JP4480073B2 - 放電灯点灯装置 - Google Patents

Description

本発明は、放電灯点灯装置において、放電灯を冷えた状態から点灯させたときに負荷異常等が発生した場合に、放電灯への過大な電力投入が必要以上に継続しないようにするための技術に関する。

自動車用照明等に放電灯を用いる場合、該放電灯の点灯開始後に光束を速やかに立ち上げる必要があり、点灯直後には定常点灯時の投入電力よりも大きな電力を供給し、時間経過につれて投入電力を低減させるように過渡電力制御が行われる。例えば、定格電力３５Ｗのメタルハライドランプを、その発光管が冷えた状態から点灯を開始する場合（所謂「コールドスタート」）において、過渡的に６０乃至８０Ｗ程度の電力を投入するとともに、ランプの状態（主にランプ電圧）及び電源投入時点からの経過時間に応じて演算される制御値に基づいて投入電力を次第に低減させて、最終的に定格値へと収束させる電力制御が行われる。

点灯回路の電力損失については、出力される電力の増加に伴って増大し、コールドスタート時のようにランプへの投入電力が大きい場合に損失が大きく発熱量が大きくなる。

正常なランプ点灯では、過渡期での投入電力を一時的に大きくしても、その時間がせいぜい数秒程度であり、点灯回路の耐熱設計上、充分に耐え得る仕様を有するが、何らかの原因で負荷異常等が発生した場合の対策を講じる必要がある。

例えば、バルブのリークや水没、あるいは製造不良や経年劣化に起因する不具合（水銀量の過小、発光管の内圧低下等）、ランプ異常等が発生した場合、あるいはランプのコネクタ部においてランプと並列に低抵抗が接続されたのと等価な回路状態となる事故等が起きた場合に、点灯回路に設けられた検出回路によって検出されるランプ電圧がいつまでたっても上昇しない状態が継続し、その結果、ランプに過大な電力を投入し続ける可能性が生じる。

そこで、放電灯に供給される電力を監視し、放電灯の点灯後に推移すべき電力を越える電力供給が放電灯に対して行われた場合に、放電灯への電力供給を遮断するようにした構成形態が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、ランプ電圧の検出情報から判断される定常点灯状態においてランプ電圧が正常範囲に収まっているか否かを判定する機能を有する構成の場合に、ランプ電圧が予め規定された基準値以下である場合には、これを点灯異常と判断して放電灯への供給電力を遮断することで回路を保護することができる。

実開平７−８９９７号公報

しかしながら、従来の構成では、負荷異常等の発生時の発熱から回路を保護するための対策が充分でないことや、そのためのコスト上昇等が問題となる。

例えば、フライバック型構成の直流−直流変換回路を備えた点灯装置において、高周波スイッチング方式を採用して小型化を実現する場合に、装置全体の熱容量が小さくなるため、異常発生時に過大な投入電力が持続すると、熱暴走や熱破壊等に直結する虞が生じる。

そこで、本発明は、放電灯点灯装置において、負荷異常等の発生時に過大な過渡電力投入が継続的に行われないように、時間経過とともに投入電力値の最大値（許容上限値）を低減させて回路保護対策を講じることを課題とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、直流入力電圧を受けて所望の直流電圧に変換するための直流−直流変換回路と、放電灯への投入電力を制御するための制御回路を備え、上記放電灯を冷えた状態から点灯を開始して定常点灯状態に達するまでの過渡期に定格電力を越える電力が投入された後、時間経過に従って該放電灯への投入電力を低減させるように構成された車両用灯具に用いられる放電灯点灯装置において、上記制御回路には、上記過渡期において、個体差のある上記放電灯に対して投入される投入電力が予め規定された上限電力線より大きい電力を投入しようとする際に上記上限電力線を超えないように規制する最大電力規制回路が設けられ、上記最大電力規制回路は、抵抗とコンデンサによる時定数回路を有し、上記上限電力線として、第１の期間において一定電力となる第１の上限電力線が定められ、上記第１の期間経過後の第２の期間において、上記時定数回路のコンデンサの両端電圧の信号を受けて時間の経過につれて指数関数に従って低下する第２の上限電力線が定められ、上記規制が行われる場合には上記第１及び上記第２の上限電力線に基づいて出力信号を出力し、上記制御回路は、誤差演算部と、該誤差演算部からの信号に応じて制御信号を生成して上記直流−直流変換回路に送出する制御信号生成部とを有し、上記誤差演算部の一方の入力信号として所定の基準信号が供給され、他方の入力信号として、放電灯に係る電圧又は電流の検出情報に基づいて算出される電力制御信号に対して上記出力信号を重畳した信号が供給されるようにしたものである。

従って、本発明では、過渡電力制御において、負荷異常時に過大な電力投入が必要以上の時間に亘って継続しないように回避することができ、発熱量を抑制し、熱破壊等を防止することができる。

本発明によれば、放電灯への過渡的な投入電力が継続的に行われることに起因する熱的な弊害を防止して、回路保護対策を充分に講じることができる。

そして、直流入力電圧を受けて所望の直流電圧に変換するための直流−直流変換回路と、放電灯への投入電力を制御するための制御回路を備えた構成形態において、該制御回路が、誤差演算部と、該誤差演算部からの信号に応じて制御信号を生成して直流−直流変換回路に送出する制御信号生成部とを有する場合に、誤差演算部の一方の入力信号として所定の基準信号が供給され、他方の入力信号として、放電灯に係る電圧又は電流の検出情報に基づいて算出される電力制御信号に対して上記最大電力規制回路の出力信号を重畳した信号が供給されるように構成すれば、制御構成の複雑化や、著しいコスト上昇等を伴わずに投入電力の許容上限値を時間経過に従って低減させることが可能となる。

例えば、上限電力線により規制される電力値が、時間の経過につれて指数関数又は一次関数に従って低下するように構成すれば、回路構成の簡単化等に有効である。

図１は、本発明に係る放電灯点灯装置１の基本構成例を示すものである。

直流電源２からの直流電圧は、点灯スイッチ３の投入により、図示しないノイズフィルタ回路を介して直流−直流変換回路４に供給される。

直流−直流変換回路４は、直流電源２からの直流入力電圧を受けて所望の直流電圧に変換するものであり、例えば、フライバック型ＤＣ−ＤＣコンバータが用いられる。つまり、トランスＴ及び該トランスの一次側にスイッチング素子ＳＷを有する回路構成において、後述する制御回路からの制御信号によってスイッチング素子ＳＷが駆動される。

直流−交流変換回路５は、直流−直流変換回路４の出力電圧を交流電圧に変換した上で放電灯６に供給するために設けられている。例えば、Ｈブリッジ（あるいはフルブリッジ型）の回路構成では、４つの半導体スイッチング素子ｓｗ１〜４を用いて２つのアームを構成し、各アームのスイッチング素子を各別に駆動するための駆動回路（ドライバ）を備えており、２組のスイッチング素子対を相反的にオン／オフ制御することによって、交流電圧を出力する。

高電圧パルス信号（起動用パルス）を発生させて放電灯６を起動させるための起動回路７が設けられ、該信号が直流−交流変換回路５の出力する交流電圧に重畳されて放電灯６に印加される。尚、本例では、トリガートランスとサイリスタ、コンデンサ等を用いて構成されている。

制御回路８は、放電灯６の供給電力を制御するための電力制御部を有する。例えば、放電灯６を冷えた状態から点灯を開始して定常点灯状態に達するまでの過渡期において、定格電力を越える最大初期電力を投入した後で時間経過につれて放電灯６への投入電力を低減させて定常点灯状態へと移行させるように電力制御を行う。

ランプ電圧やランプ電流又はそれらに相当する電圧や電流についての検出信号を取得するための回路として、本例では直流−直流変換回路４の後段に検出部９が設けられており、ランプ状態の検出信号（電圧検出信号「ＶＬ」や電流検出信号「ＩＬ」を参照）が制御回路８に送出されると、該制御回路８では、直流−直流変換回路４に対して制御信号（これを「Ｓｏ」と記す。）を送出することによりその出力電圧を制御する（生成後のＳｏは直流−直流変換回路４のスイッチング素子ＳＷに送られて駆動制御が行われる。）。尚、スイッチング制御方式として、例えば、ＰＷＭ（パルス幅変調）方式、ＰＦＭ（パルス周波数変調）方式が知られている。

制御回路８において、放電灯６が安定な定常点灯状態に達するまでの過渡期における放電灯６への投入電力が、最大初期電力の投入後に時間経過に従って低減される上限電力線を越えないように規制するために最大電力規制回路８ａが設けられている。これによって、負荷異常等が発生した場合に、放電灯６に対して過大な電力投入が必要以上に継続しないように、時間経過に応じた最大電力値（許容上限値）が規制される。

図２は、横軸に時間「ｔ」をとり、縦軸に投入電力「Ｐｗ」をとって、コールドスタート時において電源投入時からのＰｗの時間的変化を例示したものである。図中の「Ｐｏ」は、最大初期電力を示しており、「０≦ｔ≦Ｔｏ」の期間内において一定電力が放電灯に供給される（尚、Ｔｏについては固定値とされるが、放電灯が点灯する前の消灯時間が長い程、Ｔｏ値を長くすることも可能である。）。また、「Ｐｃ」は定格電力を示す。

グラフ曲線Ｇａ、Ｇｂ、Ｇｃ、Ｇｄは、放電灯の個体差に起因する投入電力の時間的変化の相違を例示しており、個々の放電灯に関するランプ状態等の違いから投入電力変化にはバラツキが認められる。

しかし、各放電灯の投入電力変化に関して、経過時間に応じて低下する最大許容値（あるいは上限値）を定義することが可能であり、グラフ線Ｍ１やＭ２は、放電灯の正常な点灯において、決して越えることのない電力変化としての上限電力線（あるいは許容される最大電力線）を例示している。

つまり、破線で示すグラフ線Ｍ１は、Ｔｏ以後の時間経過につれて指数関数的に低下していく上限電力線を示し、また、一点鎖線で示すグラフＭ２は、Ｔｏ以後の時間経過につれて一次関数的に低下してから一定値となる上限電力線を示している。

このような上限電力線は、放電灯の投入電力変化を統計的に調べることで事前に規定することができ、最大電力規制回路８ａにより過渡投入電力が上限電力線を越えないように抑制される。

コールドスタート時の過渡電力制御において、投入電力の許容上限値を、経過時間に応じて低下させるとともに、如何なる放電灯が点灯回路に接続されたとしても過渡投入電力が上限電力線の示す許容上限値を超えないように規制することで、発熱対策に関して万全を期すことができる。

図３は、直流−直流変換回路４と制御回路８を含めた要部の回路構成例について説明するための図である。

図中に示す「Ｖin」は、直流−直流変換回路４への直流入力電圧を示し、「Ｖout」は直流−直流変換回路４の直流出力電圧を示している。

トランス１０の一次側にはコンデンサ１１が設けられており、一次巻線１０ｐの始端が該コンデンサ１１の一端に接続されるとともに、一次巻線１０ｐの終端がスイッチング素子１２（本例では、ＮチャンネルＦＥＴ）に接続されている。

トランス１０の二次側には、整流用のダイオード１３と平滑用のコンデンサ１４が設けられている。二次巻線１０ｓの始端が、一次巻線１０ｐとスイッチング素子１２との接続点に接続されるとともに、二次巻線１０ｓの終端がダイオード１３のアノードに接続されている。そして、ダイオード１３のカソードにコンデンサ１４の一端が接続されてその端子電圧がＶoutとして後段回路（直流−交流変換回路）に対して出力される。

本例において、制御回路８は、電力演算部１５、誤差演算部１７、制御信号生成部１８を備えている。

電力演算部１５は、第１演算部１５ａ、第２演算部１５ｂとオフセット付与回路１５ｃを有する。

第１演算部１５ａは、例えば、直流−直流変換回路４の出力から取得される電圧検出信号ＶＬに応じた出力電流（これを「ｉ１」と記す。）を生成するものであり、ＶＬを入力とする所定の関数発生回路を備えている（関数形については任意で良い。）。第１演算部１５ａの出力は、抵抗Ｒ１を介して誤差演算部１７に送られる。

第２演算部１５ｂは、例えば、直流−直流変換回路４の後段に配置されるランプ電流検出用抵抗により取得される電流検出信号ＩＬに応じた出力電流（これを「ｉ２」と記す。）を生成するものであり、ＩＬを入力とする所定の関数発生回路を備えている（関数形については任意で良い。）。第２演算部１５ｂの出力は、抵抗Ｒ２を介して誤差演算部１７に送られる。

オフセット付与回路１５ｃについては、図に定電圧源の記号で示すように、所定の基準電圧「Ｅref」が抵抗Ｒ３を介して誤差演算部１７に送られる（出力電流「ｉ３」参照。）。

そして、最大電力規制回路８ａは、通常の、あるいは正規の電力制御において電力演算部１５の出力との関係では影響しないが、電力演算部１５の出力によって過大な過渡投入電力が継続的に行われようとした場合に、電力損失の増加や発熱に起因して生じる弊害を防止するために、その出力が、抵抗Ｒ４を介して誤差演算部１７に送られる（出力電流「ｉ４」参照。）。

このように、誤差演算部１７における一方の入力信号として、放電灯に係る電圧又は電流の検出情報に基づいて算出される電力制御信号（ｉ１乃至ｉ３）に対して、最大電力規制回路８ａの出力信号（ｉ４）を重畳した信号が供給される。つまり、第１演算部１５ａ、第２演算部１５ｂ、オフセット付与回路１５ｃ、最大電力規制回路８ａが並列的に配置され、抵抗Ｒ１乃至Ｒ４の各抵抗値によって決まる加重係数に応じて重み付き加算が行われて各部の制御信号（各出力電流の総和）が誤差演算部１７に送出される。本例では、誤差演算部１７を構成するエラーアンプの負入力端子に該制御信号が入力され、エラーアンプの正入力端子には定電圧源の記号で示す所定の基準電圧「Ｖref」が供給される（制御信号のレベルが高くなる程、放電灯への供給電力が低下するように制御が行われる。）。

誤差演算部１７の出力信号は、後段の制御信号生成部１８に送られて上記制御信号Ｓｏが生成される。例えば、ＰＷＭ方式の場合、制御信号生成部１８にはＰＷＭコンパレータ等が含まれ、誤差演算部１７からのエラー信号が該コンパレータに供給される。そして、該コンパレータには所定周波数のランプ波が供給され、両者のレベル比較結果に応じて変化するデューティー比の出力信号が生成されて、前記スイッチング素子１２に供給される。また、ＰＦＭ方式では、誤差演算部１７からのエラー信号に応じて周波数の変化する出力信号が生成されて、前記スイッチング素子１２に供給される。

図４は、最大電力規制回路８ａの構成例を示したものである。

演算増幅器１９は、その非反転入力端子に所定の基準電圧「Ｖref」が供給され、演算増幅器１９の出力端子がダイオード２０のアノードに接続されている。

ダイオード２０のカソードは、演算増幅器１９の反転入力端子に接続されるとともに、抵抗２１を介してコンデンサ２２に接続されている。

エミッタ接地とされたＮＰＮトランジスタ２３のベースには、抵抗２４を介して図示しない回路（タイマー回路等）からの信号（以下、これを「ＳＴｏ」と記す。）が供給され、該トランジスタ２３のコレクタが演算増幅器１９の出力端子に接続されている。電源投入時から所定の時間（上記「Ｔｏ」）が経過するまでの間、信号ＳＴｏがＨ（ハイ）レベルとされ、よってトランジスタ２３がオン状態となって演算増幅器１９の出力信号が強制的にＬ（ロー）レベルとされる。そして、所定時間Ｔｏの経過後に信号ＳＴｏがＬレベルに変化して、トランジスタ２３がオフ状態になると、抵抗２１を介してコンデンサ２２の充電動作が開始される。

後段に位置する演算増幅器２５は、その非反転入力端子が、コンデンサ２２の一端に接続されている。そして、演算増幅器２５の出力端子がダイオード２６のアノードに接続され、該ダイオード２６のカソードが演算増幅器２５の反転入力端子及び上記抵抗Ｒ４に接続されている。

本構成において、信号ＳＴｏがＨレベルの間にはトランジスタ２３がオン状態であり、コンデンサ２２への充電が禁止されているが、所定時間Ｔｏの経過後に信号ＳＴｏがＬレベルに変わると、トランジスタ２３がオフ状態となって、コンデンサ２２が充電される。つまり、コンデンサ２２の電圧が時間経過に従って指数関数的に上昇していく（上限電力線は該変化と逆相関係とされるので、時間経過に従って指数関数的に低下していく。）。

抵抗２１及びコンデンサ２２を含む時定数回路（ＣＲ積分回路）を用いることで回路規模の小さい構成が可能である。

図５は、最大電力規制回路の構成例８Ａを示したものである。

本例では、カレントミラー回路を構成するＰＮＰトランジスタ２７、２８、２９と、２つのトランジスタ３０、３１を用いた回路が、演算増幅器２５の前段に設けられている。

ＰＮＰトランジスタ２７は、そのエミッタが所定電圧（Ｖｃｃ）の電源ライン３２に接続され、コレクタが抵抗３３を介して接地されている。

コレクタ接地のＰＮＰトランジスタ２８は、そのベースがトランジスタ２７のコレクタに接続され、そのエミッタがトランジスタ２７、２９のベースに接続されている。

ＰＮＰトランジスタ２９は、そのベースがトランジスタ２７のベースに接続され、そのエミッタが電源ライン３２に接続されている。そして、トランジスタ２９のコレクタがコンデンサ３４を介して接地されている。

エミッタ接地とされるＮＰＮトランジスタ３０のべースには、信号ＳＴｏが抵抗３５を介して供給され、該トランジスタ３０のコレクタが抵抗３６を介してトランジスタ３１のベースに接続されている。

ＰＮＰトランジスタ３１は、そのエミッタが電源ライン３２に接続され、そのコレクタトランジスタ２７、２９のベースに接続されている。

演算増幅器２５は、その非反転入力端子が、コンデンサ３４とトランジスタ２９のコレクタに接続されている。そして、演算増幅器２５の出力端子がダイオード２６のアノードに接続され、該ダイオード２６のカソードが演算増幅器２５の反転入力端子及び上記抵抗Ｒ４に接続されている。

本構成において、信号ＳＴｏがＨレベルの間にはトランジスタ３０、３１がオン状態であり、コンデンサ３４への充電が禁止されているが、所定時間Ｔｏの経過後に信号ＳＴｏがＬレベルに変わると、トランジスタ３０、３１がオフ状態となって、トランジスタ２９のコレクタ電流によりコンデンサ３４が充電される。つまり、定電流での充電動作が行われて、コンデンサ３４の電圧が時間経過に従って一次関数的（直線的）に上昇していく（上限電力線は該変化と逆相関係とされるので、時間経過に従って、一次関数的に低下していく。）。

上記に説明した構成によれば、過渡電力制御において、放電灯の個体差による投入電力の時間変化に関するバラツキを考慮し、最大限の電力値として想定される時間変化よりも稍高いところに上限電力線を設定して、如何なる負荷状態に対しても該上限電力線を越える電力供給が行われないように回避できる。これにより、点灯装置の熱対策を充分に講じることができ、装置の小型化等への対応が可能となる。

本発明に係る基本構成例を示す図である。 過渡投入電力の時間的変化について説明するためのグラフ図である。 本発明に係る要部の回路構成例を示す図である。 本発明に係る最大電力規制回路の構成について一例を示す図である。 本発明に係る最大電力規制回路の構成について別例を示す図である。

符号の説明

１…点灯装置、４…直流−直流変換回路、６…放電灯、８…制御回路、８ａ、８Ａ…最大電力規制回路、１７…誤差演算部、１８…制御信号生成部

Claims (2)

1. 直流入力電圧を受けて所望の直流電圧に変換するための直流−直流変換回路と、放電灯への投入電力を制御するための制御回路を備え、
   上記放電灯を冷えた状態から点灯を開始して定常点灯状態に達するまでの過渡期に定格電力を越える電力が投入された後、時間経過に従って該放電灯への投入電力を低減させるように構成された車両用灯具に用いられる放電灯点灯装置において、
   上記制御回路には、上記過渡期において、個体差のある上記放電灯に対して投入される投入電力が予め規定された上限電力線より大きい電力を投入しようとする際に上記上限電力線を超えないように規制する最大電力規制回路が設けられ、
   上記最大電力規制回路は、抵抗とコンデンサによる時定数回路を有し、
   上記上限電力線として、第１の期間において一定電力となる第１の上限電力線が定められ、
   上記第１の期間経過後の第２の期間において、上記時定数回路のコンデンサの両端電圧の信号を受けて時間の経過につれて指数関数に従って低下する第２の上限電力線が定められ、
   上記規制が行われる場合には上記第１及び上記第２の上限電力線に基づいて出力信号を出力し、
   上記制御回路は、誤差演算部と、該誤差演算部からの信号に応じて制御信号を生成して上記直流−直流変換回路に送出する制御信号生成部とを有し、
   上記誤差演算部の一方の入力信号として所定の基準信号が供給され、他方の入力信号として、放電灯に係る電圧又は電流の検出情報に基づいて算出される電力制御信号に対して上記出力信号を重畳した信号が供給される
   ことを特徴とする車両用灯具に用いられる放電灯点灯装置。
2. 直流入力電圧を受けて所望の直流電圧に変換するための直流−直流変換回路と、放電灯への投入電力を制御するための制御回路を備え、
   上記放電灯を冷えた状態から点灯を開始して定常点灯状態に達するまでの過渡期に定格電力を越える電力が投入された後、時間経過に従って該放電灯への投入電力を低減させるように構成された、車両用灯具に用いられる放電灯点灯装置において、
   上記制御回路には、上記過渡期において、個体差のある上記放電灯に対して投入される投入電力が予め規定された上限電力線より大きい電力を投入しようとする際に上記上限電力線を超えないように規制する最大電力規制回路が設けられ、
   上記最大電力規制回路は、定電流源とコンデンサが直列接続された充電回路を有し、
   上記上限電力線として、第１の期間において一定電力となる第１の上限電力線が定められ、
   上記第１の期間経過後の第２の期間において、上記充電回路のコンデンサの両端電圧の信号を受けて時間の経過につれて１次関数に従って低下する第２の上限電力線が定められ、
   上記規制が行われる場合には上記第１及び上記第２の上限電力線に基づいて出力信号を出力し、
   上記制御回路は、誤差演算部と、該誤差演算部からの信号に応じて制御信号を生成して上記直流−直流変換回路に送出する制御信号生成部とを有し、
   上記誤差演算部の一方の入力信号として所定の基準信号が供給され、他方の入力信号として、放電灯に係る電圧又は電流の検出情報に基づいて算出される電力制御信号に対して上記出力信号を重畳した信号が供給される
   ことを特徴とする車両用灯具に用いられる放電灯点灯装置。

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