JPH06101389B2

JPH06101389B2 - 放電灯点灯装置

Info

Publication number: JPH06101389B2
Application number: JP16438985A
Authority: JP
Inventors: 春男永瀬; 聖明内橋
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1985-07-25
Filing date: 1985-07-25
Publication date: 1994-12-12
Anticipated expiration: 2009-12-12
Also published as: JPS6226795A

Description

【発明の詳細な説明】［技術分野］本発明は高圧放電灯のような放電灯を点灯する放電灯点
灯装置に関するものである。

［背景技術］従来の一般の放電灯点灯装置は安定器をチョークコイ
ル、トランス、コンデンサ等の単独あるいは組み合わせ
により構成しているため、寸法重量とも大きかった。

この点から放電灯点灯装置の小形、軽量、高効率化が望
まれており、そのために放電灯を高周波点灯させること
が考えられている。例えは蛍光灯の点灯装置ではスイッ
チングトランジスタ、サイリスタ等を用いた高周波点灯
装置が実用化されている。

高圧放電灯の点灯装置においても高周波を利用すると、
蛍光灯と同様な効果が得られるが、高圧放電灯を高周波
点灯すると音響的共鳴現象に起因するアークの不安定が
存在することが従来から知られている。

ところで音響的共鳴現象に起因するアークの不安定を解
消する方法としては点灯電源の周波数を超高周波（例え
ば100kHz）とするもの（特開昭56−11897号公報等）が
あったが、しかし、このものは雑音（特にふく射雑音）
の他に、スイッチングロスが大きく、実用上問題があっ
た。また点灯電源の周波数を例えば30KHz〜50KHzの間で
変調する方法のもの（特開昭56−48095号公報等）があ
ったが抑制しきれず、やはり実用上問題があった。また
直流で点灯するもの（特開昭56−98499号公報）もあっ
たが、しかしながら、ランプ寿命（黒化等）の点でこれ
また問題があった。更に矩形波点灯によるものもある。
この矩形波点灯は文献「キャラクタリスティックス・オ
ブ・アコースティカル・レゾナンス・イン・ディスチャ
ージ・ランプス（Characteristicis of Acoustical Res
onance In Discharge Lamps）」イルミネイティング・
エンジニアリング（ILLUMINATING ENGINEERING）1970年
12月P713〜716に示されている。

しかし、この方法ではアークは安定するものの、矩形波
のフラットの部分を限流素子として抵抗で負担している
ため大形化し、電力損が大きくなり、また高周波の矩形
波では波形の立ち上がり、立ち下がりが急峻なため、雑
音の問題が生じ、この対策のために大幅なコストアップ
につながるという問題があった。

一方高圧放電灯用点灯装置として、実開昭59−16100号
公報に開示されたものがある。この装置では矩形波のフ
ラット部を高周波成分が重畳された状態にし、且つ限流
素子としてインダクタンスを用いて、装置の小型化を図
っている。しかしこの方法では発振用トランス部と、チ
ョッパ専用の半導体素子とが必要であり、点灯装置は未
だ大型であった。

また米国特許4,170,747号に開示されたものもある。第
４図は米国特許4,170,747号に示されている従来の放電
灯点灯装置である。図においてコンデンサ16を接続した
電源端子1,2にはトランジスタ３〜６をブリッジ形に接
続したスイッチング回路を電流検出用抵抗13を介して接
続し、トランジスタ３〜６には夫々トランジスタ３〜６
の通電方向と逆方向にダイオード７〜10を並列接続し、
トランジスタ3,6の接続点と、トランジスタ4,5の接続点
間にはチョークコイル11と、コンデンサ14を並列に接続
した高圧放電灯12との直列回路を接続してある。制御回
路15は検出電流に応じてトランジスタ３〜６を制御する
ための回路である。

第５図（ａ）〜（ｄ）はトランジスタ３〜６の動作を示
すタイミング図である。

トランジスタ3,4は制御回路15により50/60Hzまたは400H
zでオンオフし、トランジスタ３がオンのときにはトラ
ンジスタ５が例えば20KHz（1/T₂）のデューティ比可変
のオンオフ動作を行い、トランジスタ４がオンのときに
はトランジスタ６がトランジスタ５と同様のオンオフ動
作を行う。また、高圧放電灯12の極性反転時には４個の
トランジスタ３〜６は同時にオフとなり、休止期間T_Dを
有する。制御回路15は電流検出用抵抗13の電圧の大小に
よってオンオフデューティ比が変わる。従って、高圧放
電灯12には高周波リップルを含有した矩形波の交流の電
流が流れることになる。

さて第５図（ａ）〜（ｄ）により更に第４図回路の動作
を説明すると、第５図中のt₁〜t₂間では同図（ａ）に示
すように低周波動作するトランジスタ３はオン動作状態
であり、トランジスタ５は同図（ｃ）に示す高周波で動
作する状態にある。そしてこの間では同図（ｂ）（ｄ）
に示すようにトランジスタ4,6はオフ状態にある。トラ
ンジスタ５がオンすると、電源、電源端子１、トランジ
スタ３、チョークコイル11、高圧放電灯12及びコンデン
サ14の並列回路、トランジスタ５、電流検出用抵抗13、
電源端子２、電源の閉回路が形成され、チョークコイル
11に流れる電流I₁₁は一定の傾きをもって直線的に上昇
し、トランジスタ５がオフするとこの時の電流I₁₁とチ
ョークコイル11のインダクタンスの値で決まる蓄積され
たエネルギが電流を流れ続けさせようとする方向、つま
りトランジスタ５がオンしている時の電流の向きと同様
となり、この時はチョークコイル11、高圧放電灯12及び
コンデンサ14の並列回路、ダイオード８、トランジスタ
３、チョークコイル11の閉回路で蓄積エネルギが放出さ
れ、この動作がt₂の時点まで繰り返される。

次のt₂〜t₃の期間T_Dでは４つのトランジスタ３〜６が共
にオフ状態であって、この期間電源端子1,2に接続され
た電源からの電力供給は行なわれない。

更にt₃〜t₄間では上記のt₁〜t₂間と基本的に同じである
がこの間動作するトランジスタは４及び６のトランジス
タであって、トランジスタ3,5はオフ状態にある。つま
りトランジスタ６がオンすると、電源、電源端子１、ト
ランジスタ４、高圧放電灯12及びコンデンサ14の並列回
路、チョークコイル11、トランジスタ６、電流検出用抵
抗13、電源端子２、電源の閉回路で、またトランジスタ
６がオフするとチョークコイル11、ダイオード７、トラ
ンジスタ４、高圧放電灯12及びコンデンサ14の並列回
路、チョークコイル11の閉回路で電流I₁₁が流れるので
ある。尚ここで第４図に示した電流I₁₁と高圧放電灯12
に流れる電流I₁₂の向きはt₁〜t₂であり、t₃〜t₄間では
電流I₁₁、I₁₂の向きは逆となる。このようにして高圧放
電灯12には高周波リップルを含有した矩形波状の交流の
電流が流れることになる。

ダイオード9,10は通常の動作では電流は流れないが過渡
時のサージ電流を流すためのものである。

上記期間T_Dはトランジスタ3,6,4,5がすべてオフしてい
る期間（t₂〜t₃、t₄〜t₅）を示しており、これはトラン
ジスタ3,6または4,5が同時にオンして短絡状態を呈し、
点灯装置の破壊に至るのを防止するためのデッドタイム
である。この同時オンはトランジスタ素子のばらつきや
温度上昇によって、ストレージタイムが長くなった時
や、トランジスタ間のタイミングのづれによって生じ
る。

第６図は第５図のt₂〜t₃付近を拡大して図示したタイミ
ング図であり、トランジスタ5,6,の動作を（ａ）及び
（ｂ）に示し、電流I₁₁、I₁₂及び高圧放電灯12の両端電
圧V₁₂の波形を同図（ｃ），（ｄ）及び（ｅ）に示す。t
₂時点で同図（ａ）に示すようにトランジスタ５がオフ
すると、コンデンサ14の電荷が高圧放電灯12へ放出され
るので、電流I₁₂は電流I₁₁と比べて若干の遅れをもって
流れるが、ついには電流I₁₂は零となる。つまりランプ
電流たる電流I₁₂に休止が生じることになる。次にt₃で
は電流I₁₂の極性が変わり、同図（ｂ）に示すようにト
ランジスタ６が動作する。電流I₁₂はt₃時点の直前まで
は零であるので、高圧放電灯12の両端電圧V₁₂はt₃の時
点の直後に高くなる。これは放電灯特有の現象であり、
電流I₁₂が零になることによって、発光管のイオンの消
滅が起こり、t₃時点では点灯を維持するために放電灯12
の両端には高い電圧が必要となる。この電圧が所謂再点
弧電圧である。電流I₁₂の零の期間が長くなりすぎる
と、t₃時点で電圧を与えても点灯維持できず、立ち消え
となる場合もある。又立ち消えに至らずとも再点弧電圧
が高くなり供給する電圧付近にまで達するとちらつきが
生じることもある。蛍光灯の場合は上記現象が少し緩和
されるが、高圧放電灯の場合は少しの休止が生じても再
点弧電圧の上昇が顕著である。

期間T_Dは同時オンを防止するために設けているが上記の
ように電流I₁₂に休止が生じ再点弧電圧が上昇してちら
つきが生じたり、ひどいときには立ち消えすることがあ
った。また再点弧電圧の上昇は電極の消耗を早め、ラン
プ寿命を短くする恐れがあり、又電源の急変低下によっ
て立ち消えしやすいという問題がある。特に高圧放電灯
の中でも低ワットほど電流I₁₂の休止による再点弧電圧
の上昇度合が大きく、厄介なものである。

これに対しコンデンサ14の容量を大きくすると期間T_Dで
は、電流I₁₂が零にならないようにすることもできる
が、コンデンサ14の容量を数十倍にする必要がありこの
コンデンサ14は交流電圧が印加するため大型化する。

高圧放電灯の中で特にメタルハライドランプは始動直後
にスパイク電圧が発生しやすく始動時に電流I₁₂の休止
が生じると直ぐに立ち消えなどの不都合が生じないよう
に電源端子1,2間の電圧を何等かの方法で高くすること
もできるが、この部分のコストアップが大型化し、しか
も再点弧電圧による電極への消耗は依然として残る。

以上のような問題点を解決する方法として本発明者らは
第７図に示すような放電灯点灯装置を案出している。こ
の回路では所謂フルブリッジ構成となっており、スイッ
チング素子であるトランジスタ17,18,19,20及びダイオ
ード21,22,23,24は第４図回路のトランジスタ5,6,3,4及
びダイオード9,10,7,8と基本的動作は同じである。そし
て第４図回路では高周波によりスイッチングするトラン
ジスタ5,6が電源の−側に、低周波によりスイッチング
すトランジスタ3,4が電源の＋側にあるのに対して、第
７図回路では低周波兼高周波用のスイッチング素子であ
るトランジスタ17,18が電源の＋側に、低周波でスイッ
チングするトランジスタ20,19が電源の−側に設けてあ
る点で相違するとともに、高圧放電灯12とインダクタン
ス素子25の直列回路に対してコンデンサ14を並列接続し
てある点で相違している。尚制御回路15及び電流検出用
抵抗13は省略している。而して第７図回路ではトランジ
スタ17がオンすると、電源、電源端子１、トランジスタ
17、チョークコイル11、高圧放電灯12とインダクタンス
素子25の直列回路に対してコンデンサ14を並列接続して
ある回路、トランジスタ19、電源端子２、電源の閉回路
が形成され、トランジスタ17がオフすると、チョークコ
イル11、高圧放電灯12とインダクタンス素子25の直列回
路に対してコンデンサ14を並列接続してある回路、トラ
ンジスタ19、ダイオード24、チョークコイル11の閉回路
が構成される。またトランジスタ18がオンすると、電
源、電源端子１、トランジスタ18、高圧放電灯12とイン
ダクタンス素子25の直列回路に対してコンデンサ14を並
列接続してある回路、チョークコイル11、トランジスタ
20、電源端子２、電源の閉回路が形成され、トランジス
タ18がオフすると、チョークコイル11、トランジスタ2
0、ダイオード23、高圧放電灯12とインダクタンス素子2
5の直列回路に対してコンデンサ14を並列接続してある
回路、チョークコイル11の閉回路が構成される。

第５図のt₂に対応する時点ではコンデンサ14は第７図に
示す極性となっており、区間T_Dでは、コンデンサ14、高
圧放電灯12、インダクタンス素子25の閉回路が構成され
て、コンデンサ14の電荷の放出が振動電流となり、高圧
放電灯12に流れる電流I₁₂は連続性を保ちながらこの間
に極性を反転し、t₃時点ではトランジスタ18がオンして
電流I₁₂には休止を生じることなく反転を完了する。ま
た高圧放電灯12の両端電圧V₁₂も電流I₁₂とほぼ同様な波
形となり、再点弧電圧は極小となる。

ここでインダクタンス素子25のインダクタンス値L₁を1m
Hとし、コンデンサ14の容量C₁₄を0.1μＦとすると、高
圧放電灯12の抵抗を無視しても振動周波数ｆはとなり、約16KHzとなって、周期は約63μsecとなる。こ
こで実際にはこ高圧放電灯12の抵抗成分が入るので振動
周波数ｆは低くなって、周期が長くなる。而してこのよ
うな動作から高圧放電灯12と直列に少しのインダクタン
ス値を持つインダクタンス素子25を接続することによっ
て上述の問題点を解消することができる。

しかしながらこの第７図回路では第８図に示すように上
記の極性が反転した直後にトランジスタ18がオンした場
合急峻なサージ電流が流れることがある。

第８図の波形は次の部分の波形を示す。つまり同図
（ａ）はトランジスタ17の動作を、同図（ｂ）はトラン
ジスタ18の動作を示し、又同図（ｃ）は入力電流I₁で、
この入力電流I₁はトランジスタ17,18のコレクタ電流に
対応する。同図（ｄ）はチョークコイル11に流れる電流
I₁₁を示し、又同図（ｅ）はコンデンサ14に流れる電流I
₁₄を示す。同図（ｆ）はコンデンサ14の両端電圧V₁₄を
示し、同図（ｇ）は高圧放電灯12に流れる電流I₁₂を示
す。さてt₂〜t₃の区間T_Dではほぼコンデンサ14、高圧放
電灯12、インダクタンス素子25の閉回路の動作となり、
コンデンサ14の電荷がインダクタンス素子25を介して高
圧放電灯12へ放出され、この時振動電流がこれらの回路
定数に応じた周期で流れる。t₃の時点では電圧V₁₄は再
び第７図の極性となり、この条件でトランジスタ18がオ
ンすることになる。つまりt₃の時点では電圧V₁₄の電圧
の向きが第７図の極性になるのでトランジスタ18がオン
すると、直流電源電圧V_DCと電圧V₁₄が加極的になつて、
第８図（ｃ）に示した電流I₁の如くt₃時点付近では急峻
な電流となり、電源端子１、トランジスタ18、コンデン
サ14、トランジスタ20、電源端子２の回路で流れること
になる。t₄〜t₅間でも同様なサージ電流が流れることに
なる。

従ってこのようなサージ電流が生じることにより使用ト
ランジスタ素子のストレス（スイッチングロス、パルス
電流に対する耐量等）の増大や、雑音、騒音が大きくな
る等という問題が出てくることになり、結果トランジス
タ素子の耐量を上げ且つ雑音、騒音に対する対策等によ
るコストアップや、装置の大型化になるという欠点があ
った。

［発明の目的］本発明は上述の問題点に鑑みて為されたものでその目的
とするところは極性の反転時のサージ電流を解消してス
イッチング素子のストレスを低減するとともに、デッド
タイムの時間設定に自由度を持たせ、極性反転時の過渡
現象による急変な動作を緩和して安定な動作が得られる
放電灯点灯装置を提供するにある。

［発明の開示］本発明は第７図回路におけるコンデンサ14の電圧V₁₄の
電圧の向きと、t₃時点でのトランジスタ18がオンオフす
るタイミングについて着目し、トランジスタ18がオンす
るt₃時点で、コンデンサ14の充電電圧の極性が直流電源
電圧V_DCに対して減極性となるようにタイミングを設定
することを特徴とするものである。

以下本発明を実施例により説明する。

実施例１第１図は本実施例の動作波形を示す。本実施例は基本的
に回路構成は第７図回路と同じであるから、回路構成は
省略し、第７図に沿って説明する。まず従来の第８図の
t₃の時点で、直流電源電圧V_DC＋V₁₄となっているため、
実質的に電源電圧が高められた状態となり、トランジス
タ18がオンしたときの電流は急峻なものとなっている
が、本実施例ではコンデンサ14又はインダクタンス素子
25の値を変えて、高圧放電灯12、インダクタンス素子2
5、コンデンサ14の閉回路での振動周波数を下げてあ
る。而して第１図に示すt₃時点では同図（ｄ）に示すコ
ンデンサ14の電圧V₁₄の極性は同図（ｂ）に示すように
トランジスタ18がオンしたとき、直流電源電圧V_DCに対
して減極的になっているため、入力電流I₁にはサージ電
流は同図（ｃ）に示すように生じないのである。尚コン
デンサ14は期間T_D付近以外では振動電流は流れず、高周
波成分の電流を殆ど流し、高圧放電灯12には低周波電流
を流すものである。又、動作上コンデンサ14とチョーク
コイル11とのインピーダンスの関係はチョークコイル11
の方がコンデンサ14に比べてインピーダンスが数倍から
数十倍であるので、チョークコイル11に流れる電流は殆
どチョークコイル11と高圧放電灯12とで支配され、イン
ダクタンス素子25は低周波動作での限流要素としての機
能は殆どない。

実施例２第２図は実施例のコンデンサ14の電圧V₁₄の動作波形を
示す。而して本実施例では第２図に示すコンデンサ14の
両端電圧V₁₄の斜線で示した側（Ta、Tb、Tc区間）のい
ずれでトランジスタ18がオンしても入力電流I₁としてサ
ージ電流が発生しなかった。また高圧放電灯12に流れる
電流I₁₂についても休止が生じず、再点弧電圧は低いま
まであるという結果がえられた。尚第１周期目のTa区間
で、トランジスタ18をオンさせるほうが、減極的な効果
が大きいので、このようにするための、振動周波数を選
ぶ方が好ましい。又コンデンサ14、インダクタンス素子
25、高圧放電灯12の等価抵抗R₁₂の振動周波数の関係で
期間T_Dを同時オン防止の点から選定し、本発明の条件を
満足する定数を設定すればよい。このようにして本実施
例においても同時オン防止のための十分な期間T_Dを有し
ながら且つサージ電流を防止できるのである。

実施例３本実施例は第３図に示すように高周波でオンオフさせる
高周波用トランジスタ35とチョークコイル11′の直列回
路を電源端子１に接続したもので、第７図回路における
トランジスタ17,18の動作をトランジスタ35のみで行わ
せるようにしたものである。

トランジスタ26〜29は極性反転用でいずれも低周波で動
作される。つまりトランジスタ26と28、27と29はペアで
動作し、高圧放電灯12に流れる電流I₁₂の正の半サイク
ルはトランジスタ26,28がオン状態で、トランジスタ27,
29がオフとなり、負の半サイクルではトランジスタ27,2
9がオン状態でトランジスタ26,28がオフである。インダ
クタンス素子25、コンデンサ14、高圧放電灯12は第７図
に示すインダクタンス素子25、コンデンサ14、高圧放電
灯12と同様な動作、機能をもつものである。ダイオード
30はトランジスタ35がオフの時動作するもので、第７図
のダイオード23及び24に相当する。ダイオード31〜34は
通常動作しないが、過渡期のサージ電流を流すもので、
第９図回路のダイオード21,22に相当する。

而してトランジスタ35がオンのとき、トランジスタ26,2
8が電流I₁₂の正の半サイクルのオン状態で、電源、電源
端子１、トランジスタ35、チョークコイル11′、トラン
ジスタ26、高圧放電灯12とインダクタンス素子25との直
列回路にコンデンサ14を並列接続した回路、トランジス
タ28、電源端子２、電源の閉回路で電流が流れ、トラン
ジスタ35がオフすると、チョークコイル11′、トランジ
スタ26、高圧放電灯12とインダクタンス素子25との直列
回路にコンデンサ14を並列接続した回路、トランジスタ
28、ダイオード30、チョークコイル11′の閉回路で電流
が流れ、チョークコイル11′の蓄積エネルギが放出され
る。負の半サイクルではトランジスタ27、29に電流が流
れる以外は同じである。このような基本的回路動作に加
えて、本実施例では上記期間T_D中に振動電流が流れる、
コンデンサ14、高圧放電灯12、インダクタンス素子25の
閉回路において、極性反転時のコンデンサ14の電圧がV
₁₄が直流電源電圧V_DCに対して減極となるように回路定
数を設定し、極性反転時の過渡現象による急変な動作を
緩和するのである。尚上記実施例ではフルブリッジ型の
インバータを使用しているが、上記期間T_D中に高圧放電
灯12を含めたLCRの振動回路を実質的に形成するもので
あれば、他の回路、例えばハーフブリッジ型のインバー
タ回路であっても良い。つまりチョークコイル11′を高
周波で動作させ、高圧放電灯12には低周波電流I₁₂を流
すコンデンサ14を具備している回路であればよい。

［発明の効果］本発明は直流電源に対して少なくとも１対のスイッチン
グ素子の直列回路を接続し、これらのスイッチング素子
を交互に低周波の周期でスイッチングさせるとともに両
スイッチング素子のスイッチングが切り変わる前に共に
オフとなる期間を設定し、直流電源電圧を高周波用のス
イッチング素子でオンオフして限流用インダクタンス要
素を介して得られた高周波出力を上記１対のスイッチン
グ素子のスイッチング期間中に、インダクタンス素子と
高圧放電灯との直列回路にコンデンサを並列に接続して
振動回路を構成する並列回路に印加する放電灯点灯装置
において、上記１対のスイッチング素子のスイッチング
がオフする期間を経て切り変わ時の前記コンデンサの電
圧の方向を上記直流電源の電圧に対して減極となるよう
に上記振動回路の定数を設定したから、極性反転時にサ
ージ電流が流れず、使用スイッチング素子にストレスが
かかるのを防ぐことができ、結果スイッチング素子の耐
量を下げることができ、またサージ電流発生を抑えるこ
とができるから、雑音の発生、騒音の発生が低減でき、
更に振動回路を用いているから、高圧放電灯に流れる電
流に休止期間を生じず、結果総てのスイッチング素子を
極性反転前にオフする期間を定める回路の設計の自由度
が増して、回路設計が容易となりコストの低減化が図れ
るという効果があり、さらに低周波点灯であるため高圧
放電灯を点灯させても、音響的共鳴現象によるアークの
不安定をなくし、しかもチョークコイルを高周波で動作
させるため小型、軽量化が図れるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１の動作説明用の波形図、第２
図は本発明の実施例２の動作説明用の波形図、第３図は
本発明の実施例３の回路図、第４図は従来例の回路図、
第５図は同上の動作説明用波形図、第６図は同上の詳細
な波形図、第７図は本発明の基本となる従来例の回路
図、第８図は同上の動作説明用の波形図であり、11,1
1′はチョークコイル、12は高圧放電灯、14はコンデン
サ、24はインダクタンス素子、17乃至20はトランジス
タ、35,26乃至34はトランジスタ、V_DCは直流電源電圧、
T_Dは期間である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電源に対して少なくとも１対のスイッ
チング素子の直列回路を接続し、これらのスイッチング
素子を交互に低周波の周期でスイッチングさせるととも
に両スイッチング素子のスイッチングが切り変わる前に
共にオフとなる期間を設定し、直流電源電圧を高周波用
のスイッチング素子でオンオフして限流用インダクタン
ス要素を介して得られた高周波出力を上記１対のスイッ
チング素子のスイッチング期間中に、インダクタンス素
子と高圧放電灯との直列回路にコンデンサを並列に接続
して振動回路を構成する並列回路に印加する放電灯点灯
装置において、上記１対のスイッチング素子のスイッチ
ングがオフする期間を経て切り変わる時の前記コンデン
サの電圧の方向を上記直流電源の電圧に対して減極とな
るように上記振動回路の定数を設定したことを特徴とす
る放電灯点灯装置。
【請求項２】高周波用スイッチング素子を上記１対のス
イッチング素子の内の１つで兼用させたことを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の放電灯点灯装置。