JP4120192B2 - 放電灯点灯装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は商用交流電源を高周波に変換して放電灯を点灯させる放電灯点灯装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
(従来例1)
放電灯点灯装置の従来例を図15に示す。図15の点灯装置は、電源平滑回路1とインバータ回路2とから構成されている。電源平滑回路1は、商用交流電源ACをダイオードD1〜D4のブリッジ回路により全波整流し、その整流出力を平滑コンデンサC1により平滑しており、平滑コンデンサC1の直流出力電圧がインバータ回路2に供給されている。インバータ回路2は、スイッチング素子Q1、Q2の直列回路を備えており、各スイッチング素子Q1、Q2は高耐圧ドライバー内蔵の制御IC6により交互にオン・オフされる。電源平滑回路1の平滑コンデンサC1の電圧は、電流検出用の抵抗R1を介してスイッチング素子Q1,Q2の直列回路に印加されている。スイッチング素子Q1、Q2の接続点と平滑コンデンサC1の負極との間には、限流用チョークL1、コンデンサC3、放電灯Laの直列回路が接続されている。放電灯Laはランプソケットを介して接続されており、放電灯Laのフィラメントの非電源側端子間には、コンデンサC4が並列接続されている。限流用チョークL1とコンデンサC4はLC直列共振回路を構成しており、コンデンサC4の両端に生じる共振電圧により放電灯Laが点灯される。
【0003】
図15の回路では、放電灯Laの状態をランプ寿命末期検出回路3により監視しており、放電灯Laの寿命末期等の異常時には、放電灯Laの両端電圧(ランプ電圧のピーク対ピーク値)が上昇し、発振停止回路4より停止信号が制御IC6に与えられ、制御IC6は発振を停止し、インバータ回路2も停止し、異常時の保護を行っている。なお、発振を停止させる代わりに発振周波数を上昇させて出力を低下させても良い。
【0004】
制御IC6としてはフィリップス社製のUBA2021を用いている。この制御IC6では動作下限周波数fBを決めることにより動作上限周波数fsが決まり、この動作下限周波数fBと動作上限周波数fsの間でインバータ回路2の周波数を制御している。具体的には上限周波数fsで発振開始し、その後、ある期間(予熱モード)では予熱周波数fphで固定される。予熱が終了すると、予熱周波数fphから動作下限周波数fBまで連続的に発振周波数が変化し、それに伴い、放電灯Laの両端に印加される電圧も上昇してくる(始動モード)。そうすると、ある動作点で放電灯Laは点灯する。確実に放電灯Laを点灯させるため、インバータ回路2の無負荷共振周波数f0よりも動作下限周波数fBを低く設定している。放電灯Laが点灯すると、発振周波数は一旦は動作下限周波数fBまで下降するが、その後、制御IC6のフィードバック機能により最適な発振周波数fFで制御する。各発振周波数の関係はfB<f0<fF<fph<fsである。この従来例のインバータ回路2の共振カーブ上での動作点の推移を図16に、電源投入時からの発振周波数の推移を図17に、放電灯Laの両端に印加される電圧の推移を図18に示す。図18において、実線は正常点灯時、破線は寿命末期時のランプ両端電圧の推移を示している。
【0005】
(従来例2)
放電灯点灯装置の他の従来例を図19に示す。この従来例では電源平滑回路1を倍電圧整流回路としている。商用交流電源ACの正の半サイクルでは、ダイオードD1を介して平滑コンデンサC1が充電され、負の半サイクルでは、ダイオードD2を介して平滑コンデンサC2が充電される。平滑コンデンサC1とC2を直列接続することにより、図15の電源平滑回路1に比べて2倍の直流電圧をインバータ回路1に供給することができる。本例は従来例1と回路動作は全く同様であるが、発振周波数の設定を一部変更している。すなわち、図20に示すように、無負荷共振周波数f0を動作下限周波数fBよりも低く設定することにより、ランプ不点灯時においても容量性モード(進相モード)での動作を防止している。この場合の発振周波数の関係は、f0<fB<fF<fph<fsとなる。始動モード時は動作下限周波数fBで固定されるため、周波数のバラツキ吸収用として制御IC6に可変抵抗VRを付加している。ランプ不点灯の状態が続くと従来例1と同様に発振停止する。この従来例のインバータ回路2の共振カーブ上での動作点の推移を図20に、電源投入時からの発振周波数の推移を図21に、放電灯Laの両端に印加される電圧の推移を図22に示す。図22において、実線は正常点灯時、破線は寿命末期時のランプ両端電圧の推移を示している。
【0006】
(従来例3)
従来の据え置き型デスクスタンドの外観を図23〜図25に示す。図23は斜視図、図24は内部構造を透視した正面図、図25は内部構造を透視した側面図である。図中、11は器具本体、12はスイッチ、13は立設部、14はセード、15はランプソケット、19はランプ配線、20は点灯装置収納箇所、Laはランプ、C4は共振コンデンサである。ランプLaは例えばU字型の蛍光ランプを用いている。従来例1または2で説明した放電灯点灯装置(図15または図19)を器具本体11に配置し、立設部13に放電灯La接続用のランプ配線19を通し、ランプソケット15に接続されている。また、ランプソケット15に直付でインバータ回路2の共振コンデンサC4を接続している。これにより立設部13に通す線の本数を少なくし、部品点数を削減し、立設部13を細くすることによりデザイン性を改善している。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
従来例1においては、寿命末期等ランプが不点灯となる状態において、始動モード時のインバータの動作周波数は無負荷共振周波数f0よりも低い進相モードとなり、電気的ストレスが大きくなる。そのため部品信頼性を確保するため、スペックを大きくする必要があり、コスト低減、小型化には不利であった。
【0008】
一方、従来例2では上記のような場合でも進相モードとなることはなく、ランプ始動時の電圧もある一定以上には上がらないため、印加される電気的ストレスを抑えることができる。しかし部品のバラツキや電源電圧変動によりランプ始動時の電圧のバラツキが大きく、十分な始動電圧を印加することができない可能性がある。これを防止するため公差の少ない部品を使用したり、可変抵抗等により発振周波数を調整する必要があり、コストアップにつながる。
【0009】
また、従来例では放電灯点灯装置の周囲温度が変わっても始動モード時の電圧はあまり変化しないため、低温時に放電灯を点灯するために必要な電圧を確保すると、常温以上の領域では始動モード時に必要以上の電圧が発生する。そうすると高温時ストレス耐量の低下する半導体、チョーク等の部品について高温時の電気的ストレス耐量を確保するには、スペックの大きい部品を使用する必要があり、コスト低減、小型化には不利となっている。
【0010】
本発明は放電灯が寿命末期等の異常時においても放電灯点灯装置の信頼性を確保し、また環境変化の際にも確実に放電灯の始動点灯機能を有する点灯装置をできるだけ簡易な構成でコストアップを抑えて実現することを課題とするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記の課題を解決するために、図1に示すように、商用電源ACを直流電圧に変換する直流変換部(電源平滑回路1)と、その直流電圧を1個以上のスイッチング素子Q1,Q2により高周波に変換して放電灯Laを点灯させるインバータ回路2と、放電灯Laの寿命末期に発振周波数を上昇もしくは発振を停止させる機能を有するランプ寿命末期検出回路3と、ランプ始動に必要な始動電圧に達するとその始動電圧で略保持する機能を有する始動電圧ピーク検出回路5とを有する放電灯点灯装置であって、ランプ寿命末期検出回路3は放電灯Laの両端電圧を分圧する第1の抵抗直列回路(R4,R5,R6)を備え、この第1の抵抗直列回路(R4,R5,R6)により分圧された電圧を監視しており、始動電圧ピーク検出回路5は前記第1の抵抗直列回路(R4,R5,R6)により分圧された電圧をさらに分圧する第2の抵抗直列回路(R10,R9)を備え、この第2の抵抗直列回路(R10,R9)により分圧された電圧を監視していることを特徴とするものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
(実施の形態1)
図1は本発明の第1の実施の形態の回路図である。この実施の形態では、従来例1(図15)に始動電圧ピーク検出回路5を追加した構成となっている。ランプ寿命末期検出回路3が監視しているモニター値を始動電圧ピーク検出回路5においても同様に監視しており、ランプ始動に必要な始動電圧に達するとその始動電圧で略保持する機能を有する。ランプ寿命末期検出回路3は後続の発振停止回路4により実効値を判定してランプ電圧の異常上昇が続いたときに発振を停止させるように動作するのに対し、始動電圧ピーク検出回路5はランプ電圧のピーク値を検出してピーク値が制限されるように動作する。以下、その回路構成について説明する。
【0013】
ランプ寿命末期検出回路3は、ランプ両端電圧を抵抗R4、R5と抵抗R6により分圧し、抵抗R6の両端に得られた分圧電圧を半波整流用のダイオードD6を介してコンデンサC5に充電し、コンデンサC5にランプ両端電圧の負極性のピーク値に応じた直流電圧を充電している。ランプ両端電圧の極性が正極性のときには、抵抗R6の両端に得られた分圧電圧とコンデンサC5に充電された直流電圧の和に相当する電圧がダイオードD7を介して出力され、発振停止回路4の抵抗R7とコンデンサC6の並列回路に印加される。これにより、コンデンサC6には、ランプ両端電圧の正のピーク値と負のピーク値の電圧差を分圧した直流電圧が充電される。正常点灯時には、コンデンサC6の直流電圧がツェナーダイオードZDのツェナー電圧を越えないように設計されている。ランプ寿命末期等の異常時には、ランプ両端電圧が上昇し、コンデンサC6の直流電圧がツェナーダイオードZDのツェナー電圧を越える。これにより、コンデンサC7と抵抗R8の並列回路にコンデンサC6から電流が流れて、トランジスタTr2のベース電位が上昇する。トランジスタTr2とTr1は自己保持回路を構成するように接続されており、トランジスタTr2がONすると、トランジスタTr2のコレクタ電流によりトランジスタTr1のベース電流が供給され、また、トランジスタTr1のコレクタ電流によりトランジスタTr2のベース電流が供給されることにより、トランジスタTr2とTr1はONし続ける。これにより制御IC6は発振を停止し、インバータ回路2の発振が停止されるので、ランプ電圧は低下する。このため、コンデンサC6の直流電圧は低下し、ツェナーダイオードZDはOFFとなるが、電源スイッチをOFFして制御IC6の電源が遮断されるまで、トランジスタTr2とTr1はON状態を保持し、発振停止が維持される。
【0014】
次に、始動電圧ピーク検出回路5はランプ寿命末期検出回路3の抵抗R6に得られる分圧電圧を抵抗R10とR9によりさらに分圧し、抵抗R9に得られた電圧をトランジスタQ3のベース・エミッタ間に供給しており、トランジスタQ3のコレクタを制御IC6の発振制御端子に接続している。始動時にランプ両端電圧が上昇すると、ランプ寿命末期検出回路3の抵抗R6に得られる分圧電圧が上昇し、抵抗R10を介してある一定電圧にてトランジスタQ3がONする。そうすると、制御IC6の発振制御端子からトランジスタQ3のコレクタ・エミッタ間に電流が流れて、インバータ回路2の出力が低下するように制御IC6の発振が制御され、ランプ両端電圧の上昇が抑えられる。そのため、始動モード時の電圧は略一定となり、図22のような始動電圧のバラツキを抑えることができる。
【0015】
本実施の形態におけるインバータ回路2の共振カーブ上での動作点の推移を図2に、電源投入時からの発振周波数の推移を図3に、放電灯Laの両端に印加される電圧の推移を図4に示す。図4において、実線は正常点灯時、破線は寿命末期時のランプ両端電圧の推移を示している。
【0016】
ところで、トランジスタQ3のhfeは低温時には低く、高温時には高いため、周囲温度に応じてトランジスタQ3から制御IC6に入力される始動電圧抑制のためのコレクタ電流の大きさも変化する。すなわち、低温時には始動電圧抑制のためのコレクタ電流も小さくなるので、始動電圧は高くなり、高温時には始動電圧抑制のためのコレクタ電流も大きくなるので、始動電圧は低くなる。図5にその変化を示す。図中、実線は放電灯点灯装置の始動電圧の変化を示しており、破線はランプ始動に必要な電圧の変化を示している。各周囲温度において放電灯点灯装置のランプ両端電圧はランプの始動に必要な電圧を上回っており、始動性は確保されている。また、トランジスタQ3がONするのはランプ両端電圧が上昇した時のみのため、電源電圧変動時でもトランジスタQ3がONする始動電圧は略一定となる。
【0017】
本回路構成でインバータ回路2の共振回路の部品定数を同一とした場合の100V時と200V時の共振カーブを図6に示す。各発振周波数を、fB(100V):100V時下限周波数、fB(200V):200V時下限周波数、fph(100V):100V時予熱周波数、fph(200V):200V時予熱周波数、fs(100V):100V時始動周波数、fs(200V):200V時始動周波数、f(100V):100V時点灯周波数、f(200V):200V時点灯周波数とすると、100V時と200V時について、予熱電流については制御IC6の外付け抵抗で決まり、始動電圧についてはfB<f0とすると始動電圧ピーク検出回路5により同等となる。すなわち、点灯周波数f(100V),f(200V)のみを個別に設定(具体的には外付けの抵抗とコンデンサにより設定)することにより、100Vと200Vの放電灯点灯装置を共用化できる。この時の各周波数の関係は、図6に示すように、fB(100V)<f(100V)<fB(200V)<f0<fs(100V)<fs(200V)<f(200V)<fph(100V)<fph(200V)となる。
【0018】
なお、本実施の形態では、f0をリモコン干渉周波数帯(30〜40kHz)とすることにより、各モードの発振周波数がリモコン干渉周波数帯を避けるようにして、赤外線を用いたリモコン機器の誤動作を防止している。
【0019】
(実施の形態2)
図7は本発明の第2の実施の形態の回路図である。この実施の形態では、始動電圧ピーク検出回路5に熱応動性素子Rt(例えば温度補償用ポジスタ)を使用した場合である。本実施の形態の始動電圧ピーク検出回路5は、ランプ寿命末期検出回路3のモニター値(コンデンサC5と抵抗R6の直列回路の両端電圧)を、ダイオードD8と抵抗R10、R9により取り出している。定電圧源(制御IC6の電源)を熱応動性素子Rtと抵抗R11により分圧した電圧値を周囲温度検知信号として制御IC7に入力している。制御IC7は、この周囲温度検知信号により始動電圧値を制御している。熱応動性素子Rtは周囲温度により抵抗値が変わるため、制御IC7への入力電圧も変化する。この変化に応じて制御IC7の内部プログラムにより始動電圧ピーク検出の閾値を変化させている。周囲温度により検出閾値が変わるため、制御IC7から制御IC6に供給される始動電圧抑制のための信号のレベルを変化させ、始動電圧値を制御している。上記制御IC7のプログラムは、図8に示すように、周囲温度に対して低温>高温>常温と、常温時を変曲点として始動電圧が変化するようにプログラムされており、放電灯Laの点灯電圧に対して略同等の変化カーブとなる。この実施の形態ではロスなく確実にどの周囲温度においても点灯可能となるため、コストダウン、小型化に有利となる。なお、実施の形態では、限流チョークL1の2次巻線からダイオードD5および抵抗R3を介して制御IC6の電源を得ているが、これに限定されるものではない。
【0020】
(実施の形態3〉
実施の形態1の回路構成(図1)のプリント基板への実装構造の一例を図9に示す。図中、8は電源入力端子、9はランプ出力端子、10はプリント基板である。この実施の形態では、プリント基板10に両面実装基板を使用し、スイッチング素子Q1、Q2に面実装品を使用し、表裏略同位置に実装している。
【0021】
この放電灯点灯装置を使用した照明器具の一例を図10に示す。これは据え置き型デスクスタンドの例である。図中、11は器具本体、12はスイッチ、14はセード、15はランプソケット、18は電源線、19はランプ配線、20は点灯装置収納箇所、Laはランプである。ランプLaとしては例えばU字型の蛍光ランプを用いている。放電灯点灯装置の小型化が実現できたため、図11に示すように、照明器具のセード14内の点灯装置収納箇所20にプリント基板10を収納することが可能となり、ランプソケット15と反対側にプリント基板10を配置している。
【0022】
この実施の形態ではセード14内に点灯装置を収納しているため、器具本体11の形状にとらわれないデザインが実現できる。また、セード14の中心を基準として略同範囲にランプLaの光を与えることができるため、デザインバランスに優れ、また、ランプLaの最冷点近傍に点灯装置を配置することになり、温度的に有利となる。
【0023】
(実施の形態4)
図9の実装構造の点灯装置を使用した照明器具の他の一例を図12〜図14に示す。実施の形態3と同じく据え置き型デスクスタンドの例である。図中、11は器具本体、12はスイッチ、13は立設部、14はセード、15はランプソケット、18は電源線、19はランプ配線、20は点灯装置収納箇所、Laはランプである。ランプLaとしては例えばU字型の蛍光ランプを用いている。この実施の形態では、ランプLaが装着されるセード14における器具本体11と連結する立設部13の近傍に点灯装置収納箇所20を配置している。この実施の形態では、点灯装置をセード14の内部に収納し、セード14の中央部に立設部13を設けているにもかかわらず、電源線18とランプ配線19を交差(もしくは近接)させることがないため、ノイズの影響の少ない照明器具を提供できる。なお、セード14の中央でなく端部に立設部13を設けると、電源線とランプ配線の交差はないが、器具のバランスを考慮すると立設部13の形状を太くしないと安定性が悪くなる。
【0024】
【発明の効果】
本発明によれば、ランプ寿命末期検出回路は放電灯の両端電圧を分圧する第1の抵抗直列回路を備え、この第1の抵抗直列回路により分圧された電圧を監視しており、始動電圧ピーク検出回路は前記第1の抵抗直列回路により分圧された電圧をさらに分圧する第2の抵抗直列回路を備え、この第2の抵抗直列回路により分圧された電圧を監視するようにしたので、従来の放電灯点灯装置と比べて複雑な回路構成とすることなく、また、同等の部品スペックで放電灯の寿命末期の正常点灯しない状態で構成部品に印加される電気的ストレスを抑えることができ、周囲温度や電源電圧の変化に対しても確実に放電灯の始動性を確保し、安全で信頼性の高い放電灯点灯装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の回路図である。
【図2】本発明の実施の形態1における電源投入時からの共振カーブ上での動作点の推移を示す説明図である。
【図3】本発明の実施の形態1における電源投入時からの発振周波数の推移を示す説明図である。
【図4】本発明の実施の形態1における電源投入時からのランプ両端に印加される電圧の推移を示す説明図である。
【図5】本発明の実施の形態1における始動電圧の温度特性カーブを示す説明図である。
【図6】本発明の実施の形態1における電源電圧が100Vと200Vの場合の各共振カーブ上における発振周波数の設定を示す説明図である。
【図7】本発明の実施の形態2の回路図である。
【図8】本発明の実施の形態2における始動電圧の温度特性カーブを示す説明図である。
【図9】本発明の実施の形態1におけるプリント基板の実装構造を示す側面図である。
【図10】本発明の実施の形態1の放電灯点灯装置を用いた照明器具の正面図である。
【図11】本発明の実施の形態1の放電灯点灯装置を用いた照明器具の点灯装置収納箇所の拡大図である。
【図12】本発明の実施の形態1の放電灯点灯装置を用いた照明器具の正面図である。
【図13】本発明の実施の形態1の放電灯点灯装置を用いた照明器具の側面図である。
【図14】本発明の実施の形態1の放電灯点灯装置を用いた照明器具の点灯装置収納箇所の拡大図である。
【図15】従来例1の回路図である。
【図16】従来例1における電源投入時からの共振カーブ上での動作点の推移を示す説明図である。
【図17】従来例1における電源投入時からの発振周波数の推移を示す説明図である。
【図18】従来例1における電源投入時からのランプ両端に印加される電圧の推移を示す説明図である。
【図19】従来例2の回路図である。
【図20】従来例2における電源投入時からの共振カーブ上での動作点の推移を示す説明図である。
【図21】従来例2における電源投入時からの発振周波数の推移を示す説明図である。
【図22】従来例2における電源投入時からのランプ両端に印加される電圧の推移を示す説明図である。
【図23】従来例1または2の照明器具の斜視図である。
【図24】従来例1または2の照明器具の正面図である。
【図25】従来例1または2の照明器具の側面図である。
【符号の説明】
1 電源平滑回路
2 インバータ回路
3 ランプ寿命末期検出回路
4 発振停止回路
5 始動電圧ピーク検出回路
6 制御IC
La ランプ
Claims (6)
- 商用電源を直流電圧に変換する直流変換部と、その直流電圧を1個以上のスイッチング素子により高周波に変換して放電灯を点灯させるインバータ部と、放電灯の寿命末期に発振周波数を上昇もしくは発振を停止させる機能を有するランプ寿命末期検出回路と、ランプ始動に必要な始動電圧に達するとその始動電圧で略保持する機能を有する始動電圧ピーク検出回路とを有する放電灯点灯装置であって、ランプ寿命末期検出回路は放電灯の両端電圧を分圧する第1の抵抗直列回路を備え、この第1の抵抗直列回路により分圧された電圧を監視しており、始動電圧ピーク検出回路は前記第1の抵抗直列回路により分圧された電圧をさらに分圧する第2の抵抗直列回路を備え、この第2の抵抗直列回路により分圧された電圧を監視していることを特徴とする放電灯点灯装置。
- 始動電圧ピーク検出回路は、周囲温度が変化しても放電灯が点灯するのに必要な電圧を発生させるように、周囲温度変化に応じて始動電圧を変化させる機能を有することを特徴とする請求項1記載の放電灯点灯装置。
- 始動電圧ピーク検出回路は、周囲温度変化に応じて始動電圧を変化させるために、トランジスタのhfeの温度特性を利用していることを特徴とする請求項1または2に記載の放電灯点灯装置。
- 始動電圧ピーク検出回路は、熱応動素子の温度特性を利用したプログラムにより周囲温度変化に応じて始動電圧を変化させることを特徴とする請求項1または2に記載の放電灯点灯装置。
- 始動電圧ピーク検出回路は、常温を変曲点として始動電圧が変化するようにプログラムされていることを特徴とする請求項1、2または4のいずれかに記載の放電灯点灯装置。
- 前記熱応動素子は、放電灯および放電灯点灯装置の輻射熱の影響を受け難い箇所に配置したことを特徴とする請求項4または5に記載の放電灯点灯装置。
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