JP4401151B2

JP4401151B2 - 放電灯点灯装置及び照明器具

Info

Publication number: JP4401151B2
Application number: JP2003392984A
Authority: JP
Inventors: 浩司山下; 健一福田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2023-11-21
Also published as: JP2005158366A

Description

本発明はＨＩＤランプを点灯させる放電灯点灯装置に関するものである。

ＨＩＤランプは、高輝度、種類によっては高効率という特徴を持つことから幅広い分野で用いられている。特に高演色のメタルハライドランプは近年その特徴を生かし、屋内の店舗等のスポットライトやダウンライト等に利用されてきている。そのため灯具のデザインも重要になり、より小型な灯具が好まれている。このことから、近年においては安定器の軽量化・小型化・高機能化を目的とした多くの電子部品を用いた電子バラストなるものが主流となりつつある。この電子バラストについて以下簡単に説明する。

通常、ＨＩＤランプの電子バラストは、音響的共鳴現象を回避するために矩形波点灯方式を採用することが多い。矩形波点灯方式の基本的な考え方は、ランプ電流の限流については高周波領域で行うことによって限流要素の小型化を実現し、またその一方で高周波電流を音響的共鳴現象の生じない低周波にて極性を反転させ、そのうち高周波成分をフィルタ回路にて除去した低周波成分のみの低周波電流をランプに供給することにより、音響的共鳴現象を回避しつつ安定な放電灯の点灯を実現している。

図８に電子バラストのブロック図を示す。交流電源Ｖｓに整流回路を含む直流電源回路部Ａが接続されており、この直流電源回路部Ａの出力端に低周波矩形波電力を発生するインバータ回路部Ｂが接続されており、このインバータ回路部Ｂの出力端にランプＬａが接続されている。なお、インバータ回路部Ｂはイグナイタ回路（図示せず）を具備しており、始動時には高圧パルス電圧を発生させる。

図８のブロック図のさらに具体的な回路図を図９に示す。直流電源回路部Ａは整流回路ＤＢとスイッチング素子Ｑ０とダイオードＤ０とインダクタンスＬ０とコンデンサＣ０と制御回路Ｓ０からなり、スイッチング素子Ｑ０、ダイオードＤ０、インダクタンスＬ０により昇圧チョッパ回路を構成し、交流電源Ｖｓの交流電圧を直流電圧に整流・平滑する機能を有する。昇圧チョッパ回路の動作については、一般的であるため省略する。

また、インバータ回路部Ｂはスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４とダイオードＤ１〜Ｄ４とインダクタンスＬ１とコンデンサＣ１と制御回路Ｓ１とドライバＩＣ（例えばＩＲ社製ＩＲ２３０８）Ｋ１、Ｋ２とからなる。制御回路Ｓ１はランプＬａのランプ電圧を抵抗Ｒ１〜Ｒ４によって検出し、ランプ電圧に応じてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のＯＮ／ＯＦＦ制御を行ない、ランプＬａに適当な電力を供給する。

図１０に各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のタイミングチャートを示す。点灯時において、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は数１０〜数１００Ｈｚで動作し、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４は数１０ＫＨｚで動作することによって、インダクタンスＬ１には図１０のＩ_L1のような電流が流れる。また、ランプＬａにはコンデンサＣ１によってＩ_L1の高周波成分を除去したＩｌａのような略矩形波電流が流れる。

ここで、制御回路Ｓ１はマイコンを用いてもよい。その場合、ランプ電圧は抵抗Ｒ１〜Ｒ４により分圧された電圧をマイコンによりＡ／Ｄ変換した値をランプ電圧値として認識する。すなわち、ランプ電圧を検出するには、抵抗Ｒ２の両端電圧Ｖ_R2と抵抗Ｒ４の両端電圧Ｖ_R4の差の絶対値を求めることで、ランプ電圧値として認識することができる。

図１１にマイコンのメインプログラムのフローチャートを示す。以下、簡単にプログラムの動作を説明する。まず、矩形波の低周波数を設定する。ここでは１７０Ｈｚとした。その後、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３が図１０に示したように動作をする。そして、矩形波周波数の半サイクルの間のランプ電圧を読み込み、Ａ／Ｄ変換し、Ｖｌａ２として値を書き込む。その値から予めマイコンの中に収めておいたランプ電圧−ランプ電力データテーブルより適した電力を読み込む。その後、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３は動作を停止し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が同時オンしないように、全スイッチング素子をオフしている（ステップ１〜７）。

次に、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４は１回前のランプ電圧に応じた電力テーブルに則った電力をランプに供給できるようにＯＮ／ＯＦＦ動作する。そして、低周波の半サイクル間のランプ電圧のＡ／Ｄ変換値をＶｌａ１として値を書き込み、電力テーブルを読み込む。その後、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４が動作を停止した後、先ほどと同じく全スイッチング素子をオフしたのち、再度スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３の動作に戻り、以上の動作を繰り返すことでランプに適当な電力供給を行うことかできる（ステップ８〜１３）。

一般的に高圧放電灯は点灯初期から点灯時間が経過していくにしたがってランプ電圧が上昇していく傾向にある。通常、銅鉄式安定器であれば、このようにランプ電圧が上昇していくと、ランプの再点弧電圧が上昇するため点灯維持できなくなり、立ち消えを起こしていた。

一方、電子バラストでは寿命末期においても再点弧電圧が銅鉄安定器に比べて出にくくなるため、なかなか立ち消えにはならない。その点でランプの寿命を延ばすことにもなっていた。しかし、立ち消えを起こさないので、ランプには銅鉄式安定器に比べてさらに負荷をかけることになるため、ランプ内部の発光管が劣化し、クラック等を起こす場合がある。その際、ランプの発光効率を向上させるためにランプ外管内を真空にした高圧放電灯においては、発光管から外管内に発光物質等が放出される場合がある。この場合、真空であった外管内が真空でなくなり、ガスの圧力が上昇するので、外管内の電位差がある導体間で放電が起こることがある。本明細書中、このような発光管の異常により外管内で生じる放電を「外管内放電」と称する。この外管内放電が生じると、定格電流値を超える過電流が安定器から供給されることにより、安定器の温度上昇が大きくなり、ランプの口金部およびランプソケットやリード線においても通常より発熱して寿命劣化を招く。この外管内放電は銅鉄安定器においても同様に起こることがある。

この外管内放電を未然に防止する手段としては外管内に窒素などの不活性ガスを封入する方法が知られているが、この場合においては外管内のガスにより発光管の熱が外部へ伝わりやすくなり、発光管温度が低下してしまうために、効率が低下してしまう。

また、外管内放電が起こり過電流が流れた時にこれを遮断する手段として、電流ヒューズを口金内に配設し、過電流により電流ヒューズを溶断させ、供給電力を切断する方法も知られている（特許第３１２６３００号）。この場合においては、ランプの始動時には安定時よりも大きい電流が流れるため、その電流値で溶断しない電流ヒューズを用いる必要がある。そのため外管内放電が生じて過電流が流れてもその電流値によっては電流ヒューズが溶断されるまでに長時間を要したり、溶断まで至らない場合がある。したがって、この電流ヒューズによっては、安定器やソケット等の損傷を確実に防ぐことはできない。また、口金部が高温になるために電流ヒューズが酸化して不導体になり、ランプが不点灯になる恐れもある。
特許第３１２６３００号公報

本発明は、以上のような点を解決すべく考案されたものであり、その目的とするところは、外管内放電状態のランプが負荷となっても安定器やランプソケットの異常発熱を防止できる放電灯点灯装置を提供することにある。

本発明にあっては、上記の課題を解決するために、少なくともスイッチング素子を含む点灯回路により低周波の略矩形波電力を外管内が真空である高圧放電灯に与えて点灯させる放電灯点灯装置において、放電灯の電圧又は電流の瞬時値を検出する検出手段を備え、前記検出手段により略矩形波の極牲反転直後又は極性反転からある一定期間の電圧又は電流の瞬時値レベルを検出し、所定の閾値を超えた場合には異常と判定して、点灯回路の出力を停止又は低減し、前記所定の閾値は、高圧放電灯の外管内であって、かつ密閉された発光管内以外で起こる放電状態にある放電灯を負荷としたときに異常と判定できるように設定されていることを特徴とするものである。つまり、矩形波反転直後の瞬時電圧（再点弧電圧）あるいは瞬時電流（オーバーシュート電流）を読み込み、所定の閾値と比較することで、外管内放電状態のランプと正常ランプを区別する。

本発明によれば、極性反転直後のランプ電圧もしくはランプ電流の瞬時値と所定の閾値を比較することにより、外管内放電の状態にあるランプを判別し、点灯装置の出力を停止又は低減することで、外管内放電の状態となったランプにおける異常発熱を抑制することができるという効果がある。

本発明の好ましい実施形態においては、ランプの外管内放電状態を上述した極性反転後の瞬時電圧に着目して検出するものである。本実施形態の回路図は図９とし、その制御回路Ｓ１のメイン動作のフローは図１１とする。

ランプが何らかの理由で発光管が破損し、外管内放電状態になると、図１２に示すようなランプ電圧及びランプ電圧波形として観測される。図１２の波形は、フィリップス社製ＣＤＭ−Ｔ１５０Ｗランプの外管内放電状態のときのランプ電圧Ｖｌａ、ランプ電流Ｉｌａの波形である。図１２から分かるように、ランプが外管内放電状態になると、ランプ電圧波形の極性反転直後に急峻な電圧波形（瞬時電圧）として観測される。また、ランプ電流に関しては、極性反転直後からランプ電圧の瞬時電圧が無くなった瞬間に急峻な電流波形（オーバーシュート電流）として観測される。

図１３は図１２の極性反転直後の波形の拡大図である。この波形から分かるように、ランプ電圧Ｖｌａの瞬時電圧は極性反転直後から約２００μｓｅｃの間現れ、その後、ランプ電流Ｉｌａのオーバーシュート電流が短期間流れている。

そこで、上述した極性反転後の瞬時電圧に着目してランプの外管内放電状態を検出する。その動作を図２のフローチャートと図１により説明する。図２のフローチャートは図１１のフローチャートのステップ２とステップ３の間と、ステップ８とステップ９の間に挿入すればよい。まず、極性反転直後から矩形波の半サイクルの期間よりも十分に短く且つ瞬時電圧が含まれる期間ｔ１（例えば矩形波の周波数を１７０Ｈｚとした場合、５００μｓｅｃ程度でよい）のランプ電圧を読み込み、マイコンによりＡ／Ｄ変換する（ランプ瞬時電圧の読み込み）。その値をＶｔ１とする。次に予め設定しておいた閾値ＶｐとＶｔ１を比較して、図１のａに示すように、Ｖｔ１の方が閾値Ｖｐよりも大きければカウンタＭに１を加える。また、図１のｂに示すように、Ｖｔ１の方が閾値Ｖｐよりも小さければ図１１のフローチャートのステップ３（もしくはステップ９）へ流れる。この動作を繰り返し、カウンタＭが所定回数Ｘ（例えば１０回）になると、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の動作を停止させることで、ランプへの電力供給を停止する。

すなわち、極性反転後のランプ電圧の瞬時値が閾値（定格ランプ電圧の１．５〜２倍以上に設定）を超えた回数をカウントし、所定回数になればランプ異常（外管内放電）と認識し、点灯装置の動作を停止するものである。

以上の動作により外管内放電の状態になったランプを検出し、点灯装置の動作を停止させることによって、点灯装置およびランプソケット、配線の異常発熱を抑えることが可能となる。

本実施例では図１１に示したメインフローチャートのステップ２とステップ３、ステップ８とステップ９の間に図３のフローを挿入し、図１１のステップ４とステップ５、ステップ１０とステップ１１の間に図４のフローを追加したものである。以下、追加したフローチャートの動作について説明する。

まず、極性反転直後から矩形波の半サイクルの期間よりも十分に短く且つ瞬時電圧が含まれる期間ｔ１（例えば矩形波の周波数を１７０Ｈｚとした場合、５００μｓｅｃ程度でよい）のランプ電圧を読み込み、マイコンによりＡ／Ｄ変換する（ランプ電圧瞬時値の読み込み）。その値をＫ倍（１．５〜２倍程度以上）した値をＶｔ２とする（図３のフローチャート）。

次に、図１１のメインフローチャートで得られたＶｌａ１又はＶｌａ２（矩形波半サイクルのランプ電圧のＡ／Ｄ変換値）とＶｔ２（極性反転後のランプ電圧瞬時値のＫ倍）を比較し、Ｖｔ２の方が大きければカウンタＭのカウントを１回増やす。Ｖｔ２の方が小さければ図１１のフローチャートのステップ５（もしくはステップ１１）へ流れる。その後、フローチャートに沿って動作を繰り返す。そしてカウンタＭが所定回数Ｘ（例えば１０回）になると、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の動作を停止させることで、ランプへの電力供給を停止する（図４のフローチャート）。

すなわち、図５に示すように、極性反転後からｔ１時間のランプ電圧の平均値（あるいは実効値）をＰとし、これを所定倍した値（Ｖｔ２＝Ｐ×Ｋ）と、半サイクルにわたるランプ電圧の平均値（あるいは実効値）であるＶｌａ２を比較して前者の方が大きい時には異常と判別し、その回数をカウントする。その回数がＸ回になれば点灯装置の出力を停止するものである。

本実施例では、上述の図２のフローチャート又は図４のフローチャートの各々に「マスクカウンタ経過？」というフローを追加したものであり、それぞれ図６及び図７を用いて説明する。図中の「マスクカウンタ経過？」という比較命令は、ランプが始動してから所定時間が経過したかどうかを判定する。すなわち所定時間が経過していなければカウンタＭに加算されることはない。ＨＩＤランプは正常ランプの始動直後においても極性反転直後に急峻なランプ電流波形（もしくは電圧波形）が観測されることがある。そのモードを外管内放電ランプとして誤検出しないように、ランプ始動直後からランプが安定するまでの時間（５分程度）は、カウンタＭを増加させないことで正常ランプの誤検出を防ぐ効果がある。

以上のいずれの構成においても、ランプ外管内放電時におけるランプ電圧波形の極性反転直後に観測される急峻な電圧波形（瞬時電圧）を捕らえて外管内放電と判別したが、ランプ電流波形に着目してオーバーシュート電流波形を捕らえて外管内放電と判別し、点灯装置の出力を停止するプログラムとしても同様の効果が得られる。また、点灯装置の出力を低減するように制御しても良い。

なお、点灯回路については、図９のフルブリッジ形のインバータ回路を例示したが、ランプに低周波の矩形波状の電流を供給する回路方式であれば、例えば図１４の降圧チョッパ回路と低周波極性反転回路を組み合わせた、いわゆる５石式でも良いし、図１５のハーフブリッジ形でもよい。図中、Ｓ０，Ｓ２はチョッパ回路の制御回路、ＩＧはイグナイタである。

本発明はオフィスや店舗、一般家庭用の照明器具に利用できる。

本発明の原理説明のための波形図である。本発明の図１の原理による基本的な動作を説明するためのフローチャートである。本発明の実施例１の動作説明のためのフローチャートである。本発明の実施例１の動作説明のためのフローチャートである。本発明の実施例１の動作説明のための波形図である。本発明の実施例２の動作説明のためのフローチャートである。本発明の実施例２の動作説明のためのフローチャートである。従来の電子点灯装置の概略構成を示すブロック図である。従来の電子点灯装置の具体構成を示す回路図である。従来の電子点灯装置の基本動作を示す波形図である。従来の電子点灯装置の基本動作を示すフローチャートである。外管内放電状態の放電灯のランプ電圧とランプ電流の波形図である。図１２の極性反転直後の波形の拡大図である。本発明に用いる電子点灯装置の他の構成例を示す回路図である。本発明に用いる電子点灯装置のさらに他の構成例を示す回路図である。

符号の説明

Ｖｐ外管内放電判定用の閾値
Ｖｔ１極性反転直後のランプ電圧

Claims

少なくともスイッチング素子を含む点灯回路により低周波の略矩形波電力を外管内が真空である高圧放電灯に与えて点灯させる放電灯点灯装置において、放電灯の電圧又は電流の瞬時値を検出する検出手段を備え、前記検出手段により略矩形波の極牲反転直後又は極性反転からある一定期間の電圧又は電流の瞬時値レベルを検出し、所定の閾値を超えた場合には異常と判定して、点灯回路の出力を停止又は低減し、前記所定の閾値は、高圧放電灯の外管内であって、かつ密閉された発光管内以外で起こる放電状態にある放電灯を負荷としたときに異常と判定できるように設定されていることを特徴とする放電灯点灯装置。
少なくともスイッチング素子を含む点灯回路により低周波の略矩形波電力を外管内が真空である高圧放電灯に与えて点灯させる放電灯点灯装置において、放電灯の電圧又は電流を検出する検出手段と、前記検出手段により放電灯の電圧又は電流の半サイクルの平均値又は実効値を第１の検出値として検出すると共に、放電灯の電圧又は電流の半サイクルより十分短く且つ矩形波立上り時の瞬時電圧又は瞬時電流を含むように極性反転後から所定時間の電圧又は電流の平均値又は実効値を第２の検出値として検出し、第２の検出値が第１の検出値の所定倍数以上である場合には異常と判定して、点灯回路の出力を停止又は低減し、前記所定倍数は、高圧放電灯の外管内であって、かつ密閉された発光管内以外で起こる放電状態にある放電灯を負荷としたときに異常と判定できるように設定されていることを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１又は２記載の放電灯点灯装置において、異常と判定した回数をカウント又は時間を積算するタイマーを具備し、前記タイマーが所定回数あるいは所定時間を計時した後、点灯回路の出力を停止又は低減することを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の放電灯点灯装置において、放電灯始動時から所定の時間は、異常と判定しないように異常判定のマスク期間を設けたことを特徴とする放電灯点灯装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の放電灯点灯装置を具備したことを特徴とする照明器具。