JP2011034719A - 放電灯点灯装置及び照明装置 - Google Patents

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Hiroshi Mitsuyasu
啓 光安
Wakichi Tsukuda
和吉 佃
Kenichi Maekawa
健市 前川
Jintaro Nagao
仁太郎 長尾
Junichi Kamikaya
淳一 上仮屋
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Abstract

【課題】他の電子機器への影響を抑えつつ、且つ、T5ランプのようにランプ電圧が比較的大きな放電灯であっても円滑に調光することができる放電灯点灯装置及び照明装置を提供する。
【解決手段】出力電圧の値を500V以下で420Vと290Vに切替え可能な直流電源回路1と、直流電源回路1の出力電圧を交流電圧に変換するインバータ回路2と、共振用インダクタL1を有する共振回路20と、放電灯Laに接続される共振用コンデンサC1とを備え、インバータ回路2の動作周波数を共振用コンデンサC1と共振用インダクタL1の固有振動周波数の近傍に設定し、直流電源回路1の出力電圧の切替えにより放電灯Laの光出力を変化させるようにした。
【選択図】図1

Description

本発明は、放電灯を点灯させる放電灯点灯装置及び該放電灯点灯装置を用いた照明装置に関する。
近年、蛍光ランプを20kHz以上の高周波で点灯させてランプの発光効率を改善することにより、従来の銅鉄式安定器よりも省エネを図ることができるインバータ式の安定器が普及している。その一例として、図2に示す回路構成の放電灯点灯装置は、商用電源を直流電圧に変換する直流電源回路1と、直流電源回路1から出力される直流電圧を高周波電力に変換するスイッチング素子Q1、Q2等からなるインバータ回路2と、インバータ回路2のスイッチング素子Q1、Q2を駆動させる駆動回路3と、外部からの調光信号Sに対応し、所定の周波数にてインバータ回路2のスイッチング素子Q1、Q2を駆動させるための駆動周波数信号を駆動回路3に出力する周波数制御回路4とから構成され、インバータ回路2のスイッチング素子Q2の両端に共振用インダクタL1を介して蛍光ランプ等の放電灯Laの両方のフィラメントの一端間を接続するとともに、両側のフィラメントの非電源側端間に共振用コンデンサC1を接続するようになっている。
この従来の放電灯点灯装置では、インバータ回路2のスイッチング素子Q1、Q2の駆動周波数を図3に示すように、周波数f1から周波数f2の範囲で変化させて放電灯Laを含む負荷回路のインピーダンスを変化させることにより、ランプ電流を変化させている。これにより放電灯Laの光出力を周波数f1のAから周波数f2のBの間で変化させる所定の調光制御を行う。
しかし、この従来の放電灯点灯装置では、駆動周波数が周波数f2以上のより深い調光を行う場合、放電灯Laが放電の不安定領域に入ってしまうため、場合によっては立ち消えが発生する恐れがある。また、放電灯Laを連続的に調光する場合に、幅広い周波数帯域を連続的に使用すると、例えば他の電子機器(例えば、赤外線リモコンや特定周波数に対して動作する防犯タグなど)を近接して使用した場合には、各々が周波数によって干渉を起こし、他の電子機器が誤動作を起こしてしまう恐れもある。このため、広い帯域の周波数において電波雑音対策が必要となり、その結果雑音防止フィルタ等の設計が複雑且つコストアップとなってしまうという課題がある。しかも、例えばこの放電灯点灯装置が冷蔵ショーケースに組み込まれて使用される場合、非常に配線が長くなるため、配線間に発生する寄生容量の影響も考慮しなくてはならない。
さらに、一般的に冷蔵ショーケースではあらかじめインバータ回路の共振用コンデンサ(図2のC1に相当)が外付けで配設されていることが多く、この共振用コンデンサとしては寄生容量の影響を少なくするために1μF前後の比較的大きな容量のコンデンサが用いられている。このため、高い周波数にて放電灯を点灯させた場合、放電灯のフィラメント部位にて発生するロスが大きくなってしまい、非常に非効率である。また、熱的にも高くなるため、樹脂製のソケット部に対しても溶融等の恐れが出てきてしまう。このため、冷蔵ショーケースに組み込まれて使用される放電灯点灯装置においては点灯時の発振周波数をなるべく低くする必要がある。
この対策を図ったものとして、例えば特許文献1に示される放電灯点灯装置が提案されている。この特許文献1に開示されている放電灯点灯装置では、商用電源を直流電源に変換する電源回路と、前記直流電源を高周波電力に変換して放電灯を高周波点灯させるインバータ回路と、前記インバータ回路のスイッチング素子を駆動させる駆動回路と、異なる複数の駆動周波数を所定の周期内で切り替えて前記駆動回路に出力するとともに、それぞれの駆動周波数の出力する期間を所定の周期内で相対的に変化させる周波数制御回路とを備え、前記周波数制御回路の駆動周波数を複数切り替えて制御するようにしている。
この動作を、図4を用いて説明する。図4の(a)は、周波数制御回路が出力する駆動周波数f1〜f3に対する光出力の関係を示し、図中f1は光出力100%、f2は光出力50%、f3は光出力5%を出力する駆動周波数である。また、図4の(b)、(c)は、各光出力に対する周波数制御回路の駆動周波数の出力制御方法を示している。
而して、調光信号Sに対応して光出力が5%から50%の出力となるように制御する場合、周波数制御回路は、図4の(b)に示すようにf2、f3の2つの駆動周波数からなる信号を、所定の周期Tにて交互に切り替えて駆動回路に出力するとともに、駆動周波数f2と駆動周波数f3の割合を周期T内にて相対的に変化させる制御を行い、この制御された駆動周波数により駆動回路から出力される駆動信号でインバータ回路の2つのスイッチング素子を駆動させて放電灯に供給する高周波電力を制御し、これにより調光を行う。
また、光出力が50%から100%の出力となるように制御する場合には図4の(c)に示すようにf1、f2の駆動周波数を用いて、同様の動作を行うことで調光を行う。このように複数の駆動周波数を使うことで、広範囲な光出力が制御可能となる。また、駆動周波数を他の電子機器に影響を与えない周波数に選定することで、他の電子機器に影響を与えないで円滑に調光することができる。
特開2008−108638号公報
しかし、最近の照明器具の動向として、例えば、直管用の放電灯であればT8ランプ(管径25.5mm)や、T5ランプ(管径16mm)などのように従来の放電灯よりも管径を細くすることによってランプの発光効率を向上させた高効率のランプが主流となってきている。放電灯の一般的な特徴として、ランプの管径が細くなるほどランプ電圧が高くなり、また、調光用の場合などのようにランプ電流が少なくなるほどランプ電圧が高くなる傾向にある。
このようなランプを安定に点灯させるためには、放電灯点灯装置の出力電圧がこれらのランプ電圧以上の値になるように供給可能である必要があり、そのためには、インバータ回路に入力される直流電圧を高く設定するか、もしくは、共振用インダクタと共振用コンデンサによって構成される共振回路の共振特性を利用し、駆動周波数を共振回路の固有振動周波数の近傍に設定して高電圧が供給できるように設計する必要がある。この点について、図6の特性図を用いてさらに詳しく説明する。
図2の共振回路20は等価的に図5の回路に置き換えて考えることができる。このとき、入力電圧は直流電圧VDCの値に√2/πをかけた値を実効値とする正弦波電圧と等価と考えることができる。この等価回路より回路方程式を立てると以下の式となる。
Figure 2011034719
ここで、共振回路20の入力電圧と出力電流、電圧の関係を明確にするために、式を変形してi、i、vを消去すると、次の微分方程式が導かれる。さらに、複素表示を用いると次式に変形される。
Figure 2011034719
したがって、この式から入力電圧、出力電流、電圧の実効値は以下の式で表すことができ、さらに変形すると(1)式が成立する。ここで、共振回路20から出力される電圧と電流の特性を、図6のように横軸を出力電流、縦軸を出力電圧としてグラフを描くと、(1)式はこの出力特性CLの軌跡が楕円軌道となることを示している。
Figure 2011034719
この特性CLと縦軸との交点は、共振回路20に負荷が接続されていない場合の開放電圧Voを示しており、この値が高ければ高いほどより急峻な出力特性が得られることになる。このとき、共振回路20の固有振動周波数fは、1/2π√(L・C)(=ω/2π)で表されるので、開放電圧Voは(2)式で示される。この式から急峻な出力特性を得るためには、共振回路20に入力される電圧を高く設定するか、インバータ回路の動作周波数を共振回路20の固有振動周波数に近づければよいことが分かる。なお、図6において、出力特性CLは定格点灯時の特性であり、出力特性CL’は調光点灯時の特性である。
共振回路20の出力段に負荷として放電灯を接続する場合、放電灯は一般的に図6に示すような負特性を持っており、この特性(ランプ特性)CPと先に述べた共振回路20の出力特性CLの交点Aが動作点となり、放電灯に流れる電流と、放電灯にかかる電圧が決まり、さらに先述のようにインバータ回路の駆動周波数を変化させると出力特性が変化するので、放電灯の動作点も変化して放電灯を調光点灯させることができる。これらの動作点のランプ電圧に対して共振回路20の開放電圧Voを高く設定すると、放電灯を安定に点灯させることができる。
このランプ電圧を安定に供給するために、図2の回路構成で直流電源回路1の電圧を上げて供給するには、直流電圧はランプ電圧の約2.5倍以上に設定するのが望ましく、この放電灯を使用する場合には500V以上の電圧に設定する必要がある。したがって、インバータ回路の2つのスイッチング素子の定格電圧はこの値以上に設定する必要があり、少なくとも600V以上の定格電圧が必要となる。さらに、この放電灯点灯装置を商用電源に接続して使用可能とするためには、交流電源を直流電源に変換するAC−DCコンバータが必要である。AC−DCコンバータで交流電圧の平滑用によく用いられるアルミ電解コンデンサは一般的に定格電圧が500V以下のものしかなく、500V以上で使用するためには大容量のコンデンサを2個以上直列接続して使用しなければならず、これらの部品がコストアップの大きな要因となる。
次に、直流電源回路の出力電圧を450V以下として、共振作用を利用した点灯回路設計を考えてみる。例えば、図2の回路で以下の条件でこのランプを点灯させるものとする。
直流電圧 :420V
共振用インダクタL1:8mH
共振用コンデンサC1:4.3nF
駆動周波数 :25kHz
このとき、放電灯に流れる電流は約0.15Aとなり、ほぼ定格通りのランプ光束を得ることができる。この構成で駆動周波数のみを変化させて調光比約75%まで調光させる場合、駆動周波数は32kHzのときに、ランプ電流は約0.10Aとなる。ここで、配線の浮遊容量として、放電灯の両端間に浮遊容量が例えば、共振用コンデンサの約8%程度にあたる360pFの容量が発生した場合を考える。この場合、定格点灯時の特性は駆動周波数25kHzでランプ電流が0.15Aとほとんど変化しないのに対し、調光時には駆動周波数32kHzでランプ電流は0.09Aと約10%低下する。これは、共振回路20の固有振動周波数fo(=27.1kHz)が、配線による浮遊容量によって26.1kHzに若干変化するが、定格点灯時には駆動周波数がそれぞれの固有振動周波数の近傍で動作させているためインバータ回路の出力特性がほとんど変化しないが、調光時には駆動周波数が固有振動周波数から離れるために、(2)式で示す開放電圧Voが下がって急峻な出力特性が得られなくなり、浮遊容量の増加によってランプ電流が変動しやすくなるためである。
ここで想定した浮遊容量の360pFという値は、使用される条件にもよるが、配線長に換算すると3〜4m程度であり、配線が5m以上で使用されることが多い冷蔵ショーケース用の放電灯点灯装置においてはこの特性の差がさらに広がり、条件によっては放電灯点灯装置の出力電圧不足によってランプが立消えすることもあり、複数灯点灯させたときにランプの明るさの差が使用上許容される範囲を大きく超えることになる。
本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、他の電子機器への影響を抑えつつ、且つ、T5ランプのようにランプ電圧が比較的大きな放電灯であっても円滑に調光することができる放電灯点灯装置及び照明装置を提供することを目的とする。
本発明の放電灯点灯装置は、出力電圧の値を複数段階に切替え可能な直流電源回路と、前記直流電源回路に接続され前記直流電源回路の出力電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力端に直列接続されるチョークコイルと、放電灯に接続される始動用コンデンサとを備え、前記インバータ回路の動作周波数が前記始動用コンデンサと前記チョークコイルの固有振動周波数の近傍に設定され、前記直流電源の出力電圧の切替えにより前記放電灯の光出力を変化させる。
上記構成によれば、放電灯を調光する場合に、インバータ回路の動作周波数を始動用コンデンサとチョークコイルの固有振動周波数の近傍に設定し、かつ、インバータ回路に入力する直流電圧の値を変化させるので、他の電子機器への影響を抑えつつ、且つ、T5ランプのようにランプ電圧が比較的大きなランプであっても円滑に調光することが可能となる。また、定格ランプ電流がほぼ等しい複数種の放電灯の点灯も可能となる。
前記直流電源回路は、500V以下で出力電圧の切替え可能とする。
本発明の照明装置は、前記放電灯点灯装置と、前記放電灯点灯装置に接続される放電灯と、を備えた。
上記構成によれば、他の電子機器への影響を抑えつつ、且つ、T5ランプのようにランプ電圧が比較的大きなランプであっても円滑に調光することが可能となる。また、定格ランプ電流がほぼ等しい複数種の放電灯の点灯も可能となる。
また、上記構成において、前記放電灯は、点灯時の最大ランプ電圧が150V以上のものである。
また、上記構成において、前記放電灯は、管径が25.5mm以下のものである。
本発明は、放電灯を調光する場合に、インバータ回路の動作周波数を特定の周波数に固定して動作させ、かつ、インバータ回路に入力される直流電圧の値を変化させるようにしたので、他の電子機器への影響を抑えつつ、且つ、T5ランプのようにランプ電圧が比較的大きなランプであっても円滑に調光することが可能となる。
本発明の一実施の形態に係る放電灯点灯装置の回路構成を示す図 従来の放電灯点灯装置を含む照明装置の回路構成を示す図 図2の放電灯点灯装置の調光制御における光出力と駆動周波数との関係を示す図 (a)は特許文献1で開示された放電灯点灯装置の調光制御における光出力と駆動周波数との関係を示す図、(b)及び(c)は当該放電灯点灯装置の調光制御における周波数制御回路の駆動周波数の出力制御の説明図 図2の放電灯点灯装置の共振用インダクタと共振用コンデンサからなる共振回路を等価的に示す図 図2の放電灯点灯装置の共振用インダクタと共振用コンデンサからなる共振回路から出力される電圧と電流の特性を示す図
以下、本発明を実施するための好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る放電灯点灯装置の回路構成を示す図である。なお、図1において前述した図2と共通する部分には同一の符号を付けている。
本実施の形態の放電灯点灯装置30は、図2に示す従来の放電灯点灯装置の回路構成で直流電源回路1を、商用電源7とAC−DCコンバータであるチョッパ回路9とで構成している。チョッパ回路9は、昇圧式のAC−DCコンバータであり、整流回路10によって全波整流された電源電圧を所定の直流電圧に昇圧して出力する。チョッパ回路9の構成はチョークコイルL2とダイオードD5が直列に整流回路10のダイオードブリッジD1〜D4の出力段の一端と平滑用コンデンサC2の間に挿入されており、チョークコイルL2とダイオードD5の接続点とダイオードブリッジD1〜D4の出力段のもう一端の間にはスイッチング素子Q3が接続されている。スイッチング素子Q3にはMOSFETが用いられている。
スイッチング素子Q3を導通させると、ダイオードブリッジD1〜D4の出力段からチョークコイルL2とスイッチング素子Q3を介して電流が流れることにより、チョークコイルL2にはエネルギーが蓄えられる。次に、スイッチング素子Q3を遮断すると、チョークコイルL2に蓄えられたエネルギーはダイオードD5を介してコンデンサC2へと供給される。このようにスイッチング素子Q2の導通と遮断を繰り返すことによりコンデンサC2への電流供給と遮断を繰り返し、このスイッチングを高周波で行うことによりコンデンサC2の両端にはほぼ直流の電圧を得ることができる。
チョッパ制御回路5は、チョッパ回路9のスイッチング素子Q3のスイッチングを制御しており、コンデンサC2の両端電圧を抵抗R1とR2で分圧して検出している。コンデンサC2の両端電圧が所定の電圧よりも低い場合にはスイッチング素子Q2の導通時間が長くなるように、逆に電圧が低い場合には導通時間が短くなるようにフィードバック制御することにより、電源電圧や負荷の状態が変化してもコンデンサC2の電圧を一定に制御することができる。チョッパ制御回路5は、その機能を集積化した汎用のICが発売されており、例えば、富士電機製のFA5501等は入力電流の高調波歪を改善する力率改善機能もひとつのICに内蔵しており、これらのICを使用することによりこれらの制御部を容易に構成することができる。
また、ラインフィルタT1とダイオードブリッジD1〜D4の間にはチョークコイルL3が挿入されており、またダイオードブリッジD1〜D4の出力段にはコンデンサC5が並列に挿入されている。このチョークコイルL3とコンデンサC5によってフィルタ回路が構成されており、チョッパ回路9のスイッチングによって発生する高周波電流をコンデンサC5経由でバイパスさせることにより、高周波電流が商用電源7側へ流れることがないようにしている。また、商用電源7に直列に電源スイッチ8が接続されている。
なお、本実施の形態では昇圧式のチョッパ回路9について説明しているが、昇降圧式などの他のチョッパ回路でもよく、商用電源7の交流電圧を所望の直流電圧に変換できる構成であれば、その効果は変わらない。
インバータ回路2は、直流電源回路1から出力される直流電圧を高周波電力に変換するスイッチング素子Q1、Q2等からなる。インバータ回路2のスイッチング素子Q1、Q2を駆動させるインバータ駆動回路3は、周波数制御回路4によって生成される駆動周波数信号Sdに応じてスイッチング素子Q1とQ2を交互にON/OFFさせることによってチョッパ回路9から出力される直流電圧を矩形波電圧に変換し、共振回路20へ出力している。例えば、IR社製のIR2151等のハーフブリッジ回路用の高耐圧ドライバICを用いることによって、部品点数が少なく容易にインバータ駆動回路3を構成することができる。インバータ回路2のスイッチング素子Q2の両端に共振用インダクタ(チョークコイル)L1とコンデンサC3を介して放電灯Laの両方のフィラメントの一端間を接続されるとともに、放電灯Laの両側のフィラメントの非電源側端間に共振用コンデンサ(始動用コンデンサ)C1が接続される。
チョッパ制御回路5は、放電灯点灯装置30の外部から接続される調光信号Sが入力される構成となっており、調光信号Sに応じてチョッパ回路9の出力電圧を設定できるようになっている。チョッパ出力電圧を切替えるには、抵抗R1とR2の分圧比を変えるとそれに応じてチョッパ出力電圧を切替えることができる。
なお、放電灯点灯装置30と、この放電灯点灯装置30に接続される放電灯Laは照明装置40を構成する。
ここで、共振回路20の共振用インダクタL1のインダクタンス、共振用コンデンサC1の容量及びインバータ回路2の駆動周波数は従来例と同様に以下に示す値とした。
共振用インダクタL1:8mH
共振用コンデンサC1:4.3nF
駆動周波数 :25kHz
また、商用電源7の入力電圧を例えばAC100Vとし、チョッパ回路9の出力電圧を調光信号Sに応じて420Vと290Vに切替できるように設定した(即ち、直流電源回路1の出力電圧を500V以下で、420Vと290Vに切替え可能とした)。さらに、放電灯Laは、管径が25.5mm以下のT8ランプ(管径25.5mm)や、T5ランプ(管径16mm)などのランプの発光効率を向上させた高効率のランプを用いた。
チョッパ電圧を420Vから290Vまで下げた場合のランプ電流は0.10Aであり、従来例の駆動周波数が32kHzのときのランプ電流とほぼ等しくなる。さらに、配線の浮遊容量360pFが発生した場合のランプ電流は0.10Aとほとんど変化していない。また、調光時の開放電圧Voを比較してみると、従来例では浮遊容量Csがないときの開放電圧Voが479Vであったのが、浮遊容量Csが発生すると375Vまで低下し、調光時のランプ電圧220Vに近づく結果となっている。これに対して、本実施の形態では、浮遊容量Csなしのときに876Vを供給可能であり、さらに浮遊容量Csありでも1582Vと高い電圧を維持できているために、浮遊容量Csによるランプ電流の変化を少なく抑えることができている。これは、インバータ回路2の駆動周波数を共振回路20の固有振動周波数の近傍で固定して動作させていることによる効果である。
このように本実施の形態の放電灯点灯装置30によれば、出力電圧の値を500V以下で420Vと290Vに切替え可能な直流電源回路1と、直流電源回路1の出力電圧を交流電圧に変換するインバータ回路2と、共振用インダクタL1を有する共振回路20と、放電灯Laに接続される共振用コンデンサC1とを備え、インバータ回路2の動作周波数を共振用コンデンサC1と共振用インダクタL1の固有振動周波数の近傍に設定し、直流電源回路1の出力電圧の切替えより放電灯Laの光出力を変化させるようにしたので、他の電子機器への影響を抑えつつ、且つ、T5ランプのようにランプ電圧が比較的大きな放電灯であっても円滑に調光することが可能となる。
本実施の形態の放電灯点灯装置30は、定格ランプ電流がほぼ等しい複数種の放電灯Laを点灯可能である。
なお、本実施の形態では、チョッパ回路9の出力電圧を調光信号Sに応じて420Vと290Vに切替できるように設定したが、切替え可能な電圧値の数は、この2つの電圧値に限定されるものではなく、それ以上であってもよい。但し、500V以下とする。また、共振用インダクタL1、共振用コンデンサC1及びインバータ回路2の駆動周波数は、上記した値(8mH、4.3nF、25kHz)に限定されるものではなく、適宜変更可能である。
また、本実施の形態では、放電灯Laとして、管径が25.5mm以下のT8ランプ(管径25.5mm)や、T5ランプ(管径16mm)などのランプの発光効率を向上させた高効率のランプを用いたが、これらに限定されない。
1 直流電源回路
2 インバータ回路
3 インバータ駆動回路
4 周波数制御回路
5 チョッパ制御回路
7 商用電源
8 電源スイッチ
9 チョッパ回路
10 整流回路
20 共振回路
30 放電灯点灯装置
40 照明装置
La 放電灯
L1 共振用インダクタ
C1 共振用コンデンサ
Cs 浮遊容量
Q1〜Q3 スイッチング素子
R1、R2 抵抗

Claims (5)

  1. 出力電圧の値を複数段階に切替え可能な直流電源回路と、
    前記直流電源回路に接続され前記直流電源回路の出力電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、
    前記インバータ回路の出力端に直列接続されるチョークコイルと、
    放電灯に接続される始動用コンデンサとを備え、
    前記インバータ回路の動作周波数が前記始動用コンデンサと前記チョークコイルの固有振動周波数の近傍に設定され、前記直流電源回路の出力電圧の切替えにより前記放電灯の光出力を変化させる放電灯点灯装置。
  2. 前記直流電源回路の出力電圧は500V以下で切替え可能である請求項1に記載の放電灯点灯装置。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の放電灯点灯装置と、
    前記放電灯点灯装置に接続される放電灯と、
    を備えた照明装置。
  4. 前記放電灯は、点灯時の最大ランプ電圧が150V以上である請求項3に記載の照明装置。
  5. 前記放電灯は、管径が25.5mm以下である請求項3又は請求項4に記載の照明装置。
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