JP2008004338A - 高圧放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】ハーフブリッジ構成の高圧放電灯点灯装置において、部品ストレスの増大や部品の大型化、コスト高を招くことなく、ランプ始動時の不安定な状態やランプ点灯時における安定点灯を可能にする。
【解決手段】スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列回路と、コンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路を直流電源１に並列に接続され、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点とコンデンサＣ１，Ｃ２の接続点の間にインダクタＬ３を介して高圧放電灯ＤＬを接続したハーフブリッジ構成の点灯装置において、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御して高圧放電灯ＤＬに供給される電力を制御する電力制御手段（５２〜５４）と、コンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧を高圧放電灯ＤＬの非点灯時には互いに異なるように調整し、点灯時には略等しくなるように調整する電圧調整手段５１とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明はスイッチング電源を用いて高圧放電灯を点灯させる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。

従来、図１１に示すようなハーフブリッジ構成の高圧放電灯点灯装置が知られている。一般的には、ハーフブリッジ構成のコンデンサＣ１，Ｃ２には同じ容量の電解コンデンサが使用されるが、特許文献１（特開２００４−３０３６８９号公報）では、コンデンサＣ１、Ｃ２を互いに異なる容量に設定することが提案されている。この場合、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を図１２に示すように制御すると、コンデンサＣ１、Ｃ２は図１２のＶｃ１，Ｖｃ２に示すように、異なる電圧に充電され、放電灯ＤＬの非点灯時に放電灯ＤＬの両端に印加される無負荷２次電圧は、図１２のＶｌａに示すように、極性により電圧値の異なる波形となる。なお、無負荷時には図示しないイグナイタにより発生された高圧パルス電圧が無負荷２次電圧に重畳される。

一般的に高圧放電灯を始動させるためには、無負荷２次電圧を２７０Ｖ以上にする必要があるが、両極性とも２７０Ｖ以上を満足するためには、コンデンサＣ１、Ｃ２及びスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２など回路を構成する部品の耐圧が高くなり、点灯装置の大型化、コスト高を招く。そこで、無負荷２次電圧を極性により異なる電圧とし、少なくとも一方の電圧が２７０Ｖ以上となるようにコンデンサＣ１、Ｃ２の容量を設定している。
特開２００４−３０３６８９号公報

図１１の回路では、ランプ電圧ＶｌａとコンデンサＣ１，Ｃ２の電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２を検出回路５２，５７により検出し、制御回路５０によりスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を図１２のように制御している。図１２の波形図に示されるように、非点灯時と点灯時のコンデンサＣ１、Ｃ２の電圧値Ｖｃ１，Ｖｃ２は異なる値となるように設定されている。

ここで、一般的に高圧放電灯を安定して点灯するためには、ランプ電圧の約１．５〜２．０倍程度の電源電圧が必要とされている。さらに、ランプ始動時の発光管温度が安定しておらず、発光管内の封入ガスが全て気化していないような不安定な状態では、特にランプのインピーダンスが不安定となるため、電源電圧を高く設定しておく必要がある。

図１１の回路では、ランプに電力を供給するための電源は、コンデンサＣ１、Ｃ２に相当する。したがって、ランプを安定に点灯するためには、出来るだけコンデンサＣ１、Ｃ２の電圧を高く設定することが望ましい。しかし、あまり電圧を高く設定すると素子耐圧が増加し、部品の大型化、コスト高を招くことになるので、ランプが安定に点灯維持でき、かつ、素子耐圧も高くなり過ぎないようにすることが必要となる。

従来の技術では、素子耐圧を低く抑えることは可能となるが、コンデンサ電圧の低い方の極性では、安定に点灯維持できないという問題がある。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、部品ストレスの増大や部品の大型化、コスト高を招くことなく、ランプ始動時の不安定な状態やランプ点灯時における安定点灯を可能にする高圧放電灯点灯装置を提供することを課題とする。

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、第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列回路と、第１及び第２のコンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路を直流電源１に並列に接続され、第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点と第１及び第２のコンデンサＣ１，Ｃ２の接続点の間にインダクタＬ３を介して接続される高圧放電灯ＤＬを点灯させる高圧放電灯点灯装置であって、第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチングさせることにより高圧放電灯ＤＬに供給される電力を制御する電力制御手段（５２〜５４）と、第１及び第２のコンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧を高圧放電灯ＤＬの非点灯時には互いに異なるように調整し、点灯時には略等しくなるように調整する電圧調整手段５１とを有することを特徴とするものである。

本発明によれば、高圧放電灯の非点灯時においては、ハーフブリッジ構成の２つのコンデンサの電圧を異なる電圧とすることで、無負荷２次電圧を一方の極性で高くしながら、他方の極性ではコンデンサの耐圧を下げることができ、また、高圧放電灯の点灯時においては、ハーフブリッジ構成の２つのコンデンサの電圧を略等しくすることで、安定した点灯を実現できるという効果がある。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の高圧放電灯点灯装置の回路図である。以下、その回路構成について説明する。直流電源１は、商用交流電源Ｖｓの交流電圧を直流電圧に全波整流するダイオードブリッジＤＢと、インダクタＬ１１、スイッチング素子（図ではＭＯＳＦＥＴ）Ｑ１１及びダイオードＤ１１よりなる昇圧チョッパ１１と、この出力を検出し、その出力が所定の電圧値Ｅ（例えば、４６０Ｖ）となるようにスイッチング素子Ｑ１１のオン／オフ制御を行うチョッパ制御回路１２とにより構成されている。

直流電源１の出力には、ハーフブリッジ回路３が接続されている。このハーフブリッジ回路３は、スイッチング素子（図ではＭＯＳＦＥＴ）Ｑ１，Ｑ２の直列回路と、コンデンサＣ１，Ｃ２の直列回路とが並列に接続されており、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点とコンデンサＣ１，Ｃ２の接続点との間に、インダクタＬ３と高圧放電灯ＤＬが直列に接続され、高圧放電灯ＤＬと並列にコンデンサＣ３が接続されている。さらに、コンデンサＣ３および高圧放電灯ＤＬと共に閉回路を構成するように、イグナイタＩＧＮが高圧放電灯ＤＬとインダクタＬ３の間に直列に介設されている。イグナイタＩＧＮはパルス発生回路ＰＧとパルストランスＰＴとからなり、無負荷時には高圧パルスを発生する。なお、高圧放電灯ＤＬと直列に電流検出用の低抵抗が挿入されていても良い。

ハーフブリッジ回路３には、制御回路５が接続されている。この制御回路５は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をスイッチング制御することで、昇圧チョッパ１１の出力電圧Ｅを放電灯ＤＬが必要とする所定の電圧値に降圧すると共にランプ電圧が低周波の矩形波電圧となるように極性反転させるものであり、Ｖｌａ検出回路５２により放電灯ＤＬの状態を検出し、その検出された放電灯ＤＬの状態に応じてＷｌａ演算回路５３により演算されたランプ電力Ｗｌａとなるようにランプ電流Ｉｌａの目標値を設定し、駆動回路５４によりスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチング制御する。また、点灯時のコンデンサＣ１，Ｃ２の電圧のバランスを調整する電圧調整回路５１を備えている。

図２を用いて従来の技術との違いを説明する。ランプ両端に印加される電圧をＶｌａ、コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧をＶｃ１、Ｖｃ２、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の駆動信号をＱ１、Ｑ２として示す。なお、図２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング動作波形は、模式的に示したものであり、実際には期間Ｔ１及びＴ２の交番周波数に対して、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周波数は図２の模式図よりも高い周波数となる。

放電灯の非点灯時において、ランプ両端に印加される電圧Ｖｌａは、従来技術と同様、コンデンサＣ１、Ｃ２の容量比で分圧されたアンバランスな無負荷２次電圧（例えば、３００Ｖと１６０Ｖ）となっている。このとき、電圧調整回路５１は動作させていない。一方、放電灯の点灯時には、電圧調整回路５１を動作させて、コンデンサＣ１、Ｃ２の両端電圧は略等しい電圧（例えば、２３０Ｖ）となるように調整される。

電圧調整回路５１を動作させるか否かは、例えば、Ｖｌａ検出回路５２の出力により放電灯の点灯／非点灯を判別し、放電灯の点灯時にはＷｌａ演算回路５３の指令により電圧調整回路５１を動作させ、非点灯時には電圧調整回路５１を動作させないように切り替えれば良い。

一般的に高圧放電灯はランプ始動からランプ電圧が安定するまでの始動過程では、発光管の温度が安定せず、放電は不安定となり、ランプインピーダンスが変動する。このような状態において、ランプに電力を供給する電源電圧が十分に確保されていないと、ランプに十分に電流を供給することが出来なくなり、最悪の場合、立ち消えを起す。そこで、図２に示すように、ランプが点灯した後、コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧を均等にすることにより、放電を安定させている。

（実施形態１’）
実施形態１の点灯時のコンデンサの電圧調整を実現するための具体的な回路構成の一例を図３に示す。制御回路５は、マイコンＰＩＣ１２Ｆ６７５（マイクロチップ社製）を備えている。このマイコン５５は、６番、７番ピンにアナログ電圧入力ポートを備えており、３番、４番ピンに２値出力ポートを備えており、２番ピンにアナログ電圧出力ポートを備えている。マイコン５５の１番、８番ピンは制御電源電圧Ｖｃｃとグランドラインにそれぞれ接続されている。

このマイコン５５の３番、４番ピンからは、図４に示すように、極性反転周波数を決めるための数十から数百Ｈｚの低周波の信号が常に出力されている。この低周波の信号は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の制御信号を出力するためのＡＮＤゲートの一方の入力とされている。

また、上記マイコン５５の６番、７番ピンは、高圧放電灯ＤＬの両端からの分圧電圧Ｖｌａ１、Ｖｌａ２を検出し、マイコン５５の内部でＶｌａ＝｜Ｖｌａ１−Ｖｌａ２｜の演算を行うことで、ランプ電圧Ｖｌａを検出している。これにより図１のＶｌａ検出回路５２の機能を実現している。

上記マイコン５５の２番ピンは、検出されたランプ電圧Ｖｌａに応じてあらかじめ設定されていた図５の特性によりランプ電流Ｉｌａの目標値を出力し、高周波発振回路５６で生成された三角波とコンパレータＣＰ１で比較することによりスイッチング素子Ｑ１の駆動信号をＰＷＭ信号として生成する。図５の特性はマイコン５５のメモリテーブルあるいは演算機能によりランプ電圧Ｖｌａに応じたランプ電力Ｗｌａを決定するものであり、これにより図１のＷｌａ演算回路５３の機能を実現している。

次に、スイッチング素子Ｑ２の駆動信号は、コンデンサＣ２の電圧Ｖｃ２を抵抗分圧し、オペアンプＯＰ１により目標値Ｖ１と比較し、その差分をオペアンプＯＰ１で誤差増幅した電圧と高周波発振回路５６で生成された三角波とをコンパレータＣＰ１で比較することによりＰＷＭ信号として生成され、このＰＷＭ信号は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の制御信号を出力するためのＡＮＤゲートの他方の入力とされている。

電圧調整回路５１は、コンデンサＣ２の電圧を目標値Ｖ１と比較し、その差分を誤差増幅するオペアンプＯＰ１と、図４の低周波信号からスイッチング素子Ｑ２の駆動タイミングを検出するＭＯＳスイッチＱｘ及びバッファアンプＯＰ２と、オペアンプＯＰ１，ＯＰ２の出力をダイオード回路により合成しスイッチング素子Ｑ２のオンタイミングではオペアンプＯＰ１の出力を基準電圧として出力するバッファアンプＯＰ３を備えている。

電圧調整回路５１の出力と、マイコン５５の２番ピンの出力とはダイオード回路により合成され、スイッチング素子Ｑ１のオンタイミングではマイコン５５の２番ピンの出力が選択され、スイッチング素子Ｑ２のオンタイミングでは電圧調整回路５１の出力が選択され、それぞれコンパレータＣＰ１に入力される。

このような構成により、スイッチング素子Ｑ２はコンデンサＣ２をある決められた電圧となるようにスイッチング動作を行い、スイッチング素子Ｑ１は設定されたＶ−Ｉ特性となるようにスイッチング動作を行う。

なお、図示された電圧調整回路５１は例示に過ぎず、要するに、容量比の異なるコンデンサＣ１，Ｃ２により非点灯時にはアンバランスに分圧される電圧を、点灯時には略等しくなるように調整することさえ出来れば、具体的な回路構成は限定されない。

（実施形態２）
本発明の実施形態２を図６を用いて説明する。基本的な回路構成は実施形態１と同じで良いが、上述の実施形態１では、放電灯ＤＬの点灯が判別されると、直ちに電圧調整回路５１が動作を開始し、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２は、点灯直後から均等になるように切り替えが行われる（図２参照）のに対して、本実施形態２では、タイマー回路を付加するなどして、電圧調整回路５１が動作を開始するタイミングを遅らせる点が異なる。

例えば、図３の電圧調整回路５１では、図４の低周波信号を受けて、半周期だけＭＯＳスイッチＱｘをＯＮさせているが、このＭＯＳスイッチＱｘと並列にタイマー回路の出力を接続すれば、非点灯時と始動後の一定時間はタイマー回路の出力を短絡させることにより、電圧調整回路５１の動作を禁止しておくことができる。

高圧放電灯は、始動直後では発光管内の温度が安定せず、そのためアーク放電が不安定になっている場合がある。そのようなときに、コンデンサの電圧を切り替えるのは、不安定を助長し、立ち消えなどの不具合が発生するので、好ましくない。

そこで、本実施形態２では、図６に示すように、放電灯が点灯した後、アーク放電が十分に安定した時点（例えば、始動後、約１０秒から４０秒の間）でコンデンサの電圧を切り替えるようにする。このようにすることで、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧切り替えに起因する立ち消えなどの不具合を防ぐことができる。

なお、ランプ再始動時には初始動時よりもコンデンサの電圧を切り替えるタイミングを早くしても良い。これは発光管内の温度が再始動時には初始動時よりも高くなっているからである。

また、電圧調整回路５１によるコンデンサＣ２の電圧調整の目標値Ｖ１を徐々に変化させることにより、コンデンサの電圧を徐々に変化させるように構成しても良い。

（実施形態３）
本発明の実施形態３を図７を用いて説明する。図７はメタルハライドランプＣＤＭ−Ｒ７０Ｗ（Ｐｈｉｌｉｐｓ社製）を点灯させたときのランプ電圧Ｖｌａの立ち上がり特性およびランプ電流Ｉｌａの変化を示している。

上述の実施形態２では、コンデンサの電圧切替のタイミングをタイマー回路により決定していたが、本実施形態３では、コンデンサの電圧切替のタイミングをランプ特性（ランプ電圧またはランプ電流）により規定する点が異なる。

基本的な回路構成は実施形態１と同じで良いが、上述の実施形態１では、放電灯ＤＬの点灯が判別されると、直ちに電圧調整回路５１が動作を開始し、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２は、点灯直後から均等になるように切り替えが行われるのに対して、本実施形態３では、ランプ電圧またはランプ電流の検出手段を備え、その検出値が所定値となったときに、電圧調整回路５１が動作を開始するように構成するものである。

例えば、コンデンサの電圧切替のタイミングを図７の点Ａまでに設定する。この点Ａまでは、水銀発光が主である領域であり、点Ａ以降は、金属ヨウ化物が主な発光物質となる領域である。この発光物質の変化が大きなところは、ランプの放電が不安定になる領域であり、その不安定な領域になる前（例えば、ランプ電圧が約３０Ｖから６０Ｖの間）にコンデンサの電圧を切り替えることにより、より確実にランプ立ち消えなどの不具合を防ぐことができる。

本実施形態３では、ランプ自体の特性を検出しているので、コンデンサの電圧切替のタイミングはランプの状態に応じて最適に決定される利点がある。

（実施形態４）
本発明の実施形態４を図８を用いて説明する。本発明の放電灯は、ＨＩＤランプ、特にメタルハライドランプである。メタルハライドランプには、緩衝ガスとしてのＨｇおよび所望の発光スペクトルを得るためのハロゲン化金属が封入されている。ＣＤＭ−３５、ＣＤＭ−７０の場合にはハロゲン化金属として、ナトリウム（Ｎａ）、タリウム（Ｔｌ）等が封入されている。ＨＩＤランプの始動直後のランプ電圧が低い期間は、Ｈｇ蒸気のみの発光である。ランプ電流を流すことで、徐々に発光管内の温度が上昇し、ハロゲン化金属が発光を開始する。この発光スペクトルの立ち上がりの様子を示したのが図８であり、ＣＤＭ−７０の初始動時の特性を示している。横軸は始動後の経過時間［秒］、縦軸は発光スペクトルの波長λ［ｎｍ］を示す。

本実施形態４では、Ｔｌ又はＮａの発光レベルが所定値を超えたときに、電圧調整回路５１を動作開始させて、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧を略等しくなるように制御している。回路構成については、実施形態１において、スペクトル検出手段として、Ｔｌの発光輝線である５３５ｎｍまたはＮａの発光輝線である５８９ｎｍを検出する波長検出センサを備え、該波長検出センサの検出出力が所定値を超えたときに、電圧調整回路５１を動作開始させる。このようにすることで、より確実にランプ放電の不安定な時間帯を検出でき、コンデンサの電圧を切り替えるタイミングを確実にすることができる。

波長検出センサの検出出力が所定値を超えたことの判定は、コンパレータにより基準値と比較することにより判定しても良いし、マイコンのアナログ入力ポートによりセンサの検出出力を監視するように構成しても良い。

（実施形態５）
本発明の実施形態５を図９を用いて説明する。図９は高圧放電灯の始動後の照度の立ち上り特性を示す。回路構成としては、実施形態１において、照度検出手段として、高圧放電灯の近傍に光センサを備え、この光センサの検出出力が所定値を超えたときに、電圧調整回路５１を動作開始させる。このようにすることで、確実にアークが安定した後に、コンデンサの電圧を切り替えることができる。

また、照度の時間変化率を検出することによっても、アークの安定性を検出することが可能になる。そこで、この照度の時間変化率が安定点灯時の変動範囲内となったことを検出することで、アークが安定したと判定し、コンデンサの電圧を切り替えるように構成しても良い。例えば、光センサの検出出力をマイコンのアナログ入力ポートにより一定時間間隔で測定し、検出値の変動幅が所定値未満となった時点で、電圧調整回路５１の動作を開始させれば良い。

（実施形態６）
図１０は実施形態１〜５のいずれか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。図１０はスポットライトに適用した例を示している。図中、２１は点灯装置を格納した電子バラスト、２２は高圧放電灯を装着した灯体、２３は配線である。

本発明の実施形態１の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態１の動作を示す波形図である。 本発明の実施形態１の要部構成を示す回路図である。 図３の回路の極性反転動作を示す波形図である。 図３の回路の電力制御特性を示す特性図である。 本発明の実施形態２の動作を示す波形図である。 本発明の実施形態３の説明図である。 本発明の実施形態４の説明図である。 本発明の実施形態５の説明図である。 本発明の実施形態６の照明器具の外観を示す斜視図である。 従来例の回路図である。 従来例の動作を示す波形図である。

符号の説明

Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ
Ｌ３ インダクタ
ＤＬ 高圧放電灯
５ 制御回路
５１ 電圧調整回路

Claims (7)

1. 第１及び第２のスイッチング素子の直列回路と、第１及び第２のコンデンサの直列回路を直流電源に並列に接続され、第１及び第２のスイッチング素子の接続点と第１及び第２のコンデンサの接続点の間にインダクタを介して接続される高圧放電灯を点灯させる高圧放電灯点灯装置であって、第１及び第２のスイッチング素子をスイッチングさせることにより高圧放電灯に供給される電力を制御する電力制御手段と、第１及び第２のコンデンサの両端電圧を高圧放電灯の非点灯時には互いに異なるように調整し、点灯時には略等しくなるように調整する電圧調整手段とを有す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、電圧調整手段が高圧放電灯の点灯時に第１及び第２のコンデンサの各両端電圧を略等しくなるように調整するのは、高圧放電灯が始動した後、あらかじめ設定された時間の経過後としたことを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
3. 請求項２において、あらかじめ設定された時間とは、高圧放電灯の放電が安定するのに要する時間である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、ランプ電圧またはランプ電流を検出する手段を備え、高圧放電灯が始動した後のランプ電圧またはランプ電流の検出出力に基づいて、電圧調整手段は第１及び第２のコンデンサの各両端電圧を互いに異なるように調整する非点灯時の制御から略等しくなるように調整する点灯時の制御に切り替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、高圧放電灯の発光スペクトルを検出する手段を有し、高圧放電灯の特定の発光スペクトルが所定値以上になった後に、電圧調整手段は第１及び第２のコンデンサの各両端電圧を互いに異なるように調整する非点灯時の制御から略等しくなるように調整する点灯時の制御に切り替えることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
6. 請求項１〜３のいずれかにおいて、高圧放電灯の発光照度を検出する手段を有し、高圧放電灯の発光照度が所定照度以上になった後、または、検出照度の時間変化率が安定点灯時の変動範囲内となった後に、電圧調整手段は第１及び第２のコンデンサの各両端電圧を互いに異なるように調整する非点灯時の制御から略等しくなるように調整する点灯時の制御に切り替えることを特徴とする高圧放電灯点灯装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の高圧放電灯点灯装置を備える照明器具。

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