JPH0444400B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は放電灯、たとえば低圧水銀蒸気放電灯
を点灯する電子回路に関し、なかでもコンデンサ
を安定器として高周波で動作する電子点灯回路に
関するものである。

〔従来の技術〕

放電灯は低周波において電圧電流特性が負性抵
抗を呈するので、放電電流を安定に保つために、
抵抗、インダクタンス、キヤパシタンスなどのイ
ンピーダンスを放電灯と直列に接続して点灯す
る。このインピーダンスは通常安定器とかバラス
トと呼ばれるている。直流の放電灯に対しては抵
抗が安定器として用いられるが、放電灯の入力に
ほぼ等しい電力が安定器で消費されるために効率
が悪く好ましい。

交流の放電灯に対してはインダクタンスが主に
用いられている。商用周波数に対するインダクタ
ンスとしては、チヨークコイルと呼ばれる珪素鋼
板の積層鉄心にコイルを巻いたインダクタンスが
使用される。チヨークコイルは放電灯の特性によ
く適合し、不燃で安全性にすぐれている反面、重
量、体積が大きく、チヨークコイルで消費される
電力も少くない。チヨークコイルの電力損失は銅
損と鉄損とからなり、20Wの蛍光灯用安定器の電
力損失は６〜６ワツトに達する。近年小形の蛍光
ランプに電球の口金をつけて、電球と交換性があ
る電力節約形光源が開発され普及しつつある。こ
の光源にはチヨークコイルが安定器として組込ま
れているが、このためランプが重く大きくなり、
電球の多くの用途を代替できない原因となつてい
る。またランプの寿命がくると、ランプとともに
鉄と銅のかたまりである安定器も破棄することに
なり、資源節約上からも好ましくない。

また放電灯を高周波で点灯することにより、安
定器としてのインダクスタンスの小形化、軽量化
と損失の低減をはかつたインバータ、スイツチン
グレギユータなどの電子点灯回路が開発され、実
用化されはじめている。この種の安定器の損失は
チヨークコイルに比べると低減されているが、ま
だ無視できるほど小さくない。このような電子点
灯回路は、複雑で価格が高くなるとい今欠点があ
る。

商用周波数の交流電源に対してコンデンサを安
定器として用いた放電灯点灯装置の例もある。こ
の場合にはコンデンサの容量を10マイクロフアラ
ツド以上にすることが必要であり、安定器の体積
が大きくなることは避けられない。電解コンデン
サを用いると比較的小形になるが、誘電損失によ
るコンデンサの発熱と効率の低下を生じる。コン
デンサを安定器として商用周波数より高い周波数
で動作する放電灯点灯装置としては、米国特許第
3428862号に記載されている公知例がある。この
公知例は１個のコンデンサ安定器によつて２本の
放電灯を点灯するものであるが、コンデンサの充
電と放電とが異なる放電灯を経由して行われてい
るために、各放電灯には交互に放電を休止する期
間が生じ発光効率が低下するという欠点がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は小形軽量かつ安価で効率が高い
電子点灯装置を得ることにあり、とりわけ上記点
灯装置を小形化軽量化するために半導体集積化に
適した構造を求めることを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は放電灯の電子点灯装置からインダクタ
ンスを排除しコンデンサと半導体スイツチで上記
電子点灯装置を構成するために、電源、コンデン
サ、放電灯が複数の半導体スイツチを介して結合
し、制御回路が指定する組合せと順序にしたがつ
て、半導体スイツチの開閉状態がクロツクパルス
に同期して変化し、放電灯を介して上記コンデン
サが周期的に充電および放電し、その結果放電灯
に交流の電流を流し放電灯を点灯するのである。
したがつて本発明はコンデンサを安定器とした電
子点灯装置といえる。

本発明の放電灯点灯装置によつて放電灯に供給
される電力Ｐを検討するとつぎのようになる。電
源電圧をＶ、安定器となるコンデンサの容量を
Ｃ、並列に接続する安定器となるコンデンサの数
をｎ、動作周波数をｆとすれば、前の半サイクル
の間に１個のコンデンサを放電灯を介して充電す
ると放電灯には１／２CV²のエネルギが供給され、 次の半サイクルでコンデンサに蓄えられた１／２ CV²のエネルギを放電灯を介して放電すると、１
サイクルにはCV²のエネルギが放電灯に供給され
る。並列に接続するコンデンサの数をｎとする
と、放電灯に供給される電力Ｐは次式で与えられ
る。

Ｐ＝nfCV² 実際に20ワツトの電力を１個のコンデンサ安定
器によつて100ボルトの電源から50キロヘルツの
動作周波数で供給するとき、コンデンサの容量は
0.04マイクロフアラツドとなる。

上記のようにランプ電力が与えられ、電源電圧
と動作周波数が決れば安定器としてのコンデンサ
の容量の合計が決まり、コンデンサの大きさがほ
ぼ決まる。コンデンサの容量はランプ電力を一定
にすれば動作周波数に反比例して小さくすること
ができる。したがつて高周波化することによつて
安定器の小形化が可能である。また電源電圧と安
定器の容量を一定にしたまま、動作周波数を変え
ることによつてランプ電力を変えることができ
る。すなわち動作周波数を切換えることによて調
光が可能である。さらに電源電圧の変動により放
電灯の明るさが変化する場合には、電源電圧の変
化に応じて動作周波数を変え、一定の光出力が得
られるように制御することが比較的容易にでき
る。

本発明の要旨は、直流電源１０１と、その一端
が上記直流電源１０１に直列に接続された第１の
半導体スイツチ１１１と、その一端が上記第１の
半導体スイツチ１１１の他端に直列に接続された
コンデンサ１０５と、該コンデンサ１０５の他端
に直列に接続された放電灯１０３を構成する放電
管の一端側に設けられ、かつ、上記放電灯１０３
の放電開始直前までは予熱電流を流し、上記放電
灯１０３の放電開始後は放電電流を流すための第
１の電極ａと、その一端に上記第１の電極ａに直
列に接続された第２の半導体スイツチ１１４と、
該第２の半導体スイツチ１１４の他端に直列に接
続された上記放電灯１０３を構成する上記放電管
の他端側に設けられ、かつ、上記放電灯１０３の
上記放電開始直前までは上記予熱電流を流し、上
記放電灯１０３の上記放電開始後は上記放電電流
を流すための第２の電極ｂと、該第２の電極ｂに
その一端が直列に接続された第３の半導体スイツ
チ１１２とを有し、上記第２の電極ｂと第３の半
導体スイツチ１１２との接続点には接地電位が与
えられ、上記第３の半導体スイツチ１１２の他端
は上記第１の半導体スイツチ１１１の上記他端に
直列に接続され、第４の半導体スイツチ１１３の
一端は上記直流電源１０１に直列に接続され、上
記第４の半導体スイツチ１１３の他端はダイオー
ドの一端に直列に接続され、上記ダイオードの他
端は上記第２の半導体スイツチ１１４の上記一端
に直列に接続され、上記ダイオードは上記第４の
半導体スイツチ１１３の上記他端側から上記第２
の半導体スイツチ１１４の上記一端側へのみ導通
するように接続され、上記放電灯１０３の予熱時
には上記第２の半導体スイツチ１１４を常時導通
状態に保持しつつ、上記第１の半導体スイツチ１
１１のみを導通する動作および上記第３の半導体
スイツチ１１２のみを導通する動作を交互に繰返
し、上記放電灯１０３の放電開始時には上記第４
の半導体スイツチ１１３および上記第３の半導体
スイツチ１１２のみを導通するように動作させ、
そに引き続いて上記第１の半導体スイツチ１１１
のみを導通するように動作させ、上記放電灯１０
３に上記放電開始後は上記第１の半導体スイツチ
１１１のみを導通する動作および上記第３の半導
体スイツチ１１２のみを導通する動作を交互に繰
返すように構成されていることを特徴とする放電
灯点灯装置にある。

〔発明の実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明す
る。第１図は本発明による放電灯点灯装置の第１
の実施例を示す図で、ａは１本の蛍光ランプであ
る放電灯を１個のコンデンサ安定器を用いて点灯
した場合の回路図、ｂは上記回路の制御回路を示
すブロツク図、ｃは上記回路の動作を示す波形図
である。第１図ａに示す放電灯点灯装置は１個の
安定器であるコンデンサ１０５を放電灯１０３あ
るいは放電灯電極ａ，ｂを介して所定の動作周波
数で充放電することにより、放電灯電極ａ，ｂの
予熱、始動電圧の印加、定常の点灯動作をすべて
行うものである。図において１０１は直流あるい
は整流された電源、１０２はスイツチの開放を制
御する制御回路で、１１１〜１１４は半導体たと
えばバイポーラトランジスタで構成されたスイツ
チである。上記制御回路１０２は第１図ｂのブロ
ツク図に示すように発振器１１０２、遅延回路１
０２２、タイマ１０２３、ゲート回路１０２４で
構成され、発振器１０２１は第１図ｃの波形図で
イに示す電圧波形の50キロヘルツのクロツクパル
スを発生する。該クロツクパルスは遅延回路１０
２２で同図ロ，ハに示す２相のクロツクパルスに
変形される。この２組のクロツクパルスの間には
オンで重なり合う期間がないから、第１図ａの２
個の直列に接続された半導体スイツチ１１１，１
１２および１１３，１１４が同時に導通して電源
１０１から大きな過電流が流れることはない。タ
イマ１０２３は単安定マルチバイブレータとシフ
トレジスタなどで構成、始動時に電極ａ，ｂを予
熱する時間と、その後の各半導体スイツチ１１１
〜１１４の開閉動作のタイミングを決める。ゲー
ト回路１０２４はタイマ１０２３からの信号によ
つて各半導体スイツチを制御するために、半導体
スイツチ１１１〜１１４に与える第１図ｃのニ〜
トに示す波形の信号を出力する。上記図のチは放
電灯１０３を予熱するときに電極ａ，ｂを流れる
電流波形、同図リは放電灯１０３のランプ電流波
形である。放電灯１０３を始動するためには半導
体スイツチ１１４にトの波形の電圧を印加して導
通させ、半導体スイツチ１１３にヘの波形の電圧
を印加して開放したまま、半導体スイツチ１１１
および１１２にはそれぞれニおよびホの波形の電
圧を印加して交互に開閉する。半導体スイツチ１
１１が導通し１１２が開放するときに電流は電源
１０１−半導体スイツチ１１１−コンデンサ１０
５−電極ａ−半導体スイツチ１１４−電極ｂのよ
うに流れ、半導体スイツチ１１１が開放し１１２
が導通するときは、電流がコンデンサ１０５−半
導体スイツチ１１２−電極ｂ−半導体スイツチ１
１４−電極ａのように流れるから、放電灯１０３
の電極ａおよびｂにはそれぞれ交流電流が流れて
予熱される。これらの電極ａ，ｂが加熱される期
間である第１図ｃはt₁は0.1〜１秒である。つぎ
の期間には半導体スイツチ１１１と１１４を開放
し１１２と１１３を導通させて、電源１０１から
電流を半導体スイツチ１１３−電極ａ−コンデン
サ１０５−半導体スイツチ１１２の順に流し、コ
ンデンサ１０５を通常と逆の極性に充電した後半
導体スイツチ１１２，１１３，１１４を開閉し１
１１のみを導通させると、放電灯１０３には上記
コンデンサ１０５に充電された電圧と電源電圧の
和、すなわち電源電圧のほぼ２倍の始動電圧が印
加されて放電を開始する。ついで半導体スイツチ
１１３，１１４を開放した状態で定常の点灯動作
に移り、半導体スイツチ１１１と１１２を交互に
開閉する。半導体スイツチ１１１が導通し１１２
が開放するときは、電源１０１から流れる電流は
半導体スイツチ１１１、コンデンサ１０５を経て
放電灯１０３内で電極ａからｂに流れ、半導体ス
イツチ１１１が開放し１１２が導通するときは、
コンデンサ１０５に蓄積された電荷が半導体スイ
ツチ１１２を経て放電灯１０３の電極ｂからａに
流れる。このような状態が繰返されて放電灯１０
３の電極ａ，ｂ間に交流電流が流れ、第１図ｃの
t₃に示す点灯状態が維持される。

第２図は本発明の参考例を示す図で、１本の放
電灯を２個のコンデンサ安定器を使て点灯した放
電灯点灯装置である。この参考例では２個のコン
デンサ２０５，２０６を用いることによつて放電
灯２０３に印加する始動電圧を電源電圧の３倍に
増加することができる。第２図において２０１は
直流あるいは整流された電源、２０２は半導体ス
イツチの開閉動作を指示する制御回路、２１１〜
２１８は半導体スイツチ、２２１および２２２は
電流の逆流を阻止するダイオードである。放電灯
２０３を始動するには半導体スイツチ２１７を導
通させ２１８を開放し、他の半導体スイツチを第
１郡２１１，２１４，２１６と第２群２１２，２
１３，２１５とに分け、第１群および第２群の半
導体スイツチには上記制御回路２０２から第１図
ｃのニおよびホに示す信号波形の電圧を印加し、
これら第１群と第２群の半導体スイツチを交互に
導通と開放を繰返す。第１半サイクルで第１群の
半導体スイツチが導通するときは電源２０１から
半導体スイツチ２１１−コンデンサ２０５−放電
灯２０３の電極ａ−半導体スイツチ２１７−放電
灯２０３の電極ｂ−半導体スイツチ２１６へと電
流が流れ、第２半サイクルで第２群の半導体スイ
ツチが導通するときは電源２０１から半導体スイ
ツチ２１２−コンデンサ２０６−電極ｂ−半導体
スイツチ２１７−電極ａ−半導体スイツチ２１５
へと電流が流れる。一方コンデンサ２０５に蓄積
された電荷により電流が半導体スイツチ２１３−
ダイオード２１１−電極ｂ−半導体スイツチ２１
７−電極ａに流れる。次の半サイクルで第１群半
導体スイツチが導通する時には上記第１半サイク
ルの電流とともにコンデンサ２０６に蓄積された
電荷が半導体スイツチ２１４−ダイオード２２２
−電極ａ−半導体スイツチ２１７−電極ｂを経て
流れる。このようにして放電灯２０３の電極ａ，
ｂには交流電流が流れ、両電極ａとｂは予熱され
る。電極ａとｂが十分予熱された状態で半導体ス
イツチ２１１，２１３，２１４，２１５を導通さ
せ２１２，２１６，２１７，２１８を開放すれ
ば、電源２０１から半導体スイツチ２１１を経て
コンデンサ205、半導体スイツチ２１５と電流が
流れコンデンサ２０５を充電するとともに、半導
体スイツチ２１１から半導体スイツチ２１３−ダ
イオード２２１−コンデンサ２０６−半導体スイ
ツチ２１４−ダイオード２２２−半導体スイツチ
２１５へ電流が流れ、コンデンサ２０６を通常と
は逆の極性に充電する。この充電が電源電圧に達
するまで十分充電された後、半導体スイツチ２１
２と２１８とに第１図ｃのヘに示す信号波形の電
圧を印加して導通し、他の半導体スイツチには第
１図ｃのトに示す信号波形の電圧を印加して開放
すると、放電灯２０３にはコンデンサ２０５の蓄
積された電圧とコンデンサ２０６の蓄積された電
圧に電源電圧を加えた電源電圧の３倍の電圧が印
加され放電灯２０３は放電を開始する。その後は
半導体スイツチ２１７，２１８を開放したまま、
上記半導体スイツチの第１群と第２群とを交互に
導通と開放を繰返せば、第１のサイクルで上記第
１群が導通するときは電源２０１から半導体スイ
ツチ２１１−コンデンサ２０５−電極ａ−電極ｂ
−半導体スイツチ２１６に電流が流れ、次の半サ
イクルで第２群が導通するときは電源２０１から
半導体スイツチ２１２−コンデンサ２０６−電極
ｂ−電極ａ−半導体スイツチ２１５に電流が流れ
るとともに、前半サイクルでコンデンサ２０５に
充電された電荷が半導体スイツチ２１３−ダイオ
ード２２１−電極ｂ−電極ａに電流として流れ
る。同様にして次の第１群が導通するときには上
記第１群導通時の電流とともに、次の半サイクル
にコンデンサ２０６に充電された電荷が半導体ス
イツチ２１４−ダイオード２２２−電極ａ−電極
ｂに電流として流れ、これらが繰返されて放電灯
２０３に交流電流が流れ点灯が維持される。

上記の各実施例に示す回路は半導体素子を用い
て種々の構成を行うことができるがその一例を第
３図に示す。第３図は上記実施例の第１図ａにし
ばしば用いられる２個の直列に接続された半導体
スイツチの対の構成法を示した図である。各半導
体スイツチに電源電圧あるいはその２倍程度の電
圧がかかるために数百ボルトの耐圧が必要である
が、制御回路は論理回路から構成されているの
で、低い電圧で動作することが望ましい。第３図
ａに示す回路はフオトカツプラ７１５１とトラン
ジスタ７１５２とによつて構成した例である。同
様の回路をトランジスタの直結回路で実現した例
が第３図ｂに示す回路で、半導体スイツチ７１５
３を増幅用トランジスタ７１５４，７１５５によ
り制御回路と結合したものである。これらの回路
は本発明を集積回路あるいは混成集積回路として
構成するのに適している。また半導体スイツチと
して電界効果トランジスタやシリンコン制御整流
素子などを用いて構成することも可能である。

〔発明の効果〕

上記のように本発明の放電灯点灯装置はインダ
クタンスを使用せず、安定器としてのコンデンサ
と半導体スイツチと、該半導体スイツチの開閉動
作を指示する制御回路により構成するもので、上
記コンデンサは放電灯の動作周波数に反比例して
小形になるから、放電灯を高周波で点灯し半導体
スイツチをシリコンチツプに一体としてし集積化
あるいは混成集積回路として小形化することによ
り、放電灯点灯装置を著しく小形軽量にすること
ができる。従来商用周波数で20W蛍光ランプを点
灯するのに必要なチヨークパラストは、体積が
100立方センチメートル、重量は400グラムであつ
たが、これと等価な本発明の放電灯点灯装置は50
キロヘルツで動作し、体積を10立方センチメート
ル以下、重量を50グラム以下にすることができ
る。従つて本発明の放電灯点灯装置を前記小形蛍
光ランプの口金内に設けることにより、該蛍光ラ
ンプの寸法、重量を低減することが可能である。
インダクタンスとしてフエライトのトランスを含
み個別の部品から構成されたインバータやスイツ
チングレギユレータに較べると、本放電灯点灯装
置はその構成が著しく単純化され、小形軽量化と
ともに製造コストが低減される上、回路の動作が
単純なので解析や設計が容易である。またコンデ
ンサ安定器の電力損失は無視できる程少く、能動
素子であるトランジスタもスイツチとして動作す
るため電力損失が最小に抑えられて極めて効率が
高く、20W蛍光ランプ用チヨークコイルの電力損
失が５〜６ワツトであり、同じ定格出力の高周波
インバータの電力損失が３〜４ワツトであるのに
対し、本放電灯点灯装置の電力損失は２ワツトで
ある。このように電力損失が少いため回路の構成
部品の温度上昇が低く信頼性が高い。さらに本放
電灯点灯装置から放電灯に供給される電力は動作
周波数にほぼ比例するから、動作周波数を切換え
ることによつてランプ電力を変えることすなわち
調光ができる。また始動時に動作は制御回路のシ
ーケンスで決められるから、瞬時点灯をはじめ、
たとえば寿命がきた放電灯に対する処置あるいは
異常時の保護処置など他の点灯方式では実施困難
なプログラムを、上記制御回路に適切なシーケン
スを記憶させることによつて実施できる。さらに
電源、スイツチ、放電灯がコンデンサを介して直
列に接続されているため、異常時にも多くの場合
上記コンデンサが全電圧を分担して動作が停止し
た安全性にすぐれている。従来のチヨークコイル
では放電灯を点灯するためにランプ電圧の50〜
100％増の電源電圧が必要であるが、本放電灯点
灯装置はコンデンサ安定器が分担する電圧が低い
ためランプ電圧の25〜30％増の低い電源電圧で点
灯できる。また一定の電源電圧であランプ電圧を
高くすることできるので効率を上げることができ
る。

上記のように本発明は放電灯の電子点灯回路を
コンデンサと半導体スイツチと該半導体スイツチ
の開閉動作を指示する制御回路を用いて構成した
ことにより、放電灯点灯装置の小形化、軽量化、
集積化を行い、価格の低減、効率の向上、信頼性
の改善、低電圧点灯、調光、瞬時点灯、安全性の
向上など多くの顕著な効果を有するものである。

上記実施例は蛍光ランプにつて記したが、本発
明は他の放電灯に対しても実施することが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による放電灯点灯装置の第１の
実施例を示す図で、ａは１本の放電灯を１個のコ
ンデンサ安定器を用いて点灯した場合の回路図、
ｂは上記回路の制御回路１０２の内容を示すブロ
ツク図、ｃは上記回路の動作を示す波形図、第２
図は本発明の参考例を示す図で、１本の放電灯を
２個のコンデンサ安定器を使つて点灯した場合の
回路図、第３図は半導体素子を用いた回路の構成
例を示す図で、ａはフオトカツプラで結合した回
路、ｂはトランジスタの直結回路の例である。 １０１，２０１……電源、１０３，２０３……
放電灯、１０５，２０５，２０６，……コンデン
サ安定器、１１１〜１１４，２１１〜２１８……
半導体スイツチ、ａ，ｂ……電極、ｃ……補助電
極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 直流電源１０１と、その一端が上記直流電源
   １０１に直列に接続された第１の半導体スイツチ
   １１１と、その一端が上記第１の半導体スイツチ
   １１１の他端に直列に接続されたコンデンサ１０
   ５と、該コンデンサ１０５の他端に直列に接続さ
   れた放電灯１０３を構成する放電管の一端側に設
   けられ、かつ、上記放電灯 １０３の放電開始直前までは予熱電流を流し、
   上記放電灯１０３の放電開始後は放電電流を流す
   ための第１の電極ａと、その一端に上記第１の電
   極ａに直列に接続された第２の半導体スイツチ１
   １４と、該第２の半導体スイツチ１１４の他端に
   直列に接続された上記放電灯１０３を構成する上
   記放電管の他端側に設けられ、かつ、上記放電灯
   １０３の上記放電開始直前までは上記予熱電流を
   流し、上記放電灯１０３の上記放電開始後は上記
   放電電流を流すための第２の電極ｂと、該第２の
   電極ｂにその一端が直列に接続された第３の半導
   体スイツチ１１２とを有し、上記第２の電極ｂと
   第３の半導体スイツチ１１２との接続点には接地
   電位が与えられ、上記第３の半導体スイツチ１１
   ２の他端は上記第１の半導体スイツチ１１１の上
   記他端に直列に接続され、第４の半導体スイツチ
   １１３の一端は上記直流電源１０１に直列に接続
   され、上記第４の半導体スイツチ１１３の他端は
   ダイオードの一端に直列に接続され、上記ダイオ
   ードの他端は上記第２の半導体スイツチ１１４の
   上記一端に直列に接続され、上記ダイオードは上
   記第４の半導体スイツチ１１３の上記他端側から
   上記第２の半導体スイツチ１１４の上記一端側へ
   のみ導通するように接続され、上記放電灯１０３
   の予熱時には、上記第２の半導体スイツチ１１４
   を常時導通状態に保持しつつ、上記第１の半導体
   スイツチ１１１のみを導通する動作および上記第
   ３の半導体スイツチ１１２のみを導通する動作を
   交互に繰返し、上記放電灯１０３の放電開始時に
   は上記第４の半導体スイツチ１１３および上記第
   ３の半導体スイツチ１１２のみを導通するように
   動作させ、それに引き続いて上記第１の半導体ス
   イツチ１１１のみを導通するように動作をさせ、
   上記放電灯１０３に上記放電開始後は上記第１の
   半導体スイツチ１１１のみを導通する動作および
   上記第３の半導体スイツチ１１２のみを導通する
   動作を交互に繰返すように構成されていることを
   特徴とする放電灯点灯装置。