JP3793339B2

JP3793339B2 - 高輝度放電灯の点灯装置

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Publication number: JP3793339B2
Application number: JP31584197A
Authority: JP
Inventors: 正興関根
Original assignee: Origin Electric Co Ltd
Current assignee: Origin Electric Co Ltd
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1997-10-31
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2017-10-31
Also published as: JPH11135287A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタルハライドランプのような高輝度放電灯の点灯装置に係り、特に点灯後高速に輝度が立ち上がる特性の高輝度放電灯の点灯装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のヘッドライト用ランプには夜間や雨・霧の悪天候時にも安全走行するために明るく視認性の良い光源が求められる。同時に、最近の自動車には多くの電子機器が装備され、バッテリーから供給される直流電流も年々大きくなり省エネルギーの観点から、消費電力の少ないランプが求められる。これらの要求を満たすランプとしてメタルハライドランプのような高輝度放電灯が注目されている。
【０００３】
しかし、通常のメタルハライドランプは点灯後、定常の明るさに達するまでには数分程度の待ち時間を要するため、トンネルに入ったときや夜間の車の運転時に支障をきたすので自動車への適用には問題があった。この問題の解決のため、自動車用ランプは照明学会平成９年発行の『情報機器光源に関する研究調査委員会報告書』の88ページに記載されているように、立上がりを早めるため、キセノンガスを入れて、点灯直後の発光を確保している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そして、高速に明るさを立ち上げるため始動時に大きな電力を供給することを条件とする。供給電力を制御するのに、従来は、点灯からの時間経過と消灯していた時間を演算し、高輝度放電灯への供給電力を制御するなどの手段をとっており、制御が複雑で、時間計測と電力制御にマイクロコンピュータを必要としていた。高輝度放電灯の品種が変わるとそのつどマイクロコンピュータのプログラムを書き替えなければならず、煩雑で時間を要する問題がある。さらにマイクロコンピュータ制御の場合、電力はデジタル量になり、段階的に変わってくことになり、場合によっては見苦しく感じることもある。本発明では、高輝度放電灯の点灯装置において、管球の品種に自動的に対応できる特性を有するとともに、起動時の輝度の立ち上がりを高速にすることを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電力基準値を生じる抵抗手段にそれぞれが直列接続される複数の時定数回路を組み合わせることで、高輝度放電灯の高速立ち上げを可能にし、管球が変っても容易に対応できるようにしたものである。第１の発明は、高輝度放電灯の瞬時電流を測定する手段と、瞬時電圧を測定する手段と、これらの瞬時電流測定手段と瞬時電圧測定手段との出力信号を乗算して瞬時電力値を算出する乗算手段と、前記瞬時電力値を一方の入力端子に受け、他方の入力端子に電力基準値を受けて、これらを演算する演算増幅器と、その演算増幅器からの出力信号をパルス幅変調信号として出力するパルス幅変調回路とからなる制御回路を備え、その制御回路によってスイッチング素子を制御することにより前記高輝度放電灯への供給電力を制御する高輝度放電灯の点灯装置において、前記制御回路は、前記演算増幅器の前記他方の入力端子に接続されて前記電力基準値を生じる抵抗手段と、その抵抗手段に直列接続された補正手段であって、前記高輝度放電灯の電圧に応じて、前記抵抗手段に現出する前記電力基準値を増加させる第１の電力基準値の補正手段と、前記抵抗手段に直列接続されたコンデンサと抵抗とからなる第１の時定数回路を有する補正手段であって、前記高輝度放電灯への電圧供給開始時又は電源投入時に前記第１の時定数回路を流れる電流によって前記電力基準値を一旦急峻に上昇させ、この上昇分を所定の時定数で減少させる第２の電力基準値の補正手段とを備えることを特徴とする高輝度放電灯の点灯装置を提供するものである。
【０００６】
第２の発明は、前記第１の発明において、前記第２の電力基準値の補正手段が前記電力基準値を一旦急峻に上昇させる値は、定常値よりも３０％から８０％高い高輝度放電灯の点灯装置を提供する。第３の発明は前記第２の発明において、前記抵抗手段に直列接続されたコンデンサと抵抗とからなる第２の時定数回路を有する補正手段であって、前記高輝度放電灯への電圧供給開始時又は電源投入時に前記電力基準値を前記定常値よりも３０％から８０％高く一旦急峻に上昇させ、この上昇分を所定の時定数で減少させるとともに、前記高輝度放電灯への電力供給停止時に直ちにリセットされる第３の電力基準値の補正手段を備える高輝度放電灯の点灯装置を提供する。また、第４の発明は前記第３の発明において、前記抵抗手段に直列接続されたコンデンサと抵抗とからなる第３の時定数回路を有する補正手段であって、前記高輝度放電灯への電圧供給開始時又は電源投入時に前記電力基準値を前記定常値よりも５０％から１５０％高く一旦急峻に上昇させ、この上昇分を所定の充電時定数で減少させるとともに所定の放電時定数でリセットされる第４の電力基準値の補正手段を備える高輝度放電灯の点灯装置を提供する。
【０００７】
【作用】
高輝度放電灯の管球の特性を検討すると、キセノンを封入した自動車用ランプの点灯直後のランプ電圧は数十ボルトあり、一旦上昇しキセノンが活性化してくると管電圧が約30ボルトに低下する。その後ランプ内の水銀が気化し、管内気圧が上昇するにしたがいランプ電圧が上昇して行く。このとき、ランプ電圧の上昇に対し輝度は遅れて上昇していく。このランプ特性に対応した電力制御をかけることで高速立ち上げが可能になる。つまり、ランプの端子電圧に対応した制御と、時間遅れに対応した制御をする。具体的にはキセノンが活性化するまでの時間（自動車用のランプでは流す電流によって異なるが一例として0.5 秒以下）はランプ電圧が比較的高いため電力量を約３倍程度にし、十分な電流を流し、電圧が下がり電流が増加し過ぎるようになると、定常値の５から７倍程度に電流制限する。時間の経過とともに輝度が上昇していくのでランプへの供給電力を減らして行く。この電力を減らす時定数を10秒から30秒にすると約１分程度で定常電力に達し、輝度は点灯後数秒で定常値の±10％内に達し、この範囲内での増減があるがほぼ一定値を保つ。
【０００８】
一方、高輝度放電灯を一旦消した後に直ちに再点灯させることがしばしばある。この場合、上述のような電力制御を行ったのでは、明るくなり過ぎ眩しすぎる等周囲へ悪影響を与えたり、ランプの寿命を短くする問題もある。また、消灯後直ちに点灯させる場合、電力の補正を行わずにランプ電圧に応じた電流とすると、電流が少なくなり過ぎ、例えばランプ電力35Ｗで電圧が80Ｖとすると、ランプ電流は約0.44Ａでアーク放電の維持ができなくなり立ち消えの問題が発生する。また、ランプ消灯時間に従いランプの管内圧力が低下していき、点灯直後の電圧も低下していく。そして数十秒後にはランプ管内圧力はまだ高いが電圧はほぼ初期値に戻る。なお、全く同じになるには暗中の室温にて数時間を要する。
【０００９】
したがって、消灯後の再点灯時はアーク放電を確実に維持できるランプ電流を供給するとともに、さらに消灯していた時間に応じて再点灯時の電力を変えていくことが必要になる。
【００１０】
この制御のため、再点灯時は定常電力の 1.5倍から２倍程度の電力を供給し0.5 秒から２秒の時定数で減少させる。この再点灯時のための時定数回路はランプ消灯時間が１秒程度の極端に短い時間の場合にも動作させる必要があり消灯を検出後直ちにリセットをかける。
【００１１】
また前述したように消灯数十秒後で再点灯によるランプ電圧はほぼ定常値に戻るため第４の電力補正手段のリセットの放電時定数を10秒から30秒とすることで、30秒から１分程度でリセットが終了し、通常の点灯と同じ立上がりとなる。また時定数回路の利用により、リセットの途中での再点灯に対しほぼ適した電力を供給できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る高輝度放電灯の点灯装置の実施の形態の一例の主回路を示す。図において、主電源１は変圧器３の一次巻線とスイッチング素子であるＦＥＴ２の主電流端子の両端に接続される。ＦＥＴ２は、そのゲートに接続された制御回路５により高周波でオンオフ駆動制御される。制御回路５は、制御回路用電源回路４によって電力供給される。変圧器の二次巻線に接続された整流回路６により整流され、さらにスイッチング回路７において矩形波に変換される。この矩形波は、イグナイタ８を経て高輝度放電灯９に電力供給される。イグナイタ８は、高輝度放電灯９の起動時に、トリガ波形を与えるものである。
【００１３】
制御回路５の各端子については、端子ＡはＦＥＴ２のゲートに接続され、端子Ｂは高輝度放電灯９の電圧に比例する点である整流回路６の一端に接続され、端子Ｃは高輝度放電灯９の電流に比例する点である抵抗器１１の一端に接続され、端子Ｄは回路のコモン線に接続され、端子Ｅは制御回路用電源回路４の＋端子にそれぞれ接続される。端子Ｆは、高輝度放電灯９の点灯時の運転信号が接続される。
【００１４】
図２は、この実施の形態における制御回路５の詳細を示す図である。この図２における端子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、それぞれ図１の同じ符号の端子に対応する。この制御回路５は、大別して、第１の電力基準値の補正手段510 と、第２の電力基準値の補正手段520 と、第３の電力基準値の補正手段530 と、第４の電力基準値の補正手段540 と、乗算器550 と、起動信号制御回路560 と、誤差増幅回路570 と、電流制限回路580 と、パルス巾変調回路590 とから構成されている。
【００１５】
乗算器550 については、高輝度放電灯９の瞬時電力信号を算出する機能を行う。端子Ｂの電圧信号と端子Ｃの電流信号とが乗算器550 に送られ、その乗算出力信号は演算増幅器571 の−入力端子に送られる。乗算器550 については、よく普及している集積回路を利用するのが好都合ではあるが、演算増幅器を複数個組み合わせて乗算回路を構成することもできる。
【００１６】
誤差増幅回路570 は、演算増幅器571 と抵抗器571 、572 、573 、574 、575 等から構成される。この誤差増幅回路570 においては、乗算器550 からの瞬時電力信号を、抵抗器574 と抵抗器573 とにより適当な値に分圧して、演算増幅器571 の−入力端子に送る。また、端子Ｅからの電圧を抵抗器576 と抵抗器572 とにより分圧して演算増幅器571 の＋入力端子に供給される。演算増幅器571 の出力端子と−入力端子との間には帰還用の抵抗器575 が接続される。
【００１７】
パルス巾変調回路590 は、演算増幅器571 の出力信号を受けて、必要なパルス巾変調出力信号を端子Ａに送出する。また、端子Ｃの電流信号は、電流制限回路580 のコンパレータ581 の＋入力端子に接続され、その−入力端子は、基準電源582 に接続されて、基準値を超えたときにパルス巾変調回路590 の出力を制限もしくは停止するように作動する。
【００１８】
これまで説明した構成において、高輝度放電灯９の瞬時電圧と瞬時電流の検出値の乗算値である瞬時電力値と、抵抗器572 の両端の電圧である電力基準値とを誤差増幅回路570 で比較して、これらが等しくなるようにパルス巾変調回路590 が作動する。
【００１９】
以上の構成の説明では、電力基準値の補正手段を除外して説明してきたが、次にそれら電力基準値の補正手段を含めた説明を行う。
【００２０】
第１の電力基準値の補正手段510 は、演算増幅器511 と、その＋入力端子とコモン線間に接続された基準電圧514 と、−入力端子と出力端子の間に接続された帰還用の抵抗器513 と、出力端子に直列接続された抵抗器515 とダイオード516 とからなる。この第１の電力基準値の補正手段510 は高輝度放電灯９の端子電圧がバラツキを含めた正常動作範囲以下になると動作を開始し、高輝度放電灯９の電圧が低下する程、電力基準値を上昇させるものである。高輝度放電灯９の電圧が上昇したときには基準値に影響しないようダイオード516 が挿入されている。
【００２１】
次に、起動信号制御回路560 の説明をする。この起動信号制御回路560 は、高輝度放電灯９が点灯した時点で、端子Ｆに現れる点灯運転信号を、第２の電力基準値の補正手段520 と第３の電力基準値の補正手段530 と第４の電力基準値の補正手段540 とに共通に与えるための回路である。構成については、ゲート論理回路561 と、その出力端子に逆流阻止用のダイオード568 を介して個別に直列接続された抵抗器562 と抵抗器563 と抵抗器564 と、その入力端子に接続されたダイオード565 と抵抗器567 とからなる。
【００２２】
第２の電力基準値の補正手段520 は、点灯装置１０に動作命令が出され、端子Ｆの動作開始信号のレベルがＬ→Ｈになり、ゲート論理回路561 の出力レベルがＨ→Ｌになると、ｐｎｐ形のトランジスタ521 はオンになり基準電圧を上昇させ、コンデンサ522 と抵抗器523 との時定数で基準値の上昇を減らしていく。この時定数回路のリセットはダイオード524 を介して行う。したがって放電時定数は充電時定数とほぼ同じになるが、電源を遮断し放電灯９が消灯した後も少しの時間、制御回路用電源４の残留電荷が端子Ｅに残っており時定数回路がリセットされない。したがって、１秒以下程度の短時間の電源断ではこのリセット回路は動作しない。
【００２３】
第３の電力基準値の補正手段530 は、点灯装置１０に動作命令が出され、端子Ｆの動作開始信号のレベルがＬ→Ｈになり、ゲート論理回路561 の出力レベルがＨ→Ｌになると、トランジスタ531 はオンになり基準電圧を上昇させ、コンデンサ532 と抵抗器533 との時定数で基準値の上昇を減らしていく。この時定数回路のリセットは点灯装置１０の動作開始信号のレベルがＨ→Ｌになり点灯装置１０の動作を停止すると同時にダイオード564 とダイオード534 と抵抗器565 とを介して行う。
【００２４】
第４の電力基準値の補正手段540 は、点灯装置１０に動作命令が出され、端子Ｆの動作開始信号のレベルがＬ→Ｈになり、ゲート論理回路561 の出力レベルがＨ→Ｌになると、トランジスタ541 がオンになり基準電圧を上昇させ、コンデンサ542 と抵抗器543 との時定数で基準値の上昇を減らしていく。この時定数回路のリセットは抵抗器544 を介して行いリセットの時定数は抵抗器544 の値とコンデンサ542 の値で決まる。なお、抵抗器544 の値は抵抗器543 の値に比べ十分大きくトランジスタ541 のオン時にはほとんど影響を与えない。
【００２５】
図３は、第１の電力基準値の補正手段510 の特性の一例を示す。図において、横軸は高輝度放電灯に印加される電圧のパーセント値を表し、縦軸はこの第１の電力基準値の補正手段510 の補正値を表す。この図に示す例においては、印加電圧値が低いときは、縦軸の補正値は約＋７０％であり、印加電圧の比率が２０％以上になると直線的に下降し、印加電圧の約７０％以上では補正値はゼロの漸近線になる。ただし、これらの補正値の曲線については、元の電力基準値の１００％分への加算値として作用するものである。
【００２６】
以上の各補正値について、好ましい実施例として、以下の定数の設定がある。
【００２７】
第２の補正手段520 の時定数（コンデンサ522 と抵抗器523 とに係る）を０．２秒〜０．５秒に設定する。
【００２８】
第３の補正手段530 の時定数（コンデンサ532 と抵抗器533 とに係る）を１秒〜５秒に設定する。
【００２９】
第４の補正手段540 の時定数（コンデンサ542 と抵抗器543 とに係る）をおおよそ５秒〜３０秒に設定する。
【００３０】
第４の補正手段のリセット回路定数（コンデンサ542 と抵抗器544 とに係る）との時定数をおおよそ３０秒〜１２０秒に設定する。
【００３１】
また、動作設定として、第１から第４の補正手段の補正値の総計を２００％以上とし始動時の高輝度放電灯への供給電力を定常時の３倍強程度とし、立上がりを早め、供給電圧低下時や出力の短絡等の事故時に電流が著しく増加するのを電流制限手段で定常時の５〜７倍程度に抑え、高輝度放電灯の寿命や安定器の大型化を防ぐ。
【００３２】
図４は、第２、第３、第４の電力基準値の補正手段の特性の一例を示す。横軸は、高輝度放電灯に電圧が印加された後の経過時間を表し、縦軸はこれら第２、第３、第４の電力基準値の補正手段のパーセント値を表す。第２の補正値(2) は最高値で＋４０％、第３の補正値(3) は最高値で＋３０％、第４の補正値(4) は最高値で＋７０％、これらの和として(2) ＋(3) ＋(4) の補正値は、＋１４０％の補正値となる。いずれも動作開始直後はそれぞれ最高値を示し、その後ゆるやかに下降して漸近線のゼロに近づく。
【００３３】
図３に示す第１の電力基準値の補正値と、図４に示す第２、第３、第４の電力基準値の補正値と元の電力基準値の１００％分との全加算値が、演算増幅器571 の＋入力端子に供給されて、その全加算の電力基準値に常に等しくなるような値の電力が高輝度放電灯９に供給される。
【００３４】
図５は、高輝度放電灯が冷えているときの起動特性を示す。この起動直後は電力基準値は３００％を超える値であり、その後５秒程でゆるやかに下降してきて、数十秒後には定格１００％になる。この電力基準値の特性に対応して高輝度放電灯に電流が流れる。光出力は、３秒ないし５秒でほぼ１００％に達する。
【００３５】
図６は、点灯中の高輝度放電灯を一旦消した後に再点灯させた場合の動作を示す。消灯１秒後に再点灯すると、最高電流値は１３０％に抑えられる。５秒後に再点灯すると、最高電流値は１５０％に抑えられ、１０秒後では１８０％に抑えられる。
【００３６】
図７は、制御回路５の他の実施の形態を示す図である。第２の補正手段にトランジスタを使用せず、抵抗とコンデンサのみにしたもので、他は全て同じである。第２の電力基準値の補正手段の動作開始の時期を起動信号制御回路560 から受けず、単に電源の投入とともに動作することにして、構成の簡略化と経済化を図るものである。同様にして第３、第４の電力基準値の補正手段についても、この簡略化の構成を利用することができる。
【００３７】
図８は、制御回路５の中の第３の電力基準値の補正手段530 の他の実施例を示す部分図である。この回路は、コンデンサ532 の充電特性を利用する点では図２に示す回路と同様の構成であるが、トランジスタ531 のベース側に抵抗器535 とコンデンサ532 と抵抗器533 とからなる時定数回路を配置し、その時定数回路の充電特性をトランジスタ531 により電流増幅して、この第３の電力基準値の補正手段530 を構成するものである。この回路は、トランジスタの電流増幅作用を利用しており、したがって、特に時定数を長くするときに、抵抗値を大きくしても、その出力インピーダンスを低く保ち、より安定した動作とすることができる利点がある。同様にして、第２電力基準値の補正手段520 、第４の電力基準値の補正手段540 についても、この構成を利用することができる。
【００３８】
本発明の実施の態様において、乗算器550 を使用している構成については、実用上は乗算手段の代わりに加算手段を用いることもできる。つまり、電力基準値の補正が作用する動作点たる電流値と電圧値の組み合わせについては、１点付近のことなので、この動作点に対応して電流と電圧の組み合わせに対して係数を設定することにより、同様の動作結果を得ることができる。数式で表すと、ａ、ｂを係数とし、ｘを電圧値、ｙを電流値とすると、下記の等式が成立することが条件となる。
【００３９】
ａｘ＋ｂｙ＝ａｘ・ｂｙ
【００４０】
つまり、この等式が成立するような係数ａ，ｂを設定することは可能であり、その状態において、本発明の作用を近似的に実現することができる。
【００４１】
本発明に係る高輝度放電灯の点灯装置は、自動車用のみでなく例えばＯＨＰやプロジェクタテレビ等の使用される高輝度放電灯の点灯装置においても同様な制御を行い高速に立ち上げることが可能になる。この場合、自動車用ほどの高速性を要求しなければ電力を２倍程度に抑える等の変更を行えばよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は、以上述べたような特徴を有するので、高輝度放電灯点灯において、電源投入時から３秒〜５秒で高輝度放電灯の輝度を定常状態の90％以上までに立ち上げることができる。管球の瞬時電流と瞬時電圧に基づいて制御されるので、管球の品種の変更や電源電圧の変動に対しても、点灯特性には影響を与えることがなく、常に所期の点灯特性を得ることができる。また、高輝度放電灯への供給電流が連続的に制御されるので、輝度連続的になり、品位の高い光源となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高輝度放電灯の点灯装置の実施の形態の一例の主回路を示す。
【図２】本発明に係る高輝度放電灯の点灯装置における制御回路を示す。
【図３】第１の電力基準値の補正手段の特性を示す。
【図４】第２、第３、第４の電力基準値の補正手段の特性を示す。
【図５】高輝度放電灯が冷えているときの起動特性を示す。
【図６】点灯中の高輝度放電灯を一旦消した後に再点灯させた場合の動作を示す。
【図７】制御回路の他の実施の形態を示す。
【図８】制御回路の中の電力基準値の補正手段の他の実施例を示す部分図である。
【符号の説明】
１…主電源２…ＦＥＴ３…変圧器４…制御回路用電源回路
５…制御回路６…整流回路７…スイッチング回路
８…イグナイタ９…高輝度放電灯１０…点灯装置
510 …第１の電力基準値の補正手段 520…第２の電力基準値の補正手段
530 …第３の電力基準値の補正手段 540…第４の電力基準値の補正手段
550 …乗算器 560 …起動信号制御回路
570 …演算増幅器 580 …電流制限回路 590 …パルス巾変調回路

Claims

高輝度放電灯の瞬時電流を測定する手段と、瞬時電圧を測定する手段と、これらの瞬時電流測定手段と瞬時電圧測定手段との出力信号を乗算して瞬時電力値を算出する乗算手段と、前記瞬時電力値を一方の入力端子に受け、他方の入力端子に電力基準値を受けて、これらを演算する演算増幅器と、該演算増幅器からの出力信号をパルス幅変調信号として出力するパルス幅変調回路とからなる制御回路を備え、該制御回路によってスイッチング素子を制御することにより前記高輝度放電灯への供給電力を制御する高輝度放電灯の点灯装置において、
前記制御回路は、
前記演算増幅器の前記他方の入力端子に接続されて前記電力基準値を生じる抵抗手段と、
該抵抗手段に直列接続された補正手段であって、前記高輝度放電灯の電圧に応じて、前記抵抗手段に現出する前記電力基準値を増加させる第１の電力基準値の補正手段と、
前記抵抗手段に直列接続されたコンデンサと抵抗とからなる第１の時定数回路を有する補正手段であって、前記高輝度放電灯への電圧供給開始時又は電源投入時に前記第１の時定数回路を流れる電流によって前記電力基準値を一旦急峻に上昇させ、この上昇分を所定の時定数で減少させる第２の電力基準値の補正手段と、
を備えることを特徴とする高輝度放電灯の点灯装置。
請求項１において、
前記第２の電力基準値の補正手段が前記電力基準値を一旦急峻に上昇させる値は、定常値よりも３０％から８０％高いことを特徴とする高輝度放電灯の点灯装置。
請求項２において、
前記抵抗手段に直列接続されたコンデンサと抵抗とからなる第２の時定数回路を有する補正手段であって、前記高輝度放電灯への電圧供給開始時又は電源投入時に前記電力基準値を前記定常値よりも３０％から８０％高く一旦急峻に上昇させ、この上昇分を所定の時定数で減少させるとともに、前記高輝度放電灯への電力供給停止時に直ちにリセットされる第３の電力基準値の補正手段を備えることを特徴とする高輝度放電灯の点灯装置。
請求項３において、
前記抵抗手段に直列接続されたコンデンサと抵抗とからなる第３の時定数回路を有する補正手段であって、前記高輝度放電灯への電圧供給開始時又は電源投入時に前記電力基準値を前記定常値よりも５０％から１５０％高く一旦急峻に上昇させ、この上昇分を所定の充電時定数で減少させるとともに所定の放電時定数でリセットされる第４の電力基準値の補正手段を備えることを特徴とする高輝度放電灯の点灯装置。