JP2006210356A - 放電灯点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点灯回路において、高周波の漏れ電流を制御することにより、カタホリシス現象の発生を防止する。
【解決手段】高周波で放電ランプＬａを点灯させる点灯回路と、放電ランプＬａの点灯時に放電ランプＬａと器具本体１０との間に流れる漏れ電流を抑制する漏れ電流抑制手段とを備える。点灯回路は、交流電源ＡＣを整流する整流器ＤＢ_１と、整流器ＤＢ_１出力をＤＣ−ＤＣ変換するチョッパ回路ＣＨＰと、チョッパ回路ＣＨＰ出力をＤＣ−ＡＣ変換するインバータ回路ＩＮＶとを備える。漏れ電流抑制手段として、インバータ回路ＩＮＶと器具本体１０との間に接続され高調波成分をバイパスするコンデンサＣ_０１を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電灯点灯装置に関するものである。

一般に、蛍光灯のような放電ランプの両電極間に直流電圧を印加して点灯させると、陽極付近で輝度が低下する現象が知られている。この現象は、放電ランプ内の水銀イオンが陰極側に集まることに起因しており、電気泳動現象ないしカタホリシス現象と呼ばれている（以下ではカタホリシス現象という）。

カタホリシス現象の発生を防止するには、放電ランプの両電極間に交流電圧を印加するのが有効であると考えられてきた。ところが、近年のようにインバータ回路を用いて放電ランプを高周波で点灯させる技術が普及してくると、高周波交流電圧を放電ランプに印加した場合にも、カタホリシス現象の生じる場合があるということがわかってきた。このようなカタホリシス現象は放電ランプを点灯させる環境温度が低いほど顕著になる。

放電ランプを高周波点灯させた場合にカタホリシス現象が生じるのは、次の理由による。一般に、放電ランプ内の放電プラズマと大地との間には容量成分（浮遊容量）が存在するから、電極間に高周波交流電圧を印加して形成された放電プラズマから浮遊容量を通して高周波電流が大地に流れる。一方、放電プラズマの内部の電荷キャリアは水銀イオンと電子であって、水銀イオンよりも電子のほうが移動度が格段に大きいから、浮遊容量を通して高周波電流が流れる際に、放電ランプの管壁には水銀イオンよりも電子のほうがはるかに多く注入され、結果的に放電ランプの管壁は負に帯電することになる。放電ランプの管壁の負の帯電量は放電プラズマの大地に対する電位差（以下では、対地間電圧という）が大きいほど多くなる。

すなわち、対地間電圧が放電ランプの管長方向の各部位で異なっていると、放電ランプの管壁に負電位の勾配が生じる。水銀イオンは負の帯電量が大きいほうに集まるから、負の帯電量が大きいほうが高輝度になる。その結果、上述のように対地間電圧が放電ランプの管長方向において勾配を有していると、カタホリシス現象が生じることになる。ここに、対地間電圧の高いほうを高圧側とすれば、高圧側のほうが負の帯電量が多いということであるから、低圧側の輝度が高圧側よりも低くなる。

放電ランプに高周波電圧を印加する点灯回路には各種の構成が知られているが、図８に示すような回路構成が広く採用されている。この点灯回路は、交流電源ＡＣをダイオードブリッジよりなる整流器ＤＢ_１で全波整流し、チョッパ回路ＣＨＰでＤＣ−ＤＣ変換した後に、インバータ回路ＩＮＶでＤＣ−ＡＣ変換を行なうものであって、インバータ回路ＩＮＶの高周波出力を放電ランプＬａを含む負荷回路１に印加するのである。ここに、インバータ回路ＩＮＶとしては、チョッパ回路ＣＨＰの出力端間に接続された一対のスイッチング素子Ｑ_２，Ｑ_３の直列回路を備え、一方のスイッチング素子Ｑ_３の両端間に負荷回路１と直流カット用のコンデンサＣ_３との直列回路を接続したハーフブリッジ型のものを採用している（細部は異なるが、類似した構成の点灯回路は特許文献１参照）。

インバータ回路ＩＮＶとしてこのような構成を採用すれば、４個のスイッチング素子をブリッジ接続したインバータ回路に比較すると回路構成素子数が少なく低コストで提供することができ、また、２個のスイッチング素子の直列回路と２個のコンデンサの直列回路とを並列接続したインバータ回路に比較しても回路部品素子数が少なく低コストで提供することができる。しかも、後者のものでは動作開始直後にコンデンサが充電されるまで定常動作にならず、この間に負荷回路１にストレスがかかるという欠点があるのに対して、図８に示したインバータ回路ＩＮＶではこの種の問題も生じないから、図８に示す構成のインバータ回路ＩＮＶが広く採用されているのである。

点灯回路および放電ランプＬａは、器具本体１０に組み込まれるのであって、器具本体１０は一般に金属（板金）により形成されている。チョッパ回路ＣＨＰとインバータ回路ＩＮＶとは整流器ＤＢ１の出力端の負極側で、チョッパ回路ＣＨＰに設けたコンデンサＣ0 を通して器具本体１０に接地され、器具本体１０は大地に接地される。しかして、器具本体１０のうち放電ランプＬａにもっとも近接しているのは、放電ランプＬａの光出力の配光を制御する反射板であるから、放電ランプＬａから反射板を通して大地に高周波電流が流れることになる。なお、放電ランプＬａの管長方向における中心線と反射板との距離は一定である。
特開平８−２７３８８０号公報

上述したインバータ回路ＩＮＶでは、放電ランプＬａの一端がコンデンサＣ_３およびコンデンサＣ_０を介して常時接地されているものであるから、放電ランプＬａの管長方向において電位に偏りがある。すなわち、接地側（図８における下端側）が低圧側、非接地側が高圧側になっている。したがって、上述したように放電ランプＬａの管壁の負の帯電量に勾配が生じて水銀イオンが偏在し、カタホリシス現象が生じる。

このようなカタホリシス現象を放電ランプＬａからの漏れ電流という観点で説明する。すなわち、放電プラズマの位置ｘにおける大地との間の浮遊容量をＣｘ、同位置での対地間電圧をＶｘとし、インバータ回路ＩＮＶの出力周波数をｆ_０とすれば、放電ランプＬａから大地に流れる高周波の漏れ電流ｉｘは、ｉｘ＝２πｆ_０ＣｘＶｘである。ここに、放電ランプＬａの管長方向における中心線と反射板との距離は一定であるから、Ｃｘは位置ｘにかかわらず一定とみなすことができ、結局、対地間電圧Ｖｘによって電流ｉｘが決定されることになる。しかして、図８に示した回路構成では、放電ランプＬａの高圧側の端部のほうが低圧側の端部よりも対地間電圧Ｖｘが高いのであるから、漏れ電流ｉｘも放電ランプＬａの高圧側の端部のほうが低圧側の端部よりも多くなる。漏れ電流ｉｘが多ければそれだけ管壁の負の帯電量が多くなり、水銀イオンが集まることになる。つまり、高圧側の端部のほうが輝度が高くなるわけである。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、放電ランプを高周波で点灯するにあたり、点灯回路において高周波の漏れ電流を制御することにより、カタホリシス現象の発生を防止した放電灯点灯装置を提供することにある。

請求項１の発明は、高周波で放電ランプを点灯させる点灯回路と、放電ランプの点灯時に放電ランプと器具本体との間に流れる漏れ電流を抑制する漏れ電流抑制手段とを備え、点灯回路は、交流電源を整流する整流器と、整流器出力をＤＣ−ＤＣ変換するチョッパ回路と、チョッパ回路出力をＤＣ−ＡＣ変換するインバータ回路とを備え、漏れ電流抑制手段は、インバータ回路と器具本体との間に接続され高調波成分をバイパスするコンデンサであることを特徴とする。

この構成によれば、放電ランプから器具本体ないし大地への高周波の漏れ電流を抑制することができ、放電ランプの管長方向における電位勾配を低減することでカタホリシス現象の発生を防止することが可能になる。とくに、インバータ回路と器具本体との間で高調波成分を流すことにより放電ランプと器具本体との間を流れる高周波の漏れ電流を低減するから、放電ランプの各電極付近での漏れ電流の不均衡を低減してカタホリシス現象の発生を防止することが可能になる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、交流電源と整流器との間の部位と器具本体との間に接続され高調波成分をバイパスする第２のコンデンサが付加されていることを特徴とする。

この構成によれば、請求項１の発明の効果に加えて、交流電源と整流器との間からも高周波電流が器具本体に流れるから、放電ランプからの漏れ電流をより一層低減してカタホリシス現象の発生を防止することができる。

請求項３の発明では、請求項１の発明において、前記チョッパ回路を器具本体との間に接続され高調波成分をバイパスする第３のコンデンサが付加されていることを特徴とする。

この構成によれば、請求項１の発明と同様に、インバータ回路と器具本体との間で高調波成分を流すことにより放電ランプと器具本体との間を流れる高周波の漏れ電流を低減することができる上に、チョッパ回路と器具本体との間にも高調波成分を流す電流経路を形成していることによって、放電ランプと器具本体との間の漏れ電流を一層低減することができる。その結果、放電ランプの各電極付近での漏れ電流の不均衡を一層低減してカタホリシス現象の発生を防止することができる。

本発明の構成によれば、インバータ回路と器具本体との間に高周波成分をバイパスするコンデンサを設けているので、放電ランプと器具本体との間を流れる高周波の漏れ電流を低減することになり、放電ランプの各電極付近での漏れ電流の不均衡を低減し放電ランプから器具本体ないし大地への高周波の漏れ電流を抑制して放電ランプの管長方向における電位勾配を低減することで、カタホリシス現象の発生を防止することが可能になる。

（基本構成）
点灯回路は、図５に示すように、商用電源のような交流電源ＡＣをダイオードブリッジのような整流器ＤＢ_１により全波整流し、整流器ＤＢ_１の出力をチョッパ回路ＣＨＰによりＤＣ−ＤＣ変換し、チョッパ回路ＣＨＰの直流出力をインバータ回路ＩＮＶによりＤＣ−ＡＣ変換することによって、インバータ回路ＩＮＶから出力される高周波電圧を放電ランプＬａを含む負荷回路１に印加する構成を基本構成としている。放電ランプＬａには放電ガスとして水銀蒸気を含むものを用いている。また、負荷回路１は、放電ランプＬａに並列接続された共振用のコンデンサＣ_２と、共振用のコンデンサＣ_２に後述するインピーダンス要素Ｌｘを介して直列接続された共振用のインダクタＬ_２とを備える。放電ランプＬａは器具本体１０に保持され放電ランプＬａの近傍には器具本体１０に設けた配光制御用の金属製の反射板（後述する）が配置される。

チョッパ回路ＣＨＰは、周知の昇圧型のチョッパ回路であって、整流器ＤＢ_１の直流出力端間にインダクタＬ_１とスイッチング素子Ｑ_１との直列回路を接続し、スイッチング素子Ｑ_１の両端間にダイオードＤ_１を介して平滑用のコンデンサＣ_１を接続した構成を有している。スイッチング素子Ｑ_１は図示していない制御回路により高周波（交流電源の周波数よりも十分に高い周波数）でオンオフされる。

したがって、スイッチング素子Ｑ_１のオン時には整流器ＤＢ_１→インダクタＬ_１→スイッチング素子Ｑ_１→整流器ＤＢ_１の経路で電流が流れてインダクタＬ_１にエネルギが蓄積され、スイッチング素子Ｑ_１のオフ時には整流器ＤＢ_１→インダクタＬ_１→ダイオードＤ_１→コンデンサＣ_１→整流器ＤＢ_１の経路で電流が流れ、整流器ＤＢ_１の出力電圧とインダクタＬ_１の両端電圧との加算電圧がコンデンサＣ_１に印加されて、コンデンサＣ_１の両端電圧が整流器ＤＢ_１の出力電圧よりも昇圧されるのである。

インバータ回路ＩＮＶは、コンデンサＣ_１の両端間に一対のスイッチング素子Ｑ_２，Ｑ_３の直列回路を接続し、一方のスイッチング素子Ｑ_３の両端間に負荷回路１と直流カット用のコンデンサＣ_３との直列回路を接続したものであって、いわゆるハーフブリッジ型に構成されている。スイッチング素子Ｑ_２，Ｑ_３は図示していないインバータ制御回路により高周波で交互にオンオフされる。ここに、インバータ制御回路は他励式でも自励式でもよい。

スイッチング素子Ｑ_２がオンの期間には、コンデンサＣ_１→負荷回路１→コンデンサＣ_３→コンデンサＣ１の経路で電流が流れ、スイッチング素子Ｑ_３がオンの期間には、コンデンサＣ_３→負荷回路１→スイッチング素子Ｑ_３→コンデンサＣ_３の経路で電流が流れる。ここに、スイッチング素子Ｑ_２，Ｑ_３をオンオフさせるスイッチング周波数は、一般にインダクタＬ_２およびコンデンサＣ_２による直列共振回路の共振周波数よりも高く設定される。

なお、上述のスイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_３はバイポーラトランジスタのコレクタ−エミッタ間にダイオードを逆並列接続したものやＭＯＳＦＥＴを用いることができる。チョッパ回路ＣＨＰとインバータ回路ＩＮＶとは整流器ＤＢ_１の出力端の負極側で、チョッパ回路ＣＨＰに設けたコンデンサＣ_０を通して器具本体１０に接地され、器具本体１０は大地に接地される。負荷回路１に含まれるインピーダンス要素Ｌｘは高周波を阻止するものであって、ローパスフィルタないしはフェライトビーズなどを用いて構成され、放電ランプＬａの高圧側（図５の上側）の一端に接続されている。インピーダンス要素Ｌｘは、スイッチング素子Ｑ_２，Ｑ_３のスイッチング周波数の高調波成分を減衰させるように設計され、放電ランプＬａの高圧側への印加電圧に含まれるスイッチング周波数の高調波成分を従来構成に比較して大幅に低減することになる。つまり、放電ランプＬａの高圧側での高調波成分による漏れ電流の量が減少する分だけ放電ランプＬａの低圧側での漏れ電流の量との差が少なくなる。これにより、放電ランプＬａの管長方向における電位勾配が減少し、カタホリシス現象が低減されることになる。

なお、実験的に求めた結果では、インバータ回路ＩＮＶのスイッチング周波数の３次以上の高調波成分の漏れ電流について、放電ランプＬａの高圧側の漏れ電流をＩＨ、放電ランプＬａの低圧側の漏れ電流をＩＬとして、ＩＨ／ＩＬ≦１．６となるように設定したときに、カタホリシス現象の発生を防止することができた。

図６はインピーダンス要素Ｌｘを用いておらずカタホリシス現象が発生している場合の放電ランプＬａからの漏れ電流の周波数スペクトルを示すものであり、図６（ａ）は放電ランプＬａの高圧側、同図（ｂ）は低圧側を示している。図６（ａ）（ｂ）を比較すれば、放電ランプＬａの高圧側での漏れ電流が低圧側での漏れ電流よりも大きいことがわかる。

一方、図７はインピーダンス要素Ｌｘを用いてカタホリシス現象を発生させないようにした場合の放電ランプＬａからの漏れ電流の周波数スペクトルを示し、図７（ａ）は放電ランプＬａの高圧側、同図（ｂ）は低圧側の漏れ電流をそれぞれ示している。図６（ａ）と図７（ａ）とを比較すれば明らかなように、高圧側での漏れ電流が大幅に低減されている。この例では３次以上の高調波成分について、ＩＨ／ＩＬ≦１．６に設定してある。

（実施形態１）
基本構成では、器具本体１０に接地したコンデンサＣ_０をチョッパ部ＣＨＰに設けた例を示したが、本実施形態は、図１に示すように、チョッパ部ＣＨＰではなくインバータ部ＩＮＶにおいてスイッチング素子Ｑ_３とコンデンサＣ_３との接続点にバイパス用のコンデンサＣ_０１の一端を接続し、コンデンサＣ_０１の他端を器具本体１０に接地してある。つまり、インバータ部ＩＮＶの近傍で高周波成分を器具本体１０にバイパスすることにより、ランプ電流への高次高調波成分の重畳量を低減させて放電ランプＬａと器具本体１０との間の漏れ電流を低減するものである。この構成でも、カタホリシス現象を防止することができる。本実施形態では、インピーダンス要素Ｌｘを設けていないが、他の回路構成および回路動作は基本構成と同様である。

（実施形態２）
本実施形態は、図２に示すように、整流器ＤＢ１と交流電源ＡＣとの間にバイパス用のコンデンサＣ_０２を設けるとともに、実施形態１と同様にインバータ部ＩＮＶにもバイパス用のコンデンサＣ_０１を設けたものであって、両コンデンサＣ_０１，Ｃ_０２はともに一端部を器具本体１０に接地してある。つまり、２個のコンデンサＣ_０１，Ｃ_０２を高調波成分のバイパスに用いているから、実施形態１よりもさらに高調波成分による漏れ電流を低減することができる。つまり、カタホリシス現象を防止することができる。他の回路構成および動作は実施形態１と同様である。

（実施形態３）
本実施形態は、図３に示すように、基本構成と同様にチョッパ部ＣＨＰにバイパス用のコンデンサＣ_０を設けるとともに、実施形態１と同様にインバータ部ＩＮＶにもバイパス用のコンデンサＣ_０１を設けたものであって、両コンデンサＣ_０，Ｃ_０１はともに一端部を器具本体１０に接地してある。つまり、２個のコンデンサＣ_０，Ｃ_０１を高調波成分のバイパスに用いているから、実施形態１よりもさらに高調波成分による漏れ電流を低減することができる。つまり、カタホリシス現象を防止することができる。他の回路構成および動作は実施形態１と同様である。

（実施形態４）
本実施形態は、図４に示すように、実施形態３におけるインバータ部ＩＮＶのコンデンサＣ_０１とスイッチング素子Ｑ_３との間に正特性サーミスタ（以下ＰＴＣという）３を挿入したものである。ＰＴＣ３は周囲温度を検出するものであり、ＰＴＣ３の抵抗値は周囲温度が低いほど小さいから、周囲温度が低いほどコンデンサＣ_０１を通してバイパスされる高調波成分の量が多くなるように構成してある。つまり、カタホリシス現象は、周囲温度が低いほど生じやすいことが知られているから、周囲温度が低いほど高調波成分のバイパス量を多くして放電ランプＬａからの高次高調波成分の漏れ電流量を低減することで、カタホリシス現象を発生しにくくし、かつ周囲温度が高いときには高調波成分も用いて効率を優先するのである。他の回路構成および動作は実施形態１と同様である。

実施形態１を示す回路図である。 実施形態２を示す回路図である。 実施形態３を示す回路図である。 実施形態４を示す回路図である。 基本構成を示す回路図である。 比較例の動作説明図である。 基本構成の動作説明図である。 従来例を示す回路図である。

符号の説明

１ 負荷回路
１０ 器具本体
ＡＣ 交流電源
ＣＨＰ チョッパ回路
Ｃ_０ コンデンサ
Ｃ_０１ コンデンサ
Ｃ_０２ コンデンサ
ＤＢ_１ 整流器
ＩＮＶ インバータ回路
Ｌａ 放電ランプ
Ｌｘ インピーダンス要素

Claims (3)

1. 高周波で放電ランプを点灯させる点灯回路と、放電ランプの点灯時に放電ランプと器具本体との間に流れる漏れ電流を抑制する漏れ電流抑制手段とを備え、点灯回路は、交流電源を整流する整流器と、整流器出力をＤＣ−ＤＣ変換するチョッパ回路と、チョッパ回路出力をＤＣ−ＡＣ変換するインバータ回路とを備え、漏れ電流抑制手段は、インバータ回路と器具本体との間に接続され高調波成分をバイパスするコンデンサであることを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 交流電源と整流器との間の部位と器具本体との間に接続され高調波成分をバイパスする第２のコンデンサが付加されていることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
3. 前記チョッパ回路を器具本体との間に接続され高調波成分をバイパスする第３のコンデンサが付加されていることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。

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