JP2010033956A - 点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハロゲンランプを高効率で点灯制御すると共に十分な調光範囲を得る。
【解決手段】ハロゲンランプの点灯装置において、ハロゲンランプが２次巻線に接続されるトランスと、トランスの１次巻線及びコンデンサによって構成される共振回路をスイッチング素子によって駆動する全波型電流共振回路とを具備する。全波型電流共振回路は、トランスの１次巻線とコンデンサとに基づく共振周波数で共振する。この共振によって、トランスの２次巻線に交流電圧を発生させる。この交流電圧がハロゲンランプに供給されて、ハロゲンランプは高効率で駆動される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハロゲンランプの点灯装置に関する。

従来、照明装置として、ハロゲンランプが採用されることがある。ハロゲンランプは、高い演色性を有し、寿命末期まで初期の光束・色温度を維持するという特性から、種々の照明装置、例えば、顕微鏡用の光源装置に利用されている。

ハロゲンランプの点灯装置としては、特許文献１等に開示されているように、スイッチング電源を採用して定電圧制御を行うものが考えられる。スイッチング電源は、入力電圧を整流平滑化するための整流回路及び平滑コンデンサを有すると共に、スイッチングトランジスタ及びトランスによって構成されるフォワード／フライバックコンバータを有する。スイッチングトランジスタによって、入力された直流電圧を高周波の交流に変換してトランスに供給し、トランスの２次側において整流平滑回路によって直流電圧に変換する。スイッチング電源は、スイッチングトランジスタのオンデューティを制御することで、安定的な直流電圧を得るようになっている。
特開平８−９８３９３号公報

しかしながら、スイッチング電源はターンオン、ターンオフ時のスイッチングロスが生じることから、効率が悪いという欠点がある。

本発明は、全波型電流共振回路を用いることで高効率の点灯制御を可能にすることができる点灯装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る点灯装置は、ハロゲンランプの点灯装置において、前記ハロゲンランプが２次巻線に接続されるトランスと、前記トランスの１次巻線及びコンデンサによって構成される共振回路をスイッチング素子によって駆動する全波型電流共振回路とを具備したことを特徴とする。

本発明によれば、全波型電流共振回路を用いることで高効率の点灯制御を可能にすることができるという効果を有する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る点灯装置を示す回路図である。

電源端子１と基準電位点との間には平滑用のコンデンサＣ１が接続されている。コンデンサＣ１の両端電圧が、全波型電流共振回路２の電源電圧となる。また、コンデンサＣ１の両端には、抵抗Ｒ１，Ｒ２及びツェナーダイオードＤ１の直列回路が接続されている。抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点と基準電位点との間には平滑用のコンデンサＣ２が接続される。また、抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点はトランジスタＴＲ１のエミッタコレクタ路及び抵抗Ｒ３を介して制御部３の電源端Ｖｃｃに接続される。トランジスタＴＲ１のベースはツェナーダイオードＤ１のカソードに接続される。制御部３の電源端Ｖｃｃは平滑用のコンデンサＣ３を介して基準電位点に接続される。

コンデンサＣ１の両端電圧は抵抗Ｒ１，Ｒ２によって分圧され、抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点には、コンデンサＣ１の端子電圧、ツェナーダイオードＤ１のツェナー電圧及び抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値に基づく電圧が発生する。この電圧に基づいてトランジスタＴＲ１のコレクタに発生する電圧が、コンデンサＣ３によって平滑されて、制御部３の電源電圧となる。

コンデンサＣ１の正極性端子には、ハイサイドＦＥＴトランジスタであるトランジスタＱ１のドレインが接続される。トランジスタＱ１のソースはローサイドＦＥＴトランジスタであるトランジスタＱ２のドレインに接続され、トランジスタＱ２のソースは基準電位点に接続されている。トランジスタＱ１，Ｑ２のゲートには制御部３から夫々駆動信号Ｏ１，Ｏ２が供給される。

駆動信号Ｏ１，Ｏ２によって、トランジスタＱ１，Ｑ２は交互にオン，オフする。即ち、トランジスタＱ１がオンの場合にはトランジスタＱ２はオフであり、トランジスタＱ２がオンの場合にはトランジスタＱ１はオフである。

トランジスタＱ１のソースとトランジスタＱ２のドレインとの接続点は、トランスＴ１の１次巻線Ｌ１及びコンデンサＣ４を介して基準電位点に接続される。トランスＴ１の２次巻線Ｌ２にはハロゲンランプ４が接続される。トランスＴ１の１次巻線Ｌ１に含まれるリーケージインダクタとコンデンサＣ４とによって共振回路が構成される。この共振回路の共振周波数は、リーケージインダクタのインダクタンスとコンデンサＣ４の容量とで決まる。共振回路の共振によって、トランスＴ２の２次巻線Ｌ２に交流電圧が発生する。この交流電圧がハロゲンランプ４に供給されるようになっている。

定電圧制御を行うために、トランスＴ１には電圧検出用の補助巻線Ｌ３が設けられる。この補助巻線Ｌ３の正極性側は、抵抗Ｒ６、ダイオードＤ２、抵抗Ｒ４，Ｒ５の直列回路を介して基準電位点に接続される。ダイオードＤ２のカソードはコンデンサＣ５を介して基準電位点に接続される。

補助巻線Ｌ３に発生した電圧は、抵抗Ｒ６，ダイオードＤ２及びコンデンサＣ５によって直流電圧として取り出される。この直流電圧は抵抗Ｒ４，Ｒ５によって分圧されて、フィードバック電圧として制御部３のフィードバック（Ｆ／Ｂ）端に供給される。制御部３はフィードバック電圧と基準電圧とを比較することで、フィードバック電圧が基準電圧に一致するように、駆動信号Ｏ１，Ｏ２の周波数を変更する。駆動信号Ｏ１，Ｏ２の周波数を低くすると、共振電流が増大して２次巻線Ｌ２に現れる電圧は高くなり、駆動信号Ｏ１，Ｏ２の周波数を高くすると、共振電流が減少して２次巻線Ｌ２に現れる電圧は低くなる。制御部３は、フィードバック電圧が基準電圧よりも高くなろうとすると駆動信号Ｏ１，Ｏ２の周波数を高くし、フィードバック電圧が基準電圧よりも低くなろうとすると駆動信号Ｏ１，Ｏ２の周波数を低くする。これにより、定電圧制御が可能である。

次に、このように構成された実施の形態の作用について図２乃至図４を参照して説明する。

制御部３には、コンデンサＣ３の端子電圧が電源電圧として供給される。制御部３はトランジスタＱ１，Ｑ２を交互にオン，オフさせるための駆動信号Ｏ１，Ｏ２を発生してトランジスタＱ１，Ｑ２のゲートに供給する。

駆動信号Ｏ１，Ｏ２によってハイサイドのトランジスタＱ１がオンの場合には、トランジスタＱ２はオフである。この場合には、コンデンサＣ１の正極性端子からトランジスタＱ１のドレインソース路、トランスＴ１の１次巻線Ｌ１、コンデンサＣ４を介して基準電位点に電流が流れてコンデンサＣ４が充電される。駆動信号Ｏ１，Ｏ２によってローサイドのトランジスタＱ２がオンの場合には、トランジスタＱ１はオフである。この場合には、コンデンサＣ４の正極性端子からトランスＴ１の１次巻線Ｌ１、トランジスタＱ２のドレインソース路を介して基準電位点に電流が流れる。こうして、リーケージインダクタとコンデンサＣ４による共振回路が共振する。

図２は横軸に時間をとり縦軸に電流値又は電圧値をとって、トランジスタＱ１のドレインソース間電圧Ｖｄｓ及びドレイン電流Ｉｄを示す波形図である。

トランジスタＱ１は駆動信号Ｏ１に基づいてオン，オフし、図２に示すように、ドレインソース間電圧Ｖｄｓは矩形状に変化する。一方、ドレイン電流Ｉｄは、共振回路の共振電流と同様に正弦波状である。トランジスタＱ１のドレイン電流Ｉｄは、トランジスタＱ１のオン期間にのみ流れるので、正弦波状の共振電流の一部の期間の電流波形に一致する。なお、トランジスタＱ２についても、トランジスタＱ１のドレインソース間電圧Ｖｄｓ及びドレイン電流Ｉｄと同様の電圧、電流波形となる。

共振回路の共振によって、トランスＴ１の１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２との巻数比に応じた電圧が２次巻線Ｌ２に現れる。この電圧がハロゲンランプ４に供給されて、ハロゲンランプ４が点灯する。

図３は横軸に時間をとり縦軸に電圧値又は電流値をとって、ランプ電圧及びランプ電流を示す波形図である。図３に示すように、ランプ電圧及びランプ電流は略正弦波状である。図３の例では、実効値で約１７．４Ｖのランプ電圧が得られている。また、ランプ電流の実効値は約６．９Ａである。

図４は横軸に出力電力をとり縦軸に効率をとって、本実施の形態における効率の変化を示すグラフである。図４は負荷抵抗が１．４４Ω、入力が３７０Ｖの場合に、出力を１０Ｗから１００Ｗに変化させて効率を求めたものである。

図４に示すように、本実施の形態では、極めて高い効率が得られることが分かる。特に、出力３０Ｗ以上では、約９６％の効率が得られている。

このように本実施の形態においては、全波型電流共振回路を用いてハロゲンランプの点灯電圧を発生しており、極めて高い効率での点灯制御が可能である。

図５は本発明の第２の実施の形態を示す回路図である。図５において図１と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略する。

第１の実施の形態においては、補助巻線Ｌ３によって検出した電圧に基づくフィードバック制御によって、出力の定電圧制御を行っている。更に、制御部３のＦ／Ｂ端に帰還する電圧を制御することで、調光を可能にすることが考えられる。しかしながら、トランスＴ１の２次巻線Ｌ２に現れる電圧は、コンデンサＣ１の端子電圧及び巻線Ｌ１，Ｌ２の巻数比が支配的であり、ランプ電圧を十分に変化させることはできない。

本実施の形態は、ランプ電圧を十分に変化させることを可能にして、ハロゲンランプ４の調光範囲を拡大するようにしたものである。

本実施の形態はトランスＴ１の２次巻線Ｌ２の一端とハロゲンランプ４の一端との間にチョークコイルＬ４を接続し、２次巻線Ｌ２の他端とハロゲンランプ４の他端との間にチョークコイルＬ５を接続すると共に、抵抗Ｒ５に代えて可変抵抗ＶＲ１を採用した点が図１の実施の形態と異なる。

次に、このように構成された実施の形態の動作について図６及び図７を参照して説明する。図６及び図７は横軸に時間をとり縦軸に電圧値又は電流値をとって、ランプ電圧及びランプ電流を示す波形図である。図６は出力１００Ｗ時の波形であり、図７は出力１０Ｗ時の波形である。

いま、調光率を比較的高くするものとする。この場合には、可変抵抗ＶＲ１の抵抗値を小さくする。そうすると、抵抗Ｒ４と可変抵抗ＶＲ１との接続点に現れるフィードバック電圧が比較的小さな値となる。制御部３は、フィードバック電圧と基準電圧とを一致させるように駆動信号Ｏ１，Ｏ２の周波数を変化させる。即ち、この場合には、制御部３からの駆動信号Ｏ１，Ｏ２の周波数は比較的低い周波数となる。

駆動信号Ｏ１，Ｏ２の周波数を変化させても、共振回路の共振周波数はリーケージインダクタとコンデンサＣ４によって定まっており変化しないが、トランスＴ１の１次巻線Ｌ１に流れる電流の向きの反転周期は、駆動信号Ｏ１，Ｏ２の周波数に応じて変化する。従って、トランスＴ１の２次巻線Ｌ２に発生する電圧の周波数も、駆動信号Ｏ１，Ｏ２の周波数に従って変化する。２次巻線Ｌ２とハロゲンランプ４との間のチョークコイルＬ４，Ｌ５は、２次巻線Ｌ２に発生する電圧の周波数が高くなるほどインピーダンスが増大し、２次巻線Ｌ２に発生する電圧の周波数が低くなるほどインピーダンスが減少する。

従って、駆動信号Ｏ１，Ｏ２の周波数が比較的低い周波数の場合には、チョークコイルＬ４，Ｌ５のインピーダンスが比較的低く、ハロゲンランプ４に十分な電圧を印加することができる。これにより、ハロゲンランプ４は比較的高い調光率で点灯する。

図６はこの場合のランプ電圧及びランプ電流を示している。図６の例では、ランプ電圧及びランプ電流の周波数は約３７．９ＫＨｚである。この場合には、実効値で約１７．４Ｖのランプ電圧が得られている。また、ランプ電流の実効値は約６．９Ａである。

逆に、調光率を比較的低くする場合には、可変抵抗ＶＲ１の抵抗値を大きくする。そうすると、フィードバック電圧が比較的大きな値となり、制御部３によって駆動信号Ｏ１，Ｏ２の周波数が比較的高い周波数となる。

従って、トランスＴ１の２次巻線Ｌ２に発生する電圧の周波数も比較的高くなり、コイルＬ４，Ｌ５のインピーダンスは比較的大きくなる。これにより、ハロゲンランプ４に印加される電圧は比較的低くなり、ハロゲンランプ４は比較的低い調光率で点灯する。

図７はこの場合のランプ電圧及びランプ電流を示している。図７の例では、ランプ電圧及びランプ電流の周波数は約７３．０ＫＨｚである。この場合には、実効値で約７．７Ｖのランプ電圧が得られている。また、ランプ電流の実効値は約２．０Ａである。

このように本実施の形態においては、インダクタンス素子を２次側巻線に設けることで、周波数に応じたインピーダンスを発生させて、ハロゲンランプに印加される電圧を大きく変化させることができ、ハロゲンランプを十分な調光範囲で点灯制御することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る点灯装置を示す回路図。 横軸に時間をとり縦軸に電流値又は電圧値をとって、トランジスタＱ１のドレインソース間電圧Ｖｄｓ及びドレイン電流Ｉｄを示す波形図。 横軸に時間をとり縦軸に電圧値又は電流値をとって、ランプ電圧及びランプ電流を示す波形図。 横軸に出力電力をとり縦軸に効率をとって、本実施の形態における効率の変化を示すグラフ。 本発明の第２の実施の形態を示す回路図。 横軸に時間をとり縦軸に電圧値又は電流値をとって、ランプ電圧及びランプ電流を示す波形図。 横軸に時間をとり縦軸に電圧値又は電流値をとって、ランプ電圧及びランプ電流を示す波形図。

符号の説明

１…全波型電流共振回路、Ｃ４…コンデンサ、Ｔ１…トランス、Ｌ１，Ｌ２…巻線、Ｌ４，Ｌ５…チョークコイル、３…制御部、４…ハロゲンランプ、Ｑ１，Ｑ２…トランジスタ、ＶＲ１…可変抵抗。

Claims (2)

1. ハロゲンランプの点灯装置において、
   前記ハロゲンランプが２次巻線に接続されるトランスと、
   前記トランスの１次巻線及びコンデンサによって構成される共振回路をスイッチング素子によって駆動する全波型電流共振回路と
   を具備したことを特徴とする点灯装置。
2. 前記トランスの２次巻線と前記ハロゲンランプとの間に設けたチョークコイル
   を具備したことを特徴とする請求項１に記載の点灯装置。

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