JP2002216984A - 照明用点灯装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高周波動作にも適応した放電管の点灯装置にお
いて、調光を実現すると共に調光度が深い状態で短寿命
を防ぐことができる照明用点灯装置を提供する。 【解決手段】放電管を含む共振負荷回路と商用交流電圧
から直流電圧を生成する電源回路と、生成された直流電
圧を交流電圧に変換して共振負荷回路に供給するインバ
ータを備えた照明用点灯装置において、放電管の電圧を
検出し、インバータの動作を始動および停止させる制御
回路を備える。

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方式の照
明用点灯装置に関する。

【０００２】

【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、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。

【０００３】白熱電球の口金に装着可能な小型の電球形
蛍光ランプでは、白熱電球用に設計された調光器を用い
て調光を行うことになる。通常、調光器はトライアック
（双方向サイリスタ）を用いて商用交流電源の位相を制
御し、抵抗特性を有する白熱電球の電流を調整して明る
さを変える。インバータ式の点灯回路は、一般に交流電
源をダイオードブリッジで構成された整流回路で整流
し、脈流を平滑するキャパシタによって直流電圧を得る
ため、調光器に対し容量性インピーダンスとなる。この
ような組み合せの場合、調光器のトライアックがオンし
た直後、点灯回路に急激な突入電流が流れ、トライアッ
クがオン・オフを繰返し、調光器が誤動作するため放電
管がちらつく。

【０００４】調光器の誤動作を対策する従来例として、
特開平９−１２９３８３号に開示されるような点灯回路
がある。この回路は、予め設定した値よりも大きな振幅
を有する周期的な電流パルス、即ち突入電流を検出して
電源の供給電圧を遮断する手段を備え、点灯回路への損
傷と放電管の短寿命を防いでいる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来例では、放
電管の短寿命を防ぐことを目的に、調光器がオンした直
後に流れる突入電流を検出して電圧供給を遮断するた
め、調光は不可能である。

【０００６】本発明の課題は、高周波動作にも適応した
放電管の点灯装置において、調光を実現すると共に、調
光度が深い状態でも放電管の短寿命を防ぐことができる
照明用点灯装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題の解決は、放電
管を含む共振負荷回路と商用交流電圧から直流電圧を生
成する電源回路と、生成された直流電圧を交流電圧に変
換して共振負荷回路に供給するインバータを備えた照明
用点灯装置において、放電管の電圧を検出し、インバー
タの動作を始動および停止させる制御回路を備えること
により達成できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態を示す
ブロック図である。図１において、点灯回路１３は、放
電管を含む共振負荷回路１２と商用交流電圧１から直流
電圧を生成する電源回路１０と、生成された直流電圧を
交流電圧に変換して共振負荷回路１２に供給するインバ
ータ１１から構成されている。

【０００９】この点灯回路１３は図２に示すような回路
で構成されている。図２において、商用交流電圧１をキ
ャパシタ２と３およびインダクタ４で構成されたフィル
タを介して整流回路５に印加する。交流電圧はダイオー
ド５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄのダイオードブリッジで構成
された整流回路５によって全波整流され、平滑用のキャ
パシタ８で直流電圧を得る。この電圧をインバータによ
り高周波電力に変換し、蛍光ランプ４０に供給して高周
波点灯させる構成になっている。

【００１０】インバータは２つのパワー半導体スイッチ
ング素子２０、２１をハーフブリッジ接続した構成にな
っている。スイッチ２０はＮチャネル形パワーＭＯＳＦ
ＥＴであり、スイッチ２１はＰチャネル形パワーＭＯＳ
ＦＥＴであり互いに相補形である。スイッチ２０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、２
２と呼ぶ）を内蔵している。同様にスイッチ２１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、２
３と呼ぶ）を内蔵している。スイッチ２０、２１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。スイッチ２０、２１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。

【００１１】接続点ｓとキャパシタ８の負電極ｏ点との
間にはキャパシタ２７および共振用インダクタ４１、直
流成分除去用キャパシタ４２、蛍光ランプ４０、キャパ
シタ４４、７０を含む共振負荷回路が接続されており、
蛍光ランプ４０には電極を介して並列に共振用キャパシ
タ４３を備える。キャパシタ７０は整流回路５のダイオ
ード５ｄと並列に接続されている。

【００１２】以上の構成において、スイッチ２０、２１
は交互にスイッチング動作を行い、共振負荷回路に双方
向の電流を流し、蛍光ランプ４０を点灯させる。スイッ
チ２０のドレインとソース間に接続されたキャパシタ３
２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３２はスイッチ２１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。図２におい
て、キャパシタ４３は蛍光ランプ４０の電極を介して接
続されており、蛍光ランプが点灯する直前に充分に電極
を予熱することができる。

【００１３】スイッチ２０および２１の導通状態を制御
するゲート駆動回路には、共振負荷回路上に接続された
キャパシタ２７が含まれている。キャパシタ２７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２７の一端をｆ
点とし、接続点ｇとｆの間には、インダクタ２８および
キャパシタ２９が接続されている。インダクタ２８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、動作周波数の設定に寄与する。キャ
パシタ２９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。

【００１４】スイッチ２０および２１のゲートとソース
間には、直列に接合されたツェナーダイオード２４、２
５を並列に設けている。これらはスイッチ２０、２１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。ＭＯＳＦＥＴには既にゲート過電
圧保護用のツェナーダイオードが内蔵されているものも
あり、このようなスイッチング素子を選んだ場合は、前
述のツェナーダイオードを外した構成でもよい。

【００１５】さらに、スイッチ２０および２１のゲート
とソース間には、キャパシタ２６を備えて、上記ゲー
ト、ソース間の電圧変化を調整する。即ち、スイッチ２
０、２１が交互にスイッチング動作を行う中で、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。

【００１６】次にインバータの始動動作について説明す
る。交流電圧１が印加され、キャパシタ８の電圧、即ち
接続点ｏに対するｄ点の直流電圧が増加すると、抵抗３
０、インダクタ２８、キャパシタ２９、２７、抵抗３１
の経路で電流が流れ、接続点ｓに対するｇ点の電圧即ち
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２０のゲート閾値電圧を上回
り、スイッチ２０がオンすると接続点ｄからスイッチ２
０、キャパシタ２７の経路で接続点ｆに向かって電流が
流れ、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スイッチ２０の閾値電圧を直ぐに下
回るため、スイッチはオフする。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２７およびキャパ
シタ２６、インダクタ２８はＬＣ共振回路を構成してい
るため、キャパシタ２７の僅かな電圧変化によって、駆
動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２０および２１が交互にスイッチング動作を開始す
る。

【００１７】本実施例では、インバータの共振負荷回路
に設けたキャパシタ７０の電圧を利用し、入力電流を交
流電圧１の全周期に渡って流すことができ、白熱電球用
の調光器を使用してランプ電力を調整することが可能で
ある。

【００１８】次に図２の回路動作を図３、図４を用いて
説明する。ここでは、交流電圧１から電流が流れ込む動
作について説明する。図３において、スイッチ２０がオ
ンするとキャパシタ８からスイッチ２０、キャパシタ２
７、インダクタ４１、キャパシタ４２、ランプ４０、キ
ャパシタ７０の経路で電流Ｉａが流れる。電流Ｉａはキ
ャパシタ７０を充電し、ダイオード５ｄのカソード端子
とキャパシタ７０との接続点ｎの電圧Ｖｎは上昇する。
ここで、整流ダイオード５ａのアノード端子をｐ点とし
ｏ点を基準にｐ点の電圧をＶｐとすると、ＶｐはＶｎに
交流電圧１の電圧が加わった電圧となり、Ｖｎの電圧上
昇によって電圧Ｖｐが接続点ｄの電圧Ｖｄより高くなる
と整流回路５のダイオード５ａが導通状態なる。

【００１９】ダイオード５ａがオンすると交流電圧１か
らインダクタ４、ダイオード５ａ、スイッチ２０、キャ
パシタ２７、インダクタ４１、キャパシタ４２、ランプ
４０の経路で電流Ｉｂが流れ、ランプ４０を含む共振負
荷回路にはキャパシタ８から流れる電流Ｉａと電流Ｉｂ
の２つの電流が重畳して流れる。

【００２０】スイッチ２０がオフすると電流Ｉａは図４
に示すようにインダクタ４１、キャパシタ４２、ランプ
４０、キャパシタ７０、ダイオード２３の経路で貫流す
る。一方、電流Ｉｂはインダクタ４、ダイオード５ａ、
キャパシタ８、ダイオード２３、キャパシタ２７、イン
ダクタ４１、キャパシタ４２、ランプ４０の経路でキャ
パシタ８を充電する。この期間、スイッチ２１はオンす
るがインダクタ４１の蓄積エネルギが無くなるまで、電
流Ｉａは流れ続ける。

【００２１】次からの動作モードに関しては図示しない
が、キャパシタ７０の電圧によって電流Ｉａの極性が反
転すると、電流Ｉａはキャパシタ７０、ランプ４０、キ
ャパシタ４２、インダクタ４１、キャパシタ２７、スイ
ッチ２１の経路で流れる。接続点ｎの電圧Ｖｎ即ちキャ
パシタ７０の電圧が次第に減少し、整流回路５のダイオ
ード５ｄが導通状態になると、電流はインダクタ４１、
キャパシタ２７、スイッチ２１、ダイオード５ｄ、ラン
プ４０、キャパシタ４２の経路で流れる。スイッチ２１
がオフすると、インダクタ４１の蓄積エネルギによっ
て、電流はインダクタ４１、キャパシタ２７、ダイオー
ド２２、キャパシタ８、ダイオード５ｄ、ランプ４０、
キャパシタ４２の経路で貫流する。この期間、スイッチ
２０はオンするが、インダクタ４１の蓄積エネルギが無
くなるまで、電流は流れ続ける。

【００２２】以上のようにキャパシタ７０の電圧変化を
利用し、整流ダイードを高周波でオン・オフすることに
よって、部品の追加を最小限にして交流電圧１の全周期
に渡って入力電流を流すことができる。

【００２３】図２において、キャパシタ７０は整流回路
５のダイオード５ｄと並列に接続したが、ダイオード５
ｂと並列に接続した構成でも前述と同様に交流電圧１の
全周期に渡って入力電流を流すことができる。また、接
続点ｓとキャパシタ８の正電極ｄ点との間にキャパシタ
７１（図示せず）を含む共振負荷回路を接続した構成で
もよく、この場合にはキャパシタ７１が整流回路５のダ
イオード５ｃと並列に接続され、キャパシタ７１の電圧
変化を利用して、交流電圧１から電流を吸い込む。さら
に、キャパシタ７０と７１をそれぞれ整流回路５のダイ
オード５ｃと５ｄに並列に接続した構成でもよく、前述
と同様に交流電圧１の全周期で入力電流が流れる。ここ
で整流回路のダイオードにはインバータと同じ周波数の
高周波電流が流れるため、高速ダイオードを用いる事が
望ましい。

【００２４】本実施例において、図５に示すように交流
電源電圧の導通位相角を制御する調光器を用いてランプ
電力を調整した場合、導通位相角と接続点ｄの直流電圧
の関係は図６となる。図６のように、直流電圧は導通位
相角が９０度付近から小さくなるにつれて低下し、ラン
プ電力が小さくなるため光束は低下する。導通位相角が
９０度以上では直流電圧が殆ど変化せず、ランプの光束
は変化しない。

【００２５】図７に導通位相角が１５０度と４５度の直
流電圧波形と、導通位相角が４５度の時のランプ電圧の
包絡線を示す。図７において、導通位相角が１５０度の
場合、直流電圧のリプル電圧ΔＶｄは小さく、ランプ電
圧の変化も小さくなる。一方、導通位相角が４５度の場
合は、直流電圧のリプル電圧ΔＶｄは大きく、ランプ電
圧は図７に示すように直流電圧の変化が最も大きいとこ
ろで急増する。これは、直流電圧が小さくなるにつれて
ランプ電流が減少し、ほぼゼロになった時に直流電圧の
急激な増加によって再度点灯を開始するためである。従
って、このような状態を繰返し行うと、フィラメントは
ダメージを受け、短寿命になる。

【００２６】図８は直流電圧に対するランプ電圧の最大
値を示したグラフである。図８によれば、ランプ電圧の
最大値は直流電圧が低下するに連れて大きくなり、直流
電圧が９０度より小さくなると急激に増加する。そこ
で、直流電圧が低下して調光度が深くなった場合、図１
に示す制御回路１４により、インバータの動作を停止さ
せることによって、ランプの短寿命を防ぐことができ
る。

【００２７】図１の制御回路１４は電源投入検出回路１
００、直流電圧検出回路２００、ランプ電圧検出回路３
００、フリップフロップ５００、インバータスイッチ制
御回路４００で構成されており、調光度が深い状態で交
流電圧１からの電力供給が無くなり、再度電力が供給さ
れた場合に再始動できるように電源投入制御も行ってい
る。図１の上記制御回路１４は、例えば図９に示すよう
な回路構成で実現できる。

【００２８】電源投入検出回路１００は図９に示すよう
に１０１から１０７で構成された微分回路で実現でき
る。図２において交流電圧１が印加されると、接続点ｄ
には平滑された電圧が出力され、図９の抵抗１０１と１
０２およびキャパシタ１０３の接続点には分圧された電
圧が出力される。この電圧は、キャパシタ１０４によっ
て微分され、電源投入時のような急峻に電圧が変化した
場合のみスイッチ１０７はオンする。１０７の制御電流
は抵抗１０５、抵抗１０６で設定される。スイッチ１０
７がオンするとインバータスイッチ制御回路４００のス
イッチ４０２はオフ状態になり、抵抗４０３を介して接
続されている接続点ｅはオープン状態となる。従って、
インバータ用のスイッチ２０、２１はキャパシタ２７の
電圧によって交互にスイッチング動作を行うことができ
る。

【００２９】図１の直流電圧検出回路２００は、図２の
接続点ｄの電圧、即ちインバータの電源電圧を検出して
おり、電源電圧が所定の基準電圧より高くなるとインバ
ータの動作をスタートさせる。直流電圧検出回路２００
は図９に示すように抵抗２０１と２０２でインバータの
電源電圧を分圧して検出し、検出電圧がツェナーダイオ
ード２０３のツェナー電圧を超えるとスイッチ２０４を
オンし、インバータスイッチ制御回路４００のスイッチ
４０２をオフする。４０２がオフ状態になると前述のよ
うに接続点ｅはオープン状態となり、インバータ用のス
イッチ２０、２１はキャパシタ２７の電圧によって交互
にスイッチング動作を行うことができる。

【００３０】ランプ電圧検出回路３００は、図２の接続
点ｂの電圧が図８の基準電圧Ｖｂｒより高くなるとイン
バータの動作を停止させる。電圧検出回路３００は図９
に示すように抵抗３０１と３０２で接続点ｂの電圧を分
圧し、ダイオード３０３で整流して検出を行っている。
検出電圧が抵抗３０４、抵抗３０５で設定される基準電
圧より高くなり、スイッチ３０６に制御電流が流れてオ
ンする。ランプ電圧検出回路３００はフリップフロップ
５００に接続されており、スイッチ３０６がオンすると
フリップフロップのスイッチ５０５はオフし、スイッチ
５０２はオンとなる。５０５のオフによってインバータ
スイッチ制御回路４００のスイッチ４０２の制御端子に
は抵抗５０６、４０１を介して制御電流が流れるため、
スイッチ４０２はオンする。

【００３１】４０２のオンにより接続点ｅは抵抗４０３
を介して接続点ｏに接続されるため、インバータの動作
は停止する。ここで、フリップフロップ５００は、前述
したようにスイッチ５０５がオフするとスイッチ５０２
の制御端子に抵抗５０６、５０３を介して電流が流れ５
０２はオンする。従って、ランプ電圧の上昇によってス
イッチ３０６がオンすると、フリップフロップ５００の
働きによって、スイッチ４０２はオン状態を保持し、イ
ンバータの停止状態を継続し、ランプに繰り返し高電圧
が印加されて短寿命になることを防ぐことができる。

【００３２】また、インバータの動作を停止させる別の
方法としては、インバータの電源電圧である直流電圧を
検出して動作を停止させる方法もある。

【００３３】

【発明の効果】本発明の照明用点灯装置は、簡単な構成
で商用交流電源電圧の全周期に渡って、入力電流を流す
ことができ、白熱電球用の調光器を用いてランプへの供
給電力を制御することができる。また、調光度が深い状
態での短寿命化を防ぐことができる

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す点灯装置のブロック
図。

【図２】図１の実施形態における点灯回路を示す回路
図。

【図３】図２の実施形態における回路動作の説明図。

【図４】図２の実施形態における回路動作の説明図。

【図５】商用交流電源の電圧波形と調光器の出力電圧波
形図。

【図６】本発明の実施形態における交流電源電圧の導通
位相角に対する直流電圧の関係を示すグラフ。

【図７】本発明の実施形態における直流電圧波形とラン
プ電圧の波形図。

【図８】本発明の実施形態における直流電圧とランプ電
圧の関係を示すグラフ。

【図９】図１の実施形態における制御回路を示す回路
図。

【符号の説明】

１…商用交流電圧、２，３，８，２６，２７，２９，４
２，４３，４４，４６，５２，７０，１０３，１０４…
キャパシタ、４，６，２８，４１…インダクタ、５…整
流器、１０…電源回路、１１…インバータ、１２…共振
負荷回路、１３…点灯回路、１４…制御回路、５ａ，５
ｂ，５ｃ，５ｄ，２２，３０３…ダイオード、２０，２
１，１０５，１０７，２０４，３０６，４０２，５０
２，５０５…スイッチング素子、２４，２５，２０３…
ツェナーダイオード、３０，３１，１０１，１０２，１
０５，１０６，２０１，２０２，３０１，３０２，３０
４，３０５，４０１，４０３，５０１，５０３，５０
４，５０６…抵抗、４０…ランプ、１００…予熱制御回
路、２００…直流電圧検出回路、３００…ランプ電圧検
出回路、４００…インバータスイッチ制御回路、５００
…フリップフロップ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 隆一 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立画像情報システム内 (72)発明者 庄司 浩幸 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 Ｆターム(参考） 3K072 AA02 BA03 BB01 BB05 BC01 BC03 CB02 DB03 DD04 DE04 DE05 EA07 EB05 EB10 FA05 GA03 GB12 GC01 HB06

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】放電管を含む共振負荷回路と商用交流電圧
   から直流電圧を生成する電源回路と、生成された直流電
   圧を交流電圧に変換して上記共振負荷回路に供給するイ
   ンバータを備えた照明用点灯装置において、上記放電管
   の電圧を検出し、上記インバータの動作を始動および停
   止させる制御回路を備えることを特徴とする照明用点灯
   装置。
2. 【請求項２】放電管を含む共振負荷回路と商用交流電圧
   から直流電圧を生成する電源回路と、生成された直流電
   圧を交流電圧に変換して上記共振負荷回路に供給するイ
   ンバータを備えた照明用点灯装置において、上記直流電
   圧を検出し、上記インバータの動作を始動および停止さ
   せる制御回路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記載の照明用点灯装置に
   おいて、上記制御回路は上記商用交流電圧が印加された
   ことを検出する電源投入検出回路を備えることを特徴と
   する照明用点灯装置。
4. 【請求項４】請求項３記載の照明用点灯装置において、
   上記制御回路は上記インバータの動作を停止した後、上
   記商用交流電圧が印加されるまで、インバータを停止さ
   せる保持回路を備えることを特徴とする照明用点灯装
   置。
5. 【請求項５】請求項４記載の照明用点灯装置において、
   上記制御回路は、上記直流電圧を検出する直流電圧検出
   回路を備えることを特徴とする照明用点灯装置。
6. 【請求項６】請求項５記載の照明用点灯装置において、
   上記インバータは上記共振負荷回路に流れる電流に同期
   した電圧により駆動することを特徴とする照明用点灯装
   置。
7. 【請求項７】請求項６記載の照明用点灯装置において、
   上記インバータは上記電源回路から出力される直流電圧
   の正負極間に直列接続された第１、第２のスイッチ素子
   を備え、上記スイッチ素子はＮチャンネルのパワー半導
   体素子とＰチャンネルのパワー半導体素子であって、第
   １、第２のパワー半導体素子の制御端子と基準端子はそ
   れぞれ互いに共通点で接続され、第１、第２のパワー半
   導体素子の基準端子が共通に接続された接続点と上記直
   流電圧の少なくとも一方の極間に、上記放電管を接続し
   た共振負荷回路と、上記共振負荷回路に流れる電流に同
   期した電圧を発生するように第１のキャパシタを直列に
   接続し、上記第１のキャパシタと上記第１、第２のパワ
   ー半導体素子の制御端子との間に第１のインダクタを備
   えることを特徴とする照明用点灯装置。
8. 【請求項８】請求項７記載の照明用点灯装置において、
   上記第１、第２のパワー半導体素子の制御端子と基準端
   子間に、制御端子の電圧を許容値以下に制限するクラン
   プ手段を備えることを特徴とする照明用点灯装置。
9. 【請求項９】請求項８記載の照明用点灯装置において、
   上記クランプ手段は、直列接続した第１、第２のツェナ
   ーダイオードであって、第１、第２のツェナーダイオー
   ドのカソード端子はそれぞれ互いに共通点で接続されて
   いることを特徴とする照明用点灯装置。
10. 【請求項１０】請求項９記載の照明用点灯装置におい
    て、上記制御回路は、上記第１、第２のツェナーダイオ
    ードの共通接続点と上記直流電圧のいずれか一方の極間
    にスイッチ素子を備えることを特徴とする照明用点灯装
    置。
11. 【請求項１１】請求項１０記載の照明用点灯装置におい
    て、上記電源回路は少なくとも２つのダイオードを備え
    た整流回路と平滑用のキャパシタを備え、上記整流回路
    と商用交流電圧との間にフィルタ回路を備え、上記共振
    負荷回路は共振用のインダクタに直列に第１および第２
    のキャパシタを備え、上記第１のキャパシタが上記整流
    回路のいずれか１つのダイオードと並列に接続されてい
    ることを特徴とする照明用点灯装置。