JP2005093139A - 放電灯点灯装置及びこれを用いた照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】管灯回路の延長に問題なく対応でき、ランプ始動性の良い電子安定器を提供する。
【解決手段】交流電源Ｖｓから直流電圧を生成する直流電源回路１と、直流電圧を交流電圧に変換して放電灯ＤＬに供給する極性反転回路３と、放電灯始動用の高圧パルス電圧を発生するイグナイタ回路を有する放電灯点灯装置であって、交流電源Ｖｓに接続される電源側回路Ａと、放電灯ＤＬに接続される負荷側回路Ｂとに分離可能であり、電源側回路Ａと負荷側回路Ｂは延長用の出力線により結線され、イグナイタ回路は、直列に接続されたインダクタＬ３とキャパシタＣ３を共振動作させることでキャパシタＣ３の両端に発生する共振パルス電圧を放電灯ＤＬの両端に印加して放電灯ＤＬを始動させる共振イグナイタ回路とした。
【選択図】図１

Description

本発明は高圧放電灯を点灯させる放電灯点灯装置及びこれを用いた照明器具に関するものである。

図５は従来の放電灯点灯装置の一例を示す回路図である。図中、５は点灯装置、６は照明器具の灯具であり、両者は延長用の出力線を介して接続されている。点灯装置５は変圧器Ｔ４と限流用のチョークコイルＬ５を備えている。変圧器Ｔ４はリーケージタイプのオートトランスよりなり、両端に交流電源Ｖｓを接続された入力巻線にはコンデンサＣ４と抵抗Ｒ４の並列回路が接続されている。変圧器Ｔ４の入力巻線の一端には一方の出力線が接続されている。変圧器Ｔ４によりステップダウンされた交流電圧は限流用のチョークコイルＬ５、他方の出力線を介して照明器具の灯具６に供給されている。照明器具の灯具６はランプＤＬとイグナイタ４を内蔵しており、イグナイタ４で発生させた高圧パルス電圧によりランプＤＬを始動・点灯させるものである。ランプＤＬは高圧放電灯（ＨＩＤランプ）である。

このように、始動時に高圧パルス電圧を必要とするＨＩＤランプ用の安定器で、管灯回路を出力線により延長して使用される場合、安定器は銅鉄安定器を使用し、安全性のため、高圧パルス電圧を発生するイグナイタ４をランプＤＬの近く（例えば灯具６内）に別置きするものが主流である。

図６は従来の放電灯点灯装置の他の一例を示す回路図である。図中、５は点灯装置であり、交流電源ＶｓとランプＤＬの間に安定器として挿入される。ランプＤＬは高圧放電灯（ＨＩＤランプ）である。点灯装置５は直流電源回路１とチョッパ回路２と極性反転回路３を内蔵している。直流電源回路１は交流電源Ｖｓを整流平滑して直流電圧を生成する。チョッパ回路２は直流電圧を電圧変換してランプ電力を制御する。極性反転回路３は直流電圧を低周波の矩形波電圧に変換してランプＤＬを点灯させる。極性反転回路３はイグナイタ回路を内蔵しており、このイグナイタ回路はランプＤＬを始動させるための高圧パルス電圧を発生させる。

この種の電子安定器は、小型化・軽量化・高機能化を目的として、直流電源回路１とチョッパ回路２と極性反転回路３（及びイグナイタ回路）が一体化して構成される。そのため、主に器具内用、屋内用として用いられ、安全性やパルスの減衰を考慮して管灯回路長を制限したもの（主に２ｍ）が殆どである。

例外として、例えば、特許第３０６２７０８号公報（特許文献１）に開示されているように、より高度な安全性が要求される車両用放電灯点灯装置においては、図７に示すように、高圧パルス電圧を発生させるイグナイタ回路４のみを点灯装置５から分離し、ランプＤＬを有した灯体６に搭載したものがある。

ここで、電子安定器の簡単な回路図を図８に示す。交流電源Ｖｓに整流回路ＤＢを含む昇圧チョッパ回路１が接続されており、その出力端に降圧チョッパ回路２が接続され、その出力端にイグナイタ回路４を有する極性反転回路３が接続される。直流電源回路１は整流回路ＤＢ、インダクタＬ１、ダイオードＤ１、スイッチング素子Ｑ１、キャパシタＣ１及び制御回路Ｓ１で構成され、複数の入力交流電圧に対し所定の直流電圧に整流・平滑して出力する。

降圧チョッパ回路２はスイッチング素子Ｑ２、ダイオードＤ２、インダクタＬ２、キャパシタＣ２、制御回路Ｓ２で構成され、ランプＤＬへの供給電力を調整・制御できる機能を有する。

極性反転回路３はスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６、ダイオードＤ３〜Ｄ６、制御回路Ｓ３で構成され、ランプＤＬに印加される電圧の極性を低周波で反転させるように動作する。また、イグナイタ回路４は始動時に高圧パルス電圧を発生させる。

次にイグナイタ回路４について説明する。一般的なイグナイタ回路として、コンデンサを充電し、その放電電流をパルストランスを用いて昇圧することでパルス電圧を発生させるタイプと、極性反転回路の出力電圧を電源とし、その電源に並列に接続されたインダクタとキャパシタの直列回路を共振させて共振パルス電圧を得るタイプとがある。両タイプのイグナイタ回路から同じ電圧を得た場合、一般的に共振パルス電圧の方がランプの始動性が良い。また、パルス幅の大きな電圧を得ようとする場合にも共振パルス電圧を用いる方が、設計が容易であるというメリットが有る。
特許第３０６２７０８号公報

銅鉄安定器は軽量化、小型化を要求される器具内や、省スペース化を要求される屋内、また高度な安全性（ランプのスローリーク、半波放電の検知等）を要求された場合、電子安定器に比べ不向きである。また、安定器の二次電圧は電源周波数と同じ低周波であるため、別置きしたイグナイタ回路を、ランプ始動性の良い共振イグナイタ回路で構成することは困難である。

一方、上記の条件を満足し、共振イグナイタ回路を有する電子安定器においては、管灯回路の２ｍ以上の延長を要求される場合、イグナイタ回路を安定器内に内蔵しているため、共振パルスが減衰しやすく、また安全性を考えても不向きである。ここで、共振パルスが減衰しやすくなる原因について説明する。

図９に共振イグナイタ回路を有する極性反転回路３を示す。ランプ始動時（無負荷時）に、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６をそれぞれ図１０のように動作させる。この時の動作周波数はインダクタＬ３とキャパシタＣ３を共振させ、キャパシタＣ３の両端（ランプ両端）に所望の共振パルス電圧を発生させることのできる周波数であり、設計時にインダクタＬ３とキャパシタＣ３の値を調整して決定する。一般的にインダクタＬ３、キャパシタＣ３を小型化するために、スイッチング素子の性能等を考慮しつつ５ＫＨｚ〜２００ＫＨｚ程度のスイッチング動作周波数で所望の共振パルス電圧を得ることができるように設計される。

しかし、管灯回路が延長された場合、図１１に示すように、延長用の出力線間に寄生容量Ｃｓが生じる。そのため、共振周波数が変化し、設計したスイッチング動作周波数で共振動作を行っても所望の共振パルス電圧を得ることができなくなる。屋内用安定器でランプ線を延長する場合、ＶＶＦ線などの寄生容量の大きな線（１００ｐＦ／ｍ）が用いられることが多々あり、結果的にランプの両端に印加される共振パルス電圧が減衰するという現象が起こる。したがって、共振イグナイタ回路を有する従来の電子安定器は、管灯回路の２ｍ以上の延長を要求される場合には不向きであると言える。

電子安定器において、例外的にイグナイタ回路のみを灯具内に搭載した車載用点灯装置のような構成（特許文献１参照）があるが、あくまでいわゆる器具内用であり、安全性については満足するが、２ｍを超えるような管灯回路の延長については全く考慮されていない。また、車載用点灯装置のイグナイタ回路は二次電圧にパルスを重畳するものであり、共振イグナイタ回路は用いられない。

本発明は、上記問題点を解決すべく考案されたものであり、始動時に高圧パルス電圧を必要とするＨＩＤランプ点灯用で、管灯回路の延長に問題なく対応でき、ランプ始動性の良い共振イグナイタ回路を有する電子安定器を供給することを課題とする。

本発明にあっては、上記の課題を解決するために、図１に示すように、交流電源Ｖｓから直流電圧を生成する直流電源回路１と、直流電圧を交流電圧に変換して放電灯ＤＬに供給する極性反転回路３と、放電灯始動用の高圧パルス電圧を発生するイグナイタ回路を有する放電灯点灯装置であって、交流電源Ｖｓに接続される電源側回路Ａと、放電灯ＤＬに接続される負荷側回路Ｂとに分離可能であり、電源側回路Ａと負荷側回路Ｂは延長用の出力線により結線され、イグナイタ回路は、直列に接続されたインダクタＬ３とキャパシタＣ３を共振動作させることでキャパシタＣ３の両端に発生する共振パルス電圧を放電灯ＤＬの両端に印加して放電灯ＤＬを始動させる共振イグナイタ回路であることを特徴とするものである。

本発明によれば、始動時に高圧パルス電圧を必要とする高圧放電灯の点灯装置において、管灯回路の延長に問題なく対応でき、ランプ始動性の良い共振イグナイタ回路を有する電子安定器を供給することができる。特に、請求項３のように、共振イグナイタ回路を形成するインダクタとキャパシタのみを負荷側回路に設ければ、負荷側回路の構成が簡易で小型化が可能であるため、灯具の設計が容易となる。また、請求項４のように、共振イグナイタ回路を始動時の極性反転回路のスイッチング動作周波数の整数倍の共振周波数を用いて共振パルス電圧を得るように構成すれば、共振イグナイタ回路のインダクタとキャパシタを小型化でき、灯具の設計がさらに容易となる。

図１は本発明を実施するための最良の形態を示す回路図である。交流電源Ｖｓには整流回路ＤＢの交流入力端子が接続されている。整流回路ＤＢの直流出力端子の高圧側にはインダクタＬ１の一端が接続されている。インダクタＬ１の他端はダイオードＤ１のアノードとスイッチング素子Ｑ１の一端に接続されている。スイッチング素子Ｑ１の他端は整流回路ＤＢの直流出力端子の低圧側に接続されている。ダイオードＤ１のカソードはキャパシタＣ１の正極に接続されている。キャパシタＣ１の負極は整流回路ＤＢの直流出力端子の低圧側に接続されている。インダクタＬ１は２次巻線を備えている。この２次巻線の一端は整流回路ＤＢの直流出力端子の低圧側に接続されており、他端は制御回路Ｓ１に入力されている。制御回路Ｓ１はスイッチング素子Ｑ１に制御信号を出力している。スイッチング素子Ｑ１は交流電源Ｖｓの周波数よりも十分に高い周波数でオン・オフ駆動され、入力電流の休止期間が少なくなる。また、インダクタＬ１の昇圧作用により、キャパシタＣ１には整流回路ＤＢの出力電圧を昇圧した直流電圧が充電される。以上の回路により直流電源回路１が構成されている。

次に、キャパシタＣ１の正極にはスイッチング素子Ｑ２の一端が接続されている。スイッチング素子Ｑ２の他端にはダイオードＤ２のカソードが接続されると共にインダクタＬ２の一端が接続されている。インダクタＬ２の他端にはキャパシタＣ２の正極が接続されている。キャパシタＣ２の負極はキャパシタＣ１の負極に接続されると共にダイオードＤ２のアノードに接続されている。インダクタＬ２は２次巻線を備えており、その一端はキャパシタＣ１の負極に、他端は制御回路Ｓ２に入力されている。制御回路Ｓ２はスイッチング素子Ｑ２に制御信号を出力している。スイッチング素子Ｑ２は高周波でオン・オフ駆動され、そのパルス幅を制御回路Ｓ２により可変とすることで、キャパシタＣ１の直流電圧を任意に降圧した直流電圧がキャパシタＣ２の両端に得られる。以上の回路により降圧チョッパ回路２が構成されている。

次に、極性反転回路３について説明する。キャパシタＣ２の両端にはスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の直列回路と、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の直列回路が並列接続されている。各スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６の両端にはそれぞれダイオードＤ３〜Ｄ６が逆並列接続されている。スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の接続点とスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の接続点の間にはインダクタＬ３とキャパシタＣ３の直列回路が接続されている。キャパシタＣ３の両端にはランプＤＬが並列接続されている。制御回路Ｓ３は各スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６に制御信号を供給している。ランプＤＬは高圧放電灯（ＨＩＤランプ）である。

始動時には、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６を図１０に示すように高周波でスイッチング動作させる。すなわち、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ６をオン、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５をオフにしてインダクタＬ３とコンデンサＣ３の直列回路にキャパシタＣ２の直流電圧を印加する動作と、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ６をオフ、スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５をオンにしてインダクタＬ３とコンデンサＣ３の直列回路にキャパシタＣ２の直流電圧を逆方向に印加する動作とを高周波で交番させることにより、インダクタＬ３とコンデンサＣ３に高周波の交流電圧を印加する。そのスイッチング周波数をインダクタＬ３とコンデンサＣ３の共振周波数の近傍に設定することにより、コンデンサＣ３の両端にはＬＣ共振作用により高電圧が発生し、この高電圧によりランプＤＬの絶縁が破壊されて、ランプＤＬが始動する。

始動後は、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６を低周波でスイッチング動作させて、キャパシタＣ２の直流電圧を低周波の矩形波電圧に変換してランプＤＬの両端に印加することで安定点灯させる。

図１の回路において、直流電源回路１とチョッパ回路２を一体化し、電源側回路Ａとする。一方、共振イグナイタ回路を含めた極性反転回路３を負荷側回路Ｂとする。このように、電源側回路Ａと負荷側回路Ｂは分離可能な構成とし、電源側回路Ａの出力端と、負荷側回路Ｂの入力端は、正常に点灯を維持できる範囲で延長可能である。

例えば、図２に示すように、負荷側回路Ｂのみを灯具６内に別置きすることで、安全性を確保し、かつ出力線７を延長することによる寄生容量Ｃｓの影響を受けず、共振パルス電圧の減衰のない電子安定器を供給できる。

図３に示すように、インダクタＬ３とキャパシタＣ３のみを一体化し、負荷側回路Ｂとし、その他を電源側回路Ａとして一体化する。負荷側回路Ｂを延長し灯具６内に別置きしたとき、出力線７の寄生容量Ｃｓはチョッパ回路２の出力端のキャパシタＣ２に並列接続されるのと同じであり、イグナイタ回路の共振条件を変えることはない。また、負荷側回路Ｂは図１の構成に比べ、格段に簡易でかつ小型化が可能であるため、灯具６の設計が容易となる。

本実施例では、共振イグナイタ回路において、所望の共振パルス電圧を得ることができる動作周波数がｆ０となるように、共振イグナイタ回路のインダクタＬ３とキャパシタＣ３の共振周波数が３×ｆ０付近となるように、インダクタＬ３のインダクタンス値とキャパシタＣ３の容量を選定する。このことにより、極性反転回路３のスイッチング動作周波数ｆ０を上げることなく、共振イグナイタ回路のインダクタＬ３とキャパシタＣ３を小型化できる。負荷側回路Ｂの構成は図１又は図３のいずれの構成であっても良い。また、インダクタＬ３とキャパシタＣ３の共振周波数はスイッチング動作周波数ｆ０の整数倍であれば良い。

本実施例では、負荷側回路Ｂを適合する最大ワットのランプに合わせて設計する。これにより、最大ワットよりも低ワットのランプに対しては、同じ構成の負荷側回路Ｂを適合させることができる。これにより負荷側回路Ｂを電源側回路Ａの出力する電力によらず共通して使用できるように設計できる。

上述の放電灯点灯装置を用いた照明器具の構成例を図４に示し説明する。図中、Ａは電源側回路、Ｂは負荷側回路、６は灯具、７は出力線、８は反射板、ＤＬはランプである。出力線６は例えばＶＶＦ線などが用いられるが、負荷側回路Ｂに共振イグナイタ回路が内蔵されていることにより、出力線６の浮遊容量により共振周波数が影響を受けることはないので、出力線６の線種や線長は任意に選定できる。

本発明はオフィスや一般家庭用の照明器具に利用できる。

本発明を実施するための最良の形態を示す回路図である。 図１の点灯装置の一つの使用形態を示す説明図である。 本発明の実施例１の概略構成を示す説明図である。 本発明の照明器具の概略構成を示す説明図である。 従来の放電灯点灯装置の一例を示す回路図である。 従来の放電灯点灯装置の他の一例を示す回路図である。 車両用放電灯点灯装置の従来例を示す回路図である。 従来の電子安定器の回路図である。 共振イグナイタ回路を有する極性反転回路の回路図である。 共振イグナイタ回路の動作説明のための波形図である。 共振イグナイタ回路の浮遊容量を示す説明図である。

符号の説明

１ 直流電源回路
２ チョッパ回路
３ 極性反転回路
Ｌ３ インダクタ
Ｃ３ コンデンサ
ＤＬ ランプ（高圧放電灯）
Ａ 電源側回路
Ｂ 負荷側回路

Claims (5)

1. 交流電源から直流電圧を生成する直流電源回路と、直流電圧を交流電圧に変換して放電灯に供給する極性反転回路と、放電灯始動用の高圧パルス電圧を発生するイグナイタ回路を有する放電灯点灯装置であって、交流電源に接続される電源側回路と、放電灯に接続される負荷側回路とに分離可能であり、電源側回路と負荷側回路は延長用の出力線により結線され、イグナイタ回路は、直列に接続されたインダクタとキャパシタを共振動作させることでキャパシタの両端に発生する共振パルス電圧を放電灯の両端に印加して放電灯を始動させる共振イグナイタ回路であることを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 請求項１において、負荷側回路に共振イグナイタ回路の全部または一部を搭載し、電源側回路と負荷側回路を接続する延長用の出力線上には共振イグナイタ回路の共振パルス電圧が重畳されないことを特徴とする放電灯点灯装置。
3. 請求項１又は２において、共振イグナイタ回路を形成するインダクタとキャパシタのみを負荷側回路に搭載したことを特徴とする放電灯点灯装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、共振イグナイタ回路を始動時の極性反転回路のスイッチング動作周波数の整数倍の共振周波数を用いて共振パルス電圧を得るように構成したことを特徴とする放電灯点灯装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の放電灯点灯装置を備える照明器具。

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