JP2011030387A

JP2011030387A - 電源装置

Info

Publication number: JP2011030387A
Application number: JP2009175901A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Ueda; 桂介植田; Hiroshi Mitsuyasu; 啓光安; Wakichi Tsukuda; 和吉佃; Hideo Otani; 秀雄大谷
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2011-02-10

Abstract

【課題】使用環境によらず適切に寿命末期を判定することができる電源装置を提供する。
【解決手段】直流電源回路と、放電灯が接続される共振回路と、直流電源回路と共振回路との接続を周期的に切り替えることで放電灯に交流電力を出力させるスイッチング回路と、スイッチング回路を制御する制御回路とを備える。制御回路は、スイッチング回路の動作の周波数ｆを所定値ｆｏとした状態での電圧値Ｖｏ２の設計値Ｖｏ１からの低下に基いて、共振回路が寿命末期か否かを判定する。共振回路のインピーダンスに基いて寿命末期か否かを判定することになるので、動作時間が所定時間に達したときに寿命末期と判定する場合と違い、使用環境において回路部品の劣化が速いか遅いかによらず適切に寿命末期を判定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置に関するものである。

従来から、例えば放電灯のような負荷に対して交流電力を出力する電源装置が提供されている。

ところで、一般に電気回路には、使用されている回路部品の経年劣化に起因する寿命があり、その寿命を超えて使用しようとすると正常に動作しない可能性が高くなる。

そこで、従来から、電源装置において、動作時間を計時（カウント）し、動作時間が所定の寿命時間（カウント数）に達したときに、寿命末期であると判定して、負荷への電力の出力を停止する、使用者に対する報知を行う、などの動作を行うものが提供されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１８５３７４号公報

しかし、電源装置を構成する回路部品の劣化の速さは電源装置が使用されている環境（気温や湿度等）によって異なるので、上記のように動作時間に基いて寿命末期を判定する場合、回路部品が劣化しやすい環境で使用されている場合には寿命末期を判定されるタイミングが遅すぎてしまうことが考えられ、逆に、回路部品が劣化しにくい環境で使用されている場合には寿命末期を判定するタイミングが早すぎてしまうことが考えられる。

本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、使用環境によらず適切に寿命末期を判定することができる電源装置を提供することにある。

請求項１の発明は、直流電力を出力する直流電源と、インダクタとコンデンサとをそれぞれ少なくとも１個ずつ含み負荷に接続される共振回路と、直流電源と共振回路との接続を周期的に切り替えることにより共振回路から負荷に交流電力を出力させるスイッチング回路と、寿命末期を報知する報知手段と、スイッチング回路と報知手段とをそれぞれ制御する制御回路とを備え、制御回路は、共振回路のインピーダンスを検出するとともに検出されたインピーダンスに基いて共振回路が寿命末期か否かを判定し、共振回路が寿命末期であると判定された場合には使用者に対し寿命末期を報知するように報知手段を制御することを特徴とする。

この発明によれば、共振回路のインピーダンスに基いて寿命末期か否かを判定するので、動作時間が所定時間に達したときに寿命末期と判定する場合と違い、使用環境によらず適切に寿命末期を判定することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、制御回路によって制御され、スイッチング回路の動作の周波数を共振回路の共振周波数とした状態で共振回路から負荷に出力される電圧の振幅を、負荷に電流が流れない程度に小さくする電圧低下手段を備え、制御回路は、共振回路から負荷に出力される電圧の振幅が電圧低下手段によって小さくされた点検モードで、共振回路のインピーダンスの検出及び共振回路が寿命末期か否かの判定を行うことを特徴とする。

この発明によれば、共振回路のインピーダンスの検出結果に対して負荷のインピーダンスが影響を与えることを避けることができる。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、電圧低下手段は、直流電源から入力された直流電圧を低下させて出力する点検用直流電源回路と、制御回路によって制御されて点検モード中には直流電源の出力に代えて点検用直流電源回路の出力をスイッチング回路に入力するように直流電源及び点検用直流電源回路とスイッチング回路との接続を切り替える切替手段とを備えることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかの発明において、制御回路は、スイッチング回路の動作の周波数を所定の周波数とした状態で共振回路から負荷への出力電圧の振幅を検出し、得られた出力電圧の振幅に基いて共振回路が寿命末期か否かを判定することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれかの発明において、制御回路は、スイッチング回路の動作の周波数をそれぞれ異ならせた複数個のタイミングでそれぞれ共振回路から負荷への出力電圧の振幅を検出し、得られた出力電圧の振幅の最大値と最小値との差に基いて共振回路が寿命末期か否かを判定することを特徴とする。

請求項１の発明によれば、共振回路のインピーダンスに基いて寿命末期か否かを判定するので、動作時間が所定時間に達したときに寿命末期と判定する場合と違い、使用環境によらず適切に寿命末期を判定することができる。

請求項２の発明によれば、制御回路によって制御され、点検モード中には、スイッチング回路の動作の周波数を共振回路の共振周波数とした状態で共振回路から負荷に出力される電圧の振幅を、負荷に電流が流れない程度に小さくする電圧低下手段を備えるので、共振回路のインピーダンスの検出結果に対して負荷のインピーダンスが影響を与えることを避けることができる。

本発明の実施形態の原理を示す説明図である。同上を示す回路ブロック図である。同上の変更例を示す回路ブロック図である。同上において動作周波数ｆと出力振幅Ｖｘｐとの関係を示す説明図である。同上において点検モードで寿命末期ではないと判定された場合での動作周波数ｆの時間変化を示す説明図である。同上の変更例において点検モードで寿命末期ではないと判定された場合での動作周波数ｆの時間変化を示す説明図である。同上の変更例の原理を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

本実施形態は、図２に示すように、電源スイッチＳＷと、フィルタ回路１と、電源スイッチＳＷ及びフィルタ回路１を介して交流電源ＡＣから入力された交流電力を所定電圧の直流電力に変換する直流電源回路２と、負荷としての熱陰極型の放電灯ＦＬに接続された共振回路３と、直流電源回路２と共振回路３との接続を周期的に切り替えることで共振回路３の共振により共振回路３から放電灯ＦＬに交流電力を出力させるスイッチング回路４と、スイッチング回路４を制御する制御回路５とを備える。

フィルタ回路１は、アクロスザラインコンデンサＣｘと、コモンモードチョークＣＣと、ラインフィルタＬＦとで構成され、交流電源ＡＣと直流電源回路２との間でのノイズの出入りを抑制する。

直流電源回路２は、入力された交流電力を全波整流するダイオードブリッジＤＢと、ダイオードブリッジＤＢの出力端間に接続されたノイズ除去用の入力側コンデンサＣ１と、ダイオードブリッジＤＢの直流出力端間に接続されたインダクタＬ０とダイオードＤ１と出力側コンデンサＣ２との直列回路と、インダクタＬ０とダイオードＤ１との接続点と出力側コンデンサＣ２とダイオードブリッジＤＢとの接続点との間に接続されたＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子Ｑ０とを備え、出力側コンデンサＣ２の両端を出力端としている。また、ダイオードブリッジＤＢの低電圧側の出力端はグランドに接続されている。さらに、直流電源回路２は、分圧抵抗により直流電源回路２の出力電圧（すなわち出力側コンデンサＣ２の両端電圧）を検出するとともに、直流電源回路２の出力電圧を所定の目標電圧とするようなオンデューティで直流電源回路２のスイッチング素子Ｑ０を周期的にオンオフする直流駆動部２１を備える。つまり、直流電源回路２は、ダイオードブリッジＤＢの出力電圧を、周知の昇圧チョッパ回路（ブーストコンバータ）により目標電圧の直流電力に変換するというものである。上記のような直流駆動部２１は周知の電子回路で実現可能であるので、詳細な図示並びに説明は省略する。

共振回路３は、インダクタＬ１と２個のコンデンサＣ３，Ｃ４との直列回路からなり、インダクタＬ１側のコンデンサＣ３の両端が出力端として放電灯ＦＬに接続されている。

また、スイッチング回路４は、それぞれ例えばＭＯＳＦＥＴからなり直流電源回路２の出力端間に互いに直列に接続された２個のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を備える。共振回路３は、スイッチング回路４の２個のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点にインダクタＬ１の一端を接続する形で、スイッチング回路４の低電圧側（ローサイド）のスイッチング素子Ｑ２の両端間に接続されている。制御回路５は、スイッチング素子４の２個のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を交互にオンオフ駆動することで共振回路３から放電灯ＦＬに交流電力を出力させる。すなわち、共振回路３とスイッチング部４とは全体として周知のハーフブリッジ形のインバータ回路を構成している。

また、共振回路３のインダクタＬ１には２個の２次巻線が設けられており、これら各２次巻線はそれぞれ１個ずつのコンデンサＣ５，Ｃ６と放電灯ＦＬの一方ずつのフィラメントとともにループを構成している。始動時（後述する予熱動作中）には、上記の各ループにそれぞれ誘導される電流により放電灯ＦＬの各フィラメントの予熱がなされる。

以下、本発明の特徴部分である、寿命末期か否かを判定するための構成について説明する。

直流電源回路２の出力端間には、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ７との直列回路が接続されている。さらに、コンデンサＣ７にはツェナーダイオードＺＤ１が並列に接続されており、コンデンサＣ７の両端電圧はツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧に維持される。また、上記の抵抗Ｒ１とコンデンサＣ７との接続点と、スイッチング回路４のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点との間には、第３スイッチング素子Ｑ３が接続されている。すなわち、スイッチング回路４のハイサイドのスイッチング素子（以下、「第１スイッチング素子」と呼ぶ。）Ｑ１をオフしたままで、スイッチング回路４のローサイドのスイッチング素子（以下、「第２スイッチング素子」と呼ぶ。）Ｑ２と上記の第３スイッチング素子Ｑ３とを交互にオンオフすれば、直流電源回路２の出力電圧を低下させたのと同じことになるのであって、上記の抵抗Ｒ１とコンデンサＣ７とツェナーダイオードＺＤ１とが請求項における点検用直流電源回路となる定電圧回路を構成し、第３スイッチング素子Ｑ３が請求項における切替手段を構成している。なお、上記のコンデンサＣ７に代えて、図３に示すように直流電源回路２よりも出力電圧が低い電池Ｅ１等の他の直流電源を用いても同様の動作とすることができ、この場合には抵抗Ｒ１とツェナーダイオードＺＤ１とは省略することができる。

そして、制御回路５は、電源スイッチＳＷがオンされたタイミングを、直流電源回路２の出力電圧の立ち上がりに基いて検出するとともに、電源スイッチＳＷがオンされてからの経過時間に応じてスイッチング回路４を制御する。このような制御回路５は周知の電子回路によって実現可能であるので、詳細な回路図の図示などは省略する。

制御回路５の動作について具体的に説明すると、制御回路５は、電源スイッチＳＷがオンされると、まず、スイッチング回路４の第２スイッチング素子Ｑ２と第３スイッチング素子Ｑ３とを交互にオンオフ駆動する動作モード（以下、「点検モード」と呼ぶ。）で動作するとともに、この点検モードでの動作中に、共振回路３から放電灯ＦＬへの出力電圧の振幅（以下、「出力振幅」と呼ぶ。）Ｖｘｐに基いて共振回路３が寿命末期か否かを判定する。そして、点検モードにおいて共振回路３が寿命末期ではないと判定された場合、制御回路５は、スイッチング回路４の第１スイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２とを交互にオンオフ駆動する動作モード（以下、「通常モード」と呼ぶ。）に移行する。

ここで、通常モードにおいて、放電灯ＦＬが点灯していない期間の、スイッチング回路４のスイッチング素子Ｑ２のオンオフの周波数（以下、「動作周波数」と呼ぶ。）ｆと共振回路３から放電灯ＦＬへの出力電圧の振幅（以下、「出力振幅」と呼ぶ。）Ｖｘｐとの関係を図４に曲線Ａ１で示す。なお、実際には回路部品の経年劣化等により共振周波数などの特性は変化するが、以下の説明では特に断りがない限り製造直後での特性（設計値）を想定している。

制御回路５の通常モードでの動作としては、まず、スイッチング回路４のスイッチング素子Ｑ２のオンオフの周波数（すなわち共振回路３から放電灯ＦＬに出力される交流電圧の周波数。以下、「動作周波数」と呼ぶ。）ｆを、放電灯ＦＬが点灯していない状態での共振回路３の共振周波数（以下、単に「共振周波数」と呼ぶ。）ｆｏに対して十分高い所定の周波数（以下、「予熱周波数」と呼ぶ。）ｆｙとする予熱動作を所定時間だけ行う。この予熱動作中に、放電灯ＦＬの各フィラメントの予熱がなされる。次に、制御回路５は、動作周波数ｆを、共振周波数ｆｏと予熱周波数ｆｙとの間であって放電灯ＦＬを始動させる（つまり放電灯ＦＬで放電を開始させる）ために十分な程度に出力振幅Ｖｘｐを高くするような所定の周波数（以下、「始動周波数」と呼ぶ。）ｆｓとする始動動作を所定時間だけ行う。この始動動作中に放電灯ＦＬが始動して放電灯ＦＬに電流が流れ始めることにより、回路の特性が変化し、動作周波数ｆと出力振幅Ｖｘｐとの関係は図４に曲線Ｂで示すようなものに変化する。制御回路５は、始動動作の後、動作周波数ｆを、放電灯ＦＬの点灯維持に必要な程度に出力振幅Ｖｘｐが高くなるような所定の周波数ｆｔ（以下、「定常周波数」と呼ぶ。）に維持する定常動作を、電源がオフされるまで継続する。時間ｔの経過に対する動作周波数ｆの変化は、全体として図５に示すようなものとなる。

次に、本発明の要旨である点検モードでの制御回路５の動作について説明する。点検モードでは、動作周波数ｆと出力振幅Ｖｘｐとの関係は、図４に曲線Ａ２で示すように全体的に通常モードに比べて出力振幅Ｖｘｐが低下したものとなる。そして、点検モードにおいて動作周波数ｆを共振周波数ｆｏとしたときの出力振幅Ｖｘｐが、放電灯ＦＬが点灯しない程度（つまり負荷に電流が流れない程度）に低くなるように、第３スイッチング素子Ｑ３と第２スイッチング素子Ｑ２との直列回路の両端間にかけられる電圧（図２の回路ではツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧であり、請求項における点検用直流電源回路の出力電圧）は低くされている。

ここで、図１において、製造直後での点検モードでの動作周波数ｆと出力振幅Ｖｘｐとの関係を曲線Ａ２で示し、寿命末期での点検モードでの動作周波数ｆと出力振幅Ｖｘｐとの関係を曲線Ａ３で示す。経年劣化が発生すると、共振回路３のコンデンサＣ３，Ｃ４のキャパシタンスなどが低下する。放電灯ＦＬに電流が流れていない状態では本実施形態の共振回路３はＬＣ直列型とみなせるので、共振周波数はコンデンサＣ３，Ｃ４の全体でのキャパシタンスとインダクタＬ１のインダクタンスとの積の平方根に反比例する。従って、上記のようにコンデンサＣ３，Ｃ４のキャパシタンスが低下すると、図１に矢印ａ１で示すように共振回路３の実際の共振周波数が高くなる。これに伴い、動作周波数ｆを製造直後での共振周波数ｆｏとした場合における出力振幅Ｖｘｐは図１に矢印ａ２で示すようにＶｏ１からＶｏ２に低下している。本実施形態は上記の点に着目したものであり、制御回路５は、点検モード中に、動作周波数ｆを製造直後の共振周波数（つまり共振周波数の設計値）ｆｏとした状態で、出力振幅Ｖｘｐを所定の寿命判定電圧と比較し、出力振幅Ｖｘｐが寿命判定電圧以上であれば寿命末期ではないと判定し、出力振幅Ｖｘｐが寿命判定電圧未満であれば寿命末期であると判定する。上記の寿命判定電圧は、高くするほど、寿命末期と判定されるまでの期間が短くなってしまう反面、安全性が確保されやすくなる。

そして、制御回路５は、点検モードにおいて寿命末期であると判定されなかった場合には既に述べたように通常モードに移行して予熱動作を開始する一方、点検モードにおいて寿命末期であると判定された場合には、通常モードに移行することなく、例えばスイッチング回路４の各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２及び第３スイッチング素子Ｑ３を全てオフ状態に維持することで共振回路３及び放電灯ＦＬへの電力の出力を停止させる。すなわち、使用者は電源スイッチＳＷをオンしても放電灯ＦＬが点灯しないことから、電源装置の（主に共振回路３の）寿命末期を知ることができる。つまり、上記構成では放電灯ＦＬが請求項における報知手段を構成する。

なお、点検モードにおいて出力振幅Ｖｘｐを検出する際の動作周波数（以下、「検出用周波数」と呼ぶ。）は一定であれば、検出用周波数での出力振幅Ｖｘｐの設計値と点検モード中に得られた出力振幅Ｖｘｐとの比較により寿命末期か否かの判定が可能ではあるが、検出用周波数としては上記のように共振周波数の設計値ｆｏを用いたほうが出力振幅Ｖｘｐの変化量Ｖｏ１−Ｖｏ２が比較的に大きくなるから判定の精度の向上が可能である。

上記構成によれば、寿命末期か否かの判定を、出力振幅Ｖｘｐから推定される共振回路３のインピーダンスに基いて行うことになるので、累積点灯時間が所定の寿命時間に達したときに寿命末期を判定する場合に比べ、使用環境に応じた（すなわち回路部品の実際の劣化に応じた）適切な判定が可能となる。

なお、寿命末期であると判定された場合の制御回路５の動作は、使用者が寿命末期を知ることができるものであればよく、上記に限られない。例えば、上記のように出力を停止させる代わりに通常モードに移行し、寿命末期であると判定された場合の通常モードでは、寿命末期ではないと判定された場合とは異なる点灯（例えば、より低い光出力での点灯や、点滅など）を放電灯ＦＬにさせるようにスイッチング回路４を制御してもよい。また、制御回路５によって制御されて寿命末期を報知する発光ダイオード等の報知手段を別途に設け、寿命末期であると判定された場合には寿命末期を報知する動作（発光ダイオードの場合は点灯や点滅）を行うように制御回路５が上記の報知手段を制御するようにしてもよい。

また、点検モードでの動作も上記に限られず、例えば、制御回路５が、点検モードにおいて、図６に示すように、スイッチング回路４のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３を交互にオンオフする動作周波数ｆを所定範囲内で時間ｔの経過に伴って徐々に変化させながら出力振幅Ｖｘｐを複数回検出して、得られた出力振幅Ｖｘｐの最大値と最小値との差（以下、「振幅変動幅」と呼ぶ。）に基いて寿命末期か否かを判定するようにしてもよい。上記所定範囲は例えば図６及び図７に示すように共振周波数ｆｏを中心としてｆｏ−２ｋＨｚからｆｏ＋２ｋＨｚまでの範囲とする。また、動作周波数ｆを変化させる方向としては、例えば図７に矢印ａ３で示すように動作周波数ｆを上記所定範囲の下限値ｆｏ−２ｋＨｚから徐々に増加させる。上記のように経年劣化に伴って実際の共振周波数が徐々に高くなる場合、上記範囲での振幅変動幅は、実際の共振周波数が上記範囲の上限値ｆｏ＋２ｋＨｚに一致したときに最大となり、その後は経年劣化に伴って徐々に減少するので、具体的な判定としては例えば振幅変動幅が所定の閾値よりも小さくなったときに寿命末期であると判定する。

また、図２における第３スイッチング素子Ｑ３と抵抗Ｒ１とコンデンサＣ７とツェナーダイオードＺＤ１との回路や、図３における第３スイッチング素子Ｑ３と電池Ｅ１との回路を、複数個並列に接続してもよい。この構成を採用すれば、例えば上記複数個の回路のいずれかで故障が発生した場合にも他の回路により点検モードでの動作を正常に行うことができるという、いわゆる冗長性設計となる。さらに、ツェナーダイオードＺＤ１のツェナー電圧や電池Ｅ１の電圧を上記複数個の回路でそれぞれ異ならせるとともに、制御回路５が点検モードにおいて上記複数個の回路を１個ずつ順に用いて得られた複数通りのデータを総合して寿命末期か否かを判定する構成を採用すれば、寿命末期か否かの判定の精度が向上する可能性がある。

さらに、直流電源回路２は上記のような昇圧チョッパ回路に限られず、降圧チョッパ回路など他の周知の直流電源に置き換え可能である。

また、スイッチング４と共振回路３との回路構成も上記のようなハーフブリッジ形に限られず、フルブリッジ形や一石形、プッシュプル形といった他の周知の回路構成も採用することができる。

２直流電源回路（請求項における直流電源）
３共振回路
４スイッチング回路
５制御回路
ＦＬ放電灯（請求項における負荷であり報知手段）
Ｑ３第３スイッチング素子（請求項における切替手段）

Claims

直流電力を出力する直流電源と、
インダクタとコンデンサとをそれぞれ少なくとも１個ずつ含み負荷に接続される共振回路と、
直流電源と共振回路との接続を周期的に切り替えることにより共振回路から負荷に交流電力を出力させるスイッチング回路と、
寿命末期を報知する報知手段と、
スイッチング回路と報知手段とをそれぞれ制御する制御回路とを備え、
制御回路は、共振回路のインピーダンスを検出するとともに検出されたインピーダンスに基いて共振回路が寿命末期か否かを判定し、共振回路が寿命末期であると判定された場合には使用者に対し寿命末期を報知するように報知手段を制御することを特徴とする電源装置。
制御回路によって制御され、スイッチング回路の動作の周波数を共振回路の共振周波数とした状態で共振回路から負荷に出力される電圧の振幅を、負荷に電流が流れない程度に小さくする電圧低下手段を備え、
制御回路は、共振回路から負荷に出力される電圧の振幅が電圧低下手段によって小さくされた点検モードで、共振回路のインピーダンスの検出及び共振回路が寿命末期か否かの判定を行うことを特徴とする請求項１記載の電源装置。
電圧低下手段は、直流電源から入力された直流電圧を低下させて出力する点検用直流電源回路と、制御回路によって制御されて点検モード中には直流電源の出力に代えて点検用直流電源回路の出力をスイッチング回路に入力するように直流電源及び点検用直流電源回路とスイッチング回路との接続を切り替える切替手段とを備えることを特徴とする請求項２記載の電源装置。
制御回路は、スイッチング回路の動作の周波数を所定の周波数とした状態で共振回路から負荷への出力電圧の振幅を検出し、得られた出力電圧の振幅に基いて共振回路が寿命末期か否かを判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置。
制御回路は、スイッチング回路の動作の周波数をそれぞれ異ならせた複数個のタイミングでそれぞれ共振回路から負荷への出力電圧の振幅を検出し、得られた出力電圧の振幅の最大値と最小値との差に基いて共振回路が寿命末期か否かを判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置。