JP2006073440A

JP2006073440A - 放電灯点灯装置および照明装置

Info

Publication number: JP2006073440A
Application number: JP2004257722A
Authority: JP
Inventors: Naoki Komatsu; 直樹小松
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2006-03-16

Abstract

【課題】大幅な回路変更や部品追加をせずに精度よく放電灯点灯装置の異常または寿命を検出する。
【解決手段】第１コンデンサおよび第２コンデンサの直列回路と、逆導通型の第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の直列回路とを直流電源に並列的に接続するとともに、前記第１および第２コンデンサの接続点と前記第１および第２スイッチング素子の接続点の間に、少なくとも負荷である放電灯を含む負荷回路を接続して成り、負荷である放電灯に低周波矩形波の電力を供給する放電灯点灯装置において、前記第１または第２スイッチング素子がオン／オフする前に前記第１または第２コンデンサの電圧を検出することにより放電灯点灯装置の異常または寿命を判別する機能を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は放電灯を低周波で矩形波点灯せしめる放電灯点灯装置および照明装置に関するものである。

従来、特開平８−２８８０７７号公報（特許文献１）には、直流電源電圧を所定電圧の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ回路部と、該ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部の出力を平滑する平滑コンデンサと、該平滑コンデンサを直流電源として動作し、直流を矩形波の交流に変換するインバータ回路部と、該インバータ回路部により電力供給を受ける放電灯を含む負荷回路とから構成された放電灯点灯装置において、放電灯の点灯状態要素に基づいて寿命末期を検知する寿命末期検知部を設けることが提案されている。ここで、寿命末期検知部は、インバータ回路部から出力されるランプ電流の極性反転時の休止期間が所定以上拡大したときに寿命末期と判断する、あるいは、インバータ回路部の出力極性の反転時の放電灯の再点弧電圧がランプ電圧の実効値より所定値以上上昇すると寿命末期と判断することが提案されている。

また、他の従来例として、特開平６−２８３２８０号公報（特許文献２）には、放電灯の出力光束を光センサにより検知し、放電灯の寿命到来を判定し、ＬＥＤで表示する技術が開示されている。
特開平８−２８８０７７号公報特開平６−２８３２８０号公報

特許文献１または２に開示された技術では、放電灯の寿命を精度よく判断できる機能を有するが、放電灯点灯装置の寿命を判断することは困難であった。

本発明は、上述のような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、大幅な回路変更や部品追加をせずに精度よく放電灯点灯装置の異常または寿命を検出し、放電灯点灯装置の安全性を高めることにある。

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、第１コンデンサおよび第２コンデンサの直列回路と、逆導通型の第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の直列回路とを直流電源に並列的に接続するとともに、前記第１および第２コンデンサの接続点と前記第１および第２スイッチング素子の接続点の間に、少なくとも負荷である放電灯を含む負荷回路を接続して成り、負荷である放電灯に低周波矩形波の電力を供給する放電灯点灯装置において、前記第１または第２スイッチング素子がオン／オフする前に前記第１または第２コンデンサの電圧を検出することにより放電灯点灯装置の異常または寿命を判別する機能を備えたことを特徴とするものである。

本発明によれば、ハーフブリッジインバータを用いて負荷である放電灯に低周波矩形波の電力を供給する放電灯点灯装置において、スイッチング素子がオン／オフする前に、ハーフブリッジインバータのコンデンサの電圧を検出することにより放電灯点灯装置の異常または寿命を判別するものであるから、大幅な回路変更や部品追加をせずに精度よく放電灯点灯装置の異常または寿命を検出し、放電灯点灯装置の安全性を高めることができる。

（実施形態１）
実施形態１の回路構成を図１に示す。交流電源Ｖｓには直流電源回路１を介してインバータ回路３が接続されている。直流電源回路１の電源入力端には、ダイオードＤ１〜Ｄ４よりなる全波整流用のブリッジ回路が接続されている。このダイオードブリッジ回路の全波整流出力端には、インダクタＬ１、スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ５よりなる昇圧チョッパ回路が接続されている。昇圧チョッパ回路のスイッチング素子Ｑ１は、昇圧チョッパ制御回路２により商用交流周波数に比べて十分に高い周波数でスイッチングされており、スイッチング素子Ｑ１のオン時にインダクタＬ１に蓄積されたエネルギーがスイッチング素子Ｑ１のオフ時にダイオードＤ５を介して放出されることにより、全波整流出力よりも昇圧された出力電圧Ｖｄｃが得られる。昇圧チョッパ回路の出力電圧Ｖｄｃは昇圧チョッパ制御回路２により監視されており、出力電圧Ｖｄｃが所望の電圧となるように、昇圧チョッパ回路のスイッチング素子Ｑ１のオン幅が可変制御される。

直流電源回路１の出力端にはインバータ回路３が接続されている。インバータ回路３の入力端には、電解コンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の直列回路が並列的に接続されている。電解コンデンサＣ１，Ｃ２の接続点とスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３の接続点の間には、限流用のインダクタＬ２と高周波バイパス用のコンデンサＣ６の直列回路が接続されており、コンデンサＣ６の両端には、イグナイタ回路４を介して高圧放電灯ＤＬが接続されている。イグナイタ回路４は、パルス発生回路ＰＧとパルストランスＰＴを含んで構成され、高圧放電灯ＤＬの始動時に高圧パルスＶｐを発生させる。

低電位側の電解コンデンサＣ２の両端には、抵抗Ｒ１，Ｒ２の直列回路よりなる分圧回路が接続されている。抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点に得られた検出電圧は、コンデンサ電圧検出回路５に入力されている。高圧放電灯ＤＬのランプ電圧はインバータ制御回路６により検出されており、ランプ電圧の検出値に応じてスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のオン幅を可変制御することにより電力調整を行う。インバータ制御回路６の出力を受けて、駆動回路７により高電位側のスイッチング素子Ｑ２と低電位側のスイッチング素子Ｑ３をオン・オフ駆動することにより、負荷である放電灯ＤＬには低周波矩形波の電力が供給される。

通常、電解コンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧ＶＤＣは、入力電流歪率を改善するために、商用交流電源Ｖｓの最大値よりも大きな一定値に設定される。ここで、一般的に、放電灯点灯装置の寿命を決めるのは電解コンデンサＣ１，Ｃ２の寿命である。電解コンデンサＣ１，Ｃ２は寿命末期になると、電解液が封口部を通して外部へ拡散することによる磨耗故障が発生し、容量が低下していく。

また、一般的に、高圧放電灯を点灯する場合、図２に示すように、無負荷２次電圧Ｖ０２と呼ばれる約２５０から３００Ｖの電圧をランプＤＬに印加しつつ、高圧パルスＶｐをランプＤＬに印加することによりスムーズにランプＤＬを始動させることが知られている。ここで、ランプＤＬの両端に印加できる無負荷２次電圧Ｖ０２は、図１の電解コンデンサＣ１，Ｃ２に印加される電圧値で決まる。つまり、図２のように正負両極性に同じ電圧の無負荷２次電圧Ｖ０２を印加する場合、電解コンデンサＣ１，Ｃ２の容量は等しく設定する必要がある。しかし、上述したように、電解コンデンサＣ１，Ｃ２が寿命末期になると容量が低下してくるため、電解コンデンサＣ１，Ｃ２の充放電電流が略等しい場合でも、周囲温度を完全には等しくできないことから、それぞれの電解コンデンサＣ１，Ｃ２に印加される電圧がアンバランスになる現象が発生する。

以上のように、ハーフブリッジインバータ回路３が動作する直前において、電解コンデンサＣ１，Ｃ２が寿命でなければ、両端電圧は所定の電圧Ｖｄｃとなっており、それぞれの電解コンデンサＣ１，Ｃ２に印加される電圧もそれぞれＶｄｃ／２となっている。しかし、寿命末期状態では、それぞれの電解コンデンサＣ１，Ｃ２に印加される電圧がアンバランスになるため、例えば、一方の電解コンデンサＣ２の両端電圧を検出することにより点灯装置の寿命を検出することが可能となる。

図３に具体的な回路構成を示す。この回路では、前記コンデンサ電圧検出回路５として、マイクロチップ社製のワンチップマイコンであるＰＩＣ１２Ｆ６７５（Ａ／Ｄ変換機能・フラッシュメモリ付き８ビットマイコン）を用いている。このマイコンＩＣ１は、８ピンのパッケージで内部クロック回路を持っており、外付け部品がほとんど必要なく、制御回路を構成する上で有利である。マイコンＩＣ１において、７番ピンはＡ／Ｄ変換入力ポートであり、３番，４番ピンはＨレベルまたはＬレベルの２値信号を出力するポートである。また、１番ピンは電源端子、８番ピンはグランド端子である。制御電源電圧Ｖｃｃは特に図示しないが別途設けられた電源回路により供給されている。

このマイコンＩＣ１の７番ピンにより電解コンデンサＣ２の電圧を監視し、電圧範囲が正常であれば、図４に示すように、インバータ制御回路６から出力されるスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３を駆動するための高周波のＰＷＭ信号をスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３に低周波で振り分けるための低周波切替信号ＬＦをマイコンＩＣ１の３番ピン、４番ピンから出力するが、電解コンデンサＣ２の電圧範囲が異常であれば、図４に示す低周波切替信号ＬＦを停止させる（３番，４番ピンを共にＬレベルに維持する）ことによりインバータ動作を停止させる。

インバータ制御回路６の内部構成について、図３を参照して説明する。高圧放電灯ＤＬと限流用のインダクタＬ２の接続点には、コンデンサＣ４の一端が接続されており、コンデンサＣ４の他端は抵抗Ｒ３，Ｒ４の直列回路Ｒ３，Ｒ４の直列回路を介してグランドレベルに接続されている。抵抗Ｒ４の両端にはダイオードＤ６を介してコンデンサＣ５が並列接続されている。これにより、高圧放電灯ＤＬのランプ電圧が検出される。

コンデンサＣ５の検出電圧は抵抗Ｒ５を介してオペアンプＯＰ１の非反転入力端子に接続されている。オペアンプＯＰ１の出力端子と反転入力端子の間には、帰還抵抗Ｒ６が接続されている。オペアンプＯＰ１の反転入力端子には基準電圧Ｖｒが印加されている。オペアンプＯＰ１の出力端は抵抗Ｒ７を介してコンパレータＣＯＭＰ１の反転入力端子に接続されている。コンパレータＣＯＭＰ１の非反転入力端子には鋸歯状波電圧が印加されている。

コンパレータＣＯＭＰ１の出力から得られるＰＷＭ信号はアンド回路ＡＮＤ１，ＡＮＤ２の各一端に接続されている。アンド回路ＡＮＤ１，ＡＮＤ２の他端には、低周波切替信号が入力されている。低周波切替信号ＬＦの周波数は、数十〜数百Ｈｚの低周波であり、コンパレータＣＯＭＰ１から出力されるＰＷＭ信号は数十ＫＨｚ〜数百ＫＨｚの高周波である。アンド回路ＡＮＤ１，ＡＮＤ２の出力は、汎用のドライバー（例えば三菱電機製高耐圧ハーフブリッジドライバＭ８１７０６）ＩＣ２を介してスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のゲート・ソース間に供給されている。コンデンサＣ３は高電位側のスイッチング素子の電源電圧を供給するための電源用コンデンサである。

正常時には、制御用のマイコンＩＣ１の３番，４番ピンの出力は図４に示すように交互にＨレベルとＬレベルに切り替わるように動作し、一方がＨレベル、他方がＬレベルとなる第１の期間では、高電位側のスイッチング素子Ｑ２が高周波のＰＷＭ信号により高周波でスイッチング動作し、低電位側のスイッチング素子Ｑ３はオフしており、一方がＬレベル、他方がＨレベルとなる第２の期間では、低電位側のスイッチング素子Ｑ３が高周波のＰＷＭ信号により高周波でスイッチング動作し、高電位側のスイッチング素子Ｑ２はオフしている。第１の期間では、スイッチング素子Ｑ２が降圧チョッパ用のスイッチング素子として動作することにより、高圧放電灯ＤＬには一方の極性の直流電圧が印加され、第２の期間では、スイッチング素子Ｑ３が降圧チョッパ用のスイッチング素子として動作することにより、高圧放電灯ＤＬには他方の極性の直流電圧が印加される。スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３はいずれも逆導通型のスイッチング素子であるため、降圧チョッパ用の回生ダイオードは省略できる。第１の期間と第２の期間の間には、短時間（数μ秒程度）のデッドオフタイムＤＴが設けられている。出力制御用のマイコンＩＣ１の３番，４番ピンの出力が共にＬレベルであるデッドオフタイムＤＴにおいては、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のスイッチング動作は休止する。この期間を経て高圧放電灯ＤＬの出力極性が交互に反転することで、低周波の矩形波電圧が印加される。

以上が正常時の動作であるが、この動作説明から分かるように、制御用のマイコンＩＣ１が３番，４番ピンの出力を共にＬレベルに維持すれば、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のスイッチング動作は共に停止する。コンデンサＣ２の電圧を抵抗Ｒ１，Ｒ２により分圧し、その分圧された検出電圧を制御用マイコンのＡ／Ｄ変換入力端子（７番ピン）により監視することで、コンデンサＣ２の電圧が正常時の範囲から外れた場合には、装置の異常または寿命と判定し、制御用のマイコンＩＣ１が３番，４番ピンの出力を共にＬレベルに維持する。これにより、コンデンサＣ２の電圧異常（過大または過小）を検出して、インバータ回路の動作を停止させることができる。コンデンサＣ２の電圧異常の検出は、電源投入後、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオン／オフ動作を開始する前に行うことにより、異常があるときは、インバータ回路の動作を開始させないようにすることができるので、装置の安全性を高めることができる。

なお、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオン／オフ動作を開始した後も継続的にコンデンサＣ２の電圧を監視するように構成しても良いが、接続された放電灯ＤＬの特性や寿命の影響を受けることなく、装置そのものの異常または寿命を正確に判定するには、放電灯ＤＬが点灯する前の無負荷時にコンデンサＣ２の電圧を検出することが好ましい。

（実施形態２）
図５を用いて実施形態２を説明する。基本的な回路構成については図１の回路図と同様である。この実施形態２では、無負荷２次電圧の印加の仕方が異なる。一般的に高圧放電灯をスムーズに始動させるためには、無負荷２次電圧Ｖ０２は約２５０〜３００Ｖが必要であると実施形態１の中で述べたが、例えば、正負両極性に約３００Ｖを印加する場合、電解コンデンサＣ１，Ｃ２に印加される電圧ＶＤＣは約６００Ｖが必要となり、部品の大型化、高価格化を招く。そこで、電解コンデンサＣ１，Ｃ２の容量を異ならせることで、図５に示すように、一方の極性Ｖ０２ａのみをランプＤＬがスムーズに始動できる電圧にすることができる。例えば、電解コンデンサＣ１，Ｃ２の容量を１：２とすると、電解コンデンサＣ１に印加される電圧は２×Ｖｄｃ／３、電解コンデンサＣ２に印加される電圧はＶｄｃ／３となる。

この場合、電解コンデンサの寿命により容量が当初設定したものより大きく異なると、ランプＤＬがスムーズに始動しなくなる可能性がある。そこで、図１に示すように、例えば、一方の電解コンデンサＣ２の電圧を検出し、当初設定した電圧値よりも著しく異なる場合は、インバータの動作を開始させない。

（実施形態３）
図６は本発明の放電灯点灯装置を用いた照明装置の構成例を示す。（ａ）、（ｂ）はスポットライトに適用した例、（ｃ）はダウンライトに適用した例であり、筐体１１内に放電灯点灯装置を格納しており、灯体１２内に高圧放電灯を装着してある。図中、１３は配線である。筐体１１内に格納される放電灯点灯装置として、前述のように、インバータ動作を開始する前にコンデンサの電圧を検出する高圧放電灯点灯装置を搭載することで、点灯装置そのものの異常または寿命を判別することができる。

本発明の実施形態１の概略的な回路構成を示す回路図である。本発明の実施形態１の始動時の動作説明のための波形図である。本発明の実施形態１の具体的回路構成を示す回路図である。本発明の実施形態１の異常時の動作説明のための波形図である。本発明の実施形態２の動作説明のための波形図である。本発明の放電灯点灯装置を用いた照明装置の構成例を示す斜視図である。

符号の説明

Ｃ１、Ｃ２電解コンデンサ
Ｑ２、Ｑ３スイッチング素子
ＤＬランプ（高圧放電灯）
５コンデンサ電圧検出回路

Claims

第１コンデンサおよび第２コンデンサの直列回路と、逆導通型の第１スイッチング素子および第２スイッチング素子の直列回路とを直流電源に並列的に接続するとともに、前記第１および第２コンデンサの接続点と前記第１および第２スイッチング素子の接続点の間に、少なくとも負荷である放電灯を含む負荷回路を接続して成り、負荷である放電灯に低周波矩形波の電力を供給する放電灯点灯装置において、前記第１または第２スイッチング素子がオン／オフする前に前記第１または第２コンデンサの電圧を検出することにより放電灯点灯装置の異常または寿命を判別する機能を備えたことを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１記載の放電灯点灯装置において、第１および第２コンデンサの容量が異なるように設定されていることを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１または２のいずれかに記載の放電灯点灯装置を具備したことを特徴とする照明装置。