JP3275444B2

JP3275444B2 - 放電灯点灯装置

Info

Publication number: JP3275444B2
Application number: JP10520493A
Authority: JP
Inventors: 育男中澤; 清二佐久間
Original assignee: 日立照明株式会社
Priority date: 1993-03-25
Filing date: 1993-03-25
Publication date: 2002-04-15
Anticipated expiration: 2017-04-15
Also published as: JPH06283289A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はインバータの負荷を共振
形点灯回路とするタイプの放電灯点灯装置に関するもの
である。特にその負荷電流についての進相動作の緩和な
いしはその遅相化に好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】図８はハーフブリッジ形インバータを用
いたごく普通の放電灯点灯装置である。図８装置は放電
灯１０、該放電灯１０と直列のインダクタ２０、該放電
灯１０と並列のコンデンサ３０を含む共振形点灯回路を
備える。また直流電源６１・６２、該直流電源６１・６
２の出力を交流に変えて前記共振形点灯回路に供給する
一対の直列接続されたスイッチング素子４１・４２、各
該スイッチング素子４１・４２と逆並列に接続された一
対の整流器５１・５２を含むインバータを備える。通常
点灯時には共振形点灯回路（１０〜３０）に遅相電流が
流れる。また遅相運用となるように回路定数およびイン
バータ周波数を決定する。かかる遅相運用下において
は、スイッチング素子４１（４２）のオン期間が相対的
に短く、共振形点灯回路（１０〜３０）すなわち振動回
路の振動電流が反転する前にスイッチング素子４１（４
２）がターンオフする。このとき、インダクタ２０の電
流がスイッチング素子４１（４２）によって強制遮断さ
れるが、実際には逆並列の整流器５２（５１）をバイパ
スして流れるので、有害な過度の過渡現象は生じない。
遅相運用と対立する概念は進相運用であるが、進相運用
の場合は次のような難点が生ずるのでよくない。進相運
用下においては、スイッチング素子４１（４２）のオン
期間が相対的に長く、たとえばオン動作中のスイッチン
グ素子４１に代わってもう一方のスイッチング素子４２
がターンオンする前に共振形点灯回路（１０〜３０）の
振動電流が反転する。反転した電流は整流器５１を経由
するが、この状況下でスイッチング素子４２のターンオ
ン時期を迎える。スイッチング素子４２がターンオンす
ると、それ以降、整流器５１の逆阻止特性が回復するま
での間に、直流電源６１・６２が整流器５１およびスイ
ッチング素子４２によって短絡される。これにともなう
大電流の影響で、スイッチング素子４２が破壊する。特
にインバータ出力電圧に対する前記振動電流の進み位相
角が大きい、いわゆる深進相状況下では、整流器５１
（５２）の順電流が相対的に大きくなり、その残存キャ
リアの消滅に必要なリカバリータイムも長くなるので、
スイッチング素子４１（４２）の負担は過酷となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】放電灯１０は一種の非
線形要素である。放電灯１０の点弧前における抵抗値は
極めて大きく、共振形点灯回路（１０〜３０）の始動時
共振周波数ｆ_０を増大させるので、進相動作に陥り易
い。以下、この点について、もう少し詳しく説明する。
始動時共振周波数ｆ_０は図８のインダクタ２０とコンデ
ンサ３０の純直列共振回路とみなして求め得る。それを
変形すると次式のようになる。ｆ_０：始動時共振周波数ｆ_２：点灯周波数Ｘ_Ｃ：点灯時におけるコンデンサ３０の適正リアクタン
ス値Ｘ_Ｌ：点灯時におけるインダクタ２０の適正リアクタン
ス値上記ｆ_０同様、Ｘ_ｃ・Ｘ_Ｌもｆ_２の関数であるが、ｆ_２
をｎ倍した場合はコンデンサ３０のキャパシタンス値、
インダクタ２０のインダクタンス値をそれぞれ１／ｎ倍
しなければならない。このため、Ｘ_ＣおよびＸ_Ｌをｆ_２
とは無関係な定数とみなし得る。一方、Ｘ_Ｃを小さくす
ると点灯時にそこを流れる電流が増大し損失要因とな
る。またＸ_Ｌを大きくすると点灯時における放電灯１０
の電力（ランプ電力）が不足する。そんな訳で、上式の
平方根は１よりも大きくなる。これは、ｆ_１の値如何に
かかわらず、ｆ_２＜ｆ_０となることを意味する。ここ
で、始動時周波数ｆ_１をｆ_２と一致するように選択する
と、必然的にｆ_１＜ｆ_０となり、不所望な進相動作に陥
る。進相運用の弊害は既知であって、インバータ周波数
を可変し、点灯周波数ｆ_２よりも始動時周波数ｆ_１を高
く設定する対策が現になされている。つまり、ｆ_１＜ｆ
_０を改め、ｆ_０＜ｆ_１の遅相動作を実現する。これは有
用であるが、なおそれだけでは十分とはいい難い。始動
時周波数ｆ_１を相対的に高くするので、点弧後に適正な
より低い点灯周波数ｆ_２に戻す必要があるが、その周波
数切替えのタイミングが早すぎると、当然のことながら
進相破壊が生ずる。また、周波数ｆ_２で点灯していると
きに、放電灯１０のトラブルないしは図外のソケットと
の一時的な離脱等の理由で失弧した場合にも進相破壊が
生ずる。本発明の目的は進相緩和ないしは遅相化であ
る。本発明は進み位相角をより小さくし、好ましくは遅
相化する手段を提供する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、直流電源、該
直流電源の出力を交流に変えて共振形点灯回路に供給す
る一対の直列接続されたスイッチング素子、各該スイッ
チング素子と逆並列に接続された一対の整流器を含むイ
ンバータを備えた、インバータ形の放電灯点灯装置を前
提とする。本発明においては、共振形点灯回路と直列で
あって、直流電源側寄りの位置に補助コンデンサを接続
する。直流電源電圧は各スイッチング素子を介して共振
形点灯回路に印加される。共振形点灯回路の一端は直流
電源側となり、他端はスイッチング素子側となる。補助
コンデンサはそのうちの直流電源側に接続される。ま
た、共振形点灯回路と各一方の前記スイッチング素子を
跨ぐ各位置に、補助コンデンサの電圧上下限値を制限す
る補助整流器を接続する。つまり、一方の補助整流器は
共振形点灯回路と一方のスイッチング素子を跨ぐ。もう
一方の補助整流器は共振形点灯回路と別のスイッチング
素子を跨ぐ。そして、各補助整流器の接続極性を補助コ
ンデンサの電圧上下限値が制限されるように選定する。

【０００５】

【作用】共振形点灯回路においては始動時に共振させ放
電灯始動に必要な高電圧を得る。そのときに大電流が流
れ、それと直列の補助コンデンサを充電し、その両端電
圧を高める。これにともない、両端電圧の極性に応じた
いずれか一方の補助整流器が導通し、補助コンデンサの
電圧を制限する。これにより、共振形点灯回路すなわち
振動回路に及ぼす補助コンデンサの影響が緩和され、始
動時共振周波数ｆ_０を実質的に低減する。点灯時のこの
低減効果は低いかまったくないので、一種の非線形特性
となる。放電灯の非線形特性は前記のごとく始動時共振
周波数ｆ_０を高めるように作用する。補助コンデンサお
よび補助整流器による前記非線形特性は始動時共振周波
数ｆ_０を低めるように作用する。本発明の意図は前者の
影響を後者の作用で緩和することである。

【０００６】

【実施例】図１〜図４に示す本発明実施例について説明
する。ここに前記図８回路の部品符号をそのまま引用
し、重複する説明の一部を割愛する。一対のスイッチン
グ素子４１・４２はトランジスタである。該スイッチン
グ素子４１・４２にはそれらを交互にオン（オフ）させ
るドライブ回路４３およびその制御回路４４が付属す
る。このオン・オフの周期によってインバータの出力周
波数が決定される。また、本発明にとっての不可欠の前
提事項ではないが、このインバータ周波数を合目的的に
可変する性能を持つ。スイッチング素子４１・４２の制
御形態はいわゆる自励形・他励形のいずれであっても構
わない。放電灯１０は予熱形放電灯である。具体的には
螢光ランプであり、一対のフィラメント電極１２・１４
を持つ。従って、本実施例における共振形点灯回路（１
０〜３０）は点灯維持機能、始動高電圧印加機能に加
え、フィラメント電極１２・１４を予熱する役割を負
う。７０は補助コンデンサである。これは共振形点灯回
路（１０〜３０）と直列であって、直流電源６１・６２
側寄りの位置に接続される。補助コンデンサ７０は説明
の便宜上、共振形点灯回路（１０〜３０）と別個の部品
として扱うが、振動回路上は共振形点灯回路（１０〜３
０）と適宜に関連し、その振動角速度に影響を及ぼす。
８１・８２は一対の補助整流器である。これらは共振形
点灯回路（１０〜３０）と各一方のスイッチング素子
（４１または４２）を跨ぐ各位置に接続される。ちなみ
に、補助整流器８１は共振形点灯回路（１０〜３０）と
スイッチング素子４１を跨ぐ。補助整流器８２は共振形
点灯回路（１０〜３０）とスイッチング素子４２を跨
ぐ。補助整流器８１・８２の極性は補助コンデンサ７０
の電圧上下限値を制限するように選ぶ。補助整流器８１
・８２のいずれかが導通すると、補助コンデンサ７０電
圧の更なる上昇が抑制される。また、この趣旨に合うよ
うに補助整流器８１（８２）の接続極性を選択する。補
助整流器８１（８２）には共振形点灯回路（１０〜３
０）・スイッチング素子４１（４２）両端の電圧が印加
し、適宜にオンオフする。この点は本発明の他の実施例
にも共通である。しかし、図１回路においては補助整流
器８１（８２）・直流電源６１（６２）を介して補助コ
ンデンサ７０の電圧がクリップされる、と理解した方が
わかりよい。補助整流器８１・８２がない場合の回路動
作は従来のそれと類似する。スイッチング素子の４１が
オンし、４２がオフしている期間には、直流電源６１の
電圧がスイッチング素子４１を介して共振形点灯回路
（１０〜３０）等に印加し、図面上左向きの電流が流れ
る。逆に、スイッチング素子の４２がオンし、４１がオ
フしている期間には、直流電源６２の電圧がスイッチン
グ素子４２を介して共振形点灯回路（１０〜３０）等に
印加し、図面上右向きの電流が流れる。かくして、共振
形点灯回路（１０〜３０）等は交流で動作する。遅相運
用、進相運用の区分上は従来同様に前者に属する。図２
および図３は補助コンデンサ７０の電圧波形である。共
振形点灯回路（１０〜３０）等を流れる電流で、補助コ
ンデンサ７０は充電される。この電流レベルが小さいと
きは、補助コンデンサ７０の電圧も図２のように低く、
単純な交流波形となる。図２の状態では補助整流器８１
・８２はまったくオンしない。一方、電流レベルが大き
いと、補助コンデンサ７０の電圧が図３のように高くな
る。その電圧が±Ｖ_０に達すると、補助整流器８１また
は８２が導通し、更なる電圧上昇を制限する。このた
め、山と谷が削られた図３の台形風波形となる。本実施
例においては、補助コンデンサ７０の電圧が±Ｖ_０の範
囲に制限される。その限界値Ｖ_０は直流電源６１、６２
の電圧に等しい。始動時における共振形点灯回路（１０
〜３０）等の振動現象はインダクタ２０とコンデンサ３
０・補助コンデンサ７０との間で起こる。インダクタ２
０は振動現象に常に参画する。インダクタ２０の相方を
努めるコンデンサ容量値は状況に応じて変化する。補助
整流器８１・８２がオフとなる位相（図３の補助コンデ
ンサ７０の電圧瞬時値が変化する時期）では、コンデン
サ３０と補助コンデンサ７０の直列回路であって、容量
値は相対的に小さい。補助整流器８１・８２がオンとな
る位相（図３の補助コンデンサ７０の電圧瞬時値が一定
となる時期）では、コンデンサ３０単独となり、補助コ
ンデンサ７０が参加しないので、容量値は相対的に大き
い。前者の場合は振動角速度が大きく、後者の場合は小
さい。実際にはそれらを１サイクルの範囲で平均したよ
うな振動角速度となり、それに対応する共振周波数とな
る。以上の点から、実際の共振周波数は補助整流器８１
・８２の導通角が大きくなるに従って相対的に小さくな
ることがわかる。これは実験の結果とも一致する。本発
明においては、始動時に共振形点灯回路（１０〜３０）
等に大電流が流れる現象を利用する。これは共振形点灯
回路（１０〜３０）等を共振させ、コンデンサ３０両端
に放電灯１０点弧に必要な高電圧を確保するための必然
の現象である。始動時（共振時）においては図３のよう
に、補助整流器８１・８２の導通角が相対的に大きくな
り、始動時共振周波数ｆ_０が低下する。それ以外の例え
ば点灯中には、図２のように、補助整流器８１・８２の
導通角がゼロないしは微少となり、共振周波数低減の効
果もゼロないしは微少となる。以上の機能は放電灯１０
の非線形特性を緩和するように作用する。点灯中を基準
に取り、点弧前の始動時を眺めると、放電灯１０の非線
形特性に原因する始動時共振周波数ｆ_０の増大効果が、
補助整流器８１・８２の導通にともなう始動時共振周波
数ｆ_０の低下効果によって緩和される結果となる。これ
は、進相緩和ないしは遅相化に有益である。図４を利用
し補足して説明する。図４の１０１は補助整流器８１・
８２がまったくオンしないと仮定した場合の始動時にお
ける従来形の共振特性である。この場合の始動時共振周
波数はｆ_０１である。１０２は補助整流器８１・８２が
前記のごとくオンする場合の実際の始動時共振特性を示
している。この場合の始動時共振周波数はｆ_０２であ
る。両者の関係はｆ_０２＜ｆ_０１となる。始動時共振特
性１０１と１０２は遅れ電流が小さい場合は一致する。
インバータ周波数を共振点に近づけて遅れ電流を増大さ
せるに従って、補助整流器８１・８２の導通角が大きく
なり、特性カーブ１０２が低周波寄りにシフトする。図
４の２００は点灯中の共振特性であり、その点灯時共振
周波数はｆ_２００である。放電灯１０の点弧にともなっ
て始動時共振特性１０２は崩れ、それより総体的に周波
数の低い点灯時共振特性２００が顕在化する。図４のｆ
_１・ｆ_２はインバータ周波数である。前者のｆ_１は始動
時周波数、後者のｆ_２は点灯周波数である。始動時周波
数ｆ_１はこれに対応する始動時共振特性１０２の右斜面
（ｆ_０２＜ｆ_１）に位置するので、遅相運用となる。点
灯周波数ｆ_２もこれに対応する点灯時共振特性２００の
右斜面（ｆ_２００＜ｆ_２）に位置するので、遅相運用と
なる。これと異なる組み合わせであっても以下のように
遅相動作となる。図４において、点弧前にインバータ周
波数をｆ_１からｆ_２に切替えた場合はインバータ周波数
ｆ_２と始動時共振特性１０２との組み合わせとなる。ま
た、点灯中の放電灯１０が失弧した場合にも同様の組み
合わせとなる。これらの場合であっても、インバータ周
波数ｆ_２は始動時共振特性１０２の右斜面（ｆ_０２＜ｆ
_２）に位置するので、進相運用の回避が可能となる。し
かしながら、始動時共振特性が１０１である従来の場合
は、インバータ周波数ｆ_２が始動時共振特性１０１の左
斜面（ｆ_２＜ｆ_０１）に位置するので、不所望な進相運
用となり、前記経過を辿ってスイッチング素子４１・４
２が破壊する。なお、図４ではｆ_２＜ｆ_１としたが、ｆ
_１とｆ_２の関係は従来以上に近似するので、これをｆ_１
＝ｆ_２に改めることも可能である。前記説明において
は、始動時周波数を一定のｆ_１としたが、これを図示ｆ
_１よりも大きな値から図示ｆ_１へ段階的にあるいは連続
的に変化する周波数運用としてもよい。かかる運用状況
下においては、まず放電灯１０のフイラメント電極１
２、１４を予熱するプロセスが先行し、その後に図示ｆ
_１の始動時周波数に至り、共振高電圧の印加を受けて放
電灯１０が点弧する運びとなる。さらに放電灯１０の点
弧を図外の手段で確認し、あるいはその頃にインバータ
周波数を図示ｆ_２の点灯周波数に移行させる。インバー
タ周波数をこのように制御するプログラムはスイッチン
グ素子４１・４２の制御回路４４に保持される。図１の
補助コンデンサ７０について補足する。このようなコン
デンサ７０それ自体は本発明に特有なものではない。従
来のかかるコンデンサ７０は直流電流を阻止する役割を
負う。寿命末期の放電灯１０が整流特性を示し、その影
響でインダクタ２０が直流励磁を受け飽和する。従来の
コンデンサ７０はこの弊害を防止するためのものであ
る。また、コンデンサ７０電圧の正負ピークの偏りを図
外の手段で比較検知し、スイッチング素子４１・４２の
ターンオンを禁じてインバータ動作を停止する仕組みと
することもある。従って、本発明実施上は補助コンデン
サ７０をかかる保護機能兼用の素子とすることも可能で
ある。図５は図１とほぼ同等の実施例である。図１回路
よりも図５回路の方が実用的である。図５回路では交流
電源９０１と一対の整流器９０２・９０３を用いて高容
量の一対のコンデンサ９０４・９０５を充電する。これ
らのコンデンサ９０４・９０５は図１回路の直流電源６
１・６２として機能する。それ以外の点は図１回路のそ
れと同等である。図６の実施例は単一の直流電源９２１
を用いたものである。直流電源９２１の電圧は一対のコ
ンデンサ９２２・９２３に分配される。これらのコンデ
ンサ９２２・９２３は図１回路の直流電源８１・８２な
いしは図５回路のコンデンサ９０４・９０５として機能
する。それ以外の点は図１回路のそれと同等である。図
７の実施例は図６回路に類似する。図７回路に立入る前
に図６回路の変形余地について説明する。図６回路のコ
ンデンサ９２２・９２３のうちの任意一方のコンデンサ
たとえば９２３を除去し、それを残った方のコンデンサ
９２２と並列に接続してもほぼ等価である。定常状態に
おいてはまったく等価であり、同じように動作する。こ
のような図６変形回路において、９２２の位置で並列と
なる一対のコンデンサ９２２・９２３は同等容量の単一
のコンデンサで代替えし得る。更に変形する。この場合
の単一コンデンサ（９２２の位置のコンデンサ）は補助
コンデンサ７０と直列の関係にあるので、それら全体を
同等容量の一つのコンデンサにまとめても等価である。
前置きが長くなったが、図７のコンデンサ７１はそのよ
うにして一つにまとめられたコンデンサに該当する。従
って、図７のコンデンサ７１は図１回路における補助コ
ンデンサ７０としての機能を兼ねる。なお、図７回路か
ら補助整流器８１・８２を除いた回路態様のインバータ
形放電灯点灯装置は周知である。図７回路について補足
する。スイッチング素子４２がオンすると、補助コンデ
ンサ７１およびスイッチング素子４２を介して共振形点
灯回路（１０〜３０）に図面上右向きの電流が流れる。
これにともない、補助コンデンサ７１が充電されるが、
その上限値は直流電源９２１の電圧と一致する。それ以
降は共振形点灯回路（１０〜３０）の右向きの電流が補
助整流器８２をバイパスする。このバイパス期間におけ
る振動角速度は大きい。一方、スイッチング素子４２に
替わって４１がオンすると、補助コンデンサ７１の充電
電圧がスイッチング素子４１を介して共振形点灯回路
（１０〜３０）に印加し図面上左向きの電流が流れる。
これにともない、補助コンデンサ７１の電圧は低下する
が、その下限値は０ボルトとなる。それ以降は共振形点
灯回路（１０〜３０）の左向きの電流が補助整流器８１
をバイパスする。このバイパス期間における振動角速度
も大きい。従って、図７回路の場合も、上限値下限値は
図１の場合と異なるが、補助整流器８１・８２によって
補助コンデンサ７１の充電電圧が制限され、その制限作
用に起因して振動角速度が変更される。

【０００７】

【発明の効果】以上のように、本発明は所要の補助コン
デンサとその電圧を制限する一対の補助整流器を付属さ
せたものである。これによれば、進相動作の緩和ないし
はその遅相化に有用であって、進相動作とくに深進相動
作に原因するスイッチング素子の破壊を防止することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の回路図である。

【図２】図１回路の補助コンデンサの電圧波形図であ
る。

【図３】図２とは異なる状態の図２同様の波形図であ
る。

【図４】図１回路の特性説明図である。

【図５】他の実施例装置を示す回路図である。

【図６】別の実施例装置を示す回路図である。

【図７】さらに異なる実施例装置を示す回路図である。

【図８】従来装置を示す回路図である。

【符号の説明】

１０…放電灯、２０…インダクタ、３０…コンデンサ、
４１・４２…スイッチング素子、５１・５２…整流器、
６１・６２・９２１…直流電源、７０・７１…補助コン
デンサ、８１・８２…補助整流器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05B 41/24 H02M 7/48 H02M 7/5387 H05B 41/282

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】放電灯、該放電灯と直列のインダクタ、該
放電灯と並列のコンデンサを含む共振形点灯回路を備
え、直流電源、該直流電源の出力を交流に変えて前記共振形
点灯回路に供給する一対の直列に接続されたスイッチン
グ素子、各該スイッチング素子と逆並列に接続された一
対の整流器を含むインバータを備え、前記共振形点灯回路と直列であって、前記直流電源側寄
りの位置に補助コンデンサを接続し、前記共振形点灯回路と各一方の前記スイッチング素子を
跨ぐ各位置に、前記補助コンデンサの電圧上下限値を制
限する補助整流器を接続したことを特徴とする放電灯点
灯装置。