JP2016054043A - 安定器 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力を少なくする。【解決手段】予熱回路は、蛍光灯管を点灯する前に、蛍光灯管両端部のフィラメントに対して、予熱電流を提供するが、蛍光灯管に極めて低い灯管電圧を印加する。予熱期間において、他励のパワー駆動回路は、共振回路の共振周波数より高い周波数を有する出力信号を発生させ、蛍光灯管の点灯に至る高電圧の発生を避けると共に、フィラメント変圧器と高周波リップルコンデンサーを制御し、出力信号をフィラメントにリップルさせ、フィラメントの予熱を行う。予熱完了後、他励のパワー駆動回路は、予熱回路の予熱プロセスを中止させると共に、出力信号の周波数を共振回路の共振周波数に近い周波数にし、共振回路は高電圧を発振させて蛍光灯管を点灯させる。点灯後は余熱電流は殆ど流れない。【選択図】図１

Description

本発明は、蛍光灯用安定器に関し、特に消費電力の小さい安定器に関する。

インバータ予熱式安定器は、特開２００２−２０３６９５号（図７）に示すように、共振コンデンサーＣｒと共振インダクタＬｒによって構成されるハフブリッジＬＣ共振回路を備える。掃引駆動回路１１０によって低くなる掃引信号を発生させ、ハフブリッジＬＣ共振回路を駆動する。この方式のために開発されたＩＣは、多く市販されている。その予熱と始動の原理は、始動し始めるとき、掃引駆動回路１１０は、共振回路の共振周波数より高い周波数を有する駆動信号を発生させ、共振コンデンサーＣｒに流れる電子エネルギーによってフィラメントの予熱を行う。このとき、共振コンデンサーＣｒの電圧は蛍光灯管１００の点灯に不足するため、掃引駆動回路１１０より発生する駆動信号の周波数が共振回路の共振周波数へ次第に接近につれ、共振コンデンサーＣｒに流れるフィラメントの電流は次第に小さくなり、共振コンデンサーＣｒの電圧はますます高くなり、ついに蛍光灯管１００が点灯する。

特開２００２−２０３６９５号公報

しかし、上記のような設計思想には、一つの盲点が存在している。つまり、フィラメントを予熱するとき、フィラメントより発生したホットエレクトロンは、フィラメントの外周部に蓄積されておらず、共振コンデンサーＣｒの交流電圧が次第に上昇することによって、蛍光灯管１００に拡散する。そのため、予熱時、蛍光灯管１００が点灯する前に、蛍光灯管１００に、図８に示すように、グロー放電電流が測定される。

すなわち、グロー放電電流は、アルゴンイオンがフィラメントに衝突して形成された電流であり、フィラメントに塗布された電子粉流体を消耗させる。好ましい方法は、たとえば、制御ＩＣを用いて、高周波の滞留時間を長くする。これに対して、ヨーロッパ連合（ＥＣ） Ｎｏ ２４４／２００９には、蛍光灯管１００は１秒以内に点灯することが規定されている。制御ＩＣによって蛍光灯管１００を１秒以内に点灯させることが実現可能か否かは、設計者にとって極めて大きいチャレンジである。

加えて、フィラメント電流は、点灯まではフィラメントを過熱するに充分な大きさが必要うであるが、点灯後は管電流によってフィラメントの加熱があるのでそれほど大きな電流を必要とするものではない。

以上より、フィラメントを予熱するときに、グロー放電によって、フィラメントにダメージを与えない蛍光灯用安定器を提供すること、また、蛍光灯管が点灯する前に、フィラメントは、予熱により発生するホットエレクトロンでしっかり囲まれることと、蛍光灯管が点灯するときに、アルゴンイオンがフィラメントに衝突することを有効に防ぐこととによって、フィラメントに塗布された電子粉流体の消耗を抑止すること。さらに、点灯後に過剰にフィラメントを過熱する電流を流すことのないようにすることが課題となる。

上記課題を解決するため、本発明の目的は、蛍光灯管の点灯回数と使用寿命を延長可能な蛍光灯用安定器の電気回路を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明による蛍光灯用安定器は、インバータ式の安定器回路であり、他励のパワー駆動回路、共振回路、および予熱回路を備える。

他励のパワー駆動回路は、制御回路と、第１パワースイッチと、第２パワースイッチと、第３パワースイッチとを有する。共振回路は、共振コンデンサーと、共振インダクタとにより構成される。予熱回路は、フィラメント変圧器と高周波リップルコンデンサーとにより構成される。

予熱回路は、蛍光灯管を点灯する前に、蛍光灯管両端部のフィラメントに対して、予熱電流を提供するが、蛍光灯管に極めて低い（ほとんどない）灯管電圧を印加する。予熱期間において、他励のパワー駆動回路は、共振回路の共振周波数より高い周波数を有する出力信号を発生させ、蛍光灯管の点灯に至る高電圧の発生を避けると共に、フィラメント変圧器と高周波リップルコンデンサーを制御し、出力信号をフィラメントにリップルさせ、フィラメントの予熱を行う。

予熱完了後、他励のパワー駆動回路は、予熱回路の予熱プロセスを中止させると共に、出力信号の周波数を共振回路の共振周波数に近い周波数にし、共振回路は高電圧を発振させて蛍光灯管を点灯させる。点灯後は余熱電流は殆ど流れない。

これにより、フィラメントが予熱され、一定の時間が経った後、高電圧を蛍光灯管に提供し、蛍光灯管をすばやく点灯させる。このとき、フィラメントはすでに予熱によって発生された多くのホットエレクトロンに囲まれているため、蛍光灯管が点灯するときに、アルゴンイオンに衝突されるスパッタリング効果を有効に防止し、フィラメントに塗布された電子粉流体の損耗を軽減させ、蛍光灯管が２つのフィラメント付近部において、数万回の点滅を経過しても、黒くならない。これにより、蛍光灯の寿命を延長させることができる。加えて、点灯後はフィラメントに殆ど電流は流れないので、管電流のみの消費となり消費電力は著しく小さくなる。

本発明の第１実施形態による蛍光灯用安定器の電気回路を示す図である。 本発明による蛍光灯用安定器の電気回路の共振電圧のピーク値と共振周波数との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態による蛍光灯用安定器の電気回路が予熱時の第１コイルＬ１と、第２コイルＬ２とにおける予熱電流、灯管電流、灯管電圧と第３出力信号の波形図である。 本発明の第１実施形態による蛍光灯用安定器の電気回路が点灯時の第１コイルＬ１と、第２コイルＬ２とにおける予熱電流、灯管電流、灯管電圧と第３出力信号の波形図である。 本発明の第２実施形態による蛍光灯用安定器の電気回路を示す図である。 本発明の第３実施形態による蛍光灯用安定器の電気回路を示す図である。 従来技術のインバータ予熱式電子スタータの電気回路図である。 図７に示す従来技術のインバータ予熱式電子スタータのフィラメント電流、灯管電流と灯管電圧の波形図である。

以下、本発明による蛍光灯用安定器を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、本発明の第１実施形態による蛍光灯用安定器の電気回路は、蛍光灯管２０両端部に取り付けられる第１フィラメント２０１と第２フィラメント２０２とに接続され、他励のパワー駆動回路１、共振回路、および予熱回路を備える。そのうち、他励のパワー駆動回路１は、制御回路１０、第１半導体スイッチＱ１、第２半導体スイッチＱ２、および第３半導体スイッチＱ３より構成される。共振回路は共振コンデンサーＣｒと共振コンダクタＬｒより構成され、予熱回路はフィラメント変圧器と高周波リップルコンデンサーＣａより構成される。

制御回路１０は少なくとも３つの出力信号を発信させる。第１出力信号と第２出力信号とは、同一周波数の波形が反転する電圧信号であり、第３出力信号は、予熱時間を設定するためのタイミング信号である。

第１半導体スイッチＱ１は、ゲート電極が制御回路１０に接続され、第１出力信号を受信し、第１出力信号に基づいてオンオフの切換えを行い、ドレイン電極が電源Ｖｉｎの正極に接続される。

第２半導体スイッチＱ２は、ゲートが制御回路１０に接続され、第２出力信号を受信し、第２出力信号に基づいてオンオフの切換えを行い、ドレイン電極が第１半導体スイッチＱ１のソースに接続され、ソースは電源Ｖｉｎの負極に接続される。

第３半導体スイッチＱ３は、予熱期間において、ゲート電極は制御回路１０に接続され、第３出力信号を受信し、第３出力信号によってオンされ、予熱時間を制御する。第３半導体スイッチＱ３のソースは電源Ｖｉｎの負極に接続される。

フィラメント変圧器は、３つのコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３より構成される。そのうち、第１コイルＬ１の両端部は、第１フィラメント２０１の両端部に接続され、第２コイルＬ２の両端部は、第２フィラメント２０２の両端部に接続され、第３コイルＬ３の一端は、第３半導体スイッチＱ３のドレインに接続される。

共振コンデンサーＣｒは、それぞれ第１コイルＬ１と第２コイルＬ２とに接続される。共振インダクタＬｒは、第１半導体スイッチＱ１および第２半導体スイッチＱ２の間と、共振コンデンサーＣｒとの間に接続される。

制御回路１０が共振回路の共振周波数より高い周波数を有する第１出力信号と第２出力信号とを発生させたとき、共振回路は共振コンデンサーＣｒにおいて、蛍光灯管を点灯できない極めて低い電圧が発生する。これに対して、制御回路１０が共振回路の共振周波数に近い第１出力信号と第２出力信号とを出力したとき、共振回路は共振コンデンサーＣｒにおいて、蛍光灯管を直ちに点灯させる高電圧が発生する。高周波リップルコンデンサーＣａの一端は、第１半導体スイッチＱ１および第２半導体スイッチＱ２の間と、共振インダクタＬｒとの間に接続され、他端は、第３コイルＬ３の他端に接続される。

図１に示すように、蛍光灯用安定器の電気回路が起動されたときに、制御回路１０は、第３半導体スイッチＱ３に第３出力信号を送信し、第３半導体スイッチＱ３は、第３出力信号に基づき、所定の予熱時間オンされる。このとき制御回路１０は、第１半導体スイッチＱ１と第２半導体スイッチＱ２とにそれぞれ共振回路の共振周波数より高い周波数を有する第１出力信号と第２出力信号とを送信し、高周波リップルコンデンサーＣａは、第１出力信号と第２出力信号との電圧をフィラメント変圧器の第３コイルＬ３にリップルさせ、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２とに、第１フィラメント２０１と第２フィラメント２０２とを予熱するための電圧を確保する。

予熱完了後、制御回路１０によって第３半導体スイッチＱ３をオフし、フィラメント変圧器を遮断し、予熱電圧は断ち切られ、第１フィラメント２０１と第２フィラメント２０２との加熱が中止する。このとき、制御回路１０より第１半導体スイッチＱ１と第２半導体スイッチＱ２とにそれぞれ共振回路の共振周波数に近い第１出力信号と第２出力信号とを送信する。第１半導体スイッチＱ１および第２半導体スイッチＱ２のオンオフを切換えることによって、共振回路の共振状態を形成させ、共振コンデンサーＣｒにおいて、蛍光灯管の点灯に十分な高電圧を発振させて蛍光灯管２０を点灯させる。

図２には、共振電圧と共振周波数との関係を示す。制御回路１０より発生する第１出力信号と第２出力信号との周波数は高いほど（たとえば２ｆｒ。ｆｒは共振回路の共振周波数）、共振コンデンサーＣｒの電圧ピーク値Ｖｐは低い。よって、予熱期間において、蛍光灯管２０が点灯する可能性が低い。さらに、高周波の第１出力信号と第２出力信号とは、高周波リップルコンデンサーＣａのリップル作用により、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２とにリップルされるため、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２とに、第１フィラメント２０１と第２フィラメント２０２との予熱に必要な電圧を確保することができる。これは本発明の原理である。

図３に示すのは、予熱期間における第１コイルＬ１と第２コイルＬ２との予熱電流、灯管電流、灯管電圧、および第３出力信号の波形である。予熱期間において、制御回路１０より第３半導体スイッチＱ３のゲート電極に第３出力信号を印加することによって、第３半導体スイッチＱ３が導通状態に維持される。このとき、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２とによりそれぞれ予熱電圧を発生させ、第１フィラメント２０１と第２フィラメント２０２との予熱を行う。このときの灯管電流はほぼゼロである。

点灯する瞬間の第１コイルＬ１と第２コイルＬ２との予熱電流、灯管電流、灯管電圧、および第３出力信号の波形は図４に示すようになる。蛍光灯用安定器の電気回路は、第１フィラメント２０１と第２フィラメント２０２との予熱を完了した後、制御回路１０より第３出力信号の発生を中止させ、第３半導体スイッチＱ３をオフの状態に維持する。蛍光灯管２０が点灯するまで、灯管電圧の波形は段階的に上昇する状態を呈する。そして、蛍光灯管２０を点灯すると、灯管電流と灯管電圧は安定状態になる。

このように、本実施形態による蛍光灯用安定器の電気回路は、蛍光灯管２０のグロー放電電流を軽減させ、起動した瞬間、多くのアルゴンイオンを蛍光灯管２０内部に発生させることを防ぐことによって、アルゴンイオンが第１フィラメント２０１と第２フィラメント２０２とに塗布された電子粉流体に衝突することを有効に防止し、スパッタリングの発生を避ける。

これにより、蛍光灯管２０は数万回点灯した後も、第１フィラメント２０１および第２フィラメント２０２の端部は新品のように維持され、ヘッド部の黒ずみ現象はほとんどない、本発明は蛍光灯管の点灯回数と使用寿命を延長することができることは確実である。加えて、フィラメント電流は点灯後にはほぼ零を維持しているので、消費電力の軽減を実現できることはもちろん、前記使用寿命を延長を助長することは確実である。

ここで、前述の半導体スイッチは、本発明が前述好ましい実施形態に使用された公知の素子に過ぎない。本発明を実施するとき、これに制限されることなく、必要に応じて、たとえばパワースイッチを他の半導体スイッチに置き換えることができる。さらに、例えば、パワースイッチをリレー、またはトランジスターに置き換えてもよい。パワースイッチは、制御回路１０より発生する出力信号を受信可能であり、かつ出力信号に基づいてオンオフの切換えを行うことができれば、本発明のパワースイッチに該当する。

（第１実施形態の変形例）
本発明を実施するときには、実務要求により蛍光灯用安定器の電気回路の構造を変更してもよい。たとえば、図１に示した共振回路と第１半導体スイッチＱ１との間に、シールドコンデンサーＣｂを設ける。

（第２実施形態）
図５に示すように、共振コンデンサーＣｒを蛍光灯管２０両端部の第１フィラメント２０１と、第２フィラメント２０２との左側に並列接続させる。

（第３実施形態）
図６に示すように、共振コンデンサーＣｒを第１コイルＬ１および第２コイルＬ２の間に接続させ、共振回路は、第１半導体スイッチＱ１および第２半導体スイッチＱ２のオンオフの切り替えによって、第１フィラメント２０１と第２フィラメント２０２とにおいて、均衡に釣り合ったフィラメント電流を発生させる。

表１は、市販の蛍光灯点灯回路（2種）、ＬＥＤ（２種）、と本願発明（図１）の比較を示すものである。

★条件
(1)４０W形直管型蛍光灯１灯及びLED１灯
(2)印加電圧１００V
(3)試験環境 室温２５℃
(4)測定は点灯開始後約６０分後

以上において、前述したのは本発明の好ましい実施形態に過ぎず、当該分野の技術に詳しい当業者は本発明の分野において、容易に想到する変更により、たとえば、前述の蛍光灯用安定器の電気回路の基本の回路構造に、他の電気回路または素子を追加すること、また、本発明で開示される機能以外の機能を追加することは、なお本発明の技術的範囲に含まれる。

以上説明したように、本発明は点灯時にフィラメントに与えるダメージを地位柵することによって管寿命を延ばすことができるとともに、点灯後のフィラメント電流を抑えることができ消費電力を著しく少なくすることができ、産業上の利用可能性が大きい。

１ ・・・他励のパワー駆動回路
１０ ・・・制御回路
２０ ・・・蛍光灯管
２０１ ・・・第１フィラメント
２０２ ・・・第２フィラメント
Ｃａ ・・・高周波リップルコンデンサー
Ｃｂ ・・・シールドコンデンサー
Ｃｒ ・・・共振コンデンサー
Ｌ１ ・・・第１コイル
Ｌ２ ・・・第２コイル
Ｌ３ ・・・第３コイル
Ｌｒ ・・・共振インダクタ
Ｑ１ ・・・第１半導体スイッチ
Ｑ２ ・・・第２半導体スイッチ
Ｑ３ ・・・第３半導体スイッチ
Ｖｉｎ ・・・電源

Claims (4)

1. 蛍光灯管両端部の第１フィラメントと第２フィラメントとに接続される蛍光灯用安定器の電気回路であって、
   制御回路と、第１パワースイッチと、第２パワースイッチと、第３パワースイッチと、を有する他励のパワー駆動回路と、
   共振コンデンサーと、共振インダクタとにより構成される共振回路と、
   フィラメント変圧器と高周波リップルコンデンサーとにより構成される予熱回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、少なくとも３つの出力信号を発生させ、第１出力信号と第２出力信号とは、同一周波数の波形が反転する電圧信号であり、第３出力信号は、予熱時間を設定するためのタイミング信号であり、
   前記第１パワースイッチは、ゲート電極が前記制御回路に接続され、前記第１出力信号を受信し、前記第１出力信号に基づいてオンオフの切り替えを行い、ドレイン電極が電源の正極に接続され、
   前記第２パワースイッチは、ゲート電極が前記制御回路に接続され、前記第２出力信号を受信し、前記第２出力信号に基づいてオンオフの切り替えを行い、ドレイン電極が前記第１パワースイッチのソース電極に接続され、ソース電極が前記電源の負極に接続され、
   前記第３パワースイッチは、ゲート電極が前記制御回路に接続され、前記第３出力信号を受信し、前記第３出力信号に基づいて予熱時間を制御し、ソース電極が前記電源の負極に接続され、
   前記共振コンデンサーは、前記第１コイルと前記第２コイルとに接続され、
   前記共振インダクタは、前記第１パワースイッチおよび前記第２パワースイッチの間と、 前記共振コンデンサーとの間に接続され、
   前記共振回路は、前記第１パワースイッチおよび前記第２パワースイッチのオンオフの切り替えによって、前記共振コンデンサーに電圧を発振させ、
   前記フィラメント変圧器は、第１コイルと、第２コイルと、第３コイルとより構成され、 前記第１コイルの両端部は前記第１フィラメントの両端部に接続され、前記第２コイルの両端部は前記第２フィラメントの両端部に接続され、前記第３コイルの一端は前記第３パワースイッチの他端に接続され、
   前記高周波リップルコンデンサーは、一端が前記第１パワースイッチおよび前記第２パワースイッチの間と、前記共振インダクタとの間に接続され、他端が前記第３コイルの他端に接続されることを特徴とする蛍光灯用安定器。
2. 前記共振コンデンサーと前記第１パワースイッチとの間に接続されるシールドコンデンサーを備えることを特徴とする請求項１に記載の蛍光灯用安定器。
3. 前記共振コンデンサーは、前記第１コイルと前記第２コイルとの間に接続されることを特徴とする請求項２に記載の蛍光灯用安定器。
4. 前記第１パワースイッチ、前記第２パワースイッチ、および前記第３パワースイッチは、金属酸化物の半導体電界効果トランジスターであり、
   前記第１パワースイッチは、ゲート電極が前記第１出力信号を受信し、ドレイン電極が 前記電源の正極に接続され、
   前記第２パワースイッチは、ゲート電極が前記第２出力信号を受信し、ドレイン電極が前記第１パワースイッチのソース電極に接続され、ソース電極が前記電源の負極に接続され、
   前記第３パワースイッチは、前記第３出力信号を受信し、ドレイン電極が前記第３コイルの他端に接続され、ソース電極が電源側の負極に接続されることを特徴とする請求項３に記載の蛍光灯用安定器。

Images