JP2005522818A - ガス放電ランプ駆動方法及び装置 - Google Patents

Abstract

ガス放電ランプ（２）、特にＨＩＤランプ、更に特にＭＨランプを調光する方法を提供する。ランプは、αを１以下とした電流値Ｉ_L ＝αＩ_nom を有する転流直流電流をもって公称出力で点灯させる。電流値Ｉ_L は減少させるが、ランプは、αが予め決定した値βに達するまで依然として転流直流電流で点灯させる。次に、ランプを直流電流で点灯させ、電流値は更に減少させる。このようにして、調光レベルを低くすることができる。

Description

本発明は、一般に、ガス放電ランプ、特にＨＩＤランプ、更に特にメタルハライドランプを駆動する方法及び装置に関するものである。特に、本発明はこのようなランプを調光することに関するものである。

ガス放電ランプは一般に知られている。これらランプは一般に、放電空間を気密に囲む光透過性容器と、放電空間内のイオン化可能な充填剤及び一対の電極とを有し、各電極は、放電空間からランプの容器を通って外部に延在する関連の電流導体に接続されている。点灯に際しては、これら電極間に電圧が印加され、これら電極間にガス放電が生じ、これによりこれら電極間にランプ電流を流す。個々のランプを比較的広い範囲の点灯電圧及び電流の双方又はいずれか一方で駆動することができるが、ランプは代表的に特定のランプ電圧及び電流で点灯されるように、従って、公称電力消費量を有するように設計されている。この公称電力では、ランプは公称量の光を放出する。ＨＩＤランプは当業者にとって一般に知られている為、その構成及び動作の詳細な説明はここでは省略する。

一般に、ランプは調光しうるようにする、すなわち、ランプを公称出力（電力）よりも低い出力で点灯させ、ランプが公称光出力よりも少ない光を発生するようにするのが望ましい。低圧ガス放電ランプの場合、例えば、ランプを交流電流で点灯させ、ランプ周期の減少位相の間だけランプ電圧を印加することにより、例えばランプと直列のトライアックスイッチを適切に位相制御することによりランプを調光することが知られている。このことは、電圧周期の一部分中のみランプがランプ電圧を受け、この電圧周期の残りの部分中はランプ電流が流れないということを意味する。従って、調光の必要量は電流のオン時間と電流のオフ時間との比を選択することにより得られる。しかし、このような種類の調光はＨＩＤランプでは可能とならない。その理由は、この種類のランプには電流のオフ期間から回復する問題がある為である。

低圧放電ランプは代表的に、共振電流、すなわち、正弦波形状の波形を有する電流で点灯されるが、高圧放電ランプは代表的に、転流直流電流が供給されることにより点灯される。このようなランプに対する電子安定器、すなわち、ドライバは交流電源の電力を受ける入力端と、交流電源電圧を整流して直流電圧を得る整流器と、この整流された電源直流電圧をより高い直流電圧に変換する直流／直流アップコンバータと、このより高い直流電圧をより低い直流電圧（ランプ電圧）及びより高い直流電流に変換するダウンコンバータと、この直流電流の方向を規則的に変化させる転流器とを有する。このダウンコンバータは、制御定電流発生器としても知られている制御定電流源のように動作する。転流器は代表的に、約１００Hz程度の周波数で動作する。従って、原理的に、ランプは定電流値で点灯し、ランプ電流の方向は極めて短時間（転流周期）で変化する。この点灯モードが方形波電流点灯として表わされる。

ＨＩＤランプでは、ランプ電流の位相を切断することに基づく調光は、例えば再点弧問題を生ぜしめる。従って、この種類のランプは、ランプ電流を公称電流よりも低いレベルまで減少させることにより、より容易に調光しうるようにする。実際には、ランプ電流を公称電流よりも低いレベルまで減少させることによりＨＩＤランプを調光させることは既に知られていることである。

しかし、ＨＩＤランプでランプ電流を減少させると、一般にＨＩＤランプと関連する問題が生じ、単にランプ電流を無限に減少させることはできない。代表的な低圧蛍光ランプでは、ランプ電極を電極電流により個別に加熱することができる。しかし、ＨＩＤランプではこのようにすることができない。ＨＩＤランプでは、ランプ電極はランプ電流により加熱されるものであり、ランプ電流が減少すると、ランプ電極は冷却し、もはや適切に機能しなくなる。このランプ特性が、特にこの電極特性がＨＩＤランプの調光能力を実際上制限するようになる。調光レベルが調光点灯出力と公称ランプ出力との比として規定される場合には、５０％以上の信頼できる調光レベルを達成するのは困難であり、一方、一般に知られた蛍光ランプのような低圧ガス放電ランプは１０％又はそれより低い調光レベルで容易に点灯させることができる。

上述したことは特に、総称的な種類のＨＩＤランプ内の特殊な系列を形成するメタルハライドランプに当てはまる。実際には、ある製造業者はこれらのランプを調光させないようにし、他の製造業者はこのようにせずに、調光レベルに５０％の限界を課している。

本発明は、ＨＩＤランプの特性を良好に理解した上で成したものである。

ランプ電極は、通常の又は公称の点灯状態の下では、これらの陰極位相中にいわゆる拡散モードで動作する。電流を公称電流からそれよりも低い電流レベルに減少させると、ランプ電極は、これらの陰極位相中での電極上の極めて熱い局部スポットを含む、いわゆるスポットモードに切換わる。電流が更に減少されると、ランプ電極はグローモードに切換わり、ランプ動作は、定常状態動作にとって不所望なグロー放電に切換わる。

ＨＩＤランプは、拡散モードで最適に動作するように設計されている。グロー放電モードでの動作は不所望なことである。その理由は、スパッタリングが生じ、その間はランプが殆ど或いは全く光を発生しない為である。スポットモードは原理的に許容しうるが、スポットは極めて迅速に冷却する。これにより、電流の中断と相俟ってランプを消灯させてしまうおそれがある。

スポットモードは実際に、これが中断されない限り比較的安定であるという認識を基に本発明を成したものである。前述したように、通常、ＨＩＤランプは方形波電流で動作させられる。このことは、ランプ電流の方向が繰返し変わるということを意味する。又、このことは、電流周期中、１つの電極がこの電流周期の５０％中陰極として動作し、この電流周期の他の５０％中陽極として動作することを意味する。従って、電極のスポットモード動作は、電流方向が変化する際に中断する。陽極期間の終了時及び新たな陰極期間の開始時に、電極は明らかにスポットモードに復帰しえない為にランプは消灯することを確かめた。しかし、電極の陰極動作が継続している限り、スポットモードは比較的安定であることも確かめた。

本発明は、この認識に基づいて、電流レベルを減少させた状態で直流動作に切換えることを提案する。

ＨＩＤランプを直流電流で動作させると、ランプが消灯するまでに電流レベルをより一層減少させることができることを実際に確かめた。このことはスポットモードの安定性に寄与することができ、スポットモードは、１つの電極を連続的に陰極として用いている限りランプ電流を減少させた際に明らかに安定に維持される。

他の利点は、ＨＩＤランプを調光直流電流で点灯させると、エージングにより生じる光出力の減少を低減させることができるということである。

本発明の上述した及びその他の観点、特徴及び利点を以下に図面につき説明する。
図１は、ＨＩＤランプを流れるランプ電流を、種々の調光レベルに対し時間の関数として示すグラフ線図である。

図１ａには、ランプの公称動作モードに対する電流を示す。この図１ａから明らかなように、ランプ電流の大きさ、すなわち、絶対値は常にＩ_nom に等しいが、このランプ電流は、＋Ｉ_nom から−Ｉ_nom への又はその逆の変化として示すように、瞬時ｔ₁ 、ｔ₂ 、ｔ₃ 等において方向変化する。この公称動作モードでのランプ出力をＰ_nom として示す。

図１ｂには、方形波電流が依然としてランプに供給されているが、この電流の大きさ、すなわち、絶対値はＩ_nom よりも小さく、式Ｉ_L ＝αＩ_nom （ここで、α＜１である）で表わされている調光動作モードを示す。この場合のランプ出力をＰ（α）として示し、これはＰ_nom よりも小さい。本発明によれば、Ｉ_L ／Ｉ_nom が予め決定した値βよりも大きい限り、電流値がＩ_L である方形波電流でＨＩＤランプを調光する。βの適切な値は、実際にはランプの種類に依存するが、約６０％であることを確かめた。

図１ｃには、ランプの直流動作モードを示す。この場合も、ランプ電流の大きさＩ_L をαＩ_nom として表わすことができるが、αは上述した予め決定した値βよりも小さい。

３つの異なるＨＩＤランプを実験で検査した。

第１の実験
第１の検査はフィリップス社製の型番ＣＤＭ‐Ｔ７０Ｗ／８３０のランプに関するものであり、これは、公称ランプ電流Ｉ_nom を約０．８５Ａとし公称出力を７０Ｗとしたランプである。このランプを最初に図１ａ及び１ｂに示す上述した方形波電流で点灯させた。この電流の大きさを、ランプが消灯するまでゆっくり減少させた。この消灯は５０％の調光レベルに相当する約３５Ｗのランプ出力で生じ、ランプが消灯した際のαは０．５であることを確かめた。

比較のために、このランプを本発明による調光方法により動作させた。最初に、ランプを、図１ａに示すように、公称電流での公称出力で点灯させた。次に、図１ｂに示すように、電流形状は依然として方形波に保ち、ランプ電流の大きさＩ_L を、α＝Ｉ_L ／Ｉ_nom がこの実験で６０％とした予め決定した値βに達するまでＩ_nom からαＩ_nom （αは１よりも小さい）に減少させた。次に、電流の転流（方向変化）を停止させた。すなわち、図１ｃに示すように電流を直流電流に変えた。次に、ランプが消灯するまでランプ電流の大きさＩ_L を更に減少させた。この消灯は、公称出力の３０％の調光レベルに相当する約２０Ｗのランプ出力で生じ、ランプが消灯した際のαは０．３であることを確かめた。

第２の実験
第２の検査はフィリップス社製の型番ＳＤＷ‐Ｔ１００Ｗのランプに関するものであり、これは、公称ランプ電流Ｉ_nom を約１．１Ａとし公称出力を１００Ｗとしたランプである。上述したのと同じ実験を行なった。このランプは、方形波電流を用いた場合、公称出力の４０％の調光レベルに相当する約４０Ｗのランプ出力で消灯し、ランプが消灯した際のαは約０．５であった。

このランプは、本発明による調光方法により動作させると、公称出力の１０％の調光レベルに相当する約１０Ｗのランプ出力で消灯し、このランプが消灯した際のαは０．３であった。

第３の実験
第３の検査はフィリップス社製の型番ＣＤＭ‐Ｔ１５０Ｗ／８３０のランプに関するものであり、これは、公称ランプ電流Ｉ_nom を約１．７Ａとし公称出力を１５０Ｗとしたランプである。上述したのと同じ実験を行なった。このランプは、方形波電流を用いた場合、公称出力の４０％の調光レベルに相当する約６０Ｗのランプ出力で消灯し、ランプが消灯した際のαは約０．４であった。

このランプは、本発明による調光方法により動作させると、公称出力の２０％の調光レベルに相当する約３０Ｗのランプ出力で消灯し、このランプが消灯した際のαは０．２〜０．３であった。

従って、検査したこれらの全てのランプに対し、方形波電流を直流電流に切換えることにより、達成しうる最小出力レベルはかなり減少した。

方形波電流から直流電流に切換えるためのβの正確な値は臨界的なものではないが、この値はあまり大きくしてはならない。その理由は、公称電流に近い電流レベルでは、ＨＩＤランプを直流電流で動作させてはならない為である。当業者にとって既知であるように、陽極温度は交流動作中よりも直流動作中の方が著しく高くなる。生じるおそれのある悪影響を回避するためには、好ましくは、調光直流動作中の陽極温度を公称交流動作時の電極温度よりも上昇させてはならない。

既知のように、単位電力当りの光出力（ルーメン／ワット）として表わされるランプの発光能力はランプが古くなるにしたがって減少する。この影響は、発光能力対ランプ寿命をプロットすることによりランプがその原特性をいかに維持しているかの特性維持として表わすことができる。調光に直流モードを用いることにより、ランプの特性維持に好結果をもたらす。このことを図３Ａ及び３Ｂに示す。これらの図では、特性維持を元の発光能力のパーセントで表わしてある。

図３Ａ及び３Ｂは、型番ＭＨＣ０７０のランプに対して行なった実験の結果を示している。図３Ａの曲線（ａ）〜（ｃ）は転流（方向変化）電流で駆動するランプに関するものであり、図３Ｂの曲線（ｄ）〜（ｈ）は一定の（非転流）電流で駆動するランプに関するものである。これら全てのランプを１２時間のサイクルで繰返し動作させた。

曲線（ａ）は、１１時間公称出力にし、これに続いて１時間オフにしたサイクルに関するものである。８０００時間後に特性維持が約７０％に減少した。

曲線（ｂ）は、１５時間公称出力にし、これに続いて１０時間４５分間公称出力の６０％で点灯させ、これに続いて１時間オフにしたサイクルに関するものである。８０００時間後に特性維持が殆ど５０％に減少した。特性維持は２０００時間後に既に７０％に減少した。

曲線（ｃ）は、５．５時間公称出力にし、これに続いて５．５時間公称出力の６０％で点灯させ、これに続いて１時間オフにしたサイクルに関するものである。特性維持は４０００時間後に殆ど７０％に減少した。

上述したところから明らかなように、特性維持はランプが古くなるにしたがって減少するものであり、調光はこの減少量を増大させる。

曲線（ｄ）は、１１時間公称出力にし、これに続いて１時間オフにするサイクルに関するものである。特性維持は８０００時間後に８０％よりも幾分低い値になった。

曲線（ｅ）は、１１時間公称出力の５０％で点灯させ、これに続いて１時間オフにするサイクルに関するものである。特性維持は８０００時間後でも依然として７０％よりも高い。

曲線（ｆ）は、１１時間公称出力の３０％で点灯させ、これに続いて１時間オフにするサイクルに関するものである。特性維持は４０００時間後に７０％よりも幾分低い値になった。

曲線（ｇ）は、５．５時間公称出力にし、これに続いて５．５時間公称出力の５０％で点灯させ、これに続いて１時間オフにするサイクルに関するものである。特性維持は８０００時間後でも依然として７５％よりも高い。

曲線（ｈ）は、５．５時間公称出力にし、これに続いて５．５時間公称出力の３０％で点灯させ、これに続いて１時間オフにするサイクルに関するものである。特性維持は４０００時間後でも依然として約８５％よりも高い。

上述したところから明らかなように、ランプを高い割合で調光させても、直流を用いた際の特性維持の減少度は転流電流で点灯させるランプに比べて低くなる。

図２は、ＨＩＤランプ２を本発明により駆動するドライバ１の一例を線図的に示す。このようなドライバは一般に知られている為、その設計及び動作の詳細な説明は省略する。当業者にとって明らかなように、このようなドライバ１は可制御電流発生手段１０を有しており、この可制御電流発生手段は交流電源入力電圧を受け、制御入力端１２に供給される制御信号Ｓ_I に応答して、直流電流を出力端１１に発生させる。この可制御電流発生手段１０の後段には、図２ではフルブリッジの構成例で示す転流器（インバータ）段２０が続いている。このような転流器段２０は、代表的に、４つの可制御スイッチ２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂを有している。第１の対の可制御スイッチ２１Ａ、２２Ａは直列に配置され、これら２つの可制御スイッチ間のノード２３Ａが一方のランプ電極に接続されている。第２の対の可制御スイッチ２１Ｂ、２２Ｂも同様に直列に接続され、これら２つの可制御スイッチ間のノード２３Ｂは他方のランプ電極に接続されている。スイッチドライバ３０は４つの出力端３１Ａ、３１Ｂ、３２Ａ、３２Ｂを有し、これら出力端はそれぞれ前記スイッチ２１Ａ、２１Ｂ、２２Ａ、２２Ｂの制御入力端に接続されている。このスイッチドライバ３０は２つの動作状態を有する。第１の動作状態では、このスイッチドライバの４つの出力端３１Ａ、３１Ｂ、３２Ａ、３２Ｂにおける出力信号はスイッチ２１Ａ及び２２Ｂを開放するとともに、スイッチ２１Ｂ及び２２Ａを閉成するようになっており、これはランプ電流がランプ２を一方向で流れる状態に相当している。第２の動作状態では、スイッチドライバ３０の出力信号は、スイッチ２１Ｂ及び２２Ａを開放するとともに、スイッチ２１Ａ及び２２Ｂを閉成するようになっており、これはランプ電流がランプを反対方向で流れる状態に相当する。スイッチドライバは制御入力端３３を有し、この制御入力端３３で受ける信号Ｓ_C に依存してこのスイッチドライバ３０は第１の動作状態と第２の動作状態との間で交互に切換る（転流モード）か、又はスイッチドライバ３０は常にこれら動作状態のうちの一方にある（非転流モード）。換言すれば、スイッチドライバ３０の制御入力端３３における制御信号Ｓ_C は、ランプ電流が転流電流であるか否かを制御する。以後、この制御信号Ｓ_C を、２つの可能値ＣＭ（転流モード）及びＮＣＭ（非転流モード）を有するデジタル信号であるものとする。

本発明によれば、ドライバ１に調光制御ユニット４０を設ける。この調光制御ユニットは、電流レベルを制御するために可制御電流発生手段１０の制御入力端１２に接続された第１出力端４１と、転流器段２０の動作を制御する第２出力端４２とを有する。この第２出力端４２はスイッチドライバ３０の前記制御入力端３３に接続されている。調光制御ユニット４０は、ユーザ命令を受ける、従って、ユーザに所望の調光レベルを設定させるユーザ入力端４３を有する。

調光制御ユニット４０は、そのユーザ入力端４３における設定に応答してその第１出力端４１に、対応する制御信号Ｓ_I を発生し、対応する電流レベルを発生するように可制御電流発生手段１０を制御する。所望の電流レベルが予め決定した値βよりも高い場合には、調光制御ユニット４０はその第２出力端４２に、第１の値ＣＭを有する出力信号Ｓ_C を発生する。この調光制御ユニット４０の第２出力端４２における出力信号Ｓ_C が、βと１との間の調光レベルを表わすこの第１の値ＣＭを有している限り、ランプ電流は転流電流である。所望の電流レベルが予め決定した値βよりも低い場合には、調光制御ユニット４０はその第２出力端４２に、第２の値ＮＣＭを有する出力信号Ｓ_C を発生する。調光制御ユニット４０の第２出力端４２における出力信号Ｓ_C が、βよりも低い調光レベルを表わすこの第２の値ＮＣＭを有している限り、ランプ電流の方向は一定である。

本発明を数例につき上述したが、当業者にとって明らかなように、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に規定した本発明の保護範囲内で種々に変更を施し得るものである。

例えば、標準の型の転流器でスイッチドライバの転流動作を抑止するのは種々の方法で達成しうること明らかであり、図２の実施例はこれを達成する多くの方法の１つを示しているにすぎない。

更に、図２の実施例はモジュール設計として示してあるが、調光制御ユニット４０やスイッチドライバ３０をも１つの集積化ユニットとして構成することもできる。

上述したところでは、ランプ電流を公称ランプ電流からそれよりも低い電流レベルまで減少させるものとして調光を説明したが、当業者にとって明らかなように、上述した以外に調光処理中に調光レベルを高めることができる。調光レベルを高めることには、ランプ出力を高めること及びランプ電流値を高めることが含まれる。従って、Ｉ_L ／Ｉ_nom ＜βである限り、ランプ電流を直流電流として増大させ、Ｉ_L ／Ｉ_nom ＞βとなるとすぐにランプ電流を転流直流電流として増大させる。

ランプ電流を時間の関数として示すグラフである。 ランプに対する駆動装置の代表例を示す線図である。 ランプの特性維持をランプの寿命の関数として示すグラフである。

Claims (7)

1. ガス放電ランプ、特にＨＩＤランプ、更に特にＭＨランプを点灯させるランプ点灯方法において、
   ‐ β＜α≦１の場合に、電流レベルＩ_L ＝αＩ_nom で転流直流電流をランプに供給し、
   ‐ α≦βの場合に、電流レベルＩ_L ＝αＩ_nom で転流直流電流をランプに供給し、
   ‐ Ｉ_L が実際のランプ電流を表わし、Ｉ_nom が公称ランプ電流を表わし、βが１よりも小さい予め決定した値であるようにするランプ点灯方法。
2. 請求項１に記載のランプ点灯方法において、βをほぼ０．６に等しくするランプ点灯方法。
3. ガス放電ランプ、特にＨＩＤランプ、更に特にＭＨランプを調光するランプ調光方法であって、このランプ調光方法が、
   ‐ αを１以下とした電流値Ｉ_L ＝αＩ_nom を有する転流直流電流をもって公称出力でランプを点灯させる工程と、
   ‐ 電流値Ｉ_L を減少させるが、αが予め決定した値βに達するまで転流直流電流でランプを依然として点灯させる工程と、
   ‐ αが値βに達した際に電流値Ｉ_L ＝αＩ_nom の直流電流をランプに与える工程と、
   ‐ 電流値を更に減少させるが、依然としてランプに直流電流を与える工程と
   を有するランプ調光方法。
4. 請求項３に記載のランプ調光方法において、βをほぼ０．６に等しくするランプ調光方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法を実施するように設計したガス放電ランプ用ドライバ。
6. 請求項５に記載のガス放電ランプ用ドライバにおいて、このガス放電ランプ用ドライバが、
   ‐ ほぼ一定の電流を発生する可制御電流発生手段と、
   ‐ 電流値が予め決定した電流レベルを越える場合に前記電流を転流させ、電流値がこの予め決定した電流レベルよりも低い場合に前記電流を直流電流として出力するように設計した可制御転流手段と
   を有するガス放電ランプ用ドライバ。
7. 請求項５又は６に記載のガス放電ランプ用ドライバにおいて、このガス放電ランプ用ドライバがユーザ可調整制御ユニットを有し、このユーザ可調整制御ユニットが、前記可制御電流発生手段の電流値を制御する制御信号を発生する第１制御出力端と、前記可制御転流手段を制御する制御信号を発生する第２制御出力端とを有し、前記ユーザ可調整制御ユニットは、制御された電流値が前記予め決定した電流レベルよりも大きい場合に前記可制御転流手段を転流モードに切換えるとともに、制御された電流値が前記予め決定した電流レベルより小さい場合に前記可制御転流手段を直流モードに切換えるように構成されているガス放電ランプ用ドライバ。

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