JP4630348B2

JP4630348B2 - 高圧放電灯点灯装置

Info

Publication number: JP4630348B2
Application number: JP2008024028A
Authority: JP
Inventors: 広康私市; 岳久 ▲浜▼口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-02-04
Filing date: 2008-02-04
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2022-01-28
Also published as: JP2008112746A

Description

この発明は、高圧放電灯を高周波点灯する高圧放電灯点灯装置に関するものである。

図４は、従来における高圧放電灯点灯装置の回路構成図を示す。図４において、１は商用電源、２は商用電源１から出力する交流電圧を全波整流するダイオードブリッジ回路、３はダイオードブリッジ回路２で全波整流された電圧を直流電圧に変換するインダクター４、ＭＯＳＦＥＴ５、ダイオード６、コンデンサ７から成る交直流電圧変換回路、８は高圧放電灯９に高周波電圧を供給するＭＯＳＦＥＴ１０，１１から成るインバータ回路、１２はインバータ回路８のＭＯＳＦＥＴ１０，１１の駆動周波数を制御する制御回路、１３はインバータ回路８から出力する高周波電圧を限流する直流カットコンデンサ１４とチョークコイル１５とから成る限流回路である。

次に、こうした構成を有する高圧放電灯点灯装置の動作を、図４を併用して説明する。点灯装置の動作を開始すると、商用電源１から出力する交流電圧はダイオードブリッジ回路２から交直流電圧変換回路３を介して直流電圧に変換され、さらにインバータ回路８で高周波電圧に変換される。そして、制御回路１２は一般周知である高圧放電灯９の発光管内の放電アークの湾曲に伴う”立ち消え”或いは”ゆらぎ”の音響共鳴現象の発生を防止するため、高圧放電灯９の点灯周波数を音響共鳴現象が発生しない非共鳴周波数に予め設定し、インバータ回路８のＭＯＳＦＥＴ１０，１１のＯＮ／ＯＦＦ駆動を制御する。次に、その点灯周波数を有する高周波電圧を限流回路１０で限流して高圧放電灯９に印加することで、高圧放電灯９が安定に点灯維持する。

従来の高圧放電灯点灯装置は、前述のように点灯周波数を非共鳴周波数に予め決めて高圧放電灯を点灯するように構成している。しかしながら、一般に高圧放電灯は累積点灯時間に応じて発光管内の音波の速度が変化したり、或いは電極が消耗するなどして非共鳴周波数が変化することが知られている。このために、高圧放電灯は前述の各種要因により発光管内の放電アークの湾曲に伴って”立ち消え”或いは”ゆらぎ”という音響共鳴現象を発生することで、高圧放電灯の点灯を安定に維持することが出来ないという問題点を有していた。

この発明は、前述のような問題点を解決するためになされたもので、前述の各種要因によって発生する音響共鳴現象を回避するように工夫し、高圧放電灯を安定に高周波点灯させる高圧放電灯点灯装置を提供するものである。

この発明に係る高圧放電灯点灯装置は、商用交流電源を直流電圧に変換する交直流変換回路と、交直流変換回路の直流電圧を高周波電圧に変換するインバータ回路と、インバータ回路の高周波電圧を高圧放電灯に供給する高周波電圧供給回路と、インバータ回路の高周波電圧の周波数を制御する制御回路と、高圧放電灯の管電圧を検出する管電圧検出器とを備えた高圧放電灯点灯装置において、制御回路は管電圧検出器で検出された管電圧の微分値を算出する算出手段を設け、算出手段により算出された管電圧の微分値が所定値以上となった場合に、インバータ回路の高周波電圧の周波数を非共鳴周波数帯の所定範囲内で増減させる周波数変化手段を設け、周波数変化手段により高周波電圧の周波数を増減させる過程で、管電圧の微分値が所定値以下となる地点の周波数を抽出し、その周波数で高圧放電灯を点灯させる点灯手段を設け、周波数変化手段により高周波電圧の周波数が増減するときに高圧放電灯に供給される高周波電力を常に一定となるように交直流電圧変換回路から出力する直流電圧の大きさを制御する電圧制御手段を設けるようにしたものである。

また、管電圧検出器の管電圧が所定値以上の場合に、算出手段で管電圧の微分値を算出するようにしたものである。

また、管電圧検出器の管電圧が所定値以下の場合に、管電圧の微分値を判定する判定値を大きくし、算出手段で管電圧の微分値を算出するようにしたものである。

また、高圧放電灯の点灯開始から所定時間以上を経過した場合に、算出手段で管電圧の微分値を算出するようにしたものである。

また、高圧放電灯の点灯開始から所定時間以下の場合に、管電圧の微分値を判定する判定値を大きくし、算出手段で管電圧の微分値を算出するようにしたものである。

この発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
この発明に係る高圧放電灯点灯装置は、商用交流電源を直流電圧に変換する交直流変換回路と、交直流変換回路の直流電圧を高周波電圧に変換するインバータ回路と、インバータ回路の高周波電圧を高圧放電灯に供給する高周波電圧供給回路と、インバータ回路の高周波電圧の周波数を制御する制御回路と、高圧放電灯の管電圧を検出する管電圧検出器とを備えた高圧放電灯点灯装置において、制御回路は管電圧検出器で検出された管電圧の微分値を算出する算出手段を設け、算出手段により算出された管電圧の微分値が所定値以上となった場合に、インバータ回路の高周波電圧の周波数を非共鳴周波数帯の所定範囲内で増減させる周波数変化手段を設け、周波数変化手段により高周波電圧の周波数を増減させる過程で、管電圧の微分値が所定値以下となる地点の周波数を抽出し、その周波数で高圧放電灯を点灯させる点灯手段を設け、周波数変化手段により高周波電圧の周波数が増減するときに高圧放電灯に供給される高周波電力を常に一定となるように交直流電圧変換回路から出力する直流電圧の大きさを制御する電圧制御手段を設けるようにしたので、点灯装置の長期使用においても高圧放電灯の発光管内で発生する放電アークの湾曲に伴う”チラツキ”や”立ち消え”などを未然に防止して音響共鳴現象の発生を回避することができる。また、そのときに高圧放電灯に供給される高周波電力を常に一定となるように制御することが可能となるために、明るさの変化を防止することができる。

また、管電圧検出器の管電圧が所定値以上の場合に、算出手段で管電圧の微分値を算出するようにしたので、高圧放電灯の発光管内で放電アークの湾曲に伴う”チラツキ”や”立ち消え”などが発生する直前に点灯周波数を即座に変化させて、音響共鳴現象の発生を回避することができる。また、音響共鳴現象の発生の有無を誤って検出することを未然に防止できる。

また、管電圧検出器の管電圧が所定値以下の場合に、管電圧の微分値を判定する判定値を大きくし、算出手段で管電圧の微分値を算出するようにしたので、発光管内で”チラツキ”或いは”立ち消え”などが発生する直前に点灯周波数を即座に変化させて、音響共鳴現象の発生を回避することができる。また、音響共鳴現象の発生の有無を誤って検出することを未然に防止できる。

また、高圧放電灯の点灯開始から所定時間以上を経過した場合に、算出手段で管電圧の微分値を算出するようにしたので、音響共鳴現象を発生する直前に点灯周波数を即座に変化させて、それを回避することができる。また、音響共鳴現象の発生の有無を誤って検出することを未然に防止できる。

また、高圧放電灯の点灯開始から所定時間以下の場合に、管電圧の微分値を判定する判定値を大きくし、算出手段で管電圧の微分値を算出するようにしたので、音響共鳴現象を発生する直前に点灯周波数を即座に変化させて、それを回避することができる。また、音響共鳴現象の発生の有無を誤って検出することを未然に防止できる。

実施の形態１．
図１は、高圧放電灯点灯装置の実施の形態１を示す回路構成図である。図１において、従来例との相違点は高圧放電灯９の管電圧を検出する管電圧検出器１６を設け、この管電圧検出器１６の検出電圧の変化量から非共鳴周波数を抽出し、その周波数に点灯周波数を一致させるようにＭＯＳＦＥＴ１０，１１の駆動周波数を制御する制御回路１７を設けたことである。さらに、交直流電圧変換回路３の出力電圧を検出する電圧検出器１８を設け、制御回路１７は電圧検出器１８の検出電圧に基づいて交直流電圧変換回路３の出力電圧の大きさを所定値となるようにＭＯＳＦＥＴ５のＯＮデューティを制御する。

また、こうした構成を有する高圧放電灯点灯装置の点灯動作について、図１に示す回路構成図および図２に示す点灯動作の流れを示すフローチャート図を併用して説明する。点灯装置の点灯ＳＷ（図示なし）をＯＮして動作を開始した場合に（ステップＳ１００）、制御回路１７は点灯周波数のシフトフラグを下げ方向にセットする（ステップＳ１０１）。次に、高圧放電灯９を点灯開始する際に初期の点灯周波数ｆ０を予め非共鳴周波数と一致するように、インバータ回路８のＭＯＳＦＥＴ１０，１１の駆動周波数の制御を行なって点灯動作を開始させる（ステップＳ１０２）。そして、制御回路１７はその内部に格納されるタイマー回路（図示なし）により、高圧放電灯９の点灯経過時間をカウント処理する（ステップＳ１０３）。

この後に、その点灯経過時間が所定値以上であるかどうかを判断し（ステップＳ１０４）、ここでＮＯ即ち所定値以上でない場合には点灯時間のカウント処理を続行する。また、ＹＥＳ即ちその点灯経過時間が所定値以上である場合には高圧放電灯９が安定点灯時に達したと判断し、管電圧検出器１６の検出電圧を所定時間毎に読み込み、単位時間毎の電圧変化即ち微分値ａを算出する（ステップＳ１０５）。なお、高圧放電灯９が安定点灯時に達したかどうかを判断する手法は、前述の他に管電圧検出器１６の管電圧が所定値以上に達したかどうかを判断することが挙げられる。さらに、管電圧検出器１６の管電圧の微分値ａを算出して、後述の音響共鳴現象が発生したかどうかを判断することを、点灯経過時間が所定値以下である過程で行なっても良い。ただし、このときは前述の微分値ａを判定する判定値を大きくすることが肝要である。
ここで、点灯した後で所定時間以内は微分値ａの算出を行なわない理由は、点灯直後に管電圧が低い状態であり、その後に徐々に上昇して安定状態に至る。したがって、この過程で微分値ａを算出した場合には、後述する音響共鳴現象の発生を誤って検出し、この事態を未然に回避するためである。

次に、制御回路１７は微分値ａが所定値α以上であるかどうかを判断し（ステップＳ１０６）、ここでＮＯ即ち微分値ａが所定値α以上でない場合には音響共鳴現象が発生していないと判断する。そして、高圧放電灯９を点灯周波数ｆ０で点灯維持して微分値αの算出を続行する。また、ＹＥＳ即ち微分値ａが所定値α以上である場合には高圧放電灯９の発光管内の放電アークが湾曲し、音響共鳴現象を起こしたと判断する。なお、この音響共鳴現象が発生した場合に管電圧が上昇して微分値ａが高くなることは、既に周知の現象論である。そして、制御回路１７は前述のステップＳ１０１の工程で点灯周波数のシフトフラグは下げ方向にセットされているので、点灯周波数を所定値だけ下降するようにＭＯＳＦＥＴ１０，１１の駆動周波数を変化させる（ステップＳ１０８）。

次に、点灯周波数が下限値であるかどうかを判断し（ステップＳ１０９）、ここでＮＯの場合には下限値に達していないと判断して、前述のステップＳ１０５の工程に戻る。そして、管電圧の微分値ａの算出を行ない、この微分値ａが所定値α以上であれば再びステップＳ１０８の工程で点灯周波数を所定値だけ下降させる。また、ステップＳ１０９の工程でＹＥＳの場合には点灯周波数が下限値に達したと判断し、点灯周波数のシフトフラグを上げ方向にセットする（ステップＳ１１０）。そして、ステップＳ１０５の工程に戻って管電圧の微分値ａを算出し、この微分値ａが所定値α以上であれば点灯周波数を所定値だけ上昇させるようにＭＯＳＦＥＴ１０，１１の駆動周波数を変化させる（ステップＳ１１１）。

次に、点灯周波数が上限値であるかどうかを判断し（ステップＳ１１２）、ここでＮＯの場合には上限値に達していないと判断し、前述の管電圧の微分値ａの算出と点灯周波数の上昇動作を繰り返し実行する。また、ここでＹＥＳの場合には管電圧の微分値ａが所定値α以下に至らない状態で、点灯周波数が上限値に達したと判断する。そして、高圧放電灯９が異常であると判断してインバータ回路８の動作を停止し、点灯装置の動作を停止させる（ステップＳ１１３）。これにより、高圧放電灯９の異常点灯による”チラツキ”や”立ち消え”などを解消することができる。

また、制御回路１７は音響共鳴現象の発生を回避させる目的により、インバータ回路８の駆動周波数を制御して点灯周波数を下降および上昇させる過程で、下記の（１）式より高圧放電灯９に供給される高周波電力が変化する。これについては、図１において点灯周波数が下降した場合には直流カットコンデンサ１４とチョークコイル１５との合成インピーダンスが低くなり、これによって高圧放電灯９に流れる電流が大きくなることで、それに供給される高周波電力が増大する。また、点灯周波数が上昇した場合には前述の合成インピーダンスが高くなり、これによって高圧放電灯９に流れる電流が小さくなることで、それに供給される高周波電力が減少する。
Ｐ＝Ｖ×Ｅ／｛（２×π×ｆ×Ｌ^２−１／２×π×ｆ×Ｃ^２）
＋Ｒ^２｝^１／２・・・・・・・（１）
但し、Ｐ：高周波電力Ｅ：直流電圧変換回路の出力電圧
ｆ：点灯周波数Ｌ：チョークコイルのインダクタンス
Ｃ：直流カットコンデンサの容量Ｒ：高圧放電灯の内部抵抗

以上のことより、高圧放電灯９に供給される高周波電力を常に一定制御し、その明るさの変動を回避する必要がある。ここでは、高圧放電灯９に供給される高周波電力の一定制御について、図３に示す割り込みフローチャート図の動作の流れに沿って説明する。図３において、割り込み処理の動作を開始した場合に（ステップＳ２００）、制御回路１７は高圧放電灯９が安定に点灯維持するために必要な定格電力を確保させる上で、交直流電圧変換回路３から出力される目標電圧Ｖ０を決定する（ステップＳ２０１）。この目標電圧Ｖ０の大きさについては、点灯周波数が低い場合には前述の理由により高圧放電灯９に供給される高周波電力が増大する関係上、その電圧を低目に設定して定格電力を維持する必要がある。また、点灯周波数が高い場合には高圧放電灯９に供給される高周波電力が減少する関係上、目標電圧Ｖ０の大きさを点灯周波数が低い場合と比べて高目に設定して定格電力を確保する必要がある。

また、直流電圧変換回路３およびインバータ回路８の各構成部品の耐圧を大きくして、交直流電圧変換回路３から出力する電圧が高くなった場合でも、破壊などを発生しないように適宜工夫することが肝要である。こうしたことにより、制御回路１７は直流電圧変換回路３の出力電圧Ｖ０の大きさを、点灯周波数の高低に応じて変化するように制御する。

次に、点灯周波数が下降或いは上昇する際に直流電圧変換回路３の現時点の出力電圧Ｖｄｃを電圧検出器１９により読み込む（ステップＳ２０２）。そして、制御回路１７は交直流電圧変換回路３の現時点の出力電圧Ｖｄｃが、点灯周波数の値に対応した目標電圧Ｖ０と比べて大きいかどうかを判断する（ステップＳ２０３）。ここで、ＹＥＳ即ち現時点の出力電圧Ｖｄｃが大きいと判断した場合に、交直流電圧変換回路３の出力電圧を減少するようにＭＯＳＦＥＴ５のＯＮデューティを小さくして（ステップＳ２０４）、現時点の出力電圧Ｖｄｃを目標電圧Ｖ０の値に近づける。また、ＮＯ即ち現時点の出力電圧Ｖｄｃが小さいと判断した場合に、交直流電圧変換回路３の出力電圧を増大するようにＭＯＳＦＥＴ５のＯＮデューティを大きくして（ステップＳ２０５）、現時点の出力電圧Ｖｄｃを目標電圧Ｖ０の値に近づける。
こうした一連の割り込み処理の動作が、点灯装置の点灯ＳＷをＯＮした以降の何れかの工程の動作の過程で、繰り返し状態で割り込まれて実行される。

また、割り込み処理において高圧放電灯９に供給される高周波電力を一定制御する他の例として、高圧放電灯９に流れる電流を検出する電流検出器を設け、この電流検出器の検出電流に基づいて交直流電圧変換回路３の出力電圧の大きさを制御するように、ＭＯＳＦＥＴ５のＯＮデューティを制御するようにしても良い。

以上のように、管電圧の微分値ａが所定値αを超えた場合に、点灯周波数を所定量だけ下降或いは上昇させる手段を採用して、音響共鳴現象の発生を回避することができる。また、このときに高圧放電灯９に供給される高周波電力を一定制御する手段を採用して、高圧放電灯９の明るさが変化することを防止できる。

この発明の高圧放電灯点灯装置に係る実施の形態１の回路構成図を示す。実施の形態１に係る点灯装置の点灯動作の流れを示すフローチャート図を示す。実施の形態１の点灯装置の割り込みフローチャート図を示す。従来における高圧放電灯点灯装置の回路構成図を示す。

符号の説明

１商用交流電源、２ダイオードブリッジ回路、３交直流電圧変換回路、４インダクター、５ＭＯＳＦＥＴ、６ダイオード、７コンデンサ、８インバータ回路、９高圧放電灯、１０ＭＯＳＦＥＴ、１１ＭＯＳＦＥＴ、１２制御回路、１３限流回路、１４直流カットコンデンサ、１５チョークコイル、１６管電圧検出器、１７制御回路、１８電圧検出器。

Claims

高圧放電灯を高周波電圧で点灯する高圧放電灯点灯装置であって、
商用電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換する交直流電圧変換回路と、
前記交直流変換回路の直流電圧を前記高周波電圧に変換するインバータ回路と、
前記高圧放電灯の管電圧を検出する管電圧検出器と、
前記管電圧検出器の検出電圧に基づいて、前記インバータ回路のスイッチング素子の駆動周波数を制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
当該高圧放電灯点灯装置の動作を開始した場合に、前記高圧放電灯の点灯周波数のシフトフラグを下げ方向にセットし、
前記高圧放電灯を点灯開始する際に初期の点灯周波数を予め非共鳴周波数と一致するように、前記インバータ回路の前記スイッチング素子の駆動周波数の制御を行なって点灯動作を開始させ、
前記高圧放電灯の点灯経過時間をカウント処理し、
前記点灯経過時間が所定値以上であるかどうかを判断し、前記点灯経過時間が所定値以上である場合には前記高圧放電灯が安定点灯時に達したと判断し、前記管電圧検出器の検出電圧を所定時間毎に読み込み、単位時間毎の電圧変化即ち微分値を算出し、
前記微分値が所定値以上であるかどうかを判断し、前記微分値が所定値以上である場合には前記高圧放電灯の発光管内の放電アークが湾曲し、音響共鳴現象を起こしたと判断し、前記点灯周波数を所定値だけ下降するように前記スイッチング素子の駆動周波数を変化させ、
前記点灯周波数が下限値であるかどうかを判断し、下限値である場合には前記点灯周波数が下限値に達したと判断し、前記点灯周波数のシフトフラグを上げ方向にセットし、前記管電圧検出器の検出電圧の前記微分値を算出し、前記微分値が所定値以上であれば前記点灯周波数を所定値だけ上昇させるように前記スイッチング素子の駆動周波数を変化させ、
前記点灯周波数が上限値であるかどうかを判断し、上限値である場合は、前記管電圧検出器の検出電圧の前記微分値が所定値以下に至らない状態で、前記点灯周波数が上限値に達したと判断して、前記高圧放電灯が異常であると判断して前記インバータ回路の動作を停止し、当該高圧放電灯点灯装置の動作を停止させることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
前記交直流電圧変換回路の出力電圧を検出する電圧検出器を備え、
前記制御回路は、
割り込み処理の動作を開始した場合に、前記高圧放電灯が安定に点灯維持するために必要な定格電力を確保させる上で、前記交直流電圧変換回路から出力される目標電圧を決定し、
前記点灯周波数が下降或いは上昇する際に前記交直流電圧変換回路の現時点の前記出力電圧を前記電圧検出器により読み込み、
前記交直流電圧変換回路の現時点の前記出力電圧が、前記点灯周波数の値に対応した目標電圧と比べて大きいかどうかを判断し、現時点の前記出力電圧が大きいと判断した場合に、前記交直流電圧変換回路の出力電圧を減少するように当該前記交直流電圧変換回路のスイッチング素子のＯＮデューティを小さくして、現時点の前記出力電圧を前記目標電圧の値に近づけ、
また、現時点の前記出力電圧が小さいと判断した場合に、前記交直流電圧変換回路の出力電圧を増大するように当該前記交直流電圧変換回路のスイッチング素子のＯＮデューティを大きくして、現時点の前記出力電圧を前記目標電圧の値に近づけることを特徴とする請求項１記載の高圧放電灯点灯装置。