JP4754575B2 - 蛍光灯の駆動方法およびこの方法を実施するためのバラストスタビライザ回路 - Google Patents

Description

本発明は、蛍光灯を駆動する方法、およびこの方法を実施するためのバラストスタビライザ（ｂａｌｌａｓｔ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒ）回路に関し、特に、加熱兼放電タイプの蛍光灯において、入力ＡＣ電力の位相を電圧の大きさに応じて分割すると共に、この分割した電圧の低電圧部分を、フィラメントを加熱する加熱電力として使用し、かつその分割した電圧の高電圧部分を、蛍光管の放電電圧として利用することによって、蛍光灯を長寿命化させ、蛍光管の照度を向上させると共に、電力変換の必要性をなくして電力の使用効率を改善する蛍光灯の駆動方法、およびこの方法を実施するためのバラストスタビライザ回路に関する。

一般的に、蛍光灯は、一般の白熱ランプと比較して、電力消費が低く輝度が非常に高いため、家庭またはオフィスにおいて最も日常的に用いられている照明機器である。蛍光灯は一種の放電ランプである。蛍光灯の蛍光管内の電極（フィラメント）に高電圧を印加することにより放電を発生させると、多数の電子が放出され、蛍光管の内面に塗布した蛍光物質に吸収されて、蛍光物質が光を放射し、したがって蛍光灯が固有の輝度を呈するようになる。

一般的な予熱タイプの蛍光灯は、図１に示すように、チョーク変圧器１０と、グロースタートランプ（以下、スタータランプと称する）２０と、蛍光管３０とを具えている。フィラメント３２、すなわち蛍光管３０の電極は電子放出物質でコーティングされ、電極は、この電子放出物質を活性化するまで加熱しなければならない。電力スイッチをターンオンさせると、スタータランプ２０は、管が放電による光を放つまでフィラメントを予熱して、蛍光灯をターンオンする。チョーク変圧器１０は、放電に必要な高電圧を発生させるためのデバイスである。

蛍光灯をターンオンさせる一般的な方法では、ユーザが灯りのスイッチをターンオンすると、電力供給線の一方がチョーク変圧器１０を経てスタータランプ２０に接続され、そして電力供給線の他方が、蛍光管３０の両側に形成されたフィラメント３２を経てスタータランプ２０に接続されるので、電圧供給時にスタータランプ２０の両側に電圧が与えられる。スタータランプ２０に電圧が印加されると、スタータランプ２０はターンオンする。この時、スタータランプ２０内部に形成されているバイメタルリード２２が、スタータランプ２０のターンオンにより発生する熱のため物理的に変形するので、スタータランプ２０の両側は短絡される。スタータランプ２０の両側が短絡されると、チョーク変圧器１０を経て蛍光管３０の両側のフィラメントに電圧が印加される。蛍光管３０の両側に電圧が印加されると、蛍光管３０の両側に形成されているフィラメントが加熱される。したがって、スタータランプ２０に供給される電力が減少するので、スタータランプ２０は放電を発生するのを止めて、ターンオフする。スタータランプ２０のターンオフによりフィラメントの加熱が停止され、したがってスタータランプ２０内部に形成されているバイメタルリード２２が変形するので、スタータランプ２０の両側は、回路観点から見ると互いに切断される。スタータランプ２０の両側が回路観点から見て互いに切断されると、フィラメント３２を経てスタータランプ２０に流れる電流の供給が止まるので、２つのフィラメント３２間に高電圧が誘起される。蛍光管３０は、２つのフィラメント３２間に誘起される電圧により放電を発生し始め、そして多数の電子を放出する。蛍光管の内面に塗布されている蛍光物質に電子が吸収されると、蛍光管３０は光を放射する。

蛍光管３０が光を放射すると、スタータランプ２０に供給される電力が減少して、スタータランプ２０は放電を発生しなくなるため、初期状態を維持する。

放電タイプのスタータランプ２０を用いる蛍光灯を点灯する方法には、温度変化および入力電圧に応じてスタータランプの動作が変動すること、スタータランプの生産品質間の差およびスタータランプの使用期間に起因する不安定な動作によって生じる電力の不安定な供給のために蛍光管３０の寿命が短くなること、およびチョーク変圧器１０を使用して電圧を変換する方法を用いるため電力の使用効率が低くなること、という不都合な点がある。

上記の課題を解決するために、電気回路から成る電子バラストスタビライザが発明されている。図２に示すように、電子バラストスタビライザは、整流ユニット５０から受電したＡＣ電力をＤＣ電力に変換し、この変換したＤＣ電力を、発振ユニット６０により３０ＫＨｚ〜１００ＫＨｚで発振させ、この発振したＤＣ電力を、切替ユニット７０を用いて、電圧変換用の変圧器８０の一次コイルに向けて切り替える。変圧器８０の二次コイルは、一次コイルから誘起された電圧を用いて蛍光管９０のフィラメントを加熱しながら、電流制限された高電圧を蛍光管９０の両側に印加することによって放電を発生させて、蛍光管９０をターンオンさせる。

上述した電子バラストスタビライザは、電力の変換およびスイッチングを利用している。電子バラストスタビライザは、放電タイプのスタータランプを使用する方法に比べて、優れた電力効率を有している。しかしながら、電力変換をするためにやはり電力効率が低下すること、スイッチングユニットのコンポーネントが高価であること、そのコンポーネントが大量の熱を放射すること、およびそのコンポーネントの小型化が困難であるため、バラストスタビライザ回路の小型化が容易でなく、したがって経済効率の低下を招くこと、という不都合な点がある。

したがって、本発明は、従来技術にて生じている上述の課題を鑑みて成したものであり、本発明の第一の目的は、入力ＡＣ電力の位相を電圧の大きさに応じて分割すると共に、この分割した電圧の低電圧部分を、フィラメントを加熱する加熱電力として用い、かつその分割した電圧の高電圧部分を、蛍光管の放電電圧として利用することによって、蛍光灯を長寿命化させ、蛍光管の照度を向上させると共に、電力変換の必要性をなくして電力の使用効率を向上させるようにする、蛍光灯の駆動方法を提供することにある。

本発明の第二の目的は、その方法を実施するためのバラストスタビライザ回路を提供することにある。

第一の目的を達成するために、本発明による蛍光灯の駆動方法は、商用ＡＣ電力を受電して全波整流するステップと、全波整流したＡＣ電力の位相を電圧の大きさに応じて分割して、低位相を有する分割した電圧の低電圧部分を蛍光管のフィラメントを加熱する加熱電力として直接利用すると共に、高位相を有する分割した電圧の高電圧部分を蛍光管の放電電圧として電圧変換せずに直接利用するようにスイッチング制御を行うステップと、低位相を有する低電圧部分を、蛍光管のフィラメントを加熱する加熱電力としてスイッチオンするステップと、高位相を有する高電圧部分を、蛍光管の点灯電力としてスイッチオンするステップと、を具えるようにする。

さらに、前記第二の目的を達成するために、本発明によるバラストスタビライザ回路は、複数のダイオードを有して、入力商用ＡＣ電力を全波整流するように構成した整流ユニットと、該整流ユニットにより全波整流したＡＣ電力を受電し、該ＡＣ電力の大きさを電圧の位相に応じて分割し、低位相を有する分割した電圧の低電圧部分を、蛍光管のフィラメントを加熱する加熱電力として利用すると共に、高位相を有する分割した電圧の高電圧部分を蛍光管の放電電圧として利用するようにスイッチング制御を行うように構成した電圧切替制御ユニットと、該電圧切替制御ユニットの出力端に接続され、電圧切替制御ユニットの出力信号に応答して蛍光管のフィラメントを加熱する加熱電力をスイッチオンおよびオフするように構成した低電圧切替ユニットと、前記電圧切替制御ユニットの出力端に接続され、高電圧部分のパルス幅変調を行ってから蛍光管の照明電力を供給することにより、電圧切替制御ユニットの出力信号に応答して蛍光管の放電用電力をスイッチオンさせるパルス幅変調（ＰＷＭ）回路を形成するように構成した高電圧切替ユニットと、を具えるようにする。

本発明は、低電力用のトランジスタおよび抵抗のみから構成されるため、回路の集積化が可能である。

以下、本発明の好適実施例を添付の図面を参照して説明する。

図３は、本発明による蛍光灯を駆動する方法を説明するブロック図であり、図４は、本発明の一実施例による蛍光灯のバラストスタビライザ回路の構成および動作を説明する回路図であり、図５は、蛍光灯のバラストスタビライザ回路の動作波形を説明する波形図である。

本発明による蛍光灯を駆動する方法は、交流（ＡＣ）電力を直接供給する方法を用いるので、電子回路を用いる従来の電子バラストスタビライザと異なり、ＡＣ電力の電圧変換を行わないため電圧変換による電力損失が回避される。すなわち、図３に示すように、ダイオードＤ１〜Ｄ４を含む整流ユニット１１０は、電源ユニットから供給される商用ＡＣ電力を全波整流する。整流ユニット１１０により全波整流したＡＣ電力の位相を電圧の大きさに応じて分割してから、低位相を有する分割した電圧の低電圧部分を蛍光管１００のフィラメント１０２を加熱する加熱電力として利用すると共に、高位相を有する分割した電圧の高電圧部分を蛍光管１００の放電電圧として利用するようにスイッチング制御を行う電圧切替制御ユニット１２０を、整流ユニット１１０の出力側に形成する。

電圧切替制御ユニット１２０の出力信号に応答して蛍光管１００のフィラメント１０２を加熱する加熱電力をスイッチオンおよびオフする低電圧切替ユニット１３０と、電圧切替制御ユニット１２０の出力信号に応答して蛍光管１００の放電用電力をスイッチオンおよびオフする高電圧切替ユニット１４０とを、電圧切替制御ユニット１２０の出力側に設ける。

本例では、高電圧切替ユニット１４０は、蛍光管１００をスイッチオンした後に、高電圧部分をパルス幅変調してから蛍光管１００の照明電力を与える適切な電力を供給するパルス幅変調（ＰＷＭ）回路１４２を有している。

本発明による蛍光灯を駆動する方法では、高電圧切替ユニット１４０に、蛍光管１００の放電量を検出する負帰還回路（図示せず）をさらに設けて、蛍光管１００の放電量を検出すると共に、検出した放電量に従って出力電力を制御することにより、輝度を一定の出力に調整し、かつ低電圧切替ユニット１３０を制御することによって、フィラメント１０２に供給される加熱電力の大きさを制御する。

本発明による蛍光灯を駆動する上述の方法では、１１０Ｖまたは２２０Ｖの商用ＡＣ電力を入力し、このＡＣ電力を整流ユニット１１０により全波整流し、電圧切替制御ユニット１２０を介して、全波整流した波形（脈動波形）が高位相を有する電圧波形の高電圧部分と低位相を有する電圧波形の低電圧部分とに分割されるようにスイッチングを制御する。

即ち、図５の波形図に示すように、電圧切替制御ユニット１２０は、供給されるＡＣ電力の電圧位相の低電圧部分、即ち、部分Ｃが印加される期間中、低電圧切替ユニット１３０を動作させて、スイッチＡおよびＢをターンオンしてから、蛍光管１００の両側に位置付けたフィラメント１０２を加熱する加熱電力をスイッチオンする。

電圧切替制御ユニット１２０は、図５の波形図の印加されるＡＣ電力の電圧位相の高電圧部分、即ち、部分Ｄが印加される期間中、高電圧切替ユニット１４０を動作させて、スイッチングパルスをＰＷＭ回路１４２に供給して、蛍光管１００をターンオンさせる。

即ち、本発明による蛍光灯を駆動する方法は、入力の商用ＡＣ電力の位相を高位相電圧（高電圧）部分と低位相電圧（低電圧）部分とに分け、低電圧部分、即ち部分Ｃを、蛍光管１００のフィラメント１０２を加熱するのに用い、高電圧部分、即ち部分Ｄを、蛍光管１００を点灯させる点灯電力として用いるので、ＡＣ電力は、このＡＣ電力を変圧することなく直接のスイッチング動作により直接供給されるため、電力損失の原因が除去されて、電力の使用効率が改善される。

本発明による蛍光灯を駆動する方法は、図４のバラストスタビライザ回路を用いることで実施することができる。以下、図４の構成および動作について説明する。商用ＡＣ電力が供給されると、ダイオードＤ１〜Ｄ４を含む整流ユニット１１０は、供給された商用ＡＣ電力を全波整流し、全波整流した波形（脈動波形）を回路に供給する。４つのダイオードＤ１〜Ｄ４を含む整流ユニット１１０内部に電圧切替制御ユニット１２０を形成する。４つのダイオードＤ１〜Ｄ４を含む整流ユニット１１０内部の電圧切替制御ユニット１２０では、全波整流した電力を抵抗比に基づいて分割する抵抗Ｒ１およびＲ２を互いに直列接続し、抵抗Ｒ１とＲ２との間で線を分岐して、第１トランジスタＱ１のベース端子に接続する。第１トランジスタＱ１のコレクタ端子は抵抗Ｒ３を介して整流ユニット１１０に接続し、第１トランジスタＱ１のエミッタ端子も整流ユニット１１０に接続する。第１トランジスタＱ１のコレクタ端子は、抵抗Ｒ４を介して第２トランジスタＱ２のベース端子にも接続する。第２トランジスタＱ２のコレクタ端子は第３トランジスタＱ３のベース端子に接続し、第２トランジスタＱ２のエミッタ端子は整流ユニット１１０に接続する。

低電圧切替ユニット１３０および高電圧切替ユニット１４０は、電圧切替制御ユニット１２０の第３トランジスタＱ３のコレクタ端子に接続する。低電圧切替ユニット１３０は、ベース端子がダイオードＤ６および抵抗Ｒ８と、ダイオードＤ７および抵抗Ｒ７とを経てそれぞれ第３トランジスタＱ３のコレクタ端子に接続されると共に、蛍光管１００のフィラメント１０２を加熱する加熱電力をスイッチオンおよびオフする、第５トランジスタＱ５および第６トランジスタＱ６を用いて形成される

さらに、高電圧切替ユニット１４０は、抵抗Ｒ６を介してベース端子を電圧切替制御ユニット１２０の第３トランジスタＱ３のコレクタ端子に接続した第４トランジスタＱ４と、第４トランジスタＱ４のコレクタ端子に接続し、第４トランジスタＱ４の動作に応答して入力電力をパルス幅変調すると共に蛍光管１００の点灯電力を付与するように構成したＰＷＭ回路１４２と、を有している。ＰＷＭ回路１４２は典型的な構造を有するため、その図示および説明は省略する。

本発明による蛍光灯を駆動する方法を実施するための上述したバラストスタビライザ回路の動作においては、入力商用ＡＣ電力は、整流ユニット１１０を構成する４つのダイオードＤ１〜Ｄ４によって全波整流される。全波調整された電力電圧は、電圧切替制御ユニット１２０の、互いに直列に接続した抵抗Ｒ１およびＲ２の抵抗比、および電力電圧の位相に基づいて分割される。

図５に図示したように、整流ユニット１１０により全波整流された電力電圧の位相は、時間軸に沿って連続的に変化する。電圧切替制御ユニット１２０の抵抗Ｒ１およびＲ２は、その抵抗比に基づいて、商用ＡＣ電力の位相を、高位相電圧（高電圧）部分と低位相電圧（低電圧）部分とに分割する。

すなわち、電圧切替制御ユニット１２０の抵抗Ｒ１およびＲ２は、抵抗比に基づいて全波整流される電力の位相の大きさが予め定めた電圧値を超える期間中のみ、第１トランジスタＱ１をオンにする。

したがって、図５に示したように、部分Ｃ、即ち、全波整流された電力の位相が予め定めた電圧値未満である低電圧部分では、電圧切替制御ユニット１２０の第１トランジスタＱ１はオフにされるため、電力は抵抗Ｒ３およびＲ４を介して第２トランジスタＱ２のベース端子に付与されて、第２トランジスタＱ２をオンにする。さらに、電力は抵抗Ｒ５を介して第３トランジスタＱ３のベース端子に付与されて、第３トランジスタＱ３をオンにする。この結果、電力はダイオードＤ６およびＤ７Ｒ５を介して第５および第６トランジスタＱ５およびＱ６のベース端子に付与されて、第５および第６トランジスタＱ５およびＱ６をオンにするので、全波整流された電力の低位相電圧は、蛍光管１００の両側でフィラメント１０２に付与されて、蛍光管１００のフィラメント１０２を加熱する。

この時、電力は、高電圧切替ユニット１４０を構成する第４トランジスタＱ４のベース端子にも付与されて、第４トランジスタＱ４をオンにする。したがって、蛍光管１００の点灯電力を付与するＰＷＭ回路１４２には、スイッチングパルスは印加されないため、低位相を有する低電圧部分だけがフィラメント１０２の加熱電力として蛍光管１００に付与される。

予め定めた時間の後、図５に示すように、部分Ｄ、即ち全波整流された電力の位相が予め定めた電圧値より大きい高電圧部分の期間中、電圧切替制御ユニット１２０の第１トランジスタＱ１はオンになるので、第２トランジスタＱ２および第３トランジスタＱ３はオフになる。したがって、低電圧切替ユニット１３０を構成する第５および第６トランジスタＱ５およびＱ６はオフになるので、低電圧切替ユニット１３０は動作しない。さらに、高電圧切替ユニット１４０を構成する第４トランジスタＱ４がオフになるので、スイッチングパルスは蛍光管１００の点灯電力を付与するＰＷＭ回路１４２に付与される。この後、ＰＷＭ回路１４２によってパルス幅変調される信号は抵抗Ｒ６を経て第６トランジスタＱ６のベース端子に供給されるので、パルス幅変調した高電圧が蛍光管１００の両側に印加され、蛍光管１００の点灯電力として用いられる。

本発明によるバラストスタビライザ回路では、第６トランジスタＱ６を２つのトランジスタ（図示せず）に分割して、一方のトランジスタが蛍光管１００のフィラメントを加熱する電力をスイッチオンおよびオフするように、そして他方のトランジスタが蛍光管１００をオンにする高電圧をスイッチオンおよびオフするようにすると共に、蛍光管１００をオンにする高電圧をスイッチオンおよびオフする前記他方のトランジスタのエミッタ端子に抵抗（図示せず）を設けることにより、負帰還回路を構成して、蛍光管１００をオンにする高電圧をスイッチオンおよびオフする前記他方のトランジスタが動作して、高電圧によりオンにすることが実行される際には、前記抵抗を流れる電流を検出し、次いでフィラメント１０２を加熱する電力をスイッチオンおよびオフする前記一方のトランジスタに付与される電力を低減させるようにするのが好適である。

本発明による蛍光灯を駆動する方法は、蛍光管１００の初期放電時には、低電圧部分を付与することによって所望のように蛍光管１００のフィラメント１０２が加熱されるようにすると共に、放電開始後は、熱電子の放出を促すために最小限に加熱するように制御を行う。

上述のように、本発明は、入力ＡＣ電力の位相を電圧の大きさに従って分割し、分割された電圧の低電圧部分を、フィラメントを加熱する加熱電力として利用し、分割された電圧の高電圧部分を、蛍光管の放電電圧として利用することによって、蛍光灯を長寿命化させ、蛍光管の照度を向上させ、電力変換の必要をなくすことで電力使用効率を向上させる。

以上、本発明の好適実施例について添付の図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、当業者であれば、この実施例を変形および変更することが可能である。

一般的な蛍光灯を点灯させる方法を説明する構成図である。 一般的なバラストスタビライザの動作を説明する図である。 本発明による蛍光灯を駆動する方法を説明するブロック図である。 本発明の一実施例による蛍光灯のバラストスタビライザ回路の構成および作動を説明する回路図である。 本発明による蛍光灯のバラストスタビライザ回路の動作波形を説明する波形図である。

Claims (5)

1. ダイオード（Ｄ１〜Ｄ４）を具え、入力商用ＡＣ電力を全波整流するよう構成した整流ユニット（１１０）と、
   該整流ユニット（１１０）によって全波整流したＡＣ電力を受電し、該ＡＣ電力の大きさを電圧の位相に応じて分割し、低位相を有する分割した電圧の低電圧部分を、蛍光管（１００）のフィラメント（１０２）を加熱する加熱電力として用いると共に、高位相を有する分割した電圧の高電圧部分を、蛍光管（１００）の放電電圧として用いるようにスイッチング制御を行う電圧切替制御ユニット（１２０）と、
   該電圧切替制御ユニット（１２０）の出力端に接続され、前記電圧切替制御ユニット（１２０）の出力信号に応答して、蛍光管（１００）のフィラメント（１０２）を加熱する加熱電力をスイッチオンおよびオフするように構成した低電圧切替ユニット（１３０）と、
   前記電圧切替制御ユニット（１２０）の出力端に接続され、前記高電圧部分をパルス幅変調してから前記蛍光管（１００）の点灯電力を供給して、前記電圧切替制御ユニット（１２０）の出力信号に応答して、前記蛍光管（１００）の放電用電力をスイッチオンさせるパルス幅変調（ＰＷＭ）回路（１４２）を形成するように構成した高電圧切替ユニット（１４０）と、
   を具えているバラストスタビライザ回路であって、
   前記電圧切替制御ユニット（１２０）は、前記整流ユニット（１１０）の内部に、直列に接続されて、抵抗比に基づいて電圧の大きさを全波整流電力の位相に従って分割するように構成した抵抗（Ｒ１およびＲ２）と、前記抵抗（Ｒ１およびＲ２）の接続点にベース端子を接続し、抵抗（Ｒ３）を介して前記整流ユニット（１１０）にコレクタ端子を接続すると共に、前記整流ユニット（１１０）にエミッタ端子も接続した第１トランジスタ（Ｑ１）と、第１トランジスタ（Ｑ１）のコレクタ端子に、抵抗（Ｒ４）を介してベース端子を接続すると共に、整流ユニット（１１０）にエミッタ端子を接続した第２トランジスタ（Ｑ２）と、第２トランジスタ（Ｑ２）のコレクタ端子にベース端子を接続すると共に、低電圧切替ユニット（１３０）および高電圧切替ユニット（１４０）にコレクタ端子を接続した第３トランジスタ（Ｑ３）と、を具えたバラストスタビライザ回路。
2. 前記高電圧切替ユニット（１４０）の出力側に位置付けられ、前記蛍光管（１００）の放電の量を検出すると共に前記検出した放電の量に応じて出力電力を制御することにより、輝度を一定の出力に調整し、かつ前記低電圧切替ユニット（１３０）を制御することにより前記フィラメント（１０２）に印加される加熱電力の大きさを制御するように構成した負帰還回路（図示せず）をさらに具えている、請求項１に記載のバラストスタビライザ回路。
3. 前記第６トランジスタ（Ｑ６）を２つの別個のトランジスタ（図示せず）に分割し、一方のトランジスタは前記蛍光管（１００）のフィラメントを加熱する電力をスイッチオンおよびオフし、他方のトランジスタは前記蛍光管（１００）をターンオンするための高電圧をスイッチオンおよびオフすると共に、前記蛍光管（１００）をターンオンする高電圧をスイッチオンおよびオフする前記他方のトランジスタのエミッタ端子に抵抗（図示せず）を設けることにより負帰還回路を構成することで、前記蛍光管（１００）をターンオンする際に、前記抵抗を流れる電流を検出して、前記フィラメント（１０２）を加熱する電力をスイッチオンおよびオフする前記一方のトランジスタに供給される電力を低減させるようにした、請求項２に記載のバラストスタビライザ回路。
4. 前記低電圧切替ユニット（１３０）は、ダイオード（Ｄ６およびＤ７）ならびに抵抗（Ｒ７およびＲ８）を介して第３トランジスタ（Ｑ３）のコレクタ端子にベース端子を接続すると共に、前記蛍光管（１００）の前記フィラメント（１０２）を加熱する加熱電力をスイッチオンおよびオフする第５トランジスタ（Ｑ５）および第６トランジスタ（Ｑ６）を具えている、請求項１に記載のバラストスタビライザ回路。
5. 前記高電圧切替ユニット（１４０）は、抵抗（Ｒ６）を介して電圧切替制御ユニット（１２０）の第３トランジスタ（Ｑ３）のコレクタ端子にベース端子を接続した第４トランジスタ（Ｑ４）と、該第４トランジスタ（Ｑ４）のコレクタ端子に接続して、前記第４トランジスタ（Ｑ４）の動作に応答して入力電力をパルス幅変調すると共に前記蛍光管（１００）の照明電力を供給するように構成したＰＷＭ回路（１４２）と、を具えている請求項１に記載のバラストスタビライザ回路。

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