JP2001237096A - 照明装置用点灯装置及び照明装置 - Google Patents

照明装置用点灯装置及び照明装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 特別の発振回路を設けることなく、インバー
タ方式の照明装置の調光を可能にする。 【解決手段】 本発明の点灯装置は、商用交流電圧から
直流電圧を生成するアクティブコンバータ４と、生成さ
れた直流電圧をスイッチングし、点灯すべき放電管に並
列に接続されたキャパシタＣＲを含み該放電管１の等価
インピーダンスに応じて共振周波数が定まる該共振回路
を介して該放電管１に高周波電流を供給するインバータ
５とを備える。アクティブコンバータ４は、直流電圧の
値を調節するトライアック７を有し、インバータ５のス
イッチング素子Ｑ１及びＱ２は、共振回路を流れる共振
電流の位相により制御され、自励発振する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は照明装置用の点灯装
置、特にインバータ方式の照明装置用の点灯装置及びイ
ンバータ方式の照明装置に関する。
【従来の技術】近年、商用交流電圧から得られる直流電
圧を高周波交流電圧に変換して放電管に印加するインバ
ータ方式の照明装置が広く用いられるようになってきて
いる。この方式の照明装置では、放電管は、フィラメン
トを備えた通常の蛍光ランプであってもよく、またフィ
ラメントを備えず、励起コイルから放出する磁力線でプ
ラズマを発生させる無電極蛍光ランプであってもよい。
このようなインバータ方式の照明装置に調光機能を備え
ることも知られており、例えば特開平8-37092号公報に
記載の点灯回路では、共振回路に供給する交流電流の周
波数を変化させることにより放電管に流れ込む電流の量
を変化させ、明るさを調整するようにしている。
【発明が解決しようとする課題】上記の従来の点灯装置
では、共振回路に供給する電流の周波数を変化させるた
めに、所望の周波数の方形波を発生する可変周波数の発
振回路を用いており、部品点数が増加することからコス
ト高になる。また、照明装置の明るさを変えるために周
波数を変化させるには、照明装置内の点灯装置を操作す
る必要があるので、遠隔から照明装置の明るさを調整す
ることができない。
【０００２】本発明の課題は、インバータ方式の照明装
置の調光を、特別の発振回路を設けることなく可能にす
ることである。本発明の他の課題は、遠隔からインバー
タ方式の照明装置の調光を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】上記課題は、商用交流電
圧から直流電圧を生成する直流電圧生成手段と、生成さ
れた直流電圧をスイッチングし、点灯すべき放電管に並
列に接続されたキャパシタを含み該放電管の等価インピ
ーダンスに応じて共振周波数が定まる該第１の共振回路
手段を介して該放電管に高周波電流を供給する第１のス
イッチング手段とを備え、前記直流電圧生成手段は前記
直流電圧の値を調節する制御手段を有し、前記スイッチ
ング手段のスイッチングは、前記第１の共振回路手段を
流れる共振電流の位相により制御されることを特徴とす
る照明装置用点灯装置により解決される。
【０００３】この点灯装置では、第１のスイッチング手
段に供給する直流電圧を変化させ、高周波交流電圧の振
幅を変化させると、放電管に流れる電流の値も変化する
が、放電管は負性抵抗特性を有するため放電管の等価イ
ンピーダンスも変化する。従って、第１の共振回路の共
振周波数もそれに応じて変化し、第１のスイッチング手
段のスイッチング周波数も変化し、第１の共振回路に流
れる交流電流の周波数が変化する。交流電流の周波数が
変化すると、放電管に並列のキャパシタのインピーダン
スが変化し、放電管と該キャパシタに流れる電流の比が
変化し、放電管の輝度が変化する。即ち、第１のスイッ
チング手段に供給する直流電圧を変えるだけで共振回路
及び放電管に供給される高周波交流電流の周波数が自動
的に変化し、放電管に流れる電流が変化し明るさが変わ
る。従って、従来必要とされていたスイッチング手段の
スイッチング周波数を規定する特別の発振回路が不要に
なる。前記第１のスイッチング手段は、第１の共振回路
手段を流れる電流から得られる制御信号が印加されるこ
とにより交互に導通、非導通となる、互いに直列に接続
された二つのスイッチング素子と、前記制御信号の位相
を変化させる手段とから構成することができる。スイッ
チング素子が導通するタイミングを制御することによ
り、寄生容量の充放電によりスイッチング素子が発熱す
ることを防止できる。前記直流電圧生成手段は、前記商
用交流電圧から電流が供給されて前記直流電圧を確立す
る第１のキャパシタと、前記商用交流電圧からの電流を
第２の共振回路手段に供給し該第２の共振回路手段に蓄
えられた電荷を前記第１のキャパシタに移動させる第２
のスイッチング手段とから構成し、該第２のスイッチン
グ手段と前記第１のスイッチング手段とを兼用すること
ができる。このように構成すれば、スイッチング手段に
供給する直流電圧を増幅することができる。
【０００４】上記本発明の他の課題は電灯線を介して供
給される商用交流電圧から高周波電流を生成し、点灯す
べき放電管に供給するインバータ部と、該電灯線を介し
て外部との間で通信を行う通信インタフェース部とを備
え、前記インバータ部は、電灯線を介して供給される商
用交流電圧から直流電圧を生成する直流電圧生成手段
と、生成された直流電圧をスイッチングし、前記放電管
に並列に接続されたキャパシタを含む共振回路を介して
該放電管に高周波電流を供給するスイッチング手段と、
該スイッチング手段のスイッチングを外部から供給され
る信号に基づき制御する駆動回路手段とを含み、前記通
信インタフェース部は、点灯制御に関する情報を含み前
記商用交流電圧に重畳されているアナログ信号を該商用
交流電圧から抽出するフィルタ手段と、該フィルタ手段
からの情報に基づき前記駆動回路手段にスイッチングの
開始、停止、及びスイッチング周波数の少なくとも一つ
を規定するデジタル制御信号を生成する手段と、該デジ
タル制御信号を前記駆動回路手段に送る点灯制御手段と
を備えることを特徴とする通信機能を有する照明装置用
点灯装置により解決することができる。
【０００５】この通信機能を有する点灯装置では、電灯
線を介し、外部から信号を送ることにより、放電管に印
加する交流電圧の周波数を変化させることができ、従っ
て遠隔から放電管の明るさを調整することができる。
【０００６】前記インバータ部は、点灯状態に関する情
報をデジタル点灯状態信号として生成する第１のセンサ
を備え、前記通信インタフェース部は該第１のセンサか
らのデジタル点灯状態信号をアナログ信号に変換し商用
交流電圧に重畳して電灯線を介して外部に送ることがで
きる。さらに該インバータ部は、放電管の有無及び放電
管の寿命末期を検出する第２のセンサを備え、前記通信
部は前記第１のセンサ及び該第２のセンサにより検出さ
れた情報を含むテ゛シ゛タル点灯状態信号をアナログ信号に変
換し商用交流電圧に重畳し電灯線を介して外部に送るこ
とができる。これにより、照明装置の管理・保守作業を
効率的に行うことができる。
【０００７】前記点灯制御手段は、放電管を点灯開始時
から一定の期間、最大光束で点灯させ、該期間を経過
後、最大光束より少ない光束で点灯させるように制御す
る制御パターンを記憶する記憶手段を有することができ
る。これにより、照明装置を効率的に使用し、電力消費
量を削減することができる。
【発明の実施の形態】図２は、本発明の点灯装置の原理
を説明するブロック図である。放電管１は、フィラメン
トを備えた通常の蛍光ランプであってもよく、また、フ
ィラメントを備えず、励起コイルから放出する磁力線で
プラズマを発生させる無電極蛍光ランプ等の照明用ラン
プであってもよい。商用交流電源ＡＣには制御装置６に
よって、輝度調整等のための制御信号が重畳され、制御
信号を検出するスイッチング手段２は、制御信号に応じ
た直流電圧、又は放電管１を制御する為の信号をインバ
ータ５に与える。
【０００８】図１は、本発明の点灯装置の第１の実施形
態のブロック図である。商用交流電源ＡＣは、制御装置
である調光器７によって位相角制御され、図３に示すよ
うに矢印で示した導通位相角に相当する期間のみ電圧を
出力する。点線で示した波形は調光器７に入力される商
用電源電圧である。図１において調光器７の出力電圧は
整流器３によって整流され、この整流電圧はスイッチン
グ手段であるアクティブコンバータ４によって図３の導
通位相角に応じた電圧に変圧される。インバータ５に印
加される電圧はコンバータ４によって得られた直流電圧
であり、この直流電圧をインバータ５が高周波交流電圧
に変換し放電管１に印加し点灯させる。
【０００９】従来のインバータ式の点灯回路は、商用交
流電源ＡＣを整流器３で整流し、脈流を平滑するキャパ
シタで直流電圧を得る為、調光器７に対し容量性インピ
ーダンスとなり、調光器７のトライアックがオンした直
後、交流電源ＡＣから急激な突入電流が流れ込み調光器
７が誤動作する。図４に従来の点灯装置における調光器
の出力電圧、ＡＣ電源からの入力電流、及び直流電圧の
波形を示す。直流電圧が調光器７の出力電圧より低くな
った時にＡＣ電源から突入電流が流れ込み、調光器７が
正常に動作しない為に調光器の出力電圧は位相角制御さ
れないという問題がある。
【００１０】これに対し、図１に示す構成では、調光器
７に対し点灯回路が容量性インピーダンスとして見えな
いように、アクティブコンバータ４を設け、調光器７の
出力電圧波形と同様の入力電流が流れるようにしてい
る。これによって白熱電球のような抵抗性負荷が実現さ
れると共に電圧と電流の位相差を無くし高力率も実現さ
れる。
【００１１】図５は、上記本発明の第１の実施形態の回
路図である。図５において、交流電源ＡＣをダイオード
ブリッジで構成された整流器３で整流して得た電圧を、
インダクタＬ２、Ｌ３とキャパシタＣ４からなるローパ
スフィルタを介し、共振型のアクティブコンバータ４で
直流電圧に変換する。この電圧をインバータ５により高
周波電圧とし、放電管１に供給して高周波点灯させる。
【００１２】アクティブコンバータ４とインバータ５
は、非相補形の２つのパワー半導体スイッチング素子Ｑ
１、Ｑ２を兼用している。各スイッチング素子Ｑ１、Ｑ
２はＮチャネル形パワ−ＭＯＳＦＥＴであり、電流を入
力するドレイン端子、電流を出力するソース端子、及び
制御電圧が印加されるゲート端子を備え、ゲ−ト端子に
制御電圧を印加或いは印加しないことによりドレイン、
ソース間に流れる電流を通流、或いは遮断する。ＭＯＳ
ＦＥＴはソース端子からドレイン端子に向かう方向にダ
イオードを並列に内蔵しており、双方向に通電可能とな
っている。以後Ｑ１が内蔵するダイオードをＱＤ１、Ｑ
２が内蔵するダイオードをＱＤ２と呼ぶ。
【００１３】アクティブコンバータ４では、ローパスフ
ィルタのインダクタＬ２とキャパシタＣ４との接点と平
滑用のキャパシタＣ１の高電位側との間にダイオードＤ
１とＤ２を順方向に直列に接続している。また、Ｄ１と
Ｄ２の接点とハーフブリッジ構造に接続されたＱ１、Ｑ
２の接点間に、キャパシタＣ２とインダクタＬ１を直列
に接続してなる共振回路を挿入する。
【００１４】インバータ５は、直流電源の正負極間に接
続されたスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を備え、Ｑ２のド
レイン−ソースには、インダクタＬ４、ＬＲと共振用キ
ャパシタＣＲとを直列接続してなる直列共振回路が接続
される。また、放電管１は共振用キャパシタＣＲに並列
に接続されている。インダクタＬ５、Ｌ６はインダクタ
Ｌ４に設けた帰還巻線であり、インダクタＬ５はキャパ
シタＣ５と並列接続されてスイッチング素子Ｑ１のゲー
ト−ソース間に接続され、インダクタＬ６はキャパシタ
Ｃ６と並列接続されてＱ２のゲート−ソース間に接続さ
れる。
【００１５】各スイッチング素子Ｑ1、Ｑ２はインダク
タＬ４に流れる高周波電流をインダクタＬ５、Ｌ６によ
り帰還し自励発振を行う。インダクタＬ４を共振用のイ
ンダクタとして兼用することもできる。ここで、インバ
ータのスイッチング周波数は、インバータ５の共振イン
ダクタＬＲと共振キャパシタＣＲで決まる共振周波数よ
り高くなるように設定する。即ち、共振周波数よりもス
イッチング周波数を高く設定し、インバータの出力電圧
より共振電流が遅れ位相になるようにする。
【００１６】スイッチング周波数を共振点に近づけれ
ば、それだけ共振回路のインピーダンスが小さくなり、
放電管の点灯を維持するのに必要な高電圧が得られる。
しかし、このような自励式のインバータでは、スイッチ
ング周波数を任意に変えることができない。従って、こ
の実施形態では、インバータに供給される直流電圧の振
幅を変えることによって放電管の電力を制御し、放電管
の明るさを変えている。例えば、直流電圧が低くなると
共振電流が減少し放電管に流れる電流も減少する。放電
管は負性抵抗特性を有している為、電流の減少により放
電管の等価抵抗値は増加する。放電管は共振用のキャパ
シタに並列接続されているため、放電管の抵抗値が増加
すると共振周波数が高くなり、自励発振で動作している
インバータのスイッチング周波数は自動的に高くなる。
これによって共振用キャパシタのインピーダンスは減少
し、放電管の等価抵抗は増加しそれぞれに流れる電流の
割合が変化することで放電管の電力が変化する。即ち、
インバータの直流電圧を変化させることによってスイッ
チング周波数が自動的に変化し、放電管の電力制御が可
能になる。次に調光器の導通位相角に応じて直流電圧を
制御するアクティブコンバータについて説明する。
【００１７】アクティブコンバータ４のインダクタＬ１
とキャパシタＣ２には、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を
高周波で交互にオン、オフすることによって、交流電源
ＡＣから入力電流が流れ、ダイオードＤ１とＤ２の接続
点の電圧が変化して平滑用キャパシタＣ１を充電する。
従って、入力電流は商用交流電源の電圧に応じて流れる
為、スイッチングに応じて流れる高周波電流をローパス
フィルタに通すことにより、入力電流は図６に示すよう
に調光器７の出力電圧波形と同様の波形となる。インバ
ータに印加される直流電圧はアクティブコンバータ４の
インダクタＬ１とキャパシタＣ２の合成インピーダンス
の大きさによって変わる。従って、インピーダンスを小
さくすることによって図６のように直流電圧を調光器の
出力電圧より高くすることが可能となる。
【００１８】また、インダクタＬ１とキャパシタＣ２に
よって決まる共振周波数はインバータのスイッチング周
波数よりも低く設定し、インバータの出力電圧よりアク
ティブコンバータを流れる共振電流が遅れ位相になるよ
うにする。キャパシタＣ１の充電電流は、調光器７によ
って交流電源電圧の導通位相角が制御されると、その位
相角に応じて変化する。そのため、直流電圧も変化し、
導通位相角に対する直流電圧の関係は図７のようにな
る。
【００１９】ここで、従来のコンバータを用いた場合
と、本実施形態におけるアクティブコンバータを設けた
場合とで直流電圧の変化の違いを説明する。例えば導通
位相角が５０度から１５０度まで変化した場合、従来の
コンバータでは調光器が誤動作しながらも直流電圧はＶ
１からＶ２までΔＶａだけ変化する。一方、アクティブ
コンバータでは直流電圧はＶ３からＶ４までΔＶｂだけ
変化する。直流電圧Ｖ３、Ｖ４は、それぞれＶ１、Ｖ２
より大きく、電圧変化ΔＶｂはΔＶａよりも大きい。ア
クティブコンバータを用いることにより、調光器の誤動
作が防止され、更に直流電圧を商用交流電源電圧よりも
大きくすることができる。本実施形態ではインバータ５
に供給する直流電圧の振幅変化を大きく変化させること
によって、放電管の出力電力も大きく変化させている。
これにより、放電管の明るさをＡＣの導通位相角に応じ
て大きく変化させることが可能になる。
【００２０】図８は本発明の点灯装置の第２の実施形態
の回路図である。図８において、図５と同じ構成要素に
は同じ番号を付し、その説明は省略する。第２の実施形
態では、アクティブコンバータ４とインバータ５は、相
補形の２つのパワー半導体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３
を兼用している。上記第１の実施形態と異なりスイッチ
ング素子Ｑ１はＮチャネル形パワーＭＯＳＦＥＴであ
り、Ｑ３はＰチャネル形パワーＭＯＳＦＥＴであり互い
に相補形である。Ｑ１のソース端子とドレイン端子間に
は還流ダイオード（以後、ＱＤ１と呼ぶ）を内蔵してい
る。Ｑ３のドレイン端子とソース端子間には還流ダイオ
ード（以後、ＱＤ３と呼ぶ）を内蔵している。スイッチ
Ｑ１，Ｑ３の各ソース端子は共通の接続点Ｓで接続さ
れ、各ゲート端子は接続点Ｇで接続されている。Ｑ１，
Ｑ３のドレイン、ソース間に流れる電流は、接続点Ｇと
接続点Ｓ間の同一電圧によって制御される。
【００２１】接続点ＳとキャパシタＣ１の負電極間には
キャパシタＣｆ及び共振用インダクタＬＲ、共振用キャ
パシタＣＲ、直流成分除去用キャパシタＣｄを含む共振
負荷回路が接続されており、放電管１はＣＲに並列に挿
入される。共振負荷回路のキャパシタＣｄは無くてもよ
い。又、共振負荷回路は、接続点ＳとキャパシタＣ１の
正電極間に接続することもできる。これらの共振負荷回
路に流れる電流の周波数は各素子の値によって決まる。
【００２２】スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３が交互にオン
・オフすることによって共振負荷回路に双方向の電流が
流れ、放電管を点灯させる。スイッチＱ１のドレインと
ソース間に接続されたキャパシタＣ７は、両スイッチの
ドレイン、ソース間の電圧変化を調整する。キャパシタ
Ｃ７はＱ３のドレインとソース間に接続しても同様の役
割を果たすことができる。
【００２３】スイッチＱ１及びＱ３の導通状態を制御す
るゲート駆動回路には、共振負荷回路に接続されたキャ
パシタＣｆが含まれている。キャパシタＣｆは、ゲート
駆動回路を動作させるために、共振負荷回路に流れる電
流から駆動電圧を得る。キャパシタＣｆの一端をＦ点と
するとき、接続点ＧとＦ点間には、インダクタＬｇ、キ
ャパシタＣｓが接続されている。インダクタＬｇは共振
負荷回路に流れる電流に対するゲートとソース間の電圧
に位相差を与える。キャパシタＣｓはゲートとソース間
に印加される交流電圧に重畳する直流成分を除去する役
割を果たす。
【００２４】ゲートとソース間には、反対方向に直列に
接続されたツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２を並列に
設けている。これらはスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３のゲ
ート、ソース間に過電圧が印加された場合、素子の破壊
を防ぐ働きをする。更に、ゲートとソース間には、キャ
パシタＣｇｓが接続され、ゲート、ソース間の電圧変化
を調整する。即ち、スイッチＱ１，Ｑ３が交互にオン・
オフする際に、一方のスイッチがオフし、もう一方のス
イッチがオンするまでのデッドタイムを補償する役割を
果たす。スイッチＱ１及びＱ３に流れる電流は、共振負
荷回路に流れる電流とアクティブコンバータに流れる電
流が合成されたものであり、アクティブコンバータに流
れる電流は、商用交流電源の電圧に応じて変化する為、
スイッチＱ１、Ｑ３の電流も変化する。これにより、ス
イッチＱ１、Ｑ３のゲート電圧が閾値を下回り、オフし
た時点に遮断する際の電流の大きさは異なる。スイッチ
がオフした後、この電流によってスイッチＱ１、Ｑ３の
寄生容量及びキャパシタＣ７を充電或いは放電する為、
スイッチのドレインとソース間の電圧が直流電源電圧の
正電位又は負電位に変化する時間が異なる。ここで、ド
レインとソース間の電圧が変化している期間中にゲート
電圧がスイッチの閾値を上回りオンすると、キャパシタ
Ｃ７とスイッチＱ１又はＱ３の経路で貫通電流が流れ、
スイッチの発熱を招く。この実施形態では、前述したよ
うなキャパシタＣｆ、Ｃｇｓ及びインダクタＬｇから構
成される駆動回路によってスイッチのゲート電圧に適切
な位相差を与え、スイッチがオンするタイミングを制御
している。この位相差は負荷の共振周波数変化又は、ス
イッチに流れる電流の大きさに応じて与えられ、貫通電
流を防止する。
【００２５】図８において、始動時、交流電源ＡＣの電
圧上昇によってキャパシタＣ１の直流電圧が増加する
と、Ｑ１のドレインとゲート間に接続された抵抗Ｒ１、
インダクタＬｇ，キャパシタＣｓ、Ｃｆ、Ｑ３のソース
とドレイン間に接続された抵抗Ｒ２の経路で電流が流
れ、接続点Ｇの電圧、即ちゲートとソース間の電圧が次
第に増加する。ゲートとソース間の電圧が、スイッチン
グ素子Ｑ１の閾値電圧を上回るとＱ１はオンし、接続点
Ｓから接続点Ｆに向かって電流が流れるため、接続点Ｆ
の電圧は減少する。これによってゲートとソース間の電
圧は、Ｑ１の閾値電圧を直ぐに下回るためＱ１はオフす
る。ここで、接続点Ｆと接続点Ｓ間に接続されているキ
ャパシタＣｆ及びキャパシタＣｇｓ、インダクタＬｇは
ＬＣ共振回路を構成している為、キャパシタＣｆの僅か
な電圧変化によって、ＬＣ共振回路に流れる電流は増加
し、ゲートとソース間の電圧振幅は増加する。このよう
な発振現象によって、スイッチＱ１及びＱ３が交互にオ
ン・オフとなるスイッチング動作を開始する。アクティ
ブコンバータ４には、前述の第１の実施形態と同様にス
イッチング素子Ｑ１、Ｑ３を高周波で交互にオン、オフ
することによって、交流電源ＡＣから入力電流が流れ、
調光器７の出力に応じてキャパシタＣ１を充電し直流電
圧を制御する。
【００２６】図８の実施形態における、ＡＣの導通位相
角に対する直流電圧とランプ電力の関係を図９に示す。
図９において、導通位相角が小さくなると直流電圧は徐
々に減少し、これに伴ってランプ電力も減少する。ラン
プ電力に対するランプの明るさは図１０に示すような関
係にあり、ランプ電力が１８Ｗから６Ｗまで減少する
と、明るさは１８Ｗを１００％とした場合、６Ｗでは４
０％となる。このように第２の実施形態では、調光器に
よって商用交流電源の導通角が制御される。電灯線に導
通位相角制御信号が重畳された場合でも、この位相角制
御信号に応じて放電管の出力電力を調整することが可能
である。
【００２７】図１１は、本発明の照明装置で構成した照
明システムの構成図である。この図は、電力事業者４０
から電灯線４１によって供給される商用交流電圧に、図
１２のように点灯制御信号を重畳し、電灯線に接続され
ている複数の点灯装置１００〜１０３を制御する照明シ
ステムを表している。図１１において、電力事業者と電
力利用者間の電灯線に接続されているゲートウェイ４２
は、例えば電力事業者が電力利用者の電力使用量をモニ
タしたり、又は電力量を制御するためのインタフェース
として機能する。ゲートウェイ４２と接続装置９０〜９
３との間の電灯線に直列に接続されている制御装置６
は、点灯装置を制御する集中端末として機能する。点灯
装置１００〜１０３は接続装置９０〜９３に接続され
る。
【００２８】接続装置９０〜９３は、接続装置の取り付
け位置情報を記憶しておく装置を備えている。その為、
制御装置６は各々の接続装置の位置を識別することが可
能であり、制御信号にこの位置情報を重畳することによ
って、点灯装置を個別に制御することが可能になる。
又、接続装置は点灯装置が接続されたことを検出し、制
御装置６に信号を送ることによって、制御装置は点灯装
置の有無を判断することが可能になる。
【００２９】電灯線４１には、照明装置の明るさの調整
などを行う電気機器４３が接続され、制御装置６を介し
て点灯装置１００〜１０３と電気機器４３の間で情報通
信を行うことができる。このようなシステムにおいて、
電灯線４１を用いて電灯線通信を行う機能を有する点灯
装置について次に説明する。
【００３０】図１３に、上記照明システムに用いること
のできる、通信機能を有する点灯装置の第１の実施形態
を示す。インバータ５は、非相補形の２つのパワー半導
体スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と共振回路５ｂ及びスイ
ッチの導通状態を制御するゲート駆動回路５ａで構成さ
れている。本実施形態では、結合キャパシタ２２とフィ
ルタ回路２ａ、信号増幅回路２ｂ、変復調回路２ｃ、点
灯制御回路２ｄから構成される通信インタフェース２を
備え、制御装置６からの制御信号を受信し、また、制御
装置６に信号を送信する。
【００３１】結合キャパシタ２２は、電灯線と通信イン
タフェースを電気的に分離するものであり、結合キャパ
シタ２２に代えて結合トランスを用いることもできる。
通信インタフェース２に含まれるフィルタ回路２ａは、
電灯線通信に使用される周波数帯域の信号のみを通過さ
せ帯域外の信号を除去する帯域通過フィルタである。こ
のフィルタは図１４に示すように例えばキャパシタ２
３，２５とスイッチ２７及びオペアンプ２６から成るス
イッチト・キャパシタ・フィルタを組み合せた構成にす
ることでモノリシック化が可能である。
【００３２】信号増幅回路２ｂは、制御装置６と点灯装
置の間の通信距離が長く信号が電灯線を伝搬していく間
に減衰した場合、正確な情報を得る為に信号を増幅する
ものである。又、点灯装置から電灯線の交流電圧に信号
を重畳する場合においても同様の信号増幅の役割を果た
す。変復調回路２ｃは、電灯線からフィルタ回路２ａ、
信号増幅回路２ｂを介して送られたアナログ信号を復調
してデジタル信号を出力し、又、デジタル信号を変調し
てアナログ信号を出力する。点灯制御回路２ｄは、変復
調回路２ｃから出力されたデジタル信号を解読し、例え
ば、放電管の明るさを８０％まで暗くする指令であれ
ば、インバータのスイッチング周波数を現状より高くす
るように制御信号を出力する。ゲート駆動回路５ａから
インバータの状態を知らせる信号が送られた場合は、こ
の信号を解読し変復調回路２ｃにデジタル信号を出力す
る。
【００３３】ゲート駆動回路５ａは、インバータに駆動
信号を与えハイサイド、ローサイドのスイッチング素子
Ｑ１、Ｑ２を駆動する回路である。この駆動回路は、ロ
ーサイドを基準電位とする駆動信号をハイサイドを基準
電位とする信号に変換するレベルシフト回路を備えてい
る。又、ゲート駆動回路５ａは発振器を内蔵し、点灯制
御回路２ｄからの制御信号に基づき、インバータのスイ
ッチング周波数を制御すると共に、点灯制御回路２ｄに
スイッチング周波数の情報を伝えてインバータの点灯状
態を知らせる。
【００３４】図１５に、本発明の通信機能を有する点灯
装置の第２の実施形態を示す。この実施形態では、イン
バータは直流電源間に接続された相補形スイッチから構
成され、スイッチの制御信号の基準電位が直流電源の基
準電位と異なる。このような相補形スイッチのゲート駆
動回路は基準電位が常に変動しており、駆動回路に信号
を伝えるには、信号送信側と受信側を電気的に分離する
必要がある。
【００３５】この実施形態では、図１３に示したような
結合キャパシタ２２とフィルタ回路２ａ、信号増幅回路
２ｂ、変復調回路２ｃ、点灯制御回路２ｄから構成され
る通信インタフェース２を備え、ゲート駆動回路５ａを
含むインバータ制御部と通信インタフェース２の間に
は、それらを電気的に分離しながら双方間の信号伝送を
行うためにアイソレータ２４を設けている。通信インタ
フェース２は図１３で説明したものと同様であり説明を
省略する。
【００３６】相補形スイッチＱ１、Ｑ２を駆動するゲー
ト駆動回路５ａの回路構成を図１６に示す。平滑用キャ
パシタＣ１の正電位と負電位間に接続された相補形スイ
ッチＱ１、Ｑ３の制御節点Ｇには、Ｐチャネルのトラン
ジスタＱ４とＮチャネルのトランジスタＱ５をドレイン
接続したＣＭＯＳトランジスタの出力節点が接続されて
いる。また、基準節点ＳにはＰチャネルのトランジスタ
Ｑ６とＮチャネルのトランジスタＱ７をドレイン接続し
たＣＭＯＳトランジスタの出力節点が接続されている。
ＣＭＯＳトランジスタには節点Ｖ１とＶ１Ｇから直流電
圧が供給される。各ＣＭＯＳトランジスタの制御入力に
は発振器１４からバッファ１５を介してゲート駆動信号
が送られ、この信号に応じて、スイッチング素子の導通
状態が制御される。発振器１４は点灯制御回路２ｄから
アイソレータ２４を介して送られた制御信号２０を入力
とし、所望の周波数を発生しスイッチング周波数を制御
すると共に、インバータの状態を知らせる状態信号２１
を出力する。
【００３７】図１５において、制御装置６から複数台の
点灯装置を高速に制御する場合、通信インタフェースと
インバータ制御部間の信号伝送速度も高速にする必要が
あり、アイソレータ２４の性能が点灯装置の応答性を左
右することになる。
【００３８】図１７に、このような要求に対応するアイ
ソレータを備えた通信機能を有する点灯装置の第３の実
施形態を示す。この実施形態は、図１５で説明した実施
形態と同様の通信インタフェース機能を有するコントロ
ール回路１８と、インバータ制御機能を有するドライバ
回路１７を備える。
【００３９】コントロール回路１８の相補信号発生器１
８ｅは点灯制御回路１８ｄからデジタル信号を受け取
り、またドライブ回路１７の相補信号発生器１７ｃはゲ
ート駆動回路１７ａからデジタル信号を受け取り、それ
ぞれ位相差が１８０度異なる２つの信号を発生する。こ
の信号は、駆動回路８，１１によって結合キャパシタ
９、１２にそれぞれ入力され、相補形信号は微分波形と
なる。ドライブ回路１７のセンサ回路１０、コントロー
ル回路１８のセンサ回路１３は微分波形を検知し、パル
スの立ち上がり、立ち下がりのタイミング情報を出力す
る。ドライブ回路１７のフリップフロップ１７ｆ、コン
トロール回路１８のフリップフロップ１８ｆは、それぞ
れセンサ回路１０、１３からのタイミング情報を基に点
灯制御回路及びゲート駆動回路から入力されたデジタル
信号を再生する。再生されたデジタル信号はそれぞれバ
ッファ１７ｇ及び１８ｇを介してゲート駆動回路１７ａ
および点灯制御回路に入力される。
【００４０】結合キャパシタ９、１２は、通信インタフ
ェースとインバータ制御部を電気的に分離しながら信号
を双方に伝送する機能を有している。このように、キャ
パシタを用いたアイソレータは周辺回路が論理回路で構
成されており、信号遅延が小さい為に高速性に優れてい
る。
【００４１】相補形スイッチＱ１及びＱ３を駆動するゲ
ート駆動回路１７ａは、図１６で説明したものと同様で
ある。ドライブ回路１７に、放電管の有無及び寿命末期
を検出する回路１７ｂを備えた場合、該回路１７ｂから
寿命末期信号がゲート駆動回路１７ａに入力されると、
インバータの損傷を防止するため発振器の発振を停止さ
せることができる。
【００４２】従来用いられている非相補形スイッチで
は、インバータを駆動するために、互いに逆位相の２つ
の制御信号が必要であり、レベルシフト回路が必須であ
った為、駆動回路は高電圧回路となっていた。これに対
し、上記の実施形態の相補形スイッチのゲート駆動回路
は、ＣＭＯＳトランジスタ、発振器、バッファを組みあ
わせた簡易な回路で構成でき、１つの制御信号でインバ
ータをコントロールすることができ、従って駆動回路は
低電圧回路となりＩＣに組み込むことが容易である。ま
た、キャパシタを用いたアイソレータは前述のように論
理回路から構成でき、通信インタフェースを含めて同一
のウェハ上に搭載することが可能である。従って、図１
７の破線１６で囲んだ部分をワンチップ化することがで
きる。
【００４３】次に図１８を用いてドライブ回路１７とコ
ントロール回路１８に電力を供給する電源回路について
説明する。
【００４４】図１８において、ドライブ回路１７に含ま
れるゲート駆動回路の基準電位はキャパシタＣ１の電
圧、即ち直流電源とは別電位となる。ここでは共振用イ
ンダクタＬＲに２次巻線Ｌ７を設け、インダクタＬＲに
共振電流が流れることによって発生する２次巻線の電圧
を利用している。この電圧によってキャパシタＣ８には
ダイオードＤ３を介して充電電流が流れ、Ｃ８の両端電
圧はＣ１の電圧とは別電位の直流電圧源となり、ドライ
ブ回路１７の節点Ｖ１とＶ１Ｇに供給される。一方、コ
ントロール回路１８の基準電位はＣ１の基準電位と同じ
であり、Ｃ１の正負極間に抵抗Ｒ３とキャパシタＣ９を
接続し、Ｃ１の電圧でＣ９を充電することによって直流
電圧を得ている。Ｃ９には並列にツェナーダイオードＺ
Ｄ３を設けて定電圧化を実現している。
【００４５】ここで、コントロール回路１８の基準電位
はドライブ回路１７と同様にＣ１と別電位とすることも
可能であり、この場合、図１９に示すように共振用イン
ダクタＬＲに更に２次巻線Ｌ８を設け、これに発生する
２次電圧を利用する。この電圧でキャパシタＣ３をダイ
オードＤ４を介して充電し、Ｃ３の両端電圧をドライブ
回路１７の節点Ｖ２とＣ１と異なる基準電位の節点Ｖ２
Ｇに供給する。図１８の点灯装置の始動時の動作は、図
８で説明した自励式の発振現象と同様であり、スイッチ
Ｑ１とＱ３が交互にオン・オフするスイッチング動作を
開始するが、始動後は共振用インダクタＬＲに電流が流
れドライブ回路１７に直流電圧が印加される為、ドライ
ブ回路１７による他励式の駆動へ移行する。
【００４６】図２０は前述のような通信機能を有する点
灯装置を制御装置からコントロールする際の点灯制御パ
ターンの例を示す図である。時間ｔ０において点灯を開
始すると放電管内部の水銀蒸気圧の上昇と共に次第に明
るさが増し、時間ｔ１において１００％の全光状態に達
する。時間ｔ２で制御装置から省エネ運転モードの信号
が送られると、点灯装置はゲート駆動回路のスイッチン
グ周波数を高めにコントロールしランプ電力を僅かに低
下させ明るさを８０％程度の状態に保つ。この省エネ運
転モードは、放電管の明るさを全光状態より２０％程度
暗くするが、急激に明るさを変えずに徐々に暗くするこ
とによって、暗さを感じないよう点灯装置を制御するモ
ードである。時間ｔ３では放電管の明るさを更に低下さ
せる制御信号が送られ、点灯装置はスイッチング周波数
を高くしランプ電力をさらに低下させ調光を行う。この
ように点灯装置を制御装置からコントロールすることに
より、前述の省エネ運転モードによって暗さが気になら
ない程度で放電管の明るさを調整し点灯装置の消費電力
を低減することが可能になる。放電管の状態、例えばラ
ンプの有無や寿命末期を制御装置に伝えることにより、
放電管の交換など保守管理が容易になる。
【００４７】図２１は、本発明の通信機能を有する点灯
装置の第４の実施形態の回路図である。該点灯装置は、
フィルタ回路５１、信号増幅回路５２、変復調回路５
３、点灯制御回路５４、ゲート駆動回路５５、放電管寿
命末期検出回路５６を備える。前述した図１７の点灯装
置では、通信インタフェースとインバータ制御部との間
に設けられたアイソレータはキャパシタを用いている
が、この実施形態では、アイソレータとしてトランス１
９を用いている。このようにトランスを用いた場合、通
信インタフェースの点灯制御回路５４は変復調回路５３
から出力されたデジタル信号を解読し、その信号に応じ
たアナログ信号をトランス１９に出力する。又、インバ
ータ制御部からトランス１９を介してインバータの状態
信号が送られた場合は、このアナログ信号を解読し変復
調回路５３にデジタル信号を出力する。ゲート駆動回路
５５はトランス１９を介して送られたアナログ信号を入
力として、所望の周波数を発生しスイッチング周波数を
制御することにより放電管１の調光を行う。また、寿命
末期検出回路５６から信号が入力されると、インバータ
の損傷を防止するため発振を停止すると共に、この状態
に応じたアナログ信号をトランス１９に出力する。
【発明の効果】本発明によれば、インバータ方式の照明
装置の調光を、特別の発振回路を設けることなく行うこ
とができる。また、遠隔からインバータ方式の照明装置
の調光を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の点灯装置の第１の実施形態のブロック
図である。
【図２】本発明の点灯装置の原理を説明する図である。
【図３】調光器の導通位相角制御の動作を説明する図で
ある。
【図４】従来の点灯装置の調光器出力電圧とインバータ
供給直流電圧との関係を示す波形図である。
【図５】本発明の点灯装置の第１の実施形態の回路図で
ある。
【図６】図５の回路の電圧及び電流の波形図である。
【図７】調光器の導通位相角とインバータ供給直流電圧
との関係を、アクティブコンバータを用いた場合と用い
ない場合とで対比して示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態の点灯装置の回路図で
ある。
【図９】図８の点灯装置における、調光器の導通位相角
とインバータ供給直流電圧とランプ電力の関係を示すグ
ラフである。
【図１０】図８の点灯装置における、ランプ電力とラン
プの明るさの関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の照明装置を用いた照明システムの構
成図である。
【図１２】商用交流電圧に重畳された点灯制御信号を示
す波形図である。
【図１３】本発明の通信機能を有する点灯装置の第１の
実施形態の回路図である。
【図１４】図１３の点灯装置で使用されるフィルタ回路
の回路図である。
【図１５】本発明の通信機能を有する点灯装置の第２の
実施形態の回路図である。
【図１６】図１５の点灯装置のゲート駆動回路の詳細を
示す回路図である。
【図１７】本発明の通信機能を有する点灯装置の第３の
実施形態の回路図である。
【図１８】図１７の点灯装置の電源回路の説明図であ
る。
【図１９】図１７の点灯装置の電源回路の変形例を示す
図である。
【図２０】本発明の通信機能を有する点灯装置の点灯制
御パターンの例を示す図である。
【図２１】本発明の通信機能を有する点灯装置の第４の
実施形態の回路図である。
【符号の説明】
１ 放電管 ２ スイッチ ３ 整流器 ４ アクティブコンバータ ５ インバータ ６ 制御装置 ７ 調光器 ８、１１ 駆動回路 ９、１２、２２ キャパシタ １０、１３ センサ回路 １４ 発振器 １５ バッファ １７ ドライブ回路 １８ コントロール回路 １９ トランス ２０ 制御信号 ２１ 状態信号 ２４ アイソレータ ２６ オペアンプ ４０ 電力事業者 ４１ 電灯線 ４２ ゲートウェイ ４３ 電気機器 ９０〜９３ 接続装置 １００〜１０３ 点灯装置 ＡＣ 商用交流電源 Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード Ｑ１〜Ｑ７ スイッチング素子 ＺＤ１〜ＺＤ３ ツェナーダイオード Ｃ１〜Ｃ９、Ｃｄ、ＣＲ、Ｃｆ、Ｃｇｓ、Ｃｓ、 キャ
パシタ Ｌ１〜Ｌ８、Ｌｇ、Ｌｒ、Ｌｓ インダクタ Ｒ１〜Ｒ３ 抵抗
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小嶋 康行 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 川端 賢治 東京都青梅市新町六丁目16番地の２ 株式 会社日立製作所熱器ライティング事業部内 Ｆターム(参考） 3K072 AA01 AA16 BA01 CA16 DB09 DC06 DD05 EB09 GB12 HA02 HA04 3K098 CC40 CC65 DD20 DD21 DD35 EE13 EE28 GG02

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 商用交流電圧から直流電圧を生成する直
    流電圧生成手段と、生成された直流電圧をスイッチング
    し、点灯すべき放電管に並列に接続されたキャパシタを
    含み該放電管の等価インピーダンスに応じて共振周波数
    が定まる第１の共振回路手段を介して該放電管に高周波
    電流を供給する第１のスイッチング手段とを備え、前記
    直流電圧生成手段は前記直流電圧の値を調節する制御手
    段を有し、前記スイッチング手段のスイッチングは、前
    記第１の共振回路手段を流れる共振電流の位相により制
    御されることを特徴とする照明装置用点灯装置。
  2. 【請求項２】 請求項１において、前記第１のスイッチ
    ング手段は、前記第１の共振回路手段を流れる共振電流
    から得られる制御信号が印加されることにより交互に導
    通、非導通となる、互いに直列に接続された二つのスイ
    ッチング素子と、前記制御信号の位相を変化させる手段
    とを備えることを特徴とする照明用点灯装置。
  3. 【請求項３】 請求項１または２において、前記直流電
    圧生成手段は、前記商用交流電圧から電流が供給されて
    前記直流電圧を確立する第１のキャパシタと、前記商用
    交流電圧からの電流を第２の共振回路手段に供給し該第
    ２の共振回路手段に蓄えられた電荷を前記第１のキャパ
    シタに移動させる第２のスイッチング手段とを備え、該
    第２のスイッチング手段と前記第１のスイッチング手段
    とを兼用することを特徴とする照明用装置用点灯装置。
  4. 【請求項４】 請求項３において、前記第１のスイッチ
    ング手段のスイッチング周波数が、前記第２の共振回路
    手段の共振周波数及び、放電管が無いときの前記第１の
    共振回路手段の共振周波数より高いことを特徴とする照
    明装置用点灯装置。
  5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれかにおいて、前
    記直流電圧の値を調整する制御手段は、交流電源の導通
    位相角を制御する素子から構成されることを特徴とする
    照明装置用点灯装置。
  6. 【請求項６】 電灯線を介して供給される商用交流電圧
    から高周波電流を生成し、点灯すべき放電管に供給する
    インバータ部と、該電灯線を介して外部との間で通信を
    行う通信インタフェース部とを備え、 前記インバータ部は、電灯線を介して供給される商用交
    流電圧から直流電圧を生成する直流電圧生成手段と、生
    成された直流電圧をスイッチングし、前記放電管に並列
    に接続されたキャパシタを含む共振回路を介して該放電
    管に高周波電流を供給するスイッチング手段と、該スイ
    ッチング手段のスイッチングを外部から供給される信号
    に基づき制御する駆動回路手段とを含み、 前記通信インタフェース部は、点灯制御に関する情報を
    含み前記商用交流電圧に重畳されているアナログ信号を
    該商用交流電圧から抽出するフィルタ手段と、該フィル
    タ手段からの情報に基づき前記駆動回路手段にスイッチ
    ングの開始、停止、及びスイッチング周波数の少なくと
    も一つを規定するデジタル制御信号を生成する手段と、
    該デジタル制御信号を前記駆動回路手段に送る点灯制御
    手段とを備えることを特徴とする通信機能を有する照明
    装置用点灯装置。
  7. 【請求項７】 請求項６において、前記インバータ部は
    点灯状態に関する情報をデジタル点灯状態信号として生
    成する第１のセンサを備え、前記通信インタフェース部
    は該第１のセンサからのデジタル点灯状態信号をアナロ
    グ信号に変換し商用交流電圧に重畳して電灯線を介して
    外部に送ることを特徴とする通信機能を有する照明装置
    用点灯装置。
  8. 【請求項８】 請求項７において、前記インバータ部と
    前記通信インタフェース部とを電気的に分離するアイソ
    レータを備えたことを特徴とする通信機能を有する照明
    装置用点灯装置。
  9. 【請求項９】 請求項８において、前記アイソレータ
    は、キャパシタ又は変圧器からなることを特徴とする通
    信機能を有する照明装置用点灯装置。
  10. 【請求項１０】 請求項７において、前記点灯制御手段
    及び前記ゲート駆動回路手段は、位相が１８０度異なる
    ２つの相補信号を生成してそれぞれ制御信号及び点灯状
    態信号として送る相補信号発生手段と、受信した相補信
    号から制御信号及び点灯状態信号をそれぞれ再生する手
    段を備えることを特徴とする通信機能を有する照明装置
    用点灯装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１０において、前記インバータ
    部と前記通信インタフェース部とを電気的に分離するキ
    ャパシタを備え、前記再生手段は該キャパシタからの微
    分波形に基づきパルスの立ち上がり、立下りの情報を得
    る１対の検出回路と、該検出回路からの情報に基づき信
    号を再生するフリップフロップと、再生された信号を一
    時的に蓄えるバッファとを有することを特徴とする通信
    機能を有する照明装置用点灯装置。
  12. 【請求項１２】 請求項７から１１のいずれかにおい
    て、前記インバータ部は放電管の有無及び放電管の寿命
    末期を検出する第２のセンサを備え、前記通信インタフ
    ェース部は前記第１のセンサ及び第２のセンサにより検
    出された情報を含むデジタル点灯状態信号をアナログ信
    号に変換し商用交流電圧に重畳し、電灯線を介して外部
    に送ることを特徴とする通信機能を有する照明装置用点
    灯装置。
  13. 【請求項１３】 請求項６から１２において、前記点灯
    制御手段は、放電管を点灯開始時から一定の期間、最大
    光束で点灯させ、該期間を経過後、最大光束より少ない
    光束で点灯させるように制御する制御パターンを記憶す
    る記憶手段を有することを特徴とする照明装置用点灯装
    置。
  14. 【請求項１４】 請求項６から１３のいずれかに記載の
    点灯装置と、該点灯装置を電灯線に接続する接続装置と
    を備え、該接続装置は取り付けられている位置を記憶す
    る記憶手段と、該取り付け位置を表す信号を電灯線を介
    して外部に送る送信手段とを有することを特徴とする照
    明装置。
  15. 【請求項１５】 請求項１４において、前記接続装置
    は、点灯装置が接続されたことを表す信号を生成し、前
    記前記送信手段に送る手段を有することを特徴とする照
    明装置。
  16. 【請求項１６】 請求項１４または１５において、前記
    接続装置は、電灯線から供給される電流を表す信号を生
    成し、前記前記送信手段に送る手段を有することを特徴
    とする照明装置。
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