JP4711817B2 - 放電灯点灯装置 - Google Patents

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関するものである。特に電力損失発生をなくし、省エネルギを実現するものに関する。

例えば、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、そのため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する。そこで放電灯点灯装置においては、インバータ回路の出力側に、バラストコイル、共振コンデンサ、そして放電灯からなる負荷回路と並列にフィラメント予熱用トランス（変圧器）を接続する。このフィラメント予熱用トランスの二次巻線には放電灯のフィラメントが接続されている。また、フィラメント予熱用トランスの一次巻線には直流カットコンデンサとスイッチ素子が直列に接続されている。電源投入時、スイッチ素子がオン状態となり、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る。予熱完了後放電灯は点灯を開始するが、このとき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一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する。これによってフィラメントによる電力損失を低減することができる（例えば、特許文献１参照）。

上述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する可能性がある。また、放電灯を外すときなど、過渡時における電圧ストレスからスイッチ素子が破壊される可能性もある。そのため、スイッチ素子は耐圧の大きなものを使用する必要がある。さらにスイッチ素子を保護する目的で保護用ダイオードを用いる必要がある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−３５１７９０号公報（第９頁、第１図） 特開２００４−１９３０７５号公報（第１０頁、第５図）

上述のような予熱電流を遮断してフィラメントの電力損失を低減する従来の回路方式の放電灯点灯装置では、予熱電流を遮断するためのスイッチ素子に耐圧の大きなものを使用する必要がある。さらに保護用ダイオードを設けなければならず、高コストとなる。また、フィラメント予熱用トランスが飽和状態となると回路に過大な電流が流れて回路を損傷する可能性がある。

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、低コストかつ簡単な回路構成でフィラメント電流を遮断でき、省エネルギを達成することができる放電灯点灯装置を得るものである。

本発明に係る放電灯点灯装置は、電源から供給される電力を高周波電力に変換し、接続された放電灯を点灯させるインバータ回路を用いた放電灯点灯装置において、バラストコイル及び共振コンデンサを有する負荷回路と直列に接続され、供給された高周波電力に基づいて二次巻線と接続された放電灯のフィラメントを予熱するための予熱電流を供給するフィラメント予熱用トランスと、フィラメント予熱用トランスの一次巻線と並列に接続され、開閉によりフィラメント予熱用トランスへの電力供給を制御するスイッチ素子と、スイッチ素子の開閉を制御して、放電灯を点灯させるときにはフィラメント予熱用トランスを介してフィラメントへ予熱電流を供給させ、放電灯の点灯後から消灯させるまでは、フィラメント予熱用トランスを介さない電力供給をさせてフィラメント間の電圧を制御する制御回路とを備えるものである。

この発明の放電灯点灯装置は、バラストコイル及び共振コンデンサを有する負荷回路と直列に接続されたフィラメント予熱用トランスの一次巻線にスイッチ素子を並列に接続し、放電灯のフィラメントを予熱する際はスイッチ素子を開き、フィラメント予熱用トランスに電力を供給してフィラメントを予熱し、放電灯を点灯させている間はスイッチ素子を閉じて、フィラメント予熱用トランスへの電力供給を遮断してフィラメントに予熱電流を供給しないように制御回路がスイッチ素子の開閉制御を行うようにしたので、簡単な回路構成で高効率、省エネルギーを達成する装置を提供することができる。また、放電灯が消灯するまでスイッチ素子をオフ状態にしないように制御回路が制御するようにすれば、オフ状態になった時に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するのを防ぐことができる。従って高耐圧のスイッチ素子を用いる必要がなく、さらに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。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における放電灯点灯装置の構成を示す図である。図１において、商用交流電源１、整流部２及び平滑コンデンサ３を介して、商用交流電源１は、ダイオードブリッジ等の整流部２で全波整流された後、平滑コンデンサ３で平滑化され、直流電源となる。直流電源による電力は、直流電源に接続されたスイッチング素子５ａ及び５ｂからなるハーフブリッジ型のインバータ回路５に入力され、高周波電力に変換される。さらに、インバータ回路５の出力側にバラストコイル６、放電灯７及び共振コンデンサ８からなる負荷回路とカップリングコンデンサ９とが接続されている。

ここで、本実施の形態では、負荷回路と直列にフィラメント予熱用トランス１２、フィラメント予熱用トランス１２の一次巻線と並列にスイッチ素子１３が接続されている。そして、放電灯７のフィラメント１０ａ及び１０ｂが、コンデンサ１１ａ及び１１ｂを介してそれぞれフィラメント予熱用トランス１２の二次巻線側と接続されている。また、スイッチング素子５ａ及び５ｂは例えばＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタで構成されており、各ゲート端子にはインバータ制御回路４が接続されている。また、スイッチ素子１３にもインバータ制御回路４が接続されている。インバータ制御回路４は、スイッチング素子５ａ及び５ｂ並びにスイッチ素子１３の動作制御を行うための回路である。ここで、インバータ制御回路４が開閉制御を行えるものであれば、スイッチ素子１３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、負荷回路とフィラメント予熱用トランス１２とを直列に接続し、また、フィラメント予熱用トランス１２と並列にスイッチ素子１３を接続して、スイッチ素子１３の開閉を制御することにより、フィラメント予熱時には、スイッチ素子１３を開いた状態（オフ状態）にしてフィラメント予熱用トランス１２に電流を供給し、フィラメント１０ａ及び１０ｂを予熱する。そして、放電灯７の点灯後には、スイッチ素子１３を閉じた状態（オン状態）にしてフィラメント予熱用トランス１２に電流を供給させないようにして、必要のない電力供給を行わず、電力損失をなくすものである。

次に図１の放電灯点灯装置の動作について説明する。商用電源投入により、商用交流電源１を整流部２で整流し、さらに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５のスイッチング素子５ａ、５ｂ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５ａ、５ｂのオン・オフ制御はインバータ制御回路４が行う。

放電灯７を点灯させる前にフィラメント１０ａ及び１０ｂを先行予熱する予熱モードが行われるが、このときインバータ制御回路４はスイッチ素子１３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１２の一次巻線にインバータ回路５からの電流（交流電流）が供給され、これによってトランス二次側に接続されたフィラメント１０ａ及び１０ｂにも予熱電流が供給され、予熱が行われる。

経過時間等によりフィラメント１０ａ及び１０ｂの予熱が完了したものと判断すると、インバータ制御回路４はフィラメント１０ａ及び１０ｂへの予熱電流供給を遮断するため、スイッチ素子１３をオン状態にする。フィラメント予熱用トランス１２の一次巻線にインバータ回路５からの電流（交流電流）が供給されないようにする。これによりフィラメント予熱用トランス１２の一次巻線にはインバータ回路５からの電流（交流電流）が供給されず、また、電圧もゼロとなり、二次巻線からも電流が供給されなくなり、予熱電流がゼロとなる。

インバータ制御回路４は、さらに放電灯７を点灯させるためにインバータ回路５を始動モードで制御する。始動モードとは、スイッチング素子５ａ、５ｂのオン・オフを制御し、インバータ回路５による高周波電圧の周波数を、バラストコイル６と共振コンデンサ８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５による周波数が共振周波数に近づくと、放電灯７のフィラメント１０ａと１０ｂとの間に高電圧が印加され、放電を開始して放電灯７が点灯する。点灯モードになると、放電灯７のフィラメント１０ａと１０ｂとの間で放電が行われる。

図２は電源投入からの一連の動作に関するタイムチャートを表す図である。図２（ａ）はインバータ制御回路４がスイッチ素子１３を制御するための制御信号、図２（ｂ）はフィラメント１０ａ及び１０ｂに供給する予熱電流、図２（ｃ）は放電灯７に印可される電圧、図２（ｄ）は放電灯７を流れる電流を表す。ここで、例えば図２（ａ）では始動モード直前にスイッチ素子１３がオン状態になるように制御しているが、放電灯７を点灯させた後にスイッチ素子１３をオンさせるようにしてもよい。

以上のように、インバータ回路５、負荷回路と直列にフィラメント予熱用トランス１２を設け、さらにフィラメント予熱用トランス１２と並列にスイッチ素子１３を設けて、フィラメント予熱用トランス１２への電力供給をスイッチ素子１３のオン・オフにより制御することによって、予熱モードの時だけにフィラメント予熱用トランス１２を介してフィラメント１０ａ及び１０ｂ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１２への電力供給を行わないようにしたので、簡単な回路構成で高効率、省エネルギーを達成する装置を提供することができる。また、放電灯７の点灯中はスイッチ素子１３をオン状態とし、消灯するまでターンオフしないようにインバータ制御回路４において制御するようにしたので、スイッチ素子１３のターンオフ時に、インダクタンス成分による従来のようなサージ電圧の発生がない。従って高耐圧のスイッチ素子１３を用いる必要がなく、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。

したがって、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、かつ低コスト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２における放電灯点灯装置の構成を示す図である。実施の形態１の図１と同様に、商用交流電源１に整流部２を介してスイッチング素子５ａ、５ｂからなるハーフブリッジ型のインバータ回路５が接続され、インバータ回路５の出力にバラストコイル６、ランプ７及び共振コンデンサ８からなる負荷回路とカップリングコンデンサ９が接続されている。

ここで、実施の形態２における放電灯点灯装置は、スイッチ素子１３は設けられておらず、また、可飽和コアを用いたフィラメント予熱用トランス１４（以下、フィラメント予熱用トランス１４という）を、フィラメント予熱用トランス１２の代わりに放電灯７を含む負荷回路と直列に接続している。そして、フィラメント予熱用トランス１４の二次巻線側に直流電源１５とスイッチ素子１６とを直列に接続した予熱電流抑制用巻線１７をさらに備えている。以上の点において実施の形態１の放電灯点灯装置とは異なる。また、実施の形態１と同様に、フィラメント予熱用トランス１４の二次巻線には放電灯７のフィラメント１０ａ、１０ｂがコンデンサ１１ａ、１１ｂを介して接続されている。スイッチング素子５ａ、５ｂのゲート端子とスイッチ素子１６にはインバータ制御回路４が接続されている。ここで、インバータ制御回路４はスイッチ素子１６についてもスイッチ素子１３と同じタイミングで制御するものとする。従って図２（ａ）と同様の制御信号で制御がなされる。

次に図３の放電灯点灯装置の動作について説明する。商用電源投入により、商用交流電源１を整流部２で整流し、さらに平滑されて供給される電力に基づいて、インバータ回路５のスイッチング素子５ａ、５ｂ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５ａ、５ｂのオン・オフ制御はインバータ制御回路４が行う。

放電灯７を点灯させる前にフィラメント１０ａ及び１０ｂを先行予熱する予熱モードが行われるが、このときインバータ制御回路４はスイッチ素子１３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１４の一次巻線にインバータ回路５からの電流（交流電流）が供給される。これによってトランス二次側に接続されたフィラメント１０ａ及び１０ｂにも予熱電流が供給され、予熱が行われる。一方、このときスイッチ素子１６はオフ状態であり、予熱電流抑制用巻線１７に電流は流れない。従ってトランス二次側に接続されたフィラメントに予熱電流が供給される。このときフィラメント予熱用トランス１４の可飽和コアは不飽和状態である。

経過時間等によりフィラメント１０ａ及び１０ｂの予熱が完了したものと判断すると、インバータ制御回路４はスイッチ素子１６をオン状態に制御する。これにより、直流電源１５により直流電流が予熱電流抑制用巻線１７に流れ、フィラメント予熱用トランス１４の可飽和コアが飽和状態となる。そのため、フィラメント予熱用トランス１４の二次巻線からも電流が供給されなくなり、予熱電流がゼロとなる。

インバータ制御回路４は、さらに放電灯７を点灯させるためにインバータ回路５を始動モードで制御する。始動モードとは、スイッチング素子５ａ、５ｂのオン・オフを制御し、インバータ回路５による高周波電圧の周波数を、バラストコイル６と共振コンデンサ８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５による周波数が共振周波数に近づくと、放電灯７のフィラメント１０ａと１０ｂとの間に高電圧が印加され、放電を開始して放電灯７が点灯する。点灯モードになると、放電灯７のフィラメント１０ａと１０ｂとの間で放電が行われる。ここで、例えば図２（ａ）では始動モード直前にスイッチ素子１６がオン状態になるように制御しているが、放電灯７を点灯させた後にスイッチ素子１６をオンさせるようにしてもよい。

以上のように、インバータ回路５、負荷回路と直列にフィラメント予熱用トランス１４を設け、さらに 直流電源１５、スイッチ素子１６及び予熱電流抑制用巻線１７からなる回路を形成し、インバータ制御回路４は、スイッチ素子１６をオン状態にして直流電源１５を流し、可飽和コアを飽和させて、フィラメント１０ａ及び１０ｂへの予熱電流の供給を遮断するようにしたので、簡単な回路構成で高効率、省エネルギーを達成する装置を提供することができる。また、予熱電流抑制用巻線１７に流す直流電流は微小電流でよいので、スイッチ素子１６は小容量のものでよい。従って高耐圧のスイッチ素子を用いる必要がなく、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。

したがって、実施の形態２の放電灯点灯装置は、高効率、省エネルギーを達成でき、かつ低コストを図ることができる。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３における放電灯点灯装置の構成を示す図である。実施の形態１の図１と同様に、商用交流電源１に整流部２を介してスイッチング素子５ａ、５ｂからなるハーフブリッジ型のインバータ回路５が接続され、インバータ回路５の出力にバラストコイル６、ランプ７及び共振コンデンサ８からなる負荷回路とカップリングコンデンサ９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、スイッチ素子１３としてトライアック１８を用いている。スイッチング素子５ａ、５ｂのゲート端子とトライアックのゲート端子にはインバータ制御回路４が接続されている。

次に図４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。経過時間等によりフィラメント１０ａ及び１０ｂの予熱が完了したものと判断すると、インバータ制御回路４はフィラメント１０ａ及び１０ｂへの予熱電流供給を遮断するため、トライアック１８をオン状態にする。フィラメント予熱用トランス１２の一次巻線にインバータ回路５からの電流（交流電流）が供給されないようにする。これによりフィラメント予熱用トランス１２の一次巻線にはインバータ回路５からの電流（交流電流）が供給されず、また、電圧もゼロとなり、二次巻線からも電流が供給されなくなり、予熱電流がゼロとなる。

フィラメント予熱用トランス１２と並列に接続するスイッチ素子としてトライアック１８を用い、トランス間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、トライアック１８を保護するための素子等を必要としないため、部品点数を少なくすることができる。ここで、トライアック１８は双方向スイッチとなる素子であるが、自己消弧形の素子ではないため、自らターンオフすることができない。しかしながら、一旦オン状態となると、トランス一次巻線短絡により常時オン状態であるためターンオフする必要がない。従ってフィラメント予熱用トランス１２と並列に接続するスイッチ用素子としてトライアック１８を用いることができる。

実施の形態４．
上述の実施の形態では、インバータ制御回路４がインバータ回路５の動作タイミング制御とスイッチ素子１３、１６の動作タイミング制御を行っていたが、これに限定するものではなく、スイッチ素子１３、１６を独立した制御回路で制御してもよい。

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。 実施の形態における放電灯点灯装置の動作に基づくタイムチャートである。 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。

符号の説明

１ 商用交流電源、２ 整流部、３ 平滑コンデンサ、４ インバータ制御回路、５ インバータ回路、５ａ，５ｂ スイッチング素子、６ バラストコイル、７ 放電灯、８ 共振コンデンサ、９ カップリングコンデンサ、１０ フィラメント、１１ａ，１１ｂ コンデンサ、１２ フィラメント予熱用トランス、１３ スイッチ素子、１４ フィラメント予熱用トランス、１５ 直流電源、１６ スイッチ素子、１７ 予熱電流抑制用巻線、１８ トライアック。

Claims (3)

1. 電源から供給される電力を高周波電力に変換し、接続された放電灯を点灯させるインバータ回路を用いた放電灯点灯装置において、
   バラストコイル及び共振コンデンサを有する負荷回路と直列に接続され、供給された前記高周波電力に基づいて二次巻線と接続された前記放電灯のフィラメントを予熱するための予熱電流を供給するフィラメント予熱用トランスと、
   該フィラメント予熱用トランスの一次巻線と並列に接続され、開閉により前記フィラメント予熱用トランスへの電力供給を制御するスイッチ素子と、
   該スイッチ素子の開閉を制御して、前記放電灯を点灯させるときには前記フィラメント予熱用トランスを介して前記フィラメントへ予熱電流を供給させ、前記放電灯の点灯後から消灯させるまでは、前記フィラメント予熱用トランスを介さない電力供給をさせて前記フィラメント間の電圧を制御する制御回路と
   を備えることを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 前記スイッチ素子をトライアックで構成することを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
3. 電源から供給される電力を高周波電力に変換し、接続された放電灯を点灯させるインバータ回路を用いた放電灯点灯装置において、
   バラストコイル及び共振コンデンサを有する負荷回路と直列に接続され、供給された高周波電力に基づいて二次巻線と接続された前記放電灯のフィラメントを予熱するための予熱電流を供給する可飽和コアを有するフィラメント予熱用トランスと、
   該フィラメント予熱用トランスの二次巻線側に設けられ、直流電源から供給される電力により前記可飽和コアを飽和させて前記フィラメント予熱用トランスの前記フィラメントへの予熱電流供給を抑制させる予熱電流抑制用巻線と、
   該予熱電流抑制用巻線への直流電力供給を制御するスイッチ素子と、
   該スイッチ素子を制御して、前記放電灯を点灯させるときには前記フィラメント予熱用トランスを介して前記フィラメントへ予熱電流を供給させ、前記放電灯の点灯後から消灯させるまでは、前記フィラメント予熱用トランスを介さない電力供給をさせて前記フィラメント間の電圧を制御する制御回路と
   を備えることを特徴とする放電灯点灯装置。

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