JP4525446B2 - 放電灯点灯装置および照明器具 - Google Patents

Description

本発明は複数種の高圧放電灯を適合ランプとする放電灯点灯装置およびこれを用いた照明器具に関するものである。

高圧放電灯（ＨＩＤランプ）を点灯させる高圧放電灯点灯装置としては、従来、銅鉄型の安定器が主流であった。しかし、近年、安定器の軽量化・小型化・高機能化を目的とした多くの電子部品を用いた電子バラストが主流になりつつある。この電子バラストについて以下に簡単に説明する。

図１５に電子バラストのブロック図を示す。交流電源Ｖｓに整流回路を含む直流電源回路部Ａが接続され、その出力端に放電灯への供給電力を調整・制御できるインバータ回路部Ｂが接続され、さらにその出力端に放電灯ＤＬが接続されている。インバータ回路部Ｂは直流電源回路部Ａの出力を低周波の交流電圧に変換して放電灯ＤＬに供給する点灯回路部Ｃと、放電灯ＤＬの状態に応じて点灯回路部Ｃの動作を制御する制御回路部Ｄとを備えている。

このような従来の点灯装置では、特性の異なるＨＩＤランプを点灯する場合、点灯しようとするランプに適合した高圧放電灯点灯装置を用いる必要があった。つまり特性の異なる各々の放電灯に対して、それぞれ専用の高圧放電灯点灯装置を設けなければならず、開発費用・開発期間等の面での投資が多大であった。このような理由により高圧放電灯点灯装置は、複数種のＨＩＤランプを点灯することができる性能が望まれていた。

そこで、特開２００３−２２９２８９号公報には、複数種のＨＩＤランプを対象とした高圧放電灯点灯装置について提案されており、ＨＩＤランプの管電圧が所定のしきい値を超えるまでの時間を計測して負荷種を判別する手段について紹介されている。
特開２００３−２２９２８９号公報

特開２００３−２２９２８９号公報には、様々なランプ判別手法が開示されている。しかし、複数種のランプ判別手法を使ってランプ種を判別する手法などの記載はない。ここでは、より精度良くランプを判別する手法を開示する。

例えば、複数種類のＨＩＤランプを点灯することができる放電灯点灯装置において、対象となるランプがＰＨＩＬＩＰ社製ＣＤＭ−３５、ＣＤＭ−７０であった場合、判別手法が一種類のとき、点灯装置は、その一種類の判別手法の判別結果により３５Ｗもしくは７０Ｗで点灯することになる。この判別手法が一種類の場合、最も簡単にランプ種の判別が行えるが、反面、対象となるランプが多数におよぶ時などは、誤判別の可能性は大きくなる。それは、各ランプメーカーのランプが同一定格電力であっても、色温度、発光管形状、封入物質などさまざまな点で相違があるからである。

ここで、図８にＣＤＭ−３５とＣＤＭ−７０のランプ始動後のランプ電圧の挙動を示す。図８のようにＣＤＭ−３５とＣＤＭ−７０では、ランプ電圧の立ち上がり方に相違があるので、ランプ電圧立上りの過渡状態でランプ種を判別することが可能である。一方、図９に示すようにＣＤＭ−３５とＯＳＲＡＭ社のＨＣＩ−７０とのランプ始動後のランプ電圧の立ち上がり特性を比較すると極めて類似していることがわかる。つまり、図９のランプの組み合わせでは、図８の組み合わせと同じようにランプ電圧立上りの過渡状態では、ランプ種を判別することは困難である。

このような定格ランプ電力は違うが、ランプの特性が比較的似通っているランプでも精度よく判別することが必要である。その方法として、複数種の判別手法による判別方法が考えられる。

本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、複数種の判別手法を併用してランプ種別を精度良く判別可能とした放電灯点灯装置を提供することを課題とする。

本発明によれば、上記の課題を解決するために、直流電源からの電力を変換して高圧放電灯に電力を供給する電力変換回路と、電力変換回路の供給電力を制御する点灯制御回路と、放電灯の電気特性を複数の検出手段により検出し、複数の検出手段から検出した複数の電気特性から放電灯の定格電力を判別する判別手段とを備え、複数の定格電力種の高圧放電灯を負荷対象とし、そのうちいずれか１種を接続して点灯する放電灯点灯装置であって、前記判別手段は、放電灯の始動後のランプ電圧が第１の電圧から第２の電圧に立ち上がるのに要する時間が閾値よりも長いか否かを判別する第１の判別手段と、放電灯の安定時における第１の点灯電力でのランプ電圧が第２の点灯電力でのランプ電圧よりも大きいか否かを判別する第２の判別手段とを含み、負荷対象となる複数種の高圧放電灯のそれぞれについて、第１の判別手段による判別結果と第２の判別手段による判別結果の組み合わせのパターンを予め対応させておき、前記複数の判別手段から判別された結果の組み合わせのパターンに基づいて接続された放電灯種別を判別することを特徴とするものである。

本発明によれば、放電灯の電気特性を複数の検出手段により検出し、複数の検出手段から検出した複数の電気特性から放電灯の定格電力を判別する判別手段を備え、複数の判別手段から判別された結果の組み合わせのパターンに基づいて接続された放電灯種別を判別するものであるから、ランプ種別を精度良く判別することができる効果がある。

（実施形態１）
図１に本発明の実施形態１の回路図を示す。電解コンデンサＣ０１には、例えば、昇圧チョッパ回路により商用交流電源を整流平滑して得られた直流電圧が印加されている。この直流電圧は、図２に示すように、一般的に、ＨＩＤランプを始動するために必要とされている消灯時のランプ両端電圧（無負荷２次電圧）Ｖ０２＝約３００Ｖとなっている。

制御電源回路１は、降圧用の抵抗Ｒ０１，Ｒ０２とツェナーダイオードＺＤ１，ＺＤ２の直列回路よりなり、制御回路に供給する電圧Ｖｃｃ１、Ｖｃｃ２を生成する回路である。

降圧チョッパ回路２は、スイッチング素子Ｑ０１、回生用ダイオードＤ０１、インダクタＬ０１、コンデンサＣ０２よりなり、スイッチング素子Ｑ０１が高周波でスイッチングすることにより、電解コンデンサＣ０１に蓄積されている直流電圧をランプＤＬに必要な電力に変換する。

極性反転回路３は、スイッチング素子Ｑ０２，Ｑ０３，Ｑ０４，Ｑ０５のフルブリッジ回路よりなり、降圧チョッパ回路２のコンデンサＣ０２の直流電圧を数十Ｈｚ〜数百Ｈｚの低周波に変換する。

イグナイタ回路４は、パルストランスとパルス発生回路を含み、ランプ始動に必要な高圧パルス（約３〜５ｋＶ）を発生させる。

定Ｗｌａ回路５は、電解コンデンサＣ０１の一定電圧から負荷側に供給される電流値を抵抗Ｒ０５により検出することでランプ電力を検出し、増幅回路ＯＰ１で任意の電圧値に変換し、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１からなる直流変換回路により直流電圧に変換する。変換された直流電圧値とマイコンから出力されたＰＷＭ信号を抵抗Ｒ２、コンデンサＣ２により直流電圧値に変換された値とを誤差増幅器ＯＰ２により比較させる。比較されて出力された電圧値と高周波発振回路７で生成された三角波の高周波信号とを比較器ＣＰ２により比較することにより、降圧チョッパ回路２のスイッチング素子Ｑ０１の駆動信号を生成する。定Ｗｌａ回路５の出力端に接続されているツェナーダイオードは誤差増幅器ＯＰ２の出力電圧の最大値を決めている。

さらに、定Ｉｌａ回路６によりランプＤＬが始動した直後の低インピーダンス時のランプ電流Ｉｌａを制御させる。この回路は、ランプＤＬに流れる電流値を抵抗Ｒ０６により検出し、その検出値と、抵抗Ｒ０５で検出された電圧値との差を計算することにより実際にランプＤＬに流れる電流を算出している。つまり、本回路の基準グランドが電解コンデンサＣ０１の負電位側に設けられているため、抵抗Ｒ０６には、ランプ電流値のほかに、抵抗Ｒ０５で検出される電解コンデンサＣ０１からの放電電流値も同時に検出されてしまうために、差動アンプＯＰ３により、抵抗Ｒ０５で検出される値と、抵抗Ｒ０６で検出される値との差を計算することにより、ランプＤＬに流れる電流を検出している。

次に、検出された電圧を抵抗Ｒ３、コンデンサＣ３からなる直流変換回路により直流電圧に変換し、Ｖｃｃ１を分圧してなる基準電圧値と比較することにより降圧チョッパ回路２のスイッチング素子Ｑ０１を制御する。

図３に一般的な７０ＷのＨＩＤ点灯回路の出力特性を示す。定Ｉｌａ回路６では図３のＶｌａ＜６０Ｖの定Ｉｌａ領域を制御し、定Ｗｌａ回路５ではＶｌａ≧６０Ｖの定Ｗｌａ領域を制御している。

高周波発振回路７は、コンパレータＣＰ１，ＣＰ２，ＣＰ３とＣＲ充放電回路などで構成されており、降圧チョッパ回路２のスイッチング素子Ｑ０１をオン・オフ制御するための高周波信号を発振しており、そのオン幅は、定Ｗｌａ回路５及び定Ｉｌａ回路６の出力を受けて、図３の出力特性を実現するように制御される。

放電灯判別回路８は、放電灯ＤＬのランプ電圧を検出して、複数種の放電灯を判別する。たとえば、マイクロチップ社製ＰＩＣ１２Ｆ６７５（Ａ／Ｄ変換機能・フラッシュメモリ付８ビットマイコン）のような汎用マイコンで構成されており、抵抗Ｒ０３，Ｒ０４の分圧点の電圧を監視することにより、ランプ電圧を検出し、その検出値に応じて、コンデンサＣ２、抵抗Ｒ２のＣＲ積分回路に出力するＰＷＭ信号のパルス幅を可変とすることにより、図３のＶｌａ≧６０Ｖの定Ｗｌａ領域を実現するように制御している。ＰＷＭ信号はマイコン２番ピンから出力される。また、１番ピンは電源端子、８番ピンはグランド端子である。さらに、７番ピンは入力に設定されており、コンデンサＣ０２の両端電圧から得られるランプ電圧値を読み取る。

図３では、７０Ｗのランプと判定された場合の出力特性を例示したが、３５Ｗのランプと判定された場合には、定Ｗｌａ領域の出力特性は３５Ｗのランプ電力となるように、マイコンからコンデンサＣ２、抵抗Ｒ２のＣＲ積分回路に出力されるＰＷＭ信号のパルス幅が変更される。また、ランプ種別判別のために、点灯電力を切り替える場合にも、マイコンからコンデンサＣ２、抵抗Ｒ２のＣＲ積分回路に出力されるＰＷＭ信号のパルス幅が変更される。

次に、具体的にランプ判別方法について説明する。

（判別手法１）
図１０にさまざまなメーカー、さまざまな形状の３５Ｗ、７０Ｗランプのランプ始動後のランプ電圧の立ち上がり特性を示す。また、図１１に、図１０より得られたＶｌａ＝３０ＶからＶｌａ＝４０Ｖまでの経過時間を示す。図１１から明らかなように、約６秒を境に３５Ｗランプと７０Ｗランプを判別することが可能であることが分かる。

しかし、図９で示したように、ＯＳＲＡＭ社のＨＣＩ−７０のランプは３５Ｗランプとほぼ同等の立上り特性を示すため、この判別手法１だけでは、判別が不可能である。図１２にＨＣＩ−７０Ｗランプを含めたときのＶｌａ＝３０から４０Ｖの経過時間を示す。図１２において、先ほど述べたように、約６秒に３５Ｗランプと７０Ｗランプを判別する閾値を設定しても、ＨＣＩランプの一部は７０Ｗランプと判別することができるが、一部は３５Ｗランプと誤判別してしまう。

（判別手法２）
そこで、図１３に示す判別手法２を用いる。図１３は、各社の３５Ｗランプと７０Ｗランプの安定時の各種の点灯電力でのランプ電圧を示している。図１３から点灯電力Ｗｌａ＝４０〜３３Ｗのランプ電圧の変化の仕方を検出する。つまり、７０Ｗランプにおいては、点灯電力４０Ｗと３３Ｗでのランプ電圧の差を取ると、Ｖｌａ４０−Ｖｌａ３３はゼロより小さくなり、３５Ｗランプにおいては、プラスとなる。つまり、このランプ電圧の変化の仕方によりランプ種を判別することが可能である。

表１に、ＣＤＭ−３５、ＣＤＭ−７０、ＨＣＩ−７０を対象負荷としたときの判別手法１および判別手法２の判別結果を示す。表１で一部のＨＣＩランプは判別手法１により７０Ｗと判別することが可能であるが、ここでは、ＨＣＩ−７０は判別手法１では３５Ｗランプと判別されるものとした。

つまり、それぞれの対象ランプに対して、このような判別パターンが現れる。この判別パターンを用いて判別することによって、より多くのランプを判別することが可能であり、判別精度も向上する。

本実施形態の判別フローを図４に示す。ステップ＃１はランプ始動の判定であり、ランプ電圧の低下またはランプ電流が流れ始めることを検出すると、ランプ始動と判定する。ステップ＃２では判別手法１を実施する。すなわち、ランプ電圧Ｖｌａが３０Ｖから４０Ｖまでの経過時間を測定する。その測定結果から約６秒を境として、３５Ｗランプか７０Ｗランプかを判別し、その判別結果１をステップ＃３で記憶する。ステップ＃４では判別手法２を実施する。すなわち、点灯電力４０Ｗと３３Ｗでのランプ電圧を比較し、その大小関係から、３５Ｗランプか７０Ｗランプかを判別し、その判別結果２をステップ＃５で記憶する。ステップ＃６，＃７，＃８では、判別結果１、判別結果２を参照し、表１に基づいて、ＣＤＭ−７０、ＣＤＭ−３５、ＨＣＩ−７０のランプ種を判別する。

なお、判別手法１と判別手法２での判別結果が表１のように想定していた判別結果のパターンと違う場合、負荷対象となる高圧放電灯の中で最も小さな電力（この例では３５Ｗ）で点灯するようにしても良い。

（実施形態２）
本発明の実施形態２を図５を用いて説明する。本実施形態における安定器は、実施形態１で用いたものと同一であるので、重複する説明は省略する。
本実施形態では、図５に示すように、判別手法１と判別手法２での判別結果が表１のように想定していた判別結果のパターンと違う場合、再度、同じ判別手法を繰り返すように設定している。表１の例は、ランプ始動時での判別手法であるので、一度消灯した後、再度、判別することになるが、例えば、安定点灯時での判別である場合など、消灯しなくてもよい判別手法を用いている場合には、言うまでもなく消灯せずに、再度、判別してもよい。
（実施形態３）

本発明の実施形態３を図６を用いて説明する。本実施形態における安定器は、実施形態１で用いたものと同一であるので、重複する説明は省略する。
本実施形態では、図６に示すように、判別手法１と判別手法２での判別結果が表１のように想定していた判別結果のパターンと違う場合、再度、判別手法１からやり直すのではなく、判別手法２からやり直す。こうすることにより、実施形態２より早くに再判別が可能となる。

（実施形態４）
本発明の実施形態４を図７を用いて説明する。本実施形態における安定器は、実施形態１で用いたものと同一であるので、重複する説明は省略する。
本実施形態では、これまでの実施形態と違い、判別手法１と判別手法２での判別結果が表１のように想定していた判別結果のパターンと違う場合、ある電力で点灯したり、再度判別するようなことはせず、消灯してしまう。このように制御することで、間違った電力で点灯することを極力避けることが可能である。

（実施形態５）
図１４は本発明の放電灯点灯装置を用いた照明器具の構成例を示す。（ａ）、（ｂ）はスポットライトに適用した例、（ｃ）はダウンライトに適用した例であり、図中、１１は点灯装置の回路を格納した電子バラスト、１２は高圧放電灯を装着した灯体、１３は配線である。いずれの照明器具も３５Ｗ、７０Ｗのような複数の種類の高圧放電灯を適宜選択して装着することができる。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く、必要な照度、発光色、デザイン等に応じて、種類の異なる複数の高圧放電灯が混在して用いられても構わない。

本発明の実施形態１の回路構成を示す回路図である。 本発明の実施形態１の無負荷２次電圧を示す波形図である。 本発明の実施形態１の出力特性を示す特性図である。 本発明の実施形態１の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態２の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態３の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態４の動作を示すフローチャートである。 始動時のランプ電圧立ち上がり特性の代表例を示す特性図である。 始動時のランプ電圧立ち上がり特性の別の一例を示す特性図である。 始動時のランプ電圧立ち上がり特性の計測結果を示す図である。 ランプ種別判別手法の一例を示す説明図である。 図１１のランプ種別判別手法の課題を示す説明図である。 ランプ種別判別の他の一例を示す説明図である。 本発明の照明器具の外観を示す斜視図である。 従来の点灯装置のブロック図である。

符号の説明

１ 制御電源回路
２ 降圧チョッパ回路
３ 極性反転回路
４ イグナイタ回路
５ 定Ｗｌａ回路
６ 定Ｉｌａ回路
７ 高周波発振回路
８ 放電灯判別回路

Claims (6)

1. 直流電源からの電力を変換して高圧放電灯に電力を供給する電力変換回路と、電力変換回路の供給電力を制御する点灯制御回路と、放電灯の電気特性を複数の検出手段により検出し、複数の検出手段から検出した複数の電気特性から放電灯の定格電力を判別する判別手段とを備え、複数の定格電力種の高圧放電灯を負荷対象とし、そのうちいずれか１種を接続して点灯する放電灯点灯装置であって、前記判別手段は、放電灯の始動後のランプ電圧が第１の電圧から第２の電圧に立ち上がるのに要する時間が閾値よりも長いか否かを判別する第１の判別手段と、放電灯の安定時における第１の点灯電力でのランプ電圧が第２の点灯電力でのランプ電圧よりも大きいか否かを判別する第２の判別手段とを含み、負荷対象となる複数種の高圧放電灯のそれぞれについて、第１の判別手段による判別結果と第２の判別手段による判別結果の組み合わせのパターンを予め対応させておき、前記複数の判別手段から判別された結果の組み合わせのパターンに基づいて接続された放電灯種別を判別することを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 請求項１記載の放電灯点灯装置であって、複数の判別手段から判別された結果の組み合わせのパターンが、負荷対象となる複数種の高圧放電灯のいずれにも適合しないとき、負荷対象となる高圧放電灯の中で最も小さな電力で点灯することを特徴とする放電灯点灯装置。
3. 請求項１記載の放電灯点灯装置であって、複数の判別手段から判別された結果の組み合わせのパターンが、負荷対象となる複数種の高圧放電灯のいずれにも適合しないとき、再度判別をやり直すことを特徴とする放電灯点灯装置。
4. 請求項１記載の放電灯点灯装置であって、複数の判別手段から判別された結果の組み合わせのパターンが、負荷対象となる複数種の高圧放電灯のいずれにも適合しないとき、複数の判別手段の途中から再度判別をやり直すことを特徴とする放電灯点灯装置。
5. 請求項１記載の放電灯点灯装置であって、複数の判別手段から判別された結果の組み合わせのパターンが、負荷対象となる複数種の高圧放電灯のいずれにも適合しないとき、放電灯を消灯することを特徴とする放電灯点灯装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の放電灯点灯装置を搭載したことを特徴とする照明器具。

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