JP2005174610A - 照明装置 - Google Patents

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Jun Matsuzaki
純 松崎
Hiroyuki Matsumoto
弘之 松本
Yoji Tateno
洋司 立野
Yasunori Kawase
靖憲 河瀬
Akihiro Naka
明弘 中
Toru Takeuchi
亨 竹内
Katsuyuki Doi
勝之 土井
Ryutaro Omae
龍太郎 大前
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Abstract

【課題】PWM制御によって放電灯の調光を行うインバータを用いた照明装置において、調光時のリンギング電圧を抑制して電子部品への印加ストレスを低減し、安価で小型化が容易な放電灯の点灯装置を提供する。
【解決手段】インバータ1の発振動作を停止および再開させる調光用スイッチング素子Q3のオン・オフ比率を制御することで放電灯FLの調光を行う照明装置であって、調光用スイッチング素子Q3を、直流電源DCからインバータ1への電力供給路に挿入し、調光用スイッチング素子Q3のオン・オフに対してインバータ1の出力の立ち上がりに時定数を持たせてインバータ1をソフトスタートさせるためのコンデンサC3を調光用スイッチング素子Q3とインバータ1との間に設けた。
【選択図】図1

Description

本発明は、自励発振式の共振型インバータを用いてPWM制御により放電灯を調光点灯させる照明装置に関するものである。
蛍光灯などの放電灯を調光点灯させる手段としては、例えば特開平5−198384に記載されているようなPWM制御方式が一般的に知られている。具体的には、図11に示すように、調光制御回路2aに接続されたスイッチング素子Q3をPWM調光信号に応じてオン・オフさせることで、自励発振式のインバータ1への電力供給を周期的に断続させる。PWM調光信号の周波数は一般的に、インバータの発振周波数よりも低く設定され、例えば特開平5−198384ではPWM調光信号が約120Hz、インバータのスイッチング周波数が約35KHzと開示されている。
特開平5−198384号公報
しかし、上述のようなPWM制御によって放電灯を調光点灯させようとすると、図12に示すように、スイッチング素子Q3がオンするごとにPWM調光信号の周期Tで繰り返される瞬間的な過電圧(以下リンギング電圧と称する)がインバータ発振電圧に発生する。このため、PWM制御によって放電灯を調光点灯させる場合には、インバータの連続発振により放電灯を全点灯させる場合に比べて、瞬間的な印加電圧が大きくなる。したがって、インバータのスイッチング素子Q1,Q2やトランスT1などの電子部品は、耐電圧の高い部品の選定が必要になり、部品の大型化やコストが高くなるという問題が生じる。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、リンギング電圧による電子部品への印加ストレスを抑制することで、安価で小型でありながら放電灯の調光点灯が可能な照明装置を提供することを目的とするものである。
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、直流電源DCからの供給電力を高周波の交流に変換して放電灯FLを点灯させるインバータ1と、インバータ1の発振動作を停止および再開させる調光用スイッチング素子Q3と、調光用スイッチング素子Q3のオン・オフ比率を制御することで放電灯FLの調光を行う制御回路とからなり、インバータ1は間欠発振の開始時にリンギング電圧を生じる自励発振式の共振型インバータであり、放電灯FLの調光はインバータ1の発振周波数よりも低い周波数で調光用スイッチング素子Q3をオン・オフするPWM制御で行う照明装置であって、調光用スイッチング素子Q3は、直流電源DCからインバータ1への電力供給路に設けられ、調光用スイッチング素子Q3のオン・オフに対してインバータ1の出力の立ち上がりに時定数を持たせてインバータ1をソフトスタートさせるためのコンデンサC3を調光用スイッチング素子Q3とインバータ1との間に接続したことを特徴とするものである。
本発明によれば、自励発振式の共振型インバータを用いてPWM制御により放電灯を調光点灯させる照明装置において、調光時のリンギング電圧を抑制して電子部品への印加ストレスを低減し、安価で小型化が容易な放電灯の点灯装置を提供することが可能となる。
(実施形態1)
図1に本発明の実施形態1の回路構成を示す。本実施形態では、PWM調光信号に応じてオンオフするスイッチング素子Q3を、直流電源DCからインバータ1への電力供給を遮断する位置へ挿入し、スイッチング素子Q3とインバータ1との間にコンデンサC3を追加したものである。以下、その回路構成について説明する。
直流電源DCの一端は調光用スイッチング素子Q3と定電流用インダクタL1を介して発振トランスT1の1次巻線のセンタータップに接続されている。発振トランスT1の1次巻線の両端は発振用スイッチング素子Q1,Q2を介して直流電源DCの他端に接続されている。発振トランスT1の1次巻線の両端には共振用のコンデンサC1が並列接続されている。発振用スイッチング素子Q1,Q2はここではバイポーラトランジスタよりなり、そのベースには抵抗R1,R2を介して直流バイアスが付与されている。また、この直流バイアスに重畳して発振トランスT1の帰還巻線から自励発振用の帰還バイアスが付与されている。発振トランスT1の2次巻線にはバラスト用のコンデンサC2を介して放電灯FL(例えば、冷陰極蛍光灯)が接続されている。
PWM制御部2は、直流電源DCを電源として動作し、調光点灯用の低周波のPWM調光信号を発振出力する矩形波発振器であり、PWM調光信号によりスイッチング素子Q4をオン・オフすることで、抵抗R3を介してスイッチング素子Q3をオン・オフ制御する制御回路を構成している。
図12で説明したように、PWM制御によって調光点灯を行うと、周期Tで繰り返されるオン区間ごとにリンギング電圧が継続して発生する。これは、周期Tごとに放電灯が点灯と消灯を繰り返すので、インバータが無負荷状態から定常負荷状態へと移行する過程が繰り返されるためである。そこで、本実施形態では、インバータの起動を緩やかにすることでリンギング電圧を抑制する。具体的には、図1でスイッチング素子Q3がオンするとコンデンサC3に電荷が蓄積され、その端子電圧は緩やかに上昇する。従って、インバータの入力電圧は徐々に立ち上がりながら安定点灯状態へ移行してゆき、図12の過渡状態におけるインバータ発振電圧が低くなることで、リンギング電圧を抑制することができる。また、コンデンサC3に蓄積された電荷は周期Tごとにインバータで消費されるので、図2に示すように、次のPWM調光信号でスイッチング素子Q3がオンする時には再びコンデンサC3に電荷が蓄積されるため、周期Tごとに同様の動作によってリンギング電圧を抑制することが可能となる。
以上のように、この実施形態1では、インバータの電力供給経路にコンデンサを追加することで、インバータの入力電圧の立ち上がりに時定数を持たせることができるので、簡単な構成でリンギング電圧を抑制することが可能となり、特に放電灯の消費電力が小さな場合には有効である。
(実施形態2)
図3に実施形態2の回路構成を示す。上述の実施形態1では、インバータへの入力電圧を緩やかに立ち上げることでリンギング電圧を抑制したが、その場合、放電灯への電力供給量に比例してコンデンサC3のリップル電流が大きくなる。従って、定格電力の大きな放電灯ではコンデンサC3が大型化してしまう。そこで、本実施形態では、直流電源DCからインバータへの電力供給を遮断する位置に挿入したスイッチング素子Q3のベース・エミッタ間にコンデンサC3を追加したものである。
具体的には、図3でスイッチング素子Q4がオンすると、コンデンサC3に電荷が蓄積されるため、スイッチング素子Q3のベース・エミッタ間電圧Vbeは、図4に示すように徐々に上昇し、スイッチング素子Q3は能動領域から飽和領域への移行が緩やかに行われる。従って、インバータの入力電圧および入力電流が徐々に立ち上がりながら安定状態へ移行してゆくので、過渡動作におけるリンギング電圧を抑えることが可能となる。
また、スイッチング素子Q3がオフすると、コンデンサC3に蓄積された電荷は抵抗R4によって消費されるので、図4に示すように、次のPWM調光信号でスイッチング素子Q3がオンする時には再びコンデンサC3に電荷が蓄積されるように抵抗R4を設定すれば、同様の動作を継続することによってリンギング電圧を抑制することが可能となる。また、実施形態1と比べると、コンデンサC3のリップル電流は非常に小さくなるため、コンデンサC3を大幅に小型化することが可能となり、安価な部品で構成することができる。
このように、実施形態2では、インバータへの電力供給を遮断するスイッチング素子のオン時間に時定数を持たせることで、放電灯の消費電力が大きな場合でも、部品を大型化することなくリンギング電圧を抑制することが可能となる。
(実施形態3)
図5に実施形態3の回路構成を示す。上述の実施形態2では、インバータへの電力供給を遮断するスイッチング素子Q3のオン時間に時定数を持たせることで、リンギング電圧を抑制する例であった。しかし、そのために挿入したコンデンサC3の放電時間はCR時定数によって決められるため、オンデューティーが100%付近になると、図6に示すようにコンデンサC3の放電が間に合わず、調光の精度が落ちるという問題が生じる。そこで、実施形態3ではオンデューティーを100%付近まで高精度に調光させる場合に有効な例を説明する。
本実施形態では、図5に示すように、スイッチング素子Q4のベース・エミッタ間にコンデンサC3を接続し、スイッチング素子Q4のベースとPWM制御部2の出力との間にコンデンサC3の電荷を放電する方向にダイオードD1を直列に接続し、ダイオードD1と並列に抵抗R4を接続したものである。PWM制御部2からオン信号が出力されると、抵抗R4を介してコンデンサC3に電荷が蓄積されるため、スイッチング素子Q4のベース・エミッタ間電圧Vbeは、徐々に上昇し、スイッチング素子Q4は能動領域から飽和領域への移行が緩やかに行われる。すると、これに合わせてスイッチング素子Q3のベース電流も徐々に増加するので、スイッチング素子Q3の飽和領域への移行が緩やかに行われる。この結果、インバータの入力電圧は実施形態2と同様に徐々に立ち上がりながら安定状態へ移行してゆくので、過渡動作におけるリンギング電圧を抑えることが可能となる。
また、PWM制御部2からオフ信号が出力されると、コンデンサC3に蓄積された電荷はダイオードD1を介してすばやく放電されるので、図7に示すように、オンデューティーが100%付近であっても次のPWM調光信号でスイッチング素子Q3がオンする時には再びコンデンサC3に電荷が蓄積されるため、同様の動作によってリンギング電圧の抑制と高精度の調光が可能となる。
本実施形態により、実施形態2よりも幅広い調光が可能となるうえ、スイッチング素子Q4の駆動電流はスイッチング素子Q3と比べて少ないためコンデンサC3のリップル電流も小さく、コンデンサC3を更に小型化することが可能となる。
(実施形態4)
図8に実施形態4の回路構成を示す。上述の実施形態2、実施形態3では、インバータへの電力供給を遮断するスイッチング素子Q3のオン時に時定数を持たせることでリンギング電圧を抑制する例であった。しかし、このスイッチング素子Q3は、能動領域から飽和領域へ移行する過程で電位を持ちながらインバータへ電力供給を行うために電力消費が発生する。この電力は放電灯へは供給されないため、回路効率の低下になるという問題が生じる。そこで、本実施形態では回路効率を低下させることなくリンギング電圧を抑制する例を説明する。
本実施形態は、図8に示すように、インバータへの電力供給を遮断するスイッチング素子Q3とインバータのバイアス回路の間にダイオードD1を介してコンデンサC3を挿入し、インバータの発振用スイッチング素子Q1、Q2のベース抵抗R1,R2とコンデンサC3とを接続したものである。スイッチング素子Q3がオンすると、コンデンサC3に電荷が蓄積されるため、発振用スイッチング素子Q1、Q2のベース電流は徐々に増加するので、インバータの起動は緩やかに行われ、過渡動作におけるリンギング電圧を抑えることが可能となる。また、スイッチング素子Q3がオフすると、コンデンサC3に蓄積された電荷は抵抗R1,R2を介してインバータのバイアス回路で消費されるので、上述の図2に示すように、次のPWM調光信号でスイッチング素子Q3がオンする時には再びコンデンサC3に電荷が蓄積されるため、同様の動作によってリンギング電圧を抑制することが可能となる。
なお、図9のようにPWM調光信号に応じてオン・オフするスイッチング素子Q3をインバータの発振用スイッチング素子Q1、Q2のベース電流供給経路に挿入し、スイッチング素子Q3のベース・エミッタ間にコンデンサC3を接続した場合でも、上記と同様の効果を得られる。このとき、コンデンサC3の電荷は、スイッチング素子Q3のベース・エミッタ間に接続された抵抗R4によって消費される。
本実施形態により、コンデンサC3は実施形態2や実施形態3とほぼ同等のリップル電流となるので、コンデンサの小型化が図れるだけではなく、図8においてはスイッチング素子Q3の電力消費を抑えることが可能となる。また、図9では直流電源DCとインバータの主電流経路(インダクタL1を通る経路)との間にスイッチング素子Q3が介在しないため、図8よりも更に電力消費を抑えることが可能となる。
このように、実施形態4では、インバータのスイッチング素子Q1,Q2の駆動用バイアスの立ち上がりに時定数を持たせることで、回路効率を低下させることなくリンギング電圧の抑制が可能となる。
なお、本発明の実施形態1〜4における回路図では、スイッチング素子Q1〜Q4を電流駆動素子であるバイポーラトランジスタを例にして説明したが、電圧駆動素子であるMOSFETやIGBT等の素子であっても同様の効果を得られる。
また、非常灯や誘導灯などの非常用照明装置では、商用電源通電時に点灯させる光源と、停電時に点灯させる光源とを兼用しているものが多いが、このような照明装置では、図10に示すように、通電時は蓄電池6への充電を行うとともにインバータ1によって放電灯FLを点灯させ、停電時はインバータ1の電源を蓄電池6に切り替える構成において、PWM制御による調光を行えば良い。図10において、3は商用電源を降圧し整流して直流に変換する降圧回路、4は降圧回路の出力を受けて商用電源の停電の有無を判定する停電検出回路、5は降圧回路の出力を受けて蓄電池を充電する充電回路、6は蓄電池、7は降圧回路または蓄電池のいずれかからインバータに電力を供給する切替回路である。停電検出回路4が停電を検出すると、切替回路7が蓄電池6の側に切り替わり放電灯FLは非常点灯となる。このとき、インバータ1に調光信号が与えられて、放電灯FLの光出力は非停電時に比べて小さくなるように制御される。このような非常用照明装置では、装置の小型化に加えて調光時の光出力精度が要求されるため、本発明による効果を最大限活用することができる。
本発明の実施形態1の回路図である。 本発明の実施形態1の動作波形図である。 本発明の実施形態2の回路図である。 本発明の実施形態2の動作波形図である。 本発明の実施形態3の回路図である。 本発明の実施形態3が解決しようとする課題を説明するための動作波形図である。 本発明の実施形態3の動作波形図である。 本発明の実施形態4の回路図である。 本発明の実施形態4の一変形例の回路図である。 本発明の実施形態1〜4を非常用照明装置に用いた場合の回路図である。 従来例の回路図である。 従来例の動作波形図である。
符号の説明
1 インバータ
2 PWM制御部
Q3 スイッチング素子
C3 コンデンサ

Claims (8)

  1. 直流電源からの供給電力を高周波の交流に変換して放電灯を点灯させるインバータと、インバータの発振動作を停止および再開させる調光用スイッチング素子と、調光用スイッチング素子のオン・オフ比率を制御することで放電灯の調光を行う制御回路とからなり、インバータは間欠発振の開始時にリンギング電圧を生じる自励発振式の共振型インバータであり、放電灯の調光はインバータの発振周波数よりも低い周波数で調光用スイッチング素子をオン・オフするPWM制御で行う照明装置であって、調光用スイッチング素子は、直流電源からインバータへの電力供給路に設けられ、調光用スイッチング素子のオン・オフに対してインバータの入力電圧の立ち上がりに時定数を持たせてインバータをソフトスタートさせるためのコンデンサを調光用スイッチング素子とインバータとの間に接続したことを特徴とする照明装置。
  2. 直流電源からの供給電力を高周波の交流に変換して放電灯を点灯させるインバータと、インバータの発振動作を停止および再開させる調光用スイッチング素子と、調光用スイッチング素子のオン・オフ比率を制御することで放電灯の調光を行う制御回路とからなり、インバータは間欠発振の開始時にリンギング電圧を生じる自励発振式の共振型インバータであり、放電灯の調光はインバータの発振周波数よりも低い周波数で調光用スイッチング素子をオン・オフするPWM制御で行う照明装置であって、調光用スイッチング素子は直流電源からインバータへの電力供給路に設けられ、制御回路による調光用スイッチング素子のオン・オフ信号に対して調光用スイッチング素子が時定数をもってオンするようにソフトスタート用のコンデンサを付加したことを特徴とする照明装置。
  3. 請求項2において、コンデンサは調光用スイッチング素子の制御電極間に並列に接続したことを特徴とする照明装置。
  4. 請求項2において、コンデンサは制御回路の出力部に並列に接続したことを特徴とする照明装置。
  5. 直流電源からの供給電力を高周波の交流に変換して放電灯を点灯させるインバータと、インバータの発振動作を停止および再開させる調光用スイッチング素子と、調光用スイッチング素子のオン・オフ比率を制御することで放電灯の調光を行う制御回路とからなり、インバータは発振用トランスの1次巻線の両端とセンタータップの間に主電極を並列接続された一対の発振用スイッチング素子が交互にオン・オフする自励発振式のプッシュプルインバータであり、放電灯の調光はインバータの発振周波数よりも低い周波数で調光用スイッチング素子をオン・オフするPWM制御で行う照明装置であって、調光用スイッチング素子は直流電源から発振用スイッチング素子の制御電極への電力供給路に設けられており、制御回路による調光用スイッチング素子のオン・オフ信号に対してインバータの出力が徐々に増加するようにソフトスタート用のコンデンサを付加したことを特徴とする照明装置。
  6. 請求項5において、コンデンサは調光用スイッチング素子の出力側に接続されたスイッチング素子のバイアス回路に並列に接続したことを特徴とする照明装置。
  7. 請求項5において、コンデンサは調光用スイッチング素子の制御電極間または制御回路の出力部に並列に接続したことを特徴とする照明装置。
  8. 請求項1〜7のいずれかにおいて、インバータは商用電源と前記直流電源との双方を電源として動作し、少なくとも商用電源の停電時には前記直流電源によって放電灯を点灯させることを特徴とする非常用照明装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007265897A (ja) * 2006-03-29 2007-10-11 Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd 放電管用インバータ回路
JP2010177115A (ja) * 2009-01-30 2010-08-12 Minebea Co Ltd 希ガス放電灯点灯装置

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