JP4036240B2

JP4036240B2 - 放電灯点灯装置

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Publication number: JP4036240B2
Application number: JP2007009267A
Authority: JP
Inventors: 昇山本; 健二米今; 正道石川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2023-01-23
Also published as: JP2007103390A

Description

本発明は、放電灯点灯装置、詳しくは、メタルハライドランプ等の高圧放電灯の点灯装置に関する。

一般に、メタルハライドランプ等の高圧放電灯は、点灯を開始しても、発光金属の蒸気圧がすぐには高くならないため、光出力がすぐには立ち上がらない。

そこで、光出力を速やかに立ち上がらせるため、始動時に放電灯の定格電力よりも大きな電力を放電灯に印加する方法が特許文献１に開示されている。
特開平５-１４４５７７号公報

しかし、上記のような従来技術によると、始動時に、ランプ電圧が低い程、ランプ印加電力が大きくなるように制御されるため、ランプ電流が過大になり、放電灯の電極消耗が早く、放電灯の寿命が短くなる。

そのため、電極消耗を抑制するために、始動時のランプ電流を安定点灯時のランプ電流と同程度になるよう制御することが考えられるが、この方法によると、始動時、電極間でのアーク放電が不安定となり、放電灯が立ち消えするという不具合が生じやすく、また、光出力の立ち上がりが遅くなるという問題が生じる。

本発明は、上記問題点を解決し、始動時のランプ電流を安定点灯時のランプ電流よりも大きくなるよう制御するとともに、始動時のランプ印加電力を安定点灯時のランプ印加電力と同程度以下になるよう制御することにより、放電灯の立ち消えを防止するとともに光出力を迅速に立ち上げ、また、放電灯の電極消耗を抑制することを目的とする。

本発明の放電灯点灯装置は、放電灯と、前記放電灯に電力を供給する電力供給手段と、前記放電灯のランプ電流ｉ_Lが流れる第１の抵抗器と、前記放電灯のランプ電圧Ｖ_Lを電流Ｉに変換する電圧‐電流変換回路と、前記電圧‐電流変換回路の出力電流Ｉが流れ、前記第１の抵抗器に直列に接続される第２の抵抗器とを備え、前記第２の抵抗器の前記第１の抵抗器側とは反対の端子の電圧Ｖ_-を基準電圧Ｖ_refに等しくするようフィードバック制御することにより、前記放電灯に印加するランプ印加電力を制御する放電灯点灯装置であって、前記ランプ印加電力は、始動時には、正常ランプの安定点灯時のランプ印加電力と同程度以下の電力値であって、所定のランプ電圧域において前記安定点灯時のランプ印加電力と同程度の電力値となるよう制御され、かつ、前記電圧‐電流変換回路の出力電流Ｉは、
1)ランプ電圧Ｖ_Lが正常ランプの安定点灯時のランプ電圧より低い第１の所定電圧Ｖ_a以下のときには、
I＝aＶ_L＋b （a,b:正の定数）
2)ランプ電圧Ｖ_Lが前記第１の所定電圧Ｖ_a以上のときには、
I＝cＶ_L＋d （c,d:正の定数、c＜a,d＞b）
からなる連続線を表す２つの式に従って定められ、前記電圧-電流変換回路は、ランプ電圧Ｖ_Lに応じた電流Ｉ₁、Ｉ₂を出力する第１及び第２の変換部と、固定電流Ｉ₃を出力する電流出力部とで構成され、電流Ｉは、Ｉ＝Ｉ₁＋Ｉ₂＋Ｉ₃で表され、前記電流出力部の固定電流Ｉ₃は、前記第１及び第２の変換部の出力電流Ｉ₁，Ｉ₂よりも大きいことを特徴とする。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、第１実施例に係る放電灯点灯装置の回路構成を示している。

図１において、１，２は、図示しない商用電源にスイッチ等を介して接続される電源入力端子を表している。電源入力端子１，２には、交流を直流に変換するためのダイオードブリッジ回路３が接続されている。ダイオードブリッジ回路３には、ダイオードブリッジ回路３の全波整流電圧を平滑化するための平滑コンデンサ４が接続されている。平滑コンデンサ４には、トランス５の１次巻線５ａと半導体スイッチ素子６の直列回路が接続されている。

トランス５の２次巻線５ｂには、トランス５の２次電圧を整流するための整流ダイオード７と、整流ダイオード７で整流された半波整流電圧を平滑化するための平滑コンデンサ８とが接続されている。平滑コンデンサ８には、メタルハライドランプ等の放電灯９が接続されている。放電灯９には、高電圧発生コイル１０の２次巻線１０ｂが接続されている。高電圧発生コイルの１次巻線１０ａには、始動時に、高電圧発生コイル１０の２次巻線１０ｂに高電圧を発生させるためのイグナイタ回路１１が接続されている。放電灯１０には、放電灯１０に流れるランプ電流ｉ_Lを検出するための第１の抵抗器１２が接続されている。

平滑コンデンサ８の正極側には、放電灯１０のランプ電圧Ｖ_Lを電流Ｉに変換する電圧‐電流変換回路１００が接続されている。電圧‐電流変換回路１００の具体的構成については、図５で後述する。

電圧‐電流変換回路１００の出力側には、オペアンプ１４が配されており、このオペアンプ１４の反転入力端子には、電圧‐電流変換回路１００の出力端子が接続され、一方、非反転入力端子には、基準電圧Ｖ_refを発生する基準電圧源１７が接続されている。オペアンプ１４の反転入力端子と電圧‐電流変換回路１００との接続点と、第１の抵抗器１２の放電灯側端子との間には、電圧‐電流変換回路１００の出力電流Ｉが流れる第２の抵抗器１３が接続されている。オペアンプ１４の出力端子と反転入力端子との間には、コンデンサ１５と抵抗１６の直列回路からなる交流帰還回路が接続されている。

オペアンプ１４の出力端子と半導体スイッチ素子６の制御入力端子との間には、ＰＷＭ制御回路１８が接続されている。ＰＷＭ制御回路１８は、半導体スイッチ素子６を数十ｋＨ_Zのスイッチング周波数でスイッチング動作させるものであり、オペアンプ１４の出力電圧に応じて、半導体スイッチ素子６のＯＮ・ＯＦＦデューティー比を制御するものである。

次に、上記のように構成された放電灯点灯装置の動作を説明する。

電源入力端子１，２間に商用電源が供給されると、商用電源は、ダイオードブリッジ回路３により全波整流され、さらに平滑コンデンサ４により平滑化されて直流電源に変換され、この直流電源がトランス５の１次巻線５ａと半導体スイッチ素子６の直列回路に印加される。同時に、ＰＷＭ制御回路１８が作動し、半導体スイッチ素子６がスイッチング動作し、トランス５の１次巻線５ａに、上記直流電源による電流が断続的に流れる。

トランス５の２次巻線５ｂには、半導体スイッチ素子６の導通時にトランス５に蓄積されたＬ₁・ｉ₁ ²／２（Ｌ₁：１次巻線５ａのインダクタンス、ｉ₁：半導体スイッチ素子６の遮断直前の１次電流値）で表されるエネルギ-が、半導体スイッチ素子６の遮断時に放出され、２次巻線５ｂに交流電圧が発生する。この交流電圧は、整流ダイオード７で半波整流され、平滑コンデンサ８を充電する。これにより、平滑コンデンサ８の充電電圧が上昇してゆき所定電圧に達すると、イグナイタ回路１１が作動して高電圧発生コイル１０の２次巻線１０ｂに高電圧が発生し、この高電圧が放電灯９に印加される。この高電圧の印加により、放電灯９の電極間で絶縁破壊が生じブレ-クダウンして、その結果、平滑コンデンサ８の充電電荷が放電灯９を介して放電するとともに、後述する回路動作により放電灯９にトランス５を介して引き続き電力が供給され、放電灯９は点灯動作を開始する。

放電灯９が点灯すると、ランプ電流ｉ_Lが流れ、このランプ電流ｉ_Lは、第１の抵抗器１２によって、その両端に生じる電圧ｉ_L・Ｒ₁₂（Ｒ₁₂：第１の抵抗器１２の抵抗値）として検出される。また、電圧‐電流変換回路１００は、ランプ電圧Ｖ_Lに応じて図２に示す電流Ｉを出力し、この出力電流Ｉは、第２の抵抗器１３及び第１の抵抗器１２に流れる。このため、オペアンプ１４の反転入力端子の入力電圧Ｖ_-は、Ｖ_-＝ｉ_L・Ｒ₁₂＋Ｉ（Ｒ₁₃＋Ｒ₁₂）となるが（Ｒ₁₃：第２の抵抗器１３の抵抗値）、Ｉ≪ｉ_Lであるため、Ｖ_-≒ｉ_L・Ｒ₁₂＋Ｉ・Ｒ₁₃となる。一方、オペアンプ１４の非反転入力端子には、基準電圧Ｖ_refが入力されている。オペアンプ１４は、Ｖ_-とＶ_refとを比較し、その差電圧を増幅して出力する。オペアンプ１４の出力電圧はＰＷＭ制御回路１８に入力され、ＰＷＭ制御回路１８は、オペアンプ１４の出力電圧値に応じて半導体スイッチ素子６のＯＮ・ＯＦＦデューティー比を制御し、これにより、放電灯９への印加電力が制御される。

このようなフィードバック制御により、放電灯９への印加電力は、ランプ電圧Ｖ_Lに応じて所定値に制御される。すなわち、Ｖ_-＝Ｖ_refとなるようにフィードバック制御される。

次に、電圧‐電流変換回路１００の出力電流Ｉについて、図２を参照して説明する。

図２は、放電灯９に定格電圧６０［Ｖ］、定格電力６０［Ｗ］のキセノンメタルハライドランプを用い、かつ、第１の抵抗器１２の抵抗値を０．４３［Ω］、第２の抵抗器の抵抗値１３を７０４［Ω］、基準電圧Ｖ_refを２［Ｖ］に設定した場合の出力電流Ｉの特性を示している。

図２に示すように、出力電流Ｉは、1)ランプ電圧Ｖ_Lが正常ランプの安定点灯時のランプ電圧（６０［Ｖ］）より低い第１の所定電圧Ｖ_a以下のときには、Ｉ＝０．０２７×Ｖ_L＋０．８８［ｍＡ］、2)ランプ電圧Ｖ_Lが第１の所定電圧Ｖ_a以上、かつ、上記安定点灯時のランプ電圧（６０［Ｖ］）より高い第２の所定電圧Ｖ_b以下のときには、Ｉ＝０．００９２×Ｖ_L＋１．６７［ｍＡ］、3)ランプ電圧Ｖ_Lが第２の所定電圧Ｖ_b以上のときには、Ｉ＝２．４８［ｍＡ］からなる３つの式に従って定められている。

そして、出力電流Ｉを上記のように定めた場合、ランプ電圧Ｖ_Lとランプ印加電力との関係は、図３に示すようになる。図３に示すように、ランプ電圧Ｖ_Lが定格電圧６０［Ｖ］以下のときでも、ランプ印加電力は安定点灯時のランプ印加電力にほぼ維持される。また、ランプ電圧Ｖ_Lとランプ電流ｉ_Lとの関係は、図４に示すようになる。図４に示すように、ランプ電圧Ｖ_Lが定格電圧６０［Ｖ］以下のとき、ランプ電流ｉ_Lは安定点灯時のランプ電流ｉ_Lよりも大きくなる。

上記のような出力電流Ｉは、図５に示した電圧‐電流変換回路１００の具体的構成によって得ることができる。

図５において、電圧‐電流変換回路１００は、第１の変換部２００と第２の変換部３００と電流出力部４００とから構成される。

第１の変換部２００は、ランプ電圧Ｖ_L を分圧する３つの分圧抵抗２０１，２０２，２０３を備える。第１の分圧抵抗２０１と第２の分圧抵抗２０２との接続点には、ランプ電圧Ｖ_Lを所定電圧にクランプするクランプダイオード２０４と、このクランプ電圧を決定する基準電圧を発生する基準電圧源２０５の直列回路が接続されている。ここで、クランプダイオード２０４は、始動時において放電灯９にランプ電流ｉ_Lが流れる直前の高いランプ電圧Ｖ_Lによって、後述するオペアンプ２０７が破壊されるのを防止するために設けられている。また、上記接続点には、ノイズ除去、平滑用のコンデンサ２０６が接続されている。第２の分圧抵抗２０２と第３の分圧抵抗２０３との接続点には、オペアンプ２０７と整流ダイオード２０８とからなるクランプ回路が接続されている。クランプ回路の出力端子には、電圧‐電流変換回路１００の出力端子に接続される抵抗２０９が接続されている。

このように構成された第１の変換部２００において、ランプ電圧Ｖ_Lは、第１、第２、第３の分圧抵抗２０１，２０２，２０３により分圧され、第２の分圧抵抗２０２と第３の分圧抵抗２０３との接続点の電圧Ｖ_eは、ランプ電圧Ｖ_Lに比例した電圧値となる。この電圧Ｖ_eは、オペアンプ２０７により、他のオペアンプ１４の基準電圧Ｖ_refと等しくなるように制御される。このため、Ｖ_eがＶ_ref以下の場合、出力電流Ｉ₁は、Ｉ₁＝（Ｖ_e-Ｖ_ref）／Ｒ₂₀₉［Ａ］（Ｒ₂₀₉：抵抗２０９の抵抗値）となる。その後、ランプ電圧Ｖ_Lが上昇し、Ｖ_e＝Ｖ_refになると、Ｖ_e＝Ｖ_-になるため電流Ｉ₁が流れなくなる。さらにランプ電圧Ｖ_Lが上昇してＶ_e＞Ｖ_refになると、オペアンプ２０７と整流ダイオード２０８のクランプ作用により、電流Ｉ₁は流れない。以上の動作により、第１の変換部２００の出力電流Ｉ₁の特性は、図６に示すように、ランプ電圧Ｖ_Lが第１の所定電圧Ｖ_a以下のときにはＶ_Lに比例した電流値となり、Ｖ_a以上では０［Ａ］に維持される。なお、図６の特性は、ランプ電圧Ｖ_Lが第１の所定電圧Ｖ_aのときＶ_e＝Ｖ_refとなるように、第１、第２、第３の分圧抵抗２０１，２０２，２０３の各抵抗値を設定した場合に対応している。

第２の変換部３００は、電圧‐電流変換回路１００の入力端子と出力端子との間に接続された、３つの抵抗３０１，３０２，３０６の直列回路を備える。第１の抵抗３０１と第２の抵抗３０２との接続点には、ノイズ吸収、平滑用のコンデンサ３０５が接続されている。第２の抵抗３０２と第３の抵抗３０６との接続点には、ランプ電圧Ｖ_Lを所定電圧にクランプするクランプダイオード３０３と、このクランプ電圧を決定する基準電圧を発生する基準電圧源３０４の直列回路が接続されている。

このように構成された第２の変換部３００において、ランプ電圧Ｖ_Lが、基準電圧源３０４の基準電圧によって決まるクランプ電圧に対応する電圧値に達しないときには、第２の変換部３００の出力電流Ｉ₂は、Ｉ₂＝（Ｖ_L-Ｖ_ref）／（Ｒ₃₀₁＋Ｒ₃₀₂＋Ｒ₃₀₆）［Ａ］（Ｒ₃₀₁：第１の抵抗３０１の抵抗値、Ｒ₃₀₂：第２の抵抗３０２の抵抗値、Ｒ₃₀₆：第３の抵抗３０６の抵抗値）となる。ランプ電圧Ｖ_Lが上昇し、クランプ電圧に対応する電圧値以上のときは、クランプダイオード３０３が導通し、出力電流Ｉ₂は、Ｉ₂＝（Ｖ₃₀₄＋Ｖ_F-Ｖ_ref）／Ｒ₃₀₆［Ａ］（Ｖ₃₀₄：基準電圧源３０４の基準電圧、Ｖ_F：クランプダイオード３０３の順方向降下電圧）となる。以上の動作により、第２の変換部３００の出力電流Ｉ₂の特性は、図６に示すように、ランプ電圧Ｖ_Lが第２の所定電圧Ｖ_b以下のときにはＶ_Lに比例した電流値となり、Ｖ_b以上では所定値に維持される。なお、図６の特性は、ランプ電圧Ｖ_Lが第２の所定電圧Ｖ_bのときＶ_e＝Ｖ_refとなるように、Ｖ₃₀₄、Ｒ₃₀₁、Ｒ₃₀₂、Ｒ₃₀₆を設定した場合に対応している。

電流出力部４００は、基準電圧を発生する基準電圧源４０２と、この基準電圧源４０２と電圧‐電流変換回路１００の出力端子との間に接続された抵抗４０１とを備える。

このように構成された電流出力部４００において、出力電流Ｉ₃は、Ｉ₃＝（Ｖ₄₀₂-Ｖ_ref）／Ｒ₄₀₁［Ａ］（Ｖ₄₀₂：基準電圧源４０２の基準電圧、Ｒ₄₀₁：抵抗４０１の抵抗値）となる。従って、電流出力部４００の出力電流Ｉ₃は、図６に示すように、所定値に維持される。

従って、第１の変換部２００の出力電流Ｉ₁、第２の変換部３００の出力電流Ｉ₂及び電流出力部４００の出力電流Ｉ₃は、図６に示すようになり、従って、電圧‐電流変換回路１００の出力電流Ｉ（＝Ｉ₁＋Ｉ₂＋Ｉ₃）は、図２に示すようになる。

以上説明したように、上記実施例に係る放電灯点灯装置によると、第１の抵抗器１２と第２の抵抗器１３は直列接続されており、第１の抵抗器１２にはランプ電流ｉ_Lが流れ、第２の抵抗器１３には電流Ｉが流れ、第２の抵抗器１３の一端（第１の抵抗器１２との接続側ではない方の端子）の電圧Ｖ_-は、基準電圧Ｖ_refに保たれる。そして、Ｖ_-＝Ｖ_ref≒Ｒ₁₂×ｉ_L＋Ｒ₁₃×Ｉなる式が成立する。また、電流Ｉは、1)ランプ電圧Ｖ_L が正常ランプの安定点灯時のランプ電圧より低い第１の所定電圧Ｖ_a以下のときには、Ｉ＝０．０２７×Ｖ_L＋０．８８［ｍＡ］2)ランプ電圧Ｖ_Lが第１の所定電圧Ｖ_a以上のときには、Ｉ＝０．００９２×Ｖ_L＋１．６７［ｍＡ］からなる連続線を表す２つの式に従って定められる。さらに、ランプ印加電力は、始動時には、正常ランプの安定点灯時のランプ印加電力と同程度以下の電力値であって、所定のランプ電圧域において安定点灯時のランプ印加電力と同程度の電力値となるよう制御される。このため、始動時においてランプ印加電力が安定点灯時のランプ印加電力と同程度であるときには、上記のような電流Ｉを表す式及び上記のような電圧Ｖ_-を表す式から、ランプ電流ｉ_Lは、安定点灯時のランプ電流よりも大きな電流値となる。従って、上記放電灯点灯装置によると、始動時のランプ電流は安定点灯時のランプ電流よりも大きくなり、かつ、始動時のランプ印加電力は安定点灯時のランプ印加電力と同程度以下になるため、放電灯の立ち消えを防止するとともに光出力を迅速に立ち上げ、また、放電灯の電極消耗を抑制することができる。

また、ランプ電圧Ｖ_Lが第２の所定電圧Ｖ_b以上のときには、Ｉ＝２．４８［ｍＡ］と一定値としたため、ランプ電圧Ｖ_Lが上昇する放電灯の寿命末期のランプ印加電力を増大させることにより、放電灯の不点灯を早め、放電灯の寿命末期を早期に知らせることができる。

図７は、他の実施例に係る第１の変換部２００の構成を示している。

図７において、ランプ電圧Ｖ_Lが第１の所定電圧Ｖ_a以下のときには、クランプダイオード２２３のアノード端子の電圧が基準電圧源２２５の基準電圧Ｖ₂₂₅以下となり、クランプダイオード２２３が遮断状態に維持され、出力電流Ｉ₁は、Ｉ₁＝（Ｖ_L-Ｖ_ref）／（Ｒ₂₂₀＋Ｒ₂₂₁＋Ｒ₂₂₆）［Ａ］（Ｒ₂₂₀：抵抗２２０の抵抗値、Ｒ₂₂₁：抵抗２２１の抵抗値、Ｒ₂₂₆：抵抗２２６の抵抗値）となる。また、ランプ電圧Ｖ_Lが第１の所定電圧Ｖ_a以上のときには、クランプダイオード２２３とオペアンプ２２４と基準電圧源２２５とからなるクランプ回路により、クランプダイオード２２３のアノ-ド端子の電圧が基準電圧源２２５の基準電圧Ｖ₂₂₅に維持され、出力電流Ｉ₁は、Ｉ₁＝（Ｖ₂₂₅-Ｖ_ref）／Ｒ₂₂₆となる。従って、出力電流Ｉ₁の特性は、図８に示すようになる。図８において、電流Ｉ₂は、図６におけるＩ₂と同一の電流値を表し、また、電流Ｉ₃は、図６における電流Ｉ₃とは異なり、図５における抵抗４０１の抵抗値を変えたときの電流値を表している。そして、図８の電流Ｉ₁と電流Ｉ₂と電流Ｉ₃とを加算した電流Ｉは、図２の電流Ｉと同一の特性となるようにしてある。なお、図７において、符号２２２は、ノイズ吸収、平滑用コンデンサを表している。

一実施例に係る放電灯点灯装置の構成図である。電圧‐電流変換回路の出力電流Ｉの特性図である。ランプ印加電力の特性図である。ランプ電流ｉ_Lの特性図である。電圧‐電流変換回路の構成図である。第１、第２の変換部及び電流出力部の各出力電流Ｉ₁，Ｉ₂，Ｉ₃の特性図である。他の実施例に係る第１の変換部の構成図である。第１、第２の変換部及び電流出力部の各出力電流Ｉ₁，Ｉ₂，Ｉ₃の特性図である。

符号の説明

９放電灯
１２第１の抵抗器
１３第２の抵抗器
１００電圧‐電流変換回路
２００第１の変換部
３００第２の変換部
４００電流出力部

Claims

放電灯と、前記放電灯に電力を供給する電力供給手段と、前記放電灯のランプ電流ｉ_Lが流れる第１の抵抗器と、前記放電灯のランプ電圧Ｖ_Lを電流Ｉに変換する電圧‐電流変換回路と、前記電圧‐電流変換回路の出力電流Ｉが流れ、前記第１の抵抗器に直列に接続される第２の抵抗器とを備え、前記第２の抵抗器の前記第１の抵抗器側とは反対の端子の電圧Ｖ_-を基準電圧Ｖ_refに等しくするようフィードバック制御することにより、前記放電灯に印加するランプ印加電力を制御する放電灯点灯装置であって、
前記ランプ印加電力は、始動時には、正常ランプの安定点灯時のランプ印加電力と同程度以下の電力値であって、所定のランプ電圧域において前記安定点灯時のランプ印加電力と同程度の電力値となるよう制御され、かつ、
前記電圧‐電流変換回路の出力電流Ｉは、
1)ランプ電圧Ｖ_Lが正常ランプの安定点灯時のランプ電圧より低い第１の所定電圧Ｖ_a以下のときには、
I＝aＶ_L＋b （a,b:正の定数）
2)ランプ電圧Ｖ_Lが前記第１の所定電圧Ｖ_a以上のときには、
I＝cＶ_L＋d （c,d:正の定数、c＜a,d＞b）
からなる連続線を表す２つの式に従って定められ、
前記電圧-電流変換回路は、ランプ電圧Ｖ_Lに応じた電流Ｉ₁、Ｉ₂を出力する第１及び第２の変換部と、固定電流Ｉ₃を出力する電流出力部とで構成され、電流Ｉは、Ｉ＝Ｉ₁＋Ｉ₂＋Ｉ₃で表され、
前記電流出力部の固定電流Ｉ₃は、前記第１及び第２の変換部の出力電流Ｉ₁，Ｉ₂よりも大きいことを特徴とする放電灯点灯装置。