JP5029199B2 - 放電ランプ点灯装置 - Google Patents

Description

この発明は、水銀ランプやキセノンランプといった放電ランプを点灯させる放電ランプ点灯装置に関するものである。

水銀ランプやキセノンランプといった高圧放電ランプは、高圧パルス電圧が印加されると、ランプ内部の電極間の絶縁破壊が起こり、陰極から陽極に熱電子が発射され、細い放電路が形成され放電が開始し、続いて適正な電圧が印加され電流が供給されると放電過渡状態のグロー放電を経て定常状態のアーク放電に移行する。このような点灯動作を行わせるために放電ランプ点灯装置は、放電始動時に高電圧を発生させる回路を備えている。

従来、定常時に印加される直流電圧（５００〜１５００Ｖ）に、１０００〜３０００Ｖのパルス電圧を重畳させた始動電圧を放電ランプに印加して点灯させる放電ランプ点灯装置が特許文献１，２に開示されている。

図１は特許文献１に示されている放電ランプ点灯装置の回路図である。また図２は特許文献２に示されている放電ランプ点灯装置の回路図である。但し、後に示すこの発明の実施形態との対比を容易にするために、いずれも符号などを付け替えて表している。

図１において、チョッパ回路１１の出力には、その出力電圧を充電するコンデンサＣ１１および抵抗Ｒ１１からなる充電回路が備えられ、コンデンサＣ１１の放電経路にトランスＴ１１の１次巻線Ｎ１とスイッチ回路Ｑ１１が直列に接続されている。すなわちコンデンサＣ１１の放電電流がトランスＴ１１の１次巻線Ｎ１およびスイッチ回路Ｑ１１を介して流れるように回路が接続されている。トランスＴ１１の２次巻線Ｎ２には昇圧出力コンデンサＣ１２を介して放電ランプ１３が接続されている。またチョッパ回路１１の出力と放電ランプ１３との間にはダイオードＤ１１が接続されている。

チョッパ回路１１は所定の直流電圧を発生し、その電圧が抵抗Ｒ１１を介してコンデンサＣ１１に充電される。スイッチ回路Ｑ１１がオンするとコンデンサＣ１１の充電電荷がトランスＴ１１の１次巻線Ｎ１を経由して放電されることにより、パルス電圧がトランスＴ１１の２次巻線Ｎ２に発生する。トランスＴ１１の２次巻線Ｎ２に発生した高電圧パルスは、チョッパ回路１１→ダイオードＤ１１→昇圧出力コンデンサＣ１２の経路で、昇圧出力コンデンサＣ１２に充電され、その電圧が所定電圧まで上昇して放電ランプ１３が点灯を開始した後はチョッパ回路１１の出力電圧がダイオードＤ１１を介して放電ランプ１３に供給されることになる。

一方、図２において、チョッパ回路２１の出力には、その出力電圧を充電するコンデンサＣ２１および抵抗Ｒ２１からなる充電回路が備えられ、コンデンサＣ２１の放電経路にトランスＴ２１の１次巻線Ｎ１とスイッチ回路Ｑ２１が直列に接続されている。すなわちコンデンサＣ２１の放電電流がトランスＴ２１の１次巻線Ｎ１およびスイッチ回路Ｑ２１を介して流れるように回路が接続されている。チョッパ回路２１の出力とトランスＴ２１の２次巻線Ｎ２の一端との間にはダイオードＤ２１が接続され、２次巻線Ｎ２の他端にはコンデンサＣ２２が接続されている。また、２次巻線Ｎ２とコンデンサＣ２２との接続点には３次巻線Ｎ３の一端が接続され、３次巻線Ｎ３の他端に放電ランプ２３が接続されている。チョッパ回路２１の出力と３次巻線Ｎ３の一端との間にはダイオードＤ２２が接続されている。

このような回路により、チョッパ回路２１は所定の直流電圧を発生し、その電圧が抵抗Ｒ２１を介してコンデンサＣ２１に充電される。スイッチ回路Ｑ２１がオンするとコンデンサＣ２１の充電電荷がトランスＴ２１の１次巻線Ｎ１を経由して放電されることにより、パルス電圧がトランスＴ２１の２次巻線Ｎ２に発生する。この２次巻線Ｎ２に発生した高電圧パルスはコンデンサＣ２２に充電され、その充電電圧が所定電圧に達して放電ランプ２３が点灯を開始すると、チョッパ回路２１の出力電圧がダイオード２２およびトランスＴ２１の３次巻線Ｎ３を介して放電ランプ２３に供給されることになる。
特開２００２−２３１４７３号公報 特開２００５−４９８０号公報

ところが図１に示した特許文献１の放電ランプ点灯装置では、点灯後の定常状態ではチョッパ回路１１の出力電圧がダイオードＤ１１を介してそのまま放電ランプ１３に供給されるようになるので、チョッパ回路１１の出力電圧に含まれるリップル電圧の影響をそのまま受けて放電ランプ１３にリップル電流が流れてしまう。その結果、ＥＭＩ（電磁気妨害）が発生するという問題が生じる。このようなリップルを低減するためには、例えば図１においてダイオードＤ１１と放電ランプ１３との間にチョ−クコイル等のインダクタを設けなければならない。

一方、図２に示した特許文献２の放電ランプ点灯装置では、点灯後の定常状態においてチョッパ回路２１の出力電流がダイオードＤ２２→３次巻線Ｎ３→放電ランプ２３の経路で流れるので、トランスＴ２１の３次巻線Ｎ３が出力リップル電流低減のためのノーマルモードコイルとして作用し、上述の問題が生じない。しかし、用いるトランスに３次巻線を必要とするので、全体に大型化しコスト高になるという問題が生じる。

そこで、この発明の目的は、トランスを大型化することなく出力リップル電流の低減を図った放電ランプ点灯装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明は次のように構成する。
（１）入力電源の電圧を所定電圧に変換するチョッパ回路と、
該チョッパ回路の出力電圧を基にパルス状高電圧を発生させて放電ランプに印加する高電圧発生回路と、備えた放電ランプ点灯装置において、
前記高電圧発生回路は、前記チョッパ回路の出力電圧を基にパルス電圧を発生するパルス電圧発生回路と、前記パルス電圧を入力して高電圧を発生するトランスとを備え、
前記パルス電圧発生回路は、前記チョッパ回路の出力電圧を充電する第１のコンデンサを含む充電回路と、前記第１のコンデンサの放電経路に接続された前記トランスの１次巻線およびスイッチ回路とで構成され、
前記チョッパ回路の出力と前記放電ランプとの間に、前記チョッパ回路の出力電圧の極性で順方向に第１のダイオードが接続され、前記トランスの２次巻線と第２のコンデンサとからなる直列回路が前記第１のダイオードに対して並列に接続され、
前記トランスの２次巻線の一端と前記第２のコンデンサとの接続点と、前記チョッパ回路の出力との間に、前記チョッパ回路の出力電圧の極性で順方向に第２のダイオードが接続され、
前記トランスの２次巻線の他端と前記第１のダイオードとの接続点に前記放電ランプが接続されることを特徴とする。

（２）前記スイッチ回路は例えば双方向２端子サイリスタとする。

（３）前記第２のダイオード（Ｄ２）に代えて、前記放電ランプの点灯後に導通する半導体スイッチを設けてもよい。

（４）また第２のダイオード（Ｄ２）に代えて、前記放電ランプの点灯後に導通状態となるメカニカルスイッチを設けてもよい。

（１）チョッパ回路の出力電圧が第１のコンデンサ（Ｃ１）に充電され、スイッチ回路（Ｑ１）がオンすると、（チョッパ回路の出力電圧が正極性である場合を例にすると、）トランス（Ｔ１）の２次巻線（Ｎ２）には２次巻線（Ｎ２）→第２のコンデンサ（Ｃ２）→ダイオード（Ｄ１）というループで電流が流れ、第２のコンデンサ（Ｃ２）に電荷を充電する。その後、スイッチ回路（Ｑ１）のオフにより２次巻線（Ｎ２）に発生する共振パルス電圧がコンデンサ（Ｃ２）の電圧に重畳されて出力され、放電ランプが点灯する。このように、第２のコンデンサ（Ｃ２）に貯まった直流電圧に２次巻線（Ｎ２）に生じる共振パルスが重畳された電圧が放電ランプに印加されるので、放電ランプに点灯に必要な高電圧が速やかに印加され、図１に示した従来の放電ランプ点灯回路のように、スイッチ回路Ｑ１１が何度もオン・オフを繰り返して出力電圧が段階的に上昇する場合に比べて、速やかに点灯させることができる。

（２）また、トランスの２次巻線の一端と第２のコンデンサ（Ｃ２）との接続点と、チョッパ回路の出力との間に、チョッパ回路の出力電圧の極性で順方向に第２のダイオード（Ｄ２）を備えることにより、（チョッパ回路の出力電圧が正極性である場合を例にすると、）点灯後、チョッパ回路→第２のダイオード（Ｄ２）→トランスの２次巻線→放電ランプの経路で定常電流が流れ、第１のダイオードは高耐圧特性があればよく、大電流が流れないので、第１のダイオードは高耐圧ながら小電流定格のものを選定でき、低コスト化が図れる。

（３）前記スイッチ回路を双方向２端子サイリスタとすれば、チョッパ回路からの出力電圧を高電圧発生回路へ印加するだけで、この双方向２端子サイリスタへの印加電圧がターンオン電圧を超えるとオンし、その後、直ちにオフするので、自動起動スイッチとして作用し、特別なスイッチ操作のための回路が不要となる。

（４）第２のダイオード（Ｄ２）に代えて、放電ランプの点灯後に導通する半導体スイッチを設ければ、点灯後に定常状態で第２のダイオード（Ｄ２）での順方向降下電圧分の損失がなくなり、低損失化が図れる。

（５）第２のダイオード（Ｄ２）に代えて、放電ランプの点灯中に導通状態となるメカニカルスイッチを設ければ、点灯後に定常状態で第２のダイオード（Ｄ２）での順方向降下電圧分の損失がなくなり、低損失化が図れる。

《第１の実施形態》
図３はこの発明に係る放電ランプ点灯装置の回路図である。この放電ランプ点灯装置１００はチョッパ回路１と、高電圧発生回路２とから構成している。チョッパ回路１は入力電源Ｖｉｎを所定電圧に変換して出力し、高電圧発生回路２はチョッパ回路１の出力電圧Ｖｏを基にしてパルス状高電圧を発生させて放電ランプ３に印加する。

高電圧発生回路２は、チョッパ回路１の出力電圧Ｖｏを充電する第１のコンデンサＣ１および抵抗Ｒ１からなる充電回路を備え、チョッパ回路１の出力電圧の極性（この例では正極性）で順方向に第１のダイオードＤ１を、チョッパ回路１と放電ランプとの間に設けている。また、この例ではダイオードＤ１に対して抵抗Ｒ２を直列に接続している。

この第１のコンデンサＣ１の放電経路にトランスＴ１の１次巻線Ｎ１とスイッチ回路Ｑ１を直列に接続し、第１のコンデンサＣ１の放電電流がトランスＴ１の１次巻線Ｎ１およびスイッチ回路Ｑ１を介して流れるように回路を接続している。このコンデンサＣ１および抵抗Ｒ１からなる充電回路と、トランスＴ１の１次巻線Ｎ１と、スイッチ回路Ｑ１とによって「パルス電圧発生回路」を構成している。

また、トランスＴ１の２次巻線Ｎ２と第２のコンデンサＣ２からなる直列回路が第１のダイオードＤ１に対して並列接続されるように設けている。

図３に示した放電ランプ点灯装置１００の動作は次のとおりである。
まず、チョッパ回路１から約２８０Ｖの直流電圧が出力され、チョッパ回路１の出力電圧ＶｏがコンデンサＣ１に充電される。スイッチ回路Ｑ１としては双方向２端子サイリスタを用いている。このコンデンサＣ１の電位がスイッチ回路Ｑ１のしきい値（例えば約２８０Ｖ）を超えた時、スイッチ回路Ｑ１はオンする。

スイッチ回路Ｑ１のオンにより、コンデンサＣ１→トランスＴ１の１次巻線Ｎ１→スイッチ回路Ｑ１、の経路でコンデンサＣ１の電荷が放電される。これによりトランスＴ１の２次巻線Ｎ２→コンデンサＣ２→ダイオードＤ１のループで電流が流れ、コンデンサＣ２に電荷が充電される。このときの充電電圧は約ＤＣ１２００Ｖである。

その後、双方向２端子サイリスタの特性によりすぐに（一定時間後に）スイッチ回路Ｑ１はオフする。この１次巻線電流の遮断により２次巻線Ｎ２に電圧が誘起される。そのため、コンデンサＣ１の充電電圧（約ＤＣ１２００Ｖ）＋２次巻線Ｎ２の誘起電圧（パルスのピーク電圧約１２００Ｖ）＝ピーク電圧約２４００Ｖが放電ランプ３に印加される。このときの電圧印加経路は、チョッパ回路１→抵抗Ｒ２→コンデンサＣ２→２次巻線Ｎ２→放電ランプ３である。

このときＱ１はオフ状態であり、トランスＴ１の１次巻線は開放されているので、トランスＴ１の２次巻線Ｎ２とトランスＴ１の分布容量やダイオードＤ１の端子間寄生容量等との間で共振回路を構成し、２次巻線Ｎ２のインダクタンスとトランスＴ１の分布容量、或いはダイオードＤ１の端子間寄生容量等のキャパシタンスとの自由共振現象により、Ｎ２→Ｃ２方向の電流とＣ２→Ｎ２方向の電流とが交互に流れる。そのため、コンデンサＣ２に充電された直流高電圧に、２次巻線Ｎ２に生じる共振高電圧パルス（共振パルス）が重畳された電圧が放電ランプ３に印加されることになる。

図４は図３に示した放電ランプ点灯装置の各部の波形図である。この図４では、コンデンサＣ２に既に約１２００Ｖが充電された状態から始まっている。図中ｔ１のタイミングでスイッチ回路Ｑ１がオフすることによって、２次巻線Ｎ２に生じる共振パルス（ピーク−ピーク値が約２４００Ｖの交番電圧）が中間電圧（約１２００Ｖ）を中心として現れる。これにより放電ランプ３が始動し点灯を開始する。その後は、チョッパ回路１の出力→ダイオードＤ２→トランスＴ１の２次巻線Ｎ２→放電ランプ３の経路で電流が流れ、定常点灯状態となる。

この例では放電ランプ３は直流点灯する水銀ランプやキセノンランプであり、負特性を有するので放電を開始した後、放電電流が増大する。チョッパ回路１は、この出力電流の増加に伴って２８０Ｖの出力電圧を１０〜２０Ｖまで低下させる。

放電ランプ３の点灯開始時の動作上はダイオードＤ２がなくても点灯するが、その場合には定常点灯状態の大電流（例えば数アンペア）がダイオードＤ１に流れることになるので、ダイオードＤ１が大電流に耐えるものでなければならない。しかしこのダイオードＤ１に要求される特性は、トランスＴ１の２次巻線Ｎ２に生じる共振パルスのピーク−ピーク値（約２４００Ｖ）に耐えるだけの高耐圧特性である。このような高耐圧特性でありながら且つ大電流に耐えるものとなると現実的に選定可能な部品は限られてしまう。

これに対して、ダイオードＤ２を設ければ、定常点灯状態でこのダイオードＤ２を介して放電ランプ３に電流が流れるので、ダイオードＤ２の特性としては大電流に耐えるものであればよく、ダイオードＤ１については高耐圧特性であればよい。そのためダイオードＤ１には比較的小電流の規格のものを用いることができる。

一般に、ダイオードは高耐圧であるほど順方向の電圧降下も大きいので、定常点灯状態に入った時、チョッパ回路１の出力→抵抗Ｒ２→ダイオードＤ１→放電ランプ３という第１の経路よりも、チョッパ回路１→ダイオードＤ２→トランスの２次巻線Ｎ２→放電ランプ３という第２の経路の方がインピーダンスが低くなり、この経路を流れることになる。この時、直流電流が流れるのでトランスの２次巻線Ｎ２はインピーダンス素子としては作用しない。

なお、図３の例では、ダイオードＤ１に対して直列に抵抗Ｒ２を設けて上記第１の経路のインピーダンスを高くしているが、ダイオードＤ１の順方向電圧降下が大きければ抵抗Ｒ２がなくても（直接接続しても）、定常点灯状態で上記第２の経路を電流が流れるので、上記抵抗Ｒ２は必須ではない。

この発明によれば、図３に示したように、定常点灯モードで、チョッパ回路１→ダイオードＤ２→トランスの２次巻線Ｎ２→放電ランプ３の経路で通電されるので、トランスＴ１の２次巻線Ｎ２が出力リップル電流低減のためのノーマルモードチョークコイルとして作用する。これにより、図２に示したような３次巻線を有するトランスを用いることなく、また個別のチョークコイルを設けることなく、放電ランプ３に対する電流経路のリップル電流が低減されてＥＭＩが抑制される。

なお、図３に示した例ではチョッパ回路１の出力電圧Ｖｏが正極性である場合を例にしたが、このチョッパ回路１の出力電圧Ｖｏが負極性である場合には、ダイオードＤ１，Ｄ２の極性を逆方向にすればよい。その場合には、負の高電圧にトランスの２次巻線Ｎ２に生じる共振パルスが重畳された電圧が放電ランプ３に印加されることになる。

《第２の実施形態》
図５は第２の実施形態に係る放電ランプ点灯装置１０１の回路図である。
図３に示した放電ランプ点灯装置と異なるのは、図３に示したダイオードＤ２に代えて半導体スイッチＱ２を設けたことである。また、それに伴ってダイオードＤ１に直列に接続した抵抗Ｒ２を省いている。その他の構成は図３に示したものと同様である。半導体スイッチＱ２はＭＯＳ−ＦＥＴで構成していて、放電ランプ３の点灯時（スイッチ回路Ｑ１のオン時）には遮断状態となり、定常点灯状態で導通するように、そのゲートに制御信号を与える。具体的には、ゲート・ソース間にパルストランスの２次側を接続し、この放電ランプ点灯装置１０１の制御を行う制御回路からの信号で上記パルストランス等を介して上記半導体スイッチＱ２を制御する。この場合、スイッチ回路Ｑ１もＭＯＳ−ＦＥＴ等のゲート制御の半導体スイッチで構成し、Ｑ２とともに制御するように構成してもよい。

このように定常点灯状態でチョッパ回路１から放電ランプ３に対して流れる電流経路に半導体スイッチＱ２を設けることによって、図３に示したダイオードＤ２による順方向降下電圧がなくなり、さらに低インピーダンス化を図ることができ、低損失・高効率化が図れる。またそれに伴ってダイオードＤ１に直列接続する抵抗（図３に示したＲ２）が不要となり、部品点数も削減できる。

《第３の実施形態》
図６は第３の実施形態に係る放電ランプ点灯装置１０２の回路図である。
図３に示した放電ランプ点灯装置と異なるのは、図３に示したダイオードＤ２に代えてメカニカルスイッチＳＷ１を設けたことである。また、それに伴ってダイオードＤ１に直列に接続した抵抗Ｒ２を省いている。その他の構成は図３に示したものと同様である。スイッチＳＷ１はリレーの接点で構成していて、放電ランプ３の点灯時（スイッチ回路Ｑ１のオン時）には遮断状態となり、定常点灯状態で導通するように、リレーに制御信号を与える。

このように定常点灯状態でチョッパ回路１から放電ランプ３に対して流れる電流経路にスイッチＳＷ１を設けることによって、図３に示したダイオードＤ２による順方向降下電圧がなくなり、さらに低インピーダンス化を図ることができ、低損失・高効率化が図れる。またそれに伴ってダイオードＤ１に直列接続する抵抗（図３に示したＲ２）が不要となり、部品点数も削減できる。

特許文献１に示されている放電ランプ点灯装置の回路図である。 特許文献２に示されている放電ランプ点灯装置の回路図である。 第１の実施形態に係る放電ランプ点灯装置の回路図である。 同放電ランプ点灯装置の各部の電圧波形図である。 第２の実施形態に係る放電ランプ点灯装置の回路図である。 第３の実施形態に係る放電ランプ点灯装置の回路図である。

符号の説明

１−チョッパ回路
２，４，５−高電圧発生回路
３−放電ランプ
１００，１０１，１０２−放電ランプ点灯装置

Claims (4)

1. 入力電源の電圧を所定電圧に変換するチョッパ回路と、
   該チョッパ回路の出力電圧を基にパルス状高電圧を発生させて放電ランプに印加する高電圧発生回路と、備えた放電ランプ点灯装置において、
   前記高電圧発生回路は、前記チョッパ回路の出力電圧を基にパルス電圧を発生するパルス電圧発生回路と、前記パルス電圧を入力して高電圧を発生するトランスとを備え、
   前記パルス電圧発生回路は、前記チョッパ回路の出力電圧を充電する第１のコンデンサを含む充電回路と、前記第１のコンデンサの放電経路に接続された前記トランスの１次巻線およびスイッチ回路とで構成され、
   前記チョッパ回路の出力と前記放電ランプとの間に、前記チョッパ回路の出力電圧の極性で順方向に第１のダイオードが接続され、前記トランスの２次巻線と第２のコンデンサとからなる直列回路が前記第１のダイオードに対して並列に接続され、
   前記トランスの２次巻線の一端と前記第２のコンデンサとの接続点と、前記チョッパ回路の出力との間に、前記チョッパ回路の出力電圧の極性で順方向に第２のダイオードが接続され、
   前記トランスの２次巻線の他端と前記第１のダイオードとの接続点に前記放電ランプが接続されることを特徴とする放電ランプ点灯装置。
2. 前記スイッチ回路は双方向２端子サイリスタである請求項１に記載の放電ランプ点灯装置。
3. 前記第２のダイオードに代えて、前記放電ランプの点灯後に導通する半導体スイッチを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の放電ランプ点灯装置。
4. 前記第２のダイオードに代えて、前記放電ランプの点灯後に導通状態となるメカニカルスイッチを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の放電ランプ点灯装置。

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