JP5147155B2 - 放電灯点灯装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、インバータ回路からの高周波電力によって放電灯を点灯させる放電灯の点灯装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図5に、従来の放電灯装置の回路図を示す。図において、1は商用電源から得られる直流電源、2及び3は、インバータ回路を構成するMOSFETからなるスイッチング素子、4は放電灯の電流を制限するためのチョークコイルであり、2つの副巻線ab、cdを有する。5は放電灯、6は放電灯に並列に接続されたコンデンサ、7は結合コンデンサ、10及び11は抵抗及びコンデンサからなるMOSFET 2の起動回路、チョークコイル4の2つの副巻線はそれぞれ抵抗8及び9を介してMOSFET2及び3が交互にON,OFFするようそのゲートに接続する。
【0003】
なお、商用電源から直流電源を得る場合の直流電源1の構成例を図6に示す。
図に示すように、1aは商用電源、1bはダイオードブリッジ、1cは例えば昇圧コンバータ等から成る定電圧回路で定電圧化された後、平滑コンデンサ1dで平滑化され、直流電源として負荷回路に出力されるように構成される。
以下、この図5に示した従来例の放電灯の動作を説明する。
図において、直流電源1が投入されると、抵抗10及びコンデンサ11からの起動電流によってMOSFET2,3は交互に高周波数で駆動され放電灯5は点灯に至る。
【0004】
しかし、上図の回路では、放電灯5の周囲動作温度、経年変化、製造ロットのバラツキ、チョークコイル4、コンデンサ6,7等の回路部品のバラツキにより出力電力が影響を受け放電灯5の出力電力が変化する問題点があった。
【0005】
また、図7に従来の別の放電灯装置の回路図を示す。図において、図5及び図6と同一または相当部分は同一符号を付し説明を省略する。13は変流器などで構成される放電灯5の電流検出回路、12は内部に電圧制御発振器(以下VCOと呼ぶ)などの発振周波数を可変に制御する回路を内蔵し、放電灯電流検出回路13を入力として、常に放電灯5の検出電流を一定にするようMOSFET2及びMOSFET3からなるインバータ回路を他励駆動するインバータ制御回路であり、放電灯5の周囲動作温度、経年変化、製造ロットのバラツキ、チョークコイル4、コンデンサ6,7等の回路部品のバラツキなどの影響を受けずに一定の放電灯電流で点灯できるものである。
【0006】
しかし、上図の回路ではVCOを内蔵した高価で複雑な制御回路が必要である問題点があった。
また、図5,7に示した従来の放電灯装置では、放電灯5の寿命末期時に放電灯5に過大な電力が消費される問題があった。
【0007】
この発明は、従来装置の上記の問題点を解決するためになされたもので、この発明の第1の目的は、放電灯の周囲動作温度、経年変化、製造ロットのバラツキ、チョークコイル、コンデンサ等の回路部品のバラツキにより出力電力が影響を受けない放電灯点灯装置を提供することを目的とする。
また、この発明の第2の目的は、VCOなどの高価で複雑な制御回路を必要とせず安価で簡単な構成でチョークコイル、コンデンサ等の回路部品のバラツキにより出力電力が影響を受けない放電灯点灯装置を提供することを目的とする。
また、この発明の第3の目的は、放電灯の寿命末期時に放電灯に過大な電力が消費されるのを抑制するとともに安価で簡単な構成でチョークコイル、コンデンサ等の回路部品のバラツキにより出力電力が影響を受けない放電灯点灯装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る放電灯点灯装置は、直流電源と、この直流電源から供給される直流を高周波電流に変換するインバータ回路と、このインバータ回路に接続されたチョークコイル、放電灯及び結合コンデンサよりなる放電灯負荷回路と、この放電灯負荷回路の入力側に設けられ、上記インバータ回路に設けられた副巻線で上記インバータ回路の2つのスイッチング素子を駆動する放電灯点灯装置において、上記スイッチング素子の経路に設けられ、上記直流電源の電流の回路電流に対応する電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段で検出された電圧が予め定めた基準電圧と同一になるような駆動制御を、2つの上記スイッチング素子のうちいずれかに対して実施する制御回路と、を備える。
【0009】
また、電圧検出手段を、直流電源の低電位側のスイッチング素子と上記直流電源の負極間に接続したものである。
【0010】
また、電圧検出手段を、直流電源の高電位側のスイッチング素子と上記直流電源の正極間に接続したものである。
【0011】
また、放電灯と結合コンデンサの接続点からダイオードを介してそれぞれ直流電源の低電位側及び高電位側に接続したものである。
【0012】
また、インバータ回路のスイッチング素子をnチャネルMOSFET及びpチャネルMOSFETから構成し、副巻線を上記nチャネルMOSFET及び上記pチャネルMOSFET各々の共用のものとするものである。
【0013】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1である放電灯点灯装置の構成を示す回路図である。図において、1は商用電源から得られる直流電源、2及び3は、インバータ回路を構成するMOSFETからなるスイッチング素子、4は放電灯の電流を制限するためのチョークコイルであり、2つの副巻線ab,cdを有する。5は放電灯、6は放電灯に並列に接続されたコンデンサ、7は結合コンデンサであり、チョークコイル4、放電灯5、コンデンサ6及び結合コンデンサ7は放電灯負荷回路を構成する。
【0014】
10及び11は抵抗及びコンデンサからなるMOSFET2の起動回路、チョークコイル4の2つの副巻線ab、cdはそれぞれ抵抗8及び9を介してMOSFET2及び3が交互にON,OFFするようそのゲートに接続する。
なお、副巻線の端子ab及びcdは図示の極性でMOSFET2及びMOSFET3に接続される。
【0015】
また、20は直流電源1の低電位側のスイッチング素子であるMOSFET3と直流電源1の負極間に接続された電圧検出手段である電圧検出抵抗、45は制御回路であり、上記電圧検出抵抗20の電圧を積分する抵抗及びコンデンサ、21及び22からなる積分回路、安定化された駆動電源VCと直流電源1の負極間に直列に接続された抵抗23,24、非反転端子が抵抗21とコンデンサ22の接続点に接続され、反転端子が抵抗23,24の接続点に接続された演算増幅器(以下OPアンプと呼ぶ)、OPアンプ25の反転入力端子と出力端子間に接続されたフィードバック抵抗26,駆動電源VCと直流電源1の負極間に直列に接続された抵抗27,28、非反転端子が抵抗27,28の接続点に接続され、反転端子がOPアンプ25の出力端子に接続されたOPアンプ32、OPアンプ32の反転端子と出力端子間に接続されたフィードバック抵抗29、MOSFET3のゲートにアノードが接続されたカソードが抵抗30を介してOPアンプ32の出力に接続されたダイオード31から構成される。
【0016】
次に、この発明の実施の形態1の動作原理を図1により説明する。
直流電源1が投入され、抵抗10及びコンデンサ11からの起動電流によってMOSFET2,3が交互に高周波数で駆動され放電灯5は点灯したとき、直流電源1から制御回路45に流れる電流を放電灯の負荷回路に流れる電流に比べ充分小さく無視できるとすれば、直流電源1から流出した電流はMOSFET3または結合コンデンサ7の経路を経て全て電圧検出抵抗20を介して流れるといえる。
電圧検出抵抗20に流れた回路電流によってその両端に発生した電圧を、制御回路45の抵抗21とコンデンサ22からなる積分回路で積分すれば、コンデンサ22には直流電源1から流出した回路電流の平均値に対応した電圧を得ることができる。
【0017】
即ち、上記の関係を式で示せば以下(1)式になる。
V22=K1×A1 …(1)
ここで、(1)式の記号は以下を示す。
V22:コンデンサ22の電圧
A1:直流電源1からの流出電流の平均値
K1:電圧検出抵抗20の抵抗値で定まる比例定数
【0018】
また、直流電源1の出力電圧と出力電力の関係は以下の(2)式のようになる。
W1=E1×A1 …(2)
ここで、(2)式の記号は以下を示す。
W1:直流電源1の出力電力
E1:直流電源1の出力電圧
【0019】
また、(1)式より、以下の(3)式が導き出される。
A1=V22/K1 …(3)
上記(3)式を上記(2)式に代入すれば、以下の(4)式が導き出される。
W1=(E1×V22)/K1 …(4)
上記(4)式から明らかなように、直流電源1の出力電力W1は、K1の値、即ち、電圧検出抵抗20の値を定めればコンデンサ22の両端電圧に比例した値として検出できる。
【0020】
また、直流電源1の出力電力、放電灯5の出力電力、放電灯5以外の回路損失電力の関係は以下の(5)式で示される。
W1=W5+WL …(5)
ここで、(5)式の記号は以下を示す。
W5:放電灯5の出力電力
WL:放電灯5以外の回路損失電力
【0021】
ここで、上記回路損失WLは、放電灯5の出力電力に比べて充分小さく、また、外部温度などの影響も相対的に極めて小さく、回路構成が定まれば概略一定とみなすことができ、その値をK2とすれば以下の(6)式が成り立つ。
W5=W1−WL=W1−K2 …(6)
上記(6)式から明らかなように、放電灯5の出力電力W5は直流電源1の出力電力W1を一定に、即ち、コンデンサ22の電圧V22を一定に制御すれば、放電灯5の周囲動作温度、経年変化、製造ロットのバラツキなどの影響を受けること無く一定に制御できる。
【0022】
次に、上記の動作原理に基づいて構成された実施の形態1の放電灯点灯装置の動作を制御回路45を主として説明する。まず、直流電源1が投入されると、抵抗10及びコンデンサ11からの起動電流によってMOSFET2,3は交互に高周波数で駆動され放電灯5は点灯に至る。
このとき、直流電源1からの流出電流が電圧検出抵抗20を流れ、電圧検出抵抗20の両端に発生した電圧は、制御回路45の抵抗及びコンデンサ21及び22からなる積分回路により積分され、コンデンサ22には直流電源1から流出した電流の平均値に対応した電圧が得られる。
【0023】
そして、OPアンプ25の非反転入力端子にはコンデンサ22の電圧が、また、反転入力端子には駆動電源VCを抵抗23及び抵抗24で分圧することにより、予め定められた基準電圧が入力される。そして、コンデンサ22の電圧と基準電圧との電圧差が増幅されて出力される。
OPアンプ25の出力はOPアンプ32の反転入力端子に入力され、OPアンプ32の非反転入力端子には、その駆動電源VCの電圧を抵抗27及び抵抗28で分圧された基準電圧が入力される。
そして、OPアンプ32の反転入力端子に入力された電圧が、非反転入力端子の基準電圧より高い場合は出力が低く、非反転入力端子の基準電圧より低い場合は、出力が高くなる。
【0024】
出力が低いと、チョークコイル4の副巻線cdから抵抗9を介してMOSFET3のゲートに流れる電流は、ダイオード31、抵抗30を介してOPアンプ32に流れるため、インバータ回路の発振周波数は高くなり、電圧検出抵抗20を流れる電流は減少し、出力が高いと、MOSFET3のゲートに流れる電流は、ダイオード31、抵抗30を介してOPアンプ32に流れないため、インバータ回路の発振周波数は低くなり、電圧検出抵抗20を流れる電流は増加する。
【0025】
このようにして、電圧検出抵抗20で検出され、コンデンサ22に変換された電圧が、予め定めたOPアンプ25の反転端子の電圧に常に一致するよう制御されるので、直流電源1の出力電力W1は一定になり、上記(6)式より放電灯5の出力電力W5は一定になる。
次に、具体的に説明すると、例えば、何らかの理由で電圧検出抵抗20を流れる、直流電源1からの流出電流が増加したとすると、コンデンサ22の電圧も増加し、その値はOPアンプ25で増幅されて、OPアンプ32の反転入力端子に入力されると、反転入力端子の電圧が非反転入力端子の電圧より高くなるのでその出力電位は下降する。
【0026】
これによって、チョークコイル4の副巻線cdから抵抗9を介してMOSFET3のゲートに流れる電流は、ダイオード31、抵抗30を介して出力電位の下降したOPアンプ32に流れるため、インバータ回路の発振周波数は高くなり、電圧検出抵抗20を流れる電流は減少する。
そして、コンデンサ22の電圧が、予め定めたOPアンプ25の反転入力端子の電圧と一致するまで上記電圧検出抵抗20を流れる電流が減少する。
逆に、電圧検出抵抗20の電流が減少した場合は、OPアンプ32の出力電位は上昇し、上記電圧検出抵抗20を流れる電流が増加するように回路が作用する。
【0027】
このように、電圧検出抵抗22で検出された電流を変換した電圧が、予め定めたOPアンプ25の反転端子の電圧に常に一致するよう制御されるので、直流電源1の出力電力W1は一定になり、放電灯5の出力電力W5は一定になる。
以上のように、電圧検出抵抗20で検出され、コンデンサ22に変換された電圧が、予め定めたOPアンプの反転端子の電圧に常に一致するよう制御されるので、直流電源1の出力電力W1は一定になり、上記(6)式より放電灯5の出力電力W5は一定になる。
【0028】
従って、放電灯5の周囲動作温度、経年変化、製造ロットのバラツキ、チョークコイル、コンデンサ等の回路部品のバラツキにより放電灯5の出力電力が影響を受けないようにすることができる。
また、VCOなどの高価で複雑な制御回路を必要とせず、安価で簡単な構成でチョークコイル、コンデンサ等の回路部品のバラツキにより放電灯5の出力電力が影響を受けないようにすることができる。
【0029】
実施の形態2.
図2は、この発明の実施の形態2である放電灯点灯装置の構成を示す回路図である。
図において、実施の形態1の図1と同一または相当部分には同一符号を付し説明を省略する。35は基準電圧を備えた可変3端子レギュレータ(例えば、(株)日立製作所製のHA17431シリーズ等が相当する)であり、実施の形態1で示したOPアンプ32の代わりに用いたもので、内部の非反転入力端子に独自の基準電圧を有しており、基準電圧を外部から与える必要が無い以外はOPアンプ32と同一の作用を行う。33はダイオード31及び抵抗30の接続点と、上記可変3端子レギュレータ32の基準端子(反転入力端子)間に接続された抵抗、34は上記可変3端子レギュレータの基準端子(反転入力端子)と直流電源1の低電位側との間に接続された抵抗である。
【0030】
動作は実施の形態1と同じであり、説明は省略するが、実施の形態1と同一の効果が得られる。
【0031】
実施の形態3.
図3は、この発明の実施の形態3である放電灯点灯装置の構成を示す回路図である。図において実施の形態1の図1、実施の形態2の図2と同一または相当部分には同一符号を付し説明を省略する。
【0032】
図において、40及び41は上記放電灯5と上記結合コンデンサ7との接続点からそれぞれ直流電源1の高電位側及び低電位側に接続したダイオードである。
この構成において、放電灯5の寿命末期時などの何らかの理由で放電灯5の電圧が上昇した場合に、それと対応して電圧が上昇、または下降する結合コンデンサ7の電圧を、ダイオード40またはダイオード41を介して直流電源1にバイパスし、直流電源1から放電灯5に過大な電力が供給されるのを抑制したものである。他の動作は実施の形態2と同じであり説明は省略する。
【0033】
以上のように、VCOなどの高価で複雑な制御回路を必要とせず、安価で簡単な構成でチョークコイル、コンデンサ等の回路部品のバラツキにより放電灯5の出力電力が影響を受けずに放電灯5の正常点灯時に定電力で制御できることは勿論、その寿命末期時においても放電灯に過大な電力が消費されるのを抑制することができる。
【0034】
実施の形態4.
図4は、この発明の実施の形態4である放電灯点灯装置の構成を示す回路図である。図において、実施の形態1の図1、実施の形態2の図2及び実施の形態3の図3と同一または相当部分には同一符号を付し説明を省略する。
【0035】
36は実施の形態3の図3におけるnチャネルMOSFETをpチャネルに置き換えたMOSFETであり、MOSFET2及びMOSFET3のゲートをチョークコイル4の共通の副巻線abで駆動するようにすると共に、MOSFET2とMOSFET36の接続点に電流検出抵抗20を挿入し、MOSFET2のゲートを制御して、検出抵抗20を流れる電流を一定に制御するように構成したものである。
【0036】
動作は実施の形態3と同じであり、説明は省略するが、実施の形態3と同一の効果が得られることは勿論、回路構成を簡単にすることができる。
【0037】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、直流電源と、この直流電源から供給される直流を高周波電流に変換するインバータ回路と、このインバータ回路に接続されたチョークコイル、放電灯及び結合コンデンサよりなる放電灯負荷回路と、この放電灯負荷回路の入力側に設けられ、上記インバータ回路に設けられた副巻線で上記インバータ回路のスイッチング素子を駆動する放電灯点灯装置において、
上記スイッチング素子の経路に設けられ、上記直流電源の電流の回路電流に対応する電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段で検出された電圧が予め定めた基準電圧と同一になるように上記スイッチング素子の駆動を制御する制御回路と、を備えたので、安価で簡単な構成により放電灯の周囲動作温度、経年変化、製造ロットのバラツキ、チョークコイル、コンデンサ等の回路部品のバラツキにより出力電力が影響を受けないようにすることができる。
【0038】
また、電圧検出手段を、直流電源の低電位側のスイッチング素子と上記直流電源の負極間に接続したので、簡単に電圧検出を行うことができる。
【0039】
また、電圧検出手段を、直流電源の高電位側のスイッチング素子と上記直流電源の正極間に接続したので、簡単に電圧検出を行うことができる。
【0040】
また、放電灯と結合コンデンサの接続点からダイオードを介してそれぞれ直流電源の低電位側及び高電位側に接続したので、放電灯の寿命末期時に放電灯に過大な電力が消費されるのを抑制するとともに安価で簡単な構成でチョークコイル、コンデンサ等の回路部品のバラツキにより出力電力が影響を受けないようにすることができる。
【0041】
また、インバータ回路のスイッチング素子をnチャネルMOSFET及びpチャネルMOSFETから構成し、副巻線を上記nチャネルMOSFET及び上記pチャネルMOSFET各々の共用のものとしたので、回路構成を簡単にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1の構成を示す回路図である。
【図2】 この発明の実施の形態2の構成を示す回路図である。
【図3】 この発明の実施の形態3の構成を示す回路図である。
【図4】 この発明の実施の形態4の構成を示す回路図である。
【図5】 従来の放電灯点灯装置の構成を示す回路図である。
【図6】 従来の放電灯点灯装置の直流電源の構成を示す回路図である。
【図7】 従来の放電灯点灯装置の別の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
1 直流電源、2、3 スイッチング素子、4 チョークコイル、5 放電灯、6 コンデンサ、7 結合コンデンサ、20 電圧検出抵抗、40,41 ダイオード、45 制御回路、ab,cd 副巻線。
Claims (5)
- 直流電源と、この直流電源から供給される直流を高周波電流に変換するインバータ回路と、このインバータ回路に接続されたチョークコイル、放電灯及び結合コンデンサよりなる放電灯負荷回路と、この放電灯負荷回路の入力側に設けられ、上記インバータ回路に設けられた副巻線で上記インバータ回路の2つのスイッチング素子を駆動する放電灯点灯装置において、
上記スイッチング素子の経路に設けられ、上記直流電源の電流の回路電流に対応する電圧を検出する電圧検出手段と、
この電圧検出手段で検出された電圧が予め定めた基準電圧と同一になるような駆動制御を、2つの上記スイッチング素子のうちいずれかに対して実施する制御回路と、
を備えたことを特徴とする放電灯点灯装置。 - 電圧検出手段を、直流電源の低電位側のスイッチング素子と上記直流電源の負極間に接続したことを特徴とする請求項1記載の放電灯点灯装置。
- 電圧検出手段を、直流電源の高電位側のスイッチング素子と上記直流電源の正極間に接続したことを特徴とする請求項1記載の放電灯点灯装置。
- 放電灯と結合コンデンサの接続点からダイオードを介してそれぞれ直流電源の低電位側及び高電位側に接続したことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の放電灯点灯装置。
- インバータ回路のスイッチング素子をnチャネルMOSFET及びpチャネルMOSFETから構成し、副巻線を上記nチャネルMOSFET及び上記pチャネルMOSFET各々の共用のものとすることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の放電灯点灯装置。
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