JP5122838B2 - 放電灯点灯装置及び照明器具 - Google Patents

Description

本発明は複数の放電灯を高周波で点灯させ、且つ低光束まで連続的に調光できる放電灯点灯装置及びこれを用いた照明器具に関するものである。

従来、複数の放電灯を広範囲にわたり連続的に調光が可能なインバータ式の点灯装置を用いて、複数灯の同じ種類の放電灯を点灯させた場合、各々の放電灯の光出力は本来なら同じになるはずであるが、通常、回路素子のばらつきや放電灯の特性ばらつき等によって光出力に差が生じることが知られている。この光出力の差は、光出力が大きい場合、例えば、放電灯が定格点灯に近いところで点灯されている時には放電灯間の光出力差は目立ちにくい。これは、放電灯の定格出力時に、ランプ輝度が高く、微小な光出力差を眼で認識できないため、小さな差であれば、さほど問題とならないためである。しかし、放電灯の定格点灯時に比べて、深く調光した場合（例えば光出力比５％以下）、ランプ輝度は低下し微小な光出力差に対しても、その差を眼で認識することができ、放電灯間の光出力の差が目立つようになる。

この問題を解決するために、例えば、図１０に示すような点灯装置が特許第３２９１８５２号（特許文献１）で提案されている。この装置は、２灯の放電灯１１，１２をバランサＴを介して高周波電源１０の出力に並列接続している。このようなバランサＴを用いた並列点灯方式の場合、バランサＴは２灯のランプ電流を等しくなるようにする機能の他に、始動時において双方の放電灯１１，１２に充分な始動電圧を供給する機能がある。すなわち、通常、放電灯の始動時には、２灯の放電灯１１，１２の始動電圧のばらつきなどによって、どちらか一方の放電灯が先に放電を開始する。この時、点灯した放電灯の等価インピーダンスが小さくなることによって、バランサＴが無い場合には、もう一方の放電灯が始動するのに充分な電圧を得ることができずに、一方の放電灯のみしか点灯させることができなくなる。ここで、バランサＴを挿入することによって、一方の放電灯が先に放電を開始した時に、バランサＴには点灯した方の放電灯に接続された巻線に電流が流れることによって、もう一方の巻線に電圧が誘起され、もう一方の放電灯にも充分な始動電圧を供給することができるのである。

しかし、バランサＴの特性（主に２つの巻線のインダクタンス値の差）によって、光出力差が生じる。２灯の同じ種類の放電灯を点灯させる場合、２つの放電灯のランプ電流を等しくしなければならないため、バランサの２巻線のインダクタンス値を等しく設計する必要がある。しかし、バランサの構造によっては、２巻線のインダクタンス値に大きな差が生じたり、ばらつきが生じる場合があり、これが光出力差の原因となる。

特許文献１では、バランサＴは、図１１に示すように、第１の巻線Ｎ１と第２の巻線Ｎ２を交互に巻き上げることにより、２つの巻線Ｎ１，Ｎ２の中を通る磁束をほぼ等しくして、インダクタンス成分の差を小さくしたものである。このボビンＢはＥ型のコアＥｃに装着され、ギャップ紙Ｇｐを介してＩ型のコアＩｃを接合して磁気回路を構成している。このように構成されたバランサＴを介して高周波電源１０の出力に放電灯１１，１２を並列接続することによって、回路構成が簡単で、また、各放電灯の光出力の差を低減することができる。

図１２は図１０の放電灯点灯装置の出力電圧の周波数特性である。先行予熱時には、放電灯１１，１２がまだ放電を開始していないため、通常、（ａ）に示すカーブのように、放電灯の等価インピーダンスは非常に大きな値（Ｒｌａ≒∞）となっている。ｆｒは無負荷共振周波数である。ここで、先行予熱時の発振周波数をｆｙとすると、動作点は図１２のＡ点となる。この時の二次電圧Ｖｙは、放電灯がコールドスタートしないような低い電圧となるように設定されている。

次に、先行予熱時間が経過すると、発振周波数を下げて放電灯の始動に充分な電圧まで出力電圧を大きくする。この時の発振周波数をｆｓｔｒとする。動作点は図１２のＢ点となる。この時の二次電圧Ｖｓが放電灯の始動電圧以上の電圧となるように発振周波数ｆｓｔｒを設定する。双方の放電灯が放電を開始するとランプの等価インピーダンスは小さくなり、点灯時の出力電圧の周波数特性は図１２の（ｄ）に示すカーブへと変化する。
特許第３２９１８５２号公報

特許文献１の技術において、特に光出力比５％以下までの深い調光を行う場合や周囲温度が低下し、放電灯の照度が低下した場合等を考慮すると、バランサＴのインダクタンス値を２灯間の光出力差が目立たないレベルまで充分に大きくする必要がある。しかし、バランサＴのインダクタンス値が大きすぎると、放電灯１１，１２の光出力差は低減されるが、例えば放電灯を始動させる際に、一方の放電灯が正常に始動しない場合など、一方の放電灯にのみ電流が発生することで、放電灯を含む共振回路の等価回路は図７（ｂ）に示す回路となり、バランサの巻線のインダクタンスＬ１とコンデンサＣ３によって、先行予熱時とは異なる新たな共振回路が生じることになる。この１灯のみ点灯した状態での装置の出力電圧の周波数特性は図１２の（ｂ）に示すカーブとなる。この時の始動時の発振周波数ｆｓｔｒにおける動作点はＢ点からＢ’点へと変化し、もう一方の放電灯に必要とされる始動電圧以上の過大な高電圧ストレスが発生してしまう。よって、深い調光時における光出力差を低減するために、バランサＴのインダクタンス値を大きくした場合には、この高電圧ストレスによって回路素子が破壊する可能性があった。

本発明は広範囲にわたり連続的に調光が可能なインバータ式の点灯装置において、低光束まで調光した場合や周囲温度が低下した場合においても、放電灯の光出力差を低減でき、且つ、ストレスも低減できるような安定した調光の行える放電灯点灯装置を提供することを課題とする。

請求項１の発明は、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１に接続され、直流電圧を高周波電圧に変換するインバータ部２と、このインバータ部２の出力に接続され、少なくとも１つのインダクタＣＨとコンデンサＣ２を有する共振回路３と、前記共振回路３における共振用コンデンサＣ２の両端間にバランサＴを介して複数の放電灯１１，１２が並列的に接続される負荷回路４０と、前記インバータ部２の発振周波数を変化させることにより放電灯１１，１２の始動、および調光制御をおこなう発振制御部５を備える放電灯点灯装置において、前記バランサＴと各放電灯１１，１２との接続経路間に容量性素子Ｃ１を接続し、前記バランサＴのインダクタンスと、前記容量性素子Ｃ１との共振作用によってバランサＴの巻線間に生じる調光下限点灯時の合成インピーダンスが全点灯時の合成インピーダンスの少なくとも７倍以上であり、前記バランサＴのインダクタンスと、前記容量性素子Ｃ１との並列共振周波数ｆｏと、調光下限点灯時における前記インバータ部２の発振周波数ｆｄｉｍの関係が０．８×ｆｄｉｍ≦ｆｏ≦１．６×ｆｄｉｍであり、前記バランサＴのインダクタンスと、前記容量性素子Ｃ１との並列共振周波数ｆｏと、放電灯の始動時における前記インバータ部２の発振周波数ｆｓｔｒとの関係がｆｏ≧１．３×ｆｓｔｒであり、前記バランサＴは、複数の巻線を有するトランスで構成され、各巻線は単層整列巻により構成されることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の放電灯点灯装置を備える照明器具である。

請求項１の発明によれば、バランサと複数の放電灯との接続経路間に容量性素子を並列に接続し、前記バランサのインダクタンスと、前記容量性素子との共振作用によってバランサの巻線間に生じる調光下限点灯時の合成インピーダンスを全点灯時の合成インピーダンスの少なくとも７倍以上とすることにより、低温、低光束時における各放電灯の光出力差を低減することができる。また、バランサのインダクタンスを比較的小さな値とすることができるため、バランサの小型化が図れる。また、前記容量性素子としてのコンデンサとバランサのインダクタンス値による共振周波数ｆｏと放電灯の調光下限点灯時におけるインバータ部の発振周波数ｆｄｉｍの関係が０．８×ｆｄｉｍ≦ｆｏ≦１．６×ｆｄｉｍとなることにより、低温、低光束時の各放電灯の照度差を低減することができる。また、前記容量性素子としてのコンデンサとバランサのインダクタンス値による共振周波数ｆｏと放電灯の始動時におけるインバータ部の動作周波数ｆｓｔｒの関係がｆｏ≧１．３×ｆｓｔｒとなることにより、始動時のストレス電圧を低減することができる。更に、巻線間の寄生容量の少ない単層整列巻を用いることで、各巻線間の寄生容量のばらつきの影響を低減できる。

請求項２の発明によれば、複数の放電灯を並列点灯せしめる照明器具において、低温、低光束時における各放電灯の光出力差を低減できる。

（実施の形態１）
以下、本発明の第１の実施の形態の放電灯点灯装置を図１、図２、図３に基づいて説明する。図１は本実施の形態の回路図を示しており、図２はバランサＴと、バランサＴと各放電灯との接続経路間に接続された容量性素子Ｃ１との並列共振作用によってバランサの巻線間に生じる合成インピーダンスの周波数特性を示したものである。また図３（ａ）は４ｆｔの直管蛍光灯（ＦＨＦ３２）を周囲温度２５℃、および０℃で調光点灯した時のランプ電流とランプ電圧の実効値特性を示したものであり、図３（ｂ）はその負性抵抗値特性、すなわち図３（ａ）で示したランプ電流とランプ電圧の実効値特性の傾きを示したものである。まず、図１に基づいて、放電灯点灯装置の構成を説明する。

本実施の形態の放電灯点灯装置は、直流電源１を入力するハーフブリッジ接続された一対のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２よりなるインバータ部２と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を駆動する駆動回路６と、この駆動回路６に対して発振信号を供給する発振制御部５を有している。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を駆動回路６により交互にスイッチングすることによって直流電源１の直流電圧を高周波電圧に変換する。スイッチング素子Ｑ２の両端には、共振回路３を構成するチョークコイルＣＨと、コンデンサＣ２、直流カットコンデンサＣ３を接続している。この共振回路３はスイッチング素子Ｑ１の両端に接続しても良い。共振回路３の出力端にはバランサＴを介して２灯の放電灯１１，１２が並列接続されている。インバータ部２の発振周波数は、発振制御部５によって決定され、その発振周波数でスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を交互にスイッチングさせる。また、この発振周波数を調光信号４に応じて変化させることによって、放電灯１１，１２を調光する。

図４は図１の放電灯点灯装置の出力電圧の周波数特性を示したものである。ここで、全点灯時の周波数特性（ａ）、及び調光点灯時の周波数特性（ｂ）、無負荷時の周波数特性（ｃ）は各々図４に示すように変化する。よって発振周波数をそれぞれｆｆｕｌｌからｆｄｉｍの間で可変することにより共振系の周波数特性が（ａ）から（ｂ）へと変化し、放電灯の連続的な調光を行うことができる。例えば、ＦＨＦ３２のランプを使用した場合は放電灯電流≦約１００ｍＡまで電流値を低下することで光出力比約２５％以下に調光することができ、また、放電灯電流≦約２０ｍＡまで電流値を低下することで光出力比約５％以下に調光することができる。

なお、インバータ部２はハーフブリッジ型の回路としているが、一石式やフルブリッジ型など他のインバータ回路の構成でもよい。

図２はバランサＴの１巻線あたりのインダクタンスを１．３ｍＨとし、バランサＴと各放電灯との接続経路間に接続された容量性素子（コンデンサ）Ｃ１の容量を４７０ｐＦとしたときのバランサＴと、コンデンサＣ１との並列共振作用によってバランサの巻線間に生じる合成インピーダンスの周波数特性を示したものである。バランサＴのインダクタンスとコンデンサＣ１の容量による並列共振周波数ｆｏはバランサＴの２巻線分のインダクタンス＝１．３ｍＨ×４と、コンデンサＣ１の容量４７０ｐＦより、約１０２ｋＨｚと計算される。よって、図２に示すように、合成インピーダンスは並列共振作用により発振周波数の増大と共に指数関数的に増大し、並列共振周波数ｆｏよりも発振周波数が大きくなると、合成インピーダンスは指数関数的に減少するというインピーダンス特性を示す。

次に、図３（ａ）に示すように、４ｆｔの直管蛍光灯（ＦＨＦ３２）を周囲温度２５℃、および０℃で調光した時のランプ電流とランプ電圧の実効値特性は、ランプ電流の低下と共にランプ電圧が上昇する所謂放電灯特有の負性抵抗特性を示す。周囲温度２５℃においてはランプ電流が約５０ｍＡ以下になると、ランプ電流の低下と共にランプ電圧が減少するが、周囲温度０℃においては、ランプ電流の減少と共にランプ電圧は上昇を続ける。図３（ｂ）は、このランプ電流−電圧特性の傾き（負性抵抗値）をランプ電流毎にプロットしたものであり、周囲温度０℃においては、２５％調光時（ランプ電流＝約１００ｍＡ）の負性抵抗値は、全点灯時の負性抵抗値（＝約１００Ω）の約４倍（＝約４００Ω）まで増加し、５％調光時（ランプ電流＝約２０ｍＡ）の負性抵抗値は、全点灯時の負性抵抗値（＝約１００Ω）の約７倍（＝約７００Ω）にまで増加することがわかる。調光時や、低温時にインバータ回路によって点灯される複数の放電灯間に生じる出力差は、この放電灯の負性抵抗値の増大によるものであり、バランサＴと、コンデンサＣ１との並列共振作用によってバランサの巻線間に生じる合成インピーダンスの変化が点灯する放電灯の負性抵抗値の変化よりも大きくなるように構成することにより、調光時や、低温時においても点灯される複数の放電灯間に生じる出力差を低減することが可能となる。

よって、一般照明用途として通常想定される最低周囲温度が０℃であるとすると、例えば調光比が全点灯時の光出力の約２５％以下まで調光しようとする場合には、インバータ回路の発振周波数の変化に応じて、調光下限点灯時におけるバランサＴとコンデンサＣ１の合成インピーダンスが全点灯時の合成インピーダンスの約４倍以上に変化する様にバランサＴのインダクタンスとコンデンサＣ１の容量を構成することが必要となる。また、調光比が全点灯時の光出力の約５％以下まで調光しようとする場合には、インバータ回路の発振周波数の変化に応じて、調光下限点灯時におけるバランサＴとコンデンサＣ１の合成インピーダンスが全点灯時の合成インピーダンスの約７倍以上に変化する様にバランサＴのインダクタンスとコンデンサＣ１の容量を構成することが必要となる。

なお、従来例（特許文献１）で説明したような、バランサＴの第１の巻線と第２の巻線を交互に巻き上げる所謂バイファイラ巻や、サンドイッチ巻構成のトランスをバランサＴとして用いる場合には、各巻線間に相応の寄生容量が発生し、合成インピーダンス特性に影響が生じるため、この寄生容量成分の影響を考慮したうえでコンデンサＣ１の容量を決定する必要がある。しかしながら、各巻線間の寄生容量のばらつき等を考慮すると、バランサＴとしては巻線間の寄生容量の少ない単層整列巻構成のトランスを用いることが望ましい。

また、図３では、放電灯の代表特性としてＦＨＦ３２（管径＝約２５．４ｍｍ）蛍光灯の特性を例に説明したが、その他の直管蛍光灯やコンパクト蛍光灯等の放電灯も同様な負性抵抗特性を示すことが知られている。また、ＦＨＦ３２よりも管径の細い放電灯においては、調光時や低温時の負性抵抗値の変動特性がＦＨＦ３２の変動特性よりも大きいものがあるが、少なくとも本実施の形態で説明した構成により、放電灯間の光出力差の改善効果を同様に得ることができる。

本実施形態によると、バランサＴのインダクタンスを必要以上に大きくすることなく、調光時や、低温時におけるインバータ回路によって点灯される複数の放電灯間の光出力差を低減できるため、バランサＴの小型化が可能となる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２を図５に基づいて説明する。図５はバランサＴのインダクタンスを１．３ｍＨとし、コンデンサＣ１の容量を変化させた時の、バランサＴのインダクタンスとコンデンサＣ１の並列共振周波数ｆｏと、放電灯１１、１２の各々に流れる電流の電流差比率との関係を示したものである。点灯条件は、調光下限調光比＝５％（インバータ発振周波数＝１００ｋＨｚ）とし、また、低温時の放電灯特性ばらつきを考慮し、放電灯１１、１２は等価抵抗値が各々５ｋΩと１０ｋΩの固定抵抗に置き換えた。なお、電流差比率は、放電灯１１、１２に流れる電流の平均値と一方の放電灯に流れる電流との差（絶対値）の前記平均電流値に対する比率を示している。

図５によると、インバータ発振周波数＝１００ｋＨｚに対して、並列共振周波数ｆｏが８０ｋＨｚ〜１６０ｋＨｚの範囲内であれば電流差比率を約３０％以下とすることが可能であり、目視によって放電灯間の光出力差が実質的に認識し難いレベルにまで電流差比率を低減することが可能である。

本実施の形態より、バランサＴのインダクタンスと、コンデンサＣ１の容量との並列共振周波数ｆｏと、調光下限点灯時におけるインバータ部の発振周波数ｆｄｉｍとの関係が０．８×ｆｄｉｍ≦ｆｏ≦１．６×ｆｄｉｍとなるようにバランサＴのインダクタンスと、コンデンサＣ１の容量を構成することにより、調光時においても目視によって放電灯間の光出力差が実質的に認識し難いレベルにまで光出力差を改善することが可能となる。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３を図６に基づいて説明する。図６はバランサＴのインダクタンスを１．３ｍＨとし、コンデンサＣ１の容量を変化させた時の、バランサＴのインダクタンスとコンデンサＣ１の並列共振周波数ｆｏと、放電灯１１、１２のうち、一方の放電灯が先に放電を開始した場合に他方の放電灯両端に発生する電圧との関係を示したものである。このときの等価回路を図７（ａ）に示す。点灯条件は、放電灯の始動時におけるインバータ発振周波数を想定し、インバータ発振周波数ｆｓｔｒ＝７０ｋＨｚとした。

図６によると、始動時におけるインバータ発振周波数ｆｓｔｒ＝７０ｋＨｚに対して、並列共振周波数ｆｏが９０ｋＨｚ以上であれば、点灯していない他方の放電灯を始動させるに十分な電圧を発生させると共に、１０００Ｖ以上もの過剰な電圧が発生することによる部品ストレスを低減することが可能である。

本実施の形態より、バランサＴのインダクタンスと、コンデンサＣ１の容量との並列共振周波数ｆｏと、放電灯の始動時におけるインバータ部の発振周波数ｆｓｔｒとの関係がｆｏ≧１．３×ｆｓｔｒとなるようにバランサＴのインダクタンスと、コンデンサＣ１の容量を構成することにより、放電灯の始動時において、一方の放電灯が先に放電を開始した場合においても、他方の放電灯を始動させるに十分な電圧を発生しつつ、回路を構成する部品に印加されるストレスを低減することが可能となる。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４を図８に基づいて説明する。本実施の形態は、図１の直流カットコンデンサＣ３に代えて、図８のように２つの直流カットコンデンサＣ４，Ｃ５を容量を半分にして接続したものである。このような構成においても実施の形態１〜３と同様の動作及び効果を得ることができる。これはコンデンサＣ１の容量に対して直流カットコンデンサＣ４，Ｃ５の容量は充分に大きいため、バランサＴを介する前に直流成分をカットしても、バランサＴを介した後で直流成分をそれぞれカットしても同様の特性を表すことができるからである。

さらに、図９のようにコンデンサＣ１を直流カットコンデンサＣ４，Ｃ５の放電灯側に接続することも可能である。

この場合においても、コンデンサＣ１の容量は、例えば、数１００ｐＦのような小さい容量であり、直流カットコンデンサＣ４，Ｃ５はコンデンサＣ１に比べて充分大きな容量が選択される。よって、本構成においても、実施の形態１〜３と同様の効果を得ることができる。

（実施形態５）
図１３は本発明の放電灯点灯装置を搭載した照明器具の外観を一例として示している。図中、Ｒは反射板、Ｓ１，Ｓ２はランプ１１のソケット、Ｓ３，Ｓ４はランプ１２のソケットである。

本発明の実施の形態１の回路図である。 本発明の実施の形態１に用いるバランサと容量性素子による合成インピーダンスの周波数特性図である。 本発明の実施の形態１に用いる放電灯負荷の特性図である。 本発明の実施の形態１の負荷回路の共振特性を示す特性図である。 本発明の実施の形態２の動作説明のための周波数特性図である。 本発明の実施の形態３の動作説明のための周波数特性図である。 本発明と従来例の１灯不点灯時の等価回路図であり、（ａ）は図１の本発明の等価回路図、（ｂ）は図１０の従来例の等価回路図である。 本発明の実施の形態４の回路図である。 本発明の実施の形態４の一変形例の回路図である。 従来例の回路図である。 従来例に用いるバランサの概略断面図である。 従来例の共振特性を示す特性図である。 本発明の放電灯点灯装置を搭載した照明器具の外観を示す斜視図である。

符号の説明

１ 直流電源
２ インバータ部
３ 共振回路
５ 発振制御部
Ｔ バランサ
１１ 放電灯
１２ 放電灯
４０ 負荷回路
Ｃ１ コンデンサ

Claims (2)

1. 直流電源に接続され、直流電圧を高周波電圧に変換するインバータ部と、このインバータ部の出力に接続され、少なくとも１つのインダクタとコンデンサを有する共振回路と、前記共振回路における共振用コンデンサの両端間にバランサを介して複数の放電灯が並列的に接続される負荷回路と、前記インバータ部の発振周波数を変化させることにより放電灯の始動、および調光制御をおこなう発振制御部を備える放電灯点灯装置において、前記バランサと各放電灯との接続経路間に容量性素子を接続し、前記バランサのインダクタンスと、前記容量性素子との共振作用によってバランサの巻線間に生じる調光下限点灯時の合成インピーダンスが全点灯時の合成インピーダンスの少なくとも７倍以上であり、
   前記バランサのインダクタンスと、前記容量性素子との並列共振周波数ｆｏと、調光下限点灯時における前記インバータ部の発振周波数ｆｄｉｍの関係が０．８×ｆｄｉｍ≦ｆｏ≦１．６×ｆｄｉｍであり、
   前記並列共振周波数ｆｏと、放電灯の始動時における前記インバータ部の発振周波数ｆｓｔｒとの関係がｆｏ≧１．３×ｆｓｔｒであり、
   前記バランサは、複数の巻線を有するトランスで構成され、各巻線は単層整列巻により構成されることを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 請求項１に記載の放電灯点灯装置を備える照明器具。

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