JP2008053099A - 高圧放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】発光管に含まれるガス成分の違いや発光管の形状違い等の接続される負荷違いに対して、放電灯点灯装置から出力する電力を複数の放電灯のそれぞれにおいて最適制御する。
【解決手段】高圧放電灯の定格ランプ電圧範囲及び定格ランプ電圧範囲よりも低いランプ電圧範囲に対してランプ電圧−ランプ電力のデータテーブルである出力電力特性Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を複数通り備え、高圧放電灯を始動させる際は所定の電力を出力させ、アーク放電移行後の最小ランプ電圧Ｖｍｉｎを検出する最小ランプ電圧検出手段を備え、検出された最小ランプ電圧Ｖｍｉｎが予め設定された複数の電圧範囲Ａ，Ｂ，Ｃのいずれかの範囲に入ることにより、それぞれ対応するランプ電圧−ランプ電力のデータテーブルＷ１、Ｗ２、Ｗ３を選択する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプなどの高輝度高圧放電灯（ＨＩＤランプ）を点灯させる高圧放電灯点灯装置及びこれを用いた照明器具に関するものである。

従来の技術として、例えば、特許第２８７１８９１号公報（特許文献１）には、ランプを定格点灯した際のランプ電圧を安定器が記憶又は推定し、その値に応じて次回ランプ始動時のランプ電力を制御することが提案されている。しかしながら、この特許文献１の技術では、同一ランプの経年変化や再始動状態（ホット・リスタート）での電力制御を主としており、定格電力の異なるランプにおける電力制御は不可能であった。

特許文献２には、高圧放電灯のランプ電圧−ランプ電力の出力電力特性をデータテーブルとして備え、ランプ電圧が定格ランプ電圧Ｖ１から寿命末期のランプ電圧Ｖ２（＞Ｖ１）までの範囲は定電力制御とし、ランプ電圧がＶ２を越えると定電力制御よりもランプ電流が大きくなるように制御することが提案されている。この特許文献２のものは寿命末期ランプにおいても必要な照度を確保しようとするものであり、寿命初期ランプの特性の違いに対応した電力制御は不可能であった。
特許第２８７１８９１号公報 特開２００５−１９１３７号公報

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、発光管に含まれるガス成分の違いや発光管の形状違い等の接続される負荷違いに対して、放電灯点灯装置から出力する電力を複数の放電灯のそれぞれにおいて最適制御することにある。

本発明の高圧放電灯点灯装置にあっては、上記の課題を解決するために、図２に示すように、高圧放電灯の定格ランプ電圧範囲及び定格ランプ電圧範囲よりも低いランプ電圧範囲に対してランプ電圧−ランプ電力のデータテーブルである出力電力特性Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を複数通り備え、高圧放電灯を始動させる際は所定の電力を出力させ、アーク放電移行後の最小ランプ電圧Ｖｍｉｎ（または最小ランプ電圧を含んだ所定期間の最小ランプ電圧相当値）を検出する最小ランプ電圧検出手段（図４参照）を備え、検出された最小ランプ電圧Ｖｍｉｎ（または最小ランプ電圧相当値）が予め設定された複数の電圧範囲Ａ，Ｂ，Ｃ（図１参照）のいずれかの範囲に入ることにより、それぞれ対応するランプ電圧−ランプ電力のデータテーブルＷ１、Ｗ２、Ｗ３（図２参照）を選択することを特徴とするものである。

本発明によれば、高圧放電灯の発光管に含まれるガス成分の違いや発光管の形状違い等によってアーク放電移行後の最小ランプ電圧が異なることを利用し、最小ランプ電圧の検出値が予め設定された複数の電圧範囲のうちいずれの範囲に入るかに応じて出力電力特性を選択することで、複数の放電灯のそれぞれに応じて出力電力特性を最適に制御することができる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る安定器１の回路図を図３に示す。この安定器１は、直流電源回路部２と、インバータ回路部３から構成されている。インバータ回路部３は、降圧チョッパ回路４と極性反転回路５で構成されている。また、直流電源回路部２の動作を制御する直流電源制御部６と、インバータ回路部３の動作を制御するインバータ制御部７を備え、それぞれの制御部６，７に電源電圧を供給する制御電源部８を備えている。

直流電源回路部２は、交流電源１０を全波整流する整流器ＤＢ１と、インダクタＬ１とスイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１とコンデンサＣ１よりなる昇圧チョッパ回路とからなり、商用の交流電源１０からの交流入力を直流出力に変換してインバータ回路部３へ供給する。直流電源制御部６は、Ａ点に得られるコンデンサＣ１の直流電圧が所定値となるように、スイッチング素子Ｑ１のオン・オフを制御している。この直流電源制御部６としては、市販の力率改善制御用の集積回路などを用いることができる。

降圧チョッパ回路４は、スイッチング素子Ｑ２とダイオードＤ２とインダクタＬ２とコンデンサＣ２とからなり、入力電圧を降圧した直流電圧を出力する。ここで降圧チョッパ回路４の動作については一般的な技術であるので説明を省略するが、スイッチング素子Ｑ２のオン／オフを制御することで放電灯１１への供給電力を調節する安定化要素として用いられている。なお、ダイオードＤ７はスイッチング素子Ｑ２の逆並列ダイオードである。

極性反転回路５は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ６のペアとＱ４，Ｑ５のペアがインバータ制御部７からの制御信号により数十〜数百Ｈｚの低周波で交互にオンされることで、放電灯１１に矩形波交流電力を供給する。ただし、放電灯１１の始動時にはスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を高周波で交互にオン・オフさせて、インダクタＬ３とコンデンサＣ３の共振作用により昇圧された高電圧を放電灯１１に印加して絶縁破壊させる。なお、ダイオードＤ３〜Ｄ６は各スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６の逆並列ダイオードである。

インバータ制御部７はコンデンサＣ２の電圧により放電灯１１のランプ電圧Ｖｌａを検出し、また、抵抗Ｒ１によりチョッパ電流を検出することでランプ電流を検出し、ランプ電圧Ｖｌａに応じたランプ電力Ｗｌａとなるように、スイッチング素子Ｑ２を制御する。さらに、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６に制御信号を与えて、極性反転動作を制御する。

降圧チョッパ回路４の出力端電圧は、ランプ１１が始動した後はランプ１１のランプ電圧Ｖｌａとほぼ等しくなり、その出力電圧の分圧値をランプ電圧Ｖｌａの相当値としてインバータ制御部７で読込む。インバータ制御部７は読込んだ値に応じて、ランプ１１に供給するランプ電力Ｗｌａを決定し、スイッチング素子Ｑ２をＯＮ／ＯＦＦ制御することで所望のランプ電力Ｗｌａを生成する。ランプ電力Ｗｌａはインバータ制御部７に搭載された「ランプ電圧Ｖｌａに対応してランプに供給するランプ電力Ｗｌａのデータテーブル」（以下「電力カーブ」と呼ぶ）を参照して算出され決定される。

この放電灯点灯装置は、図１に示すように、ランプが始動してアーク放電に移行した後の最小ランプ電圧Ｖｍｉｎまたはその相当値である最小ランプ電圧を含む所定期間のランプ電圧を検出する機能が備わっており、それにより検出されたＶｍｉｎに対応するように、Ｖｍｉｎ検出時のランプ電圧に対して少なくとも２つ以上の電圧範囲Ａ、Ｂ、Ｃを設けている。

ランプを始動直後、安定器１は初期設定された電力カーブに沿ってランプ電圧Ｖｌａに応じたランプ電流Ｉｌａを供給する。ここで、安定器１は始動後の最小ランプ電圧相当値Ｖｍｉｎを読込む。具体的には図４に示すようにランプ始動後の降圧チョッパ回路４の出力電圧を抵抗Ｒ２〜Ｒ６とコンデンサＣ４で分圧・平滑し、インバータ制御部７に搭載された最小ランプ電圧検出ＩＣ１で読込む。始動後のランプ電圧Ｖｌａは時間の経過と共に図１に示すような変移を示し、ＩＣ１はその電圧変移から最小ランプ電圧Ｖｍｉｎを捉え、読込んでいる。これによりインバータ制御部７はランプが始動しアーク放電に移行した後の最小ランプ電圧Ｖｍｉｎを検出する。

インバータ制御部７は、検出したＶｍｉｎの値をインバータ制御部７内部の基準電圧（範囲Ａ，Ｂ，Ｃ）と比較し、その比較結果に応じて、電力カーブを選択する。

図２は本発明の安定器１に搭載した「電力カーブ」を示す。ここで本発明の特徴は、「電力カーブ」を複数持っていることにあり、図１に示すＶｍｉｎの範囲Ａ，Ｂ，Ｃと同数もしくはそれ以下の数のランプ電圧−ランプ電力のデータテーブルＷ１、Ｗ２、Ｗ３を有している。

例えば、図１の範囲Ａに入るＶｍｉｎＡが検出された場合には、その後の出力特性として図２の電力カーブＷ１を再設定する。また、図１の範囲Ｂに入るＶｍｉｎＢが検出された場合には、その後の出力特性として図２の電力カーブＷ２を再設定する。さらに、図１の範囲Ｃに入るＶｍｉｎＣが検出された場合には、その後の出力特性として図２の電力カーブＷ３を再設定する。ランプの始動直後に初期設定される出力特性はＷ１，Ｗ２，Ｗ３のいずれかでも良いし、Ｖｍｉｎ判定用の出力特性を別途設定しても良い。

高圧放電灯の場合、封入するガスの成分や発光管の形状違いなどと検出されるＶｍｉｎの値にある程度の相関がある。よって、検出されたＶｍｉｎに対して同一放電灯の製造ばらつきを考慮した程度の範囲を設定しておけば、放電灯の種類（発光管構造、色温度、ワット数の違い等）を識別可能である。

このことから、挿入された放電灯個々の特性に最適な放電灯点灯装置の出力特性を決定することができる。これにより、始動過程から安定点灯に至るまで、並びに安定点灯に移行した後に、放電灯点灯装置から供給するランプ電力を最適制御できる。

（実施形態２）
実施形態１の放電灯点灯装置において、検出されたＶｍｉｎが複数のＶｍｉｎ範囲の中で仮に最も高い範囲Ａに入った場合は、それに対応するランプ電圧−ランプ電力のデータテーブルも定格電力値の最も高いデータテーブルＷ３を選択し、放電灯点灯装置の出力を制御する。また、検出されたＶｍｉｎが中間の範囲Ｂに入った場合は、それに対応するランプ電圧−ランプ電力のデータテーブルも定格電力値が中間のデータテーブルＷ２を選択し、放電灯点灯装置の出力を制御する。さらに、検出されたＶｍｉｎが最も低い範囲Ｃに入った場合は、それに対応するランプ電圧−ランプ電力のデータテーブルも定格電力値の最も低いデータテーブルＷ１を選択し、放電灯点灯装置の出力を制御する。上記のように検出されたＶｍｉｎ範囲の大小に伴い、点灯装置が出力するデータテーブルも順に大小に振り当てる。

放電灯で同シリーズのワット数の違いの場合には、ワット数の大きいものから順にＶｍｉｎも大きくなる。この特徴を利用し、検出されたＶｍｉｎ範囲の大小に伴い、点灯装置が出力するデータテーブルも順に大小に振り当てることにより実施形態１と比較し、制御回路の簡素化が可能になる。

（実施形態３）
実施形態２の放電灯点灯装置において、ワット数が違う放電灯を検出するために、あらかじめＶｍｉｎの範囲を設定する時に製造上のばらつきの大きさやワット数の大きさの近似などによりＶｍｉｎ範囲が重なってしまうことも考えられる。図５の例では、範囲Ａと範囲Ｂが部分的に重なり、また、範囲Ｂと範囲Ｃが部分的に重なっている。

仮に、Ｖｍｉｎ範囲が重なった部分の値が検出された場合には、実施形態１または２で示したＶｍｉｎ範囲からのデータテーブル選択のほかに、ランプ電圧の時間経過による立ち上がりの傾きでランプ電圧−ランプ電力のデータテーブルを再選択させる。一般的には定格ランプ電力の低い放電灯の方が発光管形状も小さいため、ランプ電圧の立ち上がりが早い。例えば、ランプ電圧の時間経過による立ち上がりの傾きが急な挙動を示す放電灯を点灯装置から出力されるデータテーブルのうち定格ランプ電力の低いデータテーブルのほうに設定する。これにより発光管の形状違いの判別精度が向上できる。

図５に示す例では、範囲Ｂと範囲Ｃに入るＶｍｉｎＢが検出された場合、ランプ電圧の立ち上がりの傾きが緩やかであることから、定格ランプ電力は大きいと判断でき、範囲Ｂに相当するデータテーブルを選択する。範囲Ｃにのみ入るＶｍｉｎＣが検出された場合には、範囲Ｃに相当するデータテーブルを選択する。

（実施形態４）
実施形態１〜３の放電灯点灯装置において、図６に示すように、Ｖｍｉｎ検出時のランプ電圧に対して複数設けた範囲Ａ，Ｂ，Ｃのいずれにも該当しないＶｍｉｎが検出された場合には、放電灯点灯装置からの出力を停止させる。具体的には、インバータ制御部７によりインバータ回路部３の降圧チョッパ回路４と極性反転回路５の動作を停止させる。

本実施形態によれば、適合とする放電灯以外（ワット数違い、異常状態の放電灯等）が負荷として接続された場合に放電灯点灯装置の出力を停止し、ランプ破損等の危険性を未然に防止する。

（実施形態５）
図７は本発明の高圧放電灯点灯装置を用いた照明器具の構成例を示す。（ａ）、（ｂ）はそれぞれスポットライトにＨＩＤランプを用いた例、（ｃ）はダウンライトにＨＩＤランプを用いた例であり、図中、１は点灯装置の回路を格納した安定器、１１は高圧放電灯、１２は高圧放電灯を装着した灯体、１３は配線である。これらの照明器具を複数組み合わせて照明システムを構築しても良い。

本発明の実施形態１の動作説明図である。 本発明の実施形態１の出力特性を示す特性図である。 本発明の実施形態１の回路図である。 本発明の実施形態１に用いる最小ランプ電圧検出回路の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態３の動作説明図である。 本発明の実施形態４の動作説明図である。 本発明の実施形態５の照明器具の外観を示す斜視図である。

符号の説明

１ 安定器
２ 直流電源回路部
３ インバータ回路部
７ インバータ制御部
１１ 高圧放電灯

Claims (5)

1. 高圧放電灯の定格ランプ電圧範囲及び定格ランプ電圧範囲よりも低いランプ電圧範囲に対してランプ電圧−ランプ電力のデータテーブルである出力電力特性を複数通り備え、高圧放電灯を始動させる際は所定の電力を出力させ、アーク放電移行後の最小ランプ電圧または最小ランプ電圧を含んだ所定期間の最小ランプ電圧相当値を検出する最小ランプ電圧検出手段を備え、検出された最小ランプ電圧または最小ランプ電圧相当値が予め設定された複数の電圧範囲のいずれかの範囲に入ることにより、それぞれ対応するランプ電圧−ランプ電力のデータテーブルを選択することを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
2. 請求項１において、検出された最小ランプ電圧または最小ランプ電圧相当値が予め設定された複数の電圧範囲のうち高い範囲に入るほど、定格電力出力の高いデータテーブルを選択することを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
3. 請求項１において、時間経過によるランプ電圧の傾きによりデータテーブルを再選択する第２のランプ電圧検出手段を設け、最小ランプ電圧検出手段と第２のランプ電圧検出手段の検出値からランプ電圧−ランプ電力のデータテーブルを選択することを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
4. 請求項１において、検出された最小ランプ電圧または最小ランプ電圧相当値が予め設定された複数の電圧範囲のいずれの範囲にも入らない場合は、出力を停止することを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の高圧放電灯点灯装置を備える照明器具。

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