JPH09503341A - 過渡保護力率補正付高輝度放電灯バラスト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 トライアックを含む力率補正機構を有する高輝度放電灯点灯用バラストで、放電灯が点灯していなくて、電力線に過渡が生じたときに、トライアックの損傷を防ぐために、トライアックをオンにし、また、放電灯が点灯しているときには、いつも、トライアックをオンにしておく。

Description

【発明の詳細な説明】 過渡保護力率補正付高輝度放電灯バラスト発明の背景 本発明は、一般に、過渡保護力率補正機構付高輝度放電（ＨＩＤ）灯に関する ものである。 ＨＩＤ灯は、一般に、高圧水銀灯、高圧ナトリウム灯、金属ハロゲン灯および 低圧ナトリウム灯を含む一連の放電灯を指している。ＨＩＤ灯に付勢するための 従来のバラストは、屡々、ＨＩＤ灯が点灯しているときに応動して作動する容量 性力率補正機構を含んでおり、力率補正機構は、ＨＩＤ灯が点灯していないとき には用いられない。これとは別に、放電灯が点灯するに先立ってバラストが流す 比較的高い電流レベルは、分岐利用電力線に接続し得る、すなわち、サーキット ・ブレーカによって保護された力率補正バラストの個数を制限することになる。 力率補正機構のＨＩＤ灯の状態、すなわち、点灯しているかいないか、に対す る応動性は、スイッチ素子によって提供され、そのスイッチ素子は、ＨＩＤ灯の 状態に基づいてオン・オフする。ＨＩＤ灯が点灯しているときには、スイッチ素 子、例えば、トライアックのようなサイリスタがオンに転じ、それによって、力 率補正機構にバラスト力率改善用の容量性電流を流し得ることになる。 電力線の過渡、すなわち、正常なピークバラスト入力電圧を実質的に超えた電 圧を有する過渡は、しかしながら、屡々、スイッチ素子として用いられたトライ アックの破壊電圧を超え、その結果、トライアックは、オフに転ずべきときにオ ンに転じていた。かかる状況下では、電流集中、すなわち、狭い流れに集中した 輸動電流がトライアック内で起り得る。その結果、トライアック・シリコン材料 の過熱と引続くトライアックの破損とが生ずる。 したがって、もっと信頼性のある力率補正機構を有する改良されたＨＩＤバラ ストを提供するのが望ましい。特に、力率補正機構は、電力線過渡から護られて 、その機構が何時作動するかを、もっと高い信頼性をもって制御すべきである。発明の概要 一般に、本発明の第１面によれば、放電灯点灯用バラストは、第１スイッチ信 号に遮断可能の導電路を提供するスイッチ手段と、当該放電灯の点灯に基づいて 前記第１スイッチ信号が流れる第１導電路と、力率改善のために前記遮断可能の 導電路の設定に応動する補正手段とを備えた高輝度放電灯用バラストを含んでい る。スイッチ素子は、第１および第２のスイッチ信号に基づいて遮断可能の電気 的導電路を提供する。第１および第２のスイッチ信号は、一般に、スイッチ素子 をオンに転じさせるためのゲート電流である。補正回路は、バラストの力率を改 善するために、スイッチ素子を介する電気的導電路の設立に応動、すなわち、ス イッチ素子がオンに転ずるのに応動する。電力線の過渡によるスイッチ素子の損 傷は、そのスイッチ素子が電力線の過渡に曝されたときには何時でも、スイッチ 素子をオンに転ずることによって避けられる。したがって、電力線の過渡に曝さ れたときのスイッチ素子として作用するトライアック内の電流集中は避けられ、 トライアック・シリコン材料の過熱および引続くトライアックの損傷は実質的に 消滅する。 バラストは、放電灯中の電流の流れを制御するためにチョークを含んでおり、 そのチョークは、第１スイッチ信号が流れるタップを含んでいる。スイッチ素子 は、第１および第２の導電路内に含まれる第１主端子およびゲートを有するトラ イアックとするのが好適である。 第２導電路源は、少なくとも１個の双方向スイッチ素子および抵抗を含み、２ 個のサイダックと抵抗とを互いに直列に接続するのが好適である。電力線の過渡 がスイッチ素子に加わると、サイダックの破壊電圧に到達もしくは超越して、サ イダックを導通状態に置く。ゲート電流、すなわち、第２スイッチ信号が第２導 電路に沿って流れ、トライアックをオンに転じさせる。 補正回路とスイッチ素子とは、互いに直列に接続され、その直列接続に並列に 第２導電路の一部分が接続される。 ある種の第１スイッチ信号の一部分をスイッチ素子からそらせるためのバイパ ス素子を含むのも、本発明の特徴であり、その結果、スイッチ素子は、その種の 第１スイッチ信号の形成には応動しなくなる。 バラストは、点灯パルスを形成するための始動回路も含んでおり、その点灯パ ルスに基づいて、上述した種類の第１スイッチ信号が形成される。 バラストは、スイッチ素子に並列に接続した任意の補助放電灯も含んでおり、 そのスイッチ素子は、典型的には、電流の突入を制限するためのインダクタを含 んでいる。 本発明の第２面によれば、バラスト用過渡保護力率補正素子は、容量性電流を 流すための補正回路、スイッチ素子、および保護回路を含んでいる。容量性電流 は、スイッチ素子がオンに転じたとき、すなわち導通状態に置かれたときに、ス イッチ素子中に流れる。換言すれば、スイッチ素子は、導通状態にあるか、非導 通状態にあるか、に基づいて補正素子を制御する。保護回路は、電力線過渡がス イッチ素子に加わったときにのみ、スイッチ素子をオンに転じ、それによって、 電力線過渡を受けたときの過熱からスイッチ素子を保護する。 本発明の第３面によれば、高輝度放電灯付勢用バラストを動作させる方法は、 放電灯中の電流の流れを反射させる第１スイッチ信号の形成、電力線過渡がスイ ッチ素子に加わったときのみの第２スイッチ信号の形成、並びに、第１および第 ２のスイッチ信号に基づき、電力線から流れる容量性電流のレベルを増すことに よるバラストの力率の補正の各段階を含んでいる。 本発明のこの第３面によれば、バラストを動作させる方法は、スイッチ素子を オンに転じさせて容量性電流を流すためにスイッチ素子に第１および第２のスイ ッチ信号を供給する段階も含んでいる。 したがって、信頼性が増した力率補正機構を有する改良されたＨＩＤバラスト を提供するのが本発明の目的である。 電力線過渡を受けたときに損傷し難くなったＨＩＤバラスト用の改良された力 率補正機構を提供するのが本発明の他の目的である。 本発明のさらに他の目的および利点は、一部は一目瞭然であり、一部はこの明 細書の記載から明らかになろう。 したがって、本発明は、かかる段階のいくつかとその他の段階との関係による 複数の段階、並びに、構成、各要素の結合およびかかる各段階の実行に適応した 部品の配置の特徴を具体化する素子を備えており、すべてはつぎの詳細な説明で 例示されており、本発明の範囲は請求の範囲に示されよう。図面の簡単な説明 本発明を一層十分に理解するには、本発明による点灯系を示す図１を含む付図 に関連したつぎの説明を参照されたい。好適実施例の詳細な説明 図１に示すように、点灯系１０は、バラスト３０、ＨＩＤ灯４０および随意の 補助灯５０の一対の入力端子３３および３６に接続された交流電源２０を含んで いる。バラスト３０は、ＨＩＤ灯４０を接続した第１対の出力端子３９および４ ０も含んでいる。白熱型となし得るがそれに限定されるものではない補助灯５０ は、バラスト３０の第２対の出力端子４５および４８に接続されている。この補 助灯５０は、出力端子４５および４８に接続されているように見えるが、バラス ト３０の有害に影響する作用を受けずにバラスト３０から切離し得るものと理解 すべきである。補助灯５０は、電力が電源２０によってバラスト３０に供給され ていてＨＩＤ灯４０が点灯していない場合に光を提供する役をする。 バラスト３０は、さらに、放電抵抗５４に並列に接続した力率補正容量５３を 含んでいる。この並列組合わせは、一端を入力端子３６に接続し、他端を出力端 子４８に接続してある。トライアック５６もしくは他の適切なスイッチ素子の第 １主端子は、インダクタ５７の一端に接続してあり、インダクタ５７の他端は、 入力端子３３、出力端子４５、バラスト・リアクタ／チョーク６５およびバイパ ス・キャパシタ６６を一緒に接続する接続点に接続してある。トライアック５６ の第２主端子ＭＴ２は、キャパシタ５３、抵抗５４および出力端子４８を一緒に 接続する接続点に接続してある。インダクタ５７とトライアック５６との直列組 合わせは、補助灯５０に並列に接続してある。 トライアック５６のゲートＧは、一対の直列接続した抵抗６０と６３とのよう な、しかし、これに限定するものではないインピーダンスを介し、トライアック ５６をオンおよびオフに転じさせるためのスイッチ信号を提供する際に、バラス ト・リアクタ６５のタップ点７３に接続してある。抵抗６０および６３は、部分 的には、トライアック５６のゲートＧに供給されるスイッチ信号の電流レベルを 制限する役をする。入力端子３３とタップ点７３との間のバラスト・リアクタ６ ５の部分を、以下では、巻線部分７４と呼ぶ。抵抗６３に対するバラスト・リア クタ６５のタップ点は、部分的には、抵抗６０および６３で消費される電力を最 小にするように選定する。キャパシタ６６は抵抗６０と６３との接続点に接続さ れている。直列に接続した一対のサイダック１０１，１０５のような、しかし、 これに限定されるものではない双方向スイッチ素子は、今度は、抵抗１０９に直 列に接続されており、サイダック１０１は、抵抗６０とトライアック５６との接 続点に接続されている。抵抗１０９は、入力端子３６、出力端子４２、キャパシ タ５３、抵抗５４および抵抗９５を一緒に接続する接続点に接続してある。以下 に記載するように、キャパシタ６６は、タップ７３に形成されるある種のスイッ チ信号をバイパスしてそらせる役をする。この種のスイッチ信号に基づくトライ アック５６の誤ったトリガは、これによって防止される。また以下に記載するよ うに、サイダック１０１，１０５と抵抗１０９とは、一緒になって、電力線の過 渡がトライアック５６に加わったときにトライアック５６をオンに転じさせるた めに他のスイッチ信号が流れ得るようにする保護素子として役立つ。 バラスト・リアクタ／チョーク６５は、ＨＩＤ灯４０が点灯しているときにそ のＨＩＤ灯４０に流れる電流のレベルを制限し、制御する役をするが、サイダッ ク８９の一端にタップ点７６で接続されており、バラスト・リアクタ６５の他端 は、出力端子３９およびキャパシタ９２に接続してある。バラスト・リアクタ６ ５のタップ点７６とキャパシタ９２との間に接続された部分は、以下では点灯器 巻線７９と呼ぶ。サイダック８９およびキャパシタ９２は、抵抗９５の一端にも 接続してあり、抵抗９５の他端は、キャパシタ５３、レジスタ５４および１０９ 、入力端子３６並びに出力端子４２を一緒に接続する接続点に接続してある。点 灯器巻線７９、サイダック８９、キャパシタ９２および抵抗９５は、組合わされ て、点灯器すなわち始動回路８０の役をする。 点灯系１０はつぎのように動作する。電力は、交流電源２０からバラスト３０ の入力端子３３および３６に供給される。交流電源２０が発生させる電圧は、Ｈ ＩＤ灯４０を点灯／始動させるには不十分であり、ＨＩＤ灯の点灯には、補足の 始動パルスをいくつか必要とする。その補足のパルスは点灯器８０が提供する。 特に、キャパシタ９２と抵抗９５とのＲＣ時定数に基づくキャパシタ９２は、サ イダック８９の破壊電圧まで充電され、一旦破壊電圧に到達すると、サイダック ８９は以前のオフ状態からオン状態に切換わる。今度は電流の急速な流れが通過 し、その結果、点灯器巻線７９の両端に電圧パルスが生じ、その電圧パルスは、 ＨＩＤ灯４０を点灯するのに十分である。例えば、ＨＩＤ灯４０が、金属ハロゲ ン型、定格４００ワット、破壊電圧約２４０ボルトのサイダック８９を用いて１ ３５ボルトであれば約２４０ボルトの電圧パルスが点灯器巻線７９の両端間に加 わる。変圧器作用すなわち自己変圧器として作用するバラスト・リアクタ６５に より、約１，８００乃至３，５００ボルトの電圧が端子３９，４２間に生ずる。 ＨＩＤ灯４０が始動しない場合には、ＨＩＤ灯４０に加わる高電圧パルスの発生 に到るサイダック破壊電圧に達するまでの充電キャパシタ９２の周期は、ＨＩＤ 灯４０が点灯始動するまで繰返される。 ＨＩＤ灯４０が一旦点灯すると、点灯器８０の両端電圧は、約１３５ボルトま で、すなわち、２４０ボルトのサイダック破壊電圧以下に低下する。点灯器８０ のこの両端電圧は、点灯器巻線７９の両端間に電圧パルスを発生させるには不十 分である。換言すれば、ＨＩＤ４０が点灯したままである限り、点灯器８０は付 加的な電圧パルスを発生させない。 ＨＩＤ灯４０が所定の照明レベルに達する前であって達するまでは、補助灯５ ０が点灯しており、例えば、トライアック５６が開路状態にある。補助灯５０は 、約１２０ボルトが定格であり、点灯時にはキャパシタ５３に直列に接続され、 すなわち、トライアック５６がオフに転じている。キャパシタ５３は、補助灯５ ０中の電流の流れを制限する役をする。 ＨＩＤ灯が最初に点灯すると、すなわち、照明の所定レベルに少なくとも到達 すると、電流はバラスト６５を介して流れる。ＨＩＤ灯４０中に流れる電流のレ ベルは、バラストリアクタ６５によって制御される。バラスト・リアクトル６５ の少なくとも一部分に流れる電流を表わして反射させるスイッチ信号が巻線部分 ７４のタップ７３に形成される。このスイッチ信号は、抵抗６０および６３を介 してゲートＧに供給され、それにより、トライアック５６がオンに転じて非導通 状態から導通状態になり、すなわち、電気的導通状態を提供する。インダクタ５ ７およびトライアック５６が形成する実質的短絡回路は、補助灯５０を効果的に オフに転じさせる。インダクタ５７は、トライアック５６を破損し得る突入電流 を抑圧する役をする。オンに転じたトライアック５６を伴った力率補正キャパシ タ５３は、比較的大きいレベルの容量性電流を流して、バラスト３０の力率を改 善するので、以下では力率補正機構と呼ぶ。 例えば、瞬時の、もしくは、より長く継続する電力中断によってＨＩＤ灯４０ がオフに転ずると、タップ７３に形成されるスイッチ信号のレベルは、トライア ック５６をオンに転じさせ、もしくは、トライアック５６を導通状態に保持する には不十分となり、今度は、トライアック５６が開路してオフ状態に切換わる。 電力が入力端子３３，３６に戻ってＨＩＤ灯４０が再点灯するに先立ち、補助灯 ５０によって光が提供される。電力が入力端子３３，３６に供給されていない時 間期間中、抵抗５４は、キャパシタ５３の放電路を提供する。キャパシタ５３お よび補助灯５０の各インピーダンスは、トライアック５６がオフに転じていると きには、何時も、十分な電流が補助灯５０に流れて、補助灯５０を点灯するよう に選定する。 本発明によれば、ＨＩＤ灯４０に流れる電流の誘導性成分をオフセットするの に用いられていない場合、すなわちトライアック５６がオフに転じている場合の 力率補正機構は、そうでない場合に、キャパシタがつねに交流電源２０の両端に 接続されている従来の力率補正機構によって流れるよりも少ない電流が交流電源 ２０から流れる結果となる。したがって、かかる従来のバラストと比べれば、よ り多くの本発明によるバラストを分岐利用の電力線に接続し得ることになる。 ＨＩＤ灯４０を始動点灯する際には、約１２０Hzの周波数で約２〜３秒間、点 灯器８０の点灯器巻線７７の両端間に一連の電圧パルスを発生させるのが典型的 であり、その結果、リアクトル・バラスト６５の巻線部分７４の両端間に一連の 電圧パルスが誘起し得ることになる。巻線部分７４の両端間の誘起電圧は、巻線 部分７４により、トライアック５６をオンに転ずるに十分なだけ発生させ得る結 果となる。かかる誘起電圧パルスから形成されるスイッチ信号は、トライアック ５６を誤ってトリガし得る結果となる。トライアック５６の誤ったトリガは、補 助灯５０がオフに転じ、ＨＩＤ灯４０が点灯するに先立ち、力率補正キャパシタ ５３が主電圧の両端間に配置される結果となり得る。かかる誤ったトリガを避け るためには、点灯パルスに基づくスイッチ信号の該当部分を、バイパス・キャパ シタ６６により、トライアック５６のゲートＧから実質的にそらすことになる。 その結果、トライアック５６は、放電灯の点灯に先立つスイッチ信号には無応動 、すなわち、点灯パルスに基づいたスイッチ信号、すなわち、ＨＩＤ灯４０の始 動期間に形成されたスイッチ信号には無応動となる。 トライアック５６をオン・オフさせる条件は、特に重要であり、本発明が特に 目指すところである。キャパシタ５３は、ＨＩＤ灯４０が点灯している場合の力 率補正のためにトライアック５６をオンに転じさせることにより、主電圧の両端 間に配置、すなわち、入力端子３３，３６間に接続されるべきである。ＨＩＤ灯 ４０が点灯していない場合には、キャパシタ５３は、トライアック５６をオフに 転じさせることにより、主電圧から切り離すべきである。 トライアック５６を非導通状態に保持することは、トライアック５６が電力線 の過渡に曝されている場合には困難である。ここで用いているように、電力線の 過渡は、バラスト３０に交流電源２０から供給する正常なピーク電源電圧を実質 的に超えた電圧を有している。トライアック５６がオフに転じているときのトラ イアック５６への電力線過渡の適用は、トライアック５６の電圧破壊となる。か かる条件下では、トライアック内の電流集中および引続くトライアック・シリコ ン材料の過熱が起り得る。例えば、交流電源２０からの正常ピーク電源電圧が２ ７７ボルトである場合には、約４３０ボルトもしくはそれ以上の、すなわち、２ ７７ボルト×２×１１０％の電圧が電力線過渡と考えられる。しかしながら、電 力線過渡が起るように選んだ電圧値は、上述の例より低くも高くもなり得るもの と理解すべきである。電力線過渡は、オフに転じたトライアックに加わった場合 にトライアックの電圧破壊を起す任意の電圧値を含むものと理解すべきである。 電力線の過渡による損傷からトライアック５６を護るためには、サイダック１ ０１，１０５と抵抗１０９との組合わせがトライアック５６をオンに転じさせる ためにゲート電流用の通路を提供することになる。特に、バラスト３０は、トラ イアック５６をオンに転じさせるためにゲート電流が流れ得る２本の異なった通 路を含んでいる。正常動作の期間中、すなわち、ＨＩＤ灯４０の点灯中に、ゲー ト電流、すなわち、第１スイッチ信号は、巻線部分７４、タップ７３、抵抗６０ ，６３、トライアック５６のゲートＧおよび主端子ＭＴ１並びにインダクタ５７ を 含む通路に沿って流れる。 電力線過渡が交流電源２０によって発生し、ＨＩＤ灯４０が点灯していない場 合には、電力線過渡がサイダック１０１および１０５の破壊電圧を超えると、ゲ ート電流すなわち第２スイッチ信号が流れて、トライアック５６をオンに転じさ せる通路を提供することになり、その通路には、交流電源２０、インダクタ５７ 、トライアック５６の主端子ＭＴ１およびゲートＧ、サイダック１０１，１０５ 並びに抵抗１０９が含まれる。換言すれば、トライアック５６をオンに転じさせ ることにより、電力線の過渡によるトライアック５６の電流集中およびシリコン 材料の関連した過熱が防がれる。 本発明の好適な実施例によれば、交流電源２０は約２７７ボルトの交流電圧を 発生させ、キャパシタ５３の定格は約２０マイクロファラドであり、補助灯５０ の定格は約２５０ワット、１２０ボルトであって鉱石白熱型であり、抵抗９５， ５４および１０９の定格は、それぞれ、１９，０００オーム、７ワット；４７０ ，０００オーム、1/2ワットおよび４，７００オーム、１ワットである。バラス ト・リアクタ／チョーク６５は、１×１ＥＩ鉄板、４００ワットの金属ハロゲン ・リアクトル・バラストで、総巻数４６８の３６番および４５３番の巻線にタッ プ点７３および７６をそれぞれ設けてある。トライアック５６は、定格１５アン ペア、８００ボルトであって、テキサス州、ハードのテッカ社、部品番号Ｑ８０ １５Ｌ５を使用し得る。サイダック１０１および１０５は、それぞれ、日本、東 京の新電元電器製造株式会社、部品番号Ｋ１Ｖ２６を使用し得て、定格破壊電圧 は約２４０〜２７０ボルトである。サイダック８９も新電元電器製造株式会社の 部品番号Ｋ１Ｖ２４を使用し得て、定格破壊電圧は２００〜２５０ボルトである 。キャパシタ９２は、定格約０．１５マイクロファラドである。灯４０は、４０ ０ワット、１３５ボルトの金属ハロゲン型などの限定しない高輝度放電型である 。インダクタ５７は、定格０．０６ミリヘンリであり、キャパシタ６６および９ ２は、それぞれ、定格５，６および０．１マイクロファラドである。 容易に判るように、本発明は、ＨＩＤ灯４０の点灯に先立ち、トライアック５ ６を電力線の過渡から護るように改良したバラスト機構を提供するものであり、 ＨＩＤ灯４０の始動期間中のトライアック５６の誤ったトリガも実質的に消滅し ている。随意の補助光源すなわち補助灯５０は、一次／主光源すなわちＨＩＤ灯 ４０が照明の所定レベルに達していないときには、いつでも、オンに転ずるもの であり、その所定照明レベルに達すると、インダクタ５７と組合わされたトライ アック５６が実質的に補助灯５０を短絡するので、補助灯５０は効果的にオフに 転ずる。それと同時に、すなわち、ＨＩＤ灯４０が点灯しているときに、バラス ト３０によって引出された電力の力率は、交流電源２０から引出された電流の容 量性成分と誘導性成分とを実質的に平衡させることにより増大する。 したがって、さきに設定した目的および以上の説明から明らかになった目的は 効率よく達成され、以上に説明した構成には、本発明の精神および範囲から離れ ることなく何らかの変化がなされ得るのであるから、以上の説明に含まれ、添付 図面に示された事柄は、説明のためのものであって、限定を意味するものではな いことが理解されよう。 また、つぎの請求の範囲は、以上に説明した本発明の一般および特定の特徴の 全て、および、本発明の範囲の表現の全てを、文言の問題として行間に含まれる ものも含めて覆うものであることも理解されよう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１スイッチ信号に遮断可能の導電路を提供するスイッチ手段と、当該放電 灯の点灯に基づいて前記第１スイッチ信号が流れる第１導電路と、力率改善のた めに前記遮断可能の導電路の設定に応動する補正手段とを備えた高輝度放電灯用 バラストにおいて、当該バラストに、前記スイッチ手段を介して前記遮断可能の 導電路を設定する役をする第２スイッチ信号が、電力線に過渡が存在するときに のみ流れる第２導電路を設けたことを特徴とする高輝度放電灯バラスト。 ２．前記第１スイッチ信号が流れるタップを有するチョークを含んだ請求項１記 載の高輝度放電灯バラスト。 ３．前記第１および前記第２の導電路に含まれた主端子およびゲートを有するト ライアックを前記スイッチ手段に含んだ請求項１または２記載の高輝度放電灯バ ラスト。 ４．前記補正手段および前記スイッチ手段を互いに直列にして前記第２導電路に 並列に接続した請求項１，２または３記載の高輝度放電灯バラスト。 ５．電力線の過渡電圧より低い破壊電圧を有する少なくとも１個の双方向スイッ チ素子を前記第２導電路に含んだ請求項１，２，３または４記載の高輝度放電灯 バラスト。 ６．ある種の第１スイッチ信号の一部分を前記スイッチ手段からそらせて、当該 スイッチ手段がその種の第１スイッチ信号の形成に応動しないようにするバイパ ス手段をさらに含んだ請求項１，２，３，４または５記載の高輝度放電灯バラス ト。 ７．当該点灯パルスに基づいて前記チョークにより当該種のスイッチ信号が形成 される点灯パルスを形成する始動手段をさらに含んだ請求項６記載の高輝度放電 灯バラスト。 ８．前記スイッチ手段を並列に接続した補助放電灯をさらに含んだ請求項１，２ ，３，４，５，６または７記載の高輝度放電灯バラスト。