JP4306363B2 - 放電灯点灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電灯点灯装置、特に調光機能を有する放電灯点灯装置に関する。

調光機能を有する放電灯点灯装置としては、例えば特開平２−２５３５９５号公報に示されるものがある。このものは、定格時の光束に対する相対照度比が例えば２０％未満となるような低い光束レベルまで放電灯を安定に調光点灯することが可能な放電灯調光点灯装置を提供することを目的としたもので、低圧水銀放電灯と、前記放電灯に高周波電力を供給する高周波電源と、前記放電灯をアーク放電領域からグロー放電領域まで調光する調光制御回路とを備える放電灯調光点灯装置において、低光束調光時の放電を維持できるレベルの直流電力を前記高周波電力に重畳して前記放電灯に印加する直流電力重畳手段を備えている。

この構成により、放電灯の立ち消えや、管中央が暗くなるような現象を生じることなく、放電灯を深い調光レベルまで安定に調光制御することができるものである。
特開平２−２５３５９５号公報

しかしながら、上記従来例においては、放電灯内に封入された水銀の蒸気圧が温度に依存することから、周囲温度の影響を受けやすく、特に低温時に光束が低下し、放電灯がちらついたり、立ち消えを起こすという課題があった。これは、放電灯は一般に周囲温度が低くなるに従い放電灯の等価インピーダンスが増加するため、放電灯に供給される直流電力が低下することによる。

本発明は、かかる事由に鑑みてなしたものであり、その目的とするところは、低光束調光時において、放電灯の等価インピーダンスが変化した場合においても、放電灯を、安定して点灯させることのできる放電灯点灯装置を提供することである。

請求項１に係る発明は、第１のインピーダンス素子を介して放電灯に高周波電力を供給する高周波電源と、第２のインピーダンス素子を介して放電灯に直流電圧を印可する直流電源と、放電灯に供給する電力を変化させて放電灯の調光を行う調光制御回路とを備えた放電灯点灯装置において、前記放電灯に印可される電圧の直流成分のみを検出するものであって、抵抗とコンデンサで構成されるローパスフィルタを有する直流電圧検出回路と、直流電圧検出回路の検出値に応じて前記放電灯に供給する電力を補正する出力補正手段と、を設けたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の発明において、前記直流電圧検出回路は、放電灯又は第２のインピーダンス素子のいずれかに接続されるものであることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１記載の発明において、前記出力補正手段は、放電灯に印加される電圧の直流成分が増加した場合に放電灯への出力を上昇させ、放電灯に印加される電圧の直流成分が減少した場合に放電灯への出力を低下させるものであることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１記載の発明において、前記出力補正手段は、直流電圧検出回路の検出値が所定の値でクランプされるように放電灯への出力を制御するものであることを特徴とする。

本発明によれば、調光比が低くなると放電灯のインピーダンスは指数的に増加し、僅かな調光比の変動が大きな直流電圧成分の変化となって現れることに着目し、放電灯の両端に発生する電圧の直流成分および低周波の直流変動成分を検出する直流電圧検出回路と、直流電圧検出回路の検出値に応じて前記放電灯に供給する電力を補正する出力補正手段と、を設けた。これにより、放電灯の電流や電力を検出する場合に比べて、放電灯Ｌａの僅かな特性変動を精度よく検出することができ、周囲温度が変化した場合においても、放電灯の立ち消えや、ちらつきを抑制することが可能となる。

（第１の実施形態）
第１の実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。
図１は、本実施形態のブロック図である。図２は、本実施形態の具体的な回路図である。図３は、本実施形態の低光束調光時の交流成分と直流成分の電圧波形図である。図４は、直流電圧検出回路４、出力補正手段５及び調光制御回路３の構成を示す図である。図５は、直流電圧検出回路４、出力補正手段５及び調光制御回路３の別例の構成を示す図である。図６は、（ａ）調光信号と光束との関係を示す図、（ｂ）調光信号と検出値との関係を示す図である。図７は、直流電圧検出回路４、出力補正手段５及び調光制御回路３のさらに別例の構成を示す図である。

図１に示すように、本実施形態の放電灯点灯装置は、第１のインピーダンス素子Ｚ１を介して放電灯Ｌａに高周波電力を供給する高周波電源１と、第２のインピーダンス素子Ｚ２を介して放電灯Ｌａに直流電圧を印可する直流電源２と、放電灯Ｌａに供給する電力を変化させて放電灯Ｌａの調光を行う調光制御回路３と、前記放電灯Ｌａに印可される電圧の直流成分を検出する直流電圧検出回路４と、直流電圧検出回路４の検出値に応じて前記放電灯Ｌａに供給する電力を補正する出力補正手段５と、を備えている。

図１に示すブロック図は、具体的には図２に示される回路で構成される。第１のインピーダンス素子Ｚ１は、高周波に対して所定のインピーダンス値を有するもので、例えばインダクタＬ２とコンデンサＣ２の直列回路で構成される。第２のインピーダンス素子Ｚ２は、直流に対して所定のインピーダンス値を有するもので、例えば抵抗Ｒ１である。高周波電源１は、例えば昇圧チョッパ回路６、インバータ回路７及び平滑コンデンサＣ１を備えてなる。具体的には、商用交流電源ＡＣにダイオードブリッジＤＢが接続され、ダイオードブリッジＤＢの出力端には、インダクタＬ１およびスイッチ素子Ｑ１が接続されている。スイッチ素子Ｑ１は、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなり、スイッチ素子Ｑ１のゲートには、スイッチ素子Ｑ１をスイッチングするＰＦＣ駆動回路８が接続されている。スイッチ素子Ｑ１とインダクタＬ１の接続点にはダイオードＤ１のアノードが接続され、ダイオードＤ１を介してスイッチ素子Ｑ１に並列に直流電源２に相当する平滑コンデンサＣ１が接続されている。さらに、平滑コンデンサＣ１の両端には、スイッチ素子Ｑ２とスイッチ素子Ｑ３の直列回路が接続されている。スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３は、スイッチ素子Ｑ１と同じく例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなり、スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３のゲートには、スイッチ素子Ｑ２、Ｑ３を交互にスイッチングするインバータ駆動回路９が接続されている。

スイッチ素子Ｑ２とスイッチ素子Ｑ３の接続点には、第１のインピーダンス素子Ｚ１に相当するインダクタＬ２とコンデンサＣ２が接続されている。さらに、コンデンサＣ２の負荷側とスイッチ素子Ｑ３のソース間には、直流電圧検出回路４である抵抗ＲｋとコンデンサＣｋの直列回路と放電灯とコンデンサＣ３の並列回路が並列に接続されている。また、コンデンサＣ２と抵抗Ｒｋの接続点と、ダイオードＤ１のカソードには、第２のインピーダンス素子Ｚ２に相当する抵抗Ｒ１が接続されている。

さらに、抵抗ＲｋとコンデンサＣｋの接続点には、直流電圧検出回路４の検出値に応じて前記放電灯Ｌａに供給する電力を補正する出力補正手段５が接続され、出力補正手段５の出力端は、調光信号を受けてインバータ駆動回路９に調光信号を出力する調光制御回路３が接続されている。出力補正手段５は、後述する例えば基準電源Ｖｒｅｆを備えるオペアンプ（図２において図示はしない）からなる。

次に、以上の構成における動作を説明する。商用交流電源ＡＣが出力する交流電圧は、ダイオードブリッジＤＢで整流され、インダクタＬ１、ダイオードＤ１、スイッチ素子Ｑ１、で構成される昇圧チョッパ回路６において、スイッチ素子Ｑ１をスイッチングすることによって昇圧され、平滑コンデンサＣ１で平滑された直流電圧を出力する。そして、スイッチ素子Ｑ２、スイッチ素子Ｑ３は、インバータ駆動回路９が出力する駆動信号により、交互にオン・オフされ、直流電圧を高周波の矩形波電圧に変換する。矩形波電圧は、インダクタＬ２、直流カットのコンデンサＣ２、共振のコンデンサＣ３および放電灯Ｌａからなる回路で、略正弦波状の高周波電圧となる。

ここで、放電灯Ｌａの調光点灯を行う場合には、インバータ駆動回路９が出力する駆動信号の周波数を変化させることによって行い、通常は、駆動信号の周波数を高くすることによりインダクタＬ２のインピーダンスを増加させることにより、放電灯Ｌａに供給する電力を低下させて、調光させる。

そして、放電灯Ｌａには、コンデンサＣ２と抵抗Ｒｋの接続点と、ダイオードＤ１のカソードに接続された抵抗Ｒ１を介して、直流電源２に相当する平滑コンデンサＣ１の両端の直流電圧が重畳される。ここで、放電灯Ｌａに並列に接続された抵抗ＲｋとコンデンサＣｋからなる直流電圧検出回路４は、ローパスフィルタとして作用し、コンデンサＣｋの両端には、放電灯Ｌａの両端に印加される電圧の直流成分および低周波の直流変動成分のみが検出される。直流電圧検出回路４が検出した検出値は、出力補正手段５に入力され、例えば、検出値が増加した場合には、放電灯Ｌａの光束が低下したとみなし、駆動信号の周波数を減少させ、放電灯Ｌａへ供給する電力を増加させる。一方、検出値が減少した場合には、放電灯の光束が上昇したとみなし、駆動信号の周波数を増加させ、放電灯へ供給する電力を減少させる。

このように、放電灯Ｌａの両端に発生する直流成分を検出するのは、次に示す理由による。すなわち、調光信号に応じて放電灯Ｌａが調光され、調光比が低くなると放電灯Ｌａのインピーダンスは指数関数的に増加する。この場合、高周波電源１が出力する高周波電圧に直流成分が含まれていないとすると、放電灯Ｌａの両端に発生する直流電圧成分は、放電灯Ｌａのインピーダンスと直流電源電圧を用いると、直流電圧成分＝直流電源電圧×放電灯のインピーダンス／（第２のインピーダンス素子Ｚ２のインピーダンス＋放電灯のインピーダンス）で表される。従って、直流電源電圧と第２のインピーダンス素子Ｚ２のインピーダンスが一定の値、或いは既知であれば、放電灯Ｌａの両端発生する直流電圧成分を検出することにより、放電灯Ｌａのインピーダンスを検出することができる。前述のように、放電灯Ｌａのインピーダンスは指数的に増加するため、低光束調光時には、僅かな調光比の変動が大きな直流電圧成分の変化となって現れる。これにより、放電灯Ｌａの電流や電力を検出する場合に比べて、放電灯Ｌａの僅かな特性変動を精度よく検出することができるのである。

例えば、放電灯Ｌａが蛍光灯である場合、調光比が５％以下といった極めて低光束域まで調光した状態では、蛍光灯のインピーダンスは数１０KΩから数百KΩまで上昇する。そこで、第２のインピーダンス素子Ｚ２のインピーダンスを数百KΩから数ＭΩにすることで、精度よく放電灯Ｌａのインピーダンスを検出することができる。

また、本実施形態における放電灯Ｌａの両端に発生する低光束調光時の交流成分と直流成分の電圧波形を図３に示す。図３中、（ａ）は通常調光時を、（ｂ）は、低温調光時を、（ｃ）はちらつき発生時の電圧波形を示すものである。（ａ）に示すように通常調光時には、高周波電源１から供給される高周波の交流電圧成分に直流電圧成分が重畳されている。この状態で放電灯Ｌａの周囲温度が低下すると、放電灯Ｌａ内の水銀蒸気圧が減少することにより、放電灯Ｌａのインピーダンスが上昇し、（ｂ）に示すように直流電圧成分は増加する。そして、同時に放電灯Ｌａの光束は低下し、安定した放電の維持が困難になり、ちらつきや立ち消えを発生するようになる。そして、放電灯Ｌａがちらつきを発生した場合には、波形（ｃ）に示すように放電灯Ｌａのインピーダンスが不規則に変動するため、直流電圧成分も変動する。

よって、直流電圧成分が増加した場合には光束が低下したものとみなして、放電灯Ｌａへの供給電力を増加させ、逆に直流電圧成分が減少した場合には光束が低下したものとみなして、放電灯Ｌａへの供給電力減少させるように補正すれば、放電灯Ｌａのちらつきや立ち消えを防止するすることができるのである。また、（ｃ）に示すようにちらつきが発生した場合でも、直流電圧成分の変動に追従して放電灯Ｌａへの出力を補正することにより、ちらつきを抑制することができるのである。

なお、直流電圧検出回路４、出力補正手段５及び調光制御回路３は図４に示すように構成される。ここで便宜上、放電灯Ｌａは調光比や周囲温度によって変化する可変抵抗Ｒｌａとして表示している。直流電圧検出回路４は、抵抗Ｒｋ１とコンデンサＣｋの並列回路と抵抗Ｒｋを直列に接続した回路からなり、可変抵抗Ｒｌａに並列に接続されている。そして、抵抗ＲｋとコンデンサＣｋの接続点には、直流電圧検出回路４で検出した検出値を増幅するオペアンプＯＰが接続されている。オペアンプＯＰの出力端は、オシレータ１０に接続されている。

この構成により、直流電圧検出回路４は、可変抵抗Ｒｌａに発生する直流電圧成分を抵抗Ｒｋと抵抗Ｒｋ１で分圧し、抵抗Ｒｋ１の両端の電圧を検出する。そして、検出した電圧をオペアンプＯＰで適宜増幅し、オシレータ１０に入力する。オシレータ１０は、オペアンプＯＰの出力電圧が増加した場合に、インバータ駆動信号の周波数を低下させ、オペアンプＯＰの出力電圧が減少した場合に、インバータ駆動信号の周波数を上昇させる。

また、直流電圧検出回路４、出力補正手段５及び調光制御回路３は図５に示すように構成してもよい。図５に示す回路構成は、図４に示す回路構成において、オペアンプＯＰの反転入力端子に基準電圧を設け、さらにオペアンプＯＰの出力端子に出力電圧の下限リミッタ回路１１を設けたものである。

この構成により、直流電圧検出回路４が検出した検出値は、オペアンプＯＰの反転入力端子に接続された基準電圧で決まる所定の値で略一定となるように制御されるため、図６（ｂ）に示すように、調光下限付近で、放電灯Ｌａの検出値は、所定の値以上にならないように制御することができる。ここで、図６（ｂ）に示すように、消灯信号が入力され放電灯Ｌａが消灯した場合には、放電灯Ｌａのインピーダンスは無限大となるため、検出値は、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒｋ、抵抗Ｒｋ１で分圧された値となる。これにより、検出値が所定の値を超えた場合には、放電灯Ｌａが立ち消え、あるいは不点であると判断し、スイッチ素子Ｑ２及びスイッチ素子Ｑ３への駆動信号を停止するようにしてもよい。

そしてまた、直流電圧検出回路４、出力補正手段５及び調光制御回路３は図７に示すように構成してもよい。図７における回路構成は、調光制御回路３であるオシレータ１１の調光信号の入力端とオペアンプＯＰの基準電源Ｖｒｅｆとを接続し、調光信号に応じて、基準電源Ｖｒｅｆが出力する基準電圧の値を変化させるようにしたものである。これにより、調光下限時において、調光信号に対応した検出値、つまり放電灯Ｌａのインピーダンスを制御できるため、広範囲にわたって光出力の補正が可能となる。

さらにまた、本実施形態においては、インバータ駆動回路９が出力する駆動信号の周波数を変化させて調光制御を行ったが、駆動信号のデューティーを変化させて調光制御を行うようにしてもよい。
（第２の実施形態）
第２の実施形態を図８に基づいて説明する。図８は、本実施形態の具体的な回路構成を示す図である。

本実施形態は、第２のインピーダンス素子である抵抗Ｒ１を直流電圧検出回路４である抵抗ＲｋとコンデンサＣｋの直列回路に並列に接続し、放電灯ＬａおよびコンデンサＣ３の並列回路をダイオードＤ１のアノードとコンデンサＣ２に接続した点が、第１の実施形態と異なり、他は同じである。

この構成により、放電灯Ｌａのインピーダンスが増加すると、抵抗Ｒ１の両端の電圧は低下する。従って、放電灯Ｌａのインピーダンスが増加すると、コンデンサＣｋに発生する電圧の両端の電圧も低下する。

これにより、検出値が増加した場合には、放電灯Ｌａの光束が上昇したとみなし、駆動信号の周波数を増加させ、放電灯Ｌａへ供給する電力を減少させる。一方、検出値が減少した場合には、放電灯Ｌａの光束が減少したとみなし、駆動信号の周波数を減少させ、放電灯Ｌａへ供給する電力を増加させる。

以上のような構成としても、周囲温度の変化等により調光時に放電灯Ｌａのインピーダンスが変化した場合、放電灯Ｌａに印加される電圧の直流成分を検出して放電灯Ｌａへの供給電力を変化させることにより、ちらつきや立ち消え等を抑制し、安定して放電灯Ｌａを点灯させることができるのである。
（第３の実施形態）
第３の実施形態を図９に基づいて説明する。図９は、本実施形態の具体的な回路構成を示す図である。

本実施形態においては、コンデンサＣ２を抵抗Ｒ１の両端に接続し、放電灯Ｌａの一端をインダクタＬ２に接続した点が異なり、他は第２の実施形態と同じである。

この構成により、放電灯Ｌａには直流成分に対し低インピーダンスとなるインダクタＬ２と抵抗Ｒ１を介して直流電圧が重畳された高周波矩形波電圧が印加される。

この構成により、放電灯Ｌａのインピーダンスが増加すると、抵抗Ｒ１の両端の電圧は低下する。従って、第１の実施形態とは逆になり、放電灯Ｌａのインピーダンスが増加すると、コンデンサＣｋに発生する電圧の両端の電圧は低下する。

従って、第２の実施形態と同様に、周囲温度の変化等により調光時に放電灯Ｌａのインピーダンスが変化した場合、放電灯Ｌａに印加される電圧の直流成分を検出して放電灯Ｌａへの供給電力を変化させることにより、ちらつきや立ち消え等を抑制し、安定して放電灯Ｌａを点灯させることができるのである。
（第４の実施形態）
第４の実施形態を図１０に基づいて説明する。図１０は、本実施形態の具体的な回路構成を示す図である。

本実施形態は、スイッチ素子Ｑ１の駆動信号を出力するＰＦＣ駆動回路８を調光制御回路３に接続した点が、第１の実施形態と異なり、他は同じである。

この回路構成により、調光制御回路３は、出力補正手段５を介して直流電圧検出回路４の検出値を受け、ＰＦＣ駆動回路８およびインバータ駆動回路９を制御する。これにより、放電灯Ｌａは、平滑コンデンサＣ１の直流電圧、およびスイッチ素子Ｑ２およびスイッチ素子Ｑ３の駆動周波数を変えることにより供給される電力が調整される。

これにより、周囲温度が低くなり放電灯Ｌａが立ち消えしやすい場合には、放電灯Ｌａに供給する直流電力を増加させることにより、放電灯Ｌａの点灯を維持させつつ、放電灯Ｌａの出力を補正することができる。
（第５の実施形態）
第５の実施形態を図１１〜１２に基づいて説明する。図１１は、本実施形態の具体的な回路構成を示す図である。図１２は、本実施形態の具体的な回路構成の別例を示す図である。

本実施形態は、第３の実施形態において以下の点で異なるものである。すなわち、直流電圧を重畳するための抵抗Ｒ１にスイッチＱ４を接続している。そして、インダクタＬ２と平滑コンデンサＣ１の低電位側との間に、放電灯Ｌａ、コンデンサＣ３、抵抗Ｒｋ、コンデンサＣｋ、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ１及びスイッチ素子Ｑ４と同構成からなる放電灯Ｌａ１、コンデンサＣ４、抵抗Ｒｋ２、コンデンサＣｋ１、コンデンサＣ４、抵抗Ｒ２及びスイッチ素子Ｑ５からなる回路を並列に設けている。そして放電灯Ｌａ、Ｌａ１はバランサとして作用するトランスＴ１を介してインダクタＬ２に接続されている。また、出力補正手段５は、スイッチング素子Ｑ４及びスイッチング素子Ｑ５に接続され、抵抗Ｒｋ２とコンデンサＣｋの接続点にも接続されている。

以上の構成において、出力補正手段５は、放電灯Ｌａの直流電圧検出値に応じて、スイッチ素子Ｑ４及びスイッチ素子Ｑ５に対応するＰＷＭ信号を出力する。

これにより、複数の放電灯Ｌａ、Ｌａ１を調光する場合においても、放電灯Ｌａ、Ｌａ１の特性ばらつきもしくは回路ばらつきによる放電灯Ｌａ、Ｌａ１間の光束の差を補正することが可能となる。

なお、本実施形態においては、放電灯Ｌａ、Ｌａ１に対して直列に直流電圧検出回路４を設けたが、図１２に示すように、トランスＴ１とコンデンサＣ１の高電位側に抵抗Ｒ１を接続し、トランスＴ１とインダクタＬ２との間にコンデンサＣ２を接続し、放電灯Ｌａ、Ｌａ１に対して並列に直流電圧検出回路４を設けてもよい。このようにしても、放電灯Ｌａ、Ｌａ１に重畳する直流電圧を制御することができ、複数の放電灯Ｌａ、Ｌａ１を調光する場合においても、放電灯Ｌａ、Ｌａ１の特性ばらつきもしくは回路ばらつきによる放電灯Ｌａ、Ｌａ１間の光束の差を補正することが可能となる。

なお以上の実施形態において、パルス発生回路（図示はしない）を設け、放電灯Ｌａの低光束調光時に、図１３に示すように、直流電圧成分の重畳だけでなく、交流パルス電圧をさらに重畳してもよい。

この場合には、直流電圧成分の検出値に応じて、交流パルス電圧のパルス幅、パルス周期、パルスのピークの少なくとも１つを可変することにより、放電灯Ｌａの出力補正を行う。

これにより、周囲温度が低くなり放電灯Ｌａが立ち消えしやすい場合には、交流パルス電圧のパルス幅、パルス周期、パルスのピークの少なくとも１つを可変することにより、放電灯Ｌａの点灯を維持させつつ、放電灯Ｌａの出力を補正することができる。

第１の実施形態のブロック図である。 同実施形態の具体的な回路図である。 同実施形態の低光束調光時の交流成分と直流成分の電圧波形図である。 直流電圧検出回路４、出力補正手段５及び調光制御回路３の構成を示す図である。 直流電圧検出回路４、出力補正手段５及び調光制御回路３の別例の構成を示す図である。 （ａ）調光信号と光束との関係を示す図、（ｂ）調光信号と検出値との関係を示す図である。 直流電圧検出回路４、出力補正手段５及び調光制御回路３のさらに別例の構成を示す図である。 第２の実施形態の回路図である。 第３の実施形態の回路図である。 第４の実施形態の回路図である。 第５の実施形態の回路図である。 第５の実施形態の別例の回路図である。 交流パルス電圧を重畳した電圧波形図である。

符号の説明

１ 高周波電源
２ 直流電源
３ 調光制御回路
４ 直流電圧検出回路
５ 出力補正手段
６ 昇圧チョッパ回路
７ インバータ回路
８ ＰＦＣ駆動回路

Claims (4)

1. 第１のインピーダンス素子を介して放電灯に高周波電力を供給する高周波電源と、第２のインピーダンス素子を介して放電灯に直流電圧を印可する直流電源と、放電灯に供給する電力を変化させて放電灯の調光を行う調光制御回路とを備えた放電灯点灯装置において、前記放電灯に印可される電圧の直流成分のみを検出するものであって、抵抗とコンデンサで構成されるローパスフィルタを有する直流電圧検出回路と、直流電圧検出回路の検出値に応じて前記放電灯に供給する電力を補正する出力補正手段と、を設けたことを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 前記直流電圧検出回路は、放電灯又は第２のインピーダンス素子のいずれかに
   接続されるものであることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
3. 前記出力補正手段は、放電灯に印加される電圧の直流成分が増加した場合に放電灯への出力を上昇させ、放電灯に印加される電圧の直流成分が減少した場合に放電灯への出力を低下させるものであることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
4. 前記出力補正手段は、直流電圧検出回路の検出値が所定の値でクランプされるように放電灯への出力を制御するものであることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。

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