JP4572731B2 - 放電灯点灯装置および照明器具 - Google Patents

Description

本発明は複数の定格電力種の高圧放電灯を適合負荷とする放電灯点灯装置およびこれを用いた照明器具に関するものである。

高圧放電灯（ＨＩＤランプ）を点灯させる高圧放電灯点灯装置としては、従来、銅鉄型の安定器が主流であった。しかし、近年、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が主流になりつつある。この電子バラストについて以下に簡単に説明する。

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、その出力端に放電灯への供給電力を調整・制御できるインバータ回路部Ｂが接続され、さらにその出力端に放電灯ＤＬが接続されている。インバータ回路部Ｂは直流電源回路部Ａの出力を低周波の交流電圧に変換して放電灯ＤＬに供給する点灯回路部Ｃと、放電灯ＤＬの状態に応じて点灯回路部Ｃの動作を制御する制御回路部Ｄとを備えている。

このような従来の点灯装置では、特性の異なるＨＩＤランプを点灯する場合、点灯しようとするランプに適合した高圧放電灯点灯装置を用いる必要があった。つまり、特性の異なる各々の放電灯に対して、それぞれ専用の高圧放電灯点灯装置を設けなければならず、開発費用・開発期間等の面での投資が多大であった。このような理由により高圧放電灯点灯装置は、複数種のＨＩＤランプを点灯することができる性能が望まれていた。

そこで、特開２００３−２２９２８９号公報には、複数種のＨＩＤランプを対象とした高圧放電灯点灯装置について提案されており、ＨＩＤランプの管電圧が所定のしきい値を超えるまでの時間を計測して負荷種を判別する手段について紹介されている。
特開２００３−２２９２８９号公報

上述の特許文献１では、負荷判別手法として、過渡特性が所定値を超えるまでの時間を計測することが提案されており、再始動時においては、上記の時間を補正することが提案されている。ここで、再始動時に上記の時間を補正するのは、初始動に比べて立ち上がりが早いためである。

ところが、特許文献１では、初始動と再始動の区別の方法については開示されていない。また、初始動と再始動の特性の立ち上がり状態は、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すような２つの状態だけでなく、ランプの冷え具合によって、中間的な様々な状態を取り得る。よって、より確実な負荷判別手段が必要である。

上記課題に対して、図１０に示すように、異なる定格電力のランプを特定の電力特性のバラストで点灯したときの始動時のランプの過渡特性の挙動の違いでもって、ランプの定格電力を判定することを提案している。この例によれば、特許文献１では考慮されていなかった初始動、再始動の違いに関らず負荷判別が可能である。この例を用いれば、ほとんど全てのランプを判別することが可能である。しかし、ランプの特性改善により、始動時のランプの過渡特性の挙動が変わることが考えられる。たとえば、電極間距離の変更、発光管内圧の変更等により、過渡特性が変化することが考えられる。

以上、述べたように、過渡特性による判別だけでは、ランプの特性改善によるランプ挙動変化には対応できない。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、ランプの過渡特性の改善に対してもランプ種別を精度良く判別して適正な電力でランプを点灯させることが可能な放電灯点灯装置を提供することを課題とする。

上記の問題を解決するべく、本発明者らは高圧放電灯の安定期の特性を種々の電力値に対して詳細に観察した。図１は、３５Ｗランプと７０Ｗランプを種々の電力で点灯させたときの安定期の電力と電圧の関係を示す。（ａ）は３５Ｗランプについて、（ｂ）は７０Ｗランプについて、安定期のランプ電力Ｗｌａとランプ電圧Ｖｌａの関係を測定したものである。

ここで、ランプ電力Ｗｌａが５５Ｗから４０Ｗの間のデータに着目すると、３５Ｗランプは５５Ｗから４０Ｗに電力が減少すると、ランプ電圧Ｖｌａも減少することが分かる。一方、７０Ｗランプは、５５Ｗから４０Ｗに電力を減少させると、ランプ電圧Ｖｌａは３５Ｗランプと同様に減少するものもあれば、上昇もしくは殆ど変化しないものがあることが分かる。さらに、７０Ｗランプでランプ電圧Ｖｌａが減少するものにおいても３５Ｗランプの減少値と比べると、明らかに７０Ｗランプの方が減少幅が小さいことが分かる。

また、ランプ電力Ｗｌａが４０Ｗから３３Ｗの間のデータに着目すると、３５Ｗランプは４０Ｗから３３Ｗに電力を変化させると、そのときのランプ電圧Ｖｌａは減少する方向に変化する。しかし、７０Ｗランプでは、上昇する方向か、殆ど変化しないことがわかる。

このように、ある一定の電力値で点灯させたときの特性値が３５Ｗランプと７０Ｗランプでは異なることを発見した。

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、直流電源からの電力を変換して高圧放電灯に電力を供給する電力変換回路と、電力変換回路の供給電力を制御する点灯制御回路と、放電灯の電気特性を検出し、放電灯の定格電力種を判別する放電灯判別回路とを備え、複数の定格電力種の高圧放電灯を負荷対象とし、そのうちいずれか１種を接続して点灯する放電灯点灯装置であって、接続された高圧放電灯の定格電力種の判定は、高圧放電灯の電気特性がほぼ安定する期間である安定期の電気特性から前記放電灯判別回路により判別し、安定期の電気特性とは、放電灯を異なる電力で点灯させたときに得られる電気特性であり、かつ、その電気特性がランプ電力とランプ電圧が比例する領域及びランプ電力とランプ電圧が反比例する領域の両方から得られる電気特性であり、判別された結果に基づいて、前記電力変換回路の供給電力を制御し、接続された高圧放電灯を点灯することを特徴とする。

また、ここで示したランプの安定期の負荷特性からの判別手法とランプ始動後の過渡特性による負荷判別を組み合わせることで、ランプの特性改善による特性値の変化にも対応でき、より信頼性の高い判別が可能な放電灯点灯装置を実現できる。

本発明によれば、複数の定格電力の放電灯を点灯可能であって、しかも、放電灯の定格電力を自動的に判別し、放電灯の定格電力で点灯させることが可能な放電灯点灯装置において、ランプの特性が改良されたことによって、過渡特性が大きく異なる負荷が対象となった場合であっても、始動時の過渡特性と、異なる２つの定常特性の違いから負荷判別を確実に行うことができる。

（実施形態１）
図２に本発明の実施形態１の回路図を示す。電解コンデンサＣ０１には、例えば、昇圧チョッパ回路により商用交流電源を整流平滑して得られた直流電圧が印加されている。この直流電圧は、一般的に、ＨＩＤランプを始動するために必要とされている消灯時のランプ両端電圧（無負荷２次電圧）約３００Ｖとなっている。

制御電源回路１は、降圧用の抵抗Ｒ０１，Ｒ０２とツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２の直列回路よりなり、制御回路に供給する電圧Ｖｃｃ１、Ｖｃｃ２を生成する回路である。

降圧チョッパ回路２は、スイッチング素子Ｑ０１、回生用ダイオードＤ０１、インダクタＬ０１、コンデンサＣ０２よりなり、スイッチング素子Ｑ０１が高周波でスイッチングすることにより、電解コンデンサＣ０１に蓄積されている直流電圧をランプＤＬに必要な電力に変換する。

極性反転回路３は、スイッチング素子Ｑ０２，Ｑ０３，Ｑ０４，Ｑ０５のフルブリッジ回路よりなり、降圧チョッパ回路２のコンデンサＣ０２の直流電圧を数十Ｈｚ〜数百Ｈｚの低周波に変換する。

イグナイタ回路４は、ランプ始動に必要な高圧パルス（約３〜５ｋＶ）を発生させる。

定Ｗｌａ回路５は、電解コンデンサＣ０１の一定電圧から負荷側に供給される電流値を抵抗Ｒ０５により検出することでランプ電力を検出し、増幅回路ＯＰ１で任意の電圧値に変換し、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１からなる直流変換回路により直流電圧に変換する。変換された直流電圧値とマイコンから出力されたＰＷＭ信号を抵抗Ｒ２、コンデンサＣ２により直流電圧値に変換された値とを誤差増幅器ＯＰ２により比較させる。比較されて出力された電圧値と高周波発振回路７で生成された三角波の高周波信号とを比較器ＣＰ２により比較することにより、降圧チョッパ回路２のスイッチング素子Ｑ０１の駆動信号を生成する。定Ｗｌａ回路５の出力端に接続されているツェナーダイオードは誤差増幅器ＯＰ２の出力電圧の最大値を決めている。

さらに、定Ｉｌａ回路６によりランプＤＬが始動した直後の低インピーダンス時のランプ電流Ｉｌａを一定に制御させる。この回路は、ランプＤＬに流れる電流値を抵抗Ｒ０６により検出し、その検出値と、抵抗Ｒ０５で検出された電圧値との差を計算することにより実際にランプＤＬに流れる電流を算出している。つまり、本回路の基準グランドが電解コンデンサＣ０１の負電位側に設けられているため、抵抗Ｒ０６には、ランプ電流値のほかに、抵抗Ｒ０５で検出される電解コンデンサＣ０１からの放電電流値も同時に検出されてしまうために、差動アンプＯＰ３により、抵抗Ｒ０５で検出される値と、抵抗Ｒ０６で検出される値との差を計算することにより、ランプＤＬに流れる電流を検出している。

次に、検出された電圧を抵抗Ｒ３、コンデンサＣ３からなる直流変換回路により直流電圧に変換し、Ｖｃｃ１を分圧してなる基準電圧値と比較することにより降圧チョッパ回路２のスイッチング素子Ｑ０１を制御する。

図３に点灯装置の出力特性を示す。Ｂ１は７０Ｗ用のバラスト特性、Ｂ２は３５Ｗ用のバラスト特性の一例である。いずれもランプ電圧Ｖｌａが低い領域では定ランプ電流制御を行い、ランプ電圧Ｖｌａが所定値を超えると定電力制御を行う。上述の定Ｉｌａ回路６は定Ｉｌａ領域を制御しており、定Ｗｌａ回路５は定Ｗｌａ領域を制御している。負荷判別のためのバラスト特性は、７０Ｗランプの場合にはＢ１と同じ特性で、３５Ｗランプの場合には、ランプ種別が判別された時点でＢ２の３５Ｗの定電力の特性に移行する。

高周波発振回路７は、コンパレータＣＰ１，ＣＰ２，ＣＰ３とＣＲ充放電回路などで構成されており、降圧チョッパ回路２のスイッチング素子Ｑ０１をオン・オフ制御するための高周波信号を発振しており、そのオン幅は、定Ｗｌａ回路５及び定Ｉｌａ回路６の出力を受けて、図３の出力特性を実現するように制御される。

放電灯判別回路８は、放電灯ＤＬのランプ電圧を検出して、複数種の放電灯を判別する。たとえば、マイクロチップ社製ＰＩＣ１２Ｆ６７５（Ａ／Ｄ変換機能・フラッシュメモリ付８ビットマイコン）のような汎用マイコンで構成されており、抵抗Ｒ０３，Ｒ０４の分圧点の電圧を監視することにより、ランプ電圧を検出し、その検出値に応じて、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ２のＣＲ積分回路に出力するＰＷＭ信号のパルス幅を可変とすることにより、図３の定Ｗｌａ領域を実現するように制御している。ＰＷＭ信号はマイコン２番ピンから出力される。また、１番ピンは電源端子、８番ピンはグランド端子である。さらに、７番ピンは入力に設定されており、コンデンサＣ０２の両端電圧から得られるランプ電圧値を読み取る。

図３では７０Ｗ用の出力特性Ｂ１と３５Ｗ用の出力特性Ｂ２を示したが、ランプ種別の判定結果に応じてそれぞれの出力特性Ｂ１，Ｂ２となるように、マイコンからコンデンサＣ２、抵抗Ｒ２のＣＲ積分回路に出力されるＰＷＭ信号のパルス幅が変更されるものである。また、ランプ種別判別のために、点灯電力を切り替える場合にも、マイコンからコンデンサＣ２、抵抗Ｒ２のＣＲ積分回路に出力されるＰＷＭ信号のパルス幅が変更される。すなわち、本実施形態では、マイコンを用いて目標電力を切り替える手段として、前記定Ｗｌａ回路５の誤差増幅器ＯＰ２の非反転入力部の基準電圧値を切り替えるようにしている。

以下、ランプ種別の判別手法について、図４のランプ種別の判別フローチャートを用いて詳細に説明する。

まず、ランプが始動していない消灯時は、抵抗Ｒ０３およびＲ０４で分圧された電圧は、Ｖｃｃ２以上の電圧となっているために、マイコン７番ピンに接続されたダイオードの直列回路で構成された過電圧保護回路が働き、マイコンの７番ピンにはＶｃｃ２が入力されており、ランプが消灯している状態であるとみなしている。

次にランプが始動すると、コンデンサＣ０２の両端電圧は低下するため、マイコン７番ピンの電圧もＶｃｃ２以下となり、ランプが点灯したとみなす。ここで、言うまでもなくランプ点灯・消灯の識別の検出値は、Ｖｃｃ２と同じ電圧に設定されており、Ｖｃｃ２以上のときは、消灯状態であり、Ｖｃｃ２より小さい値のときはランプ点灯状態であるとマイコンは認識する（＃１）。

ランプ始動後、ランプ電圧Ｖｌａは、図１０に示すように、時間とともに上昇する。そして、やがて、定常点灯状態となり、ある安定したランプ電圧値で点灯を維持する。マイコンは、時間と共に上昇するランプ電圧値をマイコンの７番ピンで検出し、ランプ電圧２０Ｖ以下のときは、マイコン内部で時間が計測される（＃２，＃３）。

次に、ランプ電圧が２０Ｖ以上となると時間計測は終了し、それまでに計測した時間があらかじめ決められていた時間と比較され、たとえば、５秒以上であれば、接続されたランプが３５Ｗであると判定され、３５Ｗの定電力制御となり、３５Ｗランプの定格電力で点灯されることになる（＃４，＃５）。

計測時間が５秒より短い時間であるときは、第２の判別手法に移行する。なお、ここまでの出力制御は、例えば図３の７０Ｗ用の出力特性Ｂ１の定Ｉｌａ領域を用いる。

第２の判別手法では、まず、バラストの出力特性は４０Ｗ定電力特性とされ（＃６）、ランプ電圧の変化がほぼゼロとなるまで４０Ｗ点灯が継続され（＃７）、変化がほぼゼロとなった時点でそのときのランプ電圧Ｖｌａ１がマイコンにより計測され、マイコンのメモリ内に記憶される（♯８）。次に、バラスト出力特性は、３３Ｗ定電力に変更され（＃９）、ここでもランプ電圧の変化がほぼゼロとなるまで３３Ｗ点灯が継続され（＃１０）、変化がほぼゼロとなった時点でそのときのランプ電圧Ｖｌａ２がマイコンにより計測され、その値は記憶される（＃１１）。

その後、マイコン内部でΔＶｌａ＝Ｖｌａ１−Ｖｌａ２が計算され（＃１２）、その計算結果が、あらかじめ設定されていた閾値Ｖｄと比較される（＃１３）。ΔＶｌａ＞Ｖｄであれば、接続されたランプは３５Ｗであるとみなされ、３５Ｗの定格電力である３５Ｗ定電力制御（＃５）に移行する。また、Ｖｌａ≦Ｖｄであれば、接続された放電灯は７０Ｗであるとみなされ、７０Ｗの定格電力である７０Ｗ定電力制御（＃１４）に移行する。

このような一連の流れにより、複数種の放電灯の定格電力を判別する。なお、ここでは放電灯を異なる電力（４０Ｗと３３Ｗ）で点灯させたときに得られるランプ電圧の増加もしくは減少を検出するようにしたが、その他の電気特性、例えば、ランプ電流の増加もしくは減少を検出するようにしても良い。また、放電灯を異なる電力で点灯させるとき、その異なる電力間で検出される電気特性は正特性として検出される領域に設定しても良いし、負特性として検出される領域に設定しても良い。また、殆ど変化のない領域、つまり、電気特性が正特性と負特性の両方を含む領域に設定しても良い。

なお、ランプ電圧が２０Ｖ以下の時間を計測する第１の判別手法は、安定期の電気特性を得る前に、あらかじめ過渡期の電気特性を得ることにより、ランプ種の判別をより精度よく、より早く行えるようにするために設けてある。過渡期の電気特性としては、上述のように、高圧放電灯始動後の放電灯電圧がある所定の値以下になる時間を判別する以外に、例えば、高圧放電灯始動後の所定時間における放電灯電圧を判別しても良い。また、高圧放電灯始動後の放電灯電圧がある所定の値以下になるか否かを判別したり、あるいは、高圧放電灯始動後の放電灯電圧の変化率が急激に変わる変曲点が現れる時間を判別することによっても、ランプ種の判別をより精度よく、より早く行える効果がある。

（実施形態２）
本発明の実施形態２について、図５を用いて説明する。ランプ判別のフローは実施形態１のものと同じであるが、第２の判別を行う電力の設定（＃６，＃９）が違う。一般的に、ＨＩＤランプの場合、定格電力から逸脱した、特に、定格電力よりも極端に小さい電力で点灯すると、ランプ寿命の悪化を招く。そこで、本実施形態では、判別の対象とした３５Ｗランプと７０Ｗランプの中間の電力（５５Ｗと４０Ｗ）でランプ種の判別を行うことで、ランプ寿命の悪化を回避したものである。

（実施形態３）
本発明の実施形態３について、図６を用いて説明する。実施形態３では、ランプ判別のフローの第２の判別手法が違う。実施形態３では、安定期の電気特性による第２の判別を行う電力を３種類とし、５５Ｗ電力、４０Ｗ電力、３３Ｗ電力とした。これは、第２の実施形態で述べたランプ寿命の悪化を防ぐ目的と共に、より安全サイドにランプ種判別が行われるようにランプ種判別のフローを高度化したものである。

つまり、実施形態１、２では、図６の第２の判別において、５５Ｗ電力、４０Ｗ電力の判定のみ（実施形態２）、または、４０Ｗ電力、３３Ｗ電力の判定のみ（実施形態１）で、３５Ｗランプか７０Ｗランプを判別していたが、実施形態３では、５５Ｗ電力、４０Ｗ電力の判定（実施形態２）、および、４０Ｗ電力、３３Ｗ電力の判定（実施形態１）という２つの組み合わせから判別するために、たとえば、３５Ｗランプを７０Ｗランプであるといったランプ発光管破損などの危険性が高まる方への判定結果をより精度よく回避できる利点がある。

（実施形態４）
図７は本発明の放電灯点灯装置を用いた照明器具の構成例を示す。（ａ）、（ｂ）はスポットライトに適用した例、（ｃ）はダウンライトに適用した例であり、図中、１１は点灯装置の回路を格納した電子バラスト、１２は高圧放電灯を装着した灯体、１３は配線である。いずれの照明器具も３５Ｗ、７０Ｗのような複数の種類の高圧放電灯を適宜選択して装着することができる。これらの照明器具を複数組み合わせて照明システムを構築しても良く、必要な照度、発光色、デザイン等に応じて、種類の異なる複数の高圧放電灯が混在して用いられても構わない。

本発明におけるランプ種別判別手法を示す説明図である。 本発明の実施形態１の構成を示す回路図である。 図２の点灯装置の出力特性を示す特性図である。 本発明の実施形態１の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態２の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態３の動作を示すフローチャートである。 本発明の照明器具の外観を示す斜視図である。 従来の点灯装置のブロック図である。 従来例の動作説明図である。 始動時のランプ電圧立ち上がり特性の代表例を示す特性図である。

符号の説明

１ 制御電源回路
２ 降圧チョッパ回路
３ 極性反転回路
４ イグナイタ回路
５ 定Ｗｌａ回路
６ 定Ｉｌａ回路
７ 高周波発振回路
８ 放電灯判別回路

Claims (8)

1. 直流電源からの電力を変換して高圧放電灯に電力を供給する電力変換回路と、電力変換回路の供給電力を制御する点灯制御回路と、放電灯の電気特性を検出し、放電灯の定格電力種を判別する放電灯判別回路とを備え、複数の定格電力種の高圧放電灯を負荷対象とし、そのうちいずれか１種を接続して点灯する放電灯点灯装置であって、接続された高圧放電灯の定格電力種の判定は、高圧放電灯の電気特性がほぼ安定する期間である安定期の電気特性から前記放電灯判別回路により判別し、安定期の電気特性とは、放電灯を異なる電力で点灯させたときに得られる電気特性であり、かつ、その電気特性がランプ電力とランプ電圧が比例する領域及びランプ電力とランプ電圧が反比例する領域の両方から得られる電気特性であり、判別された結果に基づいて、前記電力変換回路の供給電力を制御し、接続された高圧放電灯を点灯することを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 直流電源からの電力を変換して高圧放電灯に電力を供給する電力変換回路と、電力変換回路の供給電力を制御する点灯制御回路と、放電灯の電気特性を検出し、放電灯の定格電力種を判別する放電灯判別回路とを備え、複数の定格電力種の高圧放電灯を負荷対象とし、そのうちいずれか１種を接続して点灯する放電灯点灯装置であって、接続された高圧放電灯の定格電力種の判定は、高圧放電灯の電気特性がほぼ安定する期間である安定期の電気特性から前記放電灯判別回路により判別し、安定期の電気特性とは、放電灯を異なる電力で点灯させたときに得られる電気特性であり、かつ、その電気特性がランプ電力とランプ電圧が反比例する領域から得られる電気特性であり、判別された結果に基づいて、前記電力変換回路の供給電力を制御し、接続された高圧放電灯を点灯することを特徴とする放電灯点灯装置。
3. 請求項１または２に記載の安定期の電気特性のほかに、過渡期の電気特性として、高圧放電灯始動後の所定時間における放電灯電圧を放電灯判別回路により判別し、判別された結果に基づいて、前記電力変換回路の供給電力を制御し、接続された高圧放電灯を点灯することを特徴とする放電灯点灯装置。
4. 請求項１または２に記載の安定期の電気特性のほかに、過渡期の電気特性として、高圧放電灯始動後の放電灯電圧がある所定の値以下になることを放電灯判別回路により判別し、判別された結果に基づいて、前記電力変換回路の供給電力を制御し、接続された高圧放電灯を点灯することを特徴とする放電灯点灯装置。
5. 請求項１または２に記載の安定期の電気特性のほかに、過渡期の電気特性として、高圧放電灯始動後の放電灯電圧がある所定の値以下になる時間を放電灯判別回路により判別し、判別された結果に基づいて、前記電力変換回路の供給電力を制御し、接続された高圧放電灯を点灯することを特徴とする放電灯点灯装置。
6. 請求項３〜５のいずれかに記載の安定期の電気特性のほかに、過渡期の電気特性として、高圧放電灯始動後の放電灯電圧の変化率の変曲点が現れる時間を放電灯判別回路により判別し、判別された結果に基づいて、前記電力変換回路の供給電力を制御し、接続された高圧放電灯を点灯することを特徴とする放電灯点灯装置。
7. 請求項３〜６のいずれかに記載の放電灯点灯装置であって、安定期の電気特性を得る前に、複数種の放電灯の最大電力と最小電力の間の電力で所定の時間にわたり放電灯を点灯させる期間を設けることを特徴とする放電灯点灯装置。
8. 請求項１〜７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。

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