JP2008147004A - 放電灯点灯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は前記従来技術に鑑みなされたものであり、その解決すべき課題は簡易な構成でしかも小型化が可能な放電灯点灯装置を提供することにある。
【解決手段】 本発明の充電手段１３６は、昇圧回路と充電ダイオード１７６及び充電抵抗１７８を備えている。そして、前記昇圧回路は、昇圧コンデンサ１７０及び昇圧ダイオード１７４の直列回路を前記昇圧ダイオード１７４が第二主電力線側１２８となるように、放電ランプ１３０と並列に接続されている。また、充電ダイオード１７６及び充電抵抗１７８は、昇圧コンデンサ１７０と昇圧ダイオード１７４の接続点と、前記放電ギャップ１４０と充電コンデンサ１３７の接続点の間に設置されている。そして、前記共振電力の一極性時に昇圧ダイオード１７４により昇圧コンデンサ１７０に電荷を蓄積し、他極性時に前記昇圧コンデンサ１７０の電荷を充電ダイオード１７６及び充電抵抗１７８を介して前記充電コンデンサ１３７に充電する。
【選択図】 図１

Description

本発明は放電灯点灯装置、特にそのイグナイタ機構の改良に関する。

一般に高圧放電ランプを点灯させる為には、数ｋＶから時には２０ｋVといった高電圧の始動パルスを印加して、ランプ内を絶縁破壊する必要がある。このため、放電灯点灯装置は、この高電圧始動パルスを発生するためのパルストランスを具備している。
周知のようにパルストランスには、ランプと直列に接続され、高電圧パルス電圧が誘起される二次巻線と、前記二次巻線と磁気結合した一次巻線とが巻回されている。
また、一次巻線には定電圧にてブレイクオーバー（導通）する放電ギャップが直列に接続されており、この放電ギャップと前記一次巻線の直列回路には充電コンデンサが並列に接続されている。そして、放電灯点灯装置はその内部に充電用の回路を構成し、前記充電コンデンサを充電していく。放電ギャップはこの充電コンデンサの充電電圧が一定電圧に到達した時点でブレイクオーバーし、充電コンデンサに充電した電荷を放電してパルストランスの一次巻線に電圧を発生する。この結果、一次巻線のｎ倍の巻き数となっている二次巻線にｎ倍の電圧が誘起され、高電圧のパルス電圧が出力される。

このような動作により点灯装置は高電圧パルスを出力しているが、この回路に使用されている放電ギャップには、そのブレークオーバー電圧が数百Ｖ〜３０００Ｖ程度のものまで多くの種類が存在する。しかしながら、近年の光源装置小型化や低価格化の要望、パルス電圧値、及びパルストランスの大きさ等から、使用される放電ギャップは８００Ｖ程度のものが主流となってきている。このため、放電ギャップをブレイクオーバーさせるために、放電ギャップとパルストランスの一次巻線の直列回路と接続された充電コンデンサに電荷を充電させる充電回路は、８００Ｖ以上の電圧を充電する能力を備えていなければならない。

ところで、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を電源とするフルブリッジ回路の出力にＬＣ共振回路を備えた構成の点灯装置の場合、無負荷の状態で共振動作をしている時に、共振用チョークコイル端やコンデンサ端に出力される無負荷電圧は実効値で３００〜４００Ｖ程度の高周波電圧であり、そのピークの値も６００〜７００Ｖ程度である。
そのため、無負荷電圧をそのまま整流して用いようとしても、ブレイクオーバー電圧が８００Ｖの放電ギャップを導通させることができないことになる。この対応として、無負荷電圧をもっと高くするために、この時の動作周波数を共振回路のチョークコイルの持つインダクタンスと、共振回路のコンデンサ容量で決まる固有共振周波数に近い周波数とすることも考えられるが、共振電流が増大し、フルブリッジ回路に使用しているスイッチング素子のロスが増大することで回路故障に繋がる可能性が高くなり、実用的ではない。
このため従来は下記に示すような各種の充電回路を採用している。

図３は従来例の一つの方式で、スイッチング素子１０，１２，１４，１６を含むフルブリッジ回路１８と、チョークコイル２０及び共振コンデンサ２２を含む共振回路２４とを備え、所望の無負荷共振電圧を出力する共振周波数の交流電力を第一主電力線２６、第二主電力線２８を介して放電灯３０に供給するものである。
そして、放電灯３０の始動には、パルストランス３２と、放電手段３４と、充電手段３６を用いる。
すなわち、パルストランス３２の二次巻線Ｎ２は前記第一主電力線２６に直列接続されている。なお、図３では二次巻線Ｎ２は第一主電力線２６に直列に接続されているが、第二主電力線２８に直列に接続されていてもよく、また、分割された巻線Ｎ２が電力線２６，２８の両方に直列接続されていてもよい。

また、放電手段３４は、第一充電コンデンサ３７及び第二充電コンデンサ３８、放電ギャップ４０を含み、第一充電コンデンサ３７−前記パルストランス３２の一次巻線Ｎ１−放電ギャップ４０−第二充電コンデンサ３８の直列回路が第二主電力線２８と並列に接続されている。
さらに、前記充電手段３６は、第一充電ダイオード４４及び第二充電ダイオード４６と、抵抗４８，５０を有している。そして、第一充電ダイオードのアノードは第一主電力線２６に、またカソードは抵抗４８を介して前記第一充電コンデンサ３７とパルストランス３２の接続点に接続されている。また第二充電ダイオード４６のカソードは第一主電力線２６に、またアノードは抵抗５０を介して第二充電コンデンサ３８と放電ギャップ４０の接続点に接続されている。

この構成の場合、放電ギャップ４０とパルストランス３２の一次巻線Ｎ１の直列回路に印加される電圧は、第一充電コンデンサ３７の両端電圧に、第二充電コンデンサ３８の両端電圧を加えた値となる。
この時、充電コンデンサ３７，３８はそれぞれ高周波無負荷電圧を半波整流した電圧に充電されることになり、最大で高周波無負荷電圧のピーク値である６００〜７００Ｖまで充電することが可能となる。すなわち放電ギャップ４０とパルストランス３２の一次巻線の直列回路には、第一、第二の充電コンデンサ３７，３８の両端電圧を加えた１２００〜１４００Ｖを印加することが可能となり、結果としてブレイクオーバー電圧が８００Ｖ程度の放電ギャップを導通させることが可能となる。

ところが図３で表される従来例では、イグナイタの放電手段３４に使用される充電コンデンサが２個必要となり、しかもこの２個のコンデンサは高耐電圧でありながら、放電ギャップ４０のブレイクオーバー時にパルストランス３２の一次巻線に必要なエネルギーを送るだけの容量を備えてなければならない。さらに２個の充電コンデンサ３７，３８が直列に接続されているので、それぞれが同じ容量である場合その合成容量は各コンデンサの容量の２分の１になってしまう。従って、前記充電コンデンサの容量は必要な容量の２倍となり、結果としてコンデンサが大型化し、さらに２個使用するということで、点灯装置のコストアップ、大型化に繋がってしまうという問題を有する。

図４は従来例のもう一つの方式で、チョークコイル、及びコンデンサの共振回路を用いない方式の点灯装置におけるイグナイタの例である（特許文献１参照）。なお、前記図３と対応する部分には同一符号を付し、説明を省略する。
同従来例のイグナイタは、昇圧トランス６０、定電圧半導体スイッチ６２を有し、コンデンサ６４に一定電圧まで電荷が蓄積すると定電圧半導体スイッチ６２がターンオンし、昇圧トランス６０の一次巻線側に電流を導通させ、該昇圧トランス６０の二次巻線側に発生する高電圧で充電コンデンサ３７の充電を行うものである。この動作を繰り返すことで充電コンデンサ３７両端の電圧が上昇し、放電ギャップ４０のブレイクオーバー電圧に達すると放電ギャップ４０が導通し、イグナイタ動作をする。

しかしながら、図４で表される従来例は、充電コンデンサ３７の充電回路に昇圧トランス６０や、前段のコンデンサ６４、整流ダイオード４４、定電圧半導体スイッチ６２を用いなければならず、コストアップや、点灯装置の大型化に繋がってしまう。
特開２００３−３６９９２号公報

本発明は前記従来技術に鑑みなされたものであり、その解決すべき課題は簡易な構成でしかも小型化が可能な放電灯点灯装置を提供することにある。

前記課題を解決するために本発明にかかる点灯装置は、
二次巻線が放電ランプと直列に接続されたパルストランスと、
放電ギャップと充電コンデンサを含み、充電コンデンサ−放電ギャップ−パルストランスの一次巻線となるように接続された放電回路を前記第二主電力線に並列接続した放電手段と、
前記充電コンデンサに放電ギャップのブレークオーバー電圧まで電荷を充電する充電手段とを含み、
前記充電手段は
昇圧コンデンサ及び昇圧ダイオードを含み、第二主電力線−昇圧ダイオード−昇圧コンデンサ−第一主電力線となるように、前記放電ランプと並列に接続された昇圧回路と、
前記昇圧コンデンサと昇圧ダイオードの接続点と、前記放電ギャップと充電コンデンサの接続点との間に設置された充電ダイオード及び充電抵抗を備え、
前記交流電力の一極性時に昇圧ダイオードを介して昇圧コンデンサに電荷を蓄積し、他極性時に前記昇圧コンデンサの電荷を、充電ダイオード及び充電抵抗を介して前記充電コンデンサに充電することを特徴とする。

また、前記点灯装置において、放電ランプと直列にチョークコイルを、並列に共振コンデンサを接続し、交流電源電力を供給することにより発振する前記チョークコイルと共振コンデンサの共振電力を前記第一及び第二主電力線に供給することが好適である。
また、前記点灯装置において、充電手段の昇圧ダイオードはそのアノードを第二主電力線に接続し、カソードを抵抗を介して昇圧コンデンサに接続し、昇圧コンデンサの他端を第一主電力線に接続したことが好適である。
このように本発明によれば、第二主電力線の正（又は負）極性時に昇圧コンデンサに電荷を蓄積し、負（又は正）極性時に昇圧コンデンサに蓄積された電荷を充電コンデンサに移行させるが、この際第二電力線が負（又は正）極性であるため、充電コンデンサ自体の充電電圧に昇圧コンデンサからの充電電圧が重畳し、高電圧を得ることができる。

本発明によれば、昇圧ダイオード及び昇圧コンデンサにより充電コンデンサへ高電圧で充電し、この高電圧を放電ギャップに印加することとしたので、大容量且つ高耐電圧の複数の充電コンデンサ、或いは専用の昇圧トランスを用いることなく、イグナイタを構成することが可能となる。

以下、図面に基づき本発明の好適な実施形態を説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる放電灯点灯装置１００の構成が示されており、前記図３と対応する部分には符号１００を加えて示し、説明を省略する。
同図に示す点灯装置１００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の出力を電源とする、４個のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）１１０，１１２，１１４，１１６から構成されるフルブリッジ回路１１８の出力に、チョークコイル１２０と共振コンデンサ１２２を直列に接続した共振回路１２４とを有し、前記共振コンデンサ１２２に並列に負荷となる高圧放電ランプ１３０を備えている。

本実施形態において特徴的なイグナイタは、パルストランス１３２と、放電手段１３４と、充電手段１３６とを含む。
そして、前記パルストランス１３２は、その二次巻線Ｎ２が放電ランプ１３０と直列に接続されている。
また、前記放電手段１３４は、放電ギャップ１４０と充電コンデンサ１３７を含み、第二主電力線１２８−充電コンデンサ１３７−放電ギャップ１４０−パルストランス１３２の一次巻線Ｎ１−第二主電力線１２８となるように接続された放電回路を備える。

また、前記充電手段１３６は、昇圧回路と充電ダイオード及び充電抵抗を備える。
前記昇圧回路は、昇圧コンデンサ１７０、抵抗１７２及び昇圧ダイオード１７４を含み、第二主電力線１２８−昇圧ダイオード１７４−抵抗１７２−昇圧コンデンサ１７０−第一主電力線１２６となるように、前記放電ランプ１３０と並列に接続されている。
また、充電ダイオード１７６は、前記昇圧コンデンサ１７０と抵抗１７２との接続点と、前記放電ギャップ１４０と充電コンデンサ１３７の接続点との間に設置されており、充電抵抗１７８を介して充電コンデンサ１３７に充電を行う。

そして、前記共振電力の一極性時に昇圧ダイオード１７４により昇圧コンデンサ１７０に電荷を蓄積し、他極性時に前記昇圧コンデンサ１７０の電荷を、充電ダイオード１７６及び充電抵抗１７８を介して前記充電コンデンサ１３７に充電する。
次に、本発明にかかる点灯装置の動作について説明する。
周知のように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２により調圧された直流電源電力はフルブリッジ回路１１８により交流化され、さらに共振回路１２４により所望の無負荷共振電圧を出力する共振周波数に調整されて放電ランプ１３０に供給され、該ランプ１３０の点灯を行う。

一方、始動時にはランプ１３０の絶縁破壊を行うため、無負荷高周波電圧をチョークコイル１２０とコンデンサ１２２から構成される共振回路１２４により出力させる。すなわち、フルブリッジ回路１１８は数十ｋＨｚのスイッチングを行い、極性反転動作をする。ここで、昇圧ダイオード１７４のアノード側が＋極性の場合、昇圧コンデンサ１７０にはダイオード１７４、抵抗１７２を通じて電荷が充電される。一度充電された電荷の量は、ダイオード１７４の作用により極性が反転するまで減ることはなく、昇圧コンデンサ１７０に充電されたままとなる。次にこの状態で共振コンデンサ１２２両端に出力される電圧の極性が反転した場合、充電コンデンサ１３７には昇圧コンデンサ１７０、充電ダイオード１７６、充電抵抗１７８を通じて電荷が充電される。この時に前サイクルにて昇圧コンデンサ１７０に充電されていた電荷も合わせて充電コンデンサ１３７に充電されることになる。

すなわち充電コンデンサ１３７には１回の充電サイクルにて、本来充電される電荷量の２倍の電荷量を充電することができる。従って、このサイクルを繰り返すことにより、充電コンデンサ１３７端の電圧は本来上昇しうる最大値の概ね２倍の値まで上昇することができる。
この本来上昇しうる最大値は、高周波無負荷電圧のピーク値であり、その値は６００〜７００Ｖ程度であるから、コンデンサ１３７端の電圧は１２００Ｖ〜１４００Ｖにまで上昇することが可能となる。
結果として、ブレイクオーバー電圧が８００Ｖ程度の放電ギャップ１４０を導通させることが可能となり、イグナイタ動作が実施される。

より具体的に、抵抗１７２を１０ｋΩ程度、充電抵抗１７８を５０ｋΩ程度とし、昇圧コンデンサ１７０を１００００ｐＦ程度のコンデンサとする。この１００００ｐＦの昇圧コンデンサ１７０は、耐圧６３０Ｖ程度のチップコンデンサを使用することが可能である。ダイオード１７４，１７６にはそれぞれ耐圧が１６００Ｖ程度のものを使用し、放電ギャップ１４０は前述した通り８００Ｖのものとする。また、放電ギャップ１４０をブレイクオーバーさせるための電圧を供給する充電コンデンサ１３７は、耐圧が８００Ｖ以上で、大きな電流の充放電に耐えられるフィルムコンデンサであり、その容量は３０００〜５０００ｐＦ程度のものであるが、図３で表されるようにフィルムコンデンサを２個使用していた従来例と比較して使用フィルムコンデンサは１個となり、装置の小型化に寄与している。

この構成にて、フルブリッジ回路１１８を数十ｋＨｚでスイッチングさせ、共振回路１２４に無負荷共振電圧を発生させる。この時、共振回路１２４のコンデンサ１２２端に出力される無負荷共振電圧は、前述した通り実効値で３００〜４００Ｖ、ピーク値で６００〜７００Ｖの高周波電圧である。
この無負荷共振電圧を受けて、本発明のイグナイタ充電回路がイグナイタ動作を開始する。すなわち、コンデンサ１７０は、共振電圧の反転サイクルごとに抵抗１７２の抵抗値とコンデンサ１７０の容量の時定数で決まる電荷量を充放電する。コンデンサ１７０から電荷が放電されるサイクルにおいては、反転した共振電圧によりコンデンサ１３７に電荷が充電され、それに加えてコンデンサ１７０から放電された電荷がコンデンサ１３７に充電される。これを繰り返すことでコンデンサ１３７の電圧が上昇し、数百サイクルにてコンデンサ１３７の電圧が８００Ｖに達し、放電ギャップ１４０がブレイクオーバーする。その結果、点灯装置の出力には高圧のパルス電圧が出力されることになる。前述したコンデンサ１３７、１７０、抵抗１７２，１７８の定数であれば、共振周波数を約４０ｋＨｚとしておよそ８００サイクルごとに充電コンデンサ１３７の電圧が８００Ｖに達して点灯装置は高圧パルスを出力する。言い替えれば、１秒間に５０発前後のパルスを出力できることになる。このパルスの出力数は、本発明の充電回路の時定数により調整することが可能である。

図２は、本発明回路によるコンデンサ１３７の充放電によるコンデンサ１３７端の電圧波形であり、電圧が８００Ｖに達するごとにブレイクオーバーして電圧が上昇、下降を繰り返しているのが確認できる。
以上述べたように、本発明によればパルストランス以外の昇圧トランス、及びそれに付随する半導体スイッチ、ダイオード、コンデンサを用いる必要がなく、また充電回路の充電コンデンサとして使用するフィルムコンデンサを複数使用することなく、小型で安価なイグナイタ充電回路を構成することができる。

本発明の一実施形態にかかる放電灯点灯装置の回路構成図である。 図１に示した装置の充電コンデンサ１３７端の電圧波形図である。 従来の放電灯点灯装置の回路構成図である。 従来の放電灯点灯装置の他の回路構成図である。

符号の説明

３０，１３０ 放電灯
３２，１３２ パルストランス
３４，１３４ 放電手段
３６，１３６ 充電手段
３７，１３７ 充電コンデンサ
４０，１４０ 放電ギャップ
１７０ 昇圧コンデンサ
１７４ 昇圧ダイオード
１７６ 充電ダイオード
１７８ 充電抵抗

Claims (3)

1. 第一主電力線及び第二主電力線を介して交流電力を供給し、放電ランプを点灯する点灯装置において、
   二次巻線が放電ランプと直列に接続されたパルストランスと、
   放電ギャップと充電コンデンサを含み、充電コンデンサ−放電ギャップ−パルストランスの一次巻線となるように接続された放電回路を前記第二主電力線に並列接続した放電手段と、
   前記充電コンデンサに放電ギャップのブレークオーバー電圧まで電荷を充電する充電手段と、を含み、
   前記充電手段は
   昇圧コンデンサ及び昇圧ダイオードを含み、第二主電力線−昇圧ダイオード−昇圧コンデンサ−第一主電力線となるように、前記放電ランプと並列に接続された昇圧回路と、
   前記昇圧コンデンサと昇圧ダイオードの接続点と、前記放電ギャップと充電コンデンサの接続点との間に設置された充電ダイオード及び充電抵抗を備え、
   前記交流電力の一極性時に昇圧ダイオードを介して昇圧コンデンサに電荷を蓄積し、他極性時に前記昇圧コンデンサの電荷を、充電ダイオード及び充電抵抗を介して前記充電コンデンサに充電することを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 請求項１記載の装置において、放電ランプと直列にチョークコイルを、並列に共振コンデンサを接続し、交流電源電力を供給することにより発振する前記チョークコイルと共振コンデンサの共振電力を前記第一及び第二主電力線に供給することを特徴とする放電灯点灯装置。
3. 請求項１又は２記載の装置において、充電手段の昇圧ダイオードはそのアノードを第二種電力線に接続し、カソードを抵抗を介して昇圧コンデンサに接続し、昇圧コンデンサの他端を第一主電力線に接続したことを特徴とする放電灯点灯装置。
   

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