JP5491810B2 - 放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents

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Description

本発明は、放電灯点灯装置及び照明器具に関するものである。
従来から、高圧の金属蒸気中のアーク放電を利用するHIDランプのような放電灯を点灯させる放電灯点灯装置が提供されている(例えば、特許文献1参照。)
この種の放電灯点灯装置として、例えば図21に示すものがある。この放電灯点灯装置は、交流電源1から入力された交流電力を所定電圧の直流電力に変換して出力する直流電源部2と、直流電源部2が出力した直流電力を交流電力に変換して放電灯DLに出力する点灯部3と、点灯部3を制御する制御部4とを備える。
詳しく説明すると、直流電源部2は、適宜のヒューズやフィルタを介して交流電源に接続され低電圧側の直流出力端がグランドに接続されたダイオードブリッジDBと、ダイオードブリッジDBの直流出力端間に接続されたインダクタL3とスイッチング素子Q5との直列回路と、スイッチング素子Q5に並列に接続されたダイオードD5と出力コンデンサC5との直列回路とを備え、出力コンデンサC5の両端電圧を出力電圧としている。つまり、直流電源部2は、ダイオードブリッジDBの出力端間に周知のブーストコンバータ(昇圧チョッパ回路)が接続されたものである。さらに、直流電源部2は、出力コンデンサC5の両端電圧(すなわち直流電源部2の出力電圧)を一定に保つようなオンデューティでスイッチング素子Q5を周期的にオンオフ駆動する電源駆動回路21を備える。
点灯部3は、いわゆるフルブリッジ形のインバータ回路であって、それぞれ直流電源部2の出力端間に接続された2個のスイッチング素子Q1〜Q4の直列回路を2組有する。点灯部3の各スイッチング素子Q1〜Q4は、それぞれ、例えばMOSFETであって寄生ダイオード(ボディダイオード)を有し、寄生ダイオードの順方向を直流電源部2の出力に対して逆向きとする形で接続されている。スイッチング素子Q1〜Q4のうち、低電圧側の2個のスイッチング素子Q2,Q4は、それぞれ電流検出用の抵抗である検出抵抗R2を介して直流電源部2の低電圧側の出力端に接続されている。放電灯DLは、高圧放電灯とも呼ばれるHIDランプからなり、一端が第1インダクタL1を介して一方の上記直列回路のスイッチング素子Q3,Q4(このうち高電圧側のスイッチング素子Q3を以下では第3スイッチング素子Q3と呼び、低電圧側のスイッチング素子Q4を以下では第4スイッチング素子Q4と呼ぶ。)の接続点に接続されるとともに、他端が第2インダクタL2を介して他方の上記直列回路のスイッチング素子Q1,Q2(このうち高電圧側のスイッチング素子Q1を以下では第1スイッチング素子Q1と呼び、低電圧側のスイッチング素子Q2を以下では第2スイッチング素子Q2と呼ぶ。)の接続点に接続されている。さらに、リプル低減のために、第2インダクタL2と放電灯DLとの直列回路に並列に第1コンデンサC1が接続されている。また、低電圧側のスイッチング素子Q2,Q4と検出抵抗R2との接続点は、それぞれカソードをグランドに向けた2個のダイオードD1,D2と抵抗との直列回路を介してグランドに接続されている。これらのダイオードD1,D2は、第2コンデンサC2と第2インダクタL2とが構成する共振回路に流れる共振電流が検出抵抗R2に流れないようにバイパスさせるものである。さらに、第2インダクタL2はタップが設けられてオートトランスとなっており、このタップは第2コンデンサC2と抵抗R1との直列回路を介して上記2個のダイオードD1,D2の接続点に接続されている。
制御部4は、点灯部3の各スイッチング素子Q1〜Q4をそれぞれオンオフ駆動する駆動回路41,42と、駆動回路41,42を制御する制御用集積回路40とからなる。このような制御部4は周知技術で実現可能であるので、詳細な図示並びに説明は省略する。
制御用集積回路40は、検出抵抗R2とスイッチング素子Q2,Q4との接続点と、第2インダクタL2とスイッチング素子Q1,Q2との接続点とに接続されている。すなわち、制御用集積回路40は、検出抵抗R2の両端電圧に基いて、点灯部3から放電灯DLへの出力電流(以下、「ランプ電流」と呼ぶ。)を検出するとともに、第2インダクタL2とスイッチング素子Q1,Q2との接続点のグランドに対する電位に基いて、点灯部3から放電灯DLへの出力電圧(以下、「ランプ電圧」と呼ぶ。)を検出している。さらに、第1インダクタL1には、グランドに接続されたタップを有する二次巻線が設けられており、この二次巻線の両端はそれぞれダイオードD3,D4を介して制御用集積回路40に接続されている。
以下、上記の放電灯点灯装置の動作を説明する。電源が投入されると、制御部4は、放電灯DLにおける放電の開始に必要な高電圧を点灯部3から放電灯DLに出力させるための始動動作を行う。具体的には、互いに対角に位置するスイッチング素子Q1〜Q4同士が同時にオンされ且つ互いに直列に接続されたスイッチング素子Q1〜Q4同士が交互にオンされるように、点灯部3の各スイッチング素子Q1〜Q4を周期的にオンオフ駆動する。このオンオフ駆動の周波数は、第2インダクタL2と第2コンデンサC2とが構成する共振回路の共振周波数(例えば、基準共振周波数360kHzの3分の1の2次共振周波数である120kHz)とされる。この始動動作中に第2インダクタL2と第2コンデンサC2との接続点に発生した共振電圧がオートトランスとしての第2インダクタL2で昇圧されて放電灯DLに出力され、これによって放電灯DLにおいて放電(すなわち点灯)が開始される。放電灯DLが点灯を開始すると、放電灯DLに電流が流れ始め、第1インダクタL1の二次巻線に誘導されてダイオードD3,D4を介して流入する電流により制御部4は放電灯DLの点灯を検出し、次の電極加熱動作に移行する。
電極加熱動作について図22を用いて説明する。なお、図22において、横軸は時間であって、Q1〜Q4のグラフは、それぞれ、その符号のスイッチング素子がオンされている期間を示し、第1インダクタL1に流れる電流は放電灯DL側から流れる向き(図21における右向き)を正(すなわち図22においてゼロを示す横線よりも上側にプロットされる極性)としている。以後に示す図でも同様である。電極加熱動作では、制御部4は、図22に示すように、まず、互いに対角に位置するスイッチング素子Q1〜Q4の組の一方の各スイッチング素子(例えば第1スイッチング素子Q1と第4スイッチング素子Q4)をそれぞれオンして他方の各スイッチング素子(例えば第2スイッチング素子Q2と第3スイッチング素子Q3)をそれぞれオフする。すると、第1インダクタL1に流れる電流(以下、「回路電流」と呼ぶ。)が徐々に増加し、各インダクタL1,L2にはそれぞれエネルギーが蓄積される。そして、回路電流が所定値に達すると、制御部4は、オンしていた組の一方のスイッチング素子(例えば第4スイッチング素子Q4)をオフする。その後、所定時間が経過したタイミングで、他方のスイッチング素子(例えば第1スイッチング素子Q1)もオフする。スイッチング素子Q1〜Q4の3個以上がオフされている期間には、各インダクタL1,L2からのエネルギーの放出により、回路電流は、直前までオンされていたスイッチング素子Q1,Q4の寄生ダイオードと直流電源部2の出力コンデンサC5とを含むループに流れるものの、徐々に減少する。そして、回路電流がゼロに達すると、上記一方の組の各スイッチング素子Q1,Q4をそれぞれオンし、以下、同様の動作を所定回数繰り返す。その後、図22の右半分のように、スイッチング素子Q1〜Q4のうちオフ状態に維持される組とオンオフ制御される組とを入れ替える。上記の例においては、第1スイッチング素子Q1と第4スイッチング素子Q4とをそれぞれオフ状態に維持し、第2スイッチング素子Q2と第3スイッチング素子Q3とに対して上記のようなオンオフ制御を開始する。これによって回路電流の極性を反転させ、同様のオンオフ制御を所定回数繰り返す。その後、再びオンオフ制御するスイッチング素子Q1〜Q4の組を変更することで回路電流の極性を反転させ、以下、同様の動作を繰り返す。上記のような回路電流の極性の反転は、100Hz〜200Hzの周波数で行われる。
電極加熱動作中にランプ電圧が所定電圧に達すると、制御部4は、放電灯DLの点灯を維持するための安定点灯動作に移行する。安定点灯動作では、制御部4は、図23に示すように、まず、互いに対角に位置するスイッチング素子Q1〜Q4の組の一方の各スイッチング素子(例えば第1スイッチング素子Q1と第4スイッチング素子Q4)をそれぞれオンして他方の各スイッチング素子(例えば第2スイッチング素子Q2と第3スイッチング素子Q3)をそれぞれオフする。すると、回路電流が徐々に増加し、各インダクタL1,L2にはそれぞれエネルギーが蓄積される。そして、回路電流が所定値に達すると、制御部4は、オンしていた組の一方のスイッチング素子(例えば第4スイッチング素子Q4)をオフする。すると、各インダクタL1,L2からのエネルギーの放出により、回路電流は、直前までオンされていたスイッチング素子Q1,Q4の寄生ダイオードと直流電源部2の出力コンデンサC5とを含むループに流れるものの、徐々に減少する。そして、回路電流がゼロに達すると、再び上記一方のスイッチング素子(上記の例では第4スイッチング素子Q4)をオンさせ、同様の動作を所定回数繰り返す。その後、図23の右半分のように、スイッチング素子Q1〜Q4のうちオフ状態に維持される組とオン制御される可能性のある組とを入れ替える。上記の例においては、第1スイッチング素子Q1と第4スイッチング素子Q4とをそれぞれオフ状態に維持し、第2スイッチング素子Q2と第3スイッチング素子Q3とに対して上記のようなオンオフ制御を開始する。これによって回路電流の極性を反転させ、同様のオンオフ制御を所定回数繰り返す。その後、再びオンオフ制御するスイッチング素子Q1〜Q4の組を変更することで回路電流の極性を反転させ、以下、同様の動作を繰り返す。上記のような回路電流の極性の反転の周波数は、例えば100Hz〜200Hzとされる。
特許第4240998号公報
上記の放電灯点灯装置において、始動動作中は、その後の電極加熱動作や安定点灯動作に比べ、放電灯DLへの出力の周波数が非常に高くされる。従って、始動動作中に放電灯DLが点灯を開始しても、放電灯DLに並列に接続された第1コンデンサC1に電流が流れてしまうことにより、放電灯DLでの放電維持に必要なランプ電流が不足することで立ち消えが発生しやすかった。
本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、始動時に立ち消えが発生しにくい放電灯点灯装置及び照明器具を提供することにある。
請求項1の発明は、放電灯に対して並列に接続されるコンデンサと放電灯に接続される共振回路とを少なくとも含み直流電力を入力されて前記放電灯に対して交流電力を出力するフルブリッジ形のインバータ回路からなる点灯部と、点灯部を制御する制御部とを備え、制御部は、放電灯の点灯を開始させる際、放電灯における放電の開始に必要な電圧が放電灯に出力される程度に、点灯部に含まれる共振回路の共振周波数に対して点灯部の出力の周波数を充分に近くするように点灯部を制御する始動動作を所定時間継続するものであって、始動動作中には、点灯部において互いに対角に位置するスイッチング素子の組のうち一方の組の制御を他方の組の制御に対して非対称とすることで、放電灯への出力電圧に直流成分を発生させるものであって、点灯部において、各スイッチング素子は、それぞれ、入力される直流電力に対して逆向きの寄生ダイオードを有し、制御部は、始動動作において、点灯部において互いに対角に位置するスイッチング素子の組のうち一方の組の各スイッチング素子をそれぞれオンして他方の組の各スイッチング素子をそれぞれオフする状態と、前記他方の組のスイッチング素子のうち一方のみをオンして他の3個のスイッチング素子をそれぞれオフする状態とを、周期的に交互に繰り返すように、点灯部を制御することを特徴とする。
請求項2の発明は、放電灯に対して並列に接続されるコンデンサと放電灯に接続される共振回路とを少なくとも含み直流電力を入力されて前記放電灯に対して交流電力を出力するフルブリッジ形のインバータ回路からなる点灯部と、点灯部を制御する制御部とを備え、制御部は、放電灯の点灯を開始させる際、放電灯における放電の開始に必要な電圧が放電灯に出力される程度に、点灯部に含まれる共振回路の共振周波数に対して点灯部の出力の周波数を充分に近くするように点灯部を制御する始動動作を所定時間継続するものであって、始動動作中には、点灯部において互いに対角に位置するスイッチング素子の組のうち一方の組の制御を他方の組の制御に対して非対称とすることで、放電灯への出力電圧に直流成分を発生させるものであって、点灯部において、各スイッチング素子は、それぞれ、入力される直流電力に対して逆向きの寄生ダイオードを有し、制御部は、始動動作において、点灯部において互いに対角に位置するスイッチング素子の組のうち一方の組の各スイッチング素子をそれぞれオンして他方の組の各スイッチング素子をそれぞれオフする状態と、前記一方の組のスイッチング素子のうち一方のみをオンして他の3個のスイッチング素子をそれぞれオフする状態と、前記他方の組のスイッチング素子のうち一方のみをオンして他の3個のスイッチング素子をそれぞれオフする状態とを、周期的に循環して繰り返すように、点灯部を制御することを特徴とする。
この発明によれば、放電灯への出力電圧に発生する直流成分によって放電灯への出力電流が確保されるから、放電灯への出力電圧に直流成分を発生させない場合に比べ、始動動作において放電灯の点灯開始後の立ち消えが発生しにくい。
請求項の発明は、請求項1又は請求項2の発明において、制御部は、始動動作において、点灯部の動作の周波数を、点灯部に含まれる共振回路の共振周波数を含む所定の掃引周波数範囲内で徐々に変化させることを特徴とする。
この発明によれば、回路部品のばらつきによらず、始動動作中に放電灯の点灯開始のために充分に高い電圧を、確実に放電灯に出力することが可能となる。
請求項の発明は、請求項の発明において、制御部は、始動動作において、点灯部の動作の周波数を、掃引周波数範囲の上限の周波数から下限の周波数にかけて徐々に低下させることを特徴とする。
請求項の発明は、請求項の発明において、制御部は、始動動作において、点灯部の動作の周波数の変化を、周期的に複数回行うものであって、点灯部の動作の周波数を掃引周波数範囲の下限の周波数とした後、点灯部の動作の周波数を掃引周波数範囲の上限の周波数とする前に、所定時間にわたり、点灯部の動作の周波数を、掃引周波数範囲の上限の周波数よりも低く且つ掃引周波数範囲の下限の周波数よりも高い周波数とすることを特徴とする。
この発明によれば、点灯部の動作の周波数を掃引周波数範囲の下限の周波数とした直後に掃引周波数範囲の上限の周波数とする場合に比べ、放電灯の立ち消えが発生しにくい。
請求項の発明は、請求項1〜のいずれかの発明において、制御部は、始動動作中に、放電灯への出力電圧の直流成分の極性を少なくとも1回反転させるように点灯部を制御することを特徴とする。
この発明によれば、放電灯への出力電圧の直流成分の極性が反転されない場合に比べ、放電灯の一方の電極の加熱が不足することによる不点灯や、放電灯の一方の電極のみが集中的に損耗することによる寿命短縮が抑えられる。
請求項の発明は、請求項又は請求項の発明において、制御部は、始動動作中、点灯部において互いに対角に位置するスイッチング素子の組のうちどちらを前記一方の組とするかを、少なくとも1回入れ替えるものであって、入れ替え時には、放電灯に並列に接続されたコンデンサの両端電圧を徐々に低下させる過渡動作を所定時間にわたって行うように点灯部を制御することを特徴とする。
この発明によれば、制御の入れ替えに伴う、放電灯への出力電圧の直流成分の極性の反転時に、放電灯に並列に接続されたコンデンサが急激に放電されることによる電流のピークが、過渡動作が行われない場合に比べて抑えられる。
請求項の発明は、請求項の発明において、過渡動作は、点灯部において互いに対角に位置するスイッチング素子の前記一方の組と前記他方の組とが交互に周期的にオンされ、且つ、直前まで前記一方の組とされていた各スイッチング素子のオンデューティが直前まで前記他方の組とされていた各スイッチング素子のオンデューティよりも高くされるものであることを特徴とする。
請求項の発明は、請求項の発明において、過渡動作は、直前まで前記一方の組とされていた各スイッチング素子をそれぞれオンするとともに直前まで前記他方の組とされていた各スイッチング素子をそれぞれオフする状態と、直前まで前記他方の組とされていた各スイッチング素子をそれぞれオンするとともに直前まで前記一方の組とされていた各スイッチング素子をそれぞれオフする状態と、直前まで前記他方の組とされていたスイッチング素子の一方をオンするとともに他の3個のスイッチング素子をそれぞれオフする状態とを、周期的に循環して繰り返すものであることを特徴とする。
請求項10の発明は、請求項の発明において、過渡動作は、直前まで前記一方の組とされていた各スイッチング素子をそれぞれオフするとともに直前まで前記他方の組とされていたスイッチング素子の一方をオンした状態で直前まで前記他方の組とされていたスイッチング素子の他方を周期的にオンオフするものであることを特徴とする。
請求項11の発明は、請求項の発明において、点灯部は、放電灯の点灯後に放電灯への出力電流にスパイク状の成分を重畳するスパイク重畳手段を有することを特徴とする。
請求項12の発明は、請求項1〜11のいずれか1項に記載の放電灯点灯装置と、放電灯点灯装置によって点灯される放電灯と放電灯点灯装置とをそれぞれ保持する器具本体とを備えることを特徴とする。
請求項1及び請求項2の発明によれば、放電灯に対して並列に接続されるコンデンサと放電灯に接続される共振回路とを少なくとも含み前記放電灯に対して交流電力を出力する点灯部と、点灯部を制御する制御部とを備え、制御部は、放電灯の点灯を開始させる際、放電灯における放電の開始に必要な電圧が放電灯に出力される程度に、点灯部に含まれる共振回路の共振周波数に対して点灯部の出力の周波数を充分に近くするように点灯部を制御する始動動作を所定時間継続するするものであって、始動動作中には、放電灯への出力電圧に直流成分を発生させるように、点灯部を制御するので、放電灯への出力電圧に発生する直流成分によって放電灯への出力電流が確保されるから、放電灯への出力電圧に直流成分を発生させない場合に比べ、始動動作において放電灯の点灯開始後の立ち消えが発生しにくい。
請求項の発明によれば、制御部は、始動動作において、点灯部の動作の周波数を、点灯部に含まれる共振回路の共振周波数を含む所定の掃引周波数範囲内で徐々に変化させるので、回路部品のばらつきによらず、始動動作中に放電灯の点灯開始のために充分に高い電圧を、確実に放電灯に出力することが可能となる。
請求項の発明によれば、制御部は、始動動作において、点灯部の動作の周波数の変化を、周期的に複数回行うものであって、点灯部の動作の周波数を掃引周波数範囲の下限の周波数とした後、点灯部の動作の周波数を掃引周波数範囲の上限の周波数とする前に、所定時間にわたり、点灯部の動作の周波数を、掃引周波数範囲の上限の周波数よりも低く且つ掃引周波数範囲の下限の周波数よりも高い周波数とするので、点灯部の動作の周波数を掃引周波数範囲の下限の周波数とした直後に掃引周波数範囲の上限の周波数とする場合に比べ、放電灯の立ち消えが発生しにくい。
請求項の発明によれば、制御部は、始動動作中に、放電灯への出力電圧の直流成分の極性を少なくとも1回反転させるように点灯部を制御するので、放電灯への出力電圧の直流成分の極性が反転されない場合に比べ、放電灯の一方の電極の加熱が不足することによる不点灯や、放電灯の一方の電極のみが集中的に損耗することによる寿命短縮が抑えられる。
請求項の発明によれば、制御の入れ替えに伴う、放電灯への出力電圧の直流成分の極性の反転時に、放電灯に並列に接続されたコンデンサが急激に放電されることによる電流のピークが、過渡動作が行われない場合に比べて抑えられる。
本発明の実施形態1において点灯部の各スイッチング素子のオンオフ状態とランプ電圧とランプ電流との時間変化を示す説明図である。 同上の始動動作において点灯部の各スイッチング素子のオンオフ状態と第1インダクタに流れる電流との時間変化を示す説明図である。 同上において放電灯の点灯が判定されなかった場合の動作を示す説明図である。 ランプ電圧の実効値とランプ電力との関係の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態2において点灯部の各スイッチング素子のオンオフ状態とランプ電圧とランプ電流との時間変化を示す説明図である。 同上の始動動作において点灯部の各スイッチング素子のオンオフ状態と第1インダクタに流れる電流との時間変化を示す説明図である。 同上と実施形態1とのそれぞれについて、動作周波数を140kHzから70Hzまで徐々に低下させる1個のスイープ動作中での、ランプ電流の変化のシミュレーション結果を示す説明図である。 本発明の実施形態3において点灯部の各スイッチング素子のオンオフ状態とランプ電圧とランプ電流との時間変化を示す説明図である。 同上において第1スイッチング素子のゲートへの入力電圧と第3スイッチング素子のゲートへの入力電圧とランプ電圧との波形の例を示す説明図である。 図9の波形の要部を拡大した説明図である。 図10の波形の要部を拡大した説明図である。 同上においてランプ電圧とランプ電流との波形の例を示す説明図である。 (a)は図12のランプ電流からスパイク状の成分を除去した波形を示す説明図であり、(b)は(a)の要部を拡大した説明図である。 同上において始動動作中のランプ電圧とランプ電流との関係の例を示す説明図である。 発明の実施形態4の始動動作において点灯部の各スイッチング素子のオンオフ状態とランプ電流との時間変化を示す説明図である。 同上の変更例の始動動作において点灯部の各スイッチング素子のオンオフ状態とランプ電流との時間変化を示す説明図である。 同上の別の変更例の始動動作において点灯部の各スイッチング素子のオンオフ状態とランプ電流との時間変化を示す説明図である。 同上を用いた照明器具の一例を示す斜視図である。 同上を用いた照明器具の別の例を示す斜視図である。 同上を用いた照明器具の更に別の例を示す斜視図である。 放電灯点灯装置の一例を示す回路ブロック図である。 同上の電極加熱動作における点灯部の各スイッチング素子のオンオフ状態と第1インダクタに流れる電流との時間変化を示す説明図である。 同上の安定点灯動作における点灯部の各スイッチング素子のオンオフ状態と第1インダクタに流れる電流との時間変化を示す説明図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施形態1)
本実施形態の基本構成は図21で説明した従来例と共通であるので、共通する部分については説明を省略する。
本実施形態は、図21〜図23で説明した従来例と比較すると、始動動作の内容が異なる。
具体的に説明すると、本実施形態では、図1に示すように、始動動作P1において、互いに対角に位置する一方の組の各スイッチング素子(図では第1スイッチング素子Q1と第4スイッチング素子Q4)をそれぞれオンして他方の組の各スイッチング素子(図では第2スイッチング素子Q2と第3スイッチング素子Q3)をそれぞれオフする第1の状態と、上記他方の組の一方のスイッチング素子(図では第2スイッチング素子Q2)をオンして他の各スイッチング素子をそれぞれオフする第2の状態とを交互に切り替えること、つまり、点灯部3のスイッチング素子のうちの1個(図では第3スイッチング素子Q3)をオフ状態に維持することで、点灯部3の出力電圧(すなわち放電灯DLの両端電圧。以下、「ランプ電圧」と呼ぶ。)に直流成分を発生させている。本実施形態において、オンオフ駆動される各スイッチング素子Q1,Q2,Q4のオンデューティは、それぞれ約50%とされる。なお、図1において、ランプ電圧及びランプ電流は、それぞれ、図21における右向きを正としている。以後に示す図でも同様である。
すなわち、放電灯DLが点灯していない期間には、スイッチング素子Q1〜Q4のうち互いに対角に位置する2個がオンされている第1の状態では、オンされている2個のスイッチング素子(図では第1スイッチング素子Q1と第4スイッチング素子Q4)と、第1コンデンサC1と、第1インダクタL1と、直流電源部2の出力コンデンサC5とで構成されるループに、直流電源部2の出力コンデンサC5を電源とした電流が流れることで、第1コンデンサC1が充電されるとともに、第1インダクタL1にエネルギーが蓄積される。また、スイッチング素子Q1〜Q4のうち1個だけがオンされている第2の状態では、オンされている1個のスイッチング素子(図では第2スイッチング素子Q2)とそのスイッチング素子の対角に位置するスイッチング素子(図では第3スイッチング素子Q3)の寄生ダイオードと、第1インダクタL1と、直流電源部2の出力コンデンサC5とで構成されるループに、第1インダクタL1を電源とした電流が流れ、第1インダクタL1に蓄積されたエネルギーが放出される。この結果、第1インダクタL1に流れる電流は図2に示すような1方向(図では正方向)の三角波となり、この電流によって第1コンデンサC1が充電され、第1コンデンサC1の両端電圧に応じた直流成分が、点灯部3から放電灯DLへの出力電圧に重畳される。上記動作中に第2インダクタL2と第2コンデンサC2との共振回路が発生させる共振電圧により放電灯DLでグロー放電が開始され、さらに、第1コンデンサC1の放電により、上記のグロー放電からアーク放電への移行が促され、ここにおいて放電灯DLが点灯を開始する。
また、本実施形態では、始動動作P1は、途中で図1にtsで示すタイミングのように放電灯DLの点灯が開始されてランプ電流が流れ始めたとしても、所定の始動時間(例えば900ms)は継続される。放電灯DLの点灯後の始動動作P1中には、第1コンデンサC1に代わり放電灯DLが上記のループを構成する。また、第2インダクタL2と第2コンデンサC2とが構成する共振回路は、放電灯DLが点灯したタイミングtsの後の始動動作P1中には、点灯部3のスイッチング素子Q1〜Q4のオンオフ切替のタイミングに同期したピークを有するスパイク状の電流をランプ電流に重畳しており、この電流によっても放電灯DLの立ち消えが抑えられている。
また、始動動作P1中には、点灯部3の動作の周波数(すなわち各スイッチング素子Q1〜Q4のオンオフの周波数。以下、「動作周波数」と呼ぶ。)を、点灯部3の第2インダクタL2と第2コンデンサC2とが構成する共振回路の共振周波数(例えば、基準共振周波数360kHzの3分の1の2次共振周波数である120kHz)を含む所定の掃引周波数範囲の上限から下限にかけて徐々に低下されるというスイープ動作が複数回繰り返される。これにより、第2インダクタL2や第2コンデンサC2の特性のばらつきに関わらず、始動動作P1中のいずれかの時点で確実に動作周波数を上記の共振周波数に一致させることができる。なお、図ではスイープ動作の回数は4回となっているが、実際にはスイープ動作は1個の始動動作P1中で例えば98回行われる。また、スイープ動作における動作周波数の変化は、上記のように動作周波数が掃引周波数範囲の上限から下限にかけて徐々に低下されるものに限られず、動作周波数が掃引周波数範囲の下限から上限にかけて徐々に上昇されるものとしてもよい。または、動作周波数を徐々に上昇させるスイープ動作と動作周波数を徐々に低下させるスイープ動作とを交互に繰り返し、動作周波数が掃引周波数範囲の上限と下限との間を往復するように構成してもよい。
制御部4(制御用集積回路40)は、始動動作P1の終了時、つまり上記の始動時間の経過時に放電灯DLが点灯しているか否かを判定し、放電灯DLが点灯していないと判定された場合、図3に示すように、所定の第1停止時間T1(例えば5秒)にわたって、点灯部3を停止(つまり、各スイッチング素子Q1〜Q4をそれぞれオフ状態に維持)させた後、再度の始動動作P1を開始する。制御部4は、上記のように第1停止時間T1を挟んで始動回数P1を所定回数(例えば6回)繰り返し、この一連の動作(以下、「試行動作」と呼ぶ。)の最後の始動動作P1の終了時に、なお放電灯DLが点灯しないと判定されていれば、放電灯DL内の圧力をいったん低下させるために第1停止時間T1よりも長い所定の第2停止時間T2(例えば90秒)にわたって点灯部3を停止させ、再度、上記の試行動作を開始する。上記のような試行動作が所定の上限時間T3(例えば30分)にわたって繰り返されても放電灯DLの点灯が検出されない場合、制御部4は、以後は始動動作P1を開始しない。
また、始動動作P1の終了時に、放電灯DLが点灯していると判定されれば、制御部4は、安定点灯動作P2に移行する。なお、従来例と同様に電極加熱動作(図示せず)を経てから安定点灯動作P2に移行するようにしてもよい。電極加熱動作や安定点灯動作P2の内容は図22や図23で示した従来例と同様とすることができる。電極加熱動作や安定点灯動作P2には、例えば図4に示すような、点灯部3から放電灯DLに出力される電力(以下、「ランプ電力」と呼ぶ。)とランプ電圧との関係を用いることができる。
上記構成によれば、始動動作P1中にランプ電圧に直流成分が発生することで、放電灯DLの点灯開始後にランプ電流が確保されるから、始動動作P1中のランプ電圧が直流成分を含まない場合に比べて立ち消えの発生が抑えられる。
(実施形態2)
本実施形態の基本構成は実施形態1と共通であるので、共通する部分については説明を省略する。
本実施形態は始動動作P1の内容が実施形態1と異なっており、図5に示すように、点灯部3において互いに対角に位置するスイッチング素子の組のうち一方の組の各スイッチング素子(図5の前半では第1スイッチング素子Q1及び第4スイッチング素子Q4、図5の後半では第2スイッチング素子Q2及び第3スイッチング素子Q3)をそれぞれオンして他方の組の各スイッチング素子をそれぞれオフする第1の状態と、前記一方の組のスイッチング素子のうち一方(図5の前半では第1スイッチング素子Q1、図5の後半では第2スイッチング素子Q2)のみをオンして他の3個のスイッチング素子をそれぞれオフする中間状態と、前記他方の組のスイッチング素子のうち一方(図5の前半では第2スイッチング素子Q2、図5の後半では第1スイッチング素子Q1)のみをオンして他の3個のスイッチング素子をそれぞれオフする第2の状態とを、周期的に循環して繰り返すものとなっている。すなわち、点灯部3において互いに対角に位置し同時にオンされるスイッチング素子のうち、上記一方(図5の前半では第1スイッチング素子Q1、図5の後半では第2スイッチング素子Q2)のオンデューティを、上記他方(図5の前半では第4スイッチング素子Q4、図5の後半では第3スイッチング素子Q3)のオンデューティよりも大きくしている。上記の中間状態では、例えば図5の前半では第1スイッチング素子Q1と第1インダクタL1と第3スイッチング素子Q3の寄生ダイオードとを含むループといったように、直流電源部2の出力コンデンサC5を含まない閉ループに電流が流れることで、第1インダクタL1に流れる電流は略一定となる。これにより、図6に示すように、第1インダクタL1に流れる電流は台形状の波形となる。
ここで、動作周波数を140kHzから70Hzまで徐々に低下させる1個のスイープ動作中での、ランプ電流の変化のシミュレーション結果を、図7において、実施形態1の場合について曲線Bで示し、本実施形態の場合について曲線Aで示す。図7において横軸は時間であり、左端がスイープ動作の開始時点であって動作周波数が140kHzである時点であり、右端がスイープ動作の終了時点であって動作周波数が70kHzである時点である。ここで、実施形態1では始動動作P1中に第1インダクタL1に流れる電流は図2に示したように三角波となるのに対し、本実施形態では第1インダクタL1に流れる電流が図6に示したような台形状の波形となることで、図7に表れているようにランプ電流のピークが低く抑えられる。従って、第1インダクタL1等の回路部品としてより小型の部品を用いることができるから、放電灯点灯装置の小型化が可能となる。
さらに、始動動作P1の開始時から始動時間の半分(例えば450ms)が経過した時点tcで、上記動作において一方の組とするスイッチング素子と、他方の組とするスイッチング素子とを入れ替えること、別の言い方をすれば、オフ状態に維持するスイッチング素子を第3スイッチング素子Q3から第4スイッチング素子Q4といったように変更することで、点灯部3の出力の直流成分の極性を反転させている。これにより、放電灯DLの一方の電極においてのみ加熱が不足することによる放電灯DLの不点灯や、放電灯DLの一方の電極において集中的に損耗が進行することでの短寿命化の防止が可能となる。また、上記のように極性が反転される際の放電灯DLの立ち消えは、第2インダクタL2と第2コンデンサC2とが構成する共振回路がランプ電流に発生させるスパイク状の成分により抑えられている。すなわち、上記共振回路が請求項におけるスパイク重畳手段である。上記のような極性の反転は、始動動作P1中に複数回行われてもよい。
(実施形態3)
本実施形態の基本構成は実施形態1と共通であるので、共通する部分については説明を省略する。
本実施形態でも、実施形態2と同様に、始動動作P1の開始時から始動時間の半分(例えば450ms)が経過した時点tcで、オフ状態に維持するスイッチング素子を第3スイッチング素子Q3から第4スイッチング素子Q4といったように変更することで、点灯部3の出力の直流成分の極性を反転させている。これにより、実施形態2と同様に、放電灯DLの一方の電極においてのみ加熱が不足することによる放電灯DLの不点灯や、放電灯DLの一方の電極において集中的に損耗が進行することでの短寿命化の防止が可能となる。また、上記のように極性が反転される際の放電灯DLの立ち消えは、第2インダクタL2と第2コンデンサC2とが構成する共振回路がランプ電流に発生させるスパイク状の成分により抑えられている。すなわち、上記共振回路が請求項におけるスパイク重畳手段である。上記のような極性の反転は、始動動作P1中に複数回行われてもよい。
また、本実施形態では、制御部4は、図8に示すように、始動動作P1において、個々のスイープ動作終了毎、すなわち、動作周波数を掃引周波数範囲の下限から上限に切り替える際に、所定時間にわたり、動作周波数を、掃引周波数範囲の上限の周波数(以下、「上限周波数」と呼ぶ。)よりも低く且つ掃引周波数範囲の下限の周波数(以下、「下限周波数」と呼ぶ。)よりも高い所定の中間周波数に維持するという中間動作P10を行っている。
ここで、動作周波数がfであるときのランプ電流の直流成分をI(f)と表記し、上限周波数をftとおき、下限周波数をfbとおき、中間周波数をfmとおく。すると、動作周波数が下限周波数fbから中間周波数fmに切り替えられる際のランプ電流のボトム値はI(fm)−(I(fb)−I(fm))と表され、動作周波数が中間周波数fmから上限周波数ftに切り替えられる際のランプ電流のボトム値はI(ft)−(I(fm)−I(ft))と表される。上記2個のボトム値が互いに同一であれば、下限周波数fbから中間周波数fm、中間周波数fmから上限周波数ftといった周波数切替に伴う振動電流によってランプ電流のボトム値が0になることでの放電灯DLの立ち消えを避けることができると考えられる。そこで、中間周波数fmとしては、上記のボトム値が互いに等しくなるような、すなわちI(fm)=(2×I(ft)+I(fb))/3となるような中間周波数fmを採用することが望ましい。
上記のようにスイープ動作間に中間周波数での動作を挟めば、中間周波数での動作を挟まない場合に比べ、ランプ電流の瞬間的な低下による放電灯DLの立ち消えが抑えられる。
直流電源部1の出力電圧を350Vとし、第1インダクタL1のインダクタンスを680μHとし、第1コンデンサC1のキャパシタンスを0.22μFとし、第2インダクタL2の一次巻線部分(分路巻線)、つまりタップよりもスイッチング素子Q1,Q2側(図2における左側)の部位のインダクタンスを90μHとし、第2インダクタL2において、一次巻線部分の巻数を48ターン、全体の巻数を48.5ターンとし、第2コンデンサC2に接続された抵抗R1をそれぞれ抵抗値が6.2Ωの3個の抵抗の直列回路で構成した場合であって、上限周波数ftを133kHzとし、下限周波数fbを100kHzとし、中間周波数fmを115kHzとした場合における、ランプ電圧の波形の例を図9〜図12に示し、ランプ電流の波形の例を図12,図13(a)(b)に示し、始動動作P1中のランプ電流とランプ電圧との関係を図14に曲線VIで示す。図10は図9の一部を、図11は図10の一部を、図13(b)は図13(a)の一部を、それぞれ拡大したものであり、さらに、図13(a)は、図12のランプ電流の波形から、スパイク状の成分を除去したものである。図12の例では始動動作P1の開始直後に放電灯DLが点灯しランプ電流が流れ始めている。また、上記の例ではスイープ動作中のランプ電圧の絶対値の最大値は約1500Vとなっている。ここで、図14において、破線ULと曲線LLとは、ランプ電流の許容範囲と考えられている領域の上限と下限とを示している。つまり、上記領域よりもランプ電流が少ないと放電灯DLの始動性が許容できないほど悪くなり、上記領域よりもランプ電流が多いと放電灯DLに許容できないほど高い電気的ストレスがかかると考えられている。
(実施形態4)
本実施形態の基本構成は実施形態3と共通であるので、共通する部分については説明を省略する。
実施形態3において、始動動作P1中にランプ電流の直流成分の極性が反転される際tcには、放電灯DLに並列に接続された第1コンデンサC1に充電された電荷が放電されることで瞬間的に電流が増加し、この電流が回路部品に過剰な電気的ストレスを与える可能性がある。そこで、本実施形態では、始動動作P1において、ランプ電流の直流成分の極性を反転させる際に、第1コンデンサC1の両端電圧を徐々に低下させるような過渡動作P11を行う。
過渡動作P11は、例えば、図15に示すように、点灯部3において互いに対角に位置するスイッチング素子の組の一方と他方とを交互にオンオフ駆動するものであって、互いに対角に位置するスイッチング素子の組のうちそれまで両方がオンオフ駆動されていた一方の組の各スイッチング素子(図15では第1スイッチング素子Q1及び第4スイッチング素子Q4)のオンデューティを、他方の組の各スイッチング素子(図15では第2スイッチング素子Q2及び第3スイッチング素子Q3)のオンデューティよりも大きくするというものである。
上記構成によれば、過渡動作P11中に第1コンデンサC1の両端電圧が徐々に低下するから、過渡動作P11が行われない場合に比べ、ランプ電流の直流成分の極性反転時に第1コンデンサC1の放電電流による回路部品への電気的ストレスが抑えられる。
なお、過渡動作P11は図15に示したものに限られず、例えば図16に示すように、上記他方の組の一方のスイッチング素子(図16では第3スイッチング素子Q3)のオンデューティのみを、他の3個のスイッチング素子のオンデューティよりも小さくするものとしてもよい。別の表現をすれば、図16の過渡動作P11は、直前まで前記一方の組とされていた各スイッチング素子(図16では第1スイッチング素子Q1と第4スイッチング素子Q4)をそれぞれオンするとともに直前まで前記他方の組とされていた各スイッチング素子(図16では第2スイッチング素子Q2と第3スイッチング素子Q3)をそれぞれオフする状態と、直前まで前記他方の組とされていた各スイッチング素子をそれぞれオンするとともに直前まで前記一方の組とされていた各スイッチング素子をそれぞれオフする状態と、直前まで前記他方の組とされていたスイッチング素子の一方(図16では第2のスイッチング素子Q2)をオンするとともに他の3個のスイッチング素子をそれぞれオフする状態とを、周期的に循環して繰り返すものである。
または、過渡動作P11を、図17に示すように、互いに対角に位置するスイッチング素子の組のうちそれまで両方がオンオフ駆動されていた一方の組の各スイッチング素子(図17では第1スイッチング素子Q1及び第4スイッチング素子Q4)をそれぞれオフ状態に維持し、他方の組のスイッチング素子の一方(図17では第2スイッチング素子Q2)をオン状態に維持して他方(図17では第3スイッチング素子Q3)を周期的にオンオフ駆動するものとしてもよい。
また、上記のような各種の過渡動作P11は、実施形態2に対しても適用可能である。
実施形態1〜実施形態4で説明した各種の放電灯点灯装置は、例えば図18〜図20に示すような照明器具5に用いることができる。図18〜図20の照明器具5は、それぞれ、放電灯点灯装置を収納した器具本体51と、放電灯DLを保持した灯体52とを備える。また、図18の照明器具5と図19の照明器具5とは、それぞれ、放電灯点灯装置と放電灯DLとを電気的に接続する給電線53を備える。図18の照明器具5は器具本体51と灯体52とがともに天井面に対して固定されるダウンライトであり、図19の照明器具5と図20の照明器具5とはそれぞれ天井面等の取付面に対して固定される器具本体51に対して灯体52が首振り可能に取り付けられたスポットライトである。上記のような各種の照明器具5は周知技術で実現可能であるので、詳細な説明は省略する。
3 点灯部
4 制御部
5 照明器具
51 器具本体
C1 第1コンデンサ
C2 第2コンデンサ(請求項におけるスパイク重畳手段の一部)
L2 第2インダクタ(請求項におけるスパイク重畳手段の一部)
P1 始動動作
P11 過渡動作
Q1〜Q4 スイッチング素子

Claims (12)

  1. 放電灯に対して並列に接続されるコンデンサと放電灯に接続される共振回路とを少なくとも含み直流電力を入力されて前記放電灯に対して交流電力を出力するフルブリッジ形のインバータ回路からなる点灯部と、
    点灯部を制御する制御部とを備え、
    制御部は、放電灯の点灯を開始させる際、放電灯における放電の開始に必要な電圧が放電灯に出力される程度に、点灯部に含まれる共振回路の共振周波数に対して点灯部の出力の周波数を充分に近くするように点灯部を制御する始動動作を所定時間継続するものであって、始動動作中には、点灯部において互いに対角に位置するスイッチング素子の組のうち一方の組の制御を他方の組の制御に対して非対称とすることで、放電灯への出力電圧に直流成分を発生させるものであって、
    点灯部において、各スイッチング素子は、それぞれ、入力される直流電力に対して逆向きの寄生ダイオードを有し、
    制御部は、始動動作において、点灯部において互いに対角に位置するスイッチング素子の組のうち一方の組の各スイッチング素子をそれぞれオンして他方の組の各スイッチング素子をそれぞれオフする状態と、前記他方の組のスイッチング素子のうち一方のみをオンして他の3個のスイッチング素子をそれぞれオフする状態とを、周期的に交互に繰り返すように、点灯部を制御することを特徴とする放電灯点灯装置。
  2. 放電灯に対して並列に接続されるコンデンサと放電灯に接続される共振回路とを少なくとも含み直流電力を入力されて前記放電灯に対して交流電力を出力するフルブリッジ形のインバータ回路からなる点灯部と、
    点灯部を制御する制御部とを備え、
    制御部は、放電灯の点灯を開始させる際、放電灯における放電の開始に必要な電圧が放電灯に出力される程度に、点灯部に含まれる共振回路の共振周波数に対して点灯部の出力の周波数を充分に近くするように点灯部を制御する始動動作を所定時間継続するものであって、始動動作中には、点灯部において互いに対角に位置するスイッチング素子の組のうち一方の組の制御を他方の組の制御に対して非対称とすることで、放電灯への出力電圧に直流成分を発生させるものであって、
    点灯部において、各スイッチング素子は、それぞれ、入力される直流電力に対して逆向きの寄生ダイオードを有し、
    制御部は、始動動作において、点灯部において互いに対角に位置するスイッチング素子の組のうち一方の組の各スイッチング素子をそれぞれオンして他方の組の各スイッチング素子をそれぞれオフする状態と、前記一方の組のスイッチング素子のうち一方のみをオンして他の3個のスイッチング素子をそれぞれオフする状態と、前記他方の組のスイッチング素子のうち一方のみをオンして他の3個のスイッチング素子をそれぞれオフする状態とを、周期的に循環して繰り返すように、点灯部を制御することを特徴とする放電灯点灯装置。
  3. 制御部は、始動動作において、点灯部の動作の周波数を、点灯部に含まれる共振回路の共振周波数を含む所定の掃引周波数範囲内で徐々に変化させることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の放電灯点灯装置。
  4. 制御部は、始動動作において、点灯部の動作の周波数を、掃引周波数範囲の上限の周波数から下限の周波数にかけて徐々に低下させることを特徴とする請求項記載の放電灯点灯装置。
  5. 制御部は、始動動作において、点灯部の動作の周波数の変化を、周期的に複数回行うものであって、点灯部の動作の周波数を掃引周波数範囲の下限の周波数とした後、点灯部の動作の周波数を掃引周波数範囲の上限の周波数とする前に、所定時間にわたり、点灯部の動作の周波数を、掃引周波数範囲の上限の周波数よりも低く且つ掃引周波数範囲の下限の周波数よりも高い周波数とすることを特徴とする請求項記載の放電灯点灯装置。
  6. 制御部は、始動動作中に、放電灯への出力電圧の直流成分の極性を少なくとも1回反転させるように点灯部を制御することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の放電灯点灯装置。
  7. 制御部は、始動動作中、点灯部において互いに対角に位置するスイッチング素子の組のうちどちらを前記一方の組とするかを、少なくとも1回入れ替えるものであって、入れ替え時には、放電灯に並列に接続されたコンデンサの両端電圧を徐々に低下させる過渡動作を所定時間にわたって行うように点灯部を制御することを特徴とする請求項1又は請求項2記載の放電灯点灯装置。
  8. 過渡動作は、点灯部において互いに対角に位置するスイッチング素子の前記一方の組と前記他方の組とが交互に周期的にオンされ、且つ、直前まで前記一方の組とされていた各スイッチング素子のオンデューティが直前まで前記他方の組とされていた各スイッチング素子のオンデューティよりも高くされるものであることを特徴とする請求項記載の放電灯点灯装置。
  9. 過渡動作は、直前まで前記一方の組とされていた各スイッチング素子をそれぞれオンするとともに直前まで前記他方の組とされていた各スイッチング素子をそれぞれオフする状態と、直前まで前記他方の組とされていた各スイッチング素子をそれぞれオンするとともに直前まで前記一方の組とされていた各スイッチング素子をそれぞれオフする状態と、直前まで前記他方の組とされていたスイッチング素子の一方をオンするとともに他の3個のスイッチング素子をそれぞれオフする状態とを、周期的に循環して繰り返すものであることを特徴とする請求項記載の放電灯点灯装置。
  10. 過渡動作は、直前まで前記一方の組とされていた各スイッチング素子をそれぞれオフするとともに直前まで前記他方の組とされていたスイッチング素子の一方をオンした状態で直前まで前記他方の組とされていたスイッチング素子の他方を周期的にオンオフするものであることを特徴とする請求項記載の放電灯点灯装置。
  11. 点灯部は、放電灯の点灯後に放電灯への出力電流にスパイク状の成分を重畳するスパイク重畳手段を有することを特徴とする請求項記載の放電灯点灯装置。
  12. 請求項1〜11のいずれか1項に記載の放電灯点灯装置と、放電灯点灯装置によって点灯される放電灯と放電灯点灯装置とをそれぞれ保持する器具本体とを備えることを特徴とする照明器具。
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