JP2010519715A - 高圧放電ランプの電力適合化のための回路装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率を有するランプ発光管を使用する集積電子装置付き高圧放電ランプを提供する。
【解決手段】本発明は、高圧放電ランプの電力調整のための回路装置に関する。この回路装置は、チョークコイルでの点灯に適していて、高圧放電ランプ内または高圧放電ランプの口金内に配置されている。回路装置は電子スイッチを含み、電子スイッチがランプに対して並列に接続されていて、この並列回路がチョークコイルに直列に配置されている。
【選択図】図７

Description

本発明は、同じ光束で高電力かつ低効率の高圧ランプと置き換えることのできる、電子回路を組み込まれた高効率の高圧ランプに関する。これは、低効率の高圧ランプの既存の従来型安定器を用いて既存の動作点への直接的な更なる適合化を行なうことなしに、この高効率の高圧ランプを使用できるようにしようとするものである。本発明は、とりわけ高効率の高圧ランプとして、置き換えられるべき低効率ランプと光束の一致しない標準ランプを使用することを可能にすることに狙いがある。この場合に、本発明は、とりわけ高圧水銀ランプから高効率を有する高圧ナトリウムランプへの置き換えに関する。しかし、本発明は、もちろん、効率において相応の相違を有する他のどのようなランプ組み合わせでも達成可能である。

これまでは、装置改造用途のために、置き換えられるべきランプに特性を整合させた特殊なランプが作られた。何年も前から、印加される系統電圧によって始動されるいわゆるペニング混合ガスを有する高圧ナトリウムランプが存在し、このランプは公知である（例えば、非特許文献１参照）。この高圧ナトリウムランプは、通常の高圧ナトリウムランプに比べて低いランプ効率を持つ。このランプ内のネオン・アルゴン混合ガスによって、プラズマが高い熱伝導性を持ち、このことが結果として高い熱的なアーク損失、したがって良好でない効率を生じる。この混合ガスによって、高圧ナトリウムランプの通常は明らかに高い始動電圧が高圧水銀ランプのレベルに低下するので、高圧水銀ランプの安定器での直接使用がようやく可能となる。

従来技術に基づく調光回路は、一般にスイッチがランプに直列に接続されている回路を使用する。このような回路は公知である（例えば、非特許文献２参照）。

Ｇｒｏｏｔ，ｖａｎ Ｖｌｉｅｔ，"Ｔｈｅ Ｈｉｇｈ-Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｏｄｉｕｍ Ｌａｍｐ"，Ｋｌｕｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｂｏｅｋｅｎ Ｂ．Ｖ．−Ｄｅｖｅｎｔｅｒ，１９８６，Ｃｈａｐｔｅｒ ６，Ｐａｇｅ １７５ Ｌｉｔｔｅｌｆｕｓｅ，"Ｐｈａｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｓｉｎｇ Ｔｈｒｉｓｔｏｒｓ"，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｎｏｔｅ ＡＮ１００３，２００４

本発明の課題は、高いランプ効率を有するランプ発光管を使用する、電子回路を組み込まれた高圧放電ランプを提供することにある。光束適合化、従って電力適合化を調光回路によって達成し、そして高い始動電圧を、ランプ内に、好ましくはランプの口金範囲内に組み込まれ、しかもランプの寸法が置き換えられるべきランプの寸法よりも大きくならないように組み込まれた始動装置によって達成しようとするものである。

この課題は、本発明によれば、請求項１による回路装置および請求項１４による点灯方法によって解決される。

回路装置は、始動装置の機能も同時に引き受ける調光回路である。この回路装置では、調光回路のスイッチがランプに直列ではなく並列に接続されている。これは、入力電流の歪が少ないという格別の利点を有する。

図１はスイッチが直列に接続されている調光回路の概略図である。 図２はスイッチが並列に接続されている調光回路の概略図である。 図３は高圧水銀ランプのチョークコイルでの高圧ナトリウムランプの電流および電圧の波形図である。 図４は直列接続調光器における高圧水銀ランプのチョークコイルでの高圧ナトリウムランプの電流および電圧の波形図である。 図５はランプに対して直列の半導体スイッチを有する調光回路のための回路装置を示す回路図である。 図６は並列接続調光器における高圧水銀ランプのチョークコイルでの高圧ナトリウムランプの電流および電圧の波形図である。 図７はランプに対して並列の半導体スイッチを有する調光回路のための本発明による回路装置を示す回路図である。

ランプ電力Ｐ_HQLおよび光束Φ_HQLを有する高圧水銀ランプを、同じ光束が生じるように調整されたランプ電力Ｐ_Dimを有する高圧ナトリウムランプ（ＮＡＶランプ）によって置き換えようとするものである。使用される高圧ナトリウムランプは、電力Ｐ_NAVにおいて光束Φ_NAVを放出する。ＮＡＶランプにおいて消費（入力）された電力に光束が比例するものと仮定すると、調光回路を有する高圧ナトリウムランプの電力は、
Ｐ_Dim＝Ｐ_NAV（Φ_HQL／Φ_NAV） （１）
によって算出することができる。

明確化のために第１の例を挙げる。例えば、１２５Ｗのランプ電力（Ｐ_HQL＝１２５Ｗ）
およびΦ_HQL＝６５００ｌｍの光束、したがってΦ_HQL／Ｐ_HQL＝５２ｌｍ／Ｗのランプ効率を有する高圧水銀ランプを、Φ_NAV／Ｐ_NAV＝１００ｌｍ／Ｗの非常に高いランプ効率を有する高圧ナトリウムランプによって置き換えることができる。式（１）にしたがって同じ光束を得るためには、１２５Ｗの高圧水銀ランプと同じ光束を発生させるのに６５Ｗの電力が必要である。

電流制限のために、チョークコイルがランプに直列に接続される。高圧水銀ランプの場合には、Ｚ_D（高圧水銀ランプ）＝１４３Ωのインピーダンスを有するチョークコイルが使用される。ランプ電圧はＵ_L（高圧水銀ランプ）＝１２５Ｖであり、ランプ電流はＩ_L（高圧水銀ランプ）＝１．１５Ａである。光束が等しい高圧ナトリウムランプは、点灯のために、Ｚ_D（高圧ナトリウムランプ）＝２０２Ωを有するチョークコイルを必要とし、Ｕ_L（高圧ナトリウムランプ）＝８６Ｖの電圧と、Ｉ_L（高圧ナトリウムランプ）＝０．８８Ａの電流とが生じる（表２）。高圧ナトリウムランプの場合には、ランプ電圧もランプ電流も高圧水銀ランプの場合よりも明らかに小さい。高圧水銀ランプのチョークコイルで高圧ナトリウムランプを点灯するためには、ガス温度およびそれにともなうアーク伝導度を定められた値に調整する半波の平均電流を低減させる付加的な回路が必要である。これは電子回路、例えば調光回路であってよい。

本発明による回路装置を説明するために、他の実施例が利用される。１２５Ｗの高圧水銀ランプを、高いランプ効率を有する６５Ｗの高圧ナトリウムランプによって置き換えようとするものである。図３は、６０Ｗの高圧ナトリウムランプチョークコイルにおけるこの６５Ｗ高圧ナトリウムランプの電圧波形および電流波形を示す。この６５Ｗ高圧ナトリウムランプを１２５Ｗ高圧水銀ランプのチョークコイルで点灯させようとするものであるから、高圧ナトリウムランプは調光されなければならない。

白熱電球のための従来型の調光回路の場合には、ランプに直列のスイッチが系統周期にて投入および遮断される（図１）。それにより、１周期にわたる平均の電圧、電流および電力が低減される。図４はこのような回路により調光された高圧ナトリウムランプの電圧波形および電流波形を示す。一般に電子スイッチ（Ｓ）としてトライアックが使用される。トライアックは、阻止状態において高抵抗を有し、導通状態において低抵抗を有する。トライアックは、制御入力端子への点弧パルスによって導通させられ、電流零通過時に再び遮断される。位相制御の場合に、このトライアックは電圧零通過後の或る時点で投入される。このために、印加されている系統電圧によって抵抗を介してコンデンサが充電される。或る電圧の確立後にダイアックが低抵抗になり、トライアックの制御入力端子に点弧パルスを通過させ、トライアックが導通させられる。ランプに加わる電圧は、ランプが再び導電状態に移行して電流が流れるまで増大する。この回路は、入力電流が強く歪められ、したがって電流の高調波が基本波に対して大きな割合を持つ特性を有する。

従来技術による回路が図５に例示されている。この回路においてＶ_Nは系統電圧であり、ＲＤとＬＤとの直列回路はチョークコイルの簡略化された等価回路である。トライアックＸ１はダイアックＸ２によって電圧零通過から或る時間後に点弧され、それによって電流回路が閉成され、ランプＬ１が投入される。コンデンサＣ１が、抵抗Ｒ１およびバリスタＸ３からなる分圧器と直列抵抗Ｒ２とランプＬ１における導電経路とを介して充電される。コンデンサＣ１に生じる電圧がダイアックＸ２の点弧電圧よりも大きくなるや否や、ダイアックＸ２が点弧パルスをトライアックＸ１に与え、トライアックＴ１がランプ電流回路を閉成する。コンデンサがダイアックＸ２によって残留電圧（１９Ｖ）まで放電される。コンデンサは投入後に抵抗回路網を通して放電させられる。電流零通過時にトライアックＸ１がターンオフする。次の半波において、コンデンサが再び充電される。制御回路内の構成要素は、所望の電力が生じるように選定されている。しかし、この種の調光回路の場合、電流高調波に関する問題が生じる。

電流における高調波によって電線および発電機に負担がかかる。高次高調波の電流割合が大きい場合には、システムがより大きな電力に対して設計されなければならず、このことがコスト上昇の原因となる。したがって、多くの国において、第１調波、すなわち基本波に対する第ｎ高調波の割合を規定する限界値が存在する。

放電ランプの場合に、安定器を有するランプシステムの供給電流は、例えば表１にて与えられるＩＥＣ１０００−３−２の値を上回ってはならない。λは力率であり、すなわち、
λ＝Ｐ_S／（Ｕ_NＩ_N） （２）
である。これにおいて、Ｕ_NおよびＩ_Nは電圧および電流の実効値である。Ｐ_Sはシステム電力であり、ランプ電力Ｐ_Lとチョークコイルによって与えられる電力との和から算出される。第１調波に対する第３高調波の割合が決定的に重要である。これが０．３λを上回ってはならない（表１参照）。

問題を明確にするために、第１の例を再び簡潔に取り上げる。スイッチ要素が直列接続されているランプ調光器により点灯される高圧ナトリウムランプが、Ｐ_S＝６５．６Ｗ（Ｐ_L）＋１１．１Ｗ（Ｐ_N）のシステム電力を持ち、Ｕ_N＝２２０Ｖの電圧を印加されて、Ｉ_N＝０．９０７Ａの電流を流すことができる。１２５Ｗの高圧水銀ランプを用いた点灯に比べて、同じ光束における位相制御による点灯時に、システム電力は１２５Ｗ＋１５Ｗから７６．７Ｗに減少する。次の電流高調波が生じる。規格に従って限界値を計算すると、０．３λ＝１１．６％の値が生じる。電流の第１調波に対する第３高調波の測定された割合は、Ｉ₃／Ｉ₁＝１５．９％でああり、これは明白に限界値を上回る。したがって、従来技術による調光回路は装置改造用途には適していない。

本発明による回路の場合、チョークコイルの後においてスイッチがランプに並列に接続されている（図２）。このスイッチは周期的に電流回路を短絡し、それによりランプにおいて電圧がなくなってランプが消える（図６）。チョークコイルのインピーダンスがランプの抵抗よりも大きいために、短絡スイッチの閉成時に入力電流が殆ど変化せず、それにより入力電流は殆ど歪められず、基本波に対する高調波の割合は殆ど高められない。一言ふれておくに、ランプの始動時および消弧時にチョークコイルに高電圧が発生し、保護装置が存在しなければその高電圧が電子スイッチを破壊もしくは点弧することがある。したがって始動装置および本発明による調光回路は互いに調整されるべきである。原理的にはあらゆる適切な始動装置形態が考えられ得るが、しかし高圧ランプにおいて広く普及している適合化された重畳パルス式始動装置が好ましい。

ランプに対して並列なスイッチを有する本発明による回路が図７に示されている。電子スイッチはここでも低コストのトライアックである。トライアックは任意の時点で投入可能であるが、しかし電流零通過によってのみ遮断可能である。したがってトライアックは電流零通過から或る時間後に投入されなければならず、そのために位相制御回路が必要とされる。ランプから見れば位相区間が重要である。

位相制御回路においては、抵抗ＲＴｅｉｌを介してコンデンサＣ２が充電される。或る電圧においてダイアックＸ５がトライアックＸ４を投入する。抵抗ＲＴｅｉｌの値は、所望の電力が生じるように選定されている。もちろん対称的なランプ電流は生じない。このことは、正の半波における零通過からトライアックの点弧までの時間差が負の半波におけると等しくないことを意味する。したがって、回路はそれだけ一層、ヒステリシスのない位相制御回路になるように拡張される。これに関して、ＲＴｅｉｌおよびＣ２からなる基本回路が、抵抗Ｒ３，Ｒ４およびダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４からなる回路網によって補足される。これは対称的なランプ電流を生じる。

本発明による回路装置の場合、システム全体の消費電流の歪は、従来技術による回路装置におけるよりも明白に少ない。これは図４および図６からの６５Ｗの高圧ナトリウムランプの例において明確に示されている。

以下において図５による公知の調光回路を検討する。

図４には、ランプに対して直列のスイッチによる位相制御回路の場合のランプ電圧Ｕ_Lおよびランプ電流Ｉ_Lが示されている。表２には関連した時間的に平均化された量が示されている。位相制御回路では電圧Ｕ_Lが電流零通過後に１．４ｍｓだけ遅れて投入される。１．４ｍｓの制御遅れ時間のゆえにアークが連続点灯の場合よりも多く冷え、それにより再点弧ピーク値Ｕ_pkが増大する。しかし、再点弧ピーク値はなおも系統電圧Ｕ_Nよりも非常に小さいことが認識できる。ランプ電流Ｉ_Lは入力電流Ｉ_Nに等しい。

第３高調波の許容電流割合が０．３λ＝１１．６％であるのに対して、Ｉ₃／Ｉ₁＝１３．１を持つ実際の値は明らかに限界値を上回る。第５高調波の電流割合がほぼ限界値に達し、第７高調波の電流割合は限界値に等しい。従来技術による調光回路により調光される高圧ナトリウムランプはＩＥＣ１０００−３−２の規格を満たしていない。

ここで図７に基づく本発明による回路を説明する。

図６において、ランプ電圧Ｕ_Lおよびランプ電流Ｉ_Lは半波の終了前に崩壊することが認められる。この場合には制御遅れ時間は３．２５ｍｓである。それに続く半波においてＵ_pk＝１７６Ｖの高められた再点弧電圧が現われ、これはランプに対して直列のスイッチを有する回路における値と同程度である。トライアックの短絡時点では入力電流Ｉ_Nが僅かしか変化しないので、入力電流は殆ど付加的に歪められない。Ｉ₃／Ｉ₁＝４．０％（表２）なる値は明らかに１０．３％の許容限界値を下回っている。これより高い高調波の電流割合（表２）も明らかに限界値（表１）を下回っている。したがって、ランプに対して並列に接続されたスイッチにより実現される高圧ナトリウムランプは、ＩＥＣ１００−３−２の規格を満たすことができる。

６５Ｗの高圧ナトリウムランプに対して並列のスイッチを用いて１２５Ｗの高圧水銀ランプのチョークコイルにおいて点灯するシステムの消費電力はＰ_S＝８０．７Ｗであり、これは、１２５Ｗの高圧水銀ランプのチョークコイルにおいて１２５Ｗの高圧水銀ランプを用いた点灯（Ｐ_S＝１４０Ｗ）に比べて、同じ光束の場合に４３％の電力節約を意味する。

したがって、このような回路によれば、低効率を有するランプを高効率の類似の調光ランプによって置き換えることができる。この場合に、低効率のランプのために設計された安定器を引き続き維持することができる。したがって、低効率の旧型ランプに対する直接的な代用品が得られ、それは元のものより明らかに電流節減となる。

本発明による回路装置は、ランプ内に、好ましくはランプ口金内に組み込まれるので、旧型ランプを高効率のランプによって置き換えるのに、ランプ交換以外に他の作業は生じない。この場合に、回路装置内に温度測定素子が設けられているならば有利である。これは口金内壁の予め定められた個所Ｔ_Cにおける温度を測定することができ、過度に高い温度の際にランプおよび回路装置の保護のためにランプの熱放出を制限するようにランプを強く減光する。更に回路装置の持続的な過度の温度上昇の際に回路装置を遮断する温度遮断装置が設けられるとよい。

調光器を有するこのようなランプにおいて、例えば夜間減光のための更なる調光段階を実現することを可能にするインターフェースを組み込むこともできる。この場合に、種々の信号伝送手段、例えば付加的な制御端子、電磁手段での伝送などが考えられ得る。インターフェースが、種々の調光段階を設定するためのいわゆる集中遠隔操作信号用の入力も有するとよい。これらの信号は、標準的な給電線上に変調重畳可能であり、適切なフィルタによって抽出可能である。

１ 高圧放電ランプ
２ 系統
Ｃ２ コンデンサ
Ｄ１−Ｄ４ ダイオード
Ｌ チョークコイル
Ｌ２ ランプ
Ｒ３，Ｒ４ 抵抗
ＲＴｅｉｌ 抵抗
Ｓ 電子スイッチ
Ｘ４ トライアック
Ｘ５ ダイアック
Ｉ_N 入力電流
Ｕ_N 系統電圧
Ｉ_L ランプ電流
Ｕ_L ランプ電圧

Claims (16)

1. チョークコイル（Ｌ）での点灯に適している高圧放電ランプ（１）の電力適合化のための回路装置において、回路装置が、ランプ（１）に対して並列に接続されている電子スイッチ（Ｓ）を含み、その並列回路がチョークコイル（Ｌ）に直列に配置され、回路装置が高圧放電ランプ（１）内に配置されていることを特徴とする高圧放電ランプの電力適合化のための回路装置。
2. 回路装置が、好ましくは高圧放電ランプの口金内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の回路装置。
3. 電子スイッチ（Ｓ）がトライアックであることを特徴とする請求項１又は２記載の回路装置。
4. 電子スイッチ（Ｓ）がサイリスタであることを特徴とする請求項１又は２記載の回路装置。
5. 電子スイッチ（Ｓ）がトランジスタであることを特徴とする請求項１又は２記載の回路装置。
6. 電子スイッチ（Ｓ）の制御回路が、ランプ電流が直流電圧成分のない純粋な交流電流であるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の回路装置。
7. 電子スイッチ（Ｓ）の制御回路が、回路装置が予め定められた電力をランプに供給するように調整されていることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の回路装置。
8. 制御回路が入力端を有し、この入力端を介してランプへの回路装置の供給電力が設定可能であることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の回路装置。
9. 入力端に、有線で接続される信号が入力されることを特徴とする請求項８記載の回路装置。
10. 入力端が電磁放射線に対する受信器を有し、供給電力が電磁的な無線信号を介して制御されることを特徴とする請求項８記載の回路装置。
11. 回路装置が温度測定素子を有し、温度測定素子が口金容器の予め定められた個所に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の回路装置。
12. 回路装置が、温度測定素子の予め定められた温度以上においてランプへの電力供給を低減することを特徴とする請求項１１記載の回路装置。
13. 回路装置が、予め定められた温度を上回る持続的な過度に高い温度の際に高圧放電ランプ（１）を遮断することを特徴とする請求項１１又は１２記載の回路装置。
14. 低い効率の高圧放電ランプに対する代用品としての高効率の高圧放電ランプを点灯する方法において、高効率の高圧放電ランプ（１）が、置き換えられるべき低効率の高圧放電ランプの光束に実質的に一致する光束を生じる電力で点灯されることを特徴とする高圧放電ランプの点灯方法。
15. アークが予定よりも早く消えるように、ランプの周期的な短絡による電力調整が行なわれることを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. ランプの周期的な短絡が系統周波数と同期していることを特徴とする請求項１５記載の方法。

Images