JP4438513B2

JP4438513B2 - 放電灯点灯装置及び照明器具

Info

Publication number: JP4438513B2
Application number: JP2004156844A
Authority: JP
Inventors: 尚樹大西; 滋井戸; 隆司神田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2024-05-26
Also published as: JP2005339976A

Description

本発明は、放電灯を調光する放電灯点灯装置に関し、特に低光束点灯時に周期的なパルス電圧を放電灯に印加する放電灯点灯装置、並びにかかる放電灯点灯装置を用いた照明器具に関するものである。

例えば、蛍光灯に代表される放電灯を調光する放電灯点灯装置としては、商用交流電源の低周波の交流電力をインバータ回路を用いて高周波の交流電力に変換して放電灯に供給し、インバータ回路から放電灯への供給電力を調整することで放電灯を調光するものが一般的となっている。このような放電灯点灯装置においては、放電灯への供給電力を低下させたときに放電灯の点灯状態が不安定となり、ちらつきや立ち消えなどの現象が発生する虞があるため、低光束の調光点灯時においても上記現象が発生しない安定した調光性能を得ることが要求されている。

このような要求に応えるため、例えば特許文献１に記載された従来例では、放電灯に高周波電力を供給する高周波電源回路を備え、外部から入力する調光信号に応じて調光制御部が高周波電源回路を制御して放電灯への供給電力を調整することで放電灯の調光を行うともに、ランプ動作ポイント切換制御部により放電灯に供給する高周波電力を周期的に変化させてパルス状の高電圧を放電灯に印加することで、低光束点灯時にも放電灯を安定に点灯するようにしている。
特開平６−７６９７９号公報

上述のようにパルス状の高電圧（以下、「パルス電圧」と略す）を放電灯に印加する従来例においては、パルス電圧を周期的に印加することで放電灯の光出力も同じ周期で変化するので、かかる光出力の変化が十分に平均化されて人の目にちらつきとして感じられない程度の短い周期でパルス電圧を印加する必要がある。しかしながら、近接して配置された複数（例えば、２つ）の放電灯を各々上記従来例の放電灯点灯装置により個別に点灯させた場合、近接した放電灯同士が容量結合し、２台の放電灯点灯装置におけるパルス電圧の周期やインバータ回路の駆動周波数がばらつきによりずれたときに、互いに容量結合した複数の放電灯間に生じる電位差が低周波で変動し、放電灯間において低周波の干渉ビート（ちらつき）が発生することがある。このような現象は特に調光比（定格点灯時における基準面の照度を１００％としたときの照度比）が３％以下というような低光束の調光点灯時においてより顕著になる。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、低光束調光点灯時の過剰なパルス電圧の印加による干渉ちらつきを低減した放電灯点灯装置及び照明器具を提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、直流電力を交流電力に変換して放電灯に供給する電力変換手段と、電力変換手段の交流出力を調整することによって放電灯を調光する調光手段と、調光手段により電力変換手段の交流出力を減少させて放電灯の調光比を低下させたときに電力変換手段の交流出力にパルス電圧を重畳するパルス電圧重畳手段とを備え、該パルス電圧重畳手段は、調光比の下限値から該下限値と上限値との間の所定値までの範囲では調光比の増大とともにパルス電圧のピーク値を略一定若しくは徐々に増加させ且つ前記所定値から上限値までの範囲では調光比の増大とともにパルス電圧のピーク値を徐々に減少させることを特徴とする。

この発明によれば、調光比の下限値から所定値までの範囲におけるパルス電圧のピーク値を略一定若しくは徐々に増加させているから、低光束調光点灯時の過剰なパルス電圧の印加を抑制し、複数の放電灯間の干渉によるちらつきを低減することができる。しかも、放電が不安定になりやすい中光束調光点灯時ではパルス電圧のピーク値を増加させることで放電灯を安定点灯させてちらつきを低減することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記調光比の所定値は、放電灯のランプ電圧実効値が最大となる調光比の近傍であり且つ定格点灯時における基準面の照度を１００％としたときの５％〜２０％の照度比の範囲内であることを特徴とする。

この発明によれば、放電が最も不安定になりやすい調光比においても放電灯の点灯維持に必要十分なパルス電圧を印加することにより放電灯を安定点灯することができる。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、直流電圧を１乃至複数のスイッチング素子でスイッチングすることにより高周波電圧に変換するインバータ回路、該インバータ回路の出力端間に設けられて放電灯に共振電圧を印加する共振回路を具備した前記電力変換手段と、前記スイッチング素子をスイッチングするための駆動信号を出力する発振回路、前記調光比を電圧レベルで指示する調光信号の当該電圧レベルに応じて前記発振回路の発振周波数を設定する周波数設定回路を具備した前記調光手段と、調光比の下限値から前記所定値までの範囲では調光比の増大とともに振幅が略一定若しくは徐々に低下し且つ前記所定値から上限値までの範囲では調光比の増大とともに振幅が徐々に増加する信号と振幅を一定としたパルス信号との合成信号により前記調光信号の電圧レベルをパルス状に変化させることでパルス電圧を重畳する前記パルス電圧重畳手段とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、調光範囲の上限値から下限値の全ての範囲において最適なパルス電圧が印加可能なようにパルス電圧の振幅を制御することができる。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、放電灯の出力状態を検出する検出手段と、該検出手段の検出結果が調光比に応じた値となるように前記調光信号の電圧レベルを調整するフィードバック制御手段とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、パルス電圧の振幅が変動しても放電灯の光出力を調光比に応じたレベルにできる。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記パルス電圧重畳手段は、前記調光信号を前記パルス信号と合成することを特徴とする。

この発明によれば、構成の簡略化が図れるとともにパルス電圧のピーク値制御と放電灯の調光制御が同時に行える。

請求項６の発明は、請求項４の発明において、インピーダンス素子を介して放電灯に直流電圧を印加する直流電圧印加手段と、放電灯に印加される直流電圧若しくは前記インピーダンス素子の両端電圧を検出する前記検出手段とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、放電灯の出力状態を精度良く検出することができ、低光束調光時においてさらに精度の高い出力制御が可能となる。

請求項７の発明は、上記目的を達成するために、請求項１〜６の何れかの放電灯点灯装置と、放電灯が着脱自在に装着され該放電灯に前記放電灯点灯装置の出力を供給するソケットと、前記放電灯点灯装置及びソケットを保持する器具本体とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、調光比の下限値から所定値までの範囲におけるパルス電圧のピーク値を略一定若しくは徐々に増加させているから、低光束調光点灯時の過剰なパルス電圧の印加を抑制し、複数の放電灯間の干渉によるちらつきを低減することができ、しかも、放電が不安定になりやすい中光束調光点灯時ではパルス電圧のピーク値を増加させることで放電灯を安定点灯させてちらつきを低減することが可能な放電灯点灯装置及び照明器具が提供できる。

本実施形態の放電灯点灯装置は、図１に示すように直流電源Ｅの両極間に直列接続された２つのスイッチング素子（電界効果トランジスタ）Ｑ１，Ｑ２からなるインバータ回路１と、ハイサイドのスイッチング素子Ｑ１の両端（ドレイン−ソース）間に直流カット用のコンデンサＣ１を介して直列接続されたインダクタＬ１及びコンデンサＣ２からなる共振回路２と、共振用のコンデンサＣ２にフィラメント（図示せず）の一端が接続された放電灯（蛍光灯）３の各フィラメントを予熱する予熱回路４とを備えている。

予熱回路４は、共振用のインダクタＬ１に設けられて放電灯３のフィラメントの両端間に直列接続された二次巻線Ｌ２，Ｌ３と、各二次巻線Ｌ２，Ｌ３とフィラメントの非電源側の一端との間に挿入された直流カット用のコンデンサＣf1，Ｃf2とで構成される。また、２つのフィラメントの非電源側の一端同士が抵抗Ｒdc1を介して接続され、ローサイドのスイッチング素子Ｑ２の両端（ドレイン−ソース間）には分圧抵抗Ｒdc2，Ｒdc3の直列回路及び分圧抵抗Ｒdc3に並列接続された平滑コンデンサＣdcからなる出力検出部６が設けられ、この出力検出部６とフィラメント間に挿入された抵抗Ｒdc1とを介して直流電源Ｅから放電灯３に直流電圧が印加されている。

インバータ回路１は、発振回路ＩＣ１から出力する駆動信号がゲート抵抗Ｒg1，Ｒg2を介してゲートに与えられることによりスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が高周波で交互にオン・オフ（スイッチング）され、直流電源Ｅから供給する直流電圧を高周波電圧に変換する、所謂ハーフブリッジ形のものである。発振回路ＩＣ１は例えば汎用のタイマＩＣからなり、外付けのコンデンサＣｘ及び３つの抵抗Ｒｘ１，Ｒｘ２，Ｒｘ３からなる周波数設定回路５により設定される周波数で発振するものであって、その発振周波数がインバータ回路１の駆動周波数、すなわち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周波数に一致する。なお、図示は省略するが発振回路ＩＣ１には定電圧源が内蔵されており、周波数設定回路５の抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ３がその定電圧源に接続されている。

ここで、周波数設定回路５のコンデンサＣｘと抵抗Ｒｘ１〜Ｒｘ３に流れる電流の合成電流値が増加するにつれて発振回路ＩＣ１の発振周波数が大きく（高く）なり、発振回路ＩＣ１の発振周波数、つまりインバータ回路１の駆動周波数が大きくなるにつれて共振回路２の共振電圧が低下して放電灯３へ供給される高周波電力も減少する。また、周波数設定回路５には図示しない調光器から抵抗Ｒｘ２を介して調光信号Ｖrefが入力されている。この調光信号Ｖrefは調光比（定格点灯時の照度を１００％としたときの照度比）に比例した直流電圧からなり、調光比の低下に合わせて直流電圧レベルが小さくなるにつれて抵抗Ｒｘ２に流れる電流値が増加するため、周波数設定回路５の合成電流値が増加してインバータ回路１の駆動周波数が大きく（高く）なって放電灯３が調光されるのである。

出力検出部６は、放電灯３に印加される直流電圧を分圧抵抗Ｒdc3の電圧降下として等価的に検出するものであって、分圧抵抗Ｒdc3に並列接続された平滑コンデンサＣdcにより検出信号を平滑化するとともに高周波ノイズを除去している。そして、この出力検出部６の検出信号が調光信号Ｖrefとともにフィードバック制御回路７に入力されている。

フィードバック制御回路７は、検出信号が入力抵抗Ｒinを介して反転入力端に入力されるとともに調光信号Ｖrefが非反転入力端に入力されるオペアンプＯＰ１と、オペアンプＯＰ１の出力端と反転入力端の間に互いに並列に接続された帰還抵抗Ｒfb1及びコンデンサＣfb1で構成されており、検出信号と調光信号Ｖrefの電圧レベルが常に等しくなるように周波数設定回路５の電流値を増減して発振回路ＩＣ１の発振周波数を調整する制御（フィードバック制御）を行うものである。

さらに本実施形態においては、周波数設定回路５の抵抗Ｒｘ３に対して、パルス電圧重畳回路８から周期的なパルス状の電圧を印加することでインバータ回路１の駆動周波数を周期的に変動させ、これにより放電灯３に印加される高周波電圧（ランプ電圧）にパルス状の高電圧（パルス電圧）を重畳させている。

パルス電圧重畳回路８は、オペアンプからなりその出力端が抵抗Ｒｘ３に接続された第１のバッファＢ１と、第１のバッファＢ１の入力端（オペアンプの非反転入力端）に互いのカソードが並列接続されたダイオードＤ１，Ｄ２と、オペアンプからなりその出力端が一方のダイオードＤ１のアノードに接続された第２のバッファＢ２と、オペアンプからなりその出力端が他方のダイオードＤ２のアノードに接続された第３のバッファＢ３とで構成される。第２のバッファＢ２の入力端には図２（ａ）に示すような直流電圧信号Ｖdcが入力され、第３のバッファＢ３の入力端には同図（ｂ）に示すような三角波のパルス信号Ｖplが入力されており、同図（ｃ）に実線で示すようにこれら２種類の信号を合成した信号（以下、「パルス電圧指令信号」と呼ぶ）Ｖpcが第１のバッファＢ１を介して周波数設定回路５の抵抗Ｒｘ３に与えられる。なお、本実施形態においては、図３（ｂ）に示すように調光比（調光信号Ｖrefの直流電圧レベル）が下限値（例えば、０％）から所定値の範囲では調光比の増大に比例して単調減少し、調光比が所定値から１００％の範囲では調光比の増大に比例して単調増加する直流電圧信号Ｖdcを第２のバッファＢ２の入力端に与えるとともに、振幅を一定とした三角波のパルス信号Ｖplを第３のバッファＢ３の入力端に与えている。したがって、パルス電圧重畳回路８から出力するパルス電圧指令信号Ｖpcは直流電圧信号Ｖdcの直流電圧レベルが大きいほど振幅が小さくなる三角波のパルス信号となる（図２（ｃ）参照）。

而して、周波数設定回路５はフィードバック制御回路７の出力電圧レベルにより調光信号Ｖrefの調光比に応じた値に発振回路ＩＣ１の発振周波数を設定するとともに、パルス電圧重畳回路８のパルス電圧指令信号Ｖpcのパルス振幅に応じた周波数分だけ発振周波数を周期的に小さい（低い）値に変化させる。その結果、発振周波数が周期的に小さい値に変化したときにインバータ回路１から共振回路２を介して放電灯３に印加されるランプ電圧Ｖlaにパルス電圧が重畳されることになる。

ここで、図４に示すように近接して配置された２本の放電灯（例えば、直管形の蛍光灯）３Ａ，３Ｂを、本実施形態の放電灯点灯装置により個別に点灯させた場合、各放電灯３Ａ，３Ｂの点灯周波数（放電灯点灯装置から供給される高周波電力の周波数）のずれによって互いに容量結合した放電灯３Ａ，３Ｂ間の電位差が低周波で変動し、低光束調光域において互いに干渉し合うためにちらつきが発生する。ちらつきが発生しているときの各放電灯３Ａ，３Ｂのランプ電圧ＶlaＡ，ＶlaＢは図５（ａ）（ｂ）に示すような波形となるが、各ランプ電圧ＶlaＡ，ＶlaＢにパルス電圧が重畳されるタイミングが同期し且つパルス電圧の位相が１８０度ずれている場合に放電灯３Ａ，３Ｂ間の電位差が最大となってちらつきの度合いも最大となる。そして、パルス電圧の重畳タイミング及び位相差は個々の放電灯点灯装置のばらつきによって逐次変化するため、放電灯３Ａ，３Ｂ間の電位差が周期的に変化し、不快なちらつきが周期的に発生することになる。また、放電灯（蛍光灯）は通常照度比が約５％〜２０％の領域でランプ電圧が最も高くなって安定した放電の維持が困難になることから、ちらつきなどの不安定現象が発生しやすくなることが知られている。

そこで本実施形態においては、調光比の下限値から所定値の範囲では調光比の増大に比例してパルス振幅が単調増加し、調光比の所定値から１００％の範囲では調光比の増大に比例してパルス振幅が単調減少するようにパルス電圧指令信号Ｖpcを変化させることにより、放電灯３のランプ電圧Ｖlaに重畳されるパルス電圧のピーク値を、図３（ａ）に示すように調光比の下限値から所定値までの範囲においては調光比の増大とともに徐々に増加させているため、調光比が３％以下というような低光束調光点灯時には過剰なパルス電圧の印加を抑制し、複数の放電灯３Ａ，３Ｂ間の干渉によるちらつきを低減することができる。しかも、放電が不安定になりやすい中光束調光点灯時（照度比が５％〜２０％の範囲）ではパルス電圧のピーク値を増加させ、放電が最も不安定になりやすい調光比においても放電灯３Ａ，３Ｂの点灯維持に必要十分なパルス電圧を印加することにより放電灯３Ａ，３Ｂを安定点灯することができる。

また本実施形態では、上述のように検出信号と調光信号Ｖrefの電圧レベルが常に等しくなるように周波数設定回路５の電流値を増減して発振回路ＩＣ１の発振周波数を調整するフィードバック制御をフィードバック制御回路７で行っているため、パルス電圧の振幅が変動しても放電灯３の光出力を調光比に応じたレベルにできるという利点がある。

さらに、調光比が３％以下というような低光束調光域において２つの放電灯３Ａ，３Ｂに干渉によるちらつきが発生した場合、放電灯３Ａ，３Ｂの等価抵抗値がちらつきとともに変動し、その変動が出力検出部６の検出信号にも表れるため、フィードバック制御回路７により検出信号と調光信号の電位差をなくす方向へインバータ回路１の駆動周波数が調整される。ここで、２つの放電灯３Ａ，３Ｂにちらつきが発生している状況下において、各放電灯点灯装置のフィードバック制御回路７が上記フィードバック制御を行った場合、各々のインバータ回路１の駆動周波数は互いに相反する方向へ調整されることになるから、２つの放電灯３Ａ，３Ｂの点灯周波数の差が大きくなって干渉によるちらつきの度合いを低減することができる。

尚、パルス電圧重畳回路８の第２のバッファＢ２に入力する直流電圧信号Ｖdcを調光信号Ｖrefで兼用しても構わない。すなわち、図６（ｂ）に示すように直流電圧信号Ｖdcは調光比の全域において調光比の増大に比例して単調増加することになり、第３のバッファＢ３に入力するパルス信号Ｖplの基底値（パルスとパルスの間の谷の部分の電圧）を調光比が下限値から所定値（５％〜２０％）までの範囲で直流電圧信号Ｖdcよりも大きくなるように設定しておけば、調光比の下限値から所定値の範囲では調光比の増大に関係なくパルス振幅が一定となり、調光比の所定値から１００％の範囲では調光比の増大に比例してパルス振幅が単調減少するようにパルス電圧指令信号Ｖpcが変化する。その結果、調光比が３％以下というような低光束調光点灯時には過剰なパルス電圧の印加を抑制し、複数の放電灯３Ａ，３Ｂ間の干渉によるちらつきを低減することができるだけでなく、さらに構成の簡略化が図れるとともにパルス電圧のピーク値制御と放電灯の調光制御が同時に行えるという利点がある。

ところで本実施形態の放電灯点灯装置は、例えば、図７に示すような天井直付け型の照明器具１０に用いられる。この照明器具１０は、断面形状が略台形である筒状に形成され、その内部に放電灯点灯装置が収納された器具本体１１と、器具本体１１の長手方向両端部に固定され、直管形の放電灯（蛍光灯）３が着脱自在に装着される２つのソケット１２，１２とを備えており、放電灯点灯装置から出力する高周波電力がソケット１２，１２を介して放電灯３に供給されるものである。但し、本発明が適用される照明器具はこれに限定されるものではなく、天井埋込型や吊り下げ型、あるいは環形の放電灯に対応したものなど種々の照明器具に適用可能である。

本発明に係る放電灯点灯装置の実施形態を示す回路構成図である。同上の動作説明用の波形図である。同上の動作説明用の波形図であり、（ａ）はランプ電圧、（ｂ）は直流電圧信号及びパルス信号の波形図である。同上の動作説明図である。同上の放電灯点灯装置によりそれぞれ放電灯を点灯したときのランプ電圧を示す波形図である。同上の動作説明用の波形図であり、（ａ）はランプ電圧、（ｂ）は直流電圧信号及びパルス信号の波形図である。本発明に係る照明器具の実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

１インバータ回路
２共振回路
３放電灯
５周波数設定回路
８パルス電圧重畳回路
ＩＣ１発振回路
Ｑ１，Ｑ２スイッチング素子

Claims

直流電力を交流電力に変換して放電灯に供給する電力変換手段と、電力変換手段の交流出力を調整することによって放電灯を調光する調光手段と、調光手段により電力変換手段の交流出力を減少させて放電灯の調光比を低下させたときに電力変換手段の交流出力にパルス電圧を重畳するパルス電圧重畳手段とを備え、該パルス電圧重畳手段は、調光比の下限値から該下限値と上限値との間の所定値までの範囲では調光比の増大とともにパルス電圧のピーク値を略一定若しくは徐々に増加させ且つ前記所定値から上限値までの範囲では調光比の増大とともにパルス電圧のピーク値を徐々に減少させることを特徴とする放電灯点灯装置。
前記調光比の所定値は、放電灯のランプ電圧実効値が最大となる調光比の近傍であり且つ定格点灯時における基準面の照度を１００％としたときの５％〜２０％の照度比の範囲内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。
直流電圧を１乃至複数のスイッチング素子でスイッチングすることにより高周波電圧に変換するインバータ回路、該インバータ回路の出力端間に設けられて放電灯に共振電圧を印加する共振回路を具備した前記電力変換手段と、前記スイッチング素子をスイッチングするための駆動信号を出力する発振回路、前記調光比を電圧レベルで指示する調光信号の当該電圧レベルに応じて前記発振回路の発振周波数を設定する周波数設定回路を具備した前記調光手段と、調光比の下限値から前記所定値までの範囲では調光比の増大とともに振幅が略一定若しくは徐々に低下し且つ前記所定値から上限値までの範囲では調光比の増大とともに振幅が徐々に増加する信号と振幅を一定としたパルス信号との合成信号により前記調光信号の電圧レベルをパルス状に変化させることでパルス電圧を重畳する前記パルス電圧重畳手段とを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の放電灯点灯装置。
放電灯の出力状態を検出する検出手段と、該検出手段の検出結果が調光比に応じた値となるように前記調光信号の電圧レベルを調整するフィードバック制御手段とを備えたことを特徴とする請求項３記載の放電灯点灯装置。
前記パルス電圧重畳手段は、前記調光信号を前記パルス信号と合成することを特徴とする請求項４記載の放電灯点灯装置。
インピーダンス素子を介して放電灯に直流電圧を印加する直流電圧印加手段と、放電灯に印加される直流電圧若しくは前記インピーダンス素子の両端電圧を検出する前記検出手段とを備えたことを特徴とする請求項４記載の放電灯点灯装置。
請求項１〜６の何れかの放電灯点灯装置と、放電灯が着脱自在に装着され該放電灯に前記放電灯点灯装置の出力を供給するソケットと、前記放電灯点灯装置及びソケットを保持する器具本体とを備えたことを特徴とする照明器具。