JP2010146966A - 放電灯点灯装置及びそれを用いた照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】非常用電源を用いた低電源電圧環境での動作時に、最低限必要な明るさを確保しつつ非常用電源や他の機器への影響を抑制する。
【解決手段】インバータ式の放電灯点灯装置において、入力電圧Ｖｉｎを検出する入力電圧検出手段と、少なくとも前記入力電圧Ｖｉｎに応じて放電灯Ｌａの出力を制御する出力制御手段（インバータ制御回路４）を備え、入力電圧Ｖｉｎが第１の入力電圧閾値Ｖｔｈ１ｂに低下するまでは電源電圧に係わらず放電灯Ｌａの出力が一定に保たれるよう制御し、入力電圧Ｖｉｎが第１の入力電圧閾値Ｖｔｈ１ｂよりも低く第２の入力電圧閾値Ｖｔｈ２以上の場合には、入力電流が所定の値以下となるように放電灯Ｌａの出力を抑制するよう制御し、入力電圧Ｖｉｎが第２の入力電圧閾値Ｖｔｈ２以下になるとインバータ回路３が停止するように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明はインバータ回路を備える放電灯点灯装置及びそれを用いた照明器具に関するものである。

近年、地球温暖化防止の要請により、インバータ式放電灯点灯装置の採用が益々盛んである。これまでの銅鉄式放電灯点灯装置は、電源電圧の変動に伴い光出力が変動するため、電源電圧が変動するとランプがちらついて感じることがあった。一方、電子的に制御されるインバータ式放電灯点灯装置は、電源電圧の変動に対しても出力が略一定になるよう制御することによって電源電圧変動に起因するちらつきの低減を図っている。

図６は従来回路の一例である。整流回路１の出力には昇圧チョッパ回路２を介してインバータ回路３が接続されている。昇圧チョッパ回路２では出力電圧Ｖｄｃをフィードバックすることによって一定電圧に制御される。インバータ回路３ではランプ電流検出素子Ｚ１によりランプ電流を検出することによってランプ電流が略一定になるようインバータ制御回路４によりスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の発振周波数を制御する。

図８はインバータ回路３のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に流れる電流をソース電流検出素子Ｚ２により検出し、放電灯Ｌａの出力が略一定になるようインバータ制御回路４によりスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の発振周波数を制御したものである。

いずれの構成においても、放電灯Ｌａの出力に比例した要素をフィードバック制御することにより、電源電圧（入力電圧）の変動に関係なく、放電灯Ｌａの出力が略一定となるよう制御されている。

なお、図６の従来例では入力電圧を検出する手段を設けており、放電灯点灯装置の保護を目的として、入力電圧が所定の電圧（Ｖｔｈ２）以下となった場合には発振を停止する機能を有している。このような従来例は特開２００６−２３６５９５号公報にて開示されている。
特開２００６−２３６５９５号公報

近年、一般施設用照明以外の分野においてもインバータ式放電灯点灯装置の導入が盛んである。新幹線や在来線電車等の車両にもインバータ式放電灯点灯装置が納入されている。電車等の車両の場合、通常はパンタグラフから電源が供給されるが、非常時には車両に備えられたバッテリーからの電源供給に切換わる。停電等の非常時に所定の時間、接続されている機器が正常動作可能となるようにバッテリー容量は設計される。

バッテリーからの電源供給となった場合、接続された機器による電力消費によって電源電圧は時間とともに低下する。接続された機器はそうした低電圧電源の条件においても安定に動作する必要がある。一般的な施設用照明器具の場合、前述のように電源電圧の変動によらず出力が一定になるように制御される。そのためバッテリー電源での動作時のように電源電圧が徐々に低下すると、出力を一定に保つように制御されるため、図７に示すように入力電圧の低下とともに入力電流が増大することになる。入力電流の増大はバッテリーの電圧低下をさらに進めることになるため好ましくない。なお、図７の従来例では電源電圧が所定のレベル（Ｖｔｈ２）以下になった場合には放電灯点灯装置保護のため発振停止する機能を備えている。

本発明は非常用電源を用いた低電源電圧環境での動作時に、最低限必要な明るさを確保しつつ非常用電源や他の機器への影響を抑制できる放電灯点灯装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、上記の課題を解決するために、図１に示すように、入力電圧Ｖｉｎを所定の直流電圧Ｖｄｃに変換するコンバータ回路（昇圧チョッパ回路２）と、前記直流電圧Ｖｄｃを入力として直流電圧を高周波に変換するインバータ回路３と、ＬＣ共振回路（インダクタＬ１とコンデンサＣ１）および負荷（放電灯Ｌａ）から構成される放電灯点灯装置において、前記コンバータ回路の入力電圧Ｖｉｎを検出する入力電圧検出手段と、少なくとも前記入力電圧Ｖｉｎに応じて放電灯Ｌａの出力を制御する出力制御手段（インバータ制御回路４）を備え、前記出力制御手段は、図２に示すように、定格入力電圧よりも低い第１の入力電圧閾値Ｖｔｈ１ｂと、第１の入力電圧閾値Ｖｔｈ１ｂよりも低い第２の入力電圧閾値Ｖｔｈ２とを設定され、入力電圧Ｖｉｎが第１の入力電圧閾値Ｖｔｈ１ｂに低下するまでは電源電圧に係わらず放電灯Ｌａの出力が一定に保たれるよう制御し、入力電圧Ｖｉｎが第１の入力電圧閾値Ｖｔｈ１ｂよりも低く第２の入力電圧閾値Ｖｔｈ２以上の場合には、入力電流が所定の値以下となるように放電灯Ｌａの出力を抑制するよう制御し、入力電圧Ｖｉｎが第２の入力電圧閾値Ｖｔｈ２以下になるとインバータ回路３が停止するように制御することを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、入力電圧Ｖｉｎが第１の入力電圧閾値Ｖｔｈ１ｂよりも低く第２の入力電圧閾値Ｖｔｈ２以上の場合には、前記出力制御手段は、入力電圧の低下に応じて、より入力電流を抑制するように制御することを特徴とする。

請求項３の発明は、同じ課題を解決するために、図３に示すように、入力電圧Ｖｉｎを所定の直流電圧Ｖｄｃに変換するコンバータ回路（昇圧チョッパ回路２）と、前記直流電圧Ｖｄｃを入力として直流電圧を高周波に変換するインバータ回路３と、ＬＣ共振回路（インダクタＬ１とコンデンサ）および負荷（放電灯Ｌａ）から構成される放電灯点灯装置において、前記コンバータ回路の入力電流を検出する入力電流検出手段と、少なくとも前記入力電流に応じて放電灯Ｌａの出力を制御する出力制御手段（インバータ制御回路４）を備え、前記出力制御手段は、図４に示すように、入力電流が少なくとも所定値Ｉｔｈを超える場合には放電灯Ｌａの出力を抑制するように制御することを特徴とするものである。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記コンバータ回路の入力電圧を検出する入力電圧検出手段を備え、前記出力制御手段は、図４に示すように、定格入力電流よりも高い入力電流閾値Ｉｔｈと、定格入力電圧よりも低い入力電圧閾値Ｖｔｈ２とを設定され、入力電流が入力電流閾値Ｉｔｈ以下である場合には入力電圧に係わらず放電灯Ｌａの出力が一定に保たれるよう制御され、入力電流が入力電流閾値Ｉｔｈに達すると入力電流が入力電流閾値Ｉｔｈ以上とならないように放電灯Ｌａの出力を抑制するように制御し、入力電圧が入力電圧閾値Ｖｔｈ２以下になるとインバータ回路３が停止するように制御することを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項３または４の発明において、入力電圧閾値Ｖｔｈ２は放電灯Ｌａが安定的に点灯維持可能な出力下限となるときの入力電圧としたことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１〜５の発明において、放電灯の出力を制御する出力制御手段は、前記コンバータ回路の出力を制御することを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１〜６の発明において、放電灯の出力を制御する出力制御手段は、前記インバータ回路の出力を制御することを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１〜７の放電灯点灯装置を具備する照明器具である（図５）。

本発明によれば、入力電圧が低下しても入力電流が所定値を超えないように放電灯の出力を抑制するように制御することができるので、非常用電源を用いた低電源電圧環境での動作時に、最低限必要な明るさを確保しつつ非常用電源や他の機器への影響を抑制できる放電灯点灯装置を提供することができる。

（実施形態１）
図１に本発明の実施形態１の回路構成を示す。回路構成は基本的に従来例（図６の回路）と同様であるが、定格入力電圧よりも低い範囲に２つの入力電圧閾値Ｖｔｈ１ｂとＶｔｈ２（Ｖｔｈ１ｂ＜Ｖｔｈ２）を設定し、入力電圧が２つの入力電圧閾値Ｖｔｈ１ｂ〜Ｖｔｈ２の範囲では、入力電流が所定値を超えないように放電灯Ｌａの光出力を抑制するように制御する点において従来例（図７の動作）とは異なる。整流回路１は交流電源Ｖｓを全波整流するダイオードブリッジ回路で構成される。昇圧チョッパ回路２は整流回路１の出力を昇圧して直流電圧Ｖｄｃに変換する。

インバータ回路３はスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の直列回路よりなり、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２はインバータ制御回路４により高周波で交互にオン・オフされる。スイッチング素子Ｑ２の両端には、共振用のインダクタＬ１と直流カット用のコンデンサＣｏを介して放電灯Ｌａとランプ電流検出素子Ｚ１の直列回路が接続されている。放電灯Ｌａのフィラメントの非電源側端子間には共振用のコンデンサＣ１が並列接続されている。

インバータ制御回路４は、電源投入直後の一定時間は、放電灯Ｌａのフィラメントを予熱するために、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を共振回路（インダクタＬ１とコンデンサＣ１）の無負荷共振周波数よりも十分に高い周波数でオン・オフ制御する。これにより、コンデンサＣ１を介してフィラメントに予熱電流が流れて、フィラメントが熱電子放出可能な状態となる。次に、インバータ制御回路４は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング周波数を無負荷共振周波数の近傍に低下させることにより、共振用コンデンサＣ１の両端に共振作用により高電圧が発生し、放電灯Ｌａが始動する。その後、インバータ制御回路４は、ランプ電流検出素子Ｚ１によりランプ電流を検出することによってランプ電流が略一定になるようスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の発振周波数を制御する。具体的には、ランプ電流が目標値よりも高い場合には、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の発振周波数を高くすることにより、点灯時の共振周波数から遠ざかるように制御して、ランプ電流を低下させる。反対に、ランプ電流が目標値よりも低い場合には、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の発振周波数を低くすることにより、点灯時の共振周波数に近づくように制御して、ランプ電流を増加させる。

次に、点灯時に入力電圧が変動した場合の動作を図２を用いて説明する。インバータ制御回路４は、昇圧チョッパ回路２の入力電圧を検出し、入力電圧が所定の電圧範囲Ｖｔｈ１ａ〜Ｖｔｈ１ｂの間にあるときはランプ電流が略一定となるようにインバータ回路３のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の発振周波数を制御する。このとき消費電力もまた略一定となるため、入力電流は入力電圧に反比例して増減するが、電圧Ｖｔｈ１ａおよびＶｔｈ１ｂは定格入力電圧の±１０％程度に設定されるため、入力電流の変動幅は許容される範囲である。

次に、入力電圧がＶｔｈ１ｂ以下になると、インバータ制御回路４は、入力電流がそれ以上増大しないよう、入力電流が略一定になるよう入力電圧の変動に応じてランプ電流を制御する。

制御手段の具体例としては、入力電圧がＶｔｈ１ｂ〜Ｖｔｈ２の間にあるとき、入力電圧に応じたランプ電流の目標値をデータテーブルとして持ち、入力電圧に応じてランプ電流がデータテーブル上の目標値となるようにフィードバック制御すればよい。更に入力電圧が低下し、入力電圧がＶｔｈ２に達した時点でインバータ制御回路４はインバータ回路３の発振を停止する。Ｖｔｈ２のレベルは放電灯Ｌａが正常に動作可能な出力下限レベル、あるいは昇圧チョッパ回路２の性能に応じて任意に設計される。なお、本実施形態における上側の電圧閾値Ｖｔｈ１ａは重要な要素ではない。

（実施形態２）
図３に本発明の実施形態２の回路構成を示す。回路構成は基本的に実施形態１と同様であるが、入力電流検出素子Ｚ３を用いて入力電圧のほかに入力電流をも検出し、入力電圧と入力電流のレベルに応じてインバータ制御回路４によりインバータ回路３の出力を制御する点において実施形態１と異なる。

図４を用いて本実施形態の動作を説明する。インバータ制御回路４は、入力電流の上限閾値Ｉｔｈ以下ではランプ電流が略一定になるようインバータ回路３のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の発振周波数を制御する。入力電流が上限閾値Ｉｔｈに達すると、インバータ制御回路４は入力電流が上限閾値Ｉｔｈに保たれるようにランプ電流を制御し、入力電圧がＶｔｈ２以下になると、インバータ制御回路４はインバータ回路３の発振を停止させる。なお、入力電圧の変動幅を考慮して、入力電流の上限閾値Ｉｔｈは入力電流の定格値の＋１０％程度に設定されるのが望ましい。

（実施形態３）
実施形態１、２では入力電圧が低いときに入力電流が略一定に保たれる例を挙げたが、入力電圧を検出し、入力電圧の低下とともに入力電流が低くなるように制御すれば、非常用電源の電圧低下をより抑制することが可能となる。具体的には、図１または図３の回路において、インバータ制御回路４は入力電圧がＶｔｈ２以上でなおかつＶｔｈ２近傍の低い電圧である場合には、図２または図４のｔ１〜ｔ２の期間において、入力電圧の低下とともに入力電流が低くなるように制御すれば良い。図１または図３の回路では、入力電源として交流電源Ｖｓを図示しているが、この交流電源Ｖｓは商用交流電源の停電時には非常用電源に切り替わるものであり、バッテリーの残量が減少すると入力電圧が低下するものである。このとき、入力電圧の低下とともに入力電流が低くなるように制御すれば、非常用電源の電圧低下をより抑制することが可能となる。

以上の実施形態では、放電灯Ｌａの出力を略一定に保つためにランプ電流を検出しているが、図８のようにインバータ回路３のスイッチング素子Ｑ２に流れるソース電流を検出しても同様の効果が得られる。

また、放電灯Ｌａの出力を制御するために、インバータ回路３の発振周波数を制御しているが、昇圧チョッパ回路２の出力電圧Ｖｄｃを制御しても良い。具体的には、ランプ電流が目標値よりも高い場合には、昇圧チョッパ回路２の出力電圧Ｖｄｃを低下させるように制御して、ランプ電流を低下させる。反対に、ランプ電流が目標値よりも低い場合には、昇圧チョッパ回路２の出力電圧Ｖｄｃを上昇させるように制御して、ランプ電流を増加させる。なお、チョッパ回路２の出力電圧Ｖｄｃの制御とインバータ回路３の発振周波数の制御を併用しても良い。

（実施形態４）
実施形態１〜３の放電灯点灯装置を搭載された照明器具の外観を図５に例示する。照明器具３０は、実施形態１〜３のいずれかに記載の点灯装置を組み込んだ器具本体３１と、点灯装置と放電灯Ｌａを電気的に接続するための一対のソケット３２とを備え、ソケット３２には放電灯Ｌａの電極が着脱自由に装着される。ここでは、放電灯Ｌａとして直管型の蛍光ランプを例示したが、丸型蛍光ランプの点灯装置に本発明を適用しても構わない。

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の動作説明図である。 本発明の実施形態２の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態２の動作説明図である。 本発明の放電灯点灯装置を用いた照明器具の斜視図である。 従来例１の構成を示す回路図である。 従来例１の動作説明図である。 従来例２の構成を示す回路図である。

符号の説明

２ 昇圧チョッパ回路
３ インバータ回路
４ インバータ制御回路
Ｌａ 放電灯

Claims (8)

1. 入力電圧を所定の直流電圧に変換するコンバータ回路と、前記直流電圧を入力として直流電圧を高周波に変換するインバータ回路と、ＬＣ共振回路および負荷から構成される放電灯点灯装置において、前記コンバータ回路の入力電圧を検出する入力電圧検出手段と、少なくとも前記入力電圧に応じて放電灯の出力を制御する出力制御手段を備え、前記出力制御手段は、定格入力電圧よりも低い第１の入力電圧閾値と、第１の入力電圧閾値よりも低い第２の入力電圧閾値とを設定され、入力電圧が第１の入力電圧閾値に低下するまでは電源電圧に係わらず放電灯の出力が一定に保たれるよう制御し、入力電圧が第１の入力電圧閾値よりも低く第２の入力電圧閾値以上の場合には、入力電流が所定の値以下となるように放電灯の出力を抑制するよう制御し、入力電圧が第２の入力電圧閾値以下になるとインバータ回路が停止するように制御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、入力電圧が第１の入力電圧閾値よりも低く第２の入力電圧閾値以上の場合には、前記出力制御手段は、入力電圧の低下に応じて、より入力電流を抑制するように制御することを特徴とする放電灯点灯装置。
3. 入力電圧を所定の直流電圧に変換するコンバータ回路と、前記直流電圧を入力として直流電圧を高周波に変換するインバータ回路と、ＬＣ共振回路および負荷から構成される放電灯点灯装置において、前記コンバータ回路の入力電流を検出する入力電流検出手段と、少なくとも前記入力電流に応じて放電灯の出力を制御する出力制御手段を備え、前記出力制御手段は、入力電流が少なくとも所定値を超える場合には放電灯の出力を抑制するように制御することを特徴とする放電灯点灯装置。
4. 請求項３において、前記コンバータ回路の入力電圧を検出する入力電圧検出手段を備え、前記出力制御手段は、定格入力電流よりも高い入力電流閾値と、定格入力電圧よりも低い入力電圧閾値とを設定され、入力電流が入力電流閾値以下である場合には入力電圧に係わらず放電灯の出力が一定に保たれるよう制御され、入力電流が入力電流閾値に達すると入力電流が入力電流閾値以上とならないように放電灯の出力を抑制するように制御し、入力電圧が入力電圧閾値以下になるとインバータ回路が停止するように制御することを特徴とする放電灯点灯装置。
5. 請求項３または４において、入力電圧閾値は放電灯が安定的に点灯維持可能な出力下限となるときの入力電圧としたことを特徴とする放電灯点灯装置。
6. 放電灯の出力を制御する出力制御手段は、前記コンバータ回路の出力を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の放電灯点灯装置。
7. 放電灯の出力を制御する出力制御手段は、前記インバータ回路の出力を制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の放電灯点灯装置。
8. 請求項１〜７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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