JP5143187B2

JP5143187B2 - 放電灯始動回路および放電灯点灯装置

Info

Publication number: JP5143187B2
Application number: JP2010126301A
Authority: JP
Inventors: 工堀川; 昌彦大平; 輝久郎笹山
Original assignee: Ｔｄｋラムダ株式会社
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2030-06-01
Also published as: US20110291579A1; CN102316655A; JP2011253689A

Description

本発明は、放電灯の始動時において、その放電灯に対し最適な始動波形をごく簡単な回路構成で提供することができる放電灯始動回路および放電灯点灯装置に関する。

近年、放電灯としてのランプ技術の進歩により、始動時にランプを点灯に至らしめる始動電圧が小さくなっている。これに伴い、放電灯始動回路を含む放電灯点灯装置において、放電灯が必要とする始動時の波形も変化してきている。

旧来の放電灯は、始動時に１５ｋＶ前後の高電圧を必要とし、放電灯点灯装置もこれに合せて設計する必要があったが、放電灯内部にクリプトンなどを封入することにより、始動に必要な電圧が３ｋＶ〜５ｋＶ前後に下がってきている。また、新たなニーズとして、１ｋＶ〜２ｋＶ前後のパルス電圧を連続的に発生する放電灯点灯装置も要求されている。

こうした放電灯の始動電圧低下に伴い、点灯装置の側は従来の高周波始動方式を応用，発展させる形でその要求を実現している。これは具体的には、例えば特許文献１のように、従来の回路方式は変えずに、始動時におけるインバータの周波数を逐次変化させて、共振周波数を部品ばらつきに合せ込んで一時的に所望のパルス電圧を得るものや、他に新たな回路を付加してその実現を図るものなどである。

特表２００６−５１３５３９号公報

上記特許文献１などに提案する技術は、何れの場合も放電灯に対応した所望のパルス電圧を得ることができるものの、連続的に所望の電圧は得られない。また、７０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ程度の高い周波数でインバータを動作させ、且つ高い電圧を発生させるため、部品バラつきに起因した共振周波数のバラつきを考慮すると、安全面での懸念がある。さらに、新たな回路を付加する場合には、その分価格が高くなる問題点がある。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、放電灯に対して最適な始動波形を、ごく簡単な回路構成で連続的に印加することができる放電灯始動回路および放電灯点灯装置を提供することを目的とする。

本発明の放電灯始動回路は、上記目的を達成するために、交流電力を出力する出力回路に接続され、この出力回路からの交流電力を受けて、放電灯が始動し得る出力電圧を当該放電灯に出力する放電灯始動回路であって、前記出力回路の一対の出力端と、前記放電灯の両端との間にそれぞれ接続された第１の巻線及び第２の巻線と、前記放電灯と前記第１の巻線との接続回路に対して並列になるように接続された第１のコンデンサと、前記放電灯と前記第２の巻線との接続回路に対して並列になるように接続された第２のコンデンサと、を備え、前記放電灯が始動するまでの期間に、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの充電電圧に基づいて、前記放電灯に印加される電圧の振幅が前記出力回路から出力される電圧の振幅よりも大きくなる構成とし、当該構成により前記放電灯に高電圧が印加され、前記放電灯が電極間の絶縁破壊による放電を開始するものである。

また、本発明の放電灯点灯装置は、交流電力を出力する出力回路と、この出力回路からの交流電力を受けて、放電灯が始動し得る出力電圧を当該放電灯に出力する放電灯始動回路とを備える放電灯点灯装置であって、前記放電灯始動回路は、前記出力回路の一対の出力端と、前記放電灯の両端との間にそれぞれ接続された第１の巻線及び第２の巻線と、前記放電灯と前記第１の巻線との接続回路に対して並列になるように接続された第１のコンデンサと、前記放電灯と前記第２の巻線との接続回路に対して並列になるように接続された第２のコンデンサと、を備え、前記放電灯が始動するまでの期間に、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの充電電圧に基づいて、前記放電灯に印加される電圧の振幅が前記出力回路から出力される電圧の振幅よりも大きくなる構成とし、当該構成により前記放電灯に高電圧が印加され、前記放電灯が電極間の絶縁破壊による放電を開始するものである。

本発明によれば、出力回路から放電灯始動回路に与えられる交流電力の極性が反転した瞬間に、コンデンサはそれまでの充電電圧を維持しようとするので、出力回路からの交流電圧にコンデンサ自身の持つ充電電圧がそれぞれ加算され、その交流電圧の３倍の出力電圧を放電灯に瞬間的に印加することができる。また、出力回路から交流電力を所定時間与え続けることで、放電灯が点灯し得るような出力電圧を連続的に放電灯始動回路から発生させることができ、放電灯の点灯性能が向上する。したがって、従来のような充放電回路を不要にし、しかも僅か２個のコンデンサを付加したごく簡単な回路構成で、放電灯に対して最適な始動波形を連続的に印加することができる。

本発明の一実施例における放電灯点灯装置の構成を示す回路図である。同上、始動時における動作を説明する等価的な回路図である。同上、始動時における動作を説明する等価的な回路図である。同上、始動時における動作を説明する等価的な回路図である。同上、始動時における動作を説明する等価的な回路図である。従来例における放電灯点灯装置の構成を示す回路図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施例について説明する。

図１は、本実施例における放電灯点灯装置の回路構成を示している。同図において、１１は直流電力を交流電力に変換して出力する出力回路としてのインバータ、１２はこのインバータの出力端に接続する始動回路であり、始動回路１２ひいては放電灯点灯装置の出力端子１４，１５間には、負荷としての放電灯１６が接続される。インバータ１１は、例えばフルブリッジ接続された４つのスイッチング素子２１〜２４を備えて構成され、これらのスイッチング素子２１〜２４に対して各々パルス駆動信号を与えることで、入力端子２６，２７からインバータ１１に印加入力される直流入力電圧Ｖｉｎを、例えば４００Ｖ程度の交流電圧Ｖａｃに変換して、始動回路１２に出力するようになっている。なお、スイッチング素子２１〜２４として、ＭＯＳ型ＦＥＴの他にＩＧＢＴなどの各種半導体素子を使用することができる。

始動回路１２は、前記インバータ１１からの交流電圧Ｖａｃを受けて、放電灯１６が始動し得る高電圧を、出力電圧Ｖｏｕｔとして出力端子１４，１５間に生成出力するもので、ここでは２つのほぼ均等な第１の巻線３１と第２の巻線３２を、共通の磁心３３に巻回してなる加極性トランス３４と、第２のコンデンサ４１と、第１のコンデンサ４２とにより構成される。第１の巻線３１は、インバータ１１の一方の出力端から出力端子１４に至る第１の極性ライン４４に挿入接続され、第２の巻線３２は、インバータ１１の他方の出力端から出力端子１５に至る第２の極性ライン４５に挿入接続される。また、２つのコンデンサ４１，４２は、始動回路１２ひいては巻線３１，３２の入力側の極性に対して出力側の極性が逆になるように、加極性トランス３４を跨いで交差して接続される。すなわち、始動回路１２の入力側で、インバータ１１の一方の出力端に巻線３１の非ドット側端子とコンデンサ４２の一端が接続され、インバータ１１の他方の出力端に巻線３２のドット側端子とコンデンサ４１の一端が接続されると共に、始動回路１２の出力側で、出力端子１４に巻線３１のドット側端子とコンデンサ４１の他端が接続され、出力端子１５に巻線３２の非ドット側端子とコンデンサ４２の他端が接続される。

図１では、始動回路１２に１つの加極性トランス３４を備えているが、巻線３１，３２をあえて共通の磁心３３に巻回する必要はない。例えば、巻線３１，３２を各々独立した素子のインダクタとして構成することも可能である。この場合も、２つのコンデンサ４１，４２は、始動回路１２の入力側の極性に対して出力側の極性が逆になるように、互いに交差して接続する。また、コンデンサ４１，４２の容量は何れも１０ｐＦ〜１００００ｐＦで、放電灯１６が点灯し、インバータ１１からの交流電圧Ｖａｃの周波数が起動時よりも低下した定常時には、無視できる程度の小さな容量値を選定する。

次に、上記構成について、その動作を図２〜図５の各図に基づき説明する。

放電灯１６の始動時において、図示しない制御回路からスイッチング素子２１〜２４に定常時よりも高周波のパルス駆動信号が与えられると、対をなすスイッチング素子２１，２４とスイッチング素子２２，２３が交互にオン，オフして、インバータ１１の出力端に正負交互に切り替わる矩形波状の交流電圧Ｖａｃが発生する。

ここで図２に示すように、始動直後の初期状態において、インバータ１１の他方の出力端を基準として、インバータ１１の一方の出力端に＋Ｖの電圧が発生したとする。放電灯１６が点灯するまでは、その放電灯１６を開放状態と見なすことができ、また巻線３１，３２は、インバータ１１からの交流電圧Ｖａｃの極性が切り替わった直後に開放状態となるものの、その後は短絡状態となるので、第２のコンデンサ４１は、第２の極性ライン４５に接続する一端を基準として、第１の極性ライン４４に接続する他端に＋Ｖの電圧が充電され、また第１のコンデンサ４２は、第２の極性ライン４５に接続する他端を基準として、第１の極性ライン４４に接続する一端に＋Ｖの電圧が充電される。このとき、出力端子１４，１５間には、第２の極性ライン４５に接続する一方の出力端子１５を基準として、もう一方の出力端子１４に＋Ｖの出力電圧Ｖｏｕｔが発生する。

やがて、インバータ１１からの交流電圧Ｖａｃの極性を反転させると、図３に示すように、インバータ１１の一方の出力端を基準として、インバータ１１の他方の出力端に＋Ｖの電圧が発生するようになる。コンデンサ４１，４２は短時間の過渡的な条件下において、自身の持つ電位差を維持しようとするので、始動回路１２の入力段、すなわちインバータ１１の出力側において、交流電圧Ｖａｃの極性が反転した瞬間は、それぞれのコンデンサ４１，４２が維持する電圧＋Ｖにより、インバータ１１から出力される交流電圧Ｖａｃに各コンデンサ４１，４２自身が持つそれぞれの電圧＋Ｖがバイアスされる。つまり瞬間的には、コンデンサ４１の他端に接続する出力端子１４に＋２Ｖの電圧が発生し、コンデンサ４２の他端に接続する出力端子１５に−Ｖの電圧が発生するので、出力端子１４，１５間から放電灯１６に対して、交流電圧Ｖａｃの３倍の出力電圧Ｖｏｕｔ（＝＋３Ｖ）が印加されることになる。

その後、２つの巻線３１，３２とこれに付加した２つのコンデンサ４１，４２との間で、共振によるエネルギーの交換が行なわれ、出力端子１４，１５間に発生する出力電圧Ｖｏｕｔは、一定の周波数を持って振動しながら減衰してゆく。そして、最終的には図４に示すように、第２のコンデンサ４１は、第１の極性ライン４４に接続する他端を基準として、第２の極性ライン４５に接続する一端に＋Ｖの電圧が充電され、また第１のコンデンサ４２は、第１の極性ライン４４に接続する一端を基準として、第２の極性ライン４５に接続する他端に＋Ｖの電圧が充電される。

やがて、インバータ１１からの交流電圧Ｖａｃの極性を再び反転させると、図５に示すように、インバータ１１の他方の出力端を基準として、インバータ１１の一方の出力端に＋Ｖの電圧が発生するようになる。ここでも、交流電圧Ｖａｃの極性が反転した瞬間に、それぞれのコンデンサ４１，４２が維持する電圧＋Ｖにより、インバータ１１から出力される交流電圧Ｖａｃに各コンデンサ４１，４２自身が持つそれぞれの電圧＋Ｖがバイアスされるので、コンデンサ４１の他端に接続する出力端子１４に−Ｖの電圧が発生し、コンデンサ４２の他端に接続する出力端子１５に＋２Ｖの電圧が発生する。したがって、図３の場合とは極性が反転するものの、やはり出力端子１４，１５間から放電灯１６に対して、交流電圧Ｖａｃの３倍の出力電圧Ｖｏｕｔ（＝＋３Ｖ）が印加される。

その後、２つの巻線３１，３２とこれに付加した２つのコンデンサ４１，４２との間で、共振によるエネルギーの交換が行なわれ、出力端子１４，１５間に発生する出力電圧Ｖｏｕｔは、一定の周波数を持って振動しながら減衰してゆく。そして、最終的には図２に示すように、第２のコンデンサ４１は、第２の極性ライン４５に接続する一端を基準として、第１の極性ライン４４に接続する他端に＋Ｖの電圧が充電され、また第１のコンデンサ４２は、第２の極性ライン４５に接続する他端を基準として、第１の極性ライン４４に接続する一端に＋Ｖの電圧が充電される。

以後は、上述した図２〜図５に至る各動作が繰り返され、インバータ１１から高周波の交流電圧Ｖａｃが出力され続ける限り、放電灯１６の点灯に必要な高い電圧を連続して出力することができる。一例として、始動時におけるインバータ１１からの交流電圧Ｖａｃが４００Ｖである場合、放電灯１６の両端間にはその３倍、すなわち１．２ｋＶの出力電圧Ｖｏｕｔが印加されることになり、始動電圧が１ｋＶ程度の放電灯１６であれば、その放電灯１６を十分に放電開始させることが可能になる。

こうして放電灯１６が放電開始すると、定常状態に移行して各スイッチング素子２１〜２４に与えられるパルス駆動信号の周波数が低下し、インバータ１１からはそれまでよりも周波数の低い交流電圧Ｖａｃが発生する。定常時において、始動回路１２は回路上無視できるものとなり、インバータ１１からの交流電圧Ｖａｃが、ほぼそのまま出力端子１４，１５を通して放電灯１６の両端間に供給され、当該放電灯１６の点灯が継続する。

図６は、比較として従来の始動回路１２’を含む放電灯点灯装置の一例を示したものである。ここでは、始動回路１２’の入力側において、巻線３１，３２と直列回路を形成するようにコンデンサ５１が接続される。また、加極性トランス３４と電磁気的に結合する始動巻線５２を含む充放電回路５３が、始動回路１２’としてさらに付加される。充放電回路５３は、前記始動巻線５２の他に、抵抗５４と、トリガ用のコンデンサ５５と、サイリスタ若しくはＭＯＳ型ＦＥＴなどのスイッチ素子５６とにより構成され、放電灯１６の始動時において、スイッチ素子５６をオフした状態で外部から充電信号ＣＨＧが与えられると、抵抗５４を通してコンデンサ５５を充電し、その後にスイッチ素子５６をオンして始動巻線５２とコンデンサ５５とによる閉回路を形成すると、コンデンサ５５の蓄積エネルギーを利用して始動巻線５２にトリガパルスを印加し、コンデンサ５１によって放電灯１６の両端間に直列的に接続した巻線３１，３２に電圧を誘起して、放電灯１６に所望の出力電圧Ｖｏｕｔを供給するようになっている。

ここで、図１と図６の回路を比較すると、本実施例の始動回路１２は、加極性トランス３４またはインダクタンスを構成する２つの巻線３１，３２と、その巻線３１，３２に交差するように２つのコンデンサ４１，４２を備えていればよく、従来の充放電回路５３に相当する構成は全く不要となる。また、始動時において各スイッチング素子２１〜２４を高周波にスイッチング動作させ、インバータ１１から所定の交流電圧Ｖａｃを一定時間与え続ければ、放電灯１６に対して必要とされる電圧を連続的に出力することができ、放電灯１６の点灯性能の上昇を見込むことが可能になる。

以上のように、本実施例におけるインバータ１１に接続する放電灯始動回路としての始動回路１２は、始動時にインバータ１１からの高周波の交流電力を受けて、負荷である放電灯１６が始動し得るような出力電圧Ｖｏｕｔを、この放電灯１６に出力するものであって、特にここではインバータ１１の一対の出力端と、放電灯１６の両端との間にそれぞれ接続された第１の巻線３１及び第２の巻線３２と、放電灯１６と第１の巻線３１との接続回路に対して並列になるように接続された第１のコンデンサ４２と、放電灯１６と前記第２の巻線３２との接続回路に対して並列になるように接続された第２のコンデンサ４１と、を備え、放電灯１６が始動するまでの期間に、第１のコンデンサ４２及び第２のコンデンサ４１の充電電圧に基づいて、放電灯１６に印加される電圧の振幅がインバータ１１から出力される電圧の振幅よりも大きくなる構成とし、当該構成により放電灯１６に高電圧が印加され、放電灯１６が電極間の絶縁破壊による放電を開始するようにしている。また、インバータ１１と始動回路１２とを含めた放電灯点灯装置に関しても、同様の構成を有する。

このようにすると、インバータ１１から始動回路１２に与えられる交流電力の極性が反転した瞬間に、始動回路１２を構成するコンデンサ４１，４２はそれまでの充電電圧を維持しようとするので、インバータ１１からの交流電圧Ｖａｃにコンデンサ４１，４２自身の持つ充電電圧＋Ｖがそれぞれ加算され、交流電圧Ｖａｃの３倍の出力電圧Ｖｏｕｔを放電灯１６に瞬間的に印加することができる。また、インバータ１１から前記交流電力を所定時間与え続けることで、放電灯１６が点灯し得るような出力電圧Ｖｏｕｔを連続的に始動回路１２から発生させることができ、放電灯１６の点灯性能が向上する。したがって、従来のような充放電回路５３を不要にし、しかも僅か２個のコンデンサ４１，４２を付加したごく簡単な回路構成で、放電灯１６に対して最適な始動波形を連続的に印加することができる。

なお本発明は、本実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば出力回路としてのインバータ１１は、実施例中のような４個のスイッチング素子２１〜２４をブリッジ接続したフルブリッジ構成のものに限定されない。また前述のように、巻線３１，３２は共通の磁心３３に巻回して１つの加極性トランス３４を構成するものでも、または別々な磁心に巻回して２つのインダクタを構成するものでも、同様の効果が得られる。また、２つのコンデンサ４１，４２は、所望の容量を得られれば良く、例えばコンデンサ４１を２つ、コンデンサ４２を２つ用いても構わない。

１１インバータ（出力回路）
１２始動回路（放電灯始動回路）
１６放電灯
３１第１の巻線
３２第２の巻線
４１第２のコンデンサ
４２第１のコンデンサ

Claims

交流電力を出力する出力回路に接続され、この出力回路からの交流電力を受けて、放電灯が始動し得る出力電圧を当該放電灯に出力する放電灯始動回路であって、
前記出力回路の一対の出力端と、前記放電灯の両端との間にそれぞれ接続された第１の巻線及び第２の巻線と、
前記放電灯と前記第１の巻線との接続回路に対して並列になるように接続された第１のコンデンサと、
前記放電灯と前記第２の巻線との接続回路に対して並列になるように接続された第２のコンデンサと、を備え、
前記放電灯が始動するまでの期間に、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの充電電圧に基づいて、前記放電灯に印加される電圧の振幅が前記出力回路から出力される電圧の振幅よりも大きくなる構成とし、当該構成により前記放電灯に高電圧が印加され、前記放電灯が電極間の絶縁破壊による放電を開始することを特徴とする放電灯始動回路。
交流電力を出力する出力回路と、
この出力回路からの交流電力を受けて、放電灯が始動し得る出力電圧を当該放電灯に出力する放電灯始動回路とを備える放電灯点灯装置であって、
前記放電灯始動回路は、前記出力回路の一対の出力端と、前記放電灯の両端との間にそれぞれ接続された第１の巻線及び第２の巻線と、
前記放電灯と前記第１の巻線との接続回路に対して並列になるように接続された第１のコンデンサと、
前記放電灯と前記第２の巻線との接続回路に対して並列になるように接続された第２のコンデンサと、を備え、
前記放電灯が始動するまでの期間に、前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサの充電電圧に基づいて、前記放電灯に印加される電圧の振幅が前記出力回路から出力される電圧の振幅よりも大きくなる構成とし、当該構成により前記放電灯に高電圧が印加され、前記放電灯が電極間の絶縁破壊による放電を開始することを特徴とする放電灯点灯装置。