JP2007200721A - 放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents
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Abstract
【課題】 互いに並列に接続された放電灯の一方が点灯しない場合に回路にかかる負荷を低減することができる放電灯点灯装置及び照明器具を提供する。
【解決手段】 それぞれ一端が高周波電源の一方の出力端に電気的に接続され他端が互いに異なる放電灯Laを介して高周波電源の他方の出力端に電気的に接続されるとともに互いに磁気的に結合された2本の巻線を有するバランサTを備える。バランサTの各巻線において、それぞれ放電灯Laに接続される一端同士をストレス低減コンデンサC3を介して互いに電気的に接続した。ストレス低減コンデンサC3を設けない場合に比べ、放電灯の一方が点灯しない場合に回路にかかる負荷を低減することができる。
【選択図】図1
【解決手段】 それぞれ一端が高周波電源の一方の出力端に電気的に接続され他端が互いに異なる放電灯Laを介して高周波電源の他方の出力端に電気的に接続されるとともに互いに磁気的に結合された2本の巻線を有するバランサTを備える。バランサTの各巻線において、それぞれ放電灯Laに接続される一端同士をストレス低減コンデンサC3を介して互いに電気的に接続した。ストレス低減コンデンサC3を設けない場合に比べ、放電灯の一方が点灯しない場合に回路にかかる負荷を低減することができる。
【選択図】図1
Description
本発明は、互いに並列に接続された2個の放電灯を点灯する放電灯点灯装置及び照明器具に関するものである。
従来から、交流電力を出力する電源部を備え、電源部の出力端間に互いに並列に接続された複数個の放電灯を同時に点灯させる放電灯点灯装置が提供されている(例えば、特許文献1参照)。ここで、単に放電灯を互いに並列に接続した場合、放電灯間で特性によって供給される電力にばらつきが生じるために放電灯間で光出力(すなわち輝度)がばらついてしまう。特に、調光点灯時には、光出力を小さくするほど上記の輝度の差が比率として大きくなるために目立つという問題がある。また、放電灯の始動時に、一部の放電灯のみが点灯してしまった場合、点灯した放電灯のインピーダンスが低下するために、点灯しなかった放電灯は十分な電圧が供給されず点灯できなくなることがある。
上記の問題を解決する方法として、互いに磁気的に結合された2個の巻線を有するバランサを用いるという方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。この種の放電灯点灯装置として、例えば図10に示すものがある。この放電灯点灯装置は、周知のハーフブリッジ型のインバータ回路からバランサTを介して2本の放電灯Laにそれぞれ高周波の交流電力を供給して点灯させるものである。
図10の放電灯点灯装置について詳しく説明する。この放電灯点灯装置は、直流電源DCの出力端間に接続された2個のスイッチング素子Q1,Q2の直列回路と、上記2個のスイッチング素子Q1,Q2の一方(図10の例では低電圧側のスイッチング素子Q2)の両端間に接続されたバラストチョークL1と共振用コンデンサC1との直列回路と、上記2個のスイッチング素子Q1,Q2を交互にオンオフすることにより共振用コンデンサC1の両端間に交流電力を生じさせる駆動制御部1とを備える。また、バランサTの各巻線は、それぞれ一端がバラストチョークL1と共振用コンデンサC1との接続点に直流カット用コンデンサC2を介して接続されている。バランサTの各巻線の他端は、互いに異なる放電灯Laを介してそれぞれ低電圧側のスイッチング素子Q1の低電圧側の端子に接続されている。
バランサTは例えば、図11に示すように、筒形状であって各巻線N1,N2がそれぞれ周方向に巻回される巻回部B1並びに巻回部B1の軸方向(図11の左右方向)の両端にそれぞれ巻回部B1の径方向に突設された鍔部B2を有する絶縁材料からなるボビンBと、中足がボビンBの巻回部B1に挿入されたE型コアECと、E型コアとともに日の字形状の閉磁路を構成するI型コアICと、E型コアECとI型コアICとの間に介装されたギャップ紙Gpとを備える。
駆動制御部1は、外部から入力される制御信号に応じて、スイッチング素子Q1,Q2をオンオフする周波数(以下、「動作周波数」と呼ぶ。)を増減させることにより各放電灯Laにそれぞれ供給される電力を増減させる。すなわち、スイッチング素子Q1,Q2とバラストチョークL1と共振用コンデンサC1と直流カット用コンデンサC2と駆動制御部1とで請求項における電源部が構成されているのであり、駆動制御部1は請求項における制御部でもある。また、動作周波数は請求項における電源部の出力の周波数となる。さらに、各放電灯Laにおいて、一方のフィラメントの一端がバランサTに接続され、他方のフィラメントの一端が低電圧側のスイッチング素子Q1の低電圧側の端子に接続され、各フィラメントの他端間には予熱用コンデンサ(図示せず)が接続されている。
ここで、放電灯Laのフィラメント間の電圧と動作周波数との関係を示す特性曲線を図12に示す。図12において、曲線aは各放電灯Laがいずれも点灯していない状態を示し、曲線bは各放電灯Laがともに点灯した状態を示す。また、frは曲線aの状態についてスイッチング素子Q2の両端間に接続された回路の共振周波数を示している。
放電灯Laを始動する際には、駆動制御部1は、まず、所定の予熱期間にわたり、動作周波数を、バラストチョークL1と共振用コンデンサC1とからなるLC直列共振回路の共振周波数よりも高い周波数であって、共振用コンデンサC1の両端間に出力される電力が放電灯Laの予熱に充分な電力となり且つ放電灯Laのフィラメント間の電圧Vyが放電灯Laを始動(いわゆるコールドスタート)させない程度とするような予熱周波数fyとする。予熱期間の終了後、駆動制御部1は、動作周波数を低下させ、放電灯Laのフィラメント間にかかる電圧が放電灯Laが始動する電圧Vsとなるような始動周波数fsとする。すると、各放電灯Laがそれぞれ始動して各放電灯Laのインピーダンスがそれぞれ低下することにより特性曲線は図12の曲線bとなる。その後は、駆動制御部1は、調光比の変更を指示する制御信号が入力される都度、入力された制御信号に応じて動作周波数を変更して放電灯Laに供給される電力を変更することにより放電灯Laの光出力を変更する。この際、動作周波数は放電灯Laを含めてスイッチング素子Q2の両端間に接続された回路全体での共振周波数よりも高い範囲内とされており、従って動作周波数を高くするほど光出力が連続的に低くなる。動作周波数がとりうる上限値は、例えば各放電灯Laにそれぞれ点灯維持可能な最低限の電力が供給されるときの動作周波数とする。
上記従来例においては、バランサTにより、各放電灯Laに供給される電力が互いに略等しくなり、従って放電灯La間の光出力の差が小さくなっている。また、放電灯Laの始動時に一方の放電灯Laのみが点灯した場合であっても、バランサTの巻線のうち点灯した放電灯Laに接続された巻線に流れる電流により、点灯しなかった放電灯Laに接続された巻線に電流が誘導されるから、点灯しなかった放電灯Laにも十分な電力を供給して始動させることができる。
特許第3291852号公報
ところで、一方の放電灯Laが寿命末期など点灯しない異常状態となった場合には、正常な放電灯Laの点灯後に、スイッチング素子Q2の両端間の回路は図13に示すようになり、上記回路は各放電灯Laがともに消灯している曲線aの状態と各放電灯Laがともに点灯している曲線bの状態とのどちらとも異なる特性を示す。一方の放電灯Laのみが点灯した状態における点灯しなかった放電灯Laの両端間に加わる電圧を図12に曲線cで示す。また、fr’は曲線cの状態についてスイッチング素子Q2の両端間に接続された回路の共振周波数を示している。図12を見てもわかるように、一方の放電灯Laのみが点灯した状態では、点灯しなかった放電灯Laの両端間にかかる電圧は、各放電灯Laがいずれも点灯していない場合に比べて高くなっている。すなわち、点灯しなかった放電灯Laの両端間には、放電灯Laの始動に本来必要な電圧以上の高い電圧が加わっている。
ここで、バランサTによる上記効果を充分に得るためには、バランサTの相互インダクタンスを高く、すなわち、バランサTの各巻線の自己インダクタンスを高くする必要がある。しかし、上記のように一方の放電灯Laが寿命末期など点灯しない異常状態となった場合に、正常な放電灯Laの点灯後に異常な放電灯Laのフィラメント間にかかる電圧Vs’は、バランサTの各巻線の自己インダクタンスが高いほど高くなる。このため、放電灯La間の光出力の差を小さくするためにバランサTの各巻線の自己インダクタンスを高くすると、その分、上記電圧Vs’に応じた電圧が加わる回路部品(例えば放電灯Laのフィラメント間に予熱用コンデンサを接続する場合には予熱用コンデンサ)としてより耐圧の高い高価な部品を用いる必要が生じ、製造コストが高くなっていた。
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、互いに並列に接続された放電灯の一方が点灯しない場合に回路にかかる負荷を低減することができる放電灯点灯装置及び照明器具を提供することにある。
請求項1の発明は、交流電力を出力する電源部と、それぞれ一端が電源部の一方の出力端に電気的に接続され他端が互いに異なる放電灯を介して電源部の他方の出力端に電気的に接続されるとともに互いに磁気的に結合された2本の巻線を有するバランサと、電源部の出力の周波数を変動させることにより放電灯の光出力を制御する制御部とを備える放電灯点灯装置であって、バランサの各巻線においてそれぞれ放電灯に接続される一端同士をインピーダンス要素を介して互いに電気的に接続したことを特徴とする。
この発明によれば、インピーダンス要素を設けない場合に比べ、放電灯の一方が点灯しない場合に回路にかかる負荷を低減することができる。
請求項2の発明は、請求項1の発明において、バランサの各巻線のインダクタンス値をそれぞれ5.0mH以上としたことを特徴とする。
この発明によれば、バランサの各巻線のインダクタンス値をそれぞれ5.0mH未満とする場合に比べ、放電灯間での光出力の差を小さくすることができる。
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2の発明において、バランサの各巻線において電源部の出力端に直接接続される一端同士を短絡した状態でのバランサとインピーダンス要素とで構成される共振回路の共振周波数を、放電灯始動時の電源部の出力の周波数の1.5倍以下としたことを特徴とする。
この発明によれば、上記共振周波数を放電灯始動時の電源部の出力の周波数の1.5倍よりも大きくする場合に比べ、一方の放電灯のみが点灯したときに他方の放電灯の両端間に加わる電圧を小さくすることができる。
請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれかの発明において、バランサの各巻線において電源部の出力端に直接接続される一端同士を短絡した状態でのバランサとインピーダンス要素とで構成される共振回路の共振周波数を、電源部の出力の周波数の上限値の0.8倍よりも大きくしたことを特徴とする。
この発明によれば、上記共振周波数を電源部の出力の周波数の上限値の0.8倍以下とする場合に比べ、電源部の出力の周波数を上限値としたときの放電灯間での光出力の差を小さくすることができる。
請求項5の発明は、請求項1〜4のいずれか記載の放電灯点灯装置と、放電灯点灯装置に電気的に接続されるとともに放電灯が機械的且つ電気的に接続されるソケットを有し放電灯点灯装置を収納する器具本体とを備えることを特徴とする。
バランサの各巻線においてそれぞれ放電灯に接続される一端同士をインピーダンス要素を介して互いに電気的に接続したので、インピーダンス要素を設けない場合に比べ、放電灯の一方が点灯しない場合に回路にかかる負荷を低減することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態は、図1に示すように、背景技術において説明した図10の従来例のバランサTの各巻線において放電灯Laに接続される端部同士をインピーダンス要素としてのストレス低減コンデンサC3を介して接続したものであり、その他の部分については図10の従来例と共通であるので、共通する部分については同じ符号を付して図示並びに説明を省略する。
本発明者は、放電灯Laが長さ4ft(約120cm)の直管型蛍光灯(FHF32)であって周囲温度が0℃であるときに放電灯Laの光出力を定格点灯時の5%以下としたときのバランサTの各巻線の自己インダクタンス(以下、「バランサインダクタンス」という。)と、輝度差率との関係を、バランサTの各巻線の巻数をそれぞれ変更しつつ各放電灯Laの輝度をそれぞれ測定することにより調べた。ここで、輝度差率とは、2個の放電灯Laのうち輝度が高いものの輝度と2個の放電灯Laの平均輝度との差を、2個の放電灯Laの平均輝度で除した数値(すなわち、2個の放電灯Laの輝度の差を、2個の放電灯Laの輝度の和で除した数値)に100を乗じた数値である。結果を図2に示す。図2を見ても分かる通り、全体としてバランサインダクタンスが高いほど輝度差率は低くなるが、バランサインダクタンスが5mH以下ではその低下率が大きくなっている。この結果に基き、本実施形態では、バランサTの各巻線の自己インダクタンスをそれぞれ5mH以上としている。これにより、バランサTの各巻線の自己インダクタンスをそれぞれ5mH未満とする場合に比べ、放電灯La間の光出力の差が小さくなっている。バランサインダクタンスに関わる設計要素としては、バランサTの各巻線の巻数の他に、図11の構造のバランサTであればギャップ紙Gpの厚さ寸法(すなわち、E型コアECとI型コアICとの間の距離)もある。
また、本発明者は、図1の回路において放電灯Laが取り付けられるソケットのうち一方にのみ放電灯Laを接続し他方には放電灯Laのフィラメントを模した抵抗(以下、「模擬フィラメント」と呼ぶ。)のみを接続し、一方の放電灯Laが点灯しない状態を模した回路について、後述する均衡部共振周波数f0の始動周波数fsに対する比と、動作周波数を始動周波数fsとして放電灯Laを点灯させたときに模擬フィラメント間に生じる電圧(以下、「ストレス電圧」と呼ぶ。)との関係を測定によって調べた。前者を横軸にとり、後者を縦軸にとったグラフを図3に示す。
なお、均衡部共振周波数f0とは、バランサTの各巻線において放電灯Laから離れた側の一端間を短絡した状態で、バランサTの各巻線の他端間(すなわちストレス低減コンデンサC3の両端間)においてインピーダンスアナライザを用いて測定された共振周波数を指す。つまり、均衡部共振周波数f0とは、バランサTの各巻線の直列回路とストレス低減コンデンサC3との並列回路の共振周波数であり、均衡部共振周波数f0にはバランサTの巻線間の寄生容量も関係する。また、始動周波数fsは全ての測定点で一定とし、ストレス低減コンデンサC3の容量値を変更することにより均衡部共振周波数f0を変更している。
図3を見ても分かるように、均衡部共振周波数f0の始動周波数fsに対する比f0/fsが約1.5よりも低い点では明らかにストレス電圧が低くなっている。逆に、上記の比f0/fsが1.8以上ではストレス電圧が1000V近く又は1000V以上と、放電灯Laの始動に必要な電圧値以上に高くなっており、この場合は例えば放電灯Laのフィラメント間に予熱用コンデンサを接続する場合に予熱用コンデンサとして耐圧の高い比較的に高価なコンデンサを用いる必要が生じてしまう。この結果に基き、本実施形態では均衡部共振周波数f0の始動周波数fsに対する比f0/fsを1.5以下としている。例えば、始動周波数fsが70kHzの場合、均衡部共振周波数f0は105kHz以下とすればよいが、これはバランサインダクタンスが5mHであってバランサTの巻線間の寄生容量が24pFであればストレス低減コンデンサC3の容量値を約100pF以上とすることにより達成することができる。
ここで、放電灯Laが点灯しなかったときのスイッチング素子Q1の両端間の回路は、従来例では図13のようになったのに対し、本実施形態では図4のようになる。これにより、従来例に比べて一方の放電灯Laが点灯しなかったときの回路の特性が異なっている。本実施形態において、一方の放電灯Laのみが点灯した状態における点灯しなかった放電灯Laの両端間に加わる電圧(すなわち、始動周波数fsではストレス電圧)と動作周波数との関係を示す曲線dを、図12に書き加えたものを図5に示す。fr’’は、曲線dの状態についてスイッチング素子Q2の両端間に接続された回路の共振周波数を示している。図5を見てもわかるように、曲線cの状態でのストレス電圧Vs’よりも、ストレス低減コンデンサC3が追加された曲線dの状態でのストレス電圧Vs’’のほうが低減されている。
さらに、本発明者は、動作周波数の上限値(以下、「最高動作周波数」と呼ぶ。)fmaxに対する均衡部共振周波数f0の比f0/fmaxを、0.6,0.8,2.0と互いに異ならせた3通りの場合について、それぞれ放電灯Laのフィラメント間に流れる電流(以下、「放電灯電流」と呼ぶ。)と輝度差率との関係を調べた。前者を横軸にとり、後者を縦軸にとったグラフを図6に示す。なお、上記3通りの場合の全てで最高動作周波数fmaxは一定としており、ストレス低減コンデンサC3の容量値を変更して均衡部共振周波数f0を変更することにより上記の比f0/fmaxを変更している。図6において曲線eは上記の比f0/fmaxが0.6である場合を示し、曲線fは上記の比f0/fmaxが0.8である場合を示し、曲線gは上記の比f0/fmaxが2.0である場合を示す。因みに、本実施形態で用いられるFHF32の場合、放電灯電流が20mAであるときの光出力は定格点灯時の約5%となる。図6を見ても分かるように、放電灯電流が最小であるとき、すなわち動作周波数が最高動作周波数fmaxであるときの輝度差率は、最高動作周波数fmaxに対する均衡部共振周波数f0の比f0/fmaxが0.6であるときには25%を超えているのに対し、0.8であるときには15%以下と急激に低下している。この結果に基き、本実施形態では、最高動作周波数fmaxに対する均衡部共振周波数f0の比f0/fmaxを0.8よりも大きくしている。例えば、最高動作周波数fmaxが100kHzの場合、均衡部共振周波数f0は80kHzよりも大きくすればよいが、これはバランサインダクタンスが5mHであってバランサTの巻線間の寄生容量が24pFであればストレス低減コンデンサC3の容量値を約174pF未満とすることにより達成することができる。これにより、本実施形態では、最高動作周波数fmaxに対する均衡部共振周波数f0の比f0/fmaxを0.8以下とする場合に比べ、放電灯間の光出力(輝度)の差が小さくなっている。
また、動作周波数が均衡部共振周波数f0となったときにはバランサTによる放電灯La間の光出力の差を小さくする効果が薄れるので、動作周波数が取り得る範囲に均衡部共振周波数f0が含まれないように、均衡部共振周波数f0は例えば最高動作周波数fmaxよりも高くすることが望ましい。
上記構成によれば、ストレス低減コンデンサC3を設けるとともに、均衡部共振周波数f0の始動周波数fsに対する比f0/fsを1.5以下としたことにより、ストレス低減コンデンサC3を設けない場合や上記の比f0/fsを1.5よりも大きくする場合に比べ、一方の放電灯Laのみしか点灯しない場合に他方の放電灯Laのフィラメント間にかかるストレス電圧が低減されることにより、ストレス電圧に応じた電圧が加わる回路部品への電気的負荷が低減される。従って、例えば放電灯Laのフィラメント間に予熱用コンデンサを接続する場合であっても、予熱用コンデンサとして耐圧の低い安価なものを用いて製造コストを低減することができる。
なお、図7に示すように、直流カット用コンデンサC2に代え、それぞれ直流カット用コンデンサC2の容量値の2分の1の容量値を有する直流カット用コンデンサC2a,C2bを、バランサTの各巻線と放電灯Laとの間にそれぞれ接続してもよい。また、各直流カット用コンデンサC2a,C2bの容量値はいずれもストレス低減コンデンサC3の容量値に比べて充分に大きくなるので、ストレス低減コンデンサC3は、図7のように直流カット用コンデンサC2a,C2bよりもバランサT側に接続してもよいし、図8のように直流カット用コンデンサC2a,C2bよりも放電灯La側に接続してもよい。
また、電源部については、交流電力を出力する回路であれば、本実施形態のようなハーフブリッジ型のインバータ回路に限られず、例えばフルブリッジ型や一石電圧共振型などの他の周知のインバータ回路を用いてもよい。
さらに、バランサTの巻線の一端間に接続するインピーダンス要素としては、ストレス低減コンデンサC3のようなコンデンサに代えて抵抗やインダクタを用いても効果はあるが、コンデンサを用いることが望ましい。
本実施形態は、例えば図9に示すように、直管型の放電灯Laの端子がそれぞれ接続される2組計4個のソケットSを有し天井面に固定される器具本体Hに収納されて照明器具を構成する。この照明器具は一般的な2灯用富士山形照明器具であって、ソケットSには2本の放電灯Laが放電灯Laの径方向であって天井面に沿った方向に並べて取り付けられる。器具本体Hは、放電灯Laの長さ方向に直交する断面での断面積が頂点を下向きとする二等辺三角形となるような三角柱形状である。器具本体Hの下向きの各面はそれぞれ例えば白色に塗装されるとともに放電灯Laに向けられており、放電等Laの光を配光する。
1 駆動制御部
C3 ストレス低減コンデンサ
H 器具本体
La 放電灯
S ソケット
T バランサ
C3 ストレス低減コンデンサ
H 器具本体
La 放電灯
S ソケット
T バランサ
Claims (5)
- 交流電力を出力する電源部と、それぞれ一端が電源部の一方の出力端に電気的に接続され他端が互いに異なる放電灯を介して電源部の他方の出力端に電気的に接続されるとともに互いに磁気的に結合された2本の巻線を有するバランサと、電源部の出力の周波数を変動させることにより放電灯の光出力を制御する制御部とを備える放電灯点灯装置であって、
バランサの各巻線においてそれぞれ放電灯に接続される一端同士をインピーダンス要素を介して互いに電気的に接続したことを特徴とする放電灯点灯装置。 - バランサの各巻線のインダクタンス値をそれぞれ5.0mH以上としたことを特徴とする請求項1記載の放電灯点灯装置。
- バランサの各巻線において電源部の出力端に直接接続される一端同士を短絡した状態でのバランサとインピーダンス要素とで構成される共振回路の共振周波数を、放電灯始動時の電源部の出力の周波数の1.5倍以下としたことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の放電灯点灯装置。
- バランサの各巻線において電源部の出力端に直接接続される一端同士を短絡した状態でのバランサとインピーダンス要素とで構成される共振回路の共振周波数を、電源部の出力の周波数の上限値の0.8倍よりも大きくしたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか記載の放電灯点灯装置。
- 請求項1〜4のいずれか記載の放電灯点灯装置と、放電灯点灯装置に電気的に接続されるとともに放電灯が機械的且つ電気的に接続されるソケットを有し放電灯点灯装置を収納する器具本体とを備えることを特徴とする照明器具。
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