WO2008023476A1

WO2008023476A1 - Lampe à décharge à haute tension, appareil d'éclairage et équipement d'illumination

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Publication number: WO2008023476A1
Application number: PCT/JP2007/058534
Authority: WO
Inventors: Jun Kumagai; Satoru Nagata; Keisuke Sato; Naoki Komatsu
Original assignee: Panasonic Electric Works Co., Ltd.
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2008-02-28
Also published as: US8395327B2; US20090315470A1; CA2657783A1; JP5193445B2; EP2079285A1; JP2008052998A; EP2079285A4; CN101502177A

Description

明細書

高圧放電灯点灯装置及び照明器具

技術分野

[0001] 本発明は高圧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] 高圧放電灯は、その始動直後あるいは寿命末期を迎えると、放電が不安定になり、点灯装置が電源を供給しているにもかかわらず、ランプがちらついたり、最悪の場合は消弧してしまう現象がよく知られている。

[0003] この現象の原因のひとつとして、交流点灯される放電灯の一対の電極間の電子放出が図 21に示すように正負の各半サイクルで非対称となる整流放電が知られている。これは陰極サイクルにある片方の電極力グロ一放電からアーク放電に移行できなレ、ことにより引き起こされる、言わば電極輝点の不安定形成、換言すれば熱電子放出の不安定性に起因する問題であり、放電灯にはある程度不可避の現象といえる。図 21の場合、電極 1が力ソードサイクルになったときの電子放出能力が低下しているということになる。

[0004] 電極の輝点形成が不安定になるきっかけとしては、電極や電子放射性物質の消耗、あるいは不純物などによるランプ放電自身の不安定性などが考えられる。

[0005] いずれにせよ、この状態では放電灯のランプインピーダンスが高くなり、点灯装置の電源能力が不足するため、そのままではちらつきや立ち消えなどの不具合を引き起こしてしまう。

[0006] 一方、もうひとつの原因として、一旦ランプが点灯するものの過渡的に放電灯のインピーダンスが急激に高くなつてしまう現象がある。これは、とくに金属ハロゲン化合物を発光物質として放電灯の発光管に封入する所謂メタルハライドランプに顕著で、点灯初期のほか安定点灯時にも見られる。

[0007] これらの現象を、まずメタルハライドランプの挙動から説明する。本ランプは、点灯初期は前記発光物質と同時に発光管に封入されている希ガス一水銀蒸気からなるガスの絶縁破壊により起動する。このとき、金属ハロゲン化合物自体は蒸気圧が低く、放電には殆ど寄与していない。

[0008] その後数分をかけて発光管に電力が注入され、温度が上昇してくると、前記発光物質は遊離し、金属蒸気圧が急速に上昇していき、ランプ電圧も増加する。

[0009] 本過程において予期できないことは、前記発光物質が不安定な場所、例えば高温の電極付近にあってそれらが接触した場合、金属蒸気圧が一瞬急激に上昇することである。このような場合、商用電源により電圧供給能力が変動する銅鉄式安定器では、安定器の出力よりランプ電圧が上回り、ランプが消弧してしまうことになる。これは、商用電源が瞬時停電、瞬時降電圧したときにも同様な現象となる。

[0010] 一方、矩形波交流出力で点灯させる所謂インバータ回路を用いた電子安定器においては、ランプ電力を略一定に制御しており、上記のようなランプ電圧変動をした場合にはランプ電流を引き下げることで、図 22のように過渡的にランプインピーダンスが上昇し、やはりランプが消弧してしまうことがある。図 22では、一方の半サイクルで動作点 1から動作点 2へとランプ電圧の急上昇が起こっていることを示している。

[0011] また、これらは正常ランプでも起こり得る現象である力 S、ランプ電圧が上昇する他の一つの原因として寿命中の経年変化によるランプ電圧上昇という現象がある。これはランプ内部の封入物質の化学反応や、不純物のリリースなどによるものであり、基本的に不可避のものであるが、これにおいても上記と同様な現象を引き起こす。

[0012] 次に、安定器の挙動から説明する。交流出力で点灯させる放電灯の安定器においては、半サイクル毎の極性反転時にランプ電流がー且消弧する。それを、次の半サイタルで再点灯させる際には安定器の供給するランプ電圧が先行し、電極の熱電子放出であるランプ電流の立ち上がりが遅れるため、やはり図 23のように過渡的にインピーダンスが増加することになる。図では、一方の半サイクルにおける白丸の点が過渡的に通る高インピーダンスの動作点を示している。

[0013] このときに、波形の立ち上がりの遅いサイン波の商用周波点灯であると、ランプ電圧はゼロクロス以降急激に立ち上がる所謂再点弧電圧を生じ、これが供給電源電圧に余裕がなくなると立ち消えする原因になる。

[0014] 一方、波形の立ち上がりの早い矩形波インバータ回路の場合は、出力電圧も一定制御できるため有利である力ランプ電力が略一定となるような制御をしている場合にはランプ電圧の増加とは逆にランプ電流が絞られることになり、図 24のようにランプの過渡的なインピーダンスが高くなり、やはり立ち消えすることになる。図では、一方の半サイクルにおける動作点 2'が理想的な電源 (たとえば定電流源）であったときのランプ電圧増加時の動作点であるが、実際には定電力の出力線に沿って動作点 2を取り、高インピーダンスになってしまう。

[0015] 特開昭 60— 250599号公報には、限流特性を有する DC— DCコンバータと、 DC — DCコンバータの出力を矩形波交流に変換する矩形波インバータとを備え、矩形波インバータの出力を高圧パルス重畳回路を介して高圧放電灯に印加する放電灯点灯装置において、 DC— DCコンバータの出力電流と管電圧の検出値に応じて限流特性が制御される構成が開示されているが、立ち消えしやすいときに、 DC-DC コンバータのスイッチング素子に流れる電流を毎スイッチング周期について所定のピーク値まで流す制御を行うものではなレ、。

[0016] 以上をまとめると、放電灯の点灯を不安定にさせ、消弧させるような現象にはランプ側と安定器側にそれぞれ好ましくない点があり、次のような原因が挙げられる。

[0017] (1)ランプが非対称放電を生じること。

[0018] (2)ランプが過渡的な挙動、あるいは寿命中の経年変化によりインピーダンスを増加させること。

[0019] (3)安定器が十分な出力（あるいは電源能力）を有しないこと。

[0020] ここで、放電灯の電気モデルについて考えてみる。

[0021] 図 25は始動から安定点灯までのランプの電圧一電流特性を示したものである。ここでは便宜上半サイクルのみでの電圧電流特性で示している。

[0022] まず、動作点（a)で外部から与えられた高圧パルスで電圧ブレークダウンする。このときランプはまだグロ一放電からアーク放電への遷移領域のため、インピーダンスは高レ、。

[0023] 次に適当な安定器出力が与えられれば、ランプは準安定状態の動作点（b)に移行する。この状態ではすでに電流ブレークダウンしている力 S、ランプ電圧はいまだ高ぐインピーダンスは完全には低下していない。

[0024] 次に、略定格電流を流せる安定器出力が与えられれば、低ランプ電圧でランプ電流の大きい低インピーダンス状態の動作点（C)に完全移行する。

[0025] その後、ランプ電圧は、安定器の出力曲線にしたがって徐々に上昇し、今度はインピーダンスを増加させながら、定格動作点となる（d)で安定する。

[0026] ランプの寿命初期は、点灯ごとに（d)の動作点で安定するが、寿命中の点灯時間を経るにしたがって（d' )→ (d")→ (d"， )のようにランプ電圧が徐々に上昇する。

[0027] この図では（d)〜（d")までが正常なランプ電圧範囲、（d" ' )は異常なランプ電圧として表している。

[0028] また、この間のランプのインピーダンスは点線で示したように、低インピーダンスから高インピーダンスの間を変動する。

[0029] なお、この図での動作点（c)〜（d" ' )間は定電流動作しているものとして記してある

[0030] 以上において、上述の好ましくない点を解決するためには、始動過程から寿命末期に至るまでに通る各動作点（a)→ (b)→ (c)→(d)→(d' )→ (d")→ (d"， )におレ、て、それぞれ最適な安定器出力を与えることが必要である。

[0031] 本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、放電灯の始動過程から寿命末期に至るまでに発生する放電灯の不安定点灯、主に立ち消えに対する対策として安定性の優れた高圧放電灯点灯装置を提供することを課題とする。

発明の開示

[0032] 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、複数のスイッチング素子 Q2〜Q6とインダクタンス素子 L2を備え、直流電源 2からの入力を電力変換し、矩形波交流出力として高圧放電灯 DLに供給する電力変換回路 3と、電力変換回路 3 のスイッチング素子 Q2〜Q6を制御する制御回路 9とからなる点灯装置であって、前記制御回路 9は、電力変換回路 3のスイッチング素子 Q2を毎スイッチング周期決められたピーク値まで電流を流すように制御する第 1の点灯制御と、高圧放電灯 DLの安定点灯時に所望の電力を供給する第 2の点灯制御とを有し、これら第 1及び第 2の点灯制御を高圧放電灯 DLの点灯状態に応じて切り換えることを特徴とするものである図面の簡単な説明 [図 1]図 1は、本発明の第 1の実施形態の回路図である。

[図 2]図 2は、本発明の第 1の実施形態の無負荷時から安定点灯時までの過程を示す説明図である。

[図 3]図 3は、本発明の第 1の実施形態の定電流制御時の各部の波形図である。

[図 4]図 4は、本発明の第 1の実施形態の絶縁破壊から安定点灯に至るまでのランプ電圧の変化と制御切替点を示す説明図である。

[図 5]図 5は、本発明の第 1の実施形態のランプ電圧に対するランプ電力とランプ電流の制御目標値を示す特性図である。

[図 6]図 6は、本発明の第 1の実施形態の極性反転毎のランプ電圧とランプ電流の挙動を示す説明図である。

[図 7]図 7は、本発明の第 2の実施形態の回路図である。

[図 8]図 8は、本発明の第 2の実施形態の定電流制御時の各部の波形図である。

[図 9]図 9は、本発明の第 2の実施形態の絶縁破壊から安定点灯に至るまでのランプ電圧の変化と制御切替点を示す説明図である。

[図 10]図 10は、本発明の第 3の実施形態の回路図である。

[図 11]図 11は、本発明の第 3の実施形態の無負荷時から安定点灯時までの過程を示す説明図である。

[図 12]図 12は、本発明の第 3の実施形態の定電流制御時の各部の波形図である。

[図 13]図 13は、本発明の第 3の実施形態の絶縁破壊から安定点灯に至るまでのランプ電圧の変化と制御切替点を示す説明図である。

[図 14]図 14は、本発明の第 4の実施形態の定電流制御時の各部の波形図である。

[図 15]図 15は、本発明の第 5の実施形態の絶縁破壊から安定点灯に至るまでのランプ電圧の変化と制御切替点を示す説明図である。

[図 16]図 16は、本発明の第 6の実施形態の絶縁破壊から安定点灯に至るまでのランプ電圧の変化と直流電圧の切替ポイントを示す説明図である。

[図 17]図 17は、本発明の第 6の実施形態の定電流制御期間における直流電圧の制御を示す波形図である。

[図 18]図 18は、本発明の第 7の実施形態の極性反転速度の切り換え制御を示す説明図である。

[図 19]図 19は、本発明の第 8の実施形態のランプ電圧に対するランプ電力とランプ電流の制御目標値を示す特性図である。

[図 20]図 20は、本発明の第 9の実施形態の照明器具の外観を示す斜視図である。

[図 21]図 21は、従来の高圧放電灯の整流放電波形を示す波形図である。

[図 22]図 22は、従来の過渡的なランプインピーダンス特性 1を示す説明図である。

[図 23]図 23は、従来の過渡的なランプインピーダンス特性 2を示す説明図である。

[図 24]図 24は、従来の過渡的なランプインピーダンス特性 3を示す説明図である。

[図 25]図 25は、従来の始動から安定時、寿命末期までのランプインピーダンス特性を示す説明図である。

[図 26]図 26は、従来の安定器の出力特性を示す説明図である。

[図 27]図 27は、従来の安定器の出力特性を示す説明図である。

[図 28]図 28は、従来のランプ定格動作電流と最低始動電流の関係を示す説明図である。

[図 29]図 29は、従来の安定器の出力特性を示す説明図である。

発明を実施するための最良の形態

[0034] 前出のランプの動作点の考え方を用いて、本発明の特徴を説明する。放電灯の点灯を不安定にさせ、消弧させるような現象には、上述のように 3つの好ましくない点があるが、発明者らは安定器の出力特性をアクティブに制御することで、その解決手段を見出した。

[0035] 例えば図 26に示すような出力特性の場合だと、ランプのインピーダンスが若干の変動をしただけで安定点（b)が低電流側（b' )に引き下げられる力、、あるいは交点を持たなくなり、立ち消えに至る。なお、ここでの安定器の出力特性は、開放電圧 V02および短絡電流 Isを結ぶ安定器の電圧一電流特性を示している。

[0036] 上述のように、ランプの挙動が予測しがたレ、ことを考慮すれば、動作点（b)は安定器の出力特性で安定させることが有利である。具体的には、より安定した動作領域で交点を持つような、例えば図 27のように (b")に移行させるような特性を持たせればよレ、。 [0037] なお、発明者らの検証によれば、（b)の動作点で要する最低電流はランプの種類によらず 600mA以上あれば、よいことが分っている（図 28参照）。図中の白丸は様々なランプ、横軸は定格動作電流、縦軸は始動時に要する最低電流 (mA)である。

[0038] 次に、動作点（b)→(c)に至る過程においては、電力を一定に保つような制御であれば、一度グロ一放電からアーク放電への遷移領域を越えたランプを、再び不安定に引き戻してしまうから、図 29の出力特性 Aのように確実に動作点を持つようにし、ランプの低インピーダンス状態を維持させることが必要である。

[0039] さらに、動作点（c)→(d")に至る過程においては、ランプが不安定な領域を脱したことが明確になれば、図 29の出力特性 Bのように一定の電流、あるいは電力制御を行ってもよレ、。ここでは、（c)→(d)に至る過程では一定の電流制御、（d)→(d")に至る過程では一定の電力制御としてレ、る。

[0040] 最後に、寿命末期に至る（d")→(d" ' )の過程においては、ランプのインピーダンスが増加しており、不要な電力を注入することは、ランプや安定器の破損、過熱の原因となる可能性があり、好ましくなレ、。よって、図 29の出力特性 Cのように一定の電圧以上の出力をカットオフする力、電力を略一定以上注入しないようにして自然に立ち消えさせることが有効である。

[0041] 以上の動作を実現する具体的な実施形態について以下に説明する。

[0042] (第 1の実施形態）

図 1に本発明の第 1の実施形態の点灯装置の回路図を示す。図中、 1は交流電源、 2は直流電源回路、 3は電力変換回路である。直流電源回路 2は、交流電源 1を全波整流する整流器 DBと、インダクタ L1とスイッチング素子 Q1とダイオード D1とコンデンサ C1よりなる昇圧チヨッパ回路と、その制御回路 5とからなり、商用の交流電源 1 力の交流入力を直流出力に変換して電力変換回路 3へ供給すると共に、入力電流と入力電圧の位相がずれないように回路に抵抗性を持たせる力率改善制御を行ってレ、る。例えば市販の on_semi製 MC33262などをスイッチング素子 Q1の制御回路 5として用いることで実現可能である。

[0043] 電力変換回路 3は、降圧チヨッパ回路 6とインバータ回路 7とィグナイタ回路 8と制御回路 9と力もなつている。降圧チヨッパ回路 6は、スイッチング素子 Q2とダイオード D2 とインダクタ L2とコンデンサ C2とからなり、入力電圧を降圧した直流電圧を出力する。ここで降圧チヨッパ回路 6の動作については一般的な技術であるので説明を省略する力スイッチング素子 Q2のオン/オフを制御することで放電灯 DLへの供給電力を調節する安定器として用レ、られてレ、る。

[0044] インバータ回路 7は、スイッチング素子 Q3〜Q6からなるフルブリッジ回路を構成している。このインバータ回路 7は、スイッチング素子 Q3, Q6のペアと Q4， Q5のペアが制御回路 9からの制御信号により数十〜数百 Hzの低周波で交互にオンされることで、放電灯 DLに矩形波交流電力を供給する。

[0045] ィグナイタ回路 8は、パルストランス PTとコンデンサ C3とスイッチング素子 Q7 (例えばサイダックのような電圧応答素子）と抵抗 R1とからなっている。このィグナイタ回路 8 の動作について簡単に説明する。インバータ回路 7より生成された矩形波電圧を受け、抵抗 R1とコンデンサ C3の時定数によりコンデンサ C3は徐々に充電されていく。無負荷時にぉレ、て、コンデンサ C3の電圧 Vc3がスイッチング素子 Q7のブレークオ一バー電圧 Vboに達するとスイッチング素子 Q7は ONし、コンデンサ C3に蓄積された電荷をコンデンサ C3→スイッチング素子 Q7→パルストランス PTの 1次卷線 N1を介して放電させる。この時ノルストランス PTの 1次卷線 N1に発生したパルス電圧が昇圧され、パルストランス PTの 2次卷線 N2に高圧パルス電圧（数 KV)を発生させる。そして、この高圧ノ^レス電圧により放電灯 DLが放電を開始し、点灯状態に移行する。

[0046] 制御回路 9は、ランプ DLのランプ電圧 Vla、ランプ電流 Ila、スイッチング素子 Q2のピーク電流 Ip、インダクタ L2に流れる電流のゼロクロス信号 (ZCS)を検出し、これらの検出結果に応じてスイッチング素子 Q2のオン/オフ制御を行なレ、、所望の電流または電力をランプ DLに供給するように降圧チヨッパ回路 6のスイッチング素子 Q2の制御と、インバータ回路 7のスイッチング素子 Q3〜Q6の制御を行なう。

[0047] 放電灯 DLはメタルハライドランプや高圧水銀ランプのような高輝度高圧放電灯 (HI Dランプ）である。

[0048] この回路を用いて高圧放電灯が不点状態から安定点灯に至るまでには、点灯装置は大きく分けて図 2で示す 3つの過程を通る。 [0049] 無負荷モード：ランプは不点状態にあり、前記ィグナイタ回路 8で生成するパルス電圧をトランス PTの 1次卷線 N1から 2次卷線 N2へ向けて昇圧し、矩形波電圧に重畳してランプ電極間へ印加することでランプを絶縁破壊して始動モードへと移行させる

[0050] 始動モード：パルス電圧によりランプが絶縁破壊すると、グロ一放電を経てアーク放電に至る。アーク放電が開始してから発光管内温度が均一化されて安定するまでの過程においては、ランプ電圧は数 Vから安定電圧まで数分かけて徐々に上昇する。

[0051] 安定点灯モード：ランプ点灯後、数分経過してランプの発光管内温度が上昇し、安定した状態となり、ランプ電圧はほぼ一定となる。

[0052] 始動モードまたは安定点灯モードにおける各部の動作波形を図 3に示す。降圧チヨッパ回路 6では、制御回路 9からの PWM信号でスイッチング素子 Q2のオン/オフを制御する。スイッチング素子 Q2のチヨッビングにより、図 3に示すような三角波 I を生

2 成し、負荷回路へはコンデンサ C2により平滑化された電流 Ilaを供給する。三角波 I

2 はインダクタ L2に流れる電流であり、スイッチング素子 Q2のオン時には漸増し、オフ時には漸減する。

[0053] インバータ回路 7では、制御回路 9からの制御信号によりスイッチング素子 Q3, Q6 のペアとスイッチング素子 Q4, Q5のペアが交互にオンすることで、ランプ DLには図 3の矩形波電流 Ilaが供給され、ランプ両端には図 3の電圧 Viaが印加される。なお、極性反転動作は無負荷モードから安定点灯モードまで同じであるが、極性反転周波数は無負荷時と点灯時とで異ならせても良い。

[0054] 図 4にランプの絶縁破壊から安定点灯までの過程を横軸を時間軸として表しており、この図を用いて以下詳細に説明する。

[0055] 《定電流制御》：ランプ電圧 Viaとランプ電流 Ilaの検出値を演算して得られたランプ電力 Wlaを図 4の点灯判別点 Aとして検出することでランプが点灯したと判断し、この時点より図 5の電流カーブの目標値である電流量 Tipがスイッチング素子 Q2の毎スイツチング周期ごとに確実に流れるように電流ピークを一定とする制御を行なう。

[0056] 具体的には、制御回路 9の命令でスイッチング素子 Q2を ONすると、インダクタ L2 に電流が流れ始める。抵抗 R2から検出したスイッチング素子 Q2の電流検出値 Ipが図 5の電流目標値 Tipに到達するとスイッチング素子 Q2を OFFする。その後、インダクタ L2の 2次卷線によりゼロクロス信号 ZCSがゼロになるのを検出すると、スィッチング素子 Q2の ON信号を出力し、以後、上記と同じ動作を繰り返す。

[0057] 図 6に極性反転動作毎のランプの電圧 Viaと電流 Ilaの関係を示している。この図 6 を上述の図 3と照らし合わせて分かるとおり、特にランプ封入物の状態が不安定である始動時には、極性反転直後の電圧 VXが高ぐ電流 Ilaが流れにくい過程を通過する。

[0058] この電流が流れにくい極性反転直後にぉレ、ても、定電流制御であれば、所定のピーク値まで電流を流すようにするので、ランプの立ち消えをなくすことが可能である。

[0059] 《定電力制御》:ランプ電圧が上昇し、図 4の予め設定された電圧 Vialに到達すると、制御モードを第 2の制御である定電力制御へと切り換える。定電力制御では、定格点灯電圧の領域内で所望の電力でランプを点灯するために、図 5の Vla_TWlaカーブにもとづき、ランプ電圧 Viaの検出値毎に予め決められた ON幅でスイッチング素子 Q2のチヨッビングを制御する。

[0060] 本実施形態によれば、ランプ始動過程において、ランプガス封入物の状態が不安定で、特に極性反転直後にランプインピーダンスが増加してランプに電流が流れにくい状態になっても、必要な電流を供給できるので、ランプを毎極性反転毎に確実に安定点灯させることができ、且つ昇圧チヨッパ回路の出力電圧を低めに設定して部品耐圧を下げることも可能な高圧放電灯点灯装置を提供できる。

[0061] (第 2の実施形態）

図 7に本発明の第 2の実施形態の回路図を示す。本実施形態では、電力変換回路 3としてハーフブリッジインバータ回路を用いている。このハーフブリッジインバータ回路は、電解コンデンサー, C2の直列回路と、スイッチング素子 Q2, Q3の直列回路を直流電源回路 2の出力に並列接続し、コンデンサ CI , C2の接続点とスイッチング素子 Q2， Q3の接続点の間に、電流検出抵抗 R2を介してインダクタ L2とコンデンサ C4の直列回路を接続し、コンデンサ C4と並列に、パルストランス PTの 2次卷線 N2を介して放電灯 DLを接続したものであり、第 1の実施形態の降圧チヨッパ回路 6とインバータ回路 7の機能を兼用している。インダクタ L2とコンデンサ C4の直列回路は降圧チヨッパ用のローパスフィルタ回路を構成しており、制御回路 9の制御信号によりスイッチング素子 Q2が数十〜数百 kHzの高周波でオン/オフする期間 T1と、スィッチング素子 Q3が数十〜数百 kHzの高周波でオン/オフする期間 T2とを、数十〜数百 Hzの低周波で交番させることにより、コンデンサ C4の両端に低周波の矩形波電圧を得ている。

[0062] 制御回路 9は、ランプ電圧検出回路 11によりランプ電圧 Viaを検出し、チヨツバ電流検出回路 12によりスイッチング素子 Q2， Q3に流れる電流の瞬時値 Ipを検出し、ゼロクロス検出回路 13によりインダクタ L2に流れる電流のゼロクロス信号 (ZCS)を検出し、これらの検出結果に基づいて、スイッチング素子 Q2， Q3を制御する。なお、ィグナイタ回路 8の構成は第 1の実施形態と同様であるが、制御回路 9の制御信号により開閉制御されるスィッチ素子 Q8を介して直流電源回路 2の出力に接続した点が異なる

[0063] 本実施形態においても、高圧放電灯が不点状態から安定点灯に至るまでには、点灯装置は大きく分けて図 2で示す無負荷モード、始動モード、安定点灯モードの 3つの過程を通る。

[0064] 図 9にランプ絶縁破壊から安定点灯までの過程を横軸を時間軸として表しており、この図を用いて以下詳細に説明する。

[0065] 《定電流制御》：ランプ絶縁破壊後、ランプ電圧 Viaの下降を検出し、その電圧が予め設定された閾値以下となる点灯判別点 Aを検出するとランプ点灯と判断し、その時点より図 5の電流カーブの目標値である電流量 Tipがスイッチング素子 Q2 (または Q3) の毎スイッチング周期において確実に流れるように電流ピークを一定に制御する。その動作を図 8に示す。

[0066] 期間 T1では、制御回路 9の命令でスイッチング素子 Q2を〇Nするとインダクタ L2に電流が流れ始める。電流検出抵抗 R2からチヨッパ電流検出回路 12により検出したチョッパ電流 Ipの検出値が図 5の電流目標値 Tipに到達するとスイッチング素子 Q2を OFFする。その後、インダクタ L2の 2次卷線によりゼロクロス信号 ZCSがゼロになるのを検出すると、スイッチング素子 Q2の ON信号を出力し、以後、上記と同じ動作を繰り返す。 [0067] 期間 T2では、制御回路 9の命令でスイッチング素子 Q3が ONするとインダクタ L2 に逆方向に電流が流れ始める。電流検出抵抗 R2からチヨッパ電流検出回路 12により検出したチヨッパ電流 Ipの検出値が図 5の電流目標値 Tipに到達するとスィッチング素子 Q2を OFFする。その後、インダクタ L2の 2次卷線によりゼロクロス信号 ZCSがゼロになるのを検出すると、スイッチング素子 Q3の ON信号を出力し、以後、上記と同じ動作を繰り返す。

[0068] 以上の期間 Tl、 Τ2の高周波スイッチング動作を低周波で交番することでランプ両端には図 8のような矩形波のランプ電圧 Viaが印加され、矩形波のランプ電流 Ilaが流れる。

[0069] 《定電力制御》:ランプ点灯検出後、予め設定された時間 tlが経過すると、制御モードを第 2の制御である定電力制御へと切り換える。定電力制御では定格点灯電圧の領域内で所望の電力でランプを点灯するために、図 5の Vla_TWlaカーブにもとづき、ランプ電圧 Viaの検出値毎に予め決められた ON幅でスイッチング素子 Q2, Q3 のチヨッビングを制御する。

[0070] 本実施形態においても、ランプ始動過程において、ランプガス封入物の状態が不安定で、特に極性反転直後にランプインピーダンスが増加してランプに電流が流れにくい状態になっても、必要な電流を供給できるので、ランプを毎極性反転毎に確実に安定点灯させることができ、且つ昇圧チヨッパ回路 2aの出力電圧を低めに設定して部品耐圧を下げることも可能な高圧放電灯点灯装置を提供できる。

[0071] (第 3の実施形態）

図 10に本発明の第 3の実施形態の回路図を示す。本実施形態では、電力変換回路としてフルブリッジインバータ回路 7を用いており、スイッチング素子 Q3〜Q6を巧妙に制御することで、第 1の実施形態の降圧チヨッパ回路 6とインバータ回路 7とイダナイタ回路 8の機能を 1つの回路で兼用している。すなわち、無負荷時にはスィッチング素子 Q3, Q4が高周波で交互にオン'オフすることで、トランス PTとトランス PTの中間タップとグランド間に挿入されたコンデンサ C3とからなる共振昇圧回路 8が高電圧を発生し、放電灯 DLを絶縁破壊する。始動時〜安定点灯時には、スィッチング素子 Q3， Q4は低周波で交互にオン'オフすることで共振昇圧回路 8は高電圧の発生を停止し、スイッチング素子 Q4がオンである期間 T1にスイッチング素子 Q5が高周波でオン'オフする動作と、スイッチング素子 Q3がオンである期間 T2にスイッチング素子 Q6が高周波でオン'オフする動作とを低周波で交番することにより、低周波の矩形波電圧を放電灯 DLに供給する。このとき、インダクタ L2とコンデンサ C2は降圧チヨッパ回路のローパスフィルタとして機能する。

[0072] 制御回路 9は、ランプ両端電圧 Vial , Vla2からランプ電圧 Viaを検出し、電流検出抵抗 R2によりスイッチング素子 Q5， Q6に流れるチヨッパ電流の瞬時値 Ipを検出する。また、インダクタ L2に流れる電流のゼロクロス信号 ZCSを検出し、これらの検出結果から決定される所望の電流または電力をランプに供給するようにスイッチング素子 Q3〜Q6の制御を行なう。

[0073] 上記回路を用いて高圧放電灯が不点状態から安定点灯に至るまでには、点灯装置は大きく分けて図 11で示す 3つの過程を通る。

[0074] 無負荷モード:ランプは不点状態にあり、前記共振昇圧回路 8を構成するトランス P Tの 1次卷線とコンデンサ C3の LC共振周波数付近でスイッチング素子 Q3, Q4を交互にオン/オフして生成する共振ノ^レス電圧をトランス PTの卷数比で昇圧してランプ電極間に印加することでランプを絶縁破壊して始動モードへ移行させる。

[0075] 始動モード：共振パルス電圧によりランプが絶縁破壊すると、グロ一放電を経てァーク放電に至る。アーク放電が開始してから発光管内温度が均一化されて安定するまでの過程においては、ランプ電圧は数 Vから安定電圧まで数分かけて徐々に上昇する。

[0076] 安定点灯モード:ランプ点灯後、数分経過してランプの発光管内温度が上昇し、安定した状態となり、ランプ電圧はほぼ一定となる。

[0077] 始動モードまたは安定点灯モードにおける各部の動作波形を図 12に示す。インバータ回路 7では制御回路 9によりスイッチング素子 Q3〜Q6を以下のように制御する。数十〜数百 Hzの低周波で交番する T1期間と T2期間を設け、 T1期間には、スイツチング素子 Q5を数十〜数百 kHzでオン Zオフし、スイッチング素子 Q4をずつとオンさせる。 T2期間には、スイッチング素子 Q6を数十〜数百 kHzでオン Zオフし、スイツチング素子 Q3をずつとオンさせる。スイッチング素子 Q5, Q5のチヨッビングにより、図 12に示すような三角波 I を生成し、負荷回路へはコンデンサ C2により平滑化された電流 Ilaを供給する。三角波 I はインダクタ L2に流れる電流であり、スイッチング素子 Q2のオン時には漸増し、オフ時には漸減する。

[0078] 図 13にランプ絶縁破壊から安定点灯までの過程を横軸を時間軸として表しており、これを用いて以下詳細に説明する。

[0079] 《定電流制御》：ランプ絶縁破壊後、ランプ電流 Ilaの上昇を検出し、その電流が予め設定された閾値 Ilal以上となる点灯判別点 Aを検出すると、ランプ点灯と判断し、その時点より図 5の電流カーブの目標値である電流量 Tipがスイッチング素子 Q5または Q6の毎チヨッビング周期において確実に流れるように電流ピークを一定に制御する。

[0080] 期間 T1ではスイッチング素子 Q4をずつとオン状態に維持して、スイッチング素子 Q 5を以下のように制御する。制御回路 9の命令でスイッチング素子 Q5をオンするとィンダクタ L2に電流が流れ始める。電流検出抵抗 R2から検出したチヨッパ電流 Ipの検出値が図 5の電流目標値 Tipに到達するとスイッチング素子 Q5をオフする。スィッチング素子 Q5, Q6の接続点の電位でゼロクロス信号 ZCSを検出すると、スイッチング素子 Q5のオン信号を出力し、以後上記と同じ動作を繰り返す。

[0081] 期間 T2ではスイッチング素子 Q3をずつとオン状態に維持して、スイッチング素子 Q 6を以下のように制御する。制御回路 9の命令でスイッチング素子 Q6をオンするとィンダクタ L2に電流が流れ始める。電流検出抵抗 R2から検出したチヨッパ電流 Ipの検出値が図 5の電流目標値 Tipに到達するとスイッチング素子 Q6を OFFする。スィッチング素子 Q5, Q6の接続点の電位でゼロクロス信号 ZCSを検出すると、スイッチング素子 Q6のオン信号を出力し、以後上記と同じ動作を繰り返す。

[0082] 以上の期間 Tl Τ2の動作を低周波で交番することでランプ両端には図 12のような矩形波のランプ電圧 Viaが印加され、矩形波のランプ電流 Ilaが流れる。

[0083] 《定電力制御》：ランプ電圧の上昇の傾きを検知し、予め設定された電圧上昇の傾き（ V2Zt2)となると、制御切替点 Bで制御モードを第 2の制御である定電力制御へと切り換える。この定電力制御では、定格点灯電圧の領域内で所望の電力でランプを点灯するために、図 5の Vla_TWlaカーブにもとづき、ランプ電圧 Viaの検出値毎に予め決められたオン幅でスイッチング素子 Q5, Q6のチヨッビングを制御する。

[0084] 本実施形態においても、ランプ始動過程において、ランプガス封入物の状態が不安定で、特に極性反転直後にランプインピーダンスが増加してランプに電流が流れにくい状態になっても、必要な電流を供給できるので、ランプを毎極性反転毎に確実に安定点灯させることができ、且つ昇圧チヨッパ回路 2aの出力電圧を低めに設定して部品耐圧を下げることも可能な高圧放電灯点灯装置を提供できる。

[0085] (第 4の実施形態）

図 14に第 4の実施形態を示す。第 1〜第 3の実施形態において、ランプ始動時の点灯が不安定な領域における定電流制御は、図 14のように極性反転の半周期毎に極性反転直後の期間 TAとその後次の極性反転までの期間 TBを設定し、 TAの期間のみを定電流制御としても同様の効果を得ることができる。

[0086] ランプの放電状態が最も不安定である極性反転直後のみ定電流制御できるから、ランプ始動過程において、ランプガス封入物の状態が不安定で、特に極性反転直後にランプインピーダンスが増加してランプに電流が流れにくい状態になっても、必要な電流を供給できるので、ランプを毎極性反転毎に確実に安定点灯させることができ、且つ昇圧チヨッパ回路の出力電圧を低めに設定して部品耐圧を下げることも可能な高圧放電灯点灯装置を提供できる。

[0087] (第 5の実施形態）

図 15に第 5の実施形態を示す。第 1〜第 3の実施形態において、定電流制御期間はランプの状態の変化（電圧上昇等）に応じて定電流制御する電流目標値を下げられるように複数段の目標値を持たせることも可能である。図示された例では、ランプ電圧の上昇に応じて Bl、 B2、 B3の各点で目標値を低い値に切り換えていく。これにより、第 1〜第 3の実施形態と同様に、ランプを毎極性反転毎に確実に安定点灯させることができるとともに、ランプへの負荷を軽減することも可能である。

[0088] (第 6の実施形態）

図 16、図 17に第 6の実施形態を示す。第 1〜第 5の実施形態において、図 16に示すように、定電流制御期間の直流電源電圧 Vbusを点灯時よりも昇圧することで、極性反転直後にランプインピーダンスが増加し、ランプに電流が流れにくくなつても、回路の定電流供給能力を更に高めることが可能である。または、定電流制御期間の各極性反転直後のみ直流電源電圧 Vbusを昇圧する図 17の制御でも同様の効果を得ること力 S可能である。直流電源電圧 Vbusを図 16または図 17のように一時的に昇圧するには制御回路 9から直流電源回路 2の制御回路 5に制御信号を与えれば良い。

[0089] (第 7の実施形態）

図 18に第 7の実施形態を示す。通常点灯時の最適極性反転速度はランプのワット数やランプ種により異なる力通常 300 μ sec以内の極性反転が良いとされている。特にランプの点灯状態が不安定な定電流制御期間では極性反転速度は速い方が良い（100 μ sec前後）。一方、安定点灯時においては極性反転速度が速すぎるとランプのステムが振動し、騒音の発生源となっているケースがあった。そこで、図 18のように始動時の定電流制御から安定点灯時の定電力制御へ切り換えると同時に極性反転速度を切り換えることで、始動時にはランプを確実に安定点灯まで移行させることが可能であり、安定点灯時には騒音の問題もない点灯が可能である。

[0090] (第 8の実施形態）

図 19に第 8の実施形態を示す。ランプの寿命末期にはランプ電圧が上昇し、図 19 の Via— Wlaカーブの点線部のようにランプへ供給する電流量を絞っているため、立ち消えしやすくなる。そこで、ランプ定格電圧の最高電圧近辺で点灯しているランプの安定点灯を確保するため、図 19のように高 Via領域にも閾値 Vla2を設定し、この閾値以上の定格電圧領域内で点灯するランプについては定電流制御とする。以上により長時間点灯して、ランプ電圧が定格点灯電圧範囲の上限値付近にあるランプでも立ち消えなく点灯させることができる。

[0091] (第 9の実施形態）

図 20は本発明の高圧放電灯点灯装置を用いた照明器具の構成例を示す。（a)、 ( b)はそれぞれスポットライトに HIDランプを用いたトラックライト対応器具、（c)はダウンライトに HIDランプを用いた例であり、図中、 15は点灯装置の回路を格納した電子バラスト、 16は高圧放電灯を装着した灯体、 17は配線である。これらの照明器具を複数組み合わせて照明システムを構築しても良レ、。これらの点灯装置として前述の第 1〜第 8の実施形態の高圧放電灯点灯装置を用いることで立ち消えなぐ毎回確実に高圧放電灯を安定点灯することが可能な照明器具を提供することができる。産業上の利用可能性

本発明によれば、放電灯の始動過程から寿命末期に至るまでに発生する放電灯の不安定点灯の状態においても毎スイッチング周期ごとに必要な電流を供給できるので、安定点灯させることができる。また、供給電流不足による立ち消えの恐れが少ないので、直流電源の出力電圧を低めに設定して部品耐圧を下げることも可能となる。

Claims

請求の範囲

[1] 複数のスイッチング素子とインダクタンス素子を備え、直流電源からの入力を電力変換し、矩形波交流出力として高圧放電灯に供給する電力変換回路と、電力変換回路のスイッチング素子を制御する制御回路とからなる点灯装置であって、

前記制御回路は、

電力変換回路のスイッチング素子を毎スイッチング周期決められたピーク値まで電流を流すように制御する第 1の点灯制御と、

高圧放電灯の安定点灯時に所望の電力を供給する第 2の点灯制御とを有し、これら第 1及び第 2の点灯制御を高圧放電灯の点灯状態に応じて切り換えることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。

[2] 請求項 1において、前記制御回路は高圧放電灯が点灯したことを、ランプ電圧の減少、またはランプ電流の増カロ、またはランプ電圧とランプ電流の瞬時値の積によって検出すること

を特徴とする高圧放電灯点灯装置。

[3] 請求項 1または 2において、第 1の点灯制御は複数の目標値を有し、ランプ電圧の上昇に応じてこれら目標値を低い値に切り換えていくこと

を特徴とする高圧放電灯点灯装置。

[4] 請求項 1〜3のいずれかにおいて、前記制御回路は、高圧放電灯の点灯を検出した直後は第 1の点灯制御とし、高圧放電灯の点灯検出後から予め設定された時間が経過した後に第 2の点灯制御に切り換えること

を特徴とする高圧放電灯点灯装置。

[5] 請求項 1〜3のいずれかにおいて、前記制御回路は、高圧放電灯の点灯を検出した直後は第 1の点灯制御とし、高圧放電灯の点灯検出後、所定のランプ電圧に達する力 \または、所定時間内のランプ電圧増加量が所定の傾きに達したことを検出すると、第 2の点灯制御に切り換えること

を特徴とする高圧放電灯点灯装置。

[6] 請求項 4または 5において、高圧放電灯の点灯を検出した直後の第 1の点灯制御に代えて、矩形波の極性反転直後から一定の期間は第 1の点灯制御、その後、次の極性反転までの期間は第 2の点灯制御とする動作を繰り返すこと

を特徴とする高圧放電灯点灯装置。

[7] 請求項 1〜6のいずれかにおいて、第 1の点灯制御の期間中は、第 2の点灯制御の期間中よりも直流電源の出力電圧を高くすること

を特徴とする高圧放電灯点灯装置。

[8] 請求項:!〜 6のいずれかにおいて、第 1の点灯制御において、極性反転直後から一定の期間は直流電源の出力電圧を高くすること

を特徴とする高圧放電灯点灯装置。

[9] 請求項 1〜8のいずれかにおいて、第 1の点灯制御の期間中は、第 2の点灯制御の期間中よりも極性反転の速度を速くすること

を特徴とする高圧放電灯点灯装置。

[10] 請求項:!〜 9のいずれかに記載の高圧放電灯点灯装置を具備したこと

を特徴とする照明器具。