JP2009518791A - バラストにおいて高圧放電ランプの作動時のエラーを検出する方法 - Google Patents

Abstract

マイクロプロセッサを用いて動作するバラストにおける高圧放電ランプの作動時に状態マシンが使用され、所定の誤動作が排除される。

Description

技術分野
本発明は、請求項１の上位概念に記載されている、バラスト、殊にマイクロプロセッサが集積されているバラストにおいて高圧放電ランプの作動時のエラーを検出する方法に関する。殊に高圧放電ランプはとりわけ一般照明用の金属ハロゲン化物ランプであるか、ナトリウム高圧ランプである。バラストは電子的な前置接続装置を表す。

従来技術
EP-A 1 476 003からは高圧放電ランプの作動方法が公知であり、この方法においては検出装置が誤動作を阻止することが試みられている。

発明の説明
本発明の課題は、改善されたエラー検出を保証し、殊に従来技術による欠点を回避する、請求項１の上位概念に記載されている高圧放電ランプの作動方法を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部分に記載されている構成によって解決される。殊に有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

ハロゲン金属蒸気ランプの作動は複数の状態に大まかに分類され、これらの状態は時間的に所定のシーケンスで現われる。このシーケンスの順序と相違しているとランプは故障しており、バラストによって後続の論理的に正しい状態に切り換えることは不可能である。これは禁止状態と称され、この状態においてはバラストが次回の電源リセットまでランプを遮断する。したがって故障したランプおよび寿命が尽きそうなランプがさらに動作することはない。これによって外管バルブ放電（outer bulb discharge）および「白熱モード（incandescent mode）」に起因する照明およびホルダーの損傷のような危険が生じることはない（火事の危険）。市販のバラストに使用されるストラテジとこれらのストラテジの相違点は、電圧限界または時間限界によってのみが遮断が行われるのではなく、非常に厳密なシーケンスの順序のみ許容する状態マシンが使用されることである。確かに状態マシンの状態の変化は同様に電圧パラメータおよび時間パラメータによって制御されるが、状態の順序が非常に重要である。従来のバラストではいわゆる「白熱モード」を検出することができない。何故ならば、このモードは起動したランプの放電と電気的に類似する特性を有するからである。このストラテジによって「白熱モード」は全く生じなくなる。何故ならば、外管バルブ放電は即座に遮断されるからである。さらには良好なランプが誤って遮断されないことが保証されている。このための前提条件はバラストがマクロプロセッサを有することである。このマイクロプロセッサ内に状態マシンを設けることができる。これによって回路技術（ブーストコンバータ、ステップダウンコンバータ、ハーフブリッジ、フルブリッジなど）が影響を受けることはない。

第１の状態は点弧も含むスタートフェーズである。電源電圧のスイッチオン後にバラストはこの状態にある。この状態においては、点弧電圧の出力によってランプを点弧することが試みられる。

装置がパルス点弧と共振点弧のどちらを使用するかは問題ではない。以下の条件のうちの１つが発生した場合にのみ状態「点弧」から移行することができる：
−電源電圧の遮断、
−点弧タイマの満了（例えば１８分後）、
−例えば１０V〜３５Ｖの目標ウィンドウ内にある動作電圧に達したときにのみ状態「起動」に移行。

第２の状態は起動、すなわち始動電流の調整である。バラストは第１の状態の終了後にしか、すなわち状態「点弧」からしか状態「起動」に移行しない。この状態においては起動タイマがスタートされ、時間に依存する電圧の限界がランプ電圧と比較される。時間に依存する限界を超えると、これは禁止状態への移行であり、この状態においてバラストは遮断される。以下の条件が発生した場合にのみ状態「起動」から移行することができる：
−電源電圧の遮断、
−例えばバラスト内の到達温度のような内部バラストパラメータの必要に応じた考慮、
−２つの時間値ｔ１とｔ２の間、殊に最短で１５秒から最長で１６０秒の間にある時間窓が終了し、さらに動作電圧が閾値を上回る場合、殊に動作電圧が７０Ｖ以上になると、次の状態「通常運転」に移行。動作電圧が時間窓の開始前、例えば５秒後に既に閾値を超えて上昇している場合、ここではすなわち７０Ｖ以上に上昇している場合、状態マシンは禁止状態に移行する。この早期のエラーは白熱モードに起因していることが考えられる。

第３の状態は通常運転である。バラストは状態「起動」の終了後にしか状態「通常運転」に移行しない。通常運転においては常にランプの動作電圧が管理される。最大許容値を上回ると殊にタイマがスタートされ、このタイマは時間窓の経過後、例えば１８分後にランプを遮断する。最小許容値を下回ると、ランプが即座に遮断される。これにより外管バルブ放電の動作が阻止される。

以下の条件の内の少なくとも１つが満たされている場合にのみ、状態「通常運転」から移行することができる：
−電圧の遮断、
−例えばバラスト内の到達温度のような内部バラストパラメータの必要に応じた考慮、
−電圧限界の超過：最大許容値、例えば１２０Ｖの電圧限界を上回るとタイマが遮断される。例えば１８分後に遮断される。最小許容値、例えば７０Ｖの電圧限界を下回ると即座に禁止状態に移行し、したがって遮断が行われる。

相応にバラストは第４の状態、いわゆる禁止状態を識別する。上述したような状態切り換えに関する条件が満たされない場合に、バラストは禁止状態に移行する。このことは電圧限界を超えるか、時間限界と電圧限界の組合せである。禁止状態においてはバラストが遮断される。システムがオフにされ、またオンにされたときに初めて別の状態に移行することができる。

これらの状態は１〜３の順序でしか移行できない。このことは通常の欠陥のないランプの場合である。状態１から状態３への移行（白熱モードの発生に等しい）または状態３から状態２への移行（外管バルブ放電に等しい）は許可されておらず、必ず禁止状態に移行する。

詳細には、高圧放電ランプを作動させるための新たな方法は複数の状態に分類された以下のステップを使用する：
−スタートフェーズにおけるランプの点弧；
−接続されているランプの電極が損傷しないよう小さく選定されている起動時の始動電流の設定；
−所定の定格電力が許容定格電圧における帯域幅を生じさせる通常運転。

ランプが許容定格電圧帯域に達している状態に始動電流はこのランプを移行させたか否かを検出装置が検出し、状態マシンは状態「起動」が所定の時間窓内に経過しなければならないということに関して動作を監視する。

状態マシンは、メモリの内部状態に依存して同一の入力量に対して種々の反応を示すことができる自動装置である。例としてはフリップフロップである。

有利には、状態マシンが少なくとも３つの異なる状態、スタート、起動および通常運転を識別する。殊に有利には、起動の状態を複数の部分状態に分割することができる。これらの部分状態が一義的に時間的に連続して生じる場合は有利である。

一般照明用の放電ランプにおいては、「白熱モード」と称されるランプ欠陥が存在する。この欠陥は放電容器が気密でなくなり、充填物および充填ガスが外管内に侵入すると生じる。その種のランプのスタート時には、殊に片側だけが閉じられている外管内に充填物構成要素のプールが形成されると、外管放電が生じる可能性がある。この放電によって給電線の材料が外管において蒸発され、外管の内壁に堆積する。この内壁に導電性の膜が生じる。導電性の膜が給電線との接続部を有するように生じると、これにより「白熱モード」が発生する。「白熱モード」とは電流が流れることによりこの膜が燃えることである。このモードは通常の場合、電気的なパラメータに起因して、起動した通常の状態にあるランプと区別することができない。何故ならばランプは非対称性も、通常運転とは異なる動作電圧も有していないからである。

従来はこの状態を抑制することができなかった。何故ならば、この種のランプを作動させるための方法はその時点における電圧値および電流値を測定し、限界値および特性曲線の勾配に基づきこれらの電圧値および電流値に反応するからである。しかしながら状態マシンを用いることにより、この不所望な状態も抑制することができる。

状態マシンは自身の状態を確認するために従来技術に関して説明した方法と同じ方法を使用する。これらの状態の経過の正確な順序が確認されることによって、初めて白熱モードないしその発生を阻止することができる。すなわち同一の入力量、例えば通常運転時の動作電圧が生じても、後続状態「起動した状態のランプ」を許可しない状態マシンの目下の内部状態では遮断が行われる。

この状態「白熱モード」はこれまで識別することができなかったので、殊にこの理由から、放電ランプのためにプラスチックホルダーを使用しないことが照明メーカに推奨されていた。このようなプラスチックホルダーは「白熱モード」において溶けるか燃える可能性がある。この制限が今となって無くなっており、これにより一層廉価なホルダーを使用することができる。

適用領域として殊に金属ハロゲン化物ランプが挙げられるが、ナトリウム高圧ランプも考えられ、このナトリウム高圧ランプは外管内に放電容器を有している。

状態マシンは３つの状態を相互に区別することができ、殊に状態マシンは状態１から状態３への移行が排除されていることを保証する。殊に状態マシンは状態３から状態２への移行が排除されていることを保証する。

本発明には、高圧放電ランプを作動させるための作動装置も含まれ、作動装置、殊にマイクロプロセッサにより作動されるバラストは以下の特徴を有する：
−始動電流を設定する設定装置；
−検出装置；
−必要に応じて殊に調整装置；
−必要に応じて制御装置；
作動装置は付加的に状態マシンを有し、この状態マシンは有利には検出装置の構成要素であるか、これと協働する。状態マシンを有利にはマイクロプロセッサ内に集積することができる。マイクロコントローラのプログラムは状態マシンをカバーすることができる。殊にマイクロコントローラを例えばＡＳＩＣまたは制御ＩＣとして制御装置内に設けることができる。

調整装置は接続されているランプの出力を目標出力に調整することに適している。設定装置はランプのランプ電流を限界値に制限することに適している。検出装置は、接続されているランプをこのランプが目標出力を取る状態に移行させるためには限界値調整が小さい場合には、制御装置に信号を出力するよう構成されている。制御装置は設定装置に限界値を設定し、また検出装置が制御装置に信号を送信する場合には必要に応じて限界値を高める。詳細は例えばEP-A 1 476 003に記載されている。

すなわちマイクロプロセッサを用いて作動するバラストにおける高圧放電ランプのこの動作時には状態マシンが使用され、所定の誤動作が排除される。

欠陥のないランプ（白熱モードまたは他の欠陥を有していないランプ）はランプの起動時における動作電圧が一定であり、所定の領域においては単調に上昇する特性を有することを特徴とする。起動中にランプ電流がバラストによって設定される間、このランプ電流は始動電流と称される。通常の場合ランプ電流はほぼ連続的に設定される。動作電圧の時間的な経過が技術的な振動回路を要することなくマイクロコントローラによって測定できるようにランプの動作電圧は緩慢に変化する。０．２ｍｓ〜２０ｍｓの短い時間に生じる動作電圧の短時間の変化が測定時に時間的な平均化もしくはローパスフィルタリングによって抑制される。平均化もしくはローパスフィルタリングをアナログ形式またはディジタル形式で実施することができる。

欠陥のないランプを識別するための必要条件として、以下の３つの判定基準のうちの１つまたは複数が使用される。
１）起動時の動作電圧の定常性。このことは、所定の値よりも大きい急激な変化が時間的な経過において発生してはならないことを意味している。短時間の急激な変化は重要でないと見なされるので、したがってフィルタリングされ除去される。
２）択一的または付加的に、ランプのスタート後の１０ｓ〜３０ｓの範囲において供給されるランプ電圧の最初の急峻な上昇が利用される。この急峻な上昇は実質的にＨｇの蒸発に起因する。バラスト、殊にマイクロコントローラ内の評価ユニットは適切な長さの時間区分を発見しなければならず、この時間区分においてランプ電圧は非常に単調であり、ランプ電圧の勾配は時間にわたり所定の値領域内にある。

３５Ｗランプに関する値領域の具体的な実施例は４ｓの長さの時間窓である。この時間窓においてはランプ電圧の勾配が時間窓の総時間にわたり１．５Ｖ／ｓ〜６Ｖ／ｓの範囲にある。
３）ランプスタート後の始動時、すなわち所定の時間領域におけるランプ電圧の正の勾配。有利には、ランプ電圧の勾配が短時間にわたり負または０である領域を超えて適切な平均化が行われる。最も簡単な場合にはこの領域がフィルタリング除去される。具体的な例は、負の領域が時間窓の総時間の１０％よりも短い場合のフィルタリングに関する仕様である。

図面
以下では本発明を複数の実施例に基づき詳細に説明する。ここで、
図１は、電子的なバラストとランプからなるシステムのグループの始動時における動作電圧特性を示す。
図２は、ランプの始動特性と時間の関係を示す。
図３は、全ての状態を用いるフローチャートを示す。
図４は、状態マシンを有するバラストの概略図を示す。
図５は、複数の状態が表されている始動特性を示す。

有利な実施形態の説明
図１は、全部で７７個の金属ハロゲン化物ランプからなるバラストにおける始動時の動作電圧（単位：ボルト）を示す。これらのランプの代表的なものは石英ガラスからなる放電容器を備えた３５〜１５０Ｗのタイプのランプならびにシリンダ状で胴体部が膨らんだセラミック放電容器を備えた３５〜１５０Ｗのタイプのランプである。全ての動作位置も変更された。これらの測定は一般照明用の金属ハロゲン化物ランプの全体のスペクトルをカバーするので、これらの曲線から遮断を行わなければならない電圧限界および時間限界を推論することができる。欠陥のないランプ、すなわち白熱モードまたはその他の欠陥を有していないランプではランプの起動時の動作電圧は一定であり、また所定の領域においては単調に上昇するという特性が示される。

図２には、個々のハロゲン金属蒸気ランプの動作電圧の始動時の特性と時間の関係が示されている。曲線Ａは状態「点弧」を規定し、この状態は最長で１８分に制限されている。曲線Ｂは第２の状態「起動」の時間窓を規定し、最短で１５ｓ、最長で１６０ｓである。付加的に、状態「起動」に関する時間に依存する電圧上限ＢＯないし電圧下限ＢＵが示されている。第３の状態「通常運転」Ｎがこれに続く。この状態においては、上側限界ＮＯおよび下側限界ＮＵは時間に依存しない。点弧自体また点弧の時間限界は示されておらず、時間窓が単に菱形のマークでシンボリックに表されており、また線Ｚにより点弧が行われる電圧領域が示されている。ランプの実際の動作特性は参照符号ＬＰで表されている。図面は金属ハロゲン化物ランプを例にして、考えられる２つの状態切り換え、すなわち状態１→２（線Ｚｗ１２）および状態２→３（線Ｚｗ２３）の切り換えが示唆されている。その他の切り換えは許可されていない。

時間に依存するランプの起動に関する下側限界ＢＵの全ての値はマイクロプロセッサのメモリにテーブルとして記憶される。上側限界ＢＯおよびＮＯならびに通常運転における下側限界ＮＵは単一の値であり、時間には依存しない。

図３は、全ての状態を用いるフローチャートを示す。電源電圧のスイッチオン後に点弧タイマに関する時間窓が開かれる。ランプは状態１に移行する。全ての判定基準が満たされている場合には、起動タイマに関する時間窓が開かれた後にランプが状態２に移行する。全ての判定基準が満たされている場合には、ランプが状態３「通常運転」に移行する。欠陥時の特性により状態４「禁止状態」が生じ、ランプが遮断される。

図４は、金属ハロゲン化物ランプ１の概略的な回路図を示す。バラスト２は、公知のように、整流器３および調整素子４を包含する。この調整素子４は例えばステップダウンコンバータによって実現されている。調整素子４は検出装置５と接続されている。この検出装置５の重要な構成素子はマイクロコントローラ６、もしくは状態マシン７を備えたＩＣである。

図５は、複数の状態が表されているグラフを示す。Ｚにおけるスタートフェーズ後に、Ｈｇ蒸発の際の急峻な上昇領域において状態Ｂ１およびＢ２としての２つの時間窓が監視される。付加的に、スタート点Ｂ１と通常運転Ｎの開始時との間の始動時の正の勾配が監視される。Ｈｇの蒸発フェーズから金属ハロゲン化物の蒸発フェーズに移行するピーク領域ＢＶが抑制される。

電子的なバラストとランプからなるシステムのグループの始動時における動作電圧特性を示す。 ランプの始動特性と時間の関係を示す。 全ての状態を用いるフローチャートを示す。 状態マシンを有するバラストの概略図を示す。 複数の状態が表されている始動特性を示す。

Claims (8)

1. 高圧放電ランプの作動方法であって、
   ランプを点弧するステップと、
   接続されているランプの電極が損傷しないよう小さく選定されている始動電流を設定するステップと、
   所定の定格電力により許容定格電圧における帯域幅が生じる通常運転を行うステップとを有する、高圧放電ランプの作動方法において、
   設定された前記始動電流により、前記ランプは前記許容定格電圧の帯域に達している状態に移行したか否かを検出装置が検出し、状態マシンは起動の状態が所定の時間窓内に経過しなければならないということに関して動作を監視することを特徴とする、高圧放電ランプの作動方法。
2. 前記状態マシンは少なくとも３つの相互に異なる状態を区別し、第１の状態はスタートフェーズであり、第２の状態は起動であり、第３の状態は通常運転である、請求項１記載の方法。
3. 前記状態マシンは前記第１の状態から前記第３の状態への直接的な移行を禁止する、請求項２記載の方法。
4. 前記状態マシンは前記第３の状態から前記第２の状態への移行を禁止する、請求項２記載の方法。
5. 起動状態である前記第２の状態は複数の部分状態に分割されている、請求項２記載の方法。
6. 複数の状態は時間的に連続して生じる、請求項２記載の方法。
7. 設定装置と、検出装置とを有する高圧放電ランプを作動させる作動装置において、
   付加的に状態マシンを有し、該状態マシンは有利には前記検出装置の構成要素であることを特徴とする、作動装置。
8. さらに調整装置を有する、請求項７記載の作動装置。

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