JPH1041084A - 放電灯点灯装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】限流要素を小さくしても放電灯を安定に点灯で
きる放電灯点灯装置を提供する。 【解決手段】交流電圧に直流電圧を重畳してランプ電流
を増大させ得る高い電圧振幅と、ランプ電流を減少させ
得る低い電圧振幅を交互に印加して放電灯を安定点灯す
る。例えば、直流電源にブリッジ回路を介して放電灯負
荷と共振回路を接続してなる直流交流電力変換回路にお
いて、ブリッジ回路の極性反転のデューティ比を変える
ことにより交流電圧に直流電圧を重畳する。なお、負荷
が蛍光灯である場合に、負荷電流の直流分を逐次検出
し、予め決められた（又は計算により求めた）設定値と
の差分を検出することにより蛍光灯の寿命を判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、限流要素を小さく
して放電灯を安定に点灯する放電灯点灯装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図８に従来例の回路図を示す。この回路
は、ランプＬＰと電源の間に挿入されたスイッチＳＷを
ａ或いはｂ側に高速に切り替えて、ランプＬＰの特性電
圧よりも高い電圧の直流電源ＤＣ１と、ランプＬＰの特
性電圧よりも低い電圧の直流電源ＤＣ２を交互に使用し
て、ランプ電流を設定範囲に制御して点灯しようとする
ものであり、限流要素を小さくすることができる。ラン
プの特性電圧よりも高い電圧を供給するとランプ電流は
増大し、ランプの特性電圧よりも低い電圧を供給すると
ランプ電流は減少するので、スイッチＳＷの切替えを適
切に制御することにより、ランプ電流を制御することが
できるのである。以下、その原理について説明する。

【０００３】一般的に、ランプ（放電灯）を点灯するに
はバラスト（限流要素）が必要である。その理由はラン
プの電気特性が負特性である（つまり負性抵抗を有す
る）からである。ランプの電流Ｅと電流密度Ｊとの関係
は一般に以下の式で示される。 Ｊ＝σＥ ここで、σは導電率と呼ばれ、固体の場合には定数とみ
なしてよいものである。しかし、気体放電の場合には導
電率は以下の式に示されるように電子密度の関数にな
る。 σ＝ｅｎμ

【０００４】ただし、ｅは単位電荷、ｎは電子密度、μ
は移動度である。移動度μは電子温度と圧力の関数であ
るが一定とみなしてよい。このことから、電流密度（つ
まり放電電流）はランプ内部の電子密度と電界の２つに
よって決定されることが分かる。基本的にはランプ電流
（電流密度）が決まると、結果として電子密度と電界が
決まる、という考え方が最も分かりやすく、しかも現実
にそうなっている。一般に電流を増やすと電子密度が増
加し、電界はさほど変化しない（実際には多少変化する
が、電子密度ほど顕著でない）。ランプは限流要素無し
の電圧源で点灯されると、電子密度が増加してしまい、
結果として電流が増加してしまう。その結果、過電流が
流れ、諸々のトラブルが生じる。増加する時定数の方が
減少する時定数よりも大きいために電子密度は増加す
る。これを避けるためには、印加する電界を変化させて
電子に与えるエネルギーを変化させなければならない。

【０００５】安定点灯状態から高い電圧源に接続する
と、電流は増加し始めるので電圧を低下させる。これは
ランプ特性電圧（維持電圧）以下まで低下させる必要が
ある。すると、電流は減少し始めるので、次に電圧を上
昇させる。これはランプ特性電圧（維持電圧）以上まで
上昇させる必要がある。すると、電流は再び増加し始め
る。そこで、再び電圧を低下させる。これはランプ特性
電圧（維持電圧）以下まで低下させる必要がある。以
下、これらの動作を繰り返す。このように電圧をランプ
の特性電圧ラインの上下に変化させれば、ランプを安定
に点灯できる。実際に電流が増加する時間と減少する時
間は、減少が０．数ｍｓｅｃから数ｍｓｅｃのオーダ
ー、増加が数μｓｅｃから数十μｓｅｃ程度と考えられ
る。

【０００６】次に、図９は他の従来例の回路図である。
この回路では、２つの交流電源ＡＣ１、ＡＣ２を有し、
ランプの特性電圧よりも低い電圧をインダクタＬを介し
てランプＬＰに常に供給しておき、これに重畳して交流
電圧をキャパシタＣを介して供給することにより、ラン
プの特性電圧よりも高い電圧を供給し、この振幅を変調
して安定に点灯しようとするものである。いすれの従来
例も、ランプの特性電圧を挟む２つの電圧源を設けて、
これらを交互に接続することによって、実質上の限流要
素を小型にする、或いは限流要素を無くするようにした
ものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来例は、制御
しない固定的な実効電圧値の主電源（特に低い電圧の
方）を使用するという考えであるため、ランプの広範囲
の出力変化に対応することが困難であり、また、ランプ
電流波形が歪むためにランプからの輻射ノイズが高い等
の問題があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の放電灯点灯装置
にあっては、上記の課題を解決するために、交流電圧に
直流電圧を重畳してランプ電流を増大させ得る高い電圧
振幅と、ランプ電流を減少させ得る低い電圧振幅を交互
に印加して安定点灯することを特徴とするものである。

【０００９】

【実施の形態】本発明の好ましい実施の形態を図１に示
す。この回路では、直流電源ＤＣと並列に、スイッチン
グ素子Ｓ１，Ｓ２の直列回路と、スイッチング素子Ｓ
３，Ｓ４の直列回路を接続してフルブリッジ回路を構成
しており、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の接続点とスイ
ッチング素子Ｓ３，Ｓ４の接続点の間には、インダクタ
Ｌ１を介して放電灯ＬＰとコンデンサＣ１の並列回路が
接続されている。各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４には、
それぞれダイオードＤ１〜Ｄ４が逆並列に接続されてい
る。インダクタＬ１とコンデンサＣ１は共振回路を構成
している。スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４またはＳ２、Ｓ
３を同じオンデューティで交互にオン・オフすると、共
振回路の作用によりランプＬＰには正弦波交流電圧が印
加される。（なお、以下の説明では、便宜上、各スイッ
チング素子Ｓ１〜Ｓ４の制御信号を、それぞれ同じ符号
Ｓ１〜Ｓ４で表すことにする。）

【００１０】図１の回路の動作説明図を図２に示す。制
御信号Ｓ１、Ｓ４とＳ２、Ｓ３のオンデューティ比を制
御して、ランプＬＰに交互にランプ特性電圧Ｖｌａ以上
の電圧とランプ特性電圧Ｖｌａ以下の電圧を印加するも
のである。例えば、制御信号Ｓ１、Ｓ４のオンデューテ
ィを長く、制御信号Ｓ２、Ｓ３のオンデューティをその
分だけ短く変化させると、ランプＬＰには図２のＶｚに
示すように直流電圧Ｖｄｃが重畳される。基本の共振電
圧の振幅がＶａｃとして、直流電圧Ｖｄｃが重畳された
場合にはＶａｃ＋ＶｄｃがピークでＶｌａを越え、Ｖａ
ｃ−ＶｄｃがピークでもＶｌａ以下となる状態が実現で
き、ランプの特性電圧よりも高い電圧と低い電圧を交互
に印加して、限流要素が小さくてもランプを安定点灯さ
せることが可能となる。

【００１１】更に、制御信号Ｓ１、Ｓ４とＳ２、Ｓ３の
オンデューティの比を変化させると、直流電圧Ｖｄｃは
変化させることができ、更に交流の周波数（制御信号Ｓ
１、Ｓ４及びＳ２、Ｓ３の周波数）を変化されることに
より、共振電圧の振幅Ｖａｃを変化させることができ
る。例えば、図３に示すように、共振電圧の振幅Ｖａｃ
がランプ特性電圧Ｖｌａと等しい電圧である場合、オン
デューティを変化させて、直流電圧Ｖｄｃを重畳する
と、Ｖｌａより高い電圧の幅（Ａ）と低い電圧の幅
（Ｂ）は等しくなる。しかし、駆動周波数を変えて共振
電圧の振幅Ｖａｃを変えると、Ｖｌａより高い電圧の幅
（Ａ）と低い電圧の幅（Ｂ）は図４に示すように（Ａ）
を（Ｂ）よりも大きくしたり小さくすることができる。
ランプＬＰに印加する電力は、共振電圧の振幅Ｖａｃに
依存するため、ランプ電力は駆動周波数により制御し、
また、ランプ電流を設定範囲内に収めるための２値制御
はオンデューティ制御により任意に行うことができる。

【００１２】例えば、ランプへの電流を増加する場合は
Ｖｌａより高い電圧の幅（Ａ）を大きくして行く。ラン
プ電流が増加して行くに従ってＶｌａが下がるため共振
電圧の振幅Ｖａｃを小さくして行く。また、ランプへの
電流を減少する場合は、Ｖｌａより高い電圧の幅（Ａ）
を小さくして行く。ランプ電流が減少して行くに従って
Ｖｌａが上がるため共振電圧の振幅Ｖａｃの振幅を大き
くして行く。

【００１３】このように、共振電圧の振幅Ｖａｃを可変
とし、直流電圧Ｖｄｃを重畳することにより、例えばラ
ンプ電流を増加したとき、ランプ特性電圧の低下に伴う
電源電圧との差電圧を小さくすることが可能となり、ラ
ンプへのストレスを低減しながら広範囲の出力変化に対
応でき、限流要素を小さくすることが可能となる。ま
た、正弦波交流電圧をランプに印加することにより輻射
ノイズを低減することが可能となる。

【００１４】なお、図１の回路では、主回路をフルブリ
ッジ回路により構成していたが、図５に示すように、主
回路をハーフブリッジ回路により構成することも可能で
あり、制御信号Ｓ１、Ｓ２のオンデューティ及び駆動周
波数について上述と同様の制御をすることにより同様の
効果を奏することができる。

【００１５】

【実施例】本発明の放電灯点灯装置の１つの実施例の回
路図を図６に示す。本実施例は、図１に示す基本回路に
おいて、プラス方向及びマイナス方向の負荷電流を独立
して検出できる回路を付け加えたものであり、これによ
り、ランプＬＰの寿命末期を検出可能としている。ラン
プ負荷ＬＰに印加される電圧Ｖｚは、図２の波形図と同
様に、交流電圧に直流が重畳された形になっている。本
実施例は、このような電圧Ｖｚが蛍光灯負荷に印加され
た場合に放電灯の寿命を検出することを可能とするもの
である。一般に蛍光灯負荷は寿命になるとフィラメント
に電子放出のため塗布してあるエミッタが減少して、電
子が放出されにくくなり、電流が流れにくくなる。この
現象は特に寿命初期状態ではフィラメントのどちらかの
エミッタのみが減少する傾向にあり、負荷電流として片
方向電流が流れる。従って交流負荷電流の平均値をとっ
てその直流成分を検出することによりランプの寿命の判
定をすることができる。

【００１６】しかし、本発明の場合、負荷電流には予め
直流が重畳されているため、図６に示すように、プラス
方向の負荷電流（電圧Ｖｐとして検出）、マイナス方向
の負荷電流（電圧Ｖｍとして検出）を検出した後、その
差の絶対値（｜Ｖｐ−Ｖｍ｜）を絶対値回路１により求
めて、この値と予め設定されたオンデューティ制御によ
る直流重畳の基準値Ｖｒｅｆ（直流重畳の最大値）を比
較器２により比較し、基準値Ｖｒｅｆよりも大きいとき
にランプＬＰが寿命と判定する。以上のような検出をす
ることにより、直流重畳された交流電圧で通常点灯する
本発明の点灯装置において蛍光灯負荷の寿命を検出する
ことができる。制御回路３はランプＬＰが寿命と判定さ
れたときに出力を低下させる制御を行う。

【００１７】本発明の放電灯点灯装置の他の実施例の回
路図を図７に示す。本実施例は、図６に示す回路におい
て、オンデューティ制御による直流重畳の基準値Ｖｒｅ
ｆを可変としたものである。図６の実施例では、オンデ
ューティ制御による直流重畳の基準値Ｖｒｅｆを予め設
定しておいたのに対して、本実施例では、制御信号Ｓ
１、Ｓ４とＳ２、Ｓ３のオンデューティ比をそれぞれ積
分回路により求めて、その差の絶対値を絶対値回路４に
より検出して直流重畳の基準値Ｖｒｅｆを生成するもの
である。このように、直流重畳値を予め設定しておくの
ではなく、逐次、制御信号から計算するため、より正確
にランプＬＰの状態を検出することができ、精度良くラ
ンプ寿命を検出できる。その他の回路構成及び動作につ
いては、図６の実施例と同様である。

【００１８】

【発明の効果】請求項１及び２の発明によれば、交流電
圧に直流電圧を重畳することにより、ランプ電流自体を
直接制御することを可能とし、限流要素を小さくするこ
とによって小型の装置を構成でき、かつランプの広範囲
の出力変化に対応でき、また、クレストファクタを小さ
くでき、ランプヘのストレスが少なく、安定点灯を可能
とする効果がある。さらに、請求項３及び４の発明によ
れば、交流電圧に直流電圧を重畳した負荷電流において
も蛍光灯の寿命末期の半波放電現象を検出可能とする効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の放電灯点灯装置に用いる主回路の基本
構成例を示す回路図である。

【図２】図１の回路の制御信号とランプ電圧を示す波形
図である。

【図３】図１の回路の動作説明のための波形図である。

【図４】図１の回路の動作説明のための波形図である。

【図５】本発明の放電灯点灯装置に用いる主回路の他の
例を示す回路図である。

【図６】本発明の放電灯点灯装置に用いる寿命判定回路
の一実施例の回路図である。

【図７】図５の回路に用いる基準電圧の生成回路の具体
例を示す回路図である。

【図８】従来例の回路図である。

【図９】他の従来例の回路図である。

【符号の説明】

Ｓ１〜Ｓ４ スイッチング素子 ＬＰ ランプ Ｌ１ インダクタ Ｃ１ コンデンサ ＤＣ 直流電源

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電圧に直流電圧を重畳してランプ
   電流を増大させ得る高い電圧振幅と、ランプ電流を減少
   させ得る低い電圧振幅を交互に印加して安定点灯するこ
   とを特徴とする放電灯点灯装置。
2. 【請求項２】 直流電源にブリッジ回路を介して放電
   灯負荷と共振回路を接続してなる直流交流電力変換回路
   において、ブリッジ回路の極性反転のデューティ比を変
   えることにより交流電圧に直流電圧を重畳したことを特
   徴とする請求項１記載の放電灯点灯装置。
3. 【請求項３】 負荷が蛍光灯であり負荷電流の直流分
   を逐次検出し、放電灯負荷を安定点灯させるために印加
   してある上記直流電圧の設定値との差分を検出すること
   により蛍光灯の寿命を判定することを特徴とする請求項
   １記載の放電灯点灯装置。
4. 【請求項４】 負荷が蛍光灯であり負荷電流の直流分
   を逐次検出し、ブリッジ回路のデューティ比より計算さ
   れる放電灯負荷を安定点灯させるために印加してある上
   記直流電圧との差分を検出することにより蛍光灯の寿命
   を判定することを特徴とする請求項２記載の放電灯点灯
   装置。