JP4026086B2 - インバータ式蛍光灯点灯装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、整流電源から給電される放電ランプの安定器において、電源電流の高調波を減少させて力率を改善するインバータ式蛍光灯点灯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
蛍光灯の点灯を安定して行わせるための安定器としては、従来より交流電源に対してチョークコイルにより安定した放電を保つ磁気回路式安定器が多く用いられてきたが、近年、半導体技術の進歩に伴い、始動時間が短くて発光効率が高く、ちらつきがなく騒音を発しない、軽量である等の長所を持つインバータ式電子安定器が急速に普及してきている。
【０００３】
この電子式安定器の回路構成としては、通常、商用交流電源を整流平滑するＡＣ−ＤＣ変換部を備えており、例えば、住宅照明用蛍光灯器具は、従来より低力率のコンデンサインプット方式の整流平滑回路が採用されており、事務所、工場等に使用される施設照明用蛍光灯器具の場合には、当初から電源入力力率が高いことが要請されており、整流方式としては比較的高力率な部分平滑方式が主に採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、住宅照明用の場合は、充電期間の割合が小さく、突入電流の形で充電電流が流れ、非常に大きな高調波電流が流れていた。また、平滑コンデンサとして比較的容量の大きなコンデンサを用いる必要が有るため、コストに占める割合が大きなものとなっていた。施設照明用の場合でも、部分平滑方式では１９９８年から適用が予定されている通産省の「家電・汎用品高調波抑制対策ガイドライン」の限度値クラスＣに適合していなかった。
【０００５】
最近になって、高調波をさらに低減するために、電源電流を電源電圧に比例するようアクティブにフィードフォワード制御するアクティブフィルター方式が採用されるようになってきているが、この方式では、制御が複雑で制御回路での損失による回路効率の低下が無視できず、コストの増大を招くという欠点があった。
【０００６】
また、前述した磁気回路式安定器の回路構成では、ガイドラインの限度値クラスＣに適合するもののランプを安定して放電させるためのバラストコイルのコストに占める割合が大きなものとなっていた。また、高周波点灯を行うインバータ方式では、ランプを始動点灯させるために必要となる高電圧を発生させるために、ランプに並列に接続した予熱コンデンサとバラストコイルを始動時に共振させて使用していることもあって、磁気式に比べて容量は小さくてすむものの、バラストコイルを除くことはできなかった。
【０００７】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、従来の技術ではコストに占める割合の大きかったコイルやコンデンサの容量をできる限り小さくすると共に、入力電流に対するアクティブな制御を行わずに電源電流の高調波を有効に低減して力率を改善するインバータ式蛍光灯点灯装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るインバータ式蛍光灯点灯回路は、入力交流電源を全波整流する整流回路と、整流回路の正極側ラインに挿入されたチョークコイル、チョークコイルと整流回路の負極側ラインとの間に直列接続されたコンデンサ及び第１スイッチング素子を有する充電回路と、充電回路のチョークコイルとコンデンサとの接続点にアノードが接続された逆流阻止ダイオード、逆流阻止ダイオードのカソードに一端が接続された第２スイッチング素子、第２スイッチング素子の他端と整流回路の負極側ラインとの間に設けられた平滑コンデンサ、及び第２スイッチング素子に並列に逆方向に接続されたダイオードを有する平滑回路と、充電回路のコンデンサの負極側と平滑回路の第２スイッチング素子の他端との間に設けられた第３スイッチング素子と、蛍光灯を有し、一端が平滑回路の第２スイッチング素子と平滑コンデンサとの接続点に接続されたランプ回路と、ランプ回路の他端と平滑回路の逆流阻止ダイオードのカソードとの間に挿入された第４スイッチング素子、及びランプ回路の他端と整流回路の負極側ラインとの間に挿入された第５スイッチング素子を有するインバータ回路とを備え、インバータ回路の第５スイッチング素子がオンしたときに充電回路の第１スイッチング素子及び平滑回路の第２スイッチング素子がオンし、インバータ回路の第４スイッチング素子がオンしたときは第３スイッチング素子がオンし、ランプ回路の蛍光灯を高周波点灯する。
【０００９】
入力交流電源を全波整流する整流回路と、整流回路の正極側ラインに挿入された直列接続のチョークコイルと第１スイッチング素子、該第１スイッチング素子の出力端に陽極が接続され、整流回路の負極側ラインに負極が接続されたコンデンサ、及び整流回路の負極側ラインにカソードが接続されたダイオードを有する充電回路と、充電回路の第１スイッチング素子とコンデンサとの接続点にアノードが接続された逆流阻止ダイオード、逆流阻止ダイオードのカソードに一端が接続された第２スイッチング素子、第２スイッチング素子の他端と充電回路のダイオードのアノードとの間に設けられた平滑コンデンサ、及び第２スイッチング素子に並列に逆方向に接続されたダイオードを有する平滑回路と、充電回路のコンデンサの負極側と平滑回路の第２スイッチング素子の他端との間に設けられた第３スイッチング素子と、蛍光灯を有し、一端が平滑回路の第２スイッチング素子と平滑コンデンサとの接続点に接続されたランプ回路と、ランプ回路の他端と平滑回路の逆流阻止ダイオードのアノードとの間に挿入された第４スイッチング素子、及びランプ回路の他端と充電回路のダイオードのアノード及び平滑回路の平滑コンデンサの接続点との間に挿入された第５スイッチング素子を有するインバータ回路とを備え、インバータ回路の第５スイッチング素子がオンしたときに充電回路の第１スイッチング素子がオンし、インバータ回路の第４スイッチング素子がオンしたときは第３スイッチング素子がオンし、その後に第３スイッチング素子がオフして平滑回路の平滑コンデンサが充電回路のコンデンサによって充電される。
【００１０】
前記平滑回路の第２スイッチング素子と前記ランプ回路の蛍光灯との接続点及び前記第３スイッチング素子と平滑コンデンサとの接続点の間、或いは前記充電回路のコンデンサと第１スイッチング素子との間にコイルが設けられ、前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子がオンした後に、その第３スイッチング素子がオフすると、前記充電回路のコンデンサの充電電圧が前記第２スイッチング素子を介して前記コイルに蓄積される。
【００１１】
前記ランプ回路は、蛍光灯と、該蛍光灯の両極のフィラメントを結ぶ線路に挿入された第１コンデンサと、前記蛍光灯に並列に接続された第２コンデンサと、前記蛍光灯に直列に接続されたコイルとから構成されている。
【００１２】
前記ランプ回路は、蛍光灯と、該蛍光灯に直列に接続された第３コンデンサとから構成されている。
【００１３】
前記ランプ回路は、蛍光灯と、該蛍光灯の両極のフィラメントを結ぶ線路に挿入された第１コンデンサと、前記蛍光灯に並列に接続された第２コンデンサと、前記蛍光灯に直列に接続されたコイルと、該コイルに直列に接続された第３コンデンサとから構成されている。
【００１４】
また、前記インバータ回路の第４スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子がオンしているときに前記平滑回路の第２スイッチング素子がオンしたときは、前記充電回路のコンデンサの充電電圧がその第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子を介して強制的に放電される。
【００１５】
さらに、第３スイッチング素子は、充電回路のコンデンサの負極側とランプ回路の蛍光灯の一方のフィラメントとの間に設けられ、インバータ回路の第４スイッチング素子及び第３スイッチング素子がオンしているときに平滑回路の第２スイッチング素子がオンしたときは、充電回路のコンデンサの充電電圧がその第２スイッチング素子、蛍光灯の一方のフィラメント及び第３スイッチング素子を介して強制的に放電される。
【００１６】
また、前記充電回路のコンデンサの陽極側にカソードが、負極側にアノードが接続されたダイオードを備えている。
【００１７】
さらに、カソードが前記チョークコイルの出力端に接続され、アノードが前記ランプ回路の他端に接続されたダイオードを備えている。
【００１８】
さらにまた、入力交流電源を全波整流する整流回路と、整流回路の正極側に接続された第１スイッチング素子、第１スイッチング素子に直列に接続されたコンデンサ、コンデンサに並列に逆方向に接続されたダイオード、及びコンデンサの負極側にカソードが接続された逆流阻止ダイオードを有する充電回路と、一端が充電回路のコンデンサの負極側に接続され、他端が整流回路の負極側に接続されたコイルと、正極がコイルと整流回路の負極側との接続点に接続され、負極が充電回路の逆流阻止ダイオードのアノードに接続された平滑コンデンサと、直列接続されたコンデンサ及び蛍光灯を有し、一端がコイル及び平滑コンデンサの接続点に接続されたランプ回路と、ランプ回路の他端と充電回路の第１スイッチング素子との間に設けられた第２スイッチング素子、及びランプ回路の他端とその第２スイッチング素子との接続点と平滑コンデンサの負極側との間に設けられた第３スイッチング素子を有するインバータ回路とを備え、インバータ回路の第３スイッチング素子がオンしたときに充電回路の第１スイッチング素子がオンし、インバータ回路の第２スイッチング素子がオンしたときは第１及び第３スイッチング素子がオフし、ランプ回路の蛍光灯を高周波点灯する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施形態１．
図１は本発明の第１の実施形態を示すインバータ式蛍光灯点灯装置の回路図であり、図において、１は４つのダイオードＤ１〜Ｄ４で構成されたブリッジ回路からなり、入力交流電圧を全波整流する整流回路、２は充電回路で、整流回路１に直列に接続されたチョークコイルＬ１、コンデンサＣ１（以下、「ポンピングコンデンサＣ１」という）及び第１スイッチング素子のパワーＭＯＳ・ＦＥＴ（以下、単に「ＦＥＴ」という）３と、ＦＥＴ３に並列に接続されたダイオードＤ５とからなっている。
【００２０】
４は平滑回路で、チョークコイルＬ１を介した整流回路１の正極側ラインに挿入された逆流阻止ダイオードＤ６と、そのダイオードＤ６のカソードと整流回路１の負極側ラインとの間に直列接続の第２スイッチング素子のＦＥＴ５及び平滑コンデンサＣ２と、ＦＥＴ５に並列に接続されたダイオードＤ７とからなっている。６はダイオードＤ８が並列に接続された第３スイッチング素子のＦＥＴで、ソースがポンピングコンデンサＣ１とＦＥＴ３との接続点に、ドレインがＦＥＴ５と平滑コンデンサＣ２との接続点にそれぞれ接続され、ポンピングコンデンサＣ１を後述するインバータ回路９に結び付けるためである。
【００２１】
７はランプ回路で、一端がＦＥＴ５と平滑コンデンサＣ２との接続点に接続されたコイルＬ２と、コイルＬ２に直列に接続されたコンデンサＣ３と、一端が蛍光灯８の一方のフィラメントを通してコンデンサＣ３に、他端が他方のフィラメントにそれぞれ接続されたコンデンサＣ４と、蛍光灯８に並列に接続されたコンデンサＣ５とから構成されている。
【００２２】
９はインバータ回路で、平滑回路４を介した整流回路１の正極側及び負極側ラインにそれぞれ挿入されたＦＥＴ１０（第４スイッチング素子）及びＦＥＴ１１（第５スイッチング素子）と、カソードがチョークコイルＬ１とポンピングコンデンサＣ１との接続点に、アノードがＦＥＴ１０，１１の接続点にそれぞれ接続されたフライホイールダイオードＤ９と、ＦＥＴ１１に並列に接続されたダイオードＤ１０とを備えている。
【００２３】
次に、前記のように構成された蛍光灯点灯装置の回路の動作を図２に基づいて説明する。
図２は第１の実施形態の回路の動作を示す説明図である。なお、この図は、動作説明の便宜上、電流の流れている線路のみを図示しており、破線で示した線路は、条件により電流が流れる場合と流れない場合とがあることを示す。また、ランプ回路７中の矢印は電流の向きを示す。
【００２４】
図２(ａ)はポンピングコンデンサＣ１の充電開始からポンピングコンデンサＣ１の充電電圧が平滑コンデンサＣ２の充電電圧に達するまでの回路動作であり、インバータ回路９のＦＥＴ１１がオンし、引き続き充電回路２及び平滑回路４の各ＦＥＴ３，５がオンすると、整流回路１の出力電圧が充電回路２を印加し、チョークコイルＬ１を介してポンピングコンデンサＣ１を充電する。この入力電圧、即ち入力交流電圧の瞬時値の絶対値が平滑コンデンサＣ２の充電電圧の２分の１を越えていない期間は、充電電圧のフィードバック制御を行うことなく、ポンピングコンデンサＣ１はチョークコイルＬ１とから構成される共振回路により、入力電圧の２倍まで充電される。そして、この充電電圧は整流回路１があるためにホールドされる。
【００２５】
一方、ＦＥＴ１１のオンにより、平滑コンデンサＣ２は放電を開始する。その電圧は、ポンピングコンデンサＣ１の充電電圧よりも高いが、逆流阻止ダイオードＤ６によってポンピングコンデンサＣ１への放電は阻止され、ランプ回路７を印加する。
【００２６】
図２( ｂ) は、ポンピングコンデンサＣ１の充電電圧が高くなって、平滑コンデンサＣ２の充電電圧と、逆流阻止ダイオードＤ６及びＦＥＴ５を通る電流経路での電圧降下との和を越えた場合の状態で、この時は、ポンピングコンデンサＣ１への充電はストップし、チョークコイルＬ１を流れる電流は、逆流阻止ダイオードＤ６及びＦＥＴ５を通って平滑コンデンサＣ２とランプ回路７との並列回路に流入する。この時、入力電圧が高く、前記並列回路への流入電流がランプ回路７を流れる電流よりも大きくなっている場合には、平滑コンデンサＣ２への充電が発生する。
なお、ポンピングコンデンサＣ１の充電電圧は、充電電流が前記のように流出しない場合は入力交流電圧の２倍になるので、負荷が軽い理想的な場合にはポンピングコンデンサＣ１及び平滑コンデンサＣ２の充電電圧は共に入力交流電圧の２倍（交流１００Ｖの場合ほぼ２８０Ｖ）となる。
【００２７】
図２( ｃ) は図２( ｂ) の状態に引き続きＦＥＴ３，５，１１がオフになって全てのスイッチング素子がオフとなったデッドタイムの期間の状態で、この時点においてチョークコイルＬ１に電流が流れている場合には、チョークコイルＬ１のポンピングコンデンサＣ１側の端子電圧が上昇するために、その電流がポンピングコンデンサＣ１、ＦＥＴ６の逆並列ダイオードＤ８及び平滑コンデンサＣ２をそれぞれ介して整流回路１の負極側ラインに流れる。またこの時、平滑コンデンサＣ２からランプ回路７に電流が流れ、ランプ回路７がインダクタンス成分を含む場合にはフライホイールダイオードＤ９を通って回生電流が流れる。
【００２８】
図２( ｄ) は図２( ａ) から図２( ｃ) に示したポンピングコンデンサＣ１への充電期間が終了した後にＦＥＴ６及びインバータ回路９のＦＥＴ１０がオンになったときの状態で、この時は、ポンピングコンデンサＣ１とランプ回路７が結合され、ポンピングコンデンサＣ１からランプ回路７に電流が流れる。ここで、インバータ回路９のＦＥＴ１１がオンになっている期間（図２( ａ) 及び図２( ｂ) ）と並べてみると、ランプ回路７に電流を供給するインバータ電源は、ポンピングコンデンサＣ１と平滑コンデンサＣ２の直列回路と等価であることがわかる。従って、図２( ｂ) で述べたように理想的な場合には、このインバータ電源電圧のピーク値は約５６０Ｖに達する。実用的にはこの値はもっと小さな値となるが、始動時に必要なランプ電圧を共振で得る場合に必要な共振のＱは、従来のインバータ電源電圧が２倍圧（２８０Ｖ）の場合に比して小さくてすむことになる。
【００２９】
図２( ｅ) は図２( ｄ) に示す期間の後半に平滑回路４のＦＥＴ５をオンした状態で、ポンピングコンデンサＣ１の充電電圧が逆流阻止ダイオードＤ６、ＦＥＴ５及びＦＥＴ６を通して放電され、主にＦＥＴ５，６のオンによる抵抗によって消費される。ＦＥＴ５がオンになる直前のポンピングコンデンサＣ１の充電電圧が十分小さくなっていたときにはこの強制放電の効果は小さいが、そうでない場合にこの強制放電を行わないと、次のポンピングコンデンサＣ１の充電過程における充電電流が大きくとれずに力率が低下する。また、ポンピングコンデンサＣ１の充電電圧が十分に上昇せず、ランプ回路７への印加電圧が低下することになる。
なお、負荷が小さい場合や、電源電流高調波に対する対策が強く求められないような用途においてはこの動作モードは省略が可能である。
【００３０】
図２( ｆ) は図２( ｄ) の動作においてポンピングコンデンサＣ１の充電電圧がゼロＶに近づき、ランプ回路７のインダクタンス成分によって回路電流が図示の方向に流れている状態で、この場合、回路電流は、ＦＥＴ５の逆並列ダイオードＤ７を通って流れ、逆流阻止ダイオードＤ６によってポンピングコンデンサＣ１に流れることなくランプ回路７に流入する。
【００３１】
図２( ｇ) は図２( ｄ) においてオンしたＦＥＴ６及びインバータ回路９のＦＥＴ１０がオフし、本回路の全てのスイッチング素子がオフになったときのデッドタイムの期間の状態で、この時、ランプ回路７のインダクタンス成分によって図示の方向に電流が流れ、平滑コンデンサＣ２を介してインバータ回路９のＦＥＴ１１の逆並列ダイオードＤ１０を通って流れる。
【００３２】
ここで、図１の回路を構成するコイルとコンデンサの容量について説明を加える。
第１の実施形態の回路構成は、前述したようにランプ回路７へのエネルギー供給は、インバータ周期の半周期においてはポンピングコンデンサＣ１から供給され、残りの半周期においては平滑コンデンサＣ２から供給される。従って、ポンピングコンデンサＣ１への平均的な充電エネルギーがランプ電力の約２分の１になるようにポンピングコンデンサＣ１の容量を決定する。実用的にはこの容量は１０ｎＦから１００ｎＦ程度の値となる。
【００３３】
チョークコイルＬ１の容量としては、チョークコイルＬ１とポンピングコンデンサＣ１とで構成される共振回路に流れる共振電流がＦＥＴ３を流れるので、コスト及び回路の電力損失を低減するという実用的な要求に基づいて、この共振電流のピーク値を２０Ａ以下、望ましくは５Ａ以下に押さえるという制限を付けることにより決定する。この値は例えば１０μＨから１００μＨ程度の値となる。
【００３４】
次に、ランプ回路７の構成について説明する。
まず、蛍光灯８に直列に接続されるコンデンサＣ３の容量としては、インバータ回路９のＦＥＴ１１がオンしたときに放電される平滑コンデンサＣ２からの電流を制限するために、ポンピングコンデンサＣ１と同程度の容量とする。
【００３５】
ここで、ランプ抵抗が高いときのランプ回路７のコイルＬ２とコンデンサＣ３，Ｃ４，Ｃ５から構成される共振回路の共振周波数を、インバータ回路９スイッチング周波数の奇数倍とすることにより共振が励起される。例えば、インバータ回路９のスイッチング周波数を５０ｋＨｚ、前記共振回路の共振周波数を１５０ｋＨｚに取ることができる。この時、共振コイルの容量を前述した値の１００μＨから数１００μＨ程度に取ると、共振コンデンサの容量は数ｎＦとなる。この共振コンデンサは、コンデンサＣ３，Ｃ４，Ｃ５で構成されるが、フィラメント抵抗を無視して考えると、この回路の合成容量はほぼコンデンサＣ４，Ｃ５の並列容量となる。ここで、コンデンサＣ４を通る電流はフィラメントにも流れて予熱に寄与するが、コンデンサＣ５を流れる電流はフィラメントに流れず予熱に寄与しないため、コンデンサＣ４，Ｃ５への容量の配分は始動条件等により決定する。
【００３６】
また、例えば、コンデンサＣ４の容量を４ｎＦとし、蛍光灯８が高抵抗のときの共振周波数がインバータ駆動周波数のほぼ同じになるように設定し、蛍光灯８に並列に接続されたコンデンサＣ５の容量を１１ｎＦとした場合、ポンピングコンデンサＣ１の強制放電モード（図２（ｅ）参照）を挿入せずに、かつ平滑コンデンサＣ２の容量が１０μＦであっても「家電・汎用品高調波抑制対策ガイドライン」の限度値Ｃを満足しており、その結果、ランプ抵抗は約１００Ωから８００Ωの範囲に亘って約一桁変化するが、ランプ電流及びランプ電圧の振動に周期の大きな変化が認められず、電流波高率も「ＪＩＳ８１１７蛍光灯電子安定器」で規定されている電流波高率２．１以下となる。
【００３７】
以上のように第１の実施形態においては、インバータ電源が平滑コンデンサＣ２とポンピングコンデンサＣ１との直列回路で構成されるため、平滑コンデンサＣ２のみをインバータ電源とする従来と比べ供給電圧が高く取れ、このため、ランプ始動時に必要なランプ電圧を得るための共振回路のＱは小さな値でよいという効果がある。また、蛍光灯８に供給される電力は主にポンピングコンデンサＣ１への充電エネルギーにより制限されるので、従来の点灯回路で用いられていた１ｍＨから数ｍＨの程度の容量を持つバラストコイルは必要なく、この場合、ランプ始動時の条件と不要輻射ノイズに対する対策を考慮して決定し、実用的には、例えば１００μＨから数１００μＨ程度のコイルを用いることができる。
【００３８】
実施形態２．
前記の第１の実施形態においては、ポンピングコンデンサＣ１の強制放電を、平滑回路４の逆流阻止ダイオードＤ６及びＦＥＴ５と、ＦＥＴ６とを通して行ったことについて述べたが、図３に示す回路のようにこの放電エネルギーを蛍光灯８のフィラメントに吸収させるようにしてもよい。また、この回路では、ポンピングコンデンサＣ１とチョークコイルＬ１との接続点をインバータ回路９のＦＥＴ１０のドレインと直接接続し、逆流阻止ダイオードＤ６のアノードがこの接続点に、カソードがＦＥＴ５のドレインにそれぞれ接続されている。そして、ポンピングコンデンサＣ１の逆充電を阻止するクランプダイオードＤ１１がそのポンピングコンデンサＣ１に並列に接続されている。
【００３９】
また、第２の実施形態の回路構成では、蛍光灯８のフィラメントと接続された並列のコンデンサＣ４を通る電流が、インバータ回路９のＦＥＴ１１がオンのときに、ポンピングコンデンサＣ１の強制放電電流が流れない側のフィラメント（右側）のみに流れ、放電電流が片方のフィラメントのみに流れることによる予熱の非対称を緩和している。
【００４０】
第２の実施形態によれば、ポンピングコンデンサＣ１の強制放電の放電電流が、蛍光灯８のフィラメントを流れるようにしたので、強制放電によるエネルギー損失を有効に吸収することができるという効果がある。
【００４１】
実施形態３．
また、ポンピングコンデンサＣ１の強制放電をコイルに蓄積させるようにしてもよい。例えば、図４に示すように平滑回路４のＦＥＴ５とランプ回路７の蛍光灯８との接続点及びＦＥＴ６と平滑コンデンサＣ２との接続点の間にコイルＬ３が挿入されている。ＦＥＴ５及びＦＥＴ６がオンした後に、そのＦＥＴ６がオフすると、充電回路２のポンピングコンデンサＣ１の残りの充電電圧がＦＥＴ５を介して前記コイルＬ３に蓄積される。
【００４２】
第３の実施形態では、ポンピングコンデンサＣ１の強制放電の後にコイルＬ３を通して流れるようにしたので、そのコイルＬ３に一端蓄積された電流エネルギーを有効にさせて回路効率をさらに改善できるという効果がある。
なお、前述のコイルＬ３をポンピングコンデンサＣ１と逆並列ダイオードＤ８との接続点及びＦＥＴ３とＦＥＴ６との接続点の間にコイルＬ３を挿入しても、前記と同様の効果が得られる。
【００４３】
実施形態４．
図５は本発明の第４の実施形態を示す回路図であり、本実施形態においては、前述した第１から第３の実施形態のように整流回路１の出力電圧がチョークコイルＬ１を介して平滑コンデンサＣ２に印加されないようにし、また、ＦＥＴ６及びインバータ回路９のＦＥＴ１０のオンでポンピングコンデンサＣ１とランプ回路７とが結合した際に、整流回路１とインバータ回路９とがつながらないようにしたものであり、回路構成としては主に充電回路２が異なっている。
【００４４】
前記充電回路２は、平滑回路４を介してインバータ回路９のＦＥＴ１０に接続された整流回路１の正極側ラインに挿入された直列接続のチョークコイルＬ１及びＦＥＴ３と、陽極がそのＦＥＴ３に、負極が整流回路１の負極側ラインにそれぞれ接続されたポンピングコンデンサＣ１と、カソードが前記負極側ラインとポンピングコンデンサＣ１との接続点に、アノードが平滑回路４を介してインバータ回路９のＦＥＴ１１にそれぞれ接続されたダイオードＤ５とから構成されている。
【００４５】
次に、前記のように構成された蛍光灯点灯装置の回路の動作を図６に基づいて説明する。
図６は第４の実施形態の回路の動作を示す説明図であり、まず、図６( ａ) に示すようにインバータ回路９のＦＥＴ１１がオンすると共に充電回路２のＦＥＴ３がオンする。この時、第１の実施形態と同様にポンピングコンデンサＣ１が充電され、平滑コンデンサＣ２が放電を開始してランプ回路７に電流を流す。
次いで、図６( ｂ) に示すように前記ＦＥＴ３及びＦＥＴ１１がオフになると共に、インバータ回路９のＦＥＴ１０とＦＥＴ６がオンする。この時は、ポンピングコンデンサＣ１とランプ回路７とが結合され、ポンピングコンデンサＣ１の放電電流がランプ回路７に流れる。
【００４６】
その後は、図６( ｃ) に示すようにＦＥＴ６がオフし、ポンピングコンデンサＣ１の放電電流がランプ回路７を介して平滑コンデンサＣ２に流れ、平滑コンデンサＣ２が充電される。この平滑コンデンサＣ２への充電は図６( ａ) においてランプ回路７に放電される電圧である。前記ＦＥＴ６は、入力交流電圧の瞬時値の絶対値が低い期間、例えばポンピングコンデンサＣ１の充電電圧のピーク値が平滑コンデンサＣ２の充電電圧を越えない期間にのみオンし、入力交流電圧の瞬時値の絶対値が高く、ポンピングコンデンサＣ１の充電電圧のピーク値が高いときにオフになるようになっている。
なお、平滑回路４のＦＥＴ５は、ポンピングコンデンサＣ１の強制放電のみに使用するものとし、場合によっては省略してもよい。
【００４７】
第４の実施形態においては、平滑コンデンサＣ２への充電をポンピングコンデンサＣ１を介して間接的に行われるようにしたので、電源から平滑コンデンサＣ２への直接充電のときに発生する突入電流を避けることができ、前記実施形態と比べ力率と高調波電源電流を大きく改善することができるという効果がある。
【００４８】
実施形態５．
図７は本発明の第５の実施形態を示す回路図である。本実施形態の回路は、整流回路１と、整流回路１の正極側に接続されたＦＥＴ３、ＦＥＴ３に直列に接続されたポンピングコンデンサＣ１、そのコンデンサＣ１に並列に接続された逆流阻止ダイオードＤ７、及びポンピングコンデンサＣ１とインバータ回路９のＦＥＴ１１との間に挿入された逆流阻止ダイオードＤ５からなる充電回路２と、一端がポンピングコンデンサＣ１の負極側に、他端が整流回路１の負極側にそれぞれ接続されたコイルＬ４と、正極がコイルＬ４と整流回路１の負極側との接続点に、負極が逆流阻止ダイオードＤ５のアノードにそれぞれ接続された平滑コンデンサＣ２と、直列接続されたコンデンサＣ３及び蛍光灯８を有し、一端がコイルＬ４及び平滑コンデンサＣ２の接続点に接続されたランプ回路７と、ランプ回路７の他端とＦＥＴ３との間に設けられたＦＥＴ１０及びランプ回路７の他端とそのＦＥＴ１０との接続点と平滑コンデンサＣ２の負極側との間に設けられたＦＥＴ１１からなるインバータ回路と、アノードがＦＥＴ３とポンピングコンデンサＣ１との接続点に、カソードがＦＥＴ１０にそれぞれ接続されたダイオードとで構成されている。
前述したコイルＬ４と平滑コンデンサＣ２と逆流阻止ダイオードＤ５とでブックブースト型のコンバータ回路が構成され、また、コイルＬ４は、第４の実施形態におけるＦＥＴ６の役割を兼ねている。
【００４９】
次に、動作を説明する。図８は第５の実施形態の動作を示す説明図であり、図８( ａ) 〜図８( ｄ) は入力交流電圧が平滑コンデサＣ２の充電電圧より大きいときの動作説明図で、図８( ｅ) 〜図８( ｇ) は入力交流電圧が平滑コンデサＣ２の充電電圧より小さいときの動作説明図である。
【００５０】
まず、インバータ回路９のＦＥＴ１１がオンすると共に、充電回路２のＦＥＴ３がオンすると、ポンピングコンデンサＣ１が充電されると共にコイルＬ４に電流エネルギーが蓄積される。この時、コンデンサＣ３が平滑コンデンサＣ２により充電され、蛍光灯８に電流が流れる（図８( ａ) 参照）。ポンピングコンデンサＣ１の充電電圧が入力交流電圧と平滑コンデンサＣ２の充電電圧との合計値より高くなると、ポンピングコンデンサＣ１への充電がストップし、コイルＬ４に蓄積された電流エネルギーにより平滑コンデンサＣ２への充電が開始される（図８( ｂ) 参照）。
【００５１】
次に、ＦＥＴ３，１１がオフになると同時にインバータ回路９のＦＥＴ１０がオンになると、ポンピングコンデンサＣ１及びコンデンサＣ３が放電を開始し、図８( ａ) のときと逆方向に電流が流れる。放電開始時、その電流によってコイルＬ４に起電力が発生するが（破線矢印）、逆流阻止ダイオードＤ５が導通し平滑コンデンサＣ２が充電される。その後、コイルＬ４に流れる電流が増加し平滑コンデンサＣ２への充電電流が減少する（図８( ｃ) 参照）。この時、コンデンサＣ３による放電が終了するが、ポンピングコンデンサＣ１の放電電流とコイルＬ４に蓄積された電流エネルギーとによりコンデンサＣ３が逆方向に充電される（図８( ｄ) 参照）。
【００５２】
入力交流電圧が平滑コンデンサＣ２より小さいときは、入力交流電圧が大きいときに行われていた平滑コンデンサＣ２への充電過程がなく、平滑コンデンサＣ２は放電するのみとなる。
この場合、インバータ回路９のＦＥＴ１１及び充電回路２のＦＥＴ３がオンすると、ポンピングコンデンサＣ１が入力交流電圧の約２倍まで充電される。この時、平滑コンデンサＣ２が放電を開始してコンデンサＣ３を充電し、蛍光灯８に電流が流れる（図８( ｅ) 参照）。次いで、インバータ回路９のＦＥＴ１０のみがオンになると、ポンピングコンデンサＣ１とコンデンサＣ３とが図８( ｅ) のときと逆方向にそれぞれ放電し、蛍光灯８に電流が流れる（図８( ｆ) 参照）。この状態において、ポンピングコンデンサＣ１の放電が終了すると、コンデンサＣ３が継続して放電を開始し、その電流が逆流阻止ダイオードＤ７を介して流れる（図８( ｇ) 参照）。
【００５３】
第５の実施形態によれば、平滑コンデンサＣ２への充電電圧が大きくとりにくいものの、スイッチング素子のＦＥＴの数が少なくてすむので、ワット数の低い蛍光灯８に適用できるという効果がある。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、 インバータ電源が充電回路のコンデンサと平滑回路の平滑コンデンサとの直列回路となるようスイッチング構成を用いて動的に構成したため、平滑コンデンサへの充電期間以外の期間においても電源電流がランプ回路に流入し、かつ、この期間における電源電流は電源電圧にほぼ比例するので、力率が向上し、しかも電源電流高調波を大きく減少させることができる。また、平滑コンデンサへの充電が整流回路とチョークコイルを通して行われるので、平滑コンデンサの充電電圧をより高い値にすることができるという効果がある。
【００５５】
また、平滑コンデンサへの充電を充電回路のコンデンサを介して間接的に行うようにしたので、電源から平滑コンデンサへの直接充電の場合に発生する突入電流を避けることができると共に、力率と高調波電源電流をさらに大きく改善できるという効果がある。
【００５６】
また、充電回路のコンデンサの強制放電の電流をコイルに流してその電流エネルギーを有効に回生するようにしたので、回路の効率を更に改善できるという効果がある。
【００５７】
さらに、充電回路のコンデンサが充電されている間にランプ回路を構成する共振回路の共振エネルギーを利用してその共振回路のコンデンサを逆方向に充電するようにしたので、ランプ抵抗が高い期間においても、充電回路のコンデンサの充電エネルギーをランプ回路に有効に伝達することができるという効果がある。
【００５８】
さらにまた、ランプ回路が蛍光灯と直列に接続されるコンデンサを有し、この直列コンデンサと充電回路のコンデンサとの役割によりランプ電流が制限されるため、従来、安定器で使用されている大きな容量のバラストコイルが不要となるという効果がある。
【００５９】
また、ランプ回路が、蛍光灯と、該蛍光灯の両極のフィラメントを結ぶ線路に挿入された第１コンデンサと、前記蛍光灯に並列に接続された第２コンデンサと、前記蛍光灯に直列に接続されたコイルと、該コイルに直列に接続された第３コンデンサとから構成されているので、ランプ抵抗が大きく変化しても、ランプ電流及びランプ電圧の振動周期の大きな変動がなくなり、電流波高率も規格を満足するという効果がある。
【００６０】
また、本発明は、充電回路のコンデンサの充電を強制放電する際、ランプ回路を通さずに完全に放電するようにしたので、力率が更に改善されると共に、ランプ回路への印加電圧を更に大きくすることができるという効果がある。
【００６１】
また、充電回路のコンデンサの充電を強制放電する際、蛍光灯のフィラメントを通して完全に放電するようにしたので、強制放電によるエネルギーの損失を有効に吸収できるという効果がある。
【００６２】
さらに、充電回路のコンデンサに逆並列のダイオードを設けて当該コンデンサの端子間電圧が逆極性にならないようにしたので、電源電圧が低い期間における電源電流の不連続が発生せず、力率と電源電流高調波が更に改善されるという効果がある。
【００６３】
さらにまた、充電回路のチョークコイルの出力端とランプ回路の他端との間にダイオードを備えて、インバータ回路の第５スイッチング素子のオン時に流入する電流を制限するようにしたので、力率の低減を防止できるという効果がある。
【００６４】
また、本発明は、整流回路の正極側に接続された第１スイッチング素子、第１スイッチング素子に直列に接続されたコンデンサ、コンデンサに並列に逆方向に接続されたダイオード、及びコンデンサの負極側にカソードが接続された逆流阻止ダイオードを有する充電回路と、一端が充電回路のコンデンサの負極側に接続され、他端が整流回路の負極側に接続されたコイルと、正極がコイルと整流回路の負極側との接続点に接続され、負極が充電回路の逆流阻止ダイオードのアノードに接続された平滑コンデンサと、直列接続されたコンデンサ及び蛍光灯を有し、一端がコイル及び平滑コンデンサの接続点に接続されたランプ回路と、ランプ回路の他端と充電回路の第１スイッチング素子との間に設けられた第２スイッチング素子、及びランプ回路の他端とその第２スイッチング素子との接続点と平滑コンデンサの負極側との間に設けられた第３スイッチング素子を有するインバータ回路とから構成されているので、平滑コンデンサへの充電電圧が大きくとりにくいものの、スイッチング素子の数が少なくて済み、ワット数の低い蛍光灯に適用できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態を示すインバータ式蛍光灯点灯装置の回路図である。
【図２】 第１の実施形態の回路の動作を示す説明図である。
【図３】 本発明の第２の実施形態を示すインバータ式蛍光灯点灯装置の回路図である。
【図４】 本発明の第３の実施形態を示すインバータ式蛍光灯点灯装置の回路図である。
【図５】 本発明の第４の実施形態を示す回路図である。
【図６】 第４の実施形態の回路の動作を示す説明図である。
【図７】 本発明の第５の実施形態を示す回路図である。
【図８】 第５の実施形態の動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 整流回路、２ 充電回路、４ 平滑回路、７ ランプ回路、９ インバータ回路、３，５，６，１０，１１ ＦＥＴ、８ 蛍光灯、Ｄ１〜Ｄ１２ ダイオード、Ｃ１ ポンピングコンデンサ、Ｃ２ 平滑コンデンサ、Ｃ３ ランプ直列のコンデンサ、Ｃ４ 予熱用のコンデンサ、Ｃ５ ランプ並列のコンデンサ、Ｌ１ チョークコイル、Ｌ２ ランプ直列のコイル。

Claims (11)

1. 入力交流電源を全波整流する整流回路と、
   該整流回路の正極側ラインに挿入されたチョークコイル、該チョークコイルと前記整流回路の負極側ラインとの間に直列接続されたコンデンサ及び第１スイッチング素子を有する充電回路と、
   該充電回路のチョークコイルとコンデンサとの接続点にアノードが接続された逆流阻止ダイオード、該逆流阻止ダイオードのカソードに一端が接続された第２スイッチング素子、該第２スイッチング素子の他端と前記整流回路の負極側ラインとの間に設けられた平滑コンデンサ、及び前記第２スイッチング素子に並列に逆方向に接続されたダイオードを有する平滑回路と、
   前記充電回路のコンデンサの負極側と前記平滑回路の第２スイッチング素子の他端との間に設けられた第３スイッチング素子と、
   蛍光灯を有し、一端が前記平滑回路の第２スイッチング素子と平滑コンデンサとの接続点に接続されたランプ回路と、
   該ランプ回路の他端と前記平滑回路の逆流阻止ダイオードのカソードとの間に挿入された第４スイッチング素子、及び前記ランプ回路の他端と前記整流回路の負極側ラインとの間に挿入された第５スイッチング素子を有するインバータ回路とを備え、
   前記インバータ回路の第５スイッチング素子がオンしたときに前記充電回路の第１スイッチング素子及び前記平滑回路の第２スイッチング素子がオンし、前記インバータ回路の第４スイッチング素子がオンしたときは前記第３スイッチング素子がオンし、前記ランプ回路の蛍光灯を高周波点灯することを特徴とするインバータ式蛍光灯点灯装置。
2. 入力交流電源を全波整流する整流回路と、
   該整流回路の正極側ラインに挿入された直列接続のチョークコイルと第１スイッチング素子、該第１スイッチング素子の出力端に陽極が接続され、前記整流回路の負極側ラインに負極が接続されたコンデンサ、及び前記整流回路の負極側ラインにカソードが接続されたダイオードを有する充電回路と、
   前記充電回路の第１スイッチング素子とコンデンサとの接続点にアノードが接続された逆流阻止ダイオード、該逆流阻止ダイオードのカソードに一端が接続された第２スイッチング素子、該第２スイッチング素子の他端と前記充電回路のダイオードのアノードとの間に設けられた平滑コンデンサ、及び前記第２スイッチング素子に並列に逆方向に接続されたダイオードを有する平滑回路と、
   前記充電回路のコンデンサの負極側と前記平滑回路の第２スイッチング素子の他端との間に設けられた第３スイッチング素子と、
   蛍光灯を有し、一端が前記平滑回路の第２スイッチング素子と平滑コンデンサとの接続点に接続されたランプ回路と、
   該ランプ回路の他端と前記平滑回路の逆流阻止ダイオードのアノードとの間に挿入された第４スイッチング素子、及び前記ランプ回路の他端と前記充電回路のダイオードのアノード及び前記平滑回路の平滑コンデンサの接続点との間に挿入された第５スイッチング素子を有するインバータ回路とを備え、
   前記インバータ回路の第５スイッチング素子がオンしたときに前記充電回路の第１スイッチング素子がオンし、前記インバータ回路の第４スイッチング素子がオンしたときは前記第３スイッチング素子がオンし、その後に該第３スイッチング素子がオフして前記平滑回路の平滑コンデンサが前記充電回路のコンデンサによって充電されることを特徴とするインバータ式蛍光灯点灯装置。
3. 前記平滑回路の第２スイッチング素子と前記ランプ回路の蛍光灯との接続点及び前記第３スイッチング素子と平滑コンデンサとの接続点の間、或いは前記充電回路のコンデンサと第１スイッチング素子との間にコイルが設けられ、前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子がオンした後に、その第３スイッチング素子がオフすると、前記充電回路のコンデンサの充電電圧が前記第２スイッチング素子を介して前記コイルに蓄積されることを特徴とする請求項１記載のインバータ式蛍光灯点灯装置。
4. 前記ランプ回路は、蛍光灯と、該蛍光灯の両極のフィラメントを結ぶ線路に挿入された第１コンデンサと、前記蛍光灯に並列に接続された第２コンデンサと、前記蛍光灯に直列に接続されたコイルとから構成されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載のインバータ式蛍光灯点灯回路。
5. 前記ランプ回路は、蛍光灯と、該蛍光灯に直列に接続された第３コンデンサとから構成されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載のインバータ式蛍光灯点灯回路。
6. 前記ランプ回路は、蛍光灯と、該蛍光灯の両極のフィラメントを結ぶ線路に挿入された第１コンデンサと、前記蛍光灯に並列に接続された第２コンデンサと、前記蛍光灯に直列に接続されたコイルと、該コイルに直列に接続された第３コンデンサとから構成されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載のインバータ式蛍光灯点灯回路。
7. 前記インバータ回路の第４スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子がオンしているときに前記平滑回路の第２スイッチング素子がオンしたときは、前記充電回路のコンデンサの充電電圧がその第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子を介して強制的に放電されることを特徴とする請求項１、４、５又は６記載のインバータ式蛍光灯点灯装置。
8. 前記第３スイッチング素子は、前記充電回路のコンデンサの負極側と前記ランプ回路の蛍光灯の一方のフィラメントとの間に設けられ、
   前記インバータ回路の第４スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子がオンしているときに前記平滑回路の第２スイッチング素子がオンしたときは、前記充電回路のコンデンサの充電電圧がその第２スイッチング素子、前記蛍光灯の一方のフィラメント及び前記第３スイッチング素子を介して強制的に放電されることを特徴とする請求項１、４、５又は６記載のインバータ式蛍光灯点灯装置。
9. 前記充電回路のコンデンサの陽極側にカソードが、負極側にアノードが接続されたダイオードを備えていることを特徴とする請求項２、３、又は８記載のインバータ式蛍光灯点灯回路。
10. カソードが前記チョークコイルの出力端に接続され、アノードが前記ランプ回路の他端に接続されたダイオードを備えていることを特徴とする請求項１、４、５、６又は７記載のインバータ式蛍光灯点灯回路。
11. 入力交流電源を全波整流する整流回路と、
    該整流回路の正極側に接続された第１スイッチング素子、該第１スイッチング素子に直列に接続されたコンデンサ、該コンデンサに並列に逆方向に接続されたダイオード、及び前記コンデンサの負極側にカソードが接続された逆流阻止ダイオードを有する充電回路と、
    一端が前記充電回路のコンデンサの負極側に接続され、他端が前記整流回路の負極側に接続されたコイルと、
    正極が前記コイルと前記整流回路の負極側との接続点に接続され、負極が前記充電回路の逆流阻止ダイオードのアノードに接続された平滑コンデンサと、
    直列接続されたコンデンサ及び蛍光灯を有し、一端が前記コイル及び平滑コンデンサの接続点に接続されたランプ回路と、
    該ランプ回路の他端と前記充電回路の第１スイッチング素子との間に設けられた第２スイッチング素子、及び前記ランプ回路の他端とその第２スイッチング素子との接続点と前記平滑コンデンサの負極側との間に設けられた第３スイッチング素子を有するインバータ回路とを備え、
    前記インバータ回路の第３スイッチング素子がオンしたときに前記充電回路の第１スイッチング素子がオンし、前記インバータ回路の第２スイッチング素子がオンしたときは前記第１及び第３スイッチング素子がオフし、前記ランプ回路の蛍光灯を高周波点灯することを特徴とするインバータ式蛍光灯点灯装置。

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