JP2010067564A - 放電灯点灯装置、照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光ランプの調光レベルに係わらず、調光下限付近でも精度良く蛍光ランプの寿命末期を検出し、放電灯点灯装置を保護モードに制御することによって信頼性の高い放電灯点灯装置を提供する。
【解決手段】交流電源Ｖｓから直流電圧を生成する直流電源回路（整流平滑回路１）と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２とＬＣ直列共振回路（インダクタＬ１とコンデンサＣ４）を備え、前記直流電圧を高周波電圧に変換して蛍光ランプＦＬに供給する高周波変換回路２と、蛍光ランプＦＬに流れる電流を検出する手段（カレントトランスＣＴ）を有し、前記蛍光ランプＦＬに流れる電流値が所定値を超える場合に、前記高周波変換回路２を発振停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蛍光ランプを高周波点灯させる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、蛍光ランプ用の放電灯点灯装置として、特許文献１（特開２００５−２１６５５３号公報）に開示されたものがある。この放電灯点灯装置は、調光操作用可変抵抗を操作することにより、蛍光ランプの光出力を連続的に可変させるものである。この従来例のような放電灯点灯装置においては、高周波変換回路の高周波出力は調光回路に接続された調光操作用可変抵抗によって決定される調光レベルに応じて決定される。ユーザーは調光操作用可変抵抗を自由に操作することにより、調光上限〜調光下限の範囲において、所望の光出力を得ることができる。
特開２００５−２１６５５３号公報

蛍光ランプが寿命末期になると、蛍光ランプの片方の陰極から電子が放出されにくくなるので、図７に示すように、一方の極性で蛍光ランプの電流が流れにくくなる整流現象が発生する。この時、電子が放出されにくい陰極での降下電圧が増大し、前記陰極近傍での電力損失が増大する。結果として、前記陰極近傍で過大な熱が発生したり、高周波変換回路のスイッチング素子のストレスが増大し、放電灯点灯装置または放電灯点灯装置を搭載した照明器具の信頼性が損なわれるという問題があった。

図６で示される従来例では、蛍光ランプＦＬの電圧を検出する手段を具備しており、蛍光ランプＦＬの寿命末期の整流現象発生時に蛍光ランプＦＬの印加電圧が増大することをインバータ制御回路３が検出し、高周波変換回路２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を発振停止させることによって、前記問題を回避している。しかし、本従来例においては、調光した場合の蛍光ランプＦＬの印加電圧増大と蛍光ランプ寿命末期における蛍光ランプＦＬの印加電圧増大を判別出来ないという問題があった。

本発明は、前記の問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、蛍光ランプの調光レベルに係わらず、調光下限付近でも精度良く蛍光ランプの寿命末期を検出し、放電灯点灯装置を保護モードに制御することによって信頼性の高い放電灯点灯装置を提供することである。

請求項１に係る放電灯点灯装置は、上記の課題を解決するために、図１に示すように、交流電源Ｖｓから直流電圧を生成する直流電源回路（整流平滑回路１）と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２とＬＣ直列共振回路（インダクタＬ１とコンデンサＣ４）を備え、前記直流電圧を高周波電圧に変換して蛍光ランプＦＬに供給する高周波変換回路２と、蛍光ランプＦＬに流れる電流を検出する手段（カレントトランスＣＴ）を有し、前記蛍光ランプＦＬに流れる電流値が所定値を超える場合に、前記高周波変換回路２を発振停止することを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、図４に示すように、前記蛍光ランプＦＬの陰極にトランスＴｒ１の２次巻線出力より予熱電流を供給する予熱回路６を備え、前記ＬＣ直列共振回路７の共振用コンデンサＣ４と蛍光ランプＦＬの陰極の一端の間に抵抗Ｒ１等のインピーダンス素子を接続し、前記インピーダンス素子の両端電圧により蛍光ランプＦＬに流れる電流を検出する手段を具備することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、図５に示すように、前記蛍光ランプＦＬに流れる電流をマイクロコントローラ８ｅでデジタル信号として認識させる手段を有し、マイクロコントローラ８ｅのソフトウェアにより蛍光ランプＦＬの寿命判別を実施することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３の発明において、前記蛍光ランプＦＬに流れる電流値が所定値を超える場合に、前記高周波変換回路の発振周波数を制御して、前記蛍光ランプＦＬに流れる電流値を所定値以下にすることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４の発明において、図４に示すように、前記蛍光ランプＦＬに流れる電流を検出する手段は、蛍光ランプに流れる電流のピーク値を検出することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の放電灯点灯装置を具備することを特徴とする照明器具である。

請求項１の発明によれば、調光レベルに係わらず、調光下限付近でも精度良く蛍光ランプの寿命末期を検出し、放電灯点灯装置を保護モードに制御することによって信頼性の高い放電灯点灯装置を提供することが出来る。

請求項２の発明によれば、安価な構成で、調光レベルに係わらず、調光下限付近でも精度良く蛍光ランプの寿命末期を検出し、放電灯点灯装置を保護モードに制御することによって信頼性の高い放電灯点灯装置を提供することが出来る。また、適正な予熱電流を供給することにより蛍光ランプの長寿命を達成出来る。

請求項３の発明によれば、安価な構成で、調光レベルに係わらず、調光下限付近でも精度良く蛍光ランプの寿命末期を検出し、放電灯点灯装置を保護モードに制御することによって信頼性の高い放電灯点灯装置を提供することが出来る。また、蛍光ランプ電力のフィードバック制御により、蛍光ランプの周囲温度等の使用条件にかかわらず、所定の蛍光ランプ電力を得ることが出来るものである。

請求項４の発明によれば、寿命末期においても蛍光ランプに流れる電流値を所定値以下にすることができるので、スイッチング素子やその他の回路部品を保護することができる。

請求項５の発明によれば、蛍光ランプに流れる電流のピーク値を検出するようにしたから、異常な放電状態を容易に検出することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る放電灯点灯装置を示す。図中、１は整流平滑回路、２は高周波変換回路、３はインバータ制御回路である。整流平滑回路１は、整流ダイオードＤ１，Ｄ２と平滑コンデンサＣ１，Ｃ２からなる、いわゆる倍電圧整流回路であり、商用交流電源Ｖｓを整流・平滑して直流電圧を出力する。商用交流電源Ｖｓは１００〜１２０Ｖ、５０／６０Ｈｚであり、整流平滑回路１の出力電圧は１４０〜１７０Ｖとなる。

高周波変換回路２は、ハーフブリッジインバータ回路であり、整流平滑回路１の出力に接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列回路を備えている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２はインバータ制御回路３から出力される駆動信号により高周波で交互にオンオフされる。スイッチング素子Ｑ２の両端には、直流カット用コンデンサＣ３と共振用のインダクタＬ１を介して蛍光ランプＦＬが接続されている。蛍光ランプＦＬは、放電管の両端にフィラメント電極を備える熱陰極ランプであり、各電極の非電源側端子間には共振用コンデンサＣ４が並列接続されている。

蛍光ランプＦＬの低電位側（グランド側）の電極には、ランプ電流を検出するようにカレントトランスＣＴが接続されている。カレントトランスＣＴにより検出されたランプ電流はインバータ制御回路３に入力されて、正常点灯時に比べて過大なピーク電流を検出すると、蛍光ランプＦＬが寿命末期と判定し、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の発振動作を停止させる。

本実施形態においては、インバータ制御回路３が高周波変換回路２の発振周波数を変化させることにより、前記蛍光ランプＦＬの高周波出力を変化させている。高周波出力の大きさは、整流平滑回路１の出力電圧およびスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の動作周波数によって決まり、共振用インダクタＬ１と共振用コンデンサＣ４および蛍光ランプＦＬによって構成されるＬＣＲ共振カーブに従って変化する。

インバータ制御回路３では、カレントトランスＣＴにより蛍光ランプＦＬのランプ電流を検出している。蛍光ランプＦＬの寿命末期時には、図７に示すように蛍光ランプＦＬのランプ電流が極端に非対称になるので、結果的に共振用コンデンサＣ４の充電電流と放電電流がアンバランスになり、図２のＡに示すように、共振用コンデンサＣ４の両端電圧の片方のピーク値が上昇する。共振用コンデンサＣ４の片側のピーク電圧がある値を超えると、図２のＢに示すように、この共振用コンデンサＣ４の電荷が蛍光ランプＦＬを介して放電される。この時、図３に示すように、蛍光ランプＦＬには過大なパルス電流が発生する。そして、この過大なパルス電流と寿命になった陰極に発生する陰極降下電圧による過大な電力損失が前記寿命になった陰極に発生し、陰極近傍の過熱が加速されることになる。

本実施形態では、蛍光ランプＦＬの寿命末期に発生する蛍光ランプＦＬの過大なパルス電流を前記カレントトランスＣＴで検出することにより蛍光ランプＦＬの寿命末期を検出し、インバータ制御回路３がスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の発振動作を停止させている。調光時には、蛍光ランプＦＬのランプ電流は減少するが、調光時においても、蛍光ランプＦＬの寿命末期時の過大なパルス電流を検出することにより確実に寿命末期を判定し、放電灯点灯装置を保護出来るものである。

（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２に係る放電灯点灯装置を示す。商用交流電源Ｖｓは全波整流器ＤＢ１により全波整流され、昇圧チョッパ回路４により直流電圧に変換される。昇圧チョッパ回路４は、インダクタＬ２とスイッチング素子Ｑ３とダイオードＤ３と平滑コンデンサＣ１により構成され、商用交流電源Ｖｓよりも十分に高い周波数でスイッチング素子Ｑ３がオン・オフを繰り返すことで、入力力率を改善すると共に、全波整流器ＤＢ１の出力電圧のピーク値よりも昇圧された直流電圧を平滑コンデンサＣ１に充電するものである。

昇圧チョッパ回路４の出力電圧は、インバータ回路５により高周波の矩形波電圧に変換される。インバータ回路５は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列回路からなるハーフブリッジ回路であり、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が高周波で交互にオン・オフすることにより、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点に高周波の矩形波電圧を発生させ、先行予熱回路６とＬＣ共振回路７に供給するものである。

先行予熱回路６は、直流カット用のコンデンサＣ５と、予熱用のトランスＴｒ１と、常時予熱時の限流用インピーダンス素子としてのコンデンサＣ６と、先行予熱時にオンされるスイッチング素子Ｑ４と、予熱用のコンデンサＣ７，Ｃ８とから構成されている。予熱用のトランスＴｒ１の１次巻線は、直流カット用のコンデンサＣ５とスイッチング素子Ｑ４を介してインバータ回路５の出力に接続されている。予熱用のトランスＴｒ１の一対の２次巻線は、それぞれ予熱用のコンデンサＣ７，Ｃ８を介して蛍光ランプＦＬの両電極のフィラメントに接続されている。先行予熱時にはスイッチング素子Ｑ４がオンされることにより、フィラメントには十分な予熱電流が供給される。また、先行予熱期間が終了すると、スイッチング素子Ｑ４がオフされるが、限流用インピーダンス素子としてのコンデンサＣ６を介して予熱用のトランスＴｒ１の１次巻線に高周波電流が流れることにより、フィラメントには常時予熱電流が供給される。常時予熱電流はフィラメントが所定の温度を維持出来る程度の大きさに設定される。これにより、蛍光ランプＦＬの長寿命を達成している。

ＬＣ共振回路７は、共振用のインダクタＬ１と共振用のコンデンサＣ４，Ｃ３からなり、コンデンサＣ３は直流カット用のコンデンサを兼用している。インバータ回路５から出力される高周波の矩形波電圧はＬＣ共振回路７により略正弦波の高周波電圧に変換されて、蛍光ランプＦＬに供給される。蛍光ランプＦＬの一方の電極と共振用のコンデンサＣ４の間には電流検出用の抵抗Ｒ１が直列に挿入されている。この抵抗Ｒ１の両端電圧を検出することにより、ランプ電流が検出される。

次に、制御回路８の構成について説明する。この制御回路８は、高耐圧集積回路であるＨＶＩＣ９と、その周辺回路とから構成されている。ＨＶＩＣ９は、先行予熱期間にスイッチング素子Ｑ４をオン駆動する先行予熱制御部９ｃと、入力力率改善制御（ＰＦＣ）のために昇圧チョッパ回路４のスイッチング素子Ｑ３を制御するＰＦＣ制御部９ａと、インバータ回路５のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を駆動するためのＭＯＳＦＥＴドライバ９ｂと、先行予熱回路６のスイッチング素子Ｑ４を制御する先行予熱制御部９ｃと、先行予熱期間を決定する先行予熱タイマー９ｄと、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の発振周波数を制御する発振器制御部９ｅと、外部からの調光信号を受けて発振器制御部９ｅの動作を制御する調光制御部９ｆとを備えている。

発振器制御部９ｅは、先行予熱タイマー９ｄの出力を受けて、先行予熱期間にはインバータ回路５の発振周波数をＬＣ共振回路７の無負荷時共振周波数よりも十分に高い周波数に設定する。これにより、先行予熱期間では共振電圧が始動電圧よりも低く設定され、蛍光ランプＦＬは点灯しない。このとき、先行予熱回路６のスイッチング素子Ｑ４はオンされており、予熱トランスＴｒ１の出力により蛍光ランプＦＬのフィラメントは十分に予熱される。先行予熱期間が経過すると、発振器制御部９ｅはインバータ回路５の発振周波数をＬＣ共振回路７の無負荷時共振周波数に近づくように低下させて行き、共振電圧が蛍光ランプＦＬの始動電圧を越えると、蛍光ランプＦＬが点灯する。なお、先行予熱期間が経過すると、スイッチング素子Ｑ４はオフされて、先行予熱電流は遮断されるが、コンデンサＣ３を介して流れる高周波電流により常時予熱電流が供給される。

蛍光ランプＦＬが点灯すると、ＬＣ共振回路７に蛍光ランプＦＬの負荷インピーダンスが並列接続されることで、共振回路のＱが低下し、点灯時共振周波数は無負荷時共振周波数よりも低下する。この点灯時共振周波数よりも高い範囲で調光制御部９ｆの出力を受けてインバータ回路５の発振周波数が可変制御される。このように、インバータ回路５は点灯時共振周波数よりも高い遅相モードで発振動作しているので、インダクタＬ１による誘導性リアクタンスが支配的となり、インバータ回路５の発振周波数が高くなると、インダクタＬ１のインピーダンスの増大によりランプ電流は低下する。

次に、調光制御のための構成について説明する。本実施形態では、外部のコントローラから入力されるＰＷＭ信号（オンデューティ信号）を調光信号インターフェイス回路１０を介して直流電圧信号に変換して、ＨＶＩＣ９の調光制御部９ｆに入力することによって、ＰＷＭ信号のオンデューティに応じて、蛍光ランプＦＬの調光制御が実施される。調光信号インターフェイス回路１０は、絶縁用のフォトカプラ１０ａと、その出力を平滑する平滑回路１０ｂとを備え、ＰＷＭ信号のオンデューティに応じて増減する直流電圧信号を出力する。ＨＶＩＣ９の調光制御部９ｆは、この直流電圧信号に応じてインバータ回路５の発振周波数を可変制御することにより調光制御を実現している。

ランプ電流は電流検出用抵抗Ｒ１により電圧信号に変換される。電流検出用抵抗Ｒ１の両端電圧は全波整流器ＤＢ２により全波整流されて、ピーク検出回路８ａにより電圧ピーク値を検出される。検出された電圧ピーク値が半波放電に起因する異常な値であると、寿命判別回路８ｂでは、蛍光ランプＦＬの寿命末期と判別し、その判別信号をＨＶＩＣ９の発振器制御部９ｅに伝達する。発振器制御部９ｅでは、寿命末期の判別信号を受信すると、インバータ回路５の出力を停止または低減させる。

なお、ＨＶＩＣ９の発振制御部９ｅは、ランプ電圧検出回路８ｃにより蛍光ランプＦＬの印加電圧をモニターしており、ランプ電圧が調光以外の理由で異常に上昇した場合にもインバータ回路５の出力を停止または低減させる。

（実施形態３）
図５は本発明の実施形態３に係る放電灯点灯装置を示す。本実施形態では、調光信号は、例えばＩＥＣ規格で規定されるＤＡＬＩ信号のようなデジタル信号である。外部コントローラから入力されるデジタル信号は、調光信号インターフェイス回路１０を介してマイコン（マイクロコントローラ）８ｅのＩ／Ｏポートに入力され、マイコン８ｅでデータ処理された後、マイコン８ｅの調光指令用Ｉ／Ｏポートより出力される信号により、調光制御部９ｆを介して、発振器制御部９ｅは所定の調光レベルになるようにスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の発振周波数を制御する。

本実施形態においては、抵抗Ｒ１には蛍光ランプＦＬのランプ電流が流れるので、この抵抗Ｒ１の両端電圧をランプ電流検出回路８ｄを介して、マイコン８ｅのＡ／Ｄ変換入力ポートに入力することによりランプ電流をデジタル信号としてマイコン８ｅで認識している。同様に、蛍光ランプＦＬのランプ電圧もランプ電圧検出回路８ｃを介して、マイコン８ｅのＡ／Ｄ変換入力ポートに入力することによりランプ電圧をデジタル信号としてマイコン８ｅで認識している。

蛍光ランプＦＬの寿命末期に過大なパルス電流が発生すると、図３に例示したような特有の波形の特徴をマイコン８ｅが波形識別ソフトウェアにより自動判別し、寿命末期に特有の波形の特徴が検出されると、マイコン８ｅの寿命末期判定信号出力用のＩ／Ｏポートより発振器制御部９ｅに入力される信号によりスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の発振動作が停止する。

また、デジタル信号として認識した、ランプ電圧とランプ電流よりランプ電力をマイコン８ｅ内で演算することにより、ランプ電力を発振制御部９ｅに帰還することでフィードバック制御が出来る。これにより蛍光ランプＦＬの周囲温度等にかかわらず所定のランプ電力を得ることが出来るものである。

（実施形態４）
実施形態１〜３の放電灯点灯装置を搭載された照明器具の外観を図８に例示する。照明器具３０は、実施形態１〜３のいずれかに記載の放電灯点灯装置を組み込んだ器具本体３１と、放電灯点灯装置と蛍光ランプＦＬを電気的に接続するための一対のソケット３２とを備え、ソケット３２には蛍光ランプＦＬのフィラメント電極が着脱自由に装着される。ここでは、負荷として直管型の蛍光ランプを例示したが、丸型蛍光ランプや二重環形蛍光ランプの点灯装置に本発明を適用しても構わない。また、同じ照明空間に配置された複数台の照明器具３０を同じ電源系統に接続して、１つの壁スイッチあるいはセンサにより一斉に点灯可能な照明システムとして構成してもよい。

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の動作説明のための波形図である。 図２の時間軸を拡大して示した波形図である。 本発明の実施形態２の回路図である。 本発明の実施形態３の回路図である。 従来例の回路図である。 従来例の動作説明のための波形図である。 本発明の実施形態４の照明器具の外観を示す斜視図である。

符号の説明

１ 整流平滑回路
２ 高周波変換回路
３ インバータ制御回路
ＦＬ 蛍光ランプ
ＣＴ 電流トランス

Claims (6)

1. 交流電源から直流電圧を生成する直流電源回路と、スイッチング素子とＬＣ直列共振回路を備え、前記直流電圧を高周波電圧に変換して蛍光ランプに供給する高周波変換回路と、蛍光ランプに流れる電流を検出する手段を有し、前記蛍光ランプに流れる電流値が所定値を超える場合に、前記高周波変換回路を発振停止することを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 前記蛍光ランプの陰極にトランスの２次巻線出力より予熱電流を供給する予熱回路を備え、前記ＬＣ直列共振回路の共振用コンデンサと蛍光ランプの陰極の一端の間に抵抗等のインピーダンス素子を接続し、前記インピーダンス素子の両端電圧により蛍光ランプに流れる電流を検出する手段を具備することを特徴とする請求項１に記載の放電灯点灯装置。
3. 前記蛍光ランプに流れる電流をマイクロコントローラでデジタル信号として認識させる手段を有し、マイクロコントローラのソフトウェアにより蛍光ランプの寿命判別を実施することを特徴とする請求項１または２に記載の放電灯点灯装置。
4. 前記蛍光ランプに流れる電流値が所定値を超える場合に、前記高周波変換回路の発振周波数を制御して、前記蛍光ランプに流れる電流値を所定値以下にすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の放電灯点灯装置。
5. 前記蛍光ランプに流れる電流を検出する手段は、蛍光ランプに流れる電流のピーク値を検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の放電灯点灯装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の放電灯点灯装置を具備することを特徴とする照明器具。

Images