JP5249623B2 - 放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Description

本発明は、放電灯を高周波で点灯させ、かつ放電灯の出力を連続的に調光する機能を有する放電灯点灯装置及びこれを用いた照明器具に関するものである。

図７は放電灯を高周波で点灯させ、かつ放電灯の出力を連続的に調光する機能を有する従来の放電灯点灯装置（特開２００７−１７２９３３号）を示したものである。以下、その回路構成について説明する。放電灯点灯装置にはハーフブリッジ型インバータ回路１を用いたものを採用している。直流電源Ｖｄｃにスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列回路が接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点とグランド間には共振用インダクタＴ１と共振用コンデンサＣ１の直列共振回路が接続され、共振用コンデンサＣ１の両端に共振兼直流阻止用コンデンサＣ２を介して放電灯ＦＬが接続されている。放電灯ＦＬのフィラメントｆ１及びｆ２はそれぞれ予熱制御用インダクタＬ１，Ｌ２及び予熱制御用コンデンサＣ３，Ｃ４の直列回路を介して予熱源ｎ１，ｎ２に接続されている。予熱源ｎ１，ｎ２は同じ動作周波数を持つ予熱源である。例えば、インバータ回路１の出力にコンデンサを介して予熱トランスを接続し、予熱トランスに設けた一対の２次巻線を予熱源ｎ１，ｎ２としても良いし、共振用インダクタＴ１に予熱用の一対の２次巻線を設けて、これらの２次巻線を予熱源ｎ１，ｎ２としても良い。

スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は周波数制御回路５により決められる周波数で駆動回路６により交互にオン・オフされる。周波数制御回路５には調光部８より調光信号が入力され、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン・オフの周期（つまり動作周波数）を制御する。

図７に示すインバータ回路１の動作は周知のものであって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を交互にオン・オフさせることによって直流電源Ｖｄｃを高周波電圧に変換して放電灯ＦＬに交番電流を流すものである。ここで、放電灯ＦＬへの給電経路にはインダクタＴ１、コンデンサＣ１及びＣ２の共振回路２が存在するから、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン・オフの周期（動作周波数）とインダクタＴ１、コンデンサＣ１及びＣ２による共振周波数との関係によって放電灯ＦＬへの供給エネルギーを調節することができる。

放電灯ＦＬには並列的に直流成分検出部７が接続されており、放電灯ＦＬにおいて、正又は負の電圧が発生した場合、それに応じた出力信号を制御回路部４の電圧比較器ＥＬに出力する。電圧比較器ＥＬは直流成分検出部７の出力信号を基準電圧Ｖｒｅｆと比較する。直流成分検出部７の出力信号が基準電圧Ｖｒｅｆ未満であれば、電圧比較器ＥＬの出力はＬｏｗとなり、直流成分検出部７の出力信号が基準電圧Ｖｒｅｆ以上になると、電圧比較器ＥＬの出力はＨｉｇｈとなる。電圧比較器ＥＬの出力がＬｏｗのときにはインバータ回路１が動作し、出力がＨｉｇｈのときには周波数制御回路５の動作周波数を制御して、インバータ回路１のスイッチング素子Ｑ１及びＱ２を保護動作の状態に制御してインバータ回路１の出力を低減あるいは停止させる。

放電灯ＦＬが寿命末期になって、２つのフィラメントｆ１，ｆ２のうち１つのフィラメントのエミッタ（電子放射物質）が消耗して半波放電状態（エミレス状態）となると、管電圧には直流成分が発生し、直流成分検出部７がこの直流成分に応じた出力を電圧比較器ＥＬに入力し、これが基準電圧Ｖｒｅｆを超えると、周波数制御回路５に動作周波数を制御する信号が入力され、インバータ回路１の出力を低減あるいは停止させる動作を行い、回路保護を図るようになっている。

調光信号検出部９は調光部８から周波数制御回路５に動作周波数を変える信号が入力された場合に、その信号を検出し、信号入力中は直流成分検出部７から電圧比較器ＥＬに入力される信号をＬｏｗレべルに固定するために、スイッチＳＷ１をオンする信号をタイマー部１１を介して駆動回路１０に出力する。スイッチＳＷ１は例えばトランジスタからなり、直流成分検出部７と電圧比較器ＥＬの接続点とグランドの間に接続される。タイマー部１１は、調光信号検出部９から調光信号の変化を検出した信号を受けた場合、所定の時間、駆動回路１０にスイッチＳＷ１をオンする信号を出し続ける機能を有する。

従来例のタイムチャートを図８に示す。調光レベルを変化させていない場合には、調光信号検出部９は調光信号の変化を検出しないため、駆動回路１０にスイッチＳＷ１をオンする信号を出力しない。よって、スイッチＳＷ１はオフし、直流成分検出部７からの信号は電圧比較器ＥＬにそのまま入力される。したがって、寿命末期の負荷が接続された場合には回路保護が可能である。

調光レベルの変化が急峻であった場合、直流成分検出部７の時定数によっては、調光信号の変化が終わった後に、放電灯ＦＬの直流成分が電圧比較器ＥＬに入力される可能性がある。

タイマー部１１の遅延時間が前記直流成分検出部７の時定数よりも十分長い時間、スイッチＳＷ１をオンする信号を駆動回路１０に出力するため、調光信号の変化に対して遅れて、電圧比較器ＥＬに放電灯ＦＬの直流電圧成分が入力されても、誤動作を回避することができる。調光レべルの変化前、変化後においては、スイッチＳＷ１をオンする信号は駆動回路１０に入力されていないため、寿命末期の負荷が接続された場合には回路保護が可能となる。

直流成分検出部７の時定数よりも十分長い時間、スイッチＳＷ１をオンする信号を駆動回路１０に出力するため、調光信号の変化に対して遅れて、放電灯ＦＬの直流電圧成分が検出されても、誤動作を回避することができる。
特開２００７−１７２９３３号公報

上述の特許文献１の技術では、調光レベルの変化が急峻であった場合、調光レベルが変化すると所定の時間は、直流成分検出部７の動作を禁止するので、調光レべルが変化するときに放電灯ＦＬに発生する直流電圧成分の変動による誤動作を回避できる。

しかしながら、調光レベルが変化すると必ずしも放電灯ＦＬに直流電圧成分が発生する訳ではなく、調光レベルの変化が緩やかになると直流電圧成分は発生しないのであるが、図７の構成では次のような場合に寿命末期検出の検出精度が低下するといった不都合が生じる。

１）調光レべルの変化が比較的小さい場合、２）明るさセンサーを利用して調光するような微小な調光レベルの変化が多い場合、３）外来ノイズにより調光レベルが変化した場合、１）〜３）のいずれの場合も放電灯ＦＬに直流電圧成分は殆ど発生しないのであるが、図７の構成では直流成分検出部７の動作を禁止してしまうので、直流成分検出部７に本来期待している動作である放電灯ＦＬの寿命末期に発生する直流成分を検出して回路を保護する動作ができない。すなわち、従来例では調光レベルが変化すると必ず直流成分検出部７の動作を禁止するので、調光レベル変化に拠らない本来の放電灯ＦＬの寿命末期を検出できない場合があるという課題があった。

本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、調光レべルが変化した場合に、寿命末期時の保護機能の誤動作を防止するとともに、放電灯の寿命末期検出の機能を損なわない放電灯点灯装置を提供することにある。

本発明は上記の課題を解決するために、図１に示すように、少なくとも一つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を有し直流電圧Ｖｄｃを高周波電圧に変換するインバータ回路１と、少なくともコンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＴ１を有し放電灯ＦＬを点灯させる共振回路２と、放電灯ＦＬのフィラメントに接続され少なくとも予熱源ｎ１，ｎ２と予熱制御用コンデンサＣ３，Ｃ４と予熱制御用インダクタＬ１，Ｌ２からなるフィラメント予熱回路３と、インバータ回路１の動作を制御する制御回路部４と、放電灯ＦＬへの供給エネルギーを決定するための調光信号を前記制御回路部４に出力し放電灯ＦＬを調光動作させる調光部８と、放電灯ＦＬの寿命末期を検出する検出部７と、前記検出部７が放電灯ＦＬの寿命末期を検出すると前記インバータ回路１のスイッチングを制御して放電灯ＦＬへの出力を低減もしくは停止させる保護手段ＥＬと、前記調光信号の変化を監視する調光信号検出部９と、所定の時間は、前記検出部７からの信号を前記保護手段ＥＬに入力させないことで前記保護手段ＥＬの動作を禁止する動作禁止手段（スイッチＳＷ１）とを備えた放電灯点灯装置において、前記調光信号検出部９は、前記調光信号の変化率が所定値以上となった場合に、前記動作禁止手段を動作させ、前記調光信号の変化率が所定値未満の場合に、前記動作禁止手段を動作させないことを特徴とするものである。

本発明によれば、調光部により放電灯の出力を変化させたときに、前記調光信号の変化率が所定の値以上となった場合のみ、所定の時間は前記検出部からの信号を前記保護手段に入力させないことで前記保護手段の動作を禁止する動作禁止手段を動作させるので、前記保護手段の動作を禁止するのは前記調光信号の変化率が所定の値以上となった場合のみに限定されることとなり、本来の寿命末期検出動作を損なうことなく、確実に放電灯が寿命末期であることを検出して保護手段により出力を低減もしくは停止させることができる。また、放電灯が寿命末期でない場合に保護手段が誤動作することを防止でき、本来ならば放電灯が寿命末期でないにもかかわらず、寿命末期と誤認して出力を低減もしくは停止させる不都合を防止することができるのは言うまでもない。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の回路図である。図７の従来例と異なる点は、調光信号検出部９にマイコンを搭載し、調光部８から周波数制御回路５に送られる動作周波数を変えるための信号の変動をマイコンで読み込む点である。その他の従来例と同一構成には同一符号を付すことにより、また同一動作については説明を省略する。

調光信号検出部９内のマイコンは常時、調光部８から周波数制御回路５に入力される信号（以下、調光信号）の電圧変化幅を監視している。調光レべルの変化が比較的大きく、マイコンが検出した調光信号の電圧変化幅が、マイコン内部に設定された所定値以上となると、マイコンから駆動回路１０にスイッチＳＷ１をオンする信号を出力する。これによって、スイッチＳＷ１はオンし、電圧比較器ＥＬには直流成分検出部７からの信号は入力されず、調光レベルの変化が大きいときにフィラメントスポット移動に伴って放電灯ＦＬの高周波電圧に直流成分が重畳することによる誤検出を回避することが可能となる。

一方、調光レべルの変化が小さい場合は、マイコンが検出した調光信号の電圧変化幅も小さくなり、マイコン内部に設定された所定値に到達しないので、スイッチＳＷ１をオンする信号を駆動回路１０に出力しない。これによって電圧比較器ＥＬには直流成分検出部７からの信号が入力されることになるが、調光レべルの変化が小さいときには放電灯ＦＬの高周波電圧に直流成分が重畳しないので、そもそもスイッチＳＷ１をオンする必要がなく、通常の放電灯ＦＬの寿命末期検出が動作しなくなるという不都合がなくなる。

つまり、調光レベルの変化が大きい場合は直流成分検出部７の誤検出を回避するために放電灯の寿命末期検出の動作を禁止するが、調光レベルの変化が小さい場合は直流成分検出部７の誤検出がないので、放電灯の寿命末期検出の動作を禁止しないことにより、外来ノイズが調光信号に重畳されたり、頻繁に調光レベルが変化するといったようなときに不用意に寿命末期検出が動作しなくなるということを防止できる。

以下、具体的な動作について説明する。調光部８から周波数制御回路５に入力される調光信号は例えば直流電圧信号であり、全点灯時は５Ｖ、調光下限時（全光束に対する調光比は２５％）は０Ｖとなるように制御しており、その直流電圧に応じて周波数制御回路５は駆動回路６の周波数を決定して放電灯ＦＬを調光動作させている。

調光部８で使用される調光器は、例えば図２に示すようなものがある。この調光器の動作について説明する。ロータリーボリューム８１は調光信号を連続的に変化させて、連続調光を可能とする。切替スイッチ８２は、スイッチをオン（マーク側）とすれば、ロータリーボリューム８１の位置で設定された調光比となり、スイッチをオフ（非マーク側）とすれば全点灯となって、調光状態と全点灯状態を瞬時に切替可能とする。

図３は調光状態を下限、つまりロータリーボリューム８１を左に回しきった状態で切替スイッチ８２をオンからオフに切り替えたときの、直流成分検出部７の出力電圧と、調光信号の出力電圧の変化を示したものである。調光部８はＪＩＳ Ｃ ８１２０−２に準拠したＰＷＭ信号を出力するもので、このＰＷＭ信号のデューティ比に比例した直流信号を生成し、デューティ比を可変とすることで直流電圧を制御しており、スイッチング周期は１〜１０（ｍｓ）となっている。スイッチング周期１（ｍｓ）と１０（ｍｓ）のいずれにも対応するためには、調光信号の直流電圧変換時に、直流電圧のリップル分を減少させるために、長い方のスイッチング周期１０（ｍｓ）を想定したＰＷＭ信号周期に対して、少なくとも１０倍の時定数が必要であり、１００（ｍｓ）以上の時定数を持つようにするのが一般的である。

図３は、調光信号の直流電圧の変化が早いＰＷＭ信号周期を１（ｍｓ）としたときのもので、調光部８からの信号を調光信号電圧が０Ｖから５Ｖに上昇し始めてから直流成分検出部７の検出電圧が急激に上昇し始めるまでの時間は約１００（ｍｓ）で、このときの調光信号電圧は約３．５（Ｖ）である。図３では調光信号電圧の変化がコンデンサと抵抗による所謂ＣＲの時定数に従って変化しているが、ミラー回路を用いることにより直線的に変化するものとしてもよい。

一方、調光信号検出部９内のマイコンのサンプリング周期ｔ１は約１０（ｍｓ）であり、マイコンは前にサンプリングした調光信号の電圧Ｖ１と今回サンプリングした調光信号の電圧Ｖ２との差分電圧ΔＶが所定の値以上となった場合に直流成分検出部７の動作を禁止する。ここで、前述の通り、調光部８の直流電圧生成における時定数は１００（ｍｓ）であるから、この時間を基準として、この調光信号の電圧変化をある程度精度よく読み込むために分解能を１０として、マイコンのサンプリング周期ｔ１＝１００（ｍｓ）／１０＝１０（ｍｓ）としている。

所定の値ΔＶｒｅｆは、例えば図３のデータを例として次のように設定すればよい。まず、調光レベルの変化が最も大きい時のΔＶｍａｘを次式により求める。

ΔＶｍａｘ＝Ｖ２−Ｖ１≦３．５（Ｖ）／｛１００（ｍｓ）／１０（ｍｓ）｝＝０．３５（Ｖ）

ところで、調光レベル変化時にフィラメントのスポット移動に伴って放電灯ＦＬの高周波電圧に直流成分が重畳するのは、表１に示すように、ＦＨＦ２４Ｓの放電灯で実際に測定した結果から、全点灯に対する調光比が約２５〜４０％未満のときであるから、全点灯に対する調光比が４０％未満のときにも誤動作しないようにするために、ΔＶｒｅｆは次のように設定すればよい。
ΔＶｒｅｆ＝０．３５／（４０％／２５％）＝０．２１８７５（Ｖ）

このように、所定の値ΔＶｒｅｆを設定することによって、調光レベルの変化時にフィラメントのスポット移動に伴って放電灯ＦＬの高周波電圧に直流成分が重畳する調光比約２５％〜４０％未満に対して、放電灯ＦＬの高周波電圧に直流成分が重畳することによる誤検出を回避することが可能となる。

寿命末期検出動作の禁止時間は基本的に短い方が良いのであるが、誤動作に対する余裕度を大きく取るため、電圧比較器ＥＬの基準電圧Ｖｒｅｆ＝５（Ｖ）の１０％以下、つまり０．５（Ｖ）になるまで禁止時間を設けるように設定し、ここでは２００（ｍｓ）とする。

図４は、全点灯に対する調光比が４０％を超えた状態で切替スイッチ８２をオンからオフに切り替えたときの、直流成分検出部７の出力電圧と、調光信号の出力電圧の変化を示したものである。直流成分検出部７の出力電圧は調光比が４０％を超えているので、調光レベルの変化があっても上昇していないことが分かる。調光信号の電圧変化については、図３のときの電圧変化を破線で示してある。調光信号の電圧変化が実線に示すように傾きが小さく、変化幅がΔＶ２のときはΔＶｒｅｆより小さいので、マイコンから駆動回路１０にスイッチＳＷ１をオンする信号を出力しないから、通常の放電灯寿命末期検出動作を阻害することはない。

また破線に示すように傾きが大きく、変化幅がΔＶ１のときは、先に述べたように所定の値ΔＶｒｅｆより大きいので、マイコンから駆動回路１０にスイッチＳＷ１をオンする信号を出力して、調光信号の変化時に放電灯ＦＬの高周波電圧に直流成分が重畳することによる誤検出を回避する。

本実施形態において、マイコンのサンプリング周期は１０（ｍｓ）であるが、サンプリング周期が例えば２（ｍｓ）など、さらに短い場合においても、同様の効果が得られる。その場合、サンプリング周期が短くなるのに応じて、変化幅を検出するための所定の値ΔＶｒｅｆも小さく設定すれば良い。

（実施形態２）
本実施の形態では実施の形態１で述べたような放電灯点灯装置を搭載した照明器具の構成を例示する。図５はＦＨＦ２４Ｓを２灯点灯可能なシステム天井用照明器具のイメージ図である。図中、２０は器具本体、２１はソケット、２２は反射板である。ソケット２１にはランプピンと接触する充電部（図示せず）が含まれる。器具本体２０の内部には、実施の形態１で述べた１灯用調光用放電灯点灯装置を２台内蔵してもよいし、同機能を有した２灯用調光用放電灯点灯装置を１台内蔵してもよい。

（実施形態３）
図６は本発明の実施の形態３に係る照明システムの構成を示す説明図である。本実施の形態では、実施の形態２に記載した照明器具複数台を制御装置にて制御する照明システムについて説明する。実施の形態２に記載した照明器具Ａ〜Ｐの１６台が、制御装置Ｓ１〜Ｓ３に接続されている。制御装置Ｓ１〜Ｓ３は明るさセンサーを搭載し、明るさに応じて調光制御が可能な装置である。本実施の形態においては、照明器具Ａ〜Ｐにランプ負荷としてＦＨＦ２４Ｓを装着し、窓側の照明器具Ａ〜Ｄ及び照明器具Ｅ〜Ｈにそれぞれ制御装置Ｓ１、Ｓ２が接続されている。窓側でない照明器具Ｉ〜Ｐには制御装置Ｓ３が接続されている。制御装置の特徴として、明るさセンサーにより明るさを感知すると放電灯を調光し、放電灯の照度を低下させる機能を有しており、このような照明器具と制御装置のレイアウトによって昼光利用による省エネルギーを図ることができる。

本発明において、放電灯は施設・店舗用途に用いられる直管型のほか、主に住宅用途に用いられる環状型、あるいは主にダウンライト型の器具に用いられるコンパクト型のものであってもよい。

本発明の実施形態１の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態１に用いる調光部の正面図である。 本発明の実施形態１の調光信号の変化が急峻である場合の動作説明図である。 本発明の実施形態１の調光信号の変化が緩慢である場合の動作説明図である。 本発明の実施形態２の照明器具の外観を示す斜視図である。 本発明の実施形態３の照明システムの構成図である。 従来例の構成を示す回路図である。 従来例の動作説明図である。

符号の説明

ＦＬ 放電灯
１ インバータ回路
２ 共振回路
３ 予熱回路
４ 制御回路部
５ 周波数制御回路
６ 駆動回路
７ 直流成分検出部
８ 調光部
９ 調光信号検出部
１０ 駆動回路
ＥＬ 電圧比較器
ＳＷ１ スイッチ

Claims (3)

1. 少なくとも一つのスイッチング素子を有し直流電圧を高周波電圧に変換するインバータ回路と、
   少なくともコンデンサ及びインダクタを有し放電灯を点灯させる共振回路と、
   放電灯のフィラメントに接続され少なくとも予熱源と予熱制御用コンデンサと予熱制御用インダクタからなるフィラメント予熱回路と、
   インバータ回路の動作を制御する制御回路部と、
   放電灯への供給エネルギーを決定するための調光信号を前記制御回路部に出力し放電灯を調光動作させる調光部と、
   放電灯の寿命末期を検出する検出部と、
   前記検出部が放電灯の寿命末期を検出すると前記インバータ回路のスイッチングを制御して放電灯への出力を低減もしくは停止させる保護手段と、
   前記調光信号の変化を監視する調光信号検出部と、
   所定の時間は、前記検出部からの信号を前記保護手段に入力させないことで前記保護手段の動作を禁止する動作禁止手段とを備えた放電灯点灯装置において、
   前記調光信号検出部は、前記調光信号の変化率が所定値以上となった場合に、前記動作禁止手段を動作させ、前記調光信号の変化率が所定値未満の場合に、前記動作禁止手段を動作させないことを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 前記制御回路部及び前記保護手段及び動作禁止手段は一つの集積回路部品で構成されることを特徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の放電灯点灯装置を器具本体に内蔵したことを特徴とする照明器具。

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