JP2006286261A - 放電灯点灯装置および照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】全光時と段調光時の明るさの差を大きく、調光が行われたことがわかるようにした放電灯点灯装置を得る。
【解決手段】直流電源Ｅ１と、この直流電源Ｅ１から供給される電圧を、制御回路ＩＣ２の高周波信号によりスイッチング素子Ｇ１、Ｑ２をオン／オフして高周波電力に変換するインバータ回路ＩＶと、このインバータ回路ＩＶからの高周波電力で点灯する放電ランプＬＡＭＰ１のランプ電力を検出し、検出されるランプ電力を予め設定される基準値に近づけるように制御するフィードバック回路ＦＢと、制御回路ＩＣ２からの高周波信号の周波数の下限となる下限周波数を、予め設定される周波数と、外部からの調光信号に応じて前記設定される周波数より高い周波数とに切り換える調光手段Ｂ１とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、インバータによる高周波電力で放電ランプを点灯させる放電灯点灯装置に係わり、特に、段調光機能を備える放電灯点灯装置および照明器具に関する。

従来の放電灯点灯装置は、制御回路の高周波信号でスイッチング素子をオン／オフして直流電圧を高周波電力に変換するインバータ回路と、このインバータ回路からの高周波電力で点灯する放電ランプのランプ電力を検出し、検出される前記ランプ電力を設定される基準値に近づけるように前記制御回路の発振周波数を制御し、前記基準値を変更して前記放電ランプ電力を制御し調光するフィードバック回路とを備えている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３６００９７６号公報（段落０００２〜００１３、００３８〜００４２、図１、図１２）

従来の放電灯点灯装置では、オペアンプの非反転入力端子に印加される電圧を可変抵抗で変更することにより、放電ランプ電力を制御して調光しているが、段調光では、可変抵抗の代わりにスイッチング素子が一般に使用されており、スイッチ素子をオンさせることにより、オペアンプの非反転入力端子に印加される電圧を低下させる。そして、ランプ電力基準値を低下させることにより、オペアンプの反転入力端子に印加される高周波電圧を平均化した電圧が下がるように、すなわち、インバータ回路の一対のスイッチング素子に流れる負荷電流を減らすように発振周波数を上昇させ調光させる。

また、図２で示すような照明器具では、図５（ａ）に示すように、全光点灯時は下限周波数で点灯しており、ランプの周囲温度が上昇してランプ電圧が低下し、ランプ電力を一定に保とうと発振周波数を低下させる動作をするが、下限周波数を設けているので、周波数を下げてランプ電流を増加させてランプ電力を上げられないので、全光点灯時の目標のランプ電力より低下する。

一方、調光点灯時は、下限周波数には到達せずに電力一定制御が動作しているため、調光点灯時の目標のランプ電力となっている。この調光の目標のランプ電力は全光時より低く、周波数が高い。そして、調光時の下限周波数は全光時のままであり、下限周波数で点灯してないので、ランプの周囲温度が上昇してランプ電圧が低下しても、周波数を下げてランプ電流を増加させてランプ電力を上げる電力一定制御で動作するため、ランプの周囲温度によりランプ電力が調光点灯時の目標のランプ電力より低下することはない。
このことにより全光のみランプ電力が低下し、調光でのランプ電力は低下しないため、全光時の明るさと調光時の明るさの差（調光率）が小さくなってしまうので、段調光されたのかどうかわからないという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、全光時と段調光時の明るさの差を大きく、調光が行われたことがわかるようにした放電灯点灯装置を得ることを目的とする。

この発明に係る放電灯点灯装置は、直流電源と、この直流電源から供給される電圧を、制御回路の高周波信号によりスイッチング素子をオン／オフして高周波電力に変換するインバータ回路と、このインバータ回路からの高周波電力で点灯する放電ランプのランプ電力を検出し、検出される前記ランプ電力を予め設定される基準値に近づけるように制御するフィードバック回路と、前記制御回路からの前記高周波信号の下限周波数を設定する下限周波数設定手段と、外部からの調光信号により前記下限周波数を第一の周波数と第一の周波数より高い第二の周波数に切り換える調光手段とを備えて、第一の周波数と第二の周波数とを切り換えて全光点灯から調光点灯に切り換えるものである。

この発明は、直流電源と、この直流電源から供給される電圧を、制御回路の高周波信号によりスイッチング素子をオン／オフして高周波電力に変換するインバータ回路と、このインバータ回路からの高周波電力で点灯する放電ランプのランプ電力を検出し、検出される前記ランプ電力を予め設定される基準値に近づけるように制御するフィードバック回路と、前記制御回路からの前記高周波信号の下限周波数を設定する下限周波数設定手段と、外部からの調光信号により前記下限周波数を第一の周波数と第一の周波数より高い第二の周波数に切り換える調光手段とを備えて、第一の周波数と第二の周波数とを切り換えて全光点灯から調光点灯に切り換えるので、全光時と段調光時の明るさの差を大きく、調光が行われたことがわかるようにすることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す放電灯点灯装置の回路図、図２は放電灯点灯装置を搭載した照明器具の断面図である。

図１において、放電灯点灯装置の主な構成は、直流電源Ｅ１と、この直流電源Ｅ１から供給される直流電圧を制御回路ＩＣ２の高周波信号によりスイッチング素子であるＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２をオン／オフして直流電源の電圧を高周波電力に変換するインバータ回路ＩＶと、このインバータ回路ＩＶからの高周波電力により放電ランプＬＡＭＰ１を点灯させる負荷回路ＬＡＣと、負荷回路ＬＡＣの電力を検出する電力検出手段Ａ１を有し、この電力検出手段Ａ１で検出されたランプ電力を基準電力設定手段Ａ２で設定された基準値に近づけるように制御回路ＩＣ２の発振周波数を制御するフィードバック回路ＦＢと、放電ランプＬＡＭＰ１が過負荷とならないように電力の上限値を設定する下限周波数設定手段Ａ３と、電力基準値を可変することにより、全光と調光を切り換える調光手段Ｂ１とからなる。

インバータ回路ＩＶにおいて、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１は、ドレインが直流電源Ｅ１に接続され、ソースはＭＯＳ−ＦＥＴＱ２のドレインに接続され、ゲートが抵抗Ｒ２を介して後述の制御回路である制御回路ＩＣ２のピン６に接続されている。ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２は、ソースが検出抵抗Ｒ１を介して直流電源Ｅ１に接続され、ゲートが抵抗Ｒ３を介して制御回路ＩＣ２のピン４に接続されている。
また、インバータ回路ＩＶを制御する制御回路である制御回路ＩＣ２は、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２の駆動電圧を出力する電圧出力端子６、４と、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１の基準電圧出力端子５と、共振周波数を決定する電流を出力する電流出力端子１と、コンデンサＣ４の充電、放電により周波数を調整する電流入出力端子２が設けられている。

負荷回路ＬＡＣは、バラストチョークＬ１と放電ランプＬＡＭＰ１の両端部に備えられているフィラメントを介して接続される始動コンデンサＣ１とカップリングコンデンサＣ２の直列回路からなり、放電ランプＬＡＭＰ１が始動コンデンサＣ１に等価的に並列に接続される。

フィードバック回路ＦＢは、電流出力端子１から流出する電流を決める電流制限抵抗Ｒ６と、電流入出力端子２に接続されたコンデンサＣ４と、放電ランプＬＡＭＰ１に流れる高周波電力を検出する検出抵抗Ｒ１からなる電力検出手段Ａ１を有し、検出抵抗Ｒ１で検出された高周波電圧を平均化し、抵抗Ｒ４とコンデンサＣ５からなる積分回路ＩＮと、直流電源Ｅ２と負極の間に直列に接続された分圧抵抗Ｒ７、Ｒ８からなる基準電力設定手段Ａ２と、分圧抵抗Ｒ８の接続点からの基準電圧が非反転入力端子に接続され、積分回路ＩＮ及び制御回路ＩＣ２の電流出力端子１に直列に接続された抵抗Ｒ５、ダイオードＤ１、コンデンサＣ３が反転入力端子に接続され、積分回路ＩＮの出力電圧を基準電圧に等しくなるようにするオペアンプＩＣ１からなる誤差増幅器ＥＡから構成される。

制御回路ＩＣ２の発振周波数の下限周波数を定めてＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２のスイッチング周波数の下限周波数を設定する下限周波数設定手段Ａ３は、電流制限抵抗Ｒ６、Ｒ９からなる。
また、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２のスイッチング周波数の下限周波数を変更して全光点灯から調光点灯へ切り換える調光手段Ｂ１は、センサ挙動パターン書換手段スイッチ素子であるトランジスタＱ４と、トランジスタＱ４のベースに抵抗Ｒ１０を介して接続され、調光信号を入力する調光信号入力端子Ｔ１から構成される。
なお、この実施の形態において、調光信号入力端子Ｔ１に入力される信号は、全光時はＬＯＷ信号、調光時はＨＩＧＨ信号であるが、調光信号入力端子Ｔ１に入力される信号を反転する反転回路を備えて、全光時をＨＩＧＨ信号、調光時をＬＯＷ信号としてもよい。
また、この調光信号は自動または手動の入力手段により入力される。

図２において、放電灯点灯装置１１が照明器具の器具筐体１２に搭載され、ランプ１３がセード１４で密閉されている。

次に、動作について図１、図３、図４により説明する。
図３は放電灯点灯装置の共振曲線図、図４は共振曲線と調光動作の説明図である。

直流電源Ｅ１により制御回路ＩＣ２が発振を開始し（直流電源Ｅ１との接続は図示せず）、制御回路ＩＣ２のピン６からのＭＯＳ−ＦＥＴＱ１のゲートに電圧が印加されＯＮとなり、ピン４から電圧がＭＯＳ−ＦＥＴＱ２に印加され、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１とＭＯＳ−ＦＥＴＱ２が交互にオン／オフ動作をし、インバータ回路ＩＶが高周波で発振する。

これにより、インバータ回路ＩＶは、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１がＯＮのときは、直流電源Ｅ１、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、バラストチョークＬ１、フィラメントＦ１、始動コンデンサＣ１、フィラメントＦ２、カップリングコンデンサＣ２、検出抵抗Ｒ１、直流電源Ｅ１の閉ループで、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２がＯＮのときは、カップリングコンデンサＣ２、フィラメントＦ２、始動コンデンサＣ１、フィラメントＦ１、バラストチョークＬ１、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ２、カップリングコンデンサＣ２の閉ループで負荷回路ＬＡＣに電流が交互に流れ、カップリングコンデンサＣ２、フィラメントＦ２、始動コンデンサＣ１、フィラメントＦ１、バラストチョークＬ１の直列回路に高周波電流が流れる。

そして、バラストチョークＬ１と始動コンデンサＣ１のＬＣ直列共振によって始動コンデンサＣ１に高周波高電圧が生じ、この高周波高電圧が放電ランプＬＡＭＰ１の両端に印加され、放電を開始して放電ランプＬＡＭＰ１が点灯する。
このときの、共振による発振周波数と共振電圧の関係及び放電ランプＬＡＭＰ１の始動と点灯の関係は図３に示すように、発振周波数ｆ１のとき、放電ランプＬＡＭＰ１は予熱・始動カーブ上で動作し、放電ランプＬＡＭＰ１のフィラメントが予熱される。その後、発振周波数を下げて共振電圧が上昇すると周波数ｆ２で放電ランプＬＡＭＰ１が始動、点灯し、動作電圧が点灯時の共振カーブに移動する。ｆ３は調光周波数である。

一方、このとき、検出抵抗Ｒ１に生じた高周波電圧がフィードバック回路ＦＢの積分回路ＩＮによって平均化され、この直流電圧が誤差増幅器ＥＡのオペアンプＩＣ１の反転入力端子に入力されている。ところで、制御回路ＩＣ２の発振周波数はコンデンサＣ４の容量値と、制御回路ＩＣ２の電流出力端子１から抵抗Ｒ６、Ｒ９とＲ５に流出する電流値で決定され、この電流値が大きいほど発振周波数が高い。そして、オペアンプＩＣ１の出力電圧の変化に応じて電流出力端子１から抵抗Ｒ５に流れる電流が変化することにより、制御回路ＩＣ２の発振周波数が制御される。

従って、制御回路ＩＣ２の発振周波数の制御は、積分回路ＩＮの出力電圧が、オペアンプＩＣ１の非反転入力端子の基準電圧に等しくなるように、オペアンプＩＣ１の出力電圧が制御されることにより行われる。この結果、検出抵抗Ｒ１を流れる高周波電流の平均値、すなわち、放電ランプＬＡＭＰ１で消費される負荷電力が一定に保たれる。

また、図２で示したような照明器具では、一般的にランプ周囲温度が高いためランプ１３の温度が高くなる傾向がありランプ電圧が下がるので、全光点灯時は下限周波数で点灯しており、段調光を行うときは、調光信号入力端子Ｔ１に調光信号が入力するとトランジスタＱ４がオンとなり、図４に示すように、周波数を高くして、共振電力を低くして行う。

次に、段調光について図５〜７により詳しく説明する。
図５はこの発明の放電灯点灯装置の動作及び従来動作を説明する動作説明図であり、図５（ａ）は従来例の放電灯点灯装置の動作特性図、図５（ｂ）は実施の形態１の放電灯点灯装置の動作特性図、図６は温度とランプ電圧との関係図である。
図５は全光点灯と調光点灯についての周波数ｆとランプ電力Ｗの関係を示しており、全光点灯のランプ電力目標と周波数範囲に対して、調光点灯時のランプ電力目標は低く、周波数範囲は高く設定されている。また、ランプ点灯直後は黒丸、ランプ温度上昇後は白丸で示している。

従来の段調光では、スイッチ素子であるトランジスタをオンさせることにより、オペアンプＩＣ１の非反転入力端子に印加させる基準電圧を低下させ、オペアンプＩＣ１の反転入力端子に印加される高周波電力が下がるように発振周波数を上昇させ調光させていた。
従って、図５（ａ）に示すように、全光点灯時においては、点灯直後は全光点灯のランプ電力目標であるランプ電力で点灯するように下限周波数から上限周波数の範囲でＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２をスイッチングしており、通常、図５（ａ）の全光点灯周波数動作範囲で点灯している。
照明器具、特にランプをセードで覆う照明器具に組み込んだ状態でランプを継続的に点灯していると点灯時のランプの発熱などによってランプの周囲温度が上昇する。ランプの周囲温度が上昇するとランプ電圧が低下する傾向があり、ランプ電力を全光点灯のランプ電力目標にするためにＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２のスイッチング周波数を下げてランプ電流を増加させ、ランプ電力を電力一定制御する。ところが下限周波数が設定されているため下限周波数までは電力一定制御ができるが、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２のスイッチング周波数が下限周波数まで達するとその周波数を維持してしまい、ランプ電流を増加させることができなくなる。そのため、ランプの周囲温度の上昇に伴ってランプ電圧が低下し、結果的に全光点灯のランプ電力目標よりも低いランプ電力となっている。（図の白丸）

一方、調光点灯時は、全光点灯のランプ電力目標より低い調光点灯のランプ電力目標とする電力一定制御が動作しており、全光点灯時と比べ周波数が高く、ランプ電流が少ない。そのため、ランプの周囲温度が上昇に応じてランプ電圧が低下しても、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２のスイッチング周波数を下げてランプ電流を上げることができ、また下限周波数まで達することがないので、常に電力一定制御で動作してランプの周囲温度により調光点灯のランプ電力目標よりもランプ電力が低くなることがない。
従って、全光点灯時のみ全光点灯のランプ電力目標よりもランプ電力が低下し、調光点灯時での調光点灯のランプ電力目標よりもランプ電力は低下しないため、調光率が小さくなってしまう。

この発明の放電灯点灯装置では、調光手段Ｂ１でランプ電力基準値を可変せずに、電流制限抵抗Ｒ９と負極間に接続されたトランジスタＱ４により、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２のスイッチング周波数の下限周波数を可変させることにより調光させる。従って、オペアンプＩＣ１の非反転入力端子のランプ電力基準値は、全光、調光に係わらず可変しない。

全光点灯時においては、トランジスタＱ４はオフとし、全光点灯時の第一の周波数である全光下限周波数は図５（ａ）に示す従来の下限周波数と略同等に設定しており、また、ランプ電力基準値は、図５（ａ）に示す従来の全光点灯のランプ電力目標と略同等に設定している。

このとき、ランプの点灯直後は全光点灯のランプ電力基準値であるランプ電力で点灯するように全光下限周波数から上限周波数の範囲でＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２をスイッチングしており、通常、図５（ｂ）の全光点灯周波数動作範囲で点灯している。
ランプの周囲温度が上昇するとランプ電圧が低下する傾向があり（図６）、ランプ電力をランプ電力基準値にするためにＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２のスイッチング周波数を下げてランプ電流を増加させ、ランプ電力を電力一定制御する。ところが全光下限周波数が設定されているため全光下限周波数までは電力一定制御ができるが、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２のスイッチング周波数が全光下限周波数まで達するとその周波数を維持してしまい、ランプ電流を増加させることができなくなる。そのため、ランプの周囲温度の上昇に伴ってランプ電圧が低下し、ランプ電力基準値よりも低いランプ電力でランプが点灯する（図の白丸）。

一方、調光点灯時は、トランジスタＱ４をオンとすることにより、抵抗Ｒ６、Ｒ９の合成抵抗に流れる制御回路ＩＣ２の１ピンの電流が増加して第二の周波数である調光下限周波数が決定し、全光点灯時の全光下限周波数より高い周波数となる。周波数が高くなるとランプ電流が抑制されるため、全光点灯より低いランプ電力となる。
そして、調光点灯時は、ランプ電力基準値にするためにＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２のスイッチング周波数を下げてランプ電流を増加させようとするが、調光下限周波数が全光下限周波数より高い周波数に設定されているため、調光下限周波数より低くならず、調光下限周波数でＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２をスイッチングさせる。
そのため、調光点灯時はＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２のスイッチング周波数に応じたランプ電力で点灯し、ランプ点灯直後に調光点灯するときはランプ電力が高く（図の黒丸）、ランプなどの発熱によってランプの周囲温度が上昇するとランプ電力が低くなる（図の白丸）。なお、ランプ電力基準値は全光での設定のままであるため、全光以上のランプ電力になることはない。

次に、調光点灯時に放電ランプＬＡＭＰ１が寿命末期になったときについて図７により説明する。
図７はこの発明の放電灯点灯装置の調光点灯時に放電ランプＬＡＭＰ１が寿命末期になったときの動作説明図である。
全光点灯時に、放電ランプＬＡＭＰ１が正常のときはランプ電力基準値で点灯し（図の黒丸）、ランプの周囲温度が上昇してランプ電圧が低下すると、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２のスイッチング周波数が全光下限周波数に達すると周波数が下がらなくなりランプ電力Ｗは低下する（図の白丸）。そして、放電ランプＬＡＭＰ１が寿命末期になったときは、ランプ電流が増加若しくはランプ電圧が高くなるなどにより、ランプ電力Ｗが高くなるため、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２のスイッチング周波数は上昇してランプ電力をランプ電力基準値とするように電力一定制御で動作するので（図の黒四角）、ランプ電力基準値以上とはならず、放電ランプＬＡＭＰ１に過大な電力が印加されることはない。

また、調光点灯時に、放電ランプＬＡＭＰ１が正常のときは、トランジスタＱ４をオンとすることにより、全光点灯時の全光下限周波数より高い調光下限周波数となり、全光点灯より低いランプ電力で点灯する。
そして、ランプの周囲温度が上昇してランプ電圧が低下するとランプ電力が低下する（図の白丸）。そして、放電ランプＬＡＭＰ１が寿命末期になったときは、ランプ電圧Ｗが高くなり、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ１、Ｑ２のスイッチング周波数は上昇してランプ電力をランプ電力基準値とするように電力一定制御で動作する。
そのため、全光点灯時と同等の電力一定制御が働くのでランプ電力基準値以上とはならず、放電ランプＬＡＭＰ１が寿命末期となっても過大な電力が印加されることはない。
なお、放電ランプＬＡＭＰ１が初めから寿命末期のときも同様である。

以上のように、全光下限周波数と調光下限周波数を設定することにより、調光時もランプの周囲温度の影響を受けてランプ電圧が低下し、ランプ電力が低下するようにしたので、全光時と調光時の明るさの差を大きくすることができる。
また、ランプが寿命末期時でもランプが過電力とならないようにすることができる。

この発明の実施の形態１に係わる放電灯点灯装置の回路図である。 この発明の実施の形態１に係わる放電灯点灯装置を搭載した照明器具の構成図である。 この発明の実施の形態１に係わる放電灯点灯装置の共振曲線図である。 この発明の実施の形態１に係わる放電灯点灯装置の共振曲線と調光動作の説明図である。 この発明の実施の形態１に係わる放電灯点灯装置の動作及び従来動作を説明する動作説明図である。 この発明の実施の形態１に係わる放電灯点灯装置の温度とランプ電圧との関係図である。 この発明の実施の形態１に係わる放電灯点灯装置の調光点灯時に放電ランプが寿命末期になったときの動作説明図である。

符号の説明

Ａ１ 電力検出手段、Ａ２ 基準電力設定手段、Ａ３ 下限周波数設定手段、Ｂ１ 調光手段、Ｅ１ 直流電源、ＥＡ 誤差増幅器、ＦＢ フィードバック回路、ＩＣ１ オペアンプ、ＩＣ２ 制御回路、ＩＶ インバータ回路、ＬＡＣ 負荷回路、ＬＡＭＰ１ 放電ランプ、Ｑ１、Ｑ２ スイッチング素子、Ｑ４ トランジスタ、Ｒ１ 検出抵抗、Ｒ６、Ｒ９ 電流制限抵抗、Ｒ７、Ｒ８ 分圧抵抗。

Claims (3)

1. 直流電源と、
   この直流電源から供給される電圧を、制御回路の高周波信号によりスイッチング素子をオン／オフして高周波電力に変換するインバータ回路と、
   このインバータ回路からの高周波電力で点灯する放電ランプのランプ電力を検出し、検出される前記ランプ電力を予め設定される基準値に近づけるように制御するフィードバック回路と、
   前記制御回路からの前記高周波信号の周波数の下限となる下限周波数を、予め設定される周波数と、外部からの調光信号に応じて前記設定される周波数より高い周波数とに切り換える調光手段と、
   を備えたことを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 前記放電ランプが寿命末期のとき、前記ランプ電力を前記予め設定される基準値以下にすることを特徴とする請求項１に記載の放電灯点灯装置。
3. 請求項１または２記載の放電灯点灯装置を搭載したランプ密閉構造の照明器具。
   

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