JP4601575B2

JP4601575B2 - 放電灯点灯装置

Info

Publication number: JP4601575B2
Application number: JP2006096540A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007273220A

Description

この発明は、インバータ回路による高周波点灯を行う放電灯点灯装置に係り、省エネルギーを図った放電灯点灯装置に関する。

一般に、熱陰極形の放電灯を点灯させる場合、放電灯を点灯させる前に、放電灯のフィラメントを先行予熱する必要があり、インバータ回路の出力側がフィラメント予熱用トランスに接続され、フィラメント予熱用トランス４の２次巻線４ｂ、４ｃに放電灯のフィラメントが接続され、２次巻線からフィラメント予熱電流（以下、予熱電流という）をフィラメントに供給している。電源投入時、フィラメント予熱用トランスに高周波電圧が印加され、フィラメントが予熱され、予熱完了後、放電灯は点灯を開始するが、放電灯点灯後は放電灯に流れる放電電流によってフィラメントが加熱されるため、フィラメント予熱トランスからの予熱電流は不要となる。

しかしながら、放電灯点灯後もフィラメント予熱トランスにインバータの出力電圧が印加され、フィラメントに予熱電流を供給してしまい、電力損失を発生してしまう。そこで、従来の放電灯点灯装置は、フィラメント予熱用トランスの１次巻線にスイッチ素子を直列に接続し、点灯後、スイッチ素子をオフすることによってフィラメント予熱用トランスの１次巻線に供給する電流を遮断することで、予熱電流をフィラメントに供給しないようにし、フィラメントによる電力損失を低減している。（例えば、特許文献１参照）

上述の従来の放電灯点灯装置では、スイッチ素子をオフした時にフィラメント予熱用トランスの漏れインダクタンス成分により過大な電圧がスイッチ素子に印加される可能性があり、そのため、スイッチ素子は耐圧の大きなものを使用し、さらに、スイッチを保護するため保護用ダイオードを用いている。（例えば特許文献２参照）

また、一般に、放電灯点灯装置は、整流回路に電源平滑用コンデンサを使用しており、この平滑用コンデンサは静電容量が大きく、電源投入時は電源平滑用コンデンサに電荷が蓄えられていない状態であるので過大な突入電流が電源より平滑用コンデンサに流れ込むという問題が発生する。そこで、従来の放電灯点灯装置は、突入電流防止用抵抗とスイッチ素子を並列接続した突入電流防止回路を電源平滑用コンデンサと直列に配置し、電源投入時に突入電流防止用抵抗によって突入電流を抑制している。突入電流防止用抵抗に並列に設けられたスイッチ素子は電源投入時はオフ状態で、突入電流を抑制後、スイッチ素子をオン状態とし、突入電流素子用抵抗の電流をほぼゼロとして電力損失低減している（例えば、特許文献３参照）。

特開２００１−３５１７９０号公報（段落００１７〜００２４、図１、図２）特開２００４−１９３０７５号公報（段落００２６〜００３３、図５）特開平９−３２０７７０号公報（段落００１８〜００２１、図１、図２）

従来の放電灯点灯装置は、予熱電流を遮断してフィラメントの予熱電力を低減しているが、予熱電流を遮断するためにスイッチ素子に耐圧の大きなものを使用する必要があり、さらに、保護用ダイオードを設けなければならなかった。
また、電源投入時の過大な突入電流を防ぐための突入電流防止回路を別にも設ける必要があり、フィラメント予熱回路と突入電流防止回路が必要であり、それぞれにスイッチ素子が必要となり、２個のスイッチをそれぞれ制御しなければならなかった。そのため、回路の大型化、複雑化、高コスト化が問題であった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、簡単な回路構成でフィラメント予熱電流を遮断し、省エネルギーを達成でき、かつ電源投入時の突入電流を抑制することができる放電灯点灯装置を得ることを目的とする。

この発明に係わる放電灯点灯装置は、交流電源を整流する整流回路と、この整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、この平滑コンデンサの出力である直流電源を高周波に変換して放電灯に高周波電力を供給するインバータ回路と、前記整流回路と前記平滑コンデンサの間に接続され、前記交流電源の投入時に生じる突入電流を防止する突入電流防止用抵抗と前記放電灯のフィラメントを予熱する電流を供給するフィラメント予熱用トランスとからなる直列回路と、前記直列回路に並列接続されたスイッチ手段と、前記交流電源の投入時に、前記スイッチ手段をオフとして前記フィラメントの予熱と前記突入電流の防止動作を行い、前記スイッチ手段をオンとして前記フィラメントの予熱と前記突入電流の防止動作の解除を行う制御回路と、を備えたものである。

この発明によれば、整流回路と平滑コンデンサの間に接続され、交流電源の投入時に生じる突入電流を防止する突入電流防止用抵抗と放電灯のフィラメントを予熱する電流を供給するフィラメント予熱用トランスとからなる直列回路と、前記直列回路に並列接続されたスイッチ手段と、前記交流電源の投入時に、前記スイッチ手段をオフとして前記フィラメントの予熱と前記突入電流の防止動作を行い、前記スイッチ手段をオンとして前記フィラメントの予熱と前記突入電流の防止動作の解除を行う制御回路と、を備えたので、簡単な回路構成でフィラメント予熱電流を遮断し、省エネルギーを達成でき、かつ、電源投入時の突入電流を抑制することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示す放電灯点灯装置の回路構成図である。図１において、放電灯点灯装置は、商用交流電源１、この商用交流電源１の交流を全波整流する整流回路２、整流回路２で全波整流された直流電圧を昇圧する昇圧チョッパ１８、昇圧チョッパ１８からの直流を平滑して直流電源とする平滑コンデンサ１０、平滑コンデンサ１０に接続され、直流電源による電力を高周波電力に変換するスイッチング素子１１ａ、１１ｂからなるハーフブリッジ形のインバータ回路１１、インバータ回路１１のスイッチング素子１１ａ、１１ｂのオン、オフを制御するインバータ制御回路１２、インバータ制御回路１２の出力側に接続されたバラストコイル１３、放電灯１６及び共振コンデンサ１４からなる負荷回路及びカップリングコンデンサ１５を備えている。

さらに、本実施形態では、整流回路２と昇圧コイル７との間に、突入電流防止用抵抗３とフィラメント予熱用トランス４が直列に接続され、フィラメント予熱用トランス４と突入電流防止用抵抗３に並列に、スイッチ手段５と、スイッチ手段５のオン、オフを制御する制御回路６が設けられている。なお、制御回路６はインバータ制御回路１２と接続されている。ここで、制御回路６がオン、オフ制御を行えるものであれば、スイッチ手段５は半導体スイッチでも機械式スイッチでも特に限定するものではない。

本実施の形態は、突入電流防止用抵抗３とフィラメント予熱用トランス４とを直列接続し、また、突入電流防止用抵抗３とフィラメント予熱用トランス４に並列にスイッチ手段５を接続し、スイッチ素子のオン、オフを制御することにより、フィラメント予熱時と突入電流抑制時にはスイッチ手段５をオフ状態にしてフィラメント予熱トンラス４に電流を供給し、フィラメント１７ａ、１７ｂを予熱するとともに、突入電流防止用抵抗３により突入電流が抑制される。そして、フィラメント予熱完了後に、スイッチ手段５をオン状態にして突入電流防止用抵抗３、フィラメント予熱用トランス４に電流を供給しないようにして、突入電流防止用抵抗３での電力損失、フィラメント予熱電力の損失を防ぐものである。

次に、この発明の実施の形態１の放電灯点灯装置の動作について図１により説明する。商用交流電源１の投入により商用交流電源１を整流回路２で整流し、昇圧チョッパ１８で昇圧し、さらに平滑コンデンサ１０によって平滑されて得られた直流電源により供給された電力についてインバータ回路１１のスイッチング素子１１ａ、１１ｂが交互にオン・オフすることで高周波電圧に変換する。スイッチング素子１１ａ、１１ｂのオン・オフ制御はインバータ制御回路１２が行う。

電源投入後、放電灯１６を点灯させる前にフィラメント１７ａ、１７ｂを先行予熱する予熱モードが行われるが、このとき制御回路６はスイッチ手段５がオフ状態になるようにする。従って、フィラメント予熱用トランスの１次巻線４ａにはスイッチング素子８の高周波スイッチングによって高周波電流が供給され、これによってトランス２次巻線４ｂ、４ｃに接続されたフィラメント１７ａ、１７ｂに予熱電流が供給され、予熱が行われる。また、フィラメント予熱用トランス４と突入電流防止用抵抗３が直列に接続されているため電源投入時の平滑コンデンサ１０への突入電流も抑制できる。

インバータ制御回路１２の制御により、時間経過等でフィラメント１７ａ、１７ｂの予熱が完了した状態になったとき、制御回路６はフィラメント１７ａ、１７ｂへの予熱電流の供給を遮断するためスイッチ手段５をオン状態にする。これにより、フィラメント予熱用トランスの１次巻線４ａには電流が供給されず、電圧がゼロとなり、２次巻き線４ｂ、４ｃからフィラメント１７ａ、１７ｂに電流が供給されなくなり、予熱電流がゼロとなる。また、スイッチ手段５をオン状態にすることによって突入電流防止用抵抗３に流れる電流を回避できるので、突入電流防止後、突入電流防止用抵抗３での電力損失を低減できる。

次に、インバータ制御回路１２は放電灯１６を点灯させるためにインバータ回路１１を始動モードで制御する。始動モードとは、インバータ回路１１のスイッチング周波数をバラストコイル１３と共振コンデンサ１４との共振周波数に近づけるモードである。インバータ回路１１によるスイッチング周波数が共振周波数に近づくと放電灯１６のフィラメント１７ａと１７ｂとの間に高電圧が印加され、放電を開始して点灯モードとなり、放電灯１６が点灯する。

図２は上述の電源投入からの一連の動作に関するタイミングチャートを示す図である。
図２（ａ）は制御回路６がスイッチ手段５を制御するための制御信号、図２（ｂ）はフィラメント予熱トランス１次巻き線を流れる電流、図２（ｃ）は放電灯に印加される電圧、図２（ｄ）は放電灯１６を流れる放電電流を示す。ここで、例えば、図２（ａ）は始動モード直後にスイッチ手段５がオン状態になるように制御している。

以上のように、商用交流電源１を整流する整流回路２と、整流回路２で全波整流された直流電圧を昇圧する昇圧チョッパ１８と、昇圧チョッパ１８の出力を平滑する平滑コンデンサ１０と、この平滑コンデンサ１０の出力である直流電源を高周波に変換して放電灯に高周波電力を供給するインバータ回路１１と、整流回路２と平滑コンデンサ１０の間に接続され、商用交流電源１の投入時に生じる突入電流を防止する突入電流防止用抵抗３と放電灯１６のフィラメント１７ａ、１７ｂを予熱する電流を供給するフィラメント予熱用トランス４とからなる直列回路と、直列回路に並列接続されたスイッチ手段５と、交流電源１の投入時に、スイッチ手段５をオフとしてフィラメント１７ａ、１７ｂの予熱と突入電流の防止動作を行い、スイッチ手段５をオンとしてフィラメント１７ａ、１７ｂの予熱と突入電流の防止動作の解除を行う制御回路６とを備え、スイッチ手段５のオン、オフを制御することにより、予熱モードのときだけフィラメント予熱用トランス４を介してフィラメントに予熱電流が供給されるようにし、それ以外の時にはフィラメント予熱用トランス４への電力供給を行わないようにしたので、簡単な回路構成でフィラメント予熱電流を遮断し、高効率で省エネルギーを達成でき、かつ、電源投入時の突入電流を抑制することができる。

また、放電灯１６が消灯するまでスイッチ手段５をオフ状態にしないようにするため、スイッチ素子がオフ時に発生するインダクタンス成分によるサージ電圧がスイッチ素子に発生しない。従って、高耐圧のスイッチ素子を用いる必要がなく、スナバ回路や保護用のダイオードを設ける必要もないため、簡単な回路構成で低コストの装置を得ることができる。

また、昇圧チョッパ１８のスイッチング素子８が高周波でスイッチングするためフィラメント予熱用トランス４に流れる電流は高周波電流となり、小形のものが使用できる。さらに、突入電流防止用抵抗３をフィラメント予熱回路に設けるため、電源投入時の突入電流を抑制することができるので、従来の突入電流防止回路が省略でき、簡単な回路構成で小型、低コストの装置を得ることができる。
従って、実施の形態１の放電灯点灯装置は、高効率、省エネルギーを達成でき、かつ、回路の簡略化、小型化、低コスト化を図ることができる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態１を示す放電灯点灯装置の回路構成図である。図３は実施の形態１の図１と同様に商用交流電源１、整流回路２、昇圧チョッパ１８及び平滑コンデンサ１０を介して、スイッチング素子１１ａ、１１ｂからなるハーフブリッジ形のインバータ回路１１にスイッチ素子１１ａ、１１ｂのオン、オフを制御するインバータ制御回路１２が接続され、インバータ回路出力側にはバラストコイル１３、放電灯１６及び共振コンデンサ１４からなる負荷回路とカップリングコンデンサ１５とが接続されている。本実施の形態は、実施の形態１において、スイッチ手段５としてＭＯＳＦＥＴ１９を用いている。ＭＯＳＦＥＴ１９のゲート端子には制御回路６が接続されている。

次に、図の放電灯点灯装置の動作について説明する。ここで、実施の形態１と同じ部分については説明を省略する。電源投入後、フィラメント１７ａ、１７ｂを先行予熱する予熱モードが行われるが、このとき制御回路６はＭＯＳＦＥＴ１９がオフ状態になるようにする。従ってフィラメント予熱用トランスの１次巻線４ａにはスイッチング素子８の高周波スイッチングによって高周波電流が供給され、これによってトランス２次巻線４ｂ、４ｃに接続されたフィラメント１７ａ、１７ｂに予熱電流が供給され、予熱が行われる。また、フィラメント予熱用トランス４と突入電流阻止用抵抗３が直列に接続されているため電源投入時の平滑コンデンサ１０への突入電流も抑制できる。

インバータ制御回路１２によるインバータ回路１１の動作状態が放電灯１６の始動動作が完了し、点灯開始の動作になった直後に、また、時間経過等により、制御回路６は、フィラメント１７ａ、１７ｂの予熱が完了したものと判断し、フィラメント１７ａ、１７ｂへの予熱電流の供給を遮断するためＭＯＳＦＥＴ１９をオン状態にする。これによりフィラメント予熱用トランスの１次巻線４ａには電流が供給されず、電圧がゼロとなり、２次巻き線４ｂ、４ｃからフィラメント１７ａ、１７ｂに電流が供給されなくなり、予熱電流がゼロとなる。また、ＭＯＳＦＥＴ１９をオン状態にすることによって突入電流阻止用抵抗３に流れる電流を回避できるので、突入電流阻止後、突入電流阻止用抵抗３での電力損失を低減できる。なお、これらの動作は実施の形態１の図２と同じである。

以上のように、スイッチ手段５としてＭＯＳＦＥＴ１９を用い、予熱時は突入電流防止用抵抗３によって突入電流を抑制することができ、予熱完了後、突入電流防止用抵抗３、フィラメント予熱トンラス４を短絡することによって予熱電流を遮断でき、高効率、省エネルギーを達成する。また、従来の突入電流防止回路が省略でき、簡単な回路構成で小型、低コストの装置を得ることができる。
また、スイッチ手段としては、直流側に接続されており、双方向のスイッチでなくともよく、ＭＯＳＦＥＴ１９を用いることができる。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３を示す放電灯点灯装置の構成図である。本実施の形態は、実施の形態１の図１において、スイッチング手段５をサイリスタに代えたものである。
図４において、サイリスタ２０のゲート端子には制御回路６が接続されている。他の個性、動作は実施の形態１と同様であり説明を省略する。

この構成において、予熱時は突入電流防止用抵抗３によって突入電流を抑制することができ、予熱完了後、突入電流防止用抵抗３、フィラメント予熱トンラス４を短絡することによって予熱電流を遮断でき、高効率、省エネルギーを達成する。また、従来の突入電流防止回路が省略でき、簡単な回路構成で小型、低コストの装置を得ることができる。
また、スイッチ手段としては、直流側に接続されており、一度、オンすれば消灯までオフとする必要がなく、双方向のスイッチでなくともよく、また、自己消弧形スイッチでなくともよく、サイリスタ２０を用いることができ、ＭＯＳＦＥＴより低コストであり、制御回路６も簡単な回路でよく低コストにできる。

実施の形態４．
本実施の形態は実施の形態１の図１、実施の形態２の図３、実施の形態３の図４のいずれかの構成と同じにして動作を変えたものであり、動作について説明する。

図５は電源投入からの一連の動作に関するタイミングチャートを示す図である。
図５（ａ）は制御回路６がスイッチ手段５、ＭＯＳＦＥＴ１９、サイリスタ２０を制御するための制御信号、図５（ｂ）はフィラメント予熱トランス１次巻き線を流れる電流、図５（ｃ）は放電灯に印加される電圧、図４（ｄ）は放電灯１６を流れる放電電流示す。ここではスイッチ手段５、ＭＯＳＦＥＴ１９、サイリスタ２０を制御回路６によって点灯モードとなるまでオフ状態としてフィラメントを予熱し、点灯モード状態となってからオン状態として予熱電流を遮断する。

なお、図５では点灯モードとなってから、若干経過してからオン状態として予熱電流を遮断しているが、点灯開始の直後にオン状態としてもよい。点灯モード状態となってから若干経過してからオン状態とするのは、余裕をもたせて完全に点灯した状態でオン状態とするためである。

以上のように、制御回路６は、インバータ回路１１による放電灯１６のフィラメント予熱動作と始動動作が終了し、放電灯１６の点灯動作か開始した直後に、ＭＯＳＦＥＴ１９をオンとするので、始動モード状態においてもフィラメントが適切に加熱されるため、始動モード状態におけるフィラメント温度低下を防ぐことができ、放電開始時の放電灯１６への印加電圧を低く抑えることができる。また、低温時においても容易に放電灯の始動が可能とすることができる。

なお、実施の形態１〜４ではスイッチ手段５、ＭＯＳＦＥＴ１９、サイリスタ２０、突入電流防止用抵抗３、フィラメント予熱用トランス４からなる一連の回路を整流回路２と昇圧コイル７との間に接続しているが、これに限定するものではなく、突入電流の経路上にあればよく、すなわち、平滑コンデンサ１０と直列になるように接続すればよい。

この発明の実施の形態１を示す放電灯点灯装置の構成図である。この発明の実施の形態１を示す放電灯点灯装置の動作のタイミングチャートである。この発明の実施の形態２を示す放電灯点灯装置の構成図である。この発明の実施の形態３を示す放電灯点灯装置の構成図である。この発明の実施の形態４を示す放電灯点灯装置の動作に基づくタイミングチャートである。

符号の説明

１商用交流電源、２整流回路、３突入電流防止用抵抗、４フィラメント予熱用トランス、４ａ１次巻線、４ｂ、４ｃ２次巻線、５スイッチ手段、６制御回路、１０平滑用コンデンサ、１１インバータ回路、１２インバータ制御回路、１６放電灯、１７ａ、１７ｂフィラメント、１８昇圧チョッパ、１９ＭＯＳＦＥＴ、２０サイリスタ。

Claims

交流電源を整流する整流回路と、
この整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、
この平滑コンデンサの出力である直流電源を高周波に変換して放電灯に高周波電力を供給するインバータ回路と、
前記整流回路と前記平滑コンデンサの間に接続され、前記交流電源の投入時に生じる突入電流を防止する突入電流防止用抵抗と前記放電灯のフィラメントを予熱する電流を供給するフィラメント予熱用トランスとからなる直列回路と、
前記直列回路に並列接続されたスイッチ手段と、
前記交流電源の投入時に、前記スイッチ手段をオフとして前記フィラメントの予熱と前記突入電流の防止動作を行い、前記スイッチ手段をオンとして前記フィラメントの予熱と前記突入電流の防止動作の解除を行う制御回路と、
を備えたことを特徴とする放電灯点灯装置。
前記制御回路は、前記インバータ回路による前記放電灯のフィラメント予熱動作が終了し、前記放電灯の始動動作が開始した直後に、前記スイッチ手段をオンとすることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
前記制御回路は、前記インバータ回路による前記放電灯のフィラメント予熱動作と始動動作が終了し、前記放電灯の点灯動作が開始した直後に、前記スイッチ手段をオンとすることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
前記スイッチ手段をサイリスタにより構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の放電灯点灯装置。
前記スイッチ手段をＭＯＳＦＥＴにより構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の放電灯点灯装置。