JP2008077982A - 放電ランプ点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
ストライエーションおよびカタホリシス現象をともに抑制するとともに明るさのちらつきの発生を低減した抑制した放電ランプ点灯装置を提供する。
【解決手段】
放電ランプ点灯装置は、交互にスイッチングする一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を含み、その一方Ｑ１のオンデューティがａのときに他方Ｑ２のオンデューティが１−ａである第１の動作モードと、一方Ｑ１のオンデューティが１−ａのときに他方Ｑ２のオンデューティがａである第２の動作モードとのいずれかの非対称動作を所定出力以下のときに行うように構成されたインバータ回路ＩＮＶと、その出力により付勢される放電ランプＤＬと、電源ＤＣＳのオン、オフに連動してインバータ回路の非対称動作を第１および第２の動作モードのいずれか一方から他方に切り換える動作モード切換手段とを具備している。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも交互にスイッチングする一対のスイッチング素子を含むインバータ回路を備えた放電ランプ点灯装置に関する。

ハーフブリッジ形インバータ回路の一対のスイッチング素子を非対称なオンデューティになるように動作させることにより、ストライエーションを防止することは既知である（特許文献１参照。）。特許文献１によれば、オンデューティを非対称にすることで放電ランプに直流電流が流れ、ストライエーションが人の目で認識できない程度まで抑制される。

特開平０６-２８３２８６号公報

上記従来技術の場合、直流電流が流れるため、いわゆるカタホリシス現象が生じてしまうという問題がある。

本発明者らは、先に非対称により重畳する直流成分の極性を適当な時間間隔で切り換えることで、ストライエーションを防止しながらカタホリシス現象が生じないようにすることができることを見出した。この場合、人間の目に明るさのちらつきを感じさせない程度にするためには、上記極性切り換えの時間間隔をなるべく短くするのが好ましい。

ところが、上記極性切り換えの時間間隔を短くすると、極性の切り換え時にランプ電流に歪が生じるために、極性切り換えの周期によっては明るさのちらつき発生の原因なるという問題のあることが分かった。

本発明は、ストライエーションおよびカタホリシス現象をともに抑制するとともに、明るさのちらつきの発生を低減した放電ランプ点灯装置およびこれを備えた照明装置を提供することを目的とする。

本発明の放電ランプ点灯装置は、直流電源と；少なくとも交互にスイッチングする一対のスイッチング素子を含み、一方のスイッチング素子のオンデューティがａ（ただし、０＜ａ＜１とする。）のときに他方のスイッチング素子のオンデューティが１−ａである第１の動作モードと、一方のスイッチング素子のオンデューティが１−ａのときに他方のスイッチング素子のオンデューティがａである第２の動作モードとのいずれかの非対称動作を少なくとも所定出力以下のときに行うように構成され、入力端が直流電源に接続されるインバータ回路と；インバータ回路の出力により付勢される放電ランプと；直流電源のオン、オフ操作に連動してインバータ回路の非対称動作を第１および第２の動作モードのいずれか一方から他方に切り換える動作モード切換手段と；を具備していることを特徴としている。

上記本発明において、各構成要素は、以下のように構成することができる。

直流電源は、電池電源および整流化直流電源のいずれであってもよい。また、後者の場合、平滑化および非平滑化直流電源のいずれであってもよい。さらに、所望により整流化直流電源に直流チョッパなどのスイッチングレギュレータからなる直流−直流コンバータを組み合わせることができる。この場合、直流−直流コンバータの出力電圧をインバータ回路の入力端に印加するとともに、直流−直流コンバータの出力電圧を変化させることにより、放電ランプのランプ電流またはランプ電力を変化させることができる。

インバータ回路は、少なくとも交互にスイッチングする一対のスイッチング素子を含んでいるインバータ回路であればどのような回路構成であってもよい。例えば、ハーフブリッジ形インバータおよびフルブリッジ形インバータなどが含まれる。

また、インバータ回路は、少なくとも所定出力以下のときに一対のスイッチング素子における交互スイッチングが第１および第２の動作モードのいずれかで非対称動作を行う。

第１の動作モードは、一方のスイッチング素子のオンデューティがａ（ただし、０＜ａ＜１とする。）のときに、他方のスイッチング素子のオンデューティが１−ａであり、かつａ≠１−ａである。例えば、対をなすスイッチング素子のうち、一方のオンデューティａが０．３であれば、他方のオンデューティ１−ａは０．７である。なお、ａの値は０＜ａ＜１の範囲内で、かつ０．５を除いてどのような値であってもよい。

第２の動作モードは、一方のスイッチング素子のオンデューティが１−ａ（ただし、０＜ａ＜１とする。）のときに、他方のスイッチング素子のオンデューティがａであり、かつａ≠１−ａである。例えば、対をなすスイッチング素子のうち、一方のオンデューティ１−ａが０．７であれば、他方のオンデューティａは０．３である。なお、ａの値は０＜ａ＜１の範囲内で、かつ０．５を除いてどのような値であってもよい。

本発明において、インバータ回路の出力に関して、少なくとも所定出力以下のときとは、次のとおりである、すなわち、出力レベルの如何にかかわらず常時であってもよいし、所定出力以下のときだけであってもよい。ストライエーションは、放電ランプにより様々であるが、一般に調光時のように放電ランプが低出力状態で点灯している際に発生しやすいので、少なくとも所定出力以下、例えば調光時のときを必須とする意味である。

放電ランプは、その種類が特段限定されるものではないが、蛍光ランプが好適である。なお、放電ランプを始動しやすくすると同時にインバータ回路から出力される矩形波を正弦波に波形変換して点灯中の雑音発生を抑制するために、好ましくはインバータ回路の出力端に共振負荷回路を接続し、共振負荷回路を介して放電ランプをインバータ回路に接続するのがよい。共振負荷回路は、直列共振回路が好適であるが、別設の限流インピーダンスを放電ランプに直列接続していれば所望により並列共振回路を用いることもできる。

共振負荷回路が直列共振回路の場合には、放電ランプと直列接続してインバータ回路に接続する共振インピーダンスが限流インピーダンスを兼ねることができる。なお、共振負荷回路を用いない場合には、放電ランプと直列接続して限流作用を奏する適当なインピーダンスを限流インピーダンスとして用いることができる。

動作モード切換手段は、直流電源のオン、オフに連動してインバータ回路の非対称動作を第１および第２の動作モードのいずれか一方から他方に切り換える。連動の態様は、オン時に切り換え動作が行われる構成およびオフ時に切り換えが行われる態様のいずれであってもよい。

また、動作モード切換手段は、情報処理により自動的切り換えを行うように構成されているのが好ましい。例えば、演算手段からなり、記憶手段と協働して、前回点灯時の非対称動作のモードを記憶手段から読み出し、それと異なるモードに切り換えるように構成する。なお、動作モードを切り換えたら、当該モードを記憶手段に記憶させておくように構成することができる。また、直流電源のオン時に動作モードを切り換える場合、その切り換えのタイミングは、電源投入時であってもよいし、非対称動作を開始する際の所要のタイミングであってもよい。要するに、前回の消灯時における動作モードと異なる動作モードを判断して切り換えればよい。

さらに、動作モード切換手段は、点灯中に非対称動作のモード切り換えを付加することを許容するものである。すなわち、点灯中の動作モードが不変のために点灯時間が長くなり、カタホリシス現象が顕著になる虞がある場合には、所望により定期的に動作モードを切り換えるように構成することができる。この場合、動作モード切換手段に中間時モード切換機能を備えればよい。中間時モード切換機能としては、動作モード切換手段にタイマを備えておき、点灯中例えば３０分ごとに第１および第２の動作モードのいずれか一方から他方に切り換える。

しかしながら、本発明においては、点灯中の動作モード切り換えは、カタホリシス現象の発生が許容される範囲内においてなるべく行わないようにするのがよい。なお、点灯中に非対称動作のモード切り換えを行ったときにも当該モードを記憶手段に記憶させておくように構成することができる。

次に、本発明の放電ランプ点灯装置の動作について説明する。

インバータ回路が直流電源に接続すると、一対のスイッチング素子が交互にスイッチングして直流−交流変換動作を行うので、その出力端に交流電圧が現れ、放電ランプがインバータ回路の出力によって付勢されて始動し、交流点灯を行う。

しかしながら、インバータ回路中の一対のスイッチング素子における交互スイッチングがオンデューティの非対称動作を行うので、放電ランプに流れる交流のランプ電流に直流成分が重畳する。これにより、ストライエーションの発生が効果的に抑制される。なお、直流成分はオンデューティの差が大きくなるにしたがって大きくなるので、所望の値の直流成分が重畳するようにオンデューティ差を適当に設定することができる。

そうして、インバータ回路の一対のスイッチングにおける上述の非対称動作は放電ランプの点灯中基本的には不変である。したがって、カタホリシス現象が顕著になるような長時間にわたる点灯時間でなければ支障ない。

また、カタホリシス現象が顕著になるような長時間にわたる点灯時間の場合であっても、動作モード切換手段が中間時モード切換機能を備えていれば、カタホリシス現象が顕著になる前の適当な周期で中間的な動作モード切り換えを行うことができる。

したがって、本発明においては、上記いずれの態様であっても非対称動作における動作モードの切換周期が頗る大きくなるので、動作モード切り換えに伴うランプ電流の歪が放電ランプの明るさのちらつきとなって現れるのを効果的に抑制できる。もちろん、ストライエーションの発生を抑制することもできるのはいうまでもない。

また、インバータ回路を制御するための制御用デバイス、例えばマイコンやＩＣなどを兼用して動作モード切換手段を構成することができるので、動作モードの切り換えを自動的に、しかも正確、かつ高信頼性の下に遂行することができる。

さらに、本発明においては、ランプ電流またはランプ電力が所定値以下のときにのみ上述の非対称動作を行い、所定値を超えるランプ電流またはランプ電力のときには交互非対称動作を行わないように構成することを許容するものである。これを実現するために上述の構成に付加することが許容される好ましい構成を以下に列挙する。

１．調光信号にしたがってインバータ回路の出力が変化して放電ランプが調光点灯し、かつ放電ランプの調光比が小さいときにのみインバータ回路が非対称動作を行うように構成する。なお、調光比は、％で表示したときに１００％であれば全光点灯（１００％点灯）、０％であれば消灯（０％点灯）であり、中間の値であれば全光点灯に対してその数値の示す割合で点灯することを意味する。したがって、調光比が小さいときとは、数値の小さな％での点灯を意味する。

２．放電ランプのランプ電流を検出してその検出値が所定値に近づくようにインバータ回路を帰還制御し、かつ検出値が所定値以下の場合にはインバータ回路が非対称動作を行うように構成されている。この構成は、インバータ回路の出力周波数を変化させることにより、ランプ電流を変化させる場合に好適である。

３．放電ランプのランプ電流を検出してその検出値が所定値に近づくように直流電源電圧を帰還制御し、かつ検出値が所定値以下の場合にはインバータ回路が交互非対称動作を行うように構成されている。この構成は、直流電源に直流チョッパなどの直流−直流間コンバータを用いてインバータ回路の直流電源電圧を制御することにより、ランプ電流を変化させる場合に好適である。

４．放電ランプのランプ電力を検出してその検出値が所定値に近づくようにインバータ回路を帰還制御し、かつ検出値が所定値以下の場合にはインバータ回路が非対称動作を行うように構成されている。この構成は、インバータ回路の出力周波数を変化させることにより、ランプ電力を変化させる場合に好適である。

５．放電ランプのランプ電力を検出してその検出値が所定値に近づくように直流電源電圧を帰還制御し、かつ、検出値が所定値以下の場合にはインバータ回路が非対称動作を行うように構成されている。この構成は、直流電源に直流チョッパなどの直流−直流間コンバータを用いてインバータ回路の直流電源電圧を制御することにより、ランプ電力を変化させる場合に好適である。

本発明の照明装置は、照明装置本体と；照明装置本体に配設された請求項１または２記載の放電ランプ点灯装置と；を具備していることを特徴としている。

本発明において、照明装置は、放電ランプの発光を利用する全ての装置を含む概念である。例えば、照明器具、標識灯、表示灯および装飾灯などが該当する。照明装置本体は、照明装置から放電ランプ点灯装置を除外した残余の部分を示す。

本発明によれば、電源のオン、オフに連動して動作モード切換手段が非対称動作の動作モードを交互に切り換えることにより、切り換え周期が大きくなってランプ電流の歪が低減するので、放電ランプの明るさのちらつき発生が抑制されるとともに、ストライエーションおよびカタホリシス現象の発生を抑制した放電ランプ点灯装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。

図１ないし図３は、本発明の放電ランプ点灯装置を実施するための一形態を示し、図１は装置全体の回路図、図２は非対称動作の第１および第２の動作モードと駆動電圧の関係を説明する電圧・電流波形図、図３は動作モード切り換えの手順を示す流れ図である。

本形態において、放電ランプ点灯装置は、直流電源ＤＣＳ、インバータ回路ＩＮＶ、共振負荷回路ＲＬＣ、検出回路ＰＤＣ、制御回路ＣＣ、記憶装置Ｍ、放電ランプＤＬおよびフィラメント電源ＦＳを具備している。

直流電源ＤＣＳは、詳細は図示を省略しているが、商用交流電源電圧をブリッジ整流回路で整流し、さらに平滑回路により平滑化して得た直流電圧を出力する。

インバータ回路ＩＮＶは、ハーフブリッジ形インバータＨＢＩおよび駆動回路ＧＤＣを備えている。ハーフブリッジ形インバータＨＢＩは、一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２および駆動回路ＧＤＣを有している。一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、直流電源ＤＣＳの両極間に直列接続している。

駆動回路ＧＤＣは、後述する動作モード切換手段ＭＳから供給されるオンデューティ制御された原駆動信号を極性反転させることで図２（ａ）または（ｃ）に示すオンデューティの駆動電圧（すなわち駆動信号）と１８０°位相がずれ、かつオンデューティが反転した駆動電圧（図示しない。）に変換し、ハーフブリッジ形インバータＨＢＩの一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に供給する。

共振負荷回路ＲＬＣは、共振回路および限流インピーダンスを備え、後述の放電ランプＤＬを接続する回路である。本形態において、共振負荷回路ＲＬＣは、コンデンサＣ１、インダクタＬ１およびコンデンサＣ２の直列回路により構成されている。インダクタＬ１とコンデンサＣ２が主として共振回路を形成し、インダクタＬ１が限流インピーダンスとしても機能する。なお、コンデンサＣ１は、主として直流カットコンデンサとして機能する。

また、共振負荷回路ＲＬＣは、その一端がインバータ回路ＨＢＩにおける一対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点に接続し、他端がスイッチング素子Ｑ２のドレインに接続する。したがって、共振負荷回路ＲＬＣは、スイッチング素子Ｑ２に並列接続する。

検出回路ＰＤＣは、ランプ電力を検出する回路手段であり、ランプ電圧とランプ電流を検出してランプ電力を演算により求める。なお、検出回路ＰＤＣは、後述する制御回路のマイコンなどの演算手段を兼用することができる。

制御回路ＣＣは、例えば主としてマイコンなどの演算手段により構成されているとともに、検出回路ＰＤＣおよび後述する記憶装置Ｍと協働して、放電ランプの予熱、始動および点灯などを制御するばかりでなく、動作モード切換手段としても機能するように構成されている。放電ランプの予熱、始動および点灯の制御は、既知の手段であることを許容する。

動作モード切換手段は、所要時（本形態においては、所定レベル以下の調光時）に第１および第２の動作モードのいずれかを選択してインバータ回路ＩＮＶが非対称動作を行うように制御する。この非対称動作は、電源のオン、オフに連動して動作モードが選択され、インバータ回路ＩＮＶが所定出力、換言すればランプ電力が所定値すなわち所定レベル以下の調光時に実行される。

上記動作モードは、制御回路ＣＣが検出回路ＰＤＣおよび記憶装置Ｍと協働して決定し、インバータ回路ＩＮＶの駆動回路ＧＤＣを制御することにより実施される。

記憶装置Ｍは、前回点灯時の動作モードを記憶し、今回の動作モードで前回の動作モードを更新していく手段であり、上記マイコンなどのメモリを利用することができる。

放電ランプＤＬは、一対のフィラメント電極を備えた蛍光ランプである。そして、共振負荷回路ＲＬＣのコンデンサＣ２の両端間に接続している。

フィラメント電源ＦＳは、放電ランプＤＬの一対のフィラメント電極を加熱する手段であり、例えばインバータ回路ＩＮＶの出力により付勢されるフィラメントトランスなどを用いることができる。

次に、回路動作について説明する。

直流電源ＤＣＳが投入されると、インバータ回路ＩＮＶは、その入力端に接続された直流電源ＤＣＳから供給される直流を高周波交流に変換して出力する。出力された高周波交流電圧は共振負荷回路ＲＬＣに印加される。これに伴い放電ランプＤＬは、その一対のフィラメント電極がフィラメント電源ＦＳによって予熱され、次に共振負荷回路ＲＬＣのコンデンサＣ２の両端間に現れる直列共振電圧が一対のフィラメント電極間に印加されるために始動し、次いでアーク放電へ移行して点灯する。なお、共振負荷回路ＲＬＣのインダクタＬ１は、放電ランプＤＬの限流インピーダンスとして作用する。また、放電ランプＤＬの予熱、始動および点灯のシーケンスを所要に遂行するために、制御回路ＣＣによってインバータ回路ＩＮＶの周波数がそれぞれのステップに適切なように制御される。

放電ランプＤＬの点灯中、検出回路ＰＤＣがランプ電流およびランプ電圧を検出してランプ電力を演算して、制御回路ＣＣに制御入力する。

次に、図２を参照して本発明における非対称動作について説明する。

非対称動作は、第１および第２の動作モードを含んでいる。図２の（ａ）は第１の動作モードにおける一方のスイッチング素子、例えばＱ１に供給される駆動電圧波形、（ｂ）は第１および第２の動作モードにおけるランプ電流波形、（ｃ）は第２の動作モードにおける一方のスイッチング素子、例えばＱ１に供給される駆動電圧波形、をそれぞれ示す。

第１の動作モードは、（ａ）に示されるように、一方のスイッチング素子、例えばＱ１に供給される駆動電圧のオンデューティがａである。この場合、他方のスイッチング素子Ｑ２に供給される駆動電圧は、（ｃ）に示すのと同じ波形で、かつ位相が１８０°ずれた関係になる。その結果、第１の動作モードにおける放電ランプＤＬのランプ電流は、（ｃ）の符号Ｍ１で示すように正負極性の振幅が非対称になる。このとき、正極性の直流電流成分が高周波電流に重畳される。

これに対して、第２の動作モードは、（ｃ）に示されるように、一方のスイッチング素子、例えばＱ１に供給される駆動電圧のオンデューティがａ−１である。この場合、他方のスイッチング素子Ｑ２に供給される駆動電圧は、（ａ）に示すのと同じ波形で、かつ位相が１８０°ずれた関係になる。その結果、第２の動作モードにおける放電ランプＤＬのランプ電流は、（ｃ）の符号Ｍ２で示すように正負極性の振幅が第１の動作モードのときとは反対方向の非対称となる。このとき、負極性の直流電流成分が高周波電流に重畳される。

また、第１の動作モードは、一般的には放電ランプＤＬが消灯まで継続するので、次回の点灯時には第２の動作モードとなる。しかし、所望により電源投入時から第１の動作モードＭ１で点灯して所定時間、例えば３０分経過すると、自動的に第２の動作モードＭ２に反転し、以後所定時間ごとに非対称動作が交互に第１の動作モードＭ１と第２の動作モードＭ２との繰り返しを行うように構成することができる。

次に、図３を参照して動作モードの選択手順について説明する。

図３は、電源オン時に動作モードの選択を行う態様における制御回路ＣＣと記憶装置Ｍの間の手順を示している。すなわち、電源投入時に制御回路ＣＣは、前回の動作モードを記憶装置Ｍから読み出す。そして、読み出した動作モードが第１の動作モードであれば、これと異なる動作モードである第２の動作モードに設定する。併せて、今回の動作モードである第２の動作モードを書き出す。そして、記憶装置Ｍは、その記憶状態を今回のデータに更新する。

そうして、放電ランプＤＬの点灯状態が所定の調光レベル以下になると、電源投入時に設定された動作モードで非対称動作を行う。

放電ランプＤＬの点灯が不要になると電源オフとなる。

本発明の放電ランプ点灯装置を実施するための一形態を示す装置全体の回路図 同じく第１および第２の動作モードと駆動電圧の関係を説明する電圧・電流波形図 同じく動作モード切り換えの手順を示す流れ図

符号の説明

ＣＣ…制御回路、ＤＣＳ…直流電源、ＤＬ…放電ランプ、ＦＳ…フィラメント電源、ＧＤＣ…駆動回路、ＨＢＩ…ハーフブリッジ形インバータ、ＩＮＶ…インバータ回路、Ｍ…記憶装置、ＰＤＣ…検出回路、Ｑ１、Ｑ２…スイッチング素子、ＲＬＣ…共振負荷回路

Claims (2)

1. 直流電源と；
   少なくとも交互にスイッチングする一対のスイッチング素子を含み、一方のスイッチング素子のオンデューティがａ（ただし、０＜ａ＜１とする。）のときに他方のスイッチング素子のオンデューティが１−ａである第１の動作モードと、一方のスイッチング素子のオンデューティが１−ａのときに他方のスイッチング素子のオンデューティがａである第２の動作モードとのいずれかの非対称動作を少なくとも所定出力以下のときに行うように構成され、入力端が直流電源に接続されるインバータ回路と；
   インバータ回路の出力により付勢される放電ランプと；
   直流電源のオン、オフに連動してインバータ回路の非対称動作を第１および第２の動作モードのいずれか一方から他方に切り換える動作モード切換手段と；
   を具備していることを特徴とする放電ランプ点灯装置。
2. 動作モード切換手段は、直流電源のオン後所定時間経過毎にインバータ回路の非対称動作を第１および第２の動作モードのいずれか一方から他方に切り換える中間時切換機能を備えていることを特徴とする請求項１記載の放電ランプ点灯装置。

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