JP2007200781A - 高圧放電灯点灯装置及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ランプ電力を調整するとともに使用する回路部品の低耐圧小型化を図る。
【解決手段】直流電源回路１２から直流電圧を入力し、２つのスイッチ素子Ｑ2、Ｑ3を交互にオンオフスイッチング駆動して高圧放電灯１８を高周波点灯するインバータ回路１６と、高圧放電灯のランプ電圧を検出するランプ電圧検出回路２０と、このランプ電圧検出回路２０が検出したランプ電圧を使用して音響共鳴の有無を判定する音響共鳴判定手段１５１と、この音響共鳴判定手段による音響共鳴の有無の判定に基づいてインバータ回路１６のスイッチング周波数を非音響共鳴周波数に制御する周波数制御手段１５２と、スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のスイッチングのオンデューティをスイッチング周期よりも長い周期で変化させてランプ電力を調整するランプ電力調整手段１５３を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧放電灯を高周波点灯する高圧放電灯点灯装置及びこの高圧放電灯点灯装置を使用した照明装置に関する。

高圧放電灯を高周波点灯すると音響共鳴現象が発生して点灯状態が不安定になるため、インバータ回路を使用して高周波電力を出力する高圧放電灯点灯装置では、スイッチ素子のスイッチング周波数を非共鳴周波数帯に合わせることで高圧放電灯の安定した点灯状態を確保するようにしている。

このような制御を行う高圧放電灯点灯装置では、インバータ回路のスイッチング周波数が決められるため、スイッチング周波数を変化させてランプ電力を調整することはできない。そこで、インバータ回路のスイッチング周波数を非共鳴周波数帯に合わせた状態で、直流電源の出力電圧を制御してランプ電力を調整するものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２３５０３３号公報

しかしながら、直流電源の出力電圧を制御してランプ電力を調整するものでは、出力電圧が最も高くなる状態に合わせて各回路部品の耐圧を設定しなければならず、これにより、使用する回路部品が高耐圧化し、結果として装置が大型化し、かつ、コストが高くなるという問題があった。

本発明は、インバータ手段のスイッチング周波数を非共鳴周波数帯にして高圧放電灯を高周波点灯するものにおいて、ランプ電力を調整できるとともに使用する回路部品の低耐圧化を図ることができ、これにより、装置の小型化、低コスト化を図ることができる高圧放電灯点灯装置及び照明装置を提供する。

請求項１記載の発明は、直流電源手段から直流電圧を入力し、少なくとも２つのスイッチ素子を交互にオンオフスイッチング駆動して高圧放電灯を高周波点灯するインバータ手段と、高圧放電灯のランプ電圧を検出するランプ電圧検出手段と、このランプ電圧検出手段が検出したランプ電圧を使用して音響共鳴の有無を判定する音響共鳴判定手段と、この音響共鳴判定手段による音響共鳴の有無の判定に基づいてインバータ手段のスイッチング周波数を非音響共鳴周波数となるように制御する周波数制御手段と、スイッチ素子のスイッチングのオンデューティをスイッチング周期よりも長い周期で変化させてランプ電力を調整するランプ電力調整手段を具備した高圧放電灯点灯装置にある。

高圧放電灯としては、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が使用される。また、発光管にアルミナ管を用いたセラミック放電灯も使用される。

直流電源手段としては、例えば、交流電源電圧を整流する全波整流回路と、その整流回路の出力電圧を入力し昇圧した直流電圧を生成する昇圧チョッパ回路で構成されるものが使用される。なお、他の昇圧方式を使用してもよい。

インバータ手段としては、ハーフブリッジ形やフルブリッジ形などの各種の方式がある。例えば、直列接続されて交互にオンオフする２つのスイッチ素子とＬＣ共振回路を有するハーフブリッジ形の高周波インバータ回路は、制御手段によってインバータ回路のスイッチング周波数を制御し、このインバータ回路からの高周波出力を高圧放電灯の両端に印加することで高圧放電灯を高周波点灯する。

ランプ電圧検出手段は、高圧放電灯の両端の高周波電圧を検出するもので、ランプ始動後の安定点灯状態におけるランプ電圧の検出に使用される。また、音響共鳴現象が生じた場合にランプ電圧が変動するので、音響共鳴の発生の有無を判定するものにも使用される。

また、請求項２記載の発明のランプ電力調整手段は、オンデューティを連続的に変化させる構成になっている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の高圧放電灯点灯装置と、この高圧放電灯点灯装置により点灯される高圧放電灯と、この高圧放電灯を装着した器具本体とを具備した照明装置にある。

本発明によれば、インバータ手段のスイッチング周波数を非共鳴周波数帯にして高圧放電灯を高周波点灯するものにおいて、スイッチ素子のスイッチングのオンデューティをスイッチング周期よりも長い周期で変化させてランプ電力を調整しているので、ランプ電力を調整できるとともに使用する回路部品の低耐圧化を図ることができ、これにより、装置の小型化、低コスト化を図ることができる高圧放電灯点灯装置及び照明装置を提供できる。
また、本発明によれば、さらに、ランプ電力をより精度よく調整できる高圧放電灯点灯装置及び照明装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は高圧放電灯点灯装置の回路構成を示す図で、この高圧放電灯点灯装置は、交流電源ＡＣに、コンデンサＣ1、Ｃ2及びトランスＴ1からなるノイズフィルタ回路１１を介して直流電源手段としての直流電源回路１２を接続している。

前記直流電源回路１２は、ダイオードブリッジからなる全波整流回路１３と昇圧チョッパ回路１４を有し、前記ノイズフィルタ回路１１からの交流を前記全波整流回路１３で全波整流した後、この全波整流回路１３の出力端子に並列に接続された高域成分除去用のコンデンサＣ3で高域成分を除去してから前記昇圧チョッパ回路１４に供給している。また、前記全波整流回路１３の出力端子に制御回路１５を接続している。

前記昇圧チョッパ回路１４は、トランスＴ2、ＭＯＳ型ＦＥＴからなるスイッチ素子Ｑ1、平滑コンデンサＣ4を設け、前記コンデンサＣ3の正極側端子を、トランスＴ2の１次巻線Ｔ2pを介して前記スイッチ素子Ｑ1のドレイン端子に接続するとともに、さらに、ダイオードＤ1を順極性方向に介して前記平滑コンデンサＣ4の一端に接続し、前記コンデンサＣ3の負極側端子を、前記平滑コンデンサＣ4の他端に接続するとともに、抵抗Ｒ1を直列に介して前記スイッチ素子Ｑ1のソース端子に接続している。

前記トランスＴ2の２次巻線Ｔ2sは、一端を前記コンデンサＣ3の負極側端子に接続し、他端を制御回路１５に接続するとともにダイオードＤ2を順極性方向に介して平滑コンデンサＣ5の一端に接続している。前記平滑コンデンサＣ5の他端は前記コンデンサＣ3の負極側端子に接続している。そして、前記ダイオードＤ2と平滑コンデンサＣ5との接続点を、抵抗Ｒ2を直列に介して前記全波整流回路１３の出力端子の正極側に接続している。

前記制御回路１５は、前記平滑コンデンサＣ5に出力される電圧値、前記スイッチ素子Ｑ1から抵抗Ｒ1に流れる電流値、前記平滑コンデンサＣ4に出力される電圧値をそれぞれ入力している。
前記昇圧チョッパ回路１４は、平滑コンデンサＣ4の両端間に昇圧した直流電圧ＶDCを出力し、これをインバータ手段としてのインバータ回路１６に供給している。

前記インバータ回路１６は、直列接続した１対のＭＯＳ型ＦＥＴからなるスイッチ素子Ｑ2、Ｑ3と、前記スイッチ素子Ｑ3のソース端子に直列に接続した抵抗Ｒ3と、前記スイッチ素子Ｑ3と抵抗Ｒ3との直列回路に直流カット用コンデンサＣ6を直列に介して並列に接続したＬＣ共振回路１７とで構成されている。前記ＬＣ共振回路１７は、共振用インダクタＬ1と共振用コンデンサＣ7との直列回路によって形成されている。

前記インバータ回路１６の出力端である共振用コンデンサＣ7の両端に高圧放電灯１８を接続している。前記インバータ回路１６のスイッチ素子Ｑ3に流れる電流を電流検出回路１９で検出し、その検出信号を前記制御回路１５に供給している。前記電流検出回路１９は、前記抵抗Ｒ3に抵抗Ｒ4を直列に介してコンデンサＣ8を並列に接続し、そのコンデンサＣ8の両端から検出信号を出力する。

前記高圧放電灯１８のランプ電圧をランプ電圧検出手段であるランプ電圧検出回路２０で検出している。ランプ電圧検出回路２０は、高圧放電灯１８の両端間に抵抗Ｒ5と抵抗Ｒ6との直列回路を並列に接続し、前記抵抗Ｒ5と抵抗Ｒ6の一端との接続点を、コンデンサＣ9を介してダイオードＤ3のカソード端子とダイオードＤ4のアノード端子に接続している。前記ダイオードＤ4のカソード端子をコンデンサＣ10の一端に接続し、前記ダイオードＤ3のアノード端子と前記コンデンサＣ10の他端を前記抵抗Ｒ6の他端に接続している。前記コンデンサＣ9、Ｃ10、ダイオードＤ3、Ｄ4は倍電圧整流回路を形成し、コンデンサＣ10の両端間からランプ電圧検出信号を取り出して前記制御回路１５に供給している。

前記制御回路１５は、昇圧チョッパ回路１４のスイッチ素子Ｑ1のスイッチング周波数及びオンデューティを制御することで入力電圧を直流電圧ＶDCに昇圧する。前記昇圧チョッパ回路１４は、スイッチ素子Ｑ1がオンのときにトランスＴ2の１次巻線Ｔ2pにエネルギーを蓄え、スイッチ素子Ｑ1がオフのときに１次巻線Ｔ2pに蓄えたエネルギーを、ダイオードＤ1を介して平滑コンデンサＣ4に放出することで、平滑コンデンサＣ4に昇圧した電圧を充電する。

また、前記制御回路１５は、前記ランプ電圧検出回路２０が検出したランプ電圧を使用して音響共鳴の有無を判定する音響共鳴判定手段１５１、この音響共鳴判定手段１５１による音響共鳴の有無の判定に基づいて前記インバータ回路１６のスイッチング周波数を非音響共鳴周波数に制御する周波数制御手段１５２及び前記インバータ回路１６のスイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のスイッチングのオンデューティを制御してランプ電力を調整するランプ電力調整手段１５３を設けている。

すなわち、前記制御回路１５は、周波数制御手段１５２によってインバータ回路１６の１対のスイッチ素子Ｑ2、Ｑ3を高周波の短い周期で交互にスイッチング駆動するとともにランプ電力調整手段１５３によって各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のオンデューティをランプ始動時には５０％に固定し、ランプ点灯時には低周波の長い周期で変化させ、かつ、各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のオンデューティが互いに反転するように制御する。なお、この場の高周波とは１ｋＨｚを超える周波数を示し、通常は４０ｋＨｚから５０ｋＨｚ位の範囲の周波数で駆動される。また、この場合の低周波とは、１ｋＨ以下の周波数を示し、ここでは１００Ｈｚ程度の低周波でオンデューティを変化させるようにしている。

ランプ電圧は音響共鳴現象が生じた場合には非音響共鳴時に比べて上昇するので、制御回路１５の音響共鳴判定手段１５１は音響共鳴を判定する基準電圧Ｖ1を設定し、図２に示すように、ステップＳ１にて、検出したランプ電圧が基準電圧Ｖ1以上か否かを判定し、基準電圧Ｖ1以上であれば、ステップＳ２にて、音響共鳴現象の発生を判定し、また、基準電圧Ｖ1未満であれば、ステップＳ３にて、音響共鳴現象の非発生を判定する。

また、前記制御回路１５の周波数制御手段１５２は前記音響共鳴判定手段１５１が音響共鳴を判定したときには、図２に示すように、ステップＳ４にて、インバータ回路１６のスイッチング周波数を非音響共鳴周波数へ変化させる制御を行う。

このような構成においては、交流電源ＡＣが投入されると制御回路１５が動作し、この制御回路１５によって昇圧チョッパ回路１４のスイッチ素子Ｑ1がスイッチング制御される。こうして直流電源回路１２が動作を開始し、インバータ回路１６に昇圧された直流電圧ＶDCが印加される。

制御回路１５は、また、周波数制御手段１５２によってインバータ回路１６の各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のスイッチング制御を開始する。ランプ始動時には、各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3を、図３に示すように、比較的高い周波数でスイッチング駆動するとともにオンデューティを５０％で制御する。そして、高圧放電灯１８が点灯状態に移行すると、周波数制御手段１５２は各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のスイッチング周波数を低く制御する。例えば、始動時の略半分、始動時の周波数が８０ｋＨｚであれば略４０ｋＨｚ程度に低下させる。

この状態で、制御回路１５の音響共鳴判定手段１５１は、ランプ電圧検出回路２０からランプ電圧検出信号を取込み、検出したランプ電圧が基準電圧Ｖ1以上か否かを判定する。検出したランプ電圧が基準電圧Ｖ1に達していなければ、音響共鳴判定手段１５１は音響共鳴現象の非発生を判定する。このとき、周波数制御手段１５２は点灯時のスイッチング周波数をこのまま維持する。また、検出したランプ電圧が基準電圧Ｖ1以上になっていれば、音響共鳴判定手段１５１は音響共鳴現象の発生を判定する。このとき、周波数制御手段１５２は各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のスイッチング周波数を、音響共鳴現象の発生を回避できる周波数に変更する。

また、制御回路１５は、点灯時にはランプ電力調整手段１５３によって各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のオンデューティを可変してインバータ回路１６の出力電力を可変する。すなわち、インバータ回路１６の出力電力は、図４に示すように、各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のオンデューティが５０％、５０％のときには最も高くなり、各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のオンデューティが４０％、６０％→３０％、７０％→２０％、８０％と互いのデューティ差が大きくなるに従って低下する。そこで、ランプ電力調整手段１５３は、各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のオンデューティを可変することでインバータ回路１６の出力電力を可変し、高圧放電灯１８の定格電力にランプ電力を合わせる。

このように、ランプ電力をインバータ回路１６の各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のオンデューティを可変することで調整することができるので、直流電源の出力電圧を制御するもののように出力電圧が最も高くなる状態に合わせて各回路部品の耐圧を設定する必要は無く、使用する回路部品の低耐圧小型化を図ることができる。これにより、装置の小型化、低コスト化を図ることができる。

各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のオンデューティは互いに反転関係にある。例えば、図５はスイッチ素子Ｑ2のオンデューティが７０％で、スイッチ素子Ｑ3のオンデューティが３０％のときの、オンオフタイミングと各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3に流れる電流波形を示している。また、図６はスイッチ素子Ｑ2のオンデューティが３０％でスイッチ素子Ｑ3のオンデューティが７０％のときの、オンオフタイミングと各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3に流れる電流波形を示している。

ランプ電力調整手段１５３は、各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3を略４０ｋＨｚ前後の高周波でスイッチング駆動するが、スイッチ素子Ｑ2のオンデューティが７０％で、スイッチ素子Ｑ3のオンデューティが３０％のようなときには、高圧放電灯１８に流れるランプ電流に偏りが生じる。

このため、ランプ電力調整手段１５３は、図５の各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のオンデューティ状態と図６の各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のオンデューティ状態を１００Ｈｚの長い周期で切替える。すなわち、スイッチ素子Ｑ2のオンデューティ７０％、スイッチ素子Ｑ3のオンデューティ３０％を１０ｍｓｅｃ間継続する。そして、１０ｍｓｅｃが経過すると、今度はスイッチ素子Ｑ2のオンデューティ３０％、スイッチ素子Ｑ3のオンデューティ７０％を略４０ｋＨｚの高周波で切替え、これを１０ｍｓｅｃ間継続する。そして、１０ｍｓｅｃが経過すると、再び、スイッチ素子Ｑ2のオンデューティ７０％、スイッチ素子Ｑ3のオンデューティ３０％に切替える。

このような制御を行うことで、高圧放電灯１８には図７に示すようなランプ電流が流れ、ランプ電流の偏りが解消される。また、高圧放電灯１８に低周波電力成分を印加させることができる。これにより、低周波用に設計されたランプの性能を大きく損なうことなく点灯させることができる。

また、各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のオンデューティを５０％でスイッチング駆動する時には、高圧放電灯１８には図８に示すようなランプ電流が流れる。このときには高圧放電灯１８に流れるランプ電流は偏らずに平均化される。

なお、この実施の形態では、各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のオンデューティ状態を、例えば７０％、３０％から３０％、７０％へ、また、３０％、７０％から７０％、３０％へ不連続的に切替えるものについて述べたが必ずしもこれに限定するものではなく、各スイッチ素子Ｑ2、Ｑ3のオンデューティ状態を、例えば７０％、３０％から３０％、７０％へ、また、３０％、７０％から７０％、３０％へ連続的に変化させて切替えることもできる。
このような制御を行うことで高圧放電灯１８のランプ電流は図９に示すように滑らかに変化するようになり、ランプ電力をより精度よく調整できる。また、ランプ電力が急激に変化することに伴う巻線部品などの騒音の低減等も期待できる。

（第２の実施の形態）
図１０は本発明の第２の実施の形態に係る照明装置の構成を示す斜視図である。図中１００は、第１の実施の形態の高圧放電灯点灯装置で、この高圧放電灯点灯装置１００は器具本体１０１と別置されている。前記器具本体１０１に高圧放電灯１８を装填している。
このような構成の照明装置においては、第１の実施の形態における高圧放電灯点灯装置１００の効果を有する照明装置が得られる。

本発明の第１の実施の形態に係る高圧放電灯点灯装置の回路構成を示す図。 同実施の形態における制御回路による音響共鳴現象の判定処理及び周波数の可変処理を示す流れ図。 同実施の形態におけるランプ始動時のインバータ回路の各スイッチ素子のオンオフタイミングと電流波形を示す図。 同実施の形態におけるインバータ回路の各スイッチ素子のオンデューティ比変化と出力電力との関係を示すグラフ。 同実施の形態のランプ点灯時においてインバータ回路の各スイッチ素子のオンデューティが７０％／３０％のときのオンオフタイミングと電流波形を示す図。 同実施の形態におけるランプ点灯時のインバータ回路の各スイッチ素子のオンデューティが３０％／７０％のときのオンオフタイミングと電流波形を示す図。 同実施の形態のランプ点灯時において各スイッチ素子のオンデューティが７０％／３０％、３０％／７０％のときの高圧放電灯に流れるランプ電流波形を示す図。 同実施の形態のランプ点灯時において各スイッチ素子のオンデューティが５０％、５０％のときの高圧放電灯に流れるランプ電流波形を示す図。 同実施の形態のランプ点灯時において各スイッチ素子のオンデューティが７０％／３０％と３０％／７０％との間で連続して変化するときの高圧放電灯に流れるランプ電流波形を示す図。 本発明の第２の実施の形態に係る照明装置を示す斜視図。

符号の説明

１２…直流電源回路（直流電源手段）、１５…制御回路、１５１…音響共鳴判定手段、１５２…周波数制御手段、１５３…ランプ電力調整手段、１６…インバータ回路（インバータ手段）、１８…高圧放電灯、１９…電流検出回路、２０…ランプ電圧検出回路（ランプ電圧検出手段）、１００…高圧放電灯点灯装置、１０１…器具本体。

Claims (3)

1. 直流電源手段と；
   この直流電源手段から直流電圧を入力し、少なくとも２つのスイッチ素子を交互にオンオフスイッチング駆動して高圧放電灯を高周波点灯するインバータ手段と；
   前記高圧放電灯のランプ電圧を検出するランプ電圧検出手段と；
   このランプ電圧検出手段が検出したランプ電圧を使用して音響共鳴の有無を判定する音響共鳴判定手段と；
   この音響共鳴判定手段による音響共鳴の有無の判定に基づいて前記インバータ手段のスイッチング周波数を非音響共鳴周波数となるように制御する周波数制御手段と；
   前記スイッチ素子のスイッチングのオンデューティをスイッチング周期よりも長い周期で変化させてランプ電力を調整するランプ電力調整手段と；
   を具備したことを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
2. ランプ電力調整手段は、オンデューティを連続的に変化させることを特徴とする請求項１記載の高圧放電灯点灯装置。
3. 請求項１又は２記載の高圧放電灯点灯装置と；
   この高圧放電灯点灯装置により点灯される高圧放電灯と；
   この高圧放電灯を装着した器具本体と；
   を具備したことを特徴とする照明装置。

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