JP2004327117A - 放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】放電灯が点灯していない無負荷状態において、一定した共振昇圧電圧を供給し、且つ、スイッチング素子が進相状態で動作することを回避し、部品への電気的ストレスを軽減させる。
【解決手段】放電灯４に矩形波交流電力を出力するインバータ回路部２で発生する高周波電圧を電源としてＬＣ共振作用により始動用の高電圧を発生させる始動器３を備え、高周波電圧の動作周波数は始動器３の共振周波数又はその奇数倍の周波数の近傍で周波数スイープしている放電灯点灯装置において、共振昇圧電圧を検出する電圧検出手段５を設けて、検出された共振昇圧電圧が略目標電圧値になった時点で共振昇圧電圧を停止させる。あるいは共振昇圧電圧が略目標電圧値になった時点で一定時間、周波数を固定する。もしくは、共振昇圧電圧が略目標電圧値になった時点で周波数スイープの方向を反転させる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水銀灯やメタルハライドランプのように始動時に高圧パルスを印加する必要のある高圧放電灯を点灯するための高圧放電灯点灯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２０００−１９５６９２号公報
【０００３】
放電灯、特に高輝度放電灯（ＨＩＤランプ）はその始動の為に高圧パルスを必要とする。この高圧パルスの種類としては大別して２種類ある。一つは単位時間当りに比較的幅の細い高電圧が一本印加されるインパルス型であり、もう一つは単位時間当りに略正弦波として比較的幅の広い高電圧が数十本印加される共振昇圧型である。ここでは後者の共振昇圧型について説明する。共振昇圧型の点灯装置の基本構成を図６に示す。図中、１は直流電源、２はインバータ回路部、３は始動器、４は放電灯である。直流電源１はインバータ回路部２に接続され、インバータ回路部２は始動器３を介し放電灯４に接続され、インバータ回路部２の制御回路２２により、放電灯４の始動、点灯状態をコントロールする。直流電源１は例えば商用周波交流電源とＤＣ平滑回路部で構成されており、ＤＣ平滑回路部は力率改善用コンバータであっても良い。
【０００４】
インバータ回路部２は、降圧チョッパ回路部２０と極性反転回路部２１と制御回路２２からなっている。降圧チョッパ回路部２０はスイッチング素子Ｑ０とダイオードＤ０とインダクタンスＬ０とコンデンサＣ０とからなり、スイッチング素子Ｑ０、ダイオードＤ０、インダクタンスＬ０により降圧チョッパ回路を構成している。ここで降圧チョッパ回路の動作については一般的な技術であるので説明を省略する。極性反転回路部２１はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなりフルブリッジ回路を構成している。始動器３はインダクタンスＬとキャパシタンスＣからなり、共振回路を構成している。
【０００５】
極性反転回路部２１は、放電灯４が点灯していない状態（無負荷状態）において、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が制御回路２２により、図７に示すような動作を行なう。すなわち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がオン、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオフの第１の状態と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がオフ、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオンの第２の状態とが交互に切り替わる。その高周波動作周波数ｆｓは、インダクタンスＬとキャパシタンスＣを共振回路とする始動器３の共振周波数ｆｏ＝１／２π√（ＬＣ）、あるいは、その奇数倍周波数（ｆｏ×３、ｆｏ×５、…）の近傍に設定することで、極性反転回路部２１により生成される高周波電圧を電源とし、インダクタンスＬとキャパシタンスＣ各々の両端に共振昇圧された高電圧を誘起する。この共振昇圧された高電圧により放電灯４の始動を促し、点灯状態へと移行させることになる。なお、点灯状態へ移行した後は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は低周波の矩形波交流電圧を放電灯４に供給するように動作する。
【０００６】
この基本回路において、高周波動作周波数ｆｓが固定であると、インダクタンスＬとキャパシタンスＣの部品定数のばらつきにより、始動器３の共振周波数ｆｏがばらつき、その結果、共振周波数ｆｏが所望の設定より高周波動作周波数ｆｓに近くなった場合、本来より高い共振昇圧電圧を出力することとなり、予期しない部位での絶縁破壊を引き起こす可能性がある。逆に、共振周波数ｆｏが所望の設定より高周波動作周波数ｆｓから遠くなった場合、本来より低い共振昇圧電圧を出力することとなり、放電灯４の始動不良の原因となることが考えられる。
【０００７】
そこで、上記高周波動作周波数ｆｓを共振周波数ｆｏ（例えば１５０ＫＨｚ）のばらつきを包括する周波数帯（例えば１００〜２００ＫＨｚ）でスイープさせることで、共振周波数ｆｏのばらつきがあっても一定のピーク値を持つ図８のような共振昇圧電圧を出力することが提案されている。
【０００８】
この周波数スイープはマイコン（例えばＳＴ７２Ｑ５Ｇ２）を用いて容易に実現することが出来る。図９にスイッチング素子Ｑ１用の制御信号の生成方法を一例として記す。同様の制御信号の生成方法はスイッチング素子Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４にも施され、当該スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のコントロールを実現する。
【０００９】
１）マイコンの出力ポートに１（Ｈ）を出力する。
２）単位時間遅れを持つダミー命令をループ命令によりｎ回実行する。
３）前記出力ポートを０（Ｌ）とする。
４）単位時間遅れを持つダミー命令をループ命令によりｍ回実行する。
５）ｎ＝ｎ−１を実行する。
６）ｍ＝ｍ−１を実行する。
７）１）に戻る。
【００１０】
１）〜７）を継続し、ｎ、ｍを加減することにより周波数スイープは実現される。即ち、ポートヘの１／０出力と時間遅れを調整するダミー命令を制御することで図１０（ｂ）に示すように、周波数スイープは実現され、図１０（ｃ）のような共振昇圧電圧が得られる。図中、（ａ）はスイッチング素子Ｑ１の制御信号、（ｂ）はスイッチング周波数、（ｃ）は共振昇圧電圧である。
【００１１】
但し、この方法では、インダクタンスＬとキャパシタンスＣのばらつきは吸収できるものの、その他の部品、特にスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の内部抵抗成分のばらつき、あるいは、放電灯接続線間の浮遊容量、寄生容量の影響は吸収できず、依然として昇圧電圧に大きなばらつきを持つ回路となっている。また、この共振周波数ｆｏを包括する周波数帯でのスイープを施すと、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４が進相状態での動作を強要され、これら部品への電気的ストレスが当該部品の信頼性を劣化させることが懸念される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、放電灯が点灯していない状態（無負荷状態）において、一定した共振昇圧電圧を供給し、且つ、スイッチング素子が進相状態で動作することを回避し、部品への電気的ストレスを軽減させる放電灯点灯装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の放電灯点灯装置にあっては、上記の課題を解決するために、図１に示すように、直流電源１と、放電灯４に矩形波交流電力を供給するインバータ回路部２と、少なくとも一組のインダクタンスＬとキャパシタンスＣで構成された共振回路で、放電灯始動用の高圧パルスをインバータ回路部２で発生する高周波電圧を電源とする共振昇圧により発生させる始動器３とを備え、前記インバータ回路部２で発生する高周波電圧の動作周波数は高圧パルスを出力できるよう、前記共振回路の共振周波数ｆｏ＝１／２π√（ＬＣ）又はその奇数倍の周波数（ｆｏ×３、ｆｏ×５、…）の近傍に設定され、且つ、前記高圧パルスを略一定に出力できるように周波数スイープしている放電灯点灯装置において、図２に示すように、前記共振昇圧電圧を検出し、略目標電圧値になった時点で共振昇圧電圧を停止することを特徴とするものである。
【００１４】
また、図３に示すように、タイマ機能を設けて、図４に示すように、略目標電圧値になった時点で動作周波数を固定し、一定期間、略目標電圧値で出力継続するようにしても良い（請求項２）。さらに、図５に示すように、略目標電圧値になった時点で動作周波数をそれまでのスイープ方向とは逆方向にスイープし、一定期間、略目標電圧値以下で出力継続するようにしても良い（請求項３）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１の構成を示す。また、図２に本実施の形態の動作を示す。本実施の形態は放電灯４が点灯していない状態（無負荷状態）において、電圧検出手段５により共振昇圧電圧を検出し、略目標電圧値になった時点で共振昇圧電圧を停止するようにしたものである。この電圧検出手段５は共振回路のキャパシタンスＣの両端に接続された分圧抵抗により構成しても良いし、破線の矢印で示すように、共振回路のインダクタンスＬから共振電圧を検出しても良い。後者の場合、共振回路のインダクタンスＬに二次巻線を設けて共振電圧を検出すると良い。
【００１６】
図１の構成では、前述の図６の従来例において、電圧検出手段５を設けて、この電圧検出手段５から制御回路２２へ導かれた信号により、制御回路２２で周波数スイープを制御することを可能としたものである。制御回路２２内には、割り込み制御部２２１を設けてあり、制御回路２２内で電圧検出手段５から得られた信号を割り込み命令ＩＮＴとして周波数スイープ生成部２２２へ送り、その後の動作を制御する。電圧検出手段５によりインダクタンスＬあるいはキャパシタンスＣの両端電圧が略目標電圧値となったことを検出した時点で、制御回路２２へその旨を示す信号を送り、制御回路２２では、その信号を受けてプログラム割り込み命令を周波数スイープ生成部２２２へ割り込ませ、その後の出力を停止させる。尚、本動作はこの後、一定期間の経過後に、再度繰り返しても良く、また、その繰り返しの間に一定期間の休止区間を設けても良い。
【００１７】
以上の回路により放電灯４が点灯していない状態（無負荷状態）において、図２（ｃ）のように一定のピーク値を持つ共振昇圧電圧を出力し、且つ、その動作周波数ｆｓを共振周波数ｆｏよりも遅相側に設定することで、全スイープ領域に渡り、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を遅相で動作させることが出来、部品への電気ストレスを軽減出来る。
【００１８】
（実施の形態２）
図３に本発明の実施の形態２の構成を示す。また、図４に本実施の形態の動作を示す。本実施の形態は放電灯４が点灯していない状態（無負荷状態）において、共振昇圧電圧を検出し、略目標電圧値になった時点で共振昇圧電圧を一定期間保持した後に停止するようにしたものである。以下、本実施の形態の詳細について述べる。
【００１９】
図３の構成では、前述の図６の従来例において、電圧検出手段５を設けて、この電圧検出手段５から制御回路２２へ導かれた信号により、制御回路２２で周波数スイープを制御することを可能としたものである。制御回路２２内には、割り込み制御部２２１、周波数スイープ生成部２２２のほか、タイマ部２２３を設けてある。このように、制御回路２２内にタイマ機能を有し、図４のように、プログラム割り込み命令ＩＮＴ１を周波数スイープ生成部２２２へ割り込ませ、動作周波数を固定することにより、その後の出力を一定にする。一方、先のプログラム割り込み命令ＩＮＴ１は、タイマ部２２３にも導かれ、タイマ部２２３で予め設定された一定期間の後、周波数スイープ生成部２２２へ再度割り込み命令ＩＮＴ２を発生し、出力を停止させる。これにより、図４（ｃ）のように出力共振電圧は略目標電圧値で一定期間保持された後、停止させることが出来る。尚、本動作はこの後一定期間の経過後に、再度繰り返しても良い。また、その繰り返しの間に一定期間の休止区間を設けても良い。
【００２０】
以上の回路により放電灯４が点灯していない状態（無負荷状態）において、図４のように一定のピーク値を持つ共振昇圧電圧を出力し、且つ、その動作周波数ｆｓを共振周波数ｆｏよりも遅相側に設定することで、全スイープ領域に渡り、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を遅相で動作させることが出来、部品への電気ストレスを軽減出来る。尚、本実施の形態は実施の形態１と比較し、略目標電圧値を出力する時間が長いことから、放電灯４の始動性を一層改善することが期待される。
【００２１】
（実施の形態３）
図５に本発明の実施の形態３の動作を示す。本実施の形態の構成については、図１に示した実施の形態１の回路図と同様である。本実施の形態では、放電灯４が点灯していない状態（無負荷状態）において、電圧検出手段５により共振昇圧電圧を検出し、略目標電圧値になった時点で動作周波数をそれまでのスイープ方向と逆方向にスイープし、一定期間、略目標電圧値以下で出力継続するようにしたものである。以下、本実施の形態の詳細について述べる。
【００２２】
図５（ａ）のように先のプログラム割り込み命令ＩＮＴを周波数スイープ生成部２２２へ割り込ませ、図５（ｂ）のように、動作周波数ｆｓをそれまでのスイープ方向と逆方向にスイープすることで、図５（ｃ）のように、出力共振電圧は略目標電圧値に達した後、同じ軌跡を描きながら減少していく。尚、本動作はこの後一定期間の経過後に再度繰り返しても良いし、また、その繰り返しの間に一定期間の休止区間を設けても良い。
【００２３】
以上の回路により放電灯４が点灯していない状態（無負荷状態）において、図５（ｃ）のように一定のピーク値を持つ共振昇圧電圧を出力し、且つ、その動作周波数ｆｓを共振周波数ｆｏよりも遅相側に設定することで、全スイープ領域に渡り、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を遅相で動作させることが出来、部品への電気ストレスを軽減出来る。尚、本実施の形態は先の従来例と同様の出力波形（図１０（ｃ）参照）を実現出来るが、部品への電気ストレスは軽減できていることが特徴である。
【００２４】
上記各実施の形態の放電灯点灯装置は照明器具の本体内に内蔵して照明装置として使用される。なお、上述の実施の形態１〜３において、周波数スイープの制御はマイコンのほか、アナログＩＣでコントロールしても良い。また、前記共振回路のインダクタンスＬをトランス構造として、共振昇圧電圧のトランス巻数比倍の電圧を放電灯４へ印加するように構成しても良い。さらに、インバータ回路部はハーフブリッジ回路で構成されていても良い。例えば、図１において、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の直列回路は二個のコンデンサの直列回路で置き換えても良い。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、共振回路を用いた始動器によりインバータ回路部の出力電圧を昇圧して放電灯に始動用の高圧パルスを印加する放電灯点灯装置において、共振昇圧電圧を検出し、動作周波数を所望の値に制御することにより、一定した共振昇圧電圧を供給し、且つ、スイッチング素子が進相状態で動作することを回避し、部品への電気的ストレスを軽減させることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１の動作説明図である。
【図３】本発明の実施の形態２の回路図である。
【図４】本発明の実施の形態２の動作説明図である。
【図５】本発明の実施の形態２の動作説明図である。
【図６】従来例の回路図である。
【図７】従来例のインバータ回路部の動作説明図である。
【図８】従来例の始動器の動作説明図である。
【図９】従来例の始動時の制御回路の動作説明図である。
【図１０】従来例の周波数スイープの動作説明図である。
【符号の説明】
１ 直流電源
２ インバータ回路
３ 始動器
４ 放電灯
２０ 降圧チョッパ回路
２１ 極性反転回路
２２ 制御回路
Ｑ０ スイッチング素子
Ｄ０ ダイオード
Ｌ０ インダクタンス
Ｃ０ コンデンサ
Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子
Ｌ インダクタンス
Ｃ キャパシタンス

Claims (16)

1. 直流電源と、
   放電灯に矩形波交流電力を供給するインバータ回路部と、
   少なくとも一組のインダクタンスとキャパシタンスで構成された共振回路で、放電灯始動用の高圧パルスをインバータ回路部で発生する高周波電圧を電源とする共振昇圧により発生させる始動器とを備え、
   前記インバータ回路部で発生する高周波電圧の動作周波数は高圧パルスを出力できるよう、前記共振回路の共振周波数又はその奇数倍の周波数近傍に設定され、且つ、前記高圧パルスを略一定に出力できるように周波数スイープしている放電灯点灯装置において、
   前記共振昇圧電圧を検出し、略目標電圧値になった時点で共振昇圧電圧を停止することを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 直流電源と、
   放電灯に矩形波交流電力を供給するインバータ回路部と、
   少なくとも一組のインダクタンスとキャパシタンスで構成された共振回路で、放電灯始動用の高圧パルスをインバータ回路部で発生する高周波電圧を電源とする共振昇圧により発生させる始動器とを備え、
   前記インバータ回路部で発生する高周波電圧の動作周波数は高圧パルスを出力できるよう、前記共振回路の共振周波数又はその奇数倍の周波数近傍に設定され、且つ、前記高圧パルスを略一定に出力できるように周波数スイープしている放電灯点灯装置において、
   前記共振昇圧電圧を検出し、略目標電圧値になった時点で動作周波数を固定し、一定期間略目標電圧値で出力継続することを特徴とする放電灯点灯装置。
3. 直流電源と、
   放電灯に矩形波交流電力を供給するインバータ回路部と、
   少なくとも一組のインダクタンスとキャパシタンスで構成された共振回路で、放電灯始動用の高圧パルスをインバータ回路部で発生する高周波電圧を電源とする共振昇圧により発生させる始動器とを備え、
   前記インバータ回路部で発生する高周波電圧の動作周波数は高圧パルスを出力できるよう、前記共振回路の共振周波数又はその奇数倍の周波数近傍に設定され、且つ、前記高圧パルスを略一定に出力できるように周波数スイープしている放電灯点灯装置において、
   前記共振昇圧電圧を検出し、略目標電圧値になった時点で動作周波数をそれまでのスイープ方向と逆方向にスイープし、一定期間、略目標電圧値以下で出力継続することを特徴とする放電灯点灯装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の放電灯点灯装置において、周波数スイープの一連の周期を少なくとも１回以上繰り返すことを特徴とする放電灯点灯装置。
5. 請求項４に記載の放電灯点灯装置において、周波数スイープ繰り返しの間に一定期間の休止区間を設けることを特徴とする放電灯点灯装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の放電灯点灯装置において、前記共振回路のインダクタンスがトランス構造で、共振昇圧電圧のトランス巻数比倍の電圧を放電灯へ印加するように構成されたことを特徴とする放電灯点灯装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の放電灯点灯装置において、共振電圧検出手段が前記共振回路のインダクタンスの二次巻線により構成されたことを特徴とする放電灯点灯装置。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載の放電灯点灯装置において、共振電圧検出手段が前記共振回路のキャパシタンスの両端に接続された分圧抵抗により構成されたことを特徴とする放電灯点灯装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の放電灯点灯装置において、インバータ回路部が降圧チョッパ回路部とフルブリッジ構成の極性反転回路部から構成されたことを特徴とする放電灯点灯装置。
10. 請求項１〜８のいずれかに記載の放電灯点灯装置において、インバータ回路部がフルブリッジ回路またはで構成されたことを特徴とする放電灯点灯装置。
11. 請求項１〜８のいずれかに記載の放電灯点灯装置において、インバータ回路部がハーフブリッジ回路で構成されたことを特徴とする放電灯点灯装置。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の放電灯点灯装置において、直流電源が商用周波交流電源とＤＣ平滑回路部で構成されたことを特徴とする放電灯点灯装置。
13. 請求項１２に記載の放電灯点灯装置において、ＤＣ平滑回路部が力率改善用コンバータで構成されたことを特徴とする放電灯点灯装置。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の放電灯点灯装置において、周波数スイープの制御をマイコンでコントロールしていることを特徴とする放電灯点灯装置。
15. 請求項１〜１３のいずれかに記載の放電灯点灯装置において、周波数スイープの制御をアナログＩＣでコントロールしていることを特徴とする放電灯点灯装置。
16. 請求項１〜１３のいずれかに記載の放電灯点灯装置を器具本体内に備えることを特徴とする照明器具。

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