JP2009140766A - 放電ランプ点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
全光点灯から深調光までをＰＷＭ調光方式で実現可能であるとともにインバータ回路の交流出力電圧を高低切り換えることで連続的な調光ができるように改良され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、入力端が直流電源RDCに接続し、交流出力電圧が少なくとも高低２段階に切り換え可能なインバータ回路INVを備えるとともに、インバータ回路の交流出力電圧が高い第１の時間と低い第２の時間とでＰＷＭ制御の１周期が構成され、かつそれらのデューティを相対的に変化させて放電ランプDLを調光点灯する第１の調光動作モードおよび上記第２の時間と実質的に無出力の第３の時間ととでＰＷＭ制御の１周期が構成され、かつそれらのデューティを相対的に変化させて放電ランプを調光点灯する第２の調光動作モードを含む調光動作が可能なようにインバータ回路を制御する制御手段CCを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、放電ランプを調光点灯可能な放電ランプ点灯装置の改良に関する。

インバータ回路の交流出力電圧が間欠的に発生するように制御するＰＷＭ制御による調光方式（以下、ＰＷＭ調光方式という。）で定格点灯から深調光までの調光を実現しようとすると、点灯期間（ＯＮduty）の放電電流値を大きく設計する必要があるので、設計が困難になる。そのため、定格点灯から所定調光度までを放電電流の振幅を制御するＡＭ調光方式とし、所定調光度から深調光までをＰＷＭ調光方式に切り換える放電ランプ点灯装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、インバータ回路の交流出力電圧を高低切り換えるための手段として、フルブリッジ形インバータ回路の４つのスイッチング素子のうち、直流電源に直列接続する一対のスイッチング素子のみを交互にスイッチングさせることにより、ハーフブリッジ形インバータ回路として作動させて交流出力電圧をほぼ半分にできることは既知である（特許文献２参照。）。

特開平０９−１０２３９９号公報 特開平０５−２５１１７２号公報

ところが、特許文献１に記載されているような装置では、ＡＭ調光とＰＷＭ調光の切り換え点で照度差が生じて照明が不自然になることがある。これは、深調光時のＰＷＭ調光からＡＭ調光に切り換えるときに、ＰＷＭ調光時の放電電流の振幅とＡＭ調光に変わったときの放電電流の振幅に不一致が発生することがあるのがその原因である。また、ＰＷＭ調光時の点灯期間（ＯＮduty）は放電電流のピーク値が小さくて、無負荷時は電圧が高いという条件が必要であるため、例えばスイッチング電圧の３次高調波成分の共振現象などを利用して、高い開放電圧と低い放電電流を両立させる必要があるので、回路設計に制約を受ける。

本発明は、全光点灯から深調光までをＰＷＭ調光方式で実現可能であるとともにインバータ回路の交流出力電圧を高低切り換えることで連続的な調光ができるように改良された放電ランプ点灯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；入力端が直流電源に接続し、交流出力電圧が少なくとも高低２段階に切り換え可能なインバータ回路と；共振回路を含み、放電ランプが接続されるとともにインバータ回路の出力端に接続した負荷回路と；インバータ回路の交流出力電圧を高低２段階に切り換えるとともに、インバータ回路の交流出力電圧が高い第１の時間と低い第２の時間とでＰＷＭ制御の１周期が構成され、かつ第１の時間と第２の時間とのデューティを相対的に変化させて放電ランプを調光点灯する第１の調光動作モードおよび第２の時間と実質的に無出力の第３の時間とでＰＷＭ制御の１周期が構成され、かつ第２の時間と第３の時間のデューティを相対的に変化させて放電ランプを調光点灯する第２の調光動作モードを含む調光動作が可能なようにインバータ回路を制御する制御手段と；を具備していることを特徴としている。

本発明は以下の態様を許容する。

〔直流電源について〕 直流電源は、後述するインバータ回路から見た入力供給手段であり、直流電圧を出力して、これをインバータ回路に入力電圧として印加する。直流電源は、交流電圧を整流した直流電源、電池電源またはキャパシタなどであってもよい。また、直流電源は、直流電圧変換機能やアクティブフィルタ機能を具備していることを許容する。直流電圧変換機能およびアクティブフィルタ機能は、本発明において特段限定されないが、例えば昇圧チョッパ、降圧チョッパなどを単独で、または多段的に組み合わせ接続して用いることができる。

〔インバータ回路について〕 インバータ回路は、直流電源から出力される直流電圧を交流電圧に変換する手段であり、少なくとも１つのスイッチング素子を含んでいる。本発明において、インバータ回路の回路方式は特段限定されない。例えば、フルブリッジ形インバータ、ハーフブリッジ形インバータ、一石形インバータなどを用いることができる。

また、インバータ回路は、その交流出力電圧を少なくとも高低２段階に切り換え可能に構成されている。しかし、本発明においては、交流出力電圧を高低２段階に切り換え可能にするための回路構成については特段限定されない。例えば、特許文献２に記載されているように、フルブリッジ形インバータ回路であるが、配設されている４つのスイッチング素子のスイッチング動作を前述のように変更することでハーフブリッジ形インバータ回路に回路を切り換える構成、ハーフブリッジ形インバータ回路などのインバータ回路の直流電源に昇圧チョッパなどのチョッパに代表されるＤＣ−ＤＣコンバータを用いて、その直流出力電圧を高低２段階に切り換えることで当該直流電圧を入力するインバータ回路の交流出力電圧を切り換える構成、インバータ回路に出力トランスを付設して、その巻線比を切り換えて交流出力電圧を切り換える構成などを適宜選択して採用することができる。

なお、フルブリッジ形インバータ回路をハーフブリッジ形インバータ回路に切り換える態様によれば、回路構成の切り換えを低圧の制御系において行え、しかも出力トランスを必須としないので、小形化に効果的であるので、本発明においては好適な手段である。

〔負荷回路について〕 負荷回路は、放電ランプをインバータ回路の出力端に接続する際に、これをインバータ回路と放電ランプの間に介在させている。共振回路を介して放電ランプをインバータ回路の出力端に接続することにより、負荷回路の所望に応じて適度に共振した共振電圧を放電ランプに印加することができる。共振回路は、好ましくは直列共振回路であり、かつ放電ランプは、共振電圧が印加される回路上の位置に接続される。

また、負荷回路は、そこに接続する放電ランプに対して限流インピーダンスを提供することができる。限流インピーダンスとして共振回路のリアクタンスを利用することができる。

〔制御手段について〕 制御手段は、インバータ回路の交流出力電圧を以下に説明する所定の２つの態様で高低切り換える手段を少なくとも含んでいるものとする。

すなわち、第１の態様は、インバータ回路の交流出力電圧が高い第１の時間と低い第２の時間とでＰＷＭ制御の１周期を構成し、このＰＷＭ周期が連続して繰り返され、かつ第１および第２の期間のデューティを相対的に変化させて放電ランプを調光点灯する第１の調光動作モードの態様である。この第１の調光動作モードは、定格点灯すなわち全光点灯から深調光までの調光レベル全領域のうち、主として全光点灯から中間レベルまでの調光動作の際に効果的である。なお、全光点灯時は、交流出力電圧が第１の時間のみとなる。

第２の態様は、インバータ回路の交流出力電圧が低い第２の時間と実質的に無出力の第３の時間とがＰＷＭ制御の１周期を構成し、このＰＷＭ周期が連続して繰り返され、かつ第２および第３の期間のデューティを相対的に変化させて放電ランプを調光点灯する第２の調光動作モードの態様である。この第２の調光動作モードは、主として放電ランプを上記中間領域の調光レベルから深調光における調光下限までの調光動作の際に効果的である。

第１および第２の調光動作モードの間を切り換える際の態様を、例えば第１の調光動作モードから第２の調光動作モードに移行する場合で説明すれば次のとおりである。すなわち、第１の調光動作モードから第２の調光動作モードに移行するとき、第１の調光動作モードは第１の時間のデューティが０％で、第２の時間のデューティが１００％となっており、第２の調光動作モードは第２の時間のデューティが１００％で、第３の時間が０％である。したがって、第１の調光動作モードから第２の調光動作モードに移行する際の交流出力電圧には変化がない。この関係は、調光モードの移行が上記と逆であっても全く同様であることが容易に理解できるであろう。

また、制御手段は、インバータ回路を、それが負荷回路の共振回路における共振点近傍の周波数領域で発振動作するように制御するのが好ましい。これにより、インバータ回路の開放電圧を高くして深調光時の安定性を確保でき、深調光を容易かつ確実にすることができる。

さらに、所望により第２の調光動作モード中に第３の時間中の交流出力電圧を停止するのではなく、微弱放電が生起する程度の低い交流電圧を出力させることができる。これにより、その際にも低電圧の交流電圧の印加によって微弱放電が生起することで第２の時間に切り換わった際に、放電ランプの点灯開始が容易になる。その結果、深調光における調光下限をさらに低下させることができる。

そうして、第２の調光動作モードにおいて、第２の時間のデューティが０になると、第３の時間は実質的に無出力状態ないし低出力状態であるから、放電ランプは点灯状態を維持できないので、消灯する。なお、このときに、制御手段は、第３の時間中のインバータ回路の発振周波数を負荷回路の共振点から、好ましくは遅相側で、遠ざけるように制御することを許容する。これにより、第３の時間中の交流出力電圧を停止するのではなく、開放電圧が低くて放電ランプが点灯を維持できない程度の交流電圧を出力させた状態で放電ランプを消灯させることができる。

次に、制御手段の許容し得るその他の態様について説明する。
１．制御手段をマイコンおよびＤＳＰ（ディジタルシグナルプロセッサ）などのディジタルデバイスやアナログＩＣを主体として構成する。これにより、きめ細かい制御が可能になる。本態様によれば、調光制御をきめ細かく正確に行うことができる。また、調光制御以外の各種制御のための手段を併せて組み込むことが可能になる。
２．制御手段は、インバータ回路の出力周波数を記憶するなどのために、記憶手段を備えている。
３．制御手段は、インバータ回路の駆動信号を発生する。
４．制御手段は、インバータ回路の出力を所定値に維持するために帰還制御機能を有している。
５．制御手段は、放電ランプの寿命末期判定および放電ランプ装着有無判定などの保護動作を行う。これに付随して放電ランプ点灯回路にランプ電圧およびランプ電流検出回路などの既知の回路手段を付加することができる。
６．制御手段は、調光信号に応じた調光度になるように放電ランプ点灯回路を制御して放電ランプの点灯レベルを調整するのに加えて、調光度に応じて放電ランプ点灯回路のフィラメント加熱回路から放電ランプのフィラメント電極に供給される補助加熱電流を所要値に制御する。

〔その他の構成について〕 本発明におけるその他の構成として以下を所望により適宜採用することができる。

１．（放電ランプについて） 本発明において、放電ランプは、低圧放電ランプおよび高圧放電ランプのいずれであってもよい。しかし、蛍光ランプのような低圧放電ランプに特に好適である。なお、低圧放電ランプは、フィラメント電極を有する熱陰極形および冷陰極形のいずれであってもよい。また、低圧放電ランプは、蛍光ランプに代表されるが、例えばブラックライト、殺菌ランプなどであってもよい。

２．（フィラメント加熱回路について） フィラメント加熱回路は、熱陰極形放電ランプのフィラメント電極を所要の程度にランプ電流とは別に補助加熱電流を供給してフィラメント電極を加熱する手段である。フィラメント加熱回路は、放電ランプの始動に先立ってフィラメント電極を加熱するとともに、点灯中も調光度に応じてフィラメント電極を所要に加熱するように構成するのが好ましい。例えば、スイッチング素子を用いて補助加熱電流を調整可能に構成すれば、スイッチング素子のスイッチングを制御することで補助加熱電流を所望に調整することができる。

なお、補助加熱電流の電源は、例えばインバータ回路の出力により付勢されるフィラメントトランスを用いるなど既知の各種回路方式を採用することができる。また、調光率に応じた所要量の補助加熱電流を流すことについては予め測定を行うなどによって知ることができる。

本発明によれば、制御手段がインバータ回路の交流出力電圧が高い第１の時間と低い第２の時間とでＰＷＭ制御の１周期が構成され、かつ第１の時間と第２の時間とのデューティを相対的に変化させて放電ランプを調光点灯する第１の調光動作モードおよび第２の時間と実質的に無出力の第３の時間とでＰＷＭ制御の１周期が構成され、かつ第２の時間と第３の時間とのデューティを相対的に変化させて放電ランプを調光点灯する第２の調光動作モードを含む調光動作が可能なようにインバータ回路を制御することにより、全光点灯から深調光までをＰＷＭ調光方式で実現可能であるとともに、インバータ回路の交流出力電圧を高低切り換えることで連続的な調光ができる放電ランプ点灯装置を提供することができる。

また、インバータ回路がフルブリッジ形インバータ回路からなり、交流出力電圧が高い第１の時間はフルブリッジ形インバータとして動作し、交流出力電圧が低い第２の時間はハーフブリッジ形インバータとして動作することで交流出力電圧を高低２段階に切り換えることにより、交流出力電圧の切り換えが容易となり、この切り換えにより定格点灯から深調光までのＰＷＭ調光が容易になるとともに放電ランプ点灯装置を小形化できる。

さらに、インバータ回路が負荷回路の共振回路における共振点近傍の周波数領域で動作することにより、調光下限をより一層低くすることができる。

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す回路図である。本形態において、放電ランプ点灯装置は、直流電源ＲＤＣ、インバータ回路ＩＮＶ、負荷回路ＬＣ、フィラメント加熱回路ＦＨＣおよび制御手段ＣＣを備えて構成されている。なお、図中の符号ＡＣは低周波交流電源、ＤＭは調光信号発生手段である。

直流電源ＲＤＣは、全波整流回路ＦＢＲおよび昇圧チョッパＢＵＣからなる。全波整流回路ＦＢＲは、その交流入力端が低周波交流原電ＡＣに接続する。昇圧チョッパＢＵＣは、その入力端が全波整流回路ＦＢＲの直流出力端に接続している。

インバータ回路ＩＮＶは、フルブリッジ形インバータからなり、昇圧チョッパＢＵＣの出力端であるところの平滑コンデンサＣ１の両端間にそれぞれ直列接続している２対のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびＱ３、Ｑ４を備え、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続点と、スイッチング素子Ｑ３およびＱ４の接続点との間に後述する負荷回路ＬＣが接続されている。

負荷回路ＬＣは、直流カットコンデンサＣ２および共振回路ＲＣが直列回路を形成してインバータ回路ＩＮＶの出力端間に接続することにより構成されている。共振回路ＲＣは、インダクタＬ１および共振コンデンサＣ３の直列共振回路からなる。共振コンデンサＣ３と並列に放電ランプＤＬが接続される。放電ランプＤＬは、熱陰極形の蛍光ランプからなり、一対のフィラメント電極Ｅ、Ｅを備えている。

フィラメント加熱回路ＦＨＣは、放電ランプＤＬの一対のフィラメント電極Ｅ、Ｅを所要に加熱するように配設されている。

制御手段ＣＣは、マイコンを主体として構成されており、少なくともインバータ回路ＩＮＶのフルブリッジ形インバータとハーフブリッジ形インバータ回路とへの切り換え、第１および第２の調光動作モードの制御およびインバータ回路の発振周波数制御を行うように予めプログラムされて設定されているとともに、インバータ回路ＩＮＶのスイッチング素子Ｑ１ないしＱ４に供給する駆動信号を発生する。

調光信号発生手段ＤＭは、操作に応じて所望の調光度の調光信号を発生して、制御手段ＣＣに供給する。なお、調光信号発生手段ＤＭは、放電ランプ点灯装置から離間した位置に配設されてもよいし、放電ランプ点灯装置の内部に配設されてもよい。

次に、本形態における回路動作について説明する。

低周波交流電源から得られる低周波交流電圧は、直流電源ＲＤＣで整流され、直流チョッパＢＵＣで所望の平滑化された直流電圧に変換されてインバータ回路ＩＮＶに入力する。インバータ回路ＩＮＶは、直流入力を矩形波の交流電圧に変換して出力し、負荷回路ＬＣに印加する。負荷回路ＬＣに印加された交流電圧は、共振回路ＲＣにより波形変換されて共振コンデンサＣ２の両端間に正弦波交流電圧が現れる。放電ランプＤＬは、共振コンデンサＣ２の両端間に接続しているので、正弦波交流電圧が印加されると始動して点灯する。

定格ランプ電力の投入による全光点灯から深調光状態の調光下限まで連続的に調光点灯するときの回路動作を以下説明する。全光点灯時すなわち調光度１００％の状態ではインバータ回路ＩＮＶは、ＰＷＭ周期の全期間を通じてフルブリッジ形インバータ回路として動作するので、相対的に高い交流出力電圧が連続して発生して放電ランプＤＬに印加される。このとき、スイッチング素子Ｑ１およびＱ４とＱ２およびＷ４とは位相差１８０°で交互にスイッチングする。全光点灯時すなわち調光度１００％の状態の交流出力電圧波形を図２の（Ａ）に示す。

全光点灯状態から深調光に向けて調光を開始するときには、フルブリッジ形インバータ回路の動作の期間とハーフブリッジ形インバータ回路の動作の期間とを各ＰＷＭ周期の中で交互に切り換える。フルブリッジ形インバータ回路のスイッチング素子Ｑ１とＱ２とを交互にスイッチングさせるとともに、スイッチング素子Ｑ３を連続的にＯＦＦさせ、スイッチング素子Ｑ４を連続的にＯＮさせると、インバータ回路ＩＮＶはハーフブリッジ形インバータ回路として動作する。

ハーフブリッジ形インバータ回路としての動作時の交流出力電圧は、フルブリッジ形インバータ回路のときのほぼ半分になるので、図２の（Ｂ）に示すようにフルブリッジ形インバータ回路のときの高電圧の第１の時間と、ハーフブリッジ形インバータ回路のときの低電圧の第２の時間とでＰＷＭ制御の１周期が構成され、このＰＷＭ周期が繰り返えされる。そして、高電圧の第１の時間を減少させていき、その減少を埋めるように低電圧の第２の時間を増加させていくと、調光度が小さくなっていき、放電ランプＤＬの光量が減少して調光度が進展していく。

やがて、フルブリッジ形インバータ回路動作による高電圧の第１の時間が０になると、インバータ回路ＩＮＶは、ＰＷＭ周期の全期間がハーフブリッジ形インバータ回路として動作して図２の（Ｃ）に示すように放電ランプＤＬに印加される交流電圧が連続した低電圧となる。このとき、放電ランプＤＬは中間的な調光状態を呈する。なお、この段階の調光度を例えば従来技術におけるＡＭ調光からＰＷＭ調光への切り換え点に相当する値に設定することができる。

さらに調光を進めて明るさを絞るためには、図２の（Ｄ）に示すようにインバータ回路ＩＮＶをハーフブリッジ形インバータ回路として動作させる中で、ＰＷＭ周期の中に交流出力電圧が生じないために放電ランプＤＬが消灯する第３の時間を設ける。この第３の時間のデューティを増加させていくことにより、調光度を深調光域において調光下限まで低下させていくことができる。なお、上記第３の時間中に放電ランプＤＬに印加される開放電圧を高くすることにより、深調光時としての調光下限を十分に低いレベルまで到達させることができる。

次に、図３を参照してインバータ回路ＩＮＶをフルブリッジ形インバータ回路およびハーフブリッジ形インバータ回路に切り換えて調光を行う場合に好適な特性について説明する。

図において、曲線ＦＢはフルブリッジ形インバータ回路として動作するときの負荷特性であり、曲線ＨＢはハーフブリッジ形インバータ回路として動作するときの負荷特性である。また、発振周波数ｆ１は、負荷回路ＬＣの共振回路ＲＣの共振特性における遅相領域の共振点近傍における周波数であり、発振周波数ｆ２は遅相領域において共振点から離間した位置における周波数である。

したがって、インバータ回路ＩＮＶが発振周波数ｆ１で動作したとき、負荷特性曲線ＦＢの発振周波数ｆ１との交点（Ａ）は図２の（Ａ）に示す態様の全光点灯時であり、ランプ電流の変化範囲（Ｂ）は同じく図２の（Ｂ）に示す態様の調光時、負荷特性曲線ＨＢの発振周波数ｆ１との交点（Ｃ）は図２の（Ｃ）に示す態様の調光点灯時であり、ランプ電流の変化範囲（Ｄ）は同じく図２の（Ｄ）に示す態様の調光時である。

また、調光下限から放電ランプＤＬを消灯させるときには発振周波数をｆ２に変更するのがよい。そうすれば、インバータ回路ＩＮＶがハーフブリッジ形インバータ回路として動作しながらさらに交流出力電圧が低下するので、消灯する。消灯中の開放電圧は低下しているので、安全でもある。

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回路図 本発明の放電ランプ点灯装置における全光点灯および調光点灯時の主要な過程のインバータ回路の交流出力電圧を示す波形図 本発明の放電ランプ点灯装置を実施するための一形態における負荷特性と調光の態様との関係を示すグラフ

符号の説明

ＢＵＣ…昇圧チョッパ、Ｃ１…平滑コンデンサ、Ｃ２…直流カットコンデンサ、Ｃ３…共振コンデンサ、ＣＣ…制御手段、ＤＬ…放電ランプ、ＤＭ…調光信号発生手段、Ｅ…フィラメント電極、ＦＢＲ…全波整流回路、ＦＨＣ…フィラメント加熱回路、ＩＮＶ…インバータ回路、Ｌ１…インダクタ、ＬＣ…負荷回路、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４…スイッチング素子、ＲＣ…共振回路

Claims (3)

1. 直流電源と；
   入力端が直流電源に接続し、交流出力電圧が少なくとも高低２段階に切り換え可能なインバータ回路と；
   共振回路を含み、放電ランプが接続されるとともにインバータ回路の出力端に接続した負荷回路と；
   インバータ回路の交流出力電圧を高低２段階に切り換えるとともに、インバータ回路の交流出力電圧が高い第１の時間と低い第２の時間とでＰＷＭ制御の１周期が構成され、かつ第１の時間と第２の時間とのデューティを相対的に変化させて放電ランプを調光点灯する第１の調光動作モードおよび第２の時間と実質的に無出力の第３の時間とでＰＷＭ制御の１周期が構成され、かつ第２の時間と第３の時間のデューティを相対的に変化させて放電ランプを調光点灯する第２の調光動作モードを含む調光動作が可能なようにインバータ回路を制御する制御手段と；
   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. インバータ回路は、フルブリッジ形インバータ回路からなり、交流出力電圧が高い第１の時間はフルブリッジ形インバータとして動作し、交流出力電圧が低い第２の時間はハーフブリッジ形インバータとして動作するように切り換えられ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。
3. インバータ回路は、負荷回路の共振回路における共振点近傍の周波数領域で動作することを特徴とする請求項１または２記載の放電ランプ点灯装置。

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