WO2007138969A1 - 放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents

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WO2007138969A1
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voltage
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intensity discharge
frequency
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Inventor
Takeshi Goriki
Akira Yufuku
Jun Konishi
Original Assignee
Panasonic Electric Works Co., Ltd.
Ikeda Electric Co., Ltd.
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    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/36—Controlling
    • H05B41/38—Controlling the intensity of light
    • H05B41/382—Controlling the intensity of light during the transitional start-up phase
    • H05B41/388—Controlling the intensity of light during the transitional start-up phase for a transition from glow to arc
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps

Definitions

  • the present invention relates to a discharge lamp lighting device for lighting a high-intensity discharge lamp, and a lighting fixture using the same.
  • a high-intensity discharge lamp can obtain a high luminous flux with a compact shape and can easily control light distribution close to a point light source, and thus has been widely used in recent years as an alternative to incandescent lamps and halogen lamps. It was.
  • There is a discharge lamp lighting device that operates a high-intensity discharge lamp by switching a DC voltage at a high frequency to turn on the high-intensity discharge lamp and converting it to a low-frequency rectangular wave through an inductor or a capacitor.
  • the arc discharge becomes unstable due to the acoustic resonance phenomenon, and flickering may occur or the lamp may turn off. Can be maintained stably.
  • a high-intensity discharge lamp requires dielectric breakdown by applying a high impulse voltage of several KV to several tens of KV when starting.
  • dielectric breakdown between the electrodes occurs, it is necessary to shift to arc discharge through subsequent glow discharge, supplying energy under optimum conditions according to each operation state, and starting State power It is necessary to control to enable smooth transition to a steady lighting state.
  • the present invention has been made in view of such points, and relates to a section in which a high voltage is applied by a resonance operation at the time of start-up, a section in which a low-frequency rectangular wave voltage or a DC voltage is applied, and a repetition period thereof.
  • the power supply voltage of the DC power supply (smoothing capacitor 3) is converted into a voltage so that the high-intensity discharge lamp 7 is stably lit.
  • the DC CAC DC converter 4 includes a DCZAC inverter 5 that converts the DC voltage into an AC voltage, and a resonance circuit including at least one capacitor 66 and an inductor 65 as shown in FIG. As shown in Fig. 7, when the high-intensity discharge lamp 7 is started, the DCZAC inverter 5 outputs a high-frequency voltage to start the circuit 6.
  • the DCZAC inverter 5 applies the low-frequency rectangular wave voltage or DC voltage to the high-intensity discharge lamp 7 via the starting circuit 6. Apply to section B alternately.
  • the DCZAC inverter 5 applies a low-frequency rectangular wave voltage to the high-intensity discharge lamp 7 via the start circuit 6 and applies a high voltage by resonance operation A Is set to a time sufficient for dielectric breakdown of the high-intensity discharge lamp with initial aging, and the high-voltage generation section A and the low-frequency rectangular wave voltage or direct-current voltage generation section B are output alternately. It is characterized in that it is set to a time sufficient for dielectric breakdown of the high-intensity discharge lamp at the end stage.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of a conventional impulse starting circuit.
  • FIG. 3 is an operation waveform diagram of the starting circuit of FIG.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of a resonant boost start circuit used in the present invention.
  • FIG. 5 is an operation waveform diagram of the starting circuit of FIG.
  • FIG. 6 is an operation waveform diagram of the starting circuit of FIG.
  • FIG. 7 is an operation waveform diagram of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram of a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a circuit diagram of a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a circuit configuration of a discharge lamp lighting device according to a first embodiment of the present invention.
  • the AC power supply that supplies the commercial power supply voltage 1
  • the output rectified from the rectifier 2 through the rectifier 2 is smoothed by the capacitor 3, and the DC current or the lamp current necessary to stably light the high-intensity discharge lamp 7 by the DCZDC converter 4 Control lamp power.
  • the output controlled to a desired value in this way is converted into a low-frequency rectangular wave output by the DCZAC inverter 5 and supplied to the high-intensity discharge lamp 7.
  • this high-intensity discharge lamp 7 requires dielectric breakdown with a high impulse voltage of several KV to several tens of KV when starting.
  • a high pressure pulse is generated from the starting circuit 6 to start the high intensity discharge lamp 7.
  • the starting process of a high-intensity discharge lamp is characterized by a transition from dielectric breakdown between the electrodes, through subsequent glow discharge to arc discharge, and the optimum conditions for each operating state. It is necessary to control the engine so that it can smoothly shift to the steady state lighting state by supplying energy at the start state.
  • a so-called fluorescent lamp is different from a high-intensity discharge lamp in that it can be started at a relatively low voltage of several hundred volts, and that it immediately shifts to a steady discharge state. Therefore, the control in the starting process of high-intensity discharge lamps is the case of fluorescent lamps. Compared with the control in the starting process, the control becomes complicated.
  • FIG. 2 shows an example (comparative example) of the starting circuit 6.
  • This circuit system uses a pulse transformer to increase the voltage applied to the primary side by several tens to several hundreds and transmit it to the secondary side.
  • a high-pressure pulse with a relatively narrow width is supplied to the high-intensity discharge lamp 7.
  • Impulse start circuit 64 to be applied.
  • the series circuit of the primary side 62a of the capacitor 61 and the pulse transformer 62, the series circuit of the switching element 63, and the series circuit of the secondary side 62b of the high-intensity discharge lamp 7 and the pulse transformer 62 are the outputs of the DCZAC inverter 5 in the preceding stage. It is configured to be connected to the end.
  • the voltage charged in the capacitor 61 is discharged at once by the switching element 63 via the primary side 62a of the pulse transformer 62. At this time, the voltage applied to the primary side 62a is increased to several tens to several hundreds times to the secondary side 62b. By transmitting it, it is possible to mark the high-intensity discharge lamp 7 as a high-pressure pulse of several KV to several tens of KV.
  • the high-pressure pulse waveform in this case is as shown in Fig. 3 (a), and a relatively narrow pulse, that is, a relatively small pulse energy.
  • this high-pressure noise is superimposed on the low-frequency rectangular wave output during stable lighting and supplied to the high-intensity discharge lamp 7 as shown in Fig. 3 (b).
  • the point S in Fig. 3 (c) indicates that the high-intensity discharge lamp 7 has broken down and started. After the point S, the high voltage pulse is stopped.
  • FIG. 4 shows another example (example) of the starting circuit 6.
  • This circuit system consists of an inductor and a capacitor resonance circuit.
  • the DCZAC inverter 5 in the previous stage generates a high-frequency voltage near the resonance frequency of the resonance circuit.
  • a series circuit of the inductor 65 and the capacitor 66 is connected to the output terminal of the DCZAC inverter 5 in the previous stage, and the high-intensity discharge lamp 7 is connected to the capacitor 66 in parallel.
  • a resonant boost voltage is induced at both ends of the inductor 65 or the capacitor 6 6 to several KV It can be applied to high-intensity discharge lamps 7 as high-pressure pulses of up to several tens of KV.
  • the high-pressure noise waveform is as shown in Fig. 5 (a), and several pulses are output together.
  • the inductor 65 may have a step-up transformer structure such as the pulse transformer 62 described above, and may be applied to the high-intensity discharge lamp 7 as a voltage several times that of the primary side.
  • the high-voltage pulse waveform in Fig. 5 (a) is a force that is an example of a waveform in which the operating frequency of the DCZAC inverter 5 is fixed in the vicinity of the resonance frequency of the inductor 65 and the capacitor 66.
  • the DCZAC inverter 5's operating frequency may be swept around the resonant frequency for the purpose of absorbing variations in the resonant frequency, and the high-voltage pulse waveform at that time is as shown in Fig. 5 (b).
  • this high-voltage pulse is divided into a high-voltage pulse generation section due to the resonant boost voltage and a stable low-frequency rectangular wave output section.
  • the lighting state of the high-intensity discharge lamp 7 is determined at point S), and if it is not lit, the subsequent output is stopped. This is because, as described above, it is not preferable from the viewpoint of safety and the durability of parts to always output a high-pressure pulse with a large energy.
  • the high-pressure pulse generation period is selected to have a comparatively long period so that any type of high-intensity discharge lamp 7 can be lit. If the high-intensity discharge lamp 7 is isolated by the point S in Fig. 6 (b) and is started and lit, operation continues as a low-frequency rectangular wave output section until stable lighting. At this time, the high-pressure pulse is stopped as in the previous example.
  • the impulse starting circuit 64 has a small high-pressure pulse energy, so that the high-intensity discharge lamp 7 is given sufficient dielectric breakdown energy. There may not be.
  • the high-pressure pulse energy is large in the resonant boost start circuit 67, the dielectric breakdown of the high-intensity discharge lamp 7 can be ensured.
  • the impulse starting circuit 64 is disadvantageous for dielectric breakdown and advantageous for arc discharge transition
  • the resonant boosting starting circuit 67 is advantageous for dielectric breakdown and disadvantageous for arc discharge transition. It has both merits and demerits.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-265707 has been proposed as an excellent starting method having both advantages.
  • FIG. 7 by repeating the section A of the resonant boost start circuit 67 and the section B of the low-frequency rectangular wave alternately during the section C, the advantages of both of them are linked.
  • the dielectric breakdown performance is surely secured by the section A of the resonant boost start circuit 67, and the transition performance to the arc discharge is secured by the section B of the low-frequency rectangular wave.
  • the operating frequency of DCZAC inverter 5 is a high frequency of 10 KHz or more (several tens of KHz to several hundred KHz) in section A, and a low frequency or direct current of less than ⁇ (100 Hz to several hundred Hz) in section B.
  • section A of the resonant boost start circuit 67 is too short, the disadvantage of the previous impulse start circuit 64 will surface, and the transition to arc discharge will be smooth The insulation breakdown performance will be poor, conversely, the resonant boost start If the section A of the circuit 67 is too long, the disadvantages of the resonant boost start circuit 67 will surface, and the dielectric breakdown will be possible. The transition to arc discharge will not be smooth.
  • the high-intensity discharge lamp 7 is relatively easy to start a discharge lamp with initial aging at the time of product shipment (for example, 0 to: LOO time), but at the end of life (for example, 10,000 hours) As the time approaches, the discharge lamp gradually becomes difficult to start due to electrode spatter of the discharge lamp, and so on.
  • section A and section C will be described with reference to FIG.
  • the required breakdown time for a typical initial aging high intensity discharge lamp and the required breakdown time CC for the high intensity discharge lamp at the end of its life are already clear. Therefore, section A in which high voltage is applied by resonance operation in Fig. 7 is set to about AA required for a typical initial aging high-intensity discharge lamp, and the high voltage generation section in Fig. 7
  • the section C in which the low-frequency rectangular wave voltage or DC voltage generation section is alternately output is set to the required breakdown time CC for the high-intensity discharge lamp at the end of its life.
  • “about and setting” may be, for example, “Section A is the same as time AA and section C is more than time CC”, or “Section A is more than time AA and section C is the same as time CC”. It may be “Section A is more than time AA and Section C is more than time CC”.
  • the low-frequency rectangular wave or DC output section B is set as a cycle corresponding to the low-frequency rectangular wave during normal lighting or a longer cycle.
  • the DCZAC inverter 5 is operated at a high frequency (several tens of kilohertz to several hundreds of kilohertz) in the vicinity of the resonance frequency of the starting circuit 6, and a resonant boosted high voltage is output.
  • the DCZAC inverter 5 is output. By operating 5 at low frequency (100 Hz to several hundred Hz) or DC operation, it can be output as a low-frequency rectangular wave voltage or DC voltage, and section C is configured by repeating these alternately.
  • control circuit 8 is composed of an 8-bit microcomputer or the like, and the operating frequency of the sections A, B, and C and the duration of the sections A, B, and C can be arbitrarily set by a microcomputer program.
  • the operation of the DCZAC inverter 5 can be configured not only to fix the frequency in the vicinity of the resonance frequency but also to perform a frequency sweep operation, as described in the prior art.
  • the DCZDC converter 4 is composed of a step-down chopper circuit. As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-265707, it can also be constituted by a boosting chopper circuit or a fly knock type buck-boost converter circuit. In this configuration, the DC / DC converter 4 and the DCZAC inverter 5 are configured independently. As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-265707, the DC / DC converter 4 and the DCZAC inverter 5 are configured as a full bridge circuit or a half bridge circuit.
  • the second embodiment will be described with reference to FIG.
  • the transition to arc discharge seen in the starting circuit 67 is not smooth, and the demerit becomes obvious. Pay close attention to the value.
  • the time when the transition to the arc discharge is not smooth is assumed to be D
  • the interval A is less than the time D when the transition to the arc discharge is no longer smooth, considering the condition of the first embodiment. There is a need. Therefore, in the present embodiment, the high-frequency operation section A in FIG.
  • section B the period corresponding to the low-frequency rectangular wave during normal lighting or a period lower than that is set. The setting of these times is controlled by the microcomputer of the control circuit 8 as in the first embodiment.
  • the third embodiment will be described with reference to FIG. Figure 8 above shows sampling for discharge lamps that have been commercialized at the present time, and new discharge lamps with features such as downsizing and high-efficiency like these days are released on the market one after another.
  • the time required for the dielectric breakdown after the design time becomes longer.
  • a high-intensity discharge lamp sample that can be verified at the time of design (sample data maximum value MX1 for discharge lamps already commercialized, It is necessary to design a slightly longer time in consideration of the risk of discharge lamps that are difficult to break down from the expected maximum sample data MX2) for new discharge lamps expected to be commercialized. It is said.
  • section A in FIG. 7 is set too long, the disadvantage of the smooth transition to arc discharge, which was seen in the starting circuit 67, will become apparent, so the value needs to be carefully considered. It is. As a result of the examination, if section A is longer than 10 ms, the transition to arc discharge of the discharge lamp will not be smooth.
  • section C in Fig. 7 means that the dielectric breakdown time is set for the discharge lamp at the end of its life, and the expected variation in time is very large.
  • a high voltage waveform such as section C accompanied by section A occurs in a section of 1 second or longer because of the reliability of electronic components used in this lighting circuit or the safety of the user. On top of that, it's not good.
  • section A in FIG. 7 is set to lm seconds to 10 milliseconds
  • section C in FIG. 7 is set to 10 milliseconds to 1 second.
  • the period of B is set as a period corresponding to a low-frequency rectangular wave during normal lighting or a longer period. The setting of these times is controlled by the microcomputer of the control circuit 8 as in the first embodiment.
  • a discharge lamp tube voltage detection circuit 9 is provided as a means for determining the cumulative lighting time of the high-intensity discharge lamp 7, and it can be determined that the cumulative lighting time becomes longer as the tube voltage increases. it can. This utilizes the property that the discharge lamp has a higher tube voltage as it gets longer.
  • the discharge lamp life that is, the cumulative value of section C is accumulated at the next start-up. It can be set longer as the lighting time becomes longer.
  • control circuit 8 is simply provided with a non-volatile timer function (a function that maintains the timer power value even when the power is turned off), and this timer counts the discharge lamp lighting time, It may be configured to determine the cumulative lighting time of the discharge lamp by resetting the timer when the discharge lamp is replaced.
  • the discharge lamp lighting devices according to the first to fourth embodiments can be used as an external ballast that is built in a lighting fixture equipped with a high-intensity discharge lamp or is provided separately from a lamp. Further, such a lighting apparatus may be combined with a human sensor or a brightness sensor to constitute a lighting system in which the light output is controlled according to the sensor output. Moreover, you may comprise the illumination system in which light output is controlled according to a time slot
  • the present invention relates to an initial aging discharge lamp, a life cycle, a period in which a high voltage is applied by resonance operation, a period in which a low-frequency rectangular wave voltage or a DC voltage is applied, and a repetition period in a starting process of a high-intensity discharge lamp.

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  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)

Abstract

 始動時に、ＤＣ／ＡＣインバータ５が高周波電圧を出力することで始動回路６が共振動作により高電圧を高輝度放電灯７に印加する区間Ａと、ＤＣ／ＡＣインバータ５が低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を始動回路６を介して高輝度放電灯７に印加する区間Ｂとを交互に出力する放電灯点灯装置において、共振動作により高電圧を印加する区間Ａを初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定し、且つ、その高電圧発生区間Ａと低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間Ｂとを交互に出力する区間Ｃを寿命末期の高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定する。

Description

明 細 書
放電灯点灯装置及び照明器具
技術分野
[0001] 本発明は高輝度放電灯を点灯させるための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。
背景技術
[0002] 高輝度放電灯はコンパクトな形状で高光束を得ることができ、点光源に近ぐ配光 制御が容易なため、白熱灯やハロゲンランプの代替として近年広く使用されるように なってきた。この高輝度放電灯を点灯させるために直流電圧を高周波でスイッチング し、インダクタやコンデンサを介して低周波の矩形波に変換して高輝度放電灯を動作 させる放電灯点灯装置がある。高輝度放電灯を高周波電力で点灯させると、音響的 共鳴現象によってアーク放電が不安定になり、ちらつきが発生したり、立ち消えを起 こすことがある力 低周波の矩形波による交流点灯ではアーク放電を安定に継続す ることがでさる。
[0003] 高輝度放電灯は始動に際して数 KV〜数十 KVの高電圧のインパルス電圧を印加 することによる絶縁破壊を必要とする。また、電極間の絶縁破壊が起きてから、その 後のグロ一放電を経てアーク放電へと移行することが必要であり、それぞれの動作状 態に応じて最適な条件でエネルギーを供給し、始動状態力 安定点灯状態へとスム ースに移行できるように制御する必要がある。
[0004] 特開 2004— 265707号公報では、図 7のように、高輝度放電灯の始動時に、共振 動作により高電圧を印加する区間 Aと低周波矩形波電圧を印加する区間 Bとを交互 に区間 Cの間、繰り返すことが提案されている。共振動作により高電圧を印加する区 間 Aにより電極間の絶縁破壊を確実にし、低周波矩形波電圧を印加する区間 Bによ りグロ一放電力 アーク放電への移行を確実にするというものである。
[0005] 最近の検討によると、図 7の各区間 A、 B、 Cを夫々最適時間に設定することが重要 であることが分力つてきた。つまり、共振動作により高電圧を印加する区間 Aが低周 波矩形波電圧を印加する区間 Bに対して短すぎると、グロ一放電からアーク放電へ の移行はスムースにできるが、絶縁破壊性能が乏しくなり、逆に、共振動作により高 電圧を印加する区間 Aが低周波矩形波電圧を印加する区間 Bに対して長すぎると、 絶縁破壊はできる力 グロ一放電力 アーク放電への移行がスムースにならないとい う不都合が発生することが分力つた。
[0006] 本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、始動時に共振動作により高電 圧を印加する区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を印加する区間及びその 繰り返し周期について定性的あるいは定量的に最適な条件を導き、定義することで、 高輝度放電灯の始動に関する重要な二因子である絶縁破壊性能とアーク移行性能 を最適にし、スムースな始動を実現する放電灯点灯装置及び照明器具を提供するこ とを課題とする。
発明の開示
[0007] 本発明にあっては、上記の課題を解決するために、図 1に示すように、直流電源 ( 平滑用コンデンサ 3)の電源電圧を電圧変換し、高輝度放電灯 7を安定点灯させる D CZDCコンバータ 4と、その直流電圧を交流電圧に変換する DCZACインバータ 5 と、図 4に示すように、少なくとも 1つ以上のコンデンサ 66及びインダクタ 65からなる 共振回路を具備して、 DCZACインバータ 5の出力を高輝度放電灯 7に供給する始 動回路 6とを備え、高輝度放電灯 7の始動時には、図 7に示すように、 DCZACイン バータ 5が高周波電圧を出力することで始動回路 6が共振回路の共振動作により発 生する高電圧を高輝度放電灯 7に印加する区間 Aと、 DCZACインバータ 5が低周 波矩形波電圧あるいは直流電圧を始動回路 6を介して高輝度放電灯 7に印加する 区間 Bとを交互に出力し、高輝度放電灯 7の点灯時には DCZACインバータ 5は低 周波矩形波電圧を始動回路 6を介して高輝度放電灯 7に印加する放電灯点灯装置 において、共振動作により高電圧を印加する区間 Aを初期エージングの高輝度放電 灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定し、且つ、その高電圧発生区間 Aと低周波 矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間 Bとを交互に出力する区間 Cを寿命末期の 高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る時間程度と設定することを特徴とするものであ る。
図面の簡単な説明 [0008] [図 1]図 1は、本発明の第 1の実施の形態の回路図である。
[図 2]図 2は、従来のインパルス始動回路の回路図である。
[図 3]図 3は、図 2の始動回路の動作波形図である。
[図 4]図 4は、本発明に用いる共振昇圧始動回路の回路図である。
[図 5]図 5は、図 4の始動回路の動作波形図である。
[図 6]図 6は、図 4の始動回路の動作波形図である。
[図 7]図 7は、本発明の第 1の実施の形態の動作波形図である。
[図 8]図 8は、本発明の第 1の実施の形態の説明図である。
[図 9]図 9は、本発明の第 1の実施の形態の説明図である。
[図 10]図 10、本発明の第 2の実施の形態の説明図である。
[図 11]図 11は、本発明の第 3の実施の形態の説明図である。
[図 12]図 12は、本発明の第 4の実施の形態の回路図である。
発明を実施するための最良の形態
[0009] (第 1の実施の形態）
図 1に本発明の第 1の実施の形態の放電灯点灯装置の回路構成を示す。商用電 源電圧を供給する交流電源 1から整流器 2を経て整流された出力をコンデンサ 3によ り平滑し、 DCZDCコンバータ 4により高輝度放電灯 7を安定に点灯させるために必 要なランプ電流あるいはランプ電力を制御する。こうして所望の値に制御された出力 は DCZACインバータ 5により低周波の矩形波出力へ変換され、高輝度放電灯 7へ 供給される。但し、この高輝度放電灯 7は始動に際して数 KV〜数十 KVの高電圧の インパルス電圧による絶縁破壊を必要とする。始動回路 6から高圧パルスを発生して 高輝度放電灯 7を始動させる。
[0010] 高輝度放電灯の始動過程では、電極間の絶縁破壊から、その後のグロ一放電を経 てアーク放電へと移行することが特徴であり、それぞれの動作状態に応じて最適な条 件でエネルギーを供給し、始動状態力 安定点灯状態へとスムースに移行できるよう に制御する必要がある。所謂、蛍光灯の場合は絶縁破壊も数百 Vという比較的低い 電圧で始動が可能であり、且つ、即時に定常放電状態に移行する点で高輝度放電 灯とは異なる。そのため、高輝度放電灯の始動過程における制御は、蛍光灯の場合 の始動過程における制御と比較して、複雑な制御となる。
[0011] 図 2に始動回路 6の一例（比較例）を示す。この回路方式はパルストランスを用いて 、その一次側に印加される電圧を数十〜数百倍にして二次側に伝達する方式で比 較的細い幅の高圧パルスを高輝度放電灯 7へ印加するインパルス始動回路 64であ る。コンデンサ 61とパルストランス 62の一次側 62aの直列回路と、スイッチング素子 6 3の直列回路と、高輝度放電灯 7とパルストランス 62の二次側 62bの直列回路が前 段の DCZACインバータ 5の出力端に接続される構成となっている。コンデンサ 61 に充電された電圧をスイッチング素子 63によりパルストランス 62の一次側 62aを介し て一気に放電し、その際に一次側 62aに印加される電圧を二次側 62bに数十〜数 百倍にして伝達することで数 KV〜数十 KVの高圧パルスとして高輝度放電灯 7へ印 カロすることがでさる。
[0012] この場合の高圧パルス波形は図 3 (a)のようになり、比較的幅の細いパルス、即ち、 パルスエネルギーとしては比較的小さいものとなる。実際はこの高圧ノ ルスは図 3 (b) のように、安定点灯時の低周波矩形波出力に重畳されて高輝度放電灯 7に供給され ることとなる。図 3 (c)の S点は、高輝度放電灯 7が絶縁破壊し、始動したことを示して いる。 S点以降は高圧パルスは停止される。
[0013] 図 4に始動回路 6の別の例（実施例）を示す。この回路方式はインダクタとコンデン サの共振回路で構成されており、前段の DCZACインバータ 5により上記共振回路 の共振周波数近傍の高周波電圧を発生させる方式で、比較的太!ヽ幅の高圧パルス を高輝度放電灯 7へ印加する共振昇圧始動回路 67である。インダクタ 65とコンデン サ 66の直列回路が前段の DCZACインバータ 5の出力端に接続され、コンデンサ 6 6に並列に高輝度放電灯 7が接続される構成となって ヽる。
[0014] DCZACインバータ 5がインダクタ 65とコンデンサ 66で構成される共振回路の共振 周波数近傍の高周波電圧を発生させることにより、インダクタ 65あるいはコンデンサ 6 6の両端に共振昇圧電圧を誘起することで数 KV〜数十 KVの高圧ノ ルスとして高輝 度放電灯 7へ印加することができる。この場合の高圧ノ ルス波形は図 5 (a)のようにな り、数本のパルスがまとまって出力されることとなり、高輝度放電灯 7の始動条件上は 、比較的幅の太いパルス、即ち、パルスエネルギーとしては比較的大きいものとなる。 なお、インダクタ 65を前述のパルストランス 62のような昇圧トランス構造とし、一次側 の数倍の電圧として高輝度放電灯 7へ印加することもある。
[0015] 図 5 (a)の高圧パルス波形は、 DCZACインバータ 5の動作周波数がインダクタ 65 、コンデンサ 66の共振周波数近傍で固定されている波形例である力 実際にはイン ダクタ 65、コンデンサ 66の共振周波数のばらつきを吸収する等の目的で DCZAC インバータ 5の動作周波数が共振周波数近傍でスイープされることもあり、そのときの 高圧パルス波形は図 5 (b)のようになる。
[0016] 実際は、この高圧パルスは図 6 (a)のように、共振昇圧電圧による高圧パルス発生 区間と安定時の低周波矩形波出力区間に分かれており、通常、点灯判別時点（図中 の S点)で高輝度放電灯 7の点灯状態を判別し、不点灯の場合はそれ以降の出力を 停止する。これは先に述べたように高圧パルスのエネルギーが大きぐ常時出力する ことは安全上、部品の耐久性上、好ましくないためである。また、高圧パルス発生区 間はその性質上、どのような種別の高輝度放電灯 7であっても点灯できるように、比 較的長い期間となるように選定されている。図 6 (b)の S点までに高輝度放電灯 7が絶 縁破壊し、始動'点灯している場合、低周波矩形波出力区間として安定点灯まで動 作が継続される。この時、先の例と同様に高圧パルスは停止されている。
[0017] ここで最近の検討により、図 2のインパルス始動回路 64、図 4の共振昇圧始動回路 67について、夫々にメリット、デメリットがあることが分力 てきた。
[0018] 先に述べたように、高輝度放電灯 7の絶縁破壊に際しては、インパルス始動回路 6 4はその高圧パルスエネルギーが小さいために、高輝度放電灯 7に十分な絶縁破壊 エネルギーを与えられないことがある。一方、共振昇圧始動回路 67は高圧パルスェ ネルギ一が大き!/、ため、高輝度放電灯 7の絶縁破壊を確実にできる。
[0019] もう一つの始動条件である高輝度放電灯 7のアーク放電移行については、低周波 の電力供給がそのスムースな安定点灯移行に有効であることが分力つて 、る。インパ ルス始動回路 64は常に低周波矩形波が高輝度放電灯 7に供給されることになるの で、アーク放電移行力 Sスムースである。一方、共振昇圧始動回路 67は高周波動作に より高圧パルスを発生させていることから、少なくとも高圧パルス発生区間は低周波 矩形波を高輝度放電灯 7に供給できないため、アーク放電移行力 Sスムースにならな いことが確認されている。
[0020] 即ち、インパルス始動回路 64は絶縁破壊には不利、アーク放電移行には有利であ り、共振昇圧始動回路 67は絶縁破壊には有利、アーク放電移行には不利であり、互 いに一長一短である。
[0021] この双方の優位点を併せ持つ、優れた始動方式として、特開 2004— 265707号 公報が提案されている。ここでは、図 7のように共振昇圧始動回路 67の区間 Aと低周 波矩形波の区間 Bを交互に区間 Cの間、繰り返すことで、その双方の始動に対する 優位点を結び付けている。即ち、共振昇圧始動回路 67の区間 Aにより絶縁破壊性 能を確実に確保し、アーク放電への移行性能は低周波矩形波の区間 Bにより確保す るというものである。 DCZACインバータ 5の動作周波数は、区間 Aでは十 KHz以上 (数十 KHz〜数百 KHz)の高周波、区間 Bでは ΙΚΗζ未満（百 Hz〜数百 Hz)の低 周波もしくは直流とされて 、る。
[0022] ところで、最近の検討によると、特開 2004— 265707号公報の各区間 A、 B、 Cを 夫々最適時間に設定することが重要であり、それが最適でないと先のインパルス始 動回路 64、共振昇圧始動回路 67のデメリットの要因が大きく表面化することが分か つた。つまり、共振昇圧始動回路 67の区間 Aが短すぎると先のインパルス始動回路 6 4のデメリットが表面化し、アーク放電への移行はスムースにできる力 絶縁破壊性能 が乏しくなり、逆に、共振昇圧始動回路 67の区間 Aが長すぎると、先の共振昇圧始 動回路 67のデメリットが表面化し、絶縁破壊はできる力 アーク放電への移行がスム ースにならな 、と 、うことが発生する。
[0023] 力！]えて、特に高輝度放電灯 7は図 8のように、商品出荷時の初期エージング (例え ば 0〜： LOO時間）の放電灯は比較的始動しやすいが、寿命末期（例えば 10, 000時 間）に近づくにつれ、その放電灯の電極スパッタ等々が原因で放電灯は徐々に始動 し難くなつて 、くことも分力つて 、る。
[0024] つまり、初期エージング放電灯の絶縁破壊に要する時間を区間 Aと設定すると、寿 命末期放電灯では絶縁破壊性能が十分でなぐ一方、寿命末期放電灯の絶縁破壊 に要する時間を区間 Aと設定すると、初期エージング放電灯においてはアーク放電 への移行性能が不足するという二律背反が発生する。その点も踏まえて、本点灯回 路が実巿場で組み合わされる可能性のある全ての高輝度放電灯に対して絶縁破壊 性能とアーク移行性能を総合的に満足させ、確実な始動性能を確保することは非常 に重要である。
[0025] 本発明による区間 Aと区間 Cの設定について、図 9を用いて説明する。図 9に示す ように、一般的な初期エージング高輝度放電灯にっ 、ての絶縁破壊必要時間 と 寿命末期高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間 CCが明らかになつている。よ つて、図 7の共振動作により高電圧を印加する区間 Aを、一般的な初期エージング高 輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間 AA程度と設定し、且つ、図 7の高電圧発 生区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧発生区間とを交互に出力する区間 C を、寿命末期高輝度放電灯についての絶縁破壊必要時間 CC程度と設定する。なお 、「〜程度と設定」とは、例えば「区間 Aが時間 AAと同じ、区間 Cが時間 CC以上」で も良いし、「区間 Aが時間 AA以上、区間 Cが時間 CCと同じ」であっても良いし、「区 間 Aが時間 AA以上、区間 Cが時間 CC以上」であっても良い。
[0026] 低周波矩形波または直流出力の区間 Bについては、通常点灯時の低周波矩形波 に相当する周期、あるいはそれよりも長い周期として設定される。
[0027] これらの時間の設定は、 DCZACインバータ 5の制御回路 8により夫々の時間にお V、て DCZACインバータ 5の極性反転動作を制御することで実現される。 Aの区間に おいては DCZACインバータ 5を始動回路 6の共振周波数近傍の高周波（数十 KH z〜数百 KHz)で動作させることにより共振昇圧高電圧を出力し、 Bの区間において は DCZACインバータ 5を、低周波（百 Hz〜数百 Hz)で動作あるいは直流動作させ ることにより低周波矩形波電圧あるいは直流電圧として出力することができ、それらを 交互に繰り返すことで区間 Cを構成する。
[0028] 通常、制御回路 8は 8ビットマイコン等で構成され、区間 A、 B、 Cの動作周波数や 区間 A、 B、 Cの持続時間はマイコンプログラムにより任意に設定することができる。
[0029] 尚、 DCZACインバータ 5の動作は先の従来例でも記載したとおり、共振周波数近 傍での周波数固定動作のみならず、周波数スイープ動作するものとして構成すること も出来る。
[0030] 本実施の形態では、 DCZDCコンバータ 4が降圧チヨッパ回路で構成されているが 、特開 2004— 265707号公報にも記載のように、昇圧チヨッパ回路、あるいはフライ ノ ック型の昇降圧コンバータ回路で構成することもできる。また、本構成では DC/D Cコンバータ 4と DCZACインバータ 5が独立した構成となっている力 特開 2004— 265707号公報にも記載のように、両者を兼用したフルブリッジ回路あるいはハーフ ブリッジ回路で構成することもできる。例えば、低周波矩形波電圧の出力時には、フ ルブリッジ回路の低電位側の一対のスイッチング素子を低周波で交互に ONZOFF し、 ON状態のスイッチング素子と対角方向に位置する高電位側のスイッチング素子 を高周波で ONZOFFさせることにより、 DCZDCコンバータと DCZACインバータ の機能を 1つのフルブリッジ回路で兼用することができる。
[0031] (第 2の実施の形態）
第 1の実施の形態の説明に加えて、図 10を用いて第 2の実施の形態を説明する。 第 1の実施の形態において、図 7の区間 Aを長く設定しすぎると、先の始動回路 67で 見られたアーク放電への移行がスムースでな 、と 、うデメリットが顕在化してくるので 、その値には十分留意が必要である。ここでアーク放電への移行がスムースでなくな る時間を Dとすると、区間 Aは第 1の実施の形態の条件にカ卩えて、アーク放電への移 行がスムースでなくなる時間 D以下である必要がある。そこで、本実施の形態では、 図 7の高周波動作区間 Aを、一般的な初期エージング高輝度放電灯についての絶 縁破壊必要時間 AA以上で、且つ、アーク放電への移行がスムースでなくなる時間 D 以下と設定する。 Bの区間については、通常点灯時の低周波矩形波に相当する周期 、あるいはそれよりも低い周期として設定される。これらの時間の設定は第 1の実施の 形態と同様に制御回路 8のマイコンにより制御される。
[0032] (第 3の実施の形態）
第 1の実施の形態の説明に加えて、図 11を用いて第 3の実施の形態を説明する。 上述の図 8は現時点で商品化されて 、る放電灯を対象としたサンプリングであり、昨 今のように小型化、高効率ィ匕等の特徴を持つ新規放電灯が次々市場にリリースされ る現状を鑑みると、設計時以後にその絶縁破壊に要する時間が長くなることも十分に 考慮しておく必要がある。すなわち、図 11に示すように、設計時に検証できる高輝度 放電灯サンプル (既に商品化された放電灯に対するサンプルデータ最大値 MX1、 新たに商品化が期待される放電灯に対するサンプルデータ予想最大値 MX2)よりも 絶縁破壊が困難な放電灯が市場に流出するリスクを鑑み、若干その時間を長めに設 計しておくことが必要とされる。
[0033] 但し、図 7の区間 Aを長く設定しすぎると先の始動回路 67で見られたアーク放電へ の移行がスムースでないというデメリットが顕在化してくるので、その値には十分留意 が必要である。検討の結果、区間 Aは 10m秒以上長くなると放電灯のアーク放電へ の移行がスムースでなくなる。
[0034] 一方、図 7の区間 Cは寿命末期の放電灯を対象とした絶縁破壊時間の設定という 意味で、予測されるその時間のばらつきは非常に大きなものとなる。一方、一般的に は 1秒以上の区間において区間 Aを伴う区間 Cのような高電圧波形が発生することは 、本点灯回路に用いられている電子部品の信頼性上、あるいは使用者の安全上、好 ましいことではない。
[0035] よって、図 7の区間 Aを lm秒〜 10m秒と設定し、且つ、図 7の区間 Cを 10m秒〜 1 秒と設定する。 Bの区間については通常点灯時の低周波矩形波に相当する周期、あ るいはそれよりも長い周期として設定される。これらの時間の設定は第 1の実施の形 態と同様に制御回路 8のマイコンにより制御される。
[0036] (第 4の実施の形態）
図 12を用いて第 4の実施の形態を説明する。図 12において、高輝度放電灯 7の累 積点灯時間を判別する手段として、放電灯の管電圧検出回路 9を設け、管電圧が高 くなると累積点灯時間が長くなつていると判別することができる。これは放電灯がその 寿命につれ、その管電圧が高くなる性質を利用している。管電圧検出回路 9により判 定された管電圧を制御回路 8に伝達し、不揮発性のメモリにその情報を蓄積しておく ことで、次回の始動時において、区間 Cを放電灯寿命、即ち累積点灯時間が長くなる につれて長く設定することができる。
[0037] その他、単純に制御回路 8に不揮発性のタイマ機能 (電源が OFFされてもタイマ力 ゥント値が保持される機能)を持たせ、このタイマにより放電灯の点灯時間をカウント すると共に、放電灯の交換時にはタイマをリセットすることにより、放電灯の累積点灯 時間を判別するように構成しても良 、。 [0038] (第 5の実施の形態）
第 1〜第 4の実施の形態の放電灯点灯装置は、高輝度放電灯を装着した照明器具 に内蔵され、もしくは灯具とは別設の外付け安定器として使用することができる。また 、このような照明器具を人感センサや明るさセンサと組み合わせてセンサ出力に応じ て光出力が制御される照明システムを構成しても良い。また、タイマと組み合わせて 時間帯に応じて光出力が制御される照明システムを構成しても良い。さらに、高輝度 放電灯を光源とする投射型の画像表示装置や車両用の前照灯点灯装置に利用して も良ぐ放電灯の始動がスムースであることにより光出力の立ち上がりが早くなる利点 がある。
産業上の利用可能性
[0039] 本発明は、高輝度放電灯の始動過程において、共振動作により高電圧を印加する 区間と低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を印加する区間及びその繰り返し周期 を、初期エージング放電灯及び寿命末期放電灯の絶縁破壊に必要な時間と関連さ せることで、絶縁破壊性能とアーク移行性能を最適にし、スムースな始動を実現する 放電灯点灯装置を提供できる。

Claims

請求の範囲
[1] 直流電源の電源電圧を電圧変換し、高輝度放電灯を安定点灯させる DCZDCコン バータと、その直流電圧を交流電圧に変換する DCZACインバータと、少なくとも 1 つ以上のコンデンサ及びインダクタカ なる共振回路を具備して、 DCZACインバー タの出力を高輝度放電灯に供給する始動回路とを備え、高輝度放電灯の始動時に は、 DCZACインバータが高周波電圧を出力することで始動回路が共振回路の共 振動作により発生する高電圧を高輝度放電灯に印加する区間と、 DCZACインバー タが低周波矩形波電圧あるいは直流電圧を始動回路を介して高輝度放電灯に印加 する区間とを交互に出力し、高輝度放電灯の点灯時には DCZACインバータは低 周波矩形波電圧を始動回路を介して高輝度放電灯に印加する放電灯点灯装置に おいて、
共振動作により高電圧を印加する区間を初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破 壊するに足る時間程度と設定し、且つ、その高電圧発生区間と低周波矩形波電圧あ るいは直流電圧発生区間とを交互に出力する区間を寿命末期の高輝度放電灯を絶 縁破壊するに足る時間程度と設定すること
を特徴とする放電灯点灯装置。
[2] 請求項 1において、共振動作により高電圧を印加する区間を初期エージングの高輝 度放電灯を絶縁破壊するに足る時間以上、且つ、高周波点灯によりアーク放電移行 が妨げられない時間以下と設定すること
を特徴とする放電灯点灯装置。
[3] 請求項 1または 2において、初期エージングの高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る 時間を lm秒以上 10m秒以下とし、寿命末期の高輝度放電灯を絶縁破壊するに足る 時間を 10m秒以上 1秒以下とすること
を特徴とする放電灯点灯装置。
[4] 請求項 1〜3のいずれかにおいて、高輝度放電灯の累積点灯時間を判別する手段 を備え、
累積点灯時間の増加につれて高電圧発生区間と低周波矩形波電圧あるいは直流 電圧発生区間とを交互に出力する区間を増加させること を特徴とする放電灯点灯装置。
請求項 1〜4のいずれかに記載の放電灯点灯装置を具備する照明器具。
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