JP2005005185A

JP2005005185A - 高圧放電灯点灯装置及び照明装置

Info

Publication number: JP2005005185A
Application number: JP2003169024A
Authority: JP
Inventors: Hisaharu Ito; 久治伊藤; Yoji Konishi; 洋史小西; Noriaki Nishida; 典明西田; Jintaro Nagao; 仁太郎長尾; Yoshiji Tamai; 義嗣玉井; Seinosuke Obara; 成乃亮小原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-06-13
Filing date: 2003-06-13
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】チョークコイルのような大型で高価な部品を使用せず、始動時の突入電流を減らし、放電灯の電極へのストレスを軽減して、放電灯の長寿命化をはかるとともに、小形で安価な放電灯点灯装置を提供する。
【解決手段】スイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１及びインダクタＬ１からなるチョッパ回路１と、その出力を平滑するコンデンサＣ１と、放電灯Ｌａを始動させるための高圧パルス発生回路４と、これらの回路を制御する制御回路３を設けた放電灯点灯装置において、放電灯Ｌａが点灯したことを検知する点灯検知部３２を備え、放電灯Ｌａが点灯するまではチョッパ回路１の無負荷電圧Ｖｏを放電灯Ｌａが点灯するために最低限必要な電圧に低減し、放電灯Ｌａが点灯した直後もしくは放電灯Ｌａが点灯してから所定時間を経過した後にチョッパ回路１の無負荷電圧Ｖｏの制限値を上昇させる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧放電灯点灯装置及び照明装置に関するものであり、特に始動時の高圧放電灯の突入電流を防止する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平１０−２４１８７５号公報
【０００３】
図１３に従来の高圧放電灯の直流点灯回路の回路図を示す。図中、Ｉは入力端子であり、通常、商用交流電圧を整流平滑した直流電圧が供給される。チョッパ回路１はスイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、インダクタＬ１により構成され、入力端子Ｉの正極にスイッチング素子Ｑ１の一端が接続され、入力端子Ｉの負極にダイオードＤ１のアノードが接続され、スイッチング素子Ｑ１の他端とダイオードＤ１のカソードはインダクタＬ１の一端に接続され、入力端子Ｉからの入力電圧を降圧した電圧がインダクタＬ１の他端に出力されるようになっている。スイッチング素子Ｑ１にはＭＯＳＦＥＴ等が使用されるが、これに限定されるものではない。チョッパ回路１の出力端にはコンデンサＣ１が並列接続されており、このコンデンサＣ１はチョッパ回路１の出力を平滑する。Ｌａは放電灯、４は高圧パルス発生回路、Ｌ２はチョークコイルである。
【０００４】
スイッチング素子Ｑ１は制御回路３の出力端子ＯＵＴ１からの制御信号によりオン、オフ制御される。スイッチング素子Ｑ１のオン時には、入力端子Ｉからスイッチング素子Ｑ１、インダクタＬ１、コンデンサＣ１、入力端子Ｉの経路で電流が流れ、スイッチング素子Ｑ１のオフ時には、インダクタＬ１の蓄積エネルギーにより、インダクタＬ１、コンデンサＣ１、ダイオードＤ１、インダクタＬ１の経路で回生電流が流れる。スイッチング素子Ｑ１のオン、オフ動作を高周波で繰り返すことにより、コンデンサＣ１には入力端子Ｉからの入力電圧を降圧した直流電圧が得られる。図１３の直流点灯回路の場合は、この平滑された出力が放電灯Ｌａに供給される。そして、放電灯Ｌａの管電圧に応じた電圧Ｖ１と管電流に応じた電圧Ｉ１が制御回路３の出力演算制御部３１に入力され、チョッパ回路１の出力電力が一定になるように出力端子ＯＵＴ１からスイッチング素子Ｑ１にオン、オフの制御信号を送る。
【０００５】
なお、放電灯Ｌａの管電圧に応じた電圧Ｖ１を検出する手段については特に限定されるものではないが、例えば、高抵抗を直列接続して成る抵抗分圧回路をコンデンサＣ１と並列に接続し、コンデンサＣ１の電圧を適当な分圧比で分圧することで実質的に放電灯Ｌａの管電圧に応じた電圧Ｖ１を検出するような手段を用いることができる。また、放電灯Ｌａの管電流に応じた電圧Ｉ１を検出する手段についても特に限定されるものではないが、例えば、コンデンサＣ１から放電灯Ｌａに流れる電流を抵抗値の小さな電流検出抵抗の両端電圧降下として検出することで実質的に放電灯Ｌａの管電流に応じた電圧Ｉ１を検出するような手段を用いることができる。
【０００６】
図１４に従来の高圧放電灯の交流点灯回路の回路図を示す。図１３の構成に、フルブリッジ回路２を追加したものであり、コンデンサＣ１の直流電圧を低周波の矩形波電圧に変換して、放電灯Ｌａに供給するものである。フルブリッジ回路２のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５はＭＯＳＦＥＴ等が使用されるが、これに限定されるものではない。制御回路３はフルブリッジ回路制御部３３を備えており、その出力端子ＯＵＴ２〜ＯＵＴ５からの制御信号によりスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５をオン、オフ制御して、放電灯Ｌａを交流動作させる。スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５は、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオン、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオフである第１の状態と、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオフ、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオンである第２の状態とが交互に切り替わるように制御される。なお、第１の状態と第２の状態とが切り替わるときに、すべてのスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５がオフ状態となる第３の状態（デッドオフタイム）を短時間設けても良い。
【０００７】
図１３の直流点灯回路においても、図１４の交流点灯回路においても、放電灯Ｌａの始動時には、コンデンサＣ１の無負荷電圧Ｖｏを高く設定しておいて、高圧パルス発生回路４により始動用の高圧パルス電圧を発生させ、放電灯Ｌａの絶縁を破壊して、ランプ電流が流れ始めると、そのときのランプ電圧に応じて適切なランプ電力が供給されるように、チョッパ回路１を制御していた。
【０００８】
ここで、コンデンサＣ１の無負荷電圧Ｖｏは制御回路３により任意に設定可能であり、無負荷時のコンデンサＣ１の電圧Ｖｏが任意に設定された直流高電圧を越えると、制御回路３によりチョッパ回路１の動作を停止させるようにすれば良い。例えば、コンデンサＣ１の電圧を抵抗により分圧して得た検出電圧をコンパレータにより基準電圧と比較し、検出電圧が基準電圧よりも高い期間では、スイッチング素子Ｑ１へのオン、オフ制御信号の入力を禁止することで、コンデンサＣ１の無負荷電圧Ｖｏは所定値に制限される。また、前記コンパレータの基準電圧を高／低に切り換えることにより、コンデンサＣ１の無負荷電圧Ｖｏの制限値を高／低に切り換えることができる。通常は、放電灯Ｌａの始動時には、コンデンサＣ１の無負荷電圧Ｖｏを始動に適した高い電圧に設定しておくものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、高圧放電灯は始動直後にはインピーダンスが極めて低くなるので、無負荷電圧Ｖｏに充電されていたコンデンサＣ１から放電灯Ｌａに突入電流が流れる問題があった。従来はチョークコイルＬ２を大きくすることで放電灯始動時の突入電流を制限していた。また、チョッパ回路１の無負荷電圧Ｖｏを所定の範囲内に制限することで、突入電流の供給元であるコンデンサＣ１に蓄えられるエネルギーを小さくして、突入電流のエネルギーを小さくしていた。
【００１０】
このように、従来の技術では、始動時の突入電流を下げるためにはチョークコイルＬ２を大きくする必要がある。そのため、放電灯点灯装置の大型化、高価格化といった問題がある。
【００１１】
また、チョッパ回路１の無負荷電圧Ｖｏを所定の範囲内に制限すると放電灯が立消えする確率が高くなる。放電灯の状態が急激に変化する要因として、超高圧水銀灯の場合は電極の根元で放電するようなアークスポットの位置の変化により、放電の状態が不安定になり、結果的に放電を維持できなくなって立ち消えると考えられる。立ち消えると、何度も始動動作をするため、小さなエネルギーであるが、突入電流が流れる回数も多くなるため、放電灯の電極へのストレスを大きくし、放電灯の寿命を短くするという問題がある。
【００１２】
なお、上掲の特許文献１（特開平１０−２４１８７５号公報）には、平滑コンデンサの電圧の上限を規制すると共に、平滑コンデンサと直列に負温度特性のサーミスタを挿入して突入電流を制限することが提案されているが、放電灯の始動前後でチョッパ回路の無負荷電圧の設定を切り替えるというものではなく、突入電流の制限と放電灯の立ち消え防止という課題の両立が困難であった。
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、チョークコイルのような大型で高価な部品を使用せず、始動時の突入電流を減らし、放電灯の電極へのストレスを軽減して、放電灯の長寿命化をはかるとともに、小形で安価な放電灯点灯装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、上記の課題を解決するために、図１に示すように、スイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１及びインダクタＬ１からなるチョッパ回路１と、その出力を平滑するコンデンサＣ１と、放電灯Ｌａを始動させるための高圧パルス発生回路４と、これらの回路を制御する制御回路３を設けた放電灯点灯装置において、放電灯Ｌａが点灯したことを検知する点灯検知部３２を備え、放電灯Ｌａが点灯するまではチョッパ回路１の無負荷電圧Ｖｏを放電灯Ｌａが点灯するために最低限必要な電圧に低減し、放電灯Ｌａが点灯した直後もしくは放電灯Ｌａが点灯してから所定時間を経過した後にチョッパ回路１の無負荷電圧Ｖｏの制限値を上昇させることを特徴とするものである。
【００１５】
また、放電灯Ｌａが点灯したことを検知する点灯検知部３２を設ける代わりに、電源投入後の経過時間を測定するタイマー回路部３５（図４又は図６）を備え、電源投入直後はチョッパ回路１の無負荷電圧Ｖｏを放電灯Ｌａが点灯するために最低限必要な電圧に低減し、電源投入後から一定時間が経過した後、チョッパ回路１の無負荷電圧Ｖｏの制限値を上昇させるようにしても良い。
【００１６】
さらに、図８に示すように、始動時に管電流が流れ始めるまではフルブリッジ回路２の半導体素子Ｑ２〜Ｑ５のゲート電圧もしくはベース電流を低く設定しておき、管電流が流れ始めた直後にゲート電圧もしくはベース電流を正規の値に上昇させるようにしても良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴及び利点を明確にすべく、以下添付した図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１の回路図を示す。前述した従来例の図１３の回路とほぼ同じであるが、制御回路３に点灯検知部３２を設けている点が異なる。また、チョークコイルＬ２としては、図１３の回路よりもインダクタンス値の小さいものを使用しているため、小型化と低価格化が可能になっている。図１の回路では、チョークコイルＬ２は省略しても構わない。
【００１８】
図２に本実施の形態の動作説明図を示す。図中、点灯信号とは外部から入力される点灯指令のための信号であり、この点灯信号がＨｉｇｈレベルになると、点灯装置は点灯動作を開始する。点灯動作を開始する前後では、チョッパ回路１の無負荷電圧Ｖｏは制御回路３によって、ランプインフォメーション等で推奨されている電圧よりも低く制限されている。このため、放電灯始動時の突入電流の値はランプインフォメーション等で推奨されている電圧で始動させた時よりも低くなる。
【００１９】
しかしながら、上述したように立消えが発生し易くなるので、図２に示すように管電流が流れ始めたところでチョッパ回路１の無負荷電圧Ｖｏの設定値を上げることで、放電の状態が不安定になった時に、充分なエネルギーを送ってやることができるので、放電を維持できるようになる。
【００２０】
図１では高圧放電灯の直流点灯回路の場合を例示したが、図３のように、高圧放電灯の交流点灯回路についても適用できる。図３の構成では、図１の構成に、フルブリッジ回路２を追加したものであり、コンデンサＣ１の直流電圧を低周波の矩形波電圧に変換して、放電灯Ｌａに供給するものである。
【００２１】
なお、図１、図３の回路例では、点灯検知部３２で管電流を監視して点灯を検知しているが、管電圧を監視することで点灯を検知するように構成しても良い。つまり、図２に示すように、管電流が流れ始めたことを検知することで点灯を検知しても良いし、チョッパ回路１の出力電圧が低下したことを検知することで点灯を検知しても良い。
【００２２】
（実施の形態２）
図４に本発明の実施の形態２の回路図を示す。前述した従来例の図１３の回路とほぼ同じであるが、制御回路３にタイマー回路部３５を設けている点が異なる。また、チョークコイルＬ２としては、図１３の回路よりもインダクタンス値の小さいものを使用しているため、小型化と低価格化が可能になっている。図４の回路では、チョークコイルＬ２は省略しても構わない。
【００２３】
図５に本実施の形態の動作説明図を示す。実施の形態１では、管電流が流れたことを監視する必要があるので、管電流の検知回路が必要であったが、本発明では、図５のように点灯信号がＨｉｇｈレベルとなってから一定時間が経過した後、タイマー回路部３５の出力により自動的にチョッパ回路１の無負荷電圧Ｖｏの制限値を上げるように制御しているので、特別な検知回路が不要になる。
【００２４】
図４では高圧放電灯の直流点灯回路の場合を例示したが、図６のように、高圧放電灯の交流点灯回路についても適用できる。図６の構成では、図４の構成に、フルブリッジ回路２を追加したものであり、コンデンサＣ１の直流電圧を低周波の矩形波電圧に変換して、放電灯Ｌａに供給するものである。
【００２５】
（実施の形態３）
図７に本発明の実施の形態３の回路図を示す。前述した従来例の図１４の回路とほぼ同じであるが、制御回路３に点灯検知部３２を設けている点が異なる。また、チョークコイルＬ２としては、図１４の回路よりもインダクタンス値の小さいものを使用しているため、小型化と低価格化が可能になっている。図７の回路では、チョークコイルＬ２は省略しても構わない。
【００２６】
図８に本実施の形態の動作説明図を示す。点灯信号がＨｉｇｈレベルとなった時点では、フルブリッジ回路２のＭＯＳＦＥＴよりなるスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５のゲート電圧は、ＭＯＳＦＥＴの閾値Ｖｔｈのほぼ下限に設定しておき、ＭＯＳＦＥＴを流れ得る電流を制限しておく。放電灯始動時の突入電流が流れた後、管電圧が下がるのを検知してゲート電圧を閾値Ｖｔｈよりも充分高い電圧に上げて、ＭＯＳＦＥＴを通常の電流が流れ得るようにする。
【００２７】
ここでは、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５がＭＯＳＦＥＴの場合を例示したが、バイポーラのトランジスタの場合でも同様にベース電流を制限することで制御できる。要するに、突入電流が流れる期間では、フルブリッジ回路２の半導体素子を不飽和領域で動作させ、コンデンサＣ１の電圧が低下した後は飽和領域で動作させれば良い。
【００２８】
また、スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５の４石を同時に不飽和領域で動作させるのではなく、電流を流し始める極性を制限しておけば、２石の組み合わせで制御することもできる。例えば、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオンの状態でのみ高圧パルス発生回路４が動作して電流が流れ始めるのであれば、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５の２石について、ゲート電圧を制限するように制御すればよい。
【００２９】
（実施の形態４）
図９に本発明の実施の形態４の回路図を示す。前述した従来の図１３の回路とほぼ同じであるが、チョークコイルＬ２の部分をＮＴＣサーミスタＲｔｈに置き換えているため、小型化が可能になっている。ＮＴＣサーミスタは自身の温度が低いほど抵抗値が高く、自身の温度が上がると抵抗値が下がるという特徴がある。この特徴を利用すると、放電灯の始動時はＮＴＣサーミスタＲｔｈの温度が上がっていないため、抵抗値が高く、突入電流を低減することができる。管電流が流れ始めるとＮＴＣサーミスタＲｔｈの温度が上昇するため、抵抗値が下がる。抵抗値が下がれば回路損失は殆どないため、ＮＴＣサーミスタＲｔｈによって回路損失が大幅に大きくなることもない。
【００３０】
しかしながら、チョッパ回路１の無負荷電圧Ｖｏが高い場合は、突入電流が大きすぎるため一般的なＮＴＣサーミスタは使用できない。そこで、本発明では、チョッパ回路１の無負荷電圧Ｖｏを低く設定することで一般的なＮＴＣサーミスタを使用できるように工夫している。
【００３１】
図９では、高圧放電灯の直流点灯回路の場合を例示したが、図１０のように、高圧放電灯の交流点灯回路についても適用できる。図１０の構成では、図９の構成に、フルブリッジ回路２を追加したものであり、コンデンサＣ１の直流電圧を低周波の矩形波電圧に変換して、放電灯Ｌａに供給するものである。
【００３２】
（実施の形態５）
図１１に本発明の実施の形態５の回路図を示す。前述した従来の図１３の回路とほぼ同じであるが、チョークコイルＬ２を削除し、コンデンサＣ１と直列にＮＴＣサーミスタＲｔｈを挿入しているため、小型化が可能になっている。
【００３３】
実施の形態４では、放電灯と直列にＮＴＣサーミスタＲｔｈを挿入していたが、本実施の形態では、放電灯始動時の突入電流の供給元であるコンデンサＣ１に直列にＮＴＣサーミスタＲｔｈを挿入している。実施の形態４のように放電灯に直列に挿入した場合はＮＴＣサーミスタＲｔｈの温度が上昇するまでは、放電灯への電流を制限してしまうことになる。それに対して、本実施の形態のようにコンデンサＣ１に直列に挿入した場合は放電灯への電流供給をＮＴＣサーミスタＲｔｈに制限されることはない。
【００３４】
図１１では、高圧放電灯の直流点灯回路の場合を例示したが、図１２のように、高圧放電灯の交流点灯回路についても適用できる。図１２の構成では、図１１の構成に、フルブリッジ回路２を追加したものであり、コンデンサＣ１の直流電圧を低周波の矩形波電圧に変換して、放電灯Ｌａに供給するものである。
【００３５】
なお、実施の形態４または５のＮＴＣサーミスタは、チョークコイルＬ２よりも充分小さく、放電灯点灯装置の小型化が可能になる。
【００３６】
上記各実施の形態において、チョッパ回路１としては降圧チョッパを例示したが、昇圧チョッパあるいは昇降圧チョッパを用いても構わない。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１又は２の発明によれば、突入電流の供給元である平滑コンデンサに蓄えられるエネルギーを小さくすることで、突入電流のエネルギーを小さくできる。また、管電流が流れた後にチョッパ回路の無負荷電圧の制限値を上げることで、立消えを起こす確率を減らし、立消え後の突入電流が流れる回数を減らすことができる。これにより、放電灯の電極へのストレスを軽減できるので、放電灯の長寿命化が図れる。また、大きなチョークコイルを使用する必要がないため、放電灯点灯装置の小型化が可能であり、低価格化も可能である。
【００３８】
請求項３の発明によれば、フルブリッジ回路の半導体素子のゲート電圧もしくはベース電流を低くしておくことで、半導体素子を流し得る電流が下げられるので、突入電流のような大きな電流を流せなくなる。したがって、放電灯始動時の突入電流を低減することができ、放電灯の電極へのストレスを軽減できるので、放電灯の長寿命化が図れる。また、大きなチョークコイルを使用する必要がないため、放電灯点灯装置の小型化が可能であり、低価格化も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の直流高圧放電灯点灯回路を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１の放電灯点灯時の動作説明図である。
【図３】本発明の実施の形態１の交流高圧放電灯点灯回路を示す回路図である。
【図４】本発明の実施の形態２の直流高圧放電灯点灯回路を示す回路図である。
【図５】本発明の実施の形態２の放電灯点灯時の動作説明図である。
【図６】本発明の実施の形態２の交流高圧放電灯点灯回路を示す回路図である。
【図７】本発明の実施の形態３の交流高圧放電灯点灯回路を示す回路図である。
【図８】本発明の実施の形態３の放電灯点灯時の動作説明図である。
【図９】本発明の実施の形態４の直流高圧放電灯点灯回路を示す回路図である。
【図１０】本発明の実施の形態４の交流高圧放電灯点灯回路を示す回路図である。
【図１１】本発明の実施の形態５の直流高圧放電灯点灯回路を示す回路図である。
【図１２】本発明の実施の形態５の交流高圧放電灯点灯回路を示す回路図である。
【図１３】従来の直流高圧放電灯点灯回路の回路図である。
【図１４】従来の交流高圧放電灯点灯回路の回路図である。
【符号の説明】
Ｉ入力端子
Ｌａ放電灯
１チョッパ回路
２フルブリッジ回路
３制御回路
３２点灯検知部
Ｑ１スイッチング素子
Ｄ１ダイオード
Ｃ１コンデンサ
Ｌ１インダクタ

Claims

スイッチング素子とダイオード及びインダクタからなるチョッパ回路と、その出力を平滑するコンデンサと、放電灯を始動させるための高圧パルス発生回路と、これらの回路を制御する制御回路を設けた放電灯点灯装置において、放電灯が点灯したことを検知する点灯検知部を備え、放電灯が点灯するまではチョッパ回路の無負荷電圧を放電灯が点灯するために最低限必要な電圧に低減し、放電灯が点灯した直後もしくは放電灯が点灯してから所定時間を経過した後にチョッパ回路の無負荷電圧の制限値を上昇させることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
スイッチング素子とダイオード及びインダクタからなるチョッパ回路と、その出力を平滑するコンデンサと、放電灯を始動させるための高圧パルス発生回路と、これらの回路を制御する制御回路を設けた放電灯点灯装置において、電源投入後の経過時間を測定するタイマー部を備え、電源投入直後はチョッパ回路の無負荷電圧を放電灯が点灯するために最低限必要な電圧に低減し、電源投入後から一定時間が経過した後、チョッパ回路の無負荷電圧の制限値を上昇させることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
スイッチング素子とダイオード及びインダクタからなるチョッパ回路と、その出力を平滑するコンデンサと、前記コンデンサの電圧を極性反転させて放電灯を交流動作させるフルブリッジ回路と、放電灯を始動させるための高圧パルス発生回路と、これらの回路を制御する制御回路を設けた放電灯点灯装置において、始動時に管電流が流れ始めるまではフルブリッジ回路の半導体素子のゲート電圧もしくはベース電流を低く設定しておき、管電流が流れ始めた直後にゲート電圧もしくはベース電流を正規の値に上昇させることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
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、放電灯と直列に負温度特性のサーミスタを接続したことを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
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、平滑コンデンサと直列に負温度特性のサーミスタを接続したことを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
請求項１〜５のいずれかに記載の高圧放電灯点灯装置を用いた照明装置。