JP4687264B2 - 放電灯点灯装置、照明器具及び照明システム - Google Patents

Description

本発明は高圧放電灯を調光する放電灯点灯装置及びこれを用いた照明器具、照明システムに関するものである。

図１２に従来の高圧放電灯点灯装置の構成を示す。１は降圧チョッパ回路、２はその制御回路、３は極性反転回路、４はイグナイタ、５は駆動回路である。直流電源Ｅの出力電圧を降圧チョッパ回路１にて降圧し、その直流出力電圧Ｖｃ１を極性反転回路３で交流に変換することにより、高圧放電灯Ｌａを交流矩形波点灯している。駆動回路５は極性反転回路３のスイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５を制御しており、始動時にはイグナイタ４のＬＣ共振回路を共振させるような高周波でスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３を交互にオン・オフさせて高圧放電灯Ｌａを始動させ、点灯時には、端子ａ−ｂ間に低周波の矩形波電圧が得られるように、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５のペアとスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４のペアを交互にオンさせる。制御回路２は降圧チョッパ回路１の出力電圧Ｖｃ１をフィードバックし、その値に応じてスイッチング素子Ｑ１のＯＮデューティを出力している。出力電力を低減するような調光信号ＬＳが入力されると、制御回路２はスイッチング素子Ｑ１のＯＮデューティを挟めるように制御するため、降圧チョッパ回路１の出力電圧Ｖｃ１が低下し、ランプ電流が低減されることで高圧放電灯Ｌａを調光することができる。

このように、高圧放電灯を調光する場合、一般に高圧放電灯に流れるランプ電流を制御し、高圧放電灯に供給されるランプ電力を低減することにより調光している。しかしながら、このようにして高圧放電灯を調光すると、ランプ電流が低下するため、電極の温度が低下し、熱電子を放出しにくい状態になるため、極性反転時に再点弧電圧が上昇し、立消えを起こす可能性がある。

このような問題を解決した従来例として、特開２００２−１６４１９１号がある。図１３に本従来例の動作を示す。回路構成は図１２と同様のため省略する。本従来例においては、少なくとも全点灯状態から調光点灯状態に移行させる出力電力の変化時には、極性反転回路の極性反転動作を一時的に停止させて、直流点灯することにより極性反転時の立消えを防止するものである。
特開２００２−１６４１９１号公報

しかしながら、本従来例においては、直流点灯から矩形波点灯に復帰する際に、片側の電極温度が十分に暖められていないため、復帰１回目の極性反転時に冷めた電極から電子が十分に放出されずに再点弧電圧が発生し、立ち消えを起こす可能性があるという課題があった。特に、高圧放電灯の寿命末期時等にランプ電圧が上昇した際に調光すると、立ち消えの可能性が増大するという課題があった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高圧放電灯を調光しても立ち消えの発生しにくい放電灯点灯装置を提供することにある。

請求項１の発明によれば、上記の課題を解決するために、図１に示すように、直流電源Ｅの出力を電力変換する電力変換部１と、電力変換部１の出力電力を制御し高圧放電灯Ｌａを調光信号ＬＳに応じて調光する制御回路部２と、電力変換部１の出力電力を低周波の矩形波電力に変換する極性反転部３とを具備し、高圧放電灯Ｌａを矩形波点灯する高圧放電灯点灯装置において、図３または図４に示すように、少なくとも全点灯から調光点灯に出力電力が変化する期間を含む第１の期間は直流点灯し、第１の期間が経過した後の第２の期間は直流点灯を維持しつつ少なくとも調光信号ＬＳに応じてあらかじめ設定されている出力電力よりも大きな電力を出力し、第２の期間が経過した後の第３の期間は極性反転動作を復帰し、第３の期間では、矩形波電力が極性によって不平衡となるように制御し、第３の期間で不平衡となる矩形波電力は、第１及び第２の期間と反対側の極性の出力電力を増加させるように制御し、第３の期間を経過した後は、矩形波電力を平衡に戻すことを特徴とするものである。

請求項２の発明によれば、図６、図７に示すように、少なくとも全点灯から調光点灯に移行する出力電力の変化時に、電力変換部の出力電圧を検出し、該出力電圧が所定値を越えた時に出力電力の移行を停止させ、該出力電圧が所定値を下回ると出力電力の移行を再開することを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、少なくとも全点灯から調光点灯に出力電力が変化する期間を含む第１の期間は直流点灯し、第１の期間が経過した後の第２の期間は直流点灯を維持しつつ少なくとも調光信号に応じてあらかじめ設定されている出力電力よりも大きな電力を出力し、第２の期間が経過した後、極性反転動作を復帰するものであるから、高圧放電灯を調光した際の立ち消えを防止し、安定して調光点灯できる。

請求項２の発明においては、電力変換部の出力電圧が所定値を越えた時に全点灯から調光点灯に移行する出力電力の移行を停止させるものであるから、高圧放電灯を調光した際の立ち消えを防止し、安定して調光点灯できる。

以下、本発明を実施するための形態について説明するが、後述する実施形態２，３が請求項１に、実施形態５，６が請求項２，３にそれぞれ対応しており、その他の実施形態は前提となる構成または付加的な構成として説明する。
（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。Ｅは直流電源であり、例えば、商用交流電源を整流・平滑する直流電源回路（昇圧チョッパ回路を含んでいてもよい）で構成されている。直流電源Ｅの出力電圧は降圧チョッパ回路１により電力変換される。降圧チョッパ回路１は、スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ、インダクタＬ、平滑コンデンサＣ１からなり、制御回路２によりスイッチング素子Ｑ１を高周波でスイッチング動作させることで入力直流電圧を降圧させた直流電圧Ｖｃ１を出力する。ここで、スイッチング素子Ｑ１のＯＮデューティを変化させることにより、降圧チョッパ回路１の出力電圧Ｖｃ１が変化し、高圧放電灯Ｌａを調光できる。

降圧チョッパ回路１の出力には極性反転回路３が接続されており、制御回路２によりスイッチング素子Ｑ２とＱ５がオンでスイッチング素子Ｑ３とＱ４がオフの状態と、スイッチング素子Ｑ２とＱ５がオフでスイッチング素子Ｑ３とＱ４がオンの状態とが低周波で交互に切り替わることにより、高圧放電灯Ｌａを低周波の交流電圧で矩形波点灯させるものである。

イグナイタ４の動作は一般的なため詳細な説明は省略するが、例えば、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３をＬＣ共振回路の共振周波数（又はその整数倍もしくは整数分の１倍）の高周波で交互にオン・オフさせることにより、高圧放電灯Ｌａの両端に高周波の高電圧を印加させて始動させるものである。

なお、本実施形態では制御回路２として、マイコン２ａ（Ｍ３７５４０）および制御用集積回路２ｂ（アナログマスタのμＰＣ５０２０ＧＴ）を使用している。検出抵抗Ｒｄで降圧チョッパ回路１に流れる三角波状の電流を電圧変換し、制御用集積回路２ｂへ入力する。一方、マイコン２ａは降圧チョッパ回路１の出力電圧Ｖｃ１および調光信号ＬＳを検出し、それぞれに応じたＤｕｔｙ信号を出力する。Ｄｕｔｙ信号は抵抗ＲｆおよびコンデンサＣｆからなるフィルタ回路で平滑され、降圧チョッパ回路１のスイッチング素子Ｑ１のＯＮデューティを決めるＩｐｒｅｆ信号として制御用集積回路２ｂへ入力される。このＩｐｒｅｆ信号と、検出抵抗Ｒｄで変換された信号が同レベルになると、制御用集積回路２ｂより降圧チョッパ回路１のスイッチング素子Ｑ１をＯＦＦするよう信号が出力される。したがって、Ｉｐｒｅｆ信号の電圧を連続的に増減することにより、降圧チョッパ回路１に流れる電流を制御でき、その結果、高圧放電灯Ｌａへの供給電力を制御できる。

ここで、調光信号ＬＳが入力されると、降圧チョッパ回路１のスイッチング素子Ｑ１のＯＮデューティが可変制御され、調光信号ＬＳにより指定される所定の出力電力に到達した後、放電が安定されるまでの期間、図２に示すように、極性反転回路３のスイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオンでＱ３、Ｑ４がオフの状態を保持するように動作し、調光過渡時には直流点灯する。

放電が安定すると、再度、極性反転回路３を動作させるが、その直前にいったん降圧チョッパ回路１の出力電圧Ｖｃ１を増加させることで出力電力を増加させ、電極からの電子の放出量を増やす。これにより直流点灯時に電子を受ける側の電極温度が暖められ、極性反転回路３が再度動作を開始し、矩形波点灯に切り替わった際に電子を放出しやすい状態となる。

このように、全点灯から調光点灯に移行する電力の変化時に極性反転回路３の動作を停止させ、過渡的に直流点灯し、矩形波点灯に切り替わる直前に出力電力を増加させることで、放電灯Ｌａを安定に調光することができる。

なお、本発明者らの検討によれば、矩形波点灯に切り替わる直前に出力電力を増加させる期間が、少なくとも矩形波の半周期の１０％以上であるか、増加させる出力電力が全点灯時の７０％以上であれば効果がある。

（実施形態２）
図３に本発明の実施形態２の動作を示す。本実施形態は実施形態１をさらに改善した例であり、実施形態１と異なる点は直流点灯から矩形波点灯に切り替えた際に、所定期間のみ矩形波の電流を極性によって不平衡にしている点である。この際、直流点灯時に電子を放出していた側の第１電極と、電子を受けていた側の第２電極があるが、所定期間のみ、第２電極から放出する電子を第１電極から放出する電子より大となるように制御する。所定期間を経過した後は、電流を平衡に戻す。

このように、極性反転動作を復帰した後の所定期間は、直流点灯していた期間の電流の極性と反対側の極性の電流を増加させるように制御することによって、直流点灯時に温度が低下していた電極が十分に温められ、安定に調光することができる。

（実施形態３）
図４に本発明の実施形態３の動作を示す。本実施形態は実施形態１をさらに改善した他の例であり、実施形態１と異なる点は直流点灯から矩形波点灯に切り替えた際に、所定期間のみ矩形波の期間を極性によって不平衡にしている点である。この際、直流点灯時に電子を放出していた側の第１電極と、電子を受けていた側の第２電極があるが、所定期間のみ、第２電極から電子を放出する期間を第１電極から電子を放出する期間より大になるように制御する。所定期間を経過した後は、矩形波の期間を平衡に戻す。

このように、極性反転動作を復帰した後の所定期間は、直流点灯していた期間の電流の極性と反対側の極性の期間を増加させるように制御することによっても、直流点灯時に温度が低下していた電極が十分に温められ、安定に調光することができる。

（実施形態４）
図５に本発明の実施形態４の動作を示す。本実施形態は実施形態１をさらに改善した別の例であり、実施形態１と異なる点は、調光過渡時の直流点灯の極性を、無作為に切り替える点である。具体的には、実施形態１においては、直流点灯時は必ずスイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオンでＱ３、Ｑ４がオフの状態を保持するように動作していたが、本実施形態においては、調光信号ＬＳが入力された際に、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオンであれば、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオンの状態を保持して直流点灯へ移行し、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオンであれば、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ５がオンの状態を保持して直流点灯へ移行するよう制御する。

このように制御することにより、直流点灯による電極の磨耗の度合いを均一化でき、放電灯の寿命の悪化を防ぐことができる。なお、本実施形態における制御は実施形態２、３においても有効である。

（実施形態５）
図６に本発明の実施形態５の制御のフローチャートを示す。回路図は図１と同様のため省略する。調光信号ＬＳが入力されると、Ｉｐｒｅｆ信号が低減されて降圧チョッパ回路１が調光動作を開始する。降圧チョッパ回路１の出力電圧Ｖｃ１を抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧した電圧Ｖｃ１’をマイコン２ａへ入力する。マイコン２ａの内部で検出電圧Ｖｃ１’と所定値Ｖｔｈとを比較し、Ｖｃ１’＞Ｖｔｈでなければ現在の調光レベルと調光信号による目標レベルとを比較する。現在の調光レベルが目標のレベルに達していれば次の処理へと移行し、達していなければ更に調光動作を継続する。Ｖｃ１’＞Ｖｔｈであれば、調光動作を停止し、現在の調光レベルを維持するように制御する。

このように制御することにより、調光点灯に移行する出力電力の変化時に再点弧電圧が発生した場合に出力電力の変化を停止させるので、立消えの可能性を低減できる。なお、本実施形態における制御は実施形態１〜３の調光移行時においても有効である。

（実施形態６）
図７に本発明の実施形態６の制御のフローチャートを示す。回路図は図１と同様のため省略する。調光信号ＬＳが入力されると、Ｉｐｒｅｆ信号が低減されて降圧チョッパ回路１が調光動作を開始する。降圧チョッパ回路１の出力電圧Ｖｃ１を抵抗Ｒ１、Ｒ２で分圧した電圧Ｖｃ１’をマイコン２ａへ入力する。マイコン２ａの内部で検出電圧Ｖｃ１’と所定値Ｖｔｈとを比較し、Ｖｃ１’＞Ｖｔｈであればマイコン２ａの内部のカウンタの値ＣＯＵＮＴを１つ増やし、カウンタの値ＣＯＵＮＴが所定回数ｎを越えたかどうか判定する。カウンタの値ＣＯＵＮＴが所定回数ｎを越えたのであれば、調光移行動作を停止し、全点灯へと移行する。カウンタが所定回数ｎを越えたのでなければ、調光移行動作を停止し、現在の調光レベルを維持するよう制御する。また、Ｖｃ１’＞Ｖｔｈでなければ現在の調光レベルと調光信号による目標レベルとを比較する。現在の調光レベルが目標のレベルに達していれば次の処理へと移行し、達していなければ更に調光動作を継続するよう制御する。

このように制御することにより、調光点灯に移行する出力電力の変化時に再点弧電圧が発生した場合に調光移行動作を停止するので、立消えの可能性を低減できる。さらに再点弧電圧の発生回数が所定回数を越えた場合は全点灯へと移行するので、放電灯の寿命末期時に立消えを防ぐことができる。本実施形態における制御は実施形態１〜３の調光移行時においても有効である。

なお、カウンタの値ＣＯＵＮＴが所定回数ｎを越えた場合には、放電灯の寿命末期であることをユーザーに告知するための表示手段を設けても良い。

（実施形態７）
図８に本発明の実施形態７の動作を示す。回路図は図１と同様のため省略する。本実施形態は、放電灯を調光する際に、極性反転の直前の部分は全点灯時のレベルを維持しながら、各矩形波の前半部分のみ電力を低減することにより調光するようにした例である。このように制御することによっても、調光時の立消えを防ぐことができる。本実施形態における制御は実施形態１〜６の調光時においても有効である。

（実施形態８）
図９に本発明の実施形態８の動作を示す。回路図は図１と同様のため省略する。本実施形態は、実施形態７をさらに改善した例であり、調光の度合に応じて各矩形波内の電流を低減する期間を変化させている例である。調光の度合が深いほど、電流低減の期間を長くし、全点灯のレベルを維持している期間を短くしている。このように制御することによっても、調光時の立消えを防ぐことができる。本実施形態における制御は実施形態１〜６の調光時においても有効である。

（実施形態９）
図１０に本発明の実施形態９の実施形態を示す。回路図は図１と同様のため省略する。本実施形態は、実施形態７をさらに改善した別の例であり、調光の度合に応じて極性反転直前の電流値を変化させている。調光の度合が深いほど、極性反転直前の電流値を大きくするように制御する。このように制御することによっても、調光時の立ち消えを防ぐことができる。本実施形態における制御は実施形態１〜６の調光時においても有効である。

（実施形態１０）
図１１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。これらの照明器具を、照度センサや人感センサもしくは手動の調光操作部の出力に応じて調光信号ＬＳを出力する調光器と組み合わせて照明システムを構築しても良い。

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の動作を示す波形図である。 本発明の実施形態２の動作を示す波形図である。 本発明の実施形態３の動作を示す波形図である。 本発明の実施形態４の動作を示す波形図である。 本発明の実施形態５の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態６の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態７の動作を示す波形図である。 本発明の実施形態８の動作を示す波形図である。 本発明の実施形態９の動作を示す波形図である。 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。 従来例の構成を示す回路図である。 従来例の動作を示す波形図である。

符号の説明

１ 降圧チョッパ回路
２ 制御回路
３ 極性反転回路
４ イグナイタ
Ｌａ 高圧放電灯

Claims (5)

1. 直流電源の出力を電力変換する電力変換部と、電力変換部の出力電力を制御し高圧放電灯を調光信号に応じて調光する制御回路部と、電力変換部の出力電力を低周波の矩形波電力に変換する極性反転部とを具備し、高圧放電灯を矩形波点灯する高圧放電灯点灯装置において、少なくとも全点灯から調光点灯に出力電力が変化する期間を含む第１の期間は直流点灯し、第１の期間が経過した後の第２の期間は直流点灯を維持しつつ少なくとも調光信号に応じてあらかじめ設定されている出力電力よりも大きな電力を出力し、第２の期間が経過した後の第３の期間は極性反転動作を復帰し、第３の期間では、矩形波電力が極性によって不平衡となるように制御し、第３の期間で不平衡となる矩形波電力は、第１及び第２の期間と反対側の極性の出力電力を増加させるように制御し、第３の期間を経過した後は、矩形波電力を平衡に戻すことを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 直流電源の出力を電力変換する電力変換部と、電力変換部の出力電力を制御し高圧放電灯を調光信号に応じて調光する制御回路部と、電力変換部の出力電力を低周波の矩形波電力に変換する極性反転部とを具備し、高圧放電灯を矩形波点灯する高圧放電灯点灯装置において、少なくとも全点灯から調光点灯に移行する出力電力の変化時に、電力変換部の出力電圧を検出し、該出力電圧が所定値を越えた時に出力電力の移行を停止させ、該出力電圧が所定値を下回ると出力電力の移行を再開することを特徴とする放電灯点灯装置。
3. 請求項２記載の放電灯点灯装置において、電力変換部の出力電圧が所定値を越えた回数をカウントし、その回数が所定数を越えた場合に、調光点灯への移行を禁止あるいは表示することを特徴とする放電灯点灯装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の放電灯点灯装置を備え、この放電灯点灯装置により高圧放電灯を調光点灯させる照明器具。
5. 請求項４記載の照明器具と、該照明器具に調光信号を与える調光器とから構成される照明システム。

Images