JP5491716B2

JP5491716B2 - 放電灯点灯装置

Info

Publication number: JP5491716B2
Application number: JP2008260596A
Authority: JP
Inventors: 稔松本
Original assignee: Eye Lighting Systems Corp
Current assignee: Eye Lighting Systems Corp
Priority date: 2008-10-07
Filing date: 2008-10-07
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2028-10-07
Also published as: JP2010092681A

Description

本発明は放電灯点灯装置、特にランプ始動機構の改良に関する。

放電灯はその始動時に放電の開始（すなわちランプ電極間の絶縁破壊）を行い、且つ放電開始後は電流の限流を行うため、いわゆる放電灯点灯装置を用いる必要がある。
そして、放電灯を商用電源の周波数で正弦波点灯した場合にはちらつきを生じやすく、最近ではインバータ方式の放電灯点灯装置による矩形波点灯が主流となっている。
ところで、インバータ式放電灯点灯装置には、４個のスイッチング素子の交番により所望周波数の矩形波電力をランプに供給するフルブリッジ型インバータ回路を採用するものと、２個のスイッチング素子の交番により所望周波数の電力をランプに供給するハーフブリッジ型インバータ回路を採用するものとがあり、後者は回路構成が簡単でしかも部品点数も少なく、コスト面或いは小型化の要望に応える観点からも有用である（特許文献１〜３）。
ハーフブリッジ型インバータ回路を用いた場合には、ランプを、２個のインバータ用スイッチング素子の接続点と、２個の平滑コンデンサの接続点との間に設置し、基本的にスイッチング素子と平滑コンデンサで形成されるループで電流を流す。
しかしながら、ハーフブリッジ型インバータ回路を用いた放電灯点灯装置では、始動が困難になる場合がある。
すなわち、このような装置では、始動時にも前記ループで始動電力が供給されることとなる。このため、始動時にランプに印加される直流電圧は、二の平滑コンデンサにより分圧されてしまうため、力率改善回路の出力電圧の約半分となる。そして、高圧パルス電圧の印加により、ランプはグロー放電による発光状態とはなるが、アーク放電にはなかなか移行しないという現象が生じる。
これは力率改善回路の出力電圧を倍に増加させれば、解決する問題ではあるが、その場合、高価な高耐圧部品を使用する必要がある、また、交流電力を直流電力に変換する効率が著しく低下し、部品の発熱が大きくなり、放熱面積を増大させるため高圧放電灯点灯装置を大きくする必要があった。

本発明は前記従来技術に鑑みなされたものであり、その解決すべき課題は、ハーフブリッジ型インバータを採用しつつ、良好な始動性の放電灯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本発明にかかる放電灯点灯装置は、二の平滑コンデンサおよび二のインバータ用スイッチング素子を有するハーフブリッジ型インバータ回路を採用しており、
その制御回路は、始動時にグロー放電の発生を検知し、グロー放電期間は前記二つの平滑コンデンサのうち、点灯電力を供給しているコンデンサの放電が十分に行われるまでの間、スイッチング素子の交番周期を延長することを特徴とする。
また、前記装置において、制御回路は、
始動時にアーク放電の発生を検知してから安定放電にいたる指定期間は、前記グロー放電期間中と同様に、前記二つの平滑コンデンサのうち、点灯電力を供給しているコンデンサの放電が十分に行われるまでの間、スイッチング素子の交番周期を延長することが好適である。
なお、ここでコンデンサの放電が十分に行われるとは、好適にはコンデンサの端子電圧が力率改善回路の出力電圧値の１／４〜１／６に低下したことを判断基準としている。
また、アーク放電の発生から安定放電にいたる指定期間は、ランプにもよるが０．５〜２秒程度である。安定放電に移行したかどうかは、指定期間（０．５〜２秒程度）、連続して指定電流（定格電流の半分程度）以上を維持できたかどうかで判断することが好ましい。
また、始動時のグロー放電であるか否かは、放電電流が定格電流値の１／１０以下で、ランプの端子間電圧が１００Ｖ以上である場合にグロー放電と判断することが好ましい。
また、始動時のアーク放電であるか否かは、放電電流が定格電流値の１／２以上で、ランプの端子間電圧が３０Ｖ以下である場合に始動時アーク放電と判断するのが好ましい。

本発明によれば、安定点灯時のスイッチング素子の交番周期とは異なり、グロー放電期間中は平滑コンデンサの放電が十分に行われるまでスイッチング素子の交番を行わないこととしたので、他方のスイッチング素子のオン作動時に電力を供給する平滑コンデンサに十分な充電が行われ、グロー放電からアーク放電への移行がスムーズに行われる。

以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかるハーフブリッジ型放電灯点灯装置１０の回路構成を示している。
同図において、点灯装置１０は、商用電源１２から供給される交流電力を整流し直流化する整流回路１４と、該整流回路１４の出力を定電圧化、高力率化する力率改善回路１６と、力率改善回路１６の出力する直流電力を所望の周波数でランプ１８に供給するインバータ回路２０とを備える。

前記整流回路１４は全波整流ダイオードブリッジで構成され、低周波（例えば５０Ｈｚ）の電源である商用交流電源１２の出力端の両端に接続されている。
前記力率改善回路１６は、整流回路１４の一方の出力端（図では＋電圧出力端）に一端部が接続されたコイル２２と、このコイル２２の他端部と整流回路１４のもう一方の出力端（図では−電圧出力端）の間に抵抗２４を通してドレイン・ソースが接続された高周波スイッチング素子Ｑ_１２６と、該スイッチング素子Ｑ_１２６のスイッチングに伴う高周波成分通流用フィルタとしてのコンデンサ２８と、前記コイル２２とスイッチング素子Ｑ_１２６間の接続点にアノードが接続された転流ダイオード３０と、この転流ダイオード３０のカソードと抵抗２４を通して整流回路１４の−電圧出力端に接続された平滑コンデンサＣ_１３２，Ｃ_２３４の直列回路を備えている。そして、力率改善回路１６は、整流回路１４からの全波整流出力を入力して振幅一定な安定化した直流電圧を高力率で生成するアクティブフィルタ回路、あるいは直流電源として機能する。

力率改善回路１６の後段には、インバータ回路２０が接続されている。インバータ回路２０は、力率改善回路１６の平滑コンデンサＣ_１３２，Ｃ_２３４の直列回路の両端に並列に接続された高周波スイッチング素子Ｑ_２３６，Ｑ_３３８と、スイッチング素子Ｑ_２３６，Ｑ_３３８のそれぞれに並列に且つ素子Ｑ_２３６，Ｑ_３３８の電流の向きとは反対方向に接続されたダイオード４０，４２と、スイッチング素子Ｑ_２３６，Ｑ_３３８の直列回路の接続点と前記平滑コンデンサＣ_１３２，Ｃ_２３４の直列回路の接続点との間に接続されたインダクタとしてのコイル４４，ＨＩＤランプ１８および昇圧トランス４６の巻線の直列回路と、この直列回路に対して並列的に接続されて、ＨＩＤランプ１８を流れる電流から、スイッチング素子Ｑ_２３６，Ｑ_３３８の高周波スイッチングによる高周波成分を側路（バイパス）させるためのコンデンサ４８と、ＨＩＤランプ１８に流れる電流値を検出するための抵抗５０を備えている。

なお、スイッチング素子Ｑ_２３６，Ｑ_３３８としてＦＥＴを用いた場合は、ＦＥＴがその構成上内蔵している寄生ダイオードが逆電流通流用ダイオード４０，４２に利用されるので、特別にダイオードを接続する必要はない。
本実施形態において、各スイッチング素子Ｑ_１２６，Ｑ_２３６，Ｑ_３３８のオン／オフ制御は、制御回路５２で行われる。
すなわち、図１の放電灯点灯装置に交流電源が投入されると、整流回路１４の全波整流出力端の両端に接続した図示しない抵抗分圧回路により整流電圧を分圧した電圧が制御回路５２に供給され且つ整流回路１４の整流電圧が力率改善回路１６に供給されることで、力率改善回路１６のスイッチング素子Ｑ_１２６が高周波（数十ｋＨｚ）でオン／オフのスイッチング動作を開始する。

制御回路５２は、力率改善回路（昇圧チョッパ回路）１６の出力側の平滑コンデンサＣ_１３２，Ｃ_２３４の直列回路の出力電圧に応じて高周波スイッチング用スイッチング素子Ｑ_１２６のオン期間を制御することで、その出力電圧が一定値となるようにフィードバック制御すると共に、その制御は整流回路１４の全波整流電圧の振幅レベルの監視（整流回路の＋電圧出力端の電圧検出）と抵抗２４を流れる電流レベルの監視とに基づいて全波整流電圧の振幅レベルに応じてスイッチング素子Ｑ_１２６のオン期間を制御することで、入力交流電流を入力交流電圧の位相に一致させる力率改善の制御も行っている。これによって、力率改善回路１６は、全波整流電圧を高力率で安定化直流電圧に変換する。なお、スイッチング素子Ｑ_１２６のスイッチング周波数は通常数十ＫＨｚである。

次に、インバータ回路２０の動作を図２〜３に基づき説明する。まず、半周期Ｔの期間にスイッチング素子Ｑ_２３６がオン・オフする動作について、図２（Ａ）を参照しつつ説明する。スイッチング素子Ｑ_２３６のゲートに制御回路５２よりオンパルスが加えられて、スイッチング素子Ｑ_２３６がオンしたときには、平滑コンデンサＣ_１３２の充電電圧を電源として、コンデンサＣ_１３２ →スイッチング素子Ｑ_２３６ → コイル４４→ （トランス４６）→ ＨＩＤランプ１８ →（抵抗５０） →コンデンサＣ_１３２と電流が流れ、スイッチング素子３２がオフすると、コイル４４に蓄えられたエネルギーによって、コイル４４ →（トランス４６） → ＨＩＤランプ１８→ （抵抗５０） →コンデンサＣ_２３４→ （ダイオード４２） →コイル４４と電流が流れる。この結果、スイッチング素子Ｑ_２３６が高周波スイッチング動作している期間Ｔ１ではＨＩＤランプ１８には、常にコイル４４ → ＨＩＤランプ１８の方向に電流が流れることになる（図３（Ａ））。

そして、次の半周期Ｔ２の期間となると、スイッチング素子Ｑ_３３８がオン・オフする動作に入る。スイッチング素子Ｑ_３３８のゲートに制御回路５２よりオンパルスが加えられて、スイッチング素子Ｑ_３３８がオンすると、平滑コンデンサＣ_２３４の充電電圧を電源として、コンデンサＣ_２３４ →（抵抗５０）→ ＨＩＤランプ１８→（トランス４６）→コイル４４→スイッチング素子Ｑ_３３８→コンデンサＣ_２３４と電流が流れ、スイッチング素子Ｑ_３３８がオフすると、コイル４４に蓄えられたエネルギーによって、コイル４４→（ダイオード４０）→コンデンサＣ_１３２→（抵抗５０） → ＨＩＤランプ１８→（トランス４６）→コイル４４と電流が流れる。このため、スイッチング素子Ｑ_３３８が高周波スイッチング動作している次の期間Ｔ２では常にＨＩＤランプ１８には、（抵抗５０）→ ＨＩＤランプ１８→コイル４４の方向に電流が流れることになる（図３（Ｂ））。従って、ＨＩＤランプ１８には、高周波駆動でありながら、図３（Ｃ）に示すような低周波のランプ電流が流れることになる。

以下に本発明において特徴的な始動時の制御機構について説明する。
ハーフブリッジ型インバータを採用した場合には、前述したようにランプ始動時にもランプ電極間には力率改善回路１６出力電圧の約半分の電圧がかかるのみであり、しかもグロー放電期間中はランプ間電圧が高いため、安定点灯時の交番周期、デューティー比でインバータ回路を駆動させた場合、スイッチング素子Ｑ_２３６ないしＱ_３３８の交番周期では各対応コンデンサＣ_１３２ないしＣ_２３４の放電が十分に進まず、次周期のコンデンサへの充電が不十分となる。
そこで本発明においては、グロー放電期間中は対応コンデンサの放電が十分に進むまで交番周期を延長し、次周期に駆動するコンデンサへの充電が十分に行われるように制御することとしたのである。

次に、図４に示すフローチャート図を参照しつつ、半周期ごとに繰り返す処理について説明する。まず、インバータ回路２０において、最大の直流電圧をＨＩＤランプ１８に加えておき、さらに、高電圧パルスを印加する。この操作により絶縁破壊が発生しない場合は、指定された半周期の時間（１００Ｈｚの場合は５msec）程度待ったあと次の半周期ごとに繰り返す処理を行う。

グロー放電が発生した場合は、ＨＩＤランプ１８に加えられている直流電圧が低下し、またランプ電流が発生するので、これらの検知により制御回路５２はグロー放電の検出を行うことができる。また、アーク放電の開始時には、さらにランプ電圧が低下し、ランプ電流が上昇するため、グロー放電との識別が可能である。
ここで、始動時のグロー放電であるか否かは、放電電流が定格電流値の１／１０以下で、ランプの端子間電圧が１００Ｖ以上である場合にグロー放電と判断することが好ましい。
アーク放電が発生する前にインバータ回路２０の入力側コンデンサの電圧が十分に低下したならば、次の半周期ごとに繰り返す処理に移る。すなわち、安定点灯時の交番周期、たとえば１００Ｈｚで点灯しているのであれば５ｍｓｅｃの経過により強制的に交番が行われるのではなく、入力側コンデンサの電圧を指標に交番が行われるのである。

この結果、次周期に点灯電力を供給するコンデンサには十分なエネルギーが蓄積され、交番後のグロー放電およびその後のアーク放電への移行に備えることができる。
なお、コンデンサの電圧が十分に低下する前に、アーク放電が発生することもなく、グロー放電が停止した場合は次の半周期ごとに繰り返す処理に移行する。

さらに、グロー放電を経由せず、あるいはグロー放電を経由してアーク放電が開始した場合にも、アーク放電開始当初にはアーク放電の維持に十分なエネルギーを供給する必要があるため、グロー放電時と同様に交番後に作動するコンデンサへの充電を十分に行うことが好ましい。そして、アーク放電の安定後に、図４に示す始動用フローチャートに基づく制御は終了し、通常の点灯維持動作に移行する。
ここで、アーク放電の発生から安定放電にいたる指定期間は、ランプにもよるが０．５〜２秒程度である。安定放電に移行したかどうかは、指定期間（０．５〜２秒程度）、連続して指定電流（定格電流の半分程度）以上を維持できたかどうかで判断することが好ましい。

また、始動時のアーク放電であるか否かは、放電電流が定格電流値の１／２以上で、ランプの端子間電圧が３０Ｖ以下である場合に始動時アーク放電と判断するのが好ましい。
なお、上記実施例ではグロー放電ないしアーク放電初期の十分なコンデンサ放電を交番周期の延長により行ったが、スイッチング素子Ｑ_２３６ないしＱ_３３８のオン／オフのデューティー比を変更することにより放電の促進を行うこともできる。
この場合、コンデンサ放電が不十分と判断された段階で、スイッチング素子Ｑ_２３６またはＱ_３３８のゲートを駆動しているＰＷＭのパルス幅を徐々に広げていく。ランプ始動時には高エネルギーを与える為、パルス幅が大きい方が好ましいが、当初よりパルス幅を最大値に設定すると、グロー発生から瞬時に大電流アークに移行し、スイッチング素子に大電流が流れ故障を生じさせるおそれがある。このため、仮にアーク放電に瞬時に移行してもスイッチング素子に過大な電流が流れないよう、パルス幅を制限し、実際に放電が始まってからパルス幅を調整することが好ましい。

そしてアーク放電が発生した場合は、指定された電流が流れるように、スイッチング素子Ｑ_２３６またはＱ_３３８のゲートを駆動しているＰＷＭのパルス幅を調整する。インバータ回路２０入力側のコンデンサの電圧が十分に低下したならば、次の半周期ごとに繰り返す処理に移行する。また、コンデンサの電圧が十分に低下する前に、アーク放電が停止した場合は次の半周期ごとに繰り返す処理に移行する。
なお、制御回路５２では、前記スイッチング素子Ｑ_２３６，Ｑ_３３８の制御は図５に示す制御機構により行われる。

同図に示すように、スイッチング素子Ｑ_２３６，Ｑ_３３８のそれぞれ駆動期間におけるオン／オフタイミングは、パルス設定器６０により行われる。
パルス設定器６０は１０ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの発振を行うＯＳＣ発振器６２と、該発振器６２の出力する信号をカウントするカウンター６４と、予め設定されたパルス幅指定値ｔ１とカウンター６４のカウント値を比較する比較器６６と、同じく予め設定された一周期指定値ｔ２とカウント値を比較する比較器６８と、比較器６６，６８の出力をそれぞれＲ，Ｓ端子に入力するＲＳフリップフロップ７０とを備える。
そして、パルス設定器６０はパルス幅ｔ１，パルス周期ｔ２のパルス列を出力する。

また、スイッチング素子３６の駆動周期は、スイッチング指令器７２により設定される。このスイッチング指令器７２は、前記パルス設定器６０の出力するパルスのカウンター７４と、指定されたオン／オフ継続時間Ｔ１とカウント値を比較する比較器７６と、ＲＳフリップフロップ７８を備え、カウント値が指定継続時間に達するまでＲＳフリップフロップ７８はオン信号を継続する。

同様な構成がスイッチング素子３８のスイッチング指令器８０にも採用されており、カウンター８２、比較器８４、ＲＳフリップフロップ８６を備える。
そして、このスイッチング指令器７２，８０が設定時間ごとにそれぞれ交互に作動することにより、スイッチング素子Ｑ_２３６，Ｑ_３３８が所定駆動時間で交番駆動することになる。
したがって、前記図４のＴ１ないしＴ２の延長、短縮指令は、比較器７６，８４へのオン／オフ継続時間の指定により行われることとなる。

また、ＰＷＭ変調により放電促進を行う場合には、比較器６６へ入力するパルス幅の指定を変更すればよい。
また、本発明は、水銀ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプなどのＨＩＤランプのほか、キセノンランプを含む高圧放電点灯装置に応用できる。
産業用紫外線応用のための高圧放電点灯装置に応用できる。
さらに、本発明にかかる放電灯点灯装置は、オフィスや店舗用の照明器具に利用できる。

本発明の一実施形態にかかる放電灯点灯装置の概略回路構成の説明図である。図１に示した回路のインバータ作動状態の説明図である。図１に示した回路のインバータ用スイッチング素子のオン／オフ状態の説明図である。図１に示した回路の始動時フローチャートの説明図である。本発明に用いられる制御回路の要部詳細構成の説明図である。

符号の説明

１０放電灯点灯装置
１４整流回路
１６力率改善回路
１８ランプ
２０インバータ回路
３２，３４平滑コンデンサ
３６，３８インバータ用スイッチング素子
５２制御回路

Claims

交流電力を整流し直流化する整流回路と、
前記整流回路の両出力端を接続する二の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路を有する力率改善回路と、
交番して駆動する二のスイッチング素子が前記平滑コンデンサ直列回路と並列に接続されたハーフブリッジ型インバータ回路と、
前記インバータ用スイッチング素子の交番を制御する制御回路と、
を備え、前記二のインバータ用スイッチング素子の接続点と前記二の平滑コンデンサの接続点との間にランプを接続した放電灯点灯装置において、
前記制御回路は、
前記ランプの始動中にグロー放電の発生を検知した時は、当該グロー放電期間において前記二つの平滑コンデンサのうち、点灯電力を供給しているコンデンサの放電が十分に行われるまでの間、スイッチング素子の交番周期を延長し、
また、前記ランプの始動中にアーク放電の発生を検知してから安定放電にいたる指定期間は、前記グロー放電期間中と同様に、前記二つの平滑コンデンサのうち、点灯電力を供給しているコンデンサの放電が十分に行われるまでの間、スイッチング素子の交番周期を延長し、
前記ランプが安定放電に至るまでの間、前記スイッチング素子毎に、前記ランプの放電状態の検知と、当該ランプの放電状態に基づくスイッチング素子の交番周期の延長を、繰り返して行うことを特徴とする放電灯点灯装置。