。
【0021】ただし、共振コンデンサC2の容量は、ラ
ンプ短寿命化及びランプ早期黒化を防止するために、C
2≦定格ランプ電流/(2πf・Vla)を満足する必
要がある。ここで、fはインバータ動作周波数、Vla
は点灯時のランプ電圧である。
【0022】(実施形態2)本発明の実施形態2を図7
を参照しながら説明する。図中、A,Bはいずれもラン
プ未点灯時共振カーブであり、インバータ回路出力が高
い方の共振カーブAは、直流電源の電源電圧を低下させ
ないで全点灯時の電圧Vdcとした場合であり、インバ
ータ回路出力が低い方の共振カーブBは、直流電源の電
源電圧を低下させて調光点灯時の電圧Vdc’とした場
合である。共振カーブA上の動作点a1は、予熱時の動
作周波数fpでインバータ動作させたときのインバータ
回路出力であり、動作点a2は、始動時の動作周波数f
sでインバータ動作させたときのインバータ回路出力で
ある。この動作点a2でのインバータ回路出力は、ラン
プの始動電圧を与えるものであり、この電圧はランプ点
灯のために必要であり、インバータ動作における最大出
力電圧とすべきものである。ところが、直流電源の電源
電圧をVdcのまま低下させることなく、調光時の動作
周波数fdでランプを調光点灯させていると、ランプ立
ち消え等によりランプ未点灯時共振カーブA上の動作点
a3に飛んだときに、動作点a2よりもインバータ回路
出力が大きくなり、インバータ回路及び共振チョーク、
共振コンデンサ等に大きなストレスが加わる。
【0023】そこで、本実施形態では、調光時の動作周
波数fdでランプを調光点灯させるときには、直流電源
の電源電圧をVdc’へと低下させて、ランプが立ち消
えしたときには共振カーブB上の動作点b1へ飛ぶよう
に設計している。このようにすれば、動作点a2で発生
する始動電圧がインバータ動作時の最大出力電圧とな
り、放電灯点灯装置が動作しており、負荷の異常な場合
及び負荷が外された場合においても、インバータ回路の
スイッチング素子及びランプフィラメントに大きなスト
レスを与えることなく、かつ、インバータ回路及び共振
チョーク、共振コンデンサ等の部品耐量を必要以上に大
きくしなくてもよい。
【0024】なお、ランプ点灯時の直流電源の電圧が低
下すれば、それに応じてLC共振回路の出力も低下する
ので、要求されるランプ点灯時の出力となるように、イ
ンバータ動作周波数を設定することは言うまでもない。
【0025】(実施形態3)本発明の実施形態3では、
インバータ回路の入力となる直流電源として昇圧チョッ
パー回路を用いる。ここで、昇圧チョッパー回路とは、
交流電源にダイオードブリッジからなる全波整流回路を
接続し、その全波整流出力端に、インダクタを介してス
イッチング素子を接続すると共に、スイッチング素子の
両端間にダイオードを順極性に介して充電用平滑コンデ
ンサを接続した回路であり、スイッチング素子を高周波
でオン・オフさせることにより、交流電源の全波整流出
力よりも高い電圧を充電用平滑コンデンサに得ることが
できる。この充電用平滑コンデンサに発生する電圧を直
流電源電圧Vdcとしてインバータ回路に出力してい
る。なお、昇圧チョッパー回路のスイッチング素子はイ
ンバータ回路のスイッチング素子と兼用しても良い。
【0026】本実施形態では、インバータ動作周波数と
チョッパー回路の動作周波数は同一周波数にて制御を行
う。このように、チョッパー回路とインバータ回路は連
動して動作することにより、全点灯時に比べて調光点灯
時には、チョッパー回路の動作周波数も高くなり、直流
電源電圧Vdcは自動的に低下するため、インバータ動
作周波数の増加を小さくすることが可能となる。
【0027】よって、調光点灯時のインバータ動作周波
数を低く設定することができ、ランプV−I特性が使用
環境により変化したり、インバータ回路及び共振回路の
バラツキにより負荷特性が変化しても、両特性は十分交
点を持つことが出来る。また、インバータ動作周波数が
低ければ、常時予熱電流も低減され、フィラメントによ
る電力ロス及びランプ短寿命化を抑制する効果がある。
【0028】(実施形態4)本発明の実施形態4では、
チョッパー回路のスイッチング素子のオン・デューティ
もしくはインバータ回路のスイッチング素子のオン・デ
ューティを制御して、直流電源電圧Vdcを制御する。
本実施形態によるオン・デューティの制御を実施形態3
の周波数制御と併用すれば、全点灯時に対する調光点灯
時のインバータ動作周波数の増加をより一層小さくする
ことが可能となる。
【0029】(実施形態5)実施形態1〜4では図2の
回路を用いることを前提として説明したが、負荷が複数
灯直列に接続されている場合においても同様の回路動作
であるので、同様の効果を得ることができる。一例とし
て、図8では放電灯3a,3bが2灯直列に接続されて
いる場合の回路図を示しているが、3灯以上が直列接続
されていても良いし、直並列接続されていても良い。な
お、図9、図10は、それぞれ図8の回路における先行
予熱時及びランプ寿命末期時と、無負荷時及びフィラメ
ント断線時の等価回路図である。
【0030】(実施形態6)実施形態1〜4において、
共振チョークL、共振コンデンサC1,C2及び負荷3
からなるLC共振回路が複数並列に接続されている場合
においても、同様の回路動作であるので、同様の効果を
得ることができる。図11では放電灯3a,3bが2個
並列に接続されている場合の回路図を例示しているが、
3灯以上が並列接続されていても良い。また、図12に
示すように、複数の放電灯3a,3bをバランサTを用
いて並列接続し、第1のコンデンサC1と共振チョーク
Lを各放電灯3a,3bについて兼用した回路構成でも
本発明を適用できる。
【0031】
【発明の効果】請求項1,2の発明によれば、無負荷状
態においてもインバータ回路のスイッチング素子に与え
るストレスを低減し、かつ、ランプ短寿命化を抑制し、
ランプの早期黒化を防止することができる。また、請求
項3,4の発明によれば、ランプ点灯中においてランプ
が外された場合に、インバータ出力をランプ始動電圧以
下に抑えることにより、インバータ回路のスイッチング
素子及びランプフィラメントに与える過渡的なストレス
を低減することができる。さらに、請求項5,6の発明
によれば、ランプ電圧が高いランプにおいても、ランプ
電圧・電流特性とインバータ出力との交点を十分持た
せ、ランプ点灯モード及び使用環境が変化しても確実に
ランプを点灯維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1の動作説明のための周波数
特性図である。
【図2】従来の放電灯点灯装置の回路図である。
【図3】図2の先行予熱時及びランプ寿命末期時の等価
回路図である。
【図4】図2の無負荷時及びフィラメント断線時の等価
回路図である。
【図5】従来例の動作説明のための周波数特性図であ
る。
【図6】従来例の問題点を説明するための特性図であ
る。
【図7】本発明の実施形態2の動作説明のための周波数
特性図である。
【図8】本発明の実施形態5の放電灯点灯装置の回路図
である。
【図9】図8の先行予熱時及びランプ寿命末期時の等価
回路図である。
【図10】図8の無負荷時及びフィラメント断線時の等
価回路図である。
【図11】本発明の実施形態6の放電灯点灯装置の回路
図である。
【図12】本発明の実施形態6の放電灯点灯装置の一変
形例を示す回路図である。
【符号の説明】
1 直流電源 2 インバータ回路 3 ランプ 4 インバータ制御回路 L 共振チョーク C1 第1の共振コンデンサ(電源側) C2 第2の共振コンデンサ(非電源側)

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電源の出力を高周波に変換するイ
    ンバータ回路の出力にインダクタンスと第1のコンデン
    サの直列回路を接続し、第1のコンデンサと並列に放電
    灯を接続し、放電灯の非電源側に第2のコンデンサを並
    列に接続して構成される放電灯点灯装置において、第1
    のコンデンサの容量をC1、第2のコンデンサの容量を
    C2とすると、C1≦C2であることを特徴とする放電
    灯点灯装置。
  2. 【請求項2】 請求項1において、第2の共振コンデ
    ンサの容量C2は、インバータ動作周波数をf、点灯時
    のランプ電圧をVlaとすると、C2≦定格ランプ電流
    /(2πf・Vla)であることを特徴とする放電灯点
    灯装置。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2において、ランプ点灯
    時のインバータ動作周波数にて、インダクタンスと第1
    及び第2のコンデンサから構成される共振回路によって
    発生するランプ両端電圧を、ランプ始動時に発生する始
    動電圧以下に設定したことを特徴とする放電灯点灯装
    置。
  4. 【請求項4】 請求項3において、ランプ点灯時のイ
    ンバータ動作周波数を調光点灯モードにおける動作周波
    数fdとし、インダクタンスと第1及び第2のコンデン
    サから構成される共振回路の共振周波数をf0、ランプ
    始動時のインバータ動作周波数をfsとすると、f0≦
    fd≦fsであり、前記共振回路が調光点灯モードにお
    ける動作周波数fdで発生するランプ両端電圧が、ラン
    プ始動時に発生する始動電圧以下になるように、調光点
    灯時には全点灯時に比べて直流電源の電源電圧を低下さ
    せることを特徴とする放電灯点灯装置。
  5. 【請求項5】 請求項4において、前記直流電源は昇
    圧チョッパー回路であり、調光点灯時には全点灯時に比
    べて直流電源の電源電圧を低下させるように、チョッパ
    ー回路とインバータ回路のスイッチング素子が同一周波
    数で動作することを特徴とする放電灯点灯装置。
  6. 【請求項6】 請求項5において、チョッパー回路ま
    たはインバータ回路のスイッチング素子のオンデューテ
    ィを可変とすることにより直流電源の電圧を制御するこ
    とを特徴とする放電灯点灯装置。
  7. 【請求項7】 請求項1乃至6のいずれかにおいて、
    直列接続又は並列接続された複数の放電灯を含み、第1
    のコンデンサは全放電灯について1個のコンデンサが共
    有されており、第2のコンデンサは各放電灯について個
    別に設けられていることを特徴とする放電灯点灯装置。
  8. 【請求項8】 複数の放電灯をバランサの機能を有す
    るインダクタンスを介して第1のコンデンサの両端に並
    列接続し、各放電灯の非電源側にそれぞれ第2のコンデ
    ンサを並列接続したことを特徴とする請求項7記載の放
    電灯点灯装置。
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