JP4925886B2 - 放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents
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Description
放電灯は、寿命末期になると点灯時の等価抵抗値が増大する。これにより回路バランスが崩れ、放電灯に過大な電力が加わると、放電灯が発熱し、放電灯やソケットが溶解するなど危険な状態となる可能性がある。
このような事態を避けるため、放電灯点灯装置は、通常、放電灯に印加される電圧を検出してインバータ回路の動作を停止させる過電圧保護回路や、放電灯の寿命末期に発生する整流放電を検出してインバータ回路の動作を停止させる整流放電保護回路や、負荷の電力を一定に保つ定電力制御回路など、様々な保護回路を設けている。
この発明にかかるインバータ回路は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、複雑な保護回路がなくても、寿命末期などにより放電灯の等価抵抗値が増大した場合に、放電灯に過大な電力が加わるのを防ぐことを目的とする。
入力した直流電圧を放電灯に印加する交流電圧に変換するインバータ回路において、
基準電位入力端子と、
直流電圧を上記基準電位入力端子に対する電位差として入力する直流入力端子と、
上記放電灯の一方の電極の両端をそれぞれ接続する2つの第一接続端子と、
上記放電灯の他方の電極の両端をそれぞれ接続する2つの第二接続端子と、
一端を上記直流入力端子に接続した第一のスイッチング素子と、
一端を上記第一のスイッチング素子の他端に接続し、他端を上記基準電位入力端子に接続した第二のスイッチング素子と、
上記第一のスイッチング素子と上記第二のスイッチング素子とを交互にオンオフする制御回路と、
一端を上記第一のスイッチング素子と上記第二のスイッチング素子との接続点に接続し、他端を上記第一接続端子の一方に接続したチョークコイルと、
一端を上記第一接続端子の他方に接続し、他端を上記第二接続端子の一方に接続した始動コンデンサと、
一端を上記第二接続端子の他方に接続し、他端を上記基準電位入力端子に接続した結合コンデンサと、
アノードを上記基準電位入力端子に接続し、カソードを上記第二接続端子の他方に接続した第一の整流素子と、
アノードを上記第二接続端子の他方に接続し、カソードを上記直流入力端子に接続した第二の整流素子とを有することを特徴とする。
実施の形態1を、図1〜図6を用いて説明する。
照明器具800は、放電灯点灯装置100、放電灯LAを備える。照明器具800は、商用電源などの交流電源ACから電力の供給を受けて、放電灯LAを点灯する。
直流電源回路110は、交流電源ACから入力した交流電圧を直流電圧VINに変換する。直流電源回路110は、例えば、ダイオードブリッジと昇圧チョッパ回路とから構成される。
制御部181は、インバータ回路130の動作(例えば、予熱・始動・点灯・消灯など)を制御する制御信号を出力する。
インバータ回路130は、直流電源回路110が出力した直流電圧VINを、基準電位入力端子bに対する直流入力端子aの電位差として入力する。なお、直流電圧VINは正であり、直流入力端子aのほうが基準電位入力端子bよりも高電位である。
インバータ回路130は、入力した直流電圧VINを交流電圧vOUTに変換する。インバータ回路130が変換した交流電圧vOUTは、第一接続端子cと第二接続端子dとの間に接続された放電灯LAに印加される。
照明器具800は、放電灯LAを着脱自在に取り付けることができるランプソケットを有する。ランプソケットは、第一接続端子c及び第二接続端子dを内蔵している。
放電灯LAは、2つの電極を有している。放電灯LAをランプソケットに取り付けることにより、2つの電極の一方が第一接続端子cに、他方が第二接続端子dに電気的に接続される。
放電灯LAの各電極は、それぞれフィラメントを有している。第一接続端子cは、2つの端子からなり、放電灯LAを接続することにより、放電灯LAのフィラメントを介して、2つの端子が電気的に接続する。第二接続端子dも同様である。
駆動回路151がFETQ51及びFETQ52をオンオフする周波数は、制御部181からの制御信号により定まるインバータ回路130の動作モードごとに一定である。例えば、放電灯LAの点灯時の動作周波数は50kHzというように、あらかじめ周波数が決まっている。
FETQ51は、ドレイン端子を直流入力端子aに接続し、ソース端子をFETQ52のドレイン端子及びチョークコイルL61の一方の端子に接続し、ゲート端子を駆動回路151に接続している。
FETQ52は、ドレイン端子をFETQ51のソース端子及びチョークコイルL61の一方の端子に接続し、ソース端子を基準電位入力端子bに接続し、ゲート端子を駆動回路151に接続している。
始動コンデンサC72は、一方の端子を第一接続端子cに接続し、他方の端子を第二接続端子dに接続している。
結合コンデンサC71は、一方の端子を第二接続端子dに接続し、他方の端子を基準電位入力端子bに接続している。
また、第二接続端子dの2つの端子のうち、一方には、始動コンデンサC72が接続し、他方には、結合コンデンサC71、ダイオードD91、ダイオードD92が接続している。
このため、放電灯LAを接続しなければ、負荷回路が形成されない。
基準電位入力端子bの電位を基準とする。
直流入力端子aの電位は、直流電源回路110が出力しインバータ回路130が入力する直流電圧VINである。
FETQ51とFETQ52との接続点の電位をv1、第一接続端子cの電位をvc、第二接続端子dの電位をvd、チョークコイルL61の両端電圧をvL1、チョークコイルL61を流れる電流をiL1、始動コンデンサC72を流れる電流をiC2、結合コンデンサC71を流れる電流をiC1、放電灯LAを流れる電流をiLAとする。
ここで、vL1=v1−vc、vOUT=vc−vd、iL1=iC2+iLAである。また、結合コンデンサC71の両端電圧はvd、始動コンデンサC72の両端電圧はvOUTである。
結合コンデンサC71を流れる電流iC1は、ダイオードD91及びダイオードD92がいずれもオフの場合、iL1と等しい。また、ダイオードD91及びダイオードD92のいずれかがオンの場合は、0になる。
横軸は時刻を示し、縦軸は電圧または電流を示す。
電圧v1は細線、電圧vc及び電圧vdは太線で示す。なお、右上がり斜線で示したのは、電圧v1と電圧vcとの差であり、チョークコイルL61の両端電圧vL1である。
また、電流iL1及び電流iC2は細線、電流iC1及び電流iLAは太線で示す。
チョークコイルL61の両端電圧vL1が正なので、電流iL1が増加して、始動コンデンサC72及び結合コンデンサC71を充電し、電圧vc及び電圧vdが上昇する。また、放電灯LAには、交流電圧vOUT=vc−vdが印加される。点灯中の放電灯LAは等価的に抵抗であると考えられるので、放電灯LAには、交流電圧vOUTに比例した電流iLAが流れる。
以上の動作を繰り返すことにより、放電灯LAに交流電圧vOUTが印加される。
これにより、始動コンデンサC72と放電灯LAとの並列回路の容量性リアクタンス成分が大きくなる。インバータ回路130が、チョークコイルL61・始動コンデンサC72(及び放電灯LA)・結合コンデンサC71からなる負荷回路の共振周波数より高い周波数で駆動している場合、負荷回路の合成インピーダンスは、誘導性リアクタンス成分を含むので、放電灯LAの等価抵抗値が高くなると、合成インピーダンスは減少する。
このため、始動コンデンサC72の両端電圧と結合コンデンサC71の両端電圧との和である電圧vcは、あまり上昇しない。その結果、電流iL1の増大も抑えられる。
対比例のインバータ回路は、この実施の形態におけるインバータ回路130と比較して、ダイオードD91及びダイオードD92がない点が異なり、他の点は同じである。
なお、放電灯LAは、正常である(寿命末期ではない)ものとする。
時刻t6において、電圧vdは0に達するが、ダイオードD91がないので、結合コンデンサC71の両端電圧は制限されず、0V以下にまで下降する。
放電灯LAが正常な場合、電圧vdがVIN以上または0V以下である期間は短いので、図2と比較して、放電灯LAを流れる電流iLAもあまり変わらない。
そのため、図3と比較して、電圧vcが著しく大きくなり、放電灯LAを流れる電流iLAも増大している。
太線はこの実施の形態におけるインバータ回路130の場合、細線は対比例のインバータ回路の場合である。
このため、放電灯LAが寿命末期になる過渡期において、消費電力が大きくなる時期が存在するが、この実施の形態におけるインバータ回路130は、ダイオードD91及びダイオードD92の働きにより、消費電力の異常な増大が抑えられる。
ここで、結合コンデンサC71に発生する電圧vdは、ダイオードD91及びダイオードD92の働きにより0〜VINの間の値に抑制されているので、電圧vdの実効値は、約VIN/2である。これは、放電灯LAの等価抵抗値が変化しても変わらない。
また、自励式のインバータ回路は回路バランスによって動作周波数fが変化するが、インバータ回路130は他励式であり、点灯時の動作周波数が一定に制御されているので、動作周波数fも、放電灯LAの等価抵抗値にかかわらず一定である。
したがって、結合コンデンサC71に流れる電流iC1の実効値は、放電灯LAの等価抵抗値にかかわらず一定である。
そこで、|v0|/|vC1|の最小値を考える。数2より、
したがって、ダイオードD91及びダイオードD92がない場合において、
この場合において、
次に、|vL|と|vC1|との関係を考えると、
すなわち、放電灯LAの寿命末期時に放電灯LAの等価抵抗値が増大しても、出力電圧vOUTは、VIN×C1/√2C2以下に抑えられる。
これにより、特別な保護回路を用いなくても、放電灯LAの寿命末期に放電灯LAに過大な電力が供給されず、インバータ回路130に過負荷がかからない。
入力した直流電圧VINを放電灯LAに印加する交流電圧vOUTに変換するインバータ回路130において、
基準電位入力端子bと、
直流電圧VINを上記基準電位入力端子bに対する電位差として入力する直流入力端子aと、
上記放電灯LAの一方の電極の両端をそれぞれ接続する2つの第一接続端子cと、
上記放電灯LAの他方の電極の両端をそれぞれ接続する2つの第二接続端子dと、
一端(ドレイン端子)を上記直流入力端子aに接続した第一のスイッチング素子(FETQ51)と、
一端(ドレイン端子)を上記第一のスイッチング素子(FETQ51)の他端(ソース端子)に接続し、他端(ソース端子)を上記基準電位入力端子bに接続した第二のスイッチング素子(FETQ52)と、
上記第一のスイッチング素子(FETQ51)と上記第二のスイッチング素子(FETQ52)とを交互にオンオフする制御回路(駆動回路151)と、
一端を上記第一のスイッチング素子(FETQ51)と上記第二のスイッチング素子(FETQ52)との接続点に接続し、他端を上記第一接続端子の一方に接続したチョークコイルL61と、
一端を上記第一接続端子cの他方に接続し、他端を上記第二接続端子dに接続した始動コンデンサC72と、
一端を上記第二接続端子dの一方に接続し、他端を上記基準電位入力端子bに接続した結合コンデンサC71と、
アノードを上記基準電位入力端子bに接続し、カソードを上記第二接続端子dの他方に接続した第一の整流素子(ダイオードD91)と、
アノードを上記第二接続端子dの他方に接続し、カソードを上記直流入力端子aに接続した第二の整流素子(ダイオードD92)とを有することを特徴とする。
実施の形態2について、図7を用いて説明する。
なお、実施の形態1で説明した照明器具800と共通する部分については、同一の符号を付し、ここでは説明を省略する。
コンデンサC62は、一方の端子をFETQ51とFETQ52との接続点に接続している。
ダイオードD63は、カソード端子をコンデンサC62の他方の端子に接続し、アノード端子を基準電位端子bに接続している。
ダイオードD64は、アノード端子をコンデンサC62とダイオードD63との接続点に接続している。
コンデンサC65は、一方の端子をダイオードD64に接続し、他方の端子を基準電位端子bに接続している。
定電圧ダイオードZ66(ツェナーダイオード)は、カソード端子をダイオードD64とコンデンサC65との接続点に接続し、アノード端子を基準電位端子bに接続している。
コンデンサC83は、一方の端子を第一接続端子cに接続し、他方の端子を基準電位入力端子bに接続している。
FETQ51がオン、FETQ52がオフの状態から、FETQ51がオフ、FETQ52がオンの状態(あるいはその逆)に遷移するとき、FETQ51とFETQ52とが同時のオンの期間があると、直流電源回路110の出力が短絡してしまうので、駆動回路151は、FETQ51をオフにしてからFETQ52をオンにするよう制御する。FETQ51とFETQ52とが共にオフの期間は、デッドタイムと呼ばれている。
デッドタイムにおいて、チョークコイルL61を流れる電流が急激に減少すると、チョークコイルL61の両端電圧が急激に上昇する。そのため、FETQ51やFETQ52のドレイン−ソース間に大電圧が加わり、FETQ51やFETQ52が破壊されるおそれがある。
コンデンサC62は、デッドタイムにおいて、チョークコイルL61を流れる電流を補うことにより、このピーク電圧を小さくし、FETQ51やFETQ52を保護するものである。
その後、コンデンサC62には、ダイオードD64を通して逆方向の電流が流れ、コンデンサC62が放電する。
この例では、コンデンサC62を放電する電流により、コンデンサC65を充電し、定電圧ダイオードZ66により一定の電圧値として、制御部181などに供給する直流電源電圧Vccを生成している。
基準電圧入力端子bから直流電源回路110のなかを通り、ダイオードD92、放電灯LA及び始動コンデンサC72、チョークコイルL61を通って、コンデンサC62に戻ってくる。放電経路が長いため、コンデンサC62が十分に放電されない可能性がある。
一端を上記第一接続端子cの一方に接続し、他端を上記基準電位入力端子bに接続したコンデンサC83を有することを特徴とする。
実施の形態3について、図8〜図9を用いて説明する。
なお、実施の形態1で説明した照明器具800と共通する部分については、同一の符号を付し、ここでは説明を省略する。
過電圧検出部182(保護回路)は、基準電位入力端子bに対する第一接続端子cの電位を測定し、測定した電位の最大値が所定の電圧値以上である場合に、過電圧検出信号を出力する。
過電圧検出部182が出力した過電圧検出信号は、制御部181が入力し、制御部181は、駆動回路151の動作を停止させる制御信号を出力する。
しかし、過渡期において、放電灯LAの消費電力が増大する場面があり、インバータ回路130に負担をかける。
過電圧検出部182は、第一接続端子cの電圧vcを監視することにより、放電灯LAの寿命末期を検出し、電圧vcの最大値が所定の電圧を超えた場合に、駆動回路151の動作を停止する。
太線は、この実施の形態におけるインバータ回路130の場合を示す。細線は、対比のため、ダイオードD91及びダイオードD92がないインバータ回路の場合を示す。
vc=vOUT+vdであり、vdの最大値はVINであるから、vcの最大値は、VIN+VIN×C1/√2C2である。
これに対して、放電灯LAが正常点灯時の出力電圧vOUTの最大値をVLAとすると、正常点灯時におけるvcの最大値は、VIN+VLAである。
そこで、VIN×C1/√2C2≧1.2VLAとなるようにC1及びC2を設定する。
これにより、放電灯LAの寿命末期における電圧vcの最大値と、正常時における電圧vcの最大値との差は、VIN×C1/√2C2−VLA≧0.2VLAとなり、VLAに20%以内のばらつきがある場合でも、放電灯LAの寿命末期を確実に検出できる。
上記基準電位入力端子bに対する上記第一接続端子cの電位vcを測定し、測定した電位vcの最大値が所定の電圧値以上である場合に上記制御回路(駆動回路151)の動作を停止させる保護回路(過電圧検出部182)を備え、
上記結合コンデンサC71の容量をC1、上記始動コンデンサC72の容量をC2、上記直流電圧の電圧値をVIN、上記放電灯LAの正常点灯時における電極間電圧の最大電圧値をVLAとして、VIN×C1/√2C2≧VLA×1.2であることを特徴とする。
Claims (3)
- 直流電圧を生成する直流電源回路と、
上記直流電源回路が生成した直流電圧を、放電灯に印加する交流電圧に変換するインバータ回路とを備え、
上記インバータ回路は、
一端を上記直流電源回路の出力のうち正電位側に電気接続した第一のスイッチング素子と、
一端を上記第一のスイッチング素子の他端に電気接続し、他端を上記直流電源回路の出力のうち負電位側に電気接続した第二のスイッチング素子と、
上記第一のスイッチング素子と上記第二のスイッチング素子とをともにオフするデッドタイムを設けつつ、上記第一のスイッチング素子と上記第二のスイッチング素子とを交互にオンオフする制御回路と、
一端を上記第一のスイッチング素子と上記第二のスイッチング素子との接続点に電気接続し、他端を上記放電灯の2つのフィラメントのうち第一のフィラメントの一端に電気接続するよう配置されたチョークコイルと、
一端を上記放電灯の上記第一のフィラメントの他端に電気接続し、他端を上記放電灯の2つのフィラメントのうち第二のフィラメントの一端に電気接続するよう配置された始動コンデンサと、
一端を上記放電灯の上記第二のフィラメントの他端に電気接続するよう配置され、他端を上記直流電源回路の出力のうち負電位側に電気接続した結合コンデンサと、
アノードを上記直流電源回路の出力のうち負電位側に接続し、カソードを上記結合コンデンサの両端のうち上記放電灯に電気接続する側に電気接続した第一の整流素子と、
アノードを上記第一の整流素子のカソードに電気接続し、カソードを上記直流電源回路の出力のうち正電位側に電気接続した第二の整流素子と、
上記デッドタイムにおいて上記チョークコイルを流れる電流が流れるコンデンサであって上記チョークコイルを流れる電流が急激に減少するのを防ぐコンデンサを有し、一端を上記第一のスイッチング素子と上記第二のスイッチング素子との接続点に電気接続し、他端を上記直流電源回路の出力のうち負電位側に電気接続したスナバ回路と、
一端を上記チョークコイルの両端のうち上記放電灯に電気接続する側に電気接続し、他端を上記直流電源回路の出力のうち負電位側に電気接続し、上記スナバ回路のコンデンサの放電経路を形成することにより上記スナバ回路のコンデンサを十分に放電する放電用コンデンサとを有することを特徴とする放電灯点灯装置。 - 上記放電灯点灯装置は、更に、
上記直流電源回路の出力のうち負電位側を基準として、上記チョークコイルの両端のうち上記放電灯に電気接続する側の電位を測定し、測定した電位の最大値が所定の電圧値以上である場合に上記制御回路の動作を停止させる保護回路を備え、
上記結合コンデンサの容量をC1、上記始動コンデンサの容量をC2、上記直流電源回路が生成した直流電圧の電圧値をVIN、上記放電灯の正常点灯時におけるフィラメント間電圧の最大電圧値をVLAとして、VIN×C1/√2C2≧VLA×1.2であることを特徴とする請求項1に記載の放電灯点灯装置。 - 請求項1または請求項2に記載の放電灯点灯装置と、
上記放電灯を着脱自在に取り付け可能であり、上記放電灯を取り付けることにより、上記放電灯のフィラメントと上記放電灯点灯装置とを電気接続するランプソケットと
を備えることを特徴とする照明器具。
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