JPS643320B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、放電灯の始動直後から定格点灯状態
に移行するまでの間において、放電灯の入力電流
を定格時の入力電流以下に制御することのできる
放電灯定入力点灯装置に関する。

近年、点灯装置の小型、軽量及び省電力の要求
に応えるため、水銀灯や高圧ナトリウム灯のよう
に高圧蒸気圧の放電灯の点灯回路においても、放
電灯と直列に交流制御素子を接続し、この交流制
御素子の導通位相角を制御して限流インピーダン
スを小さくする、いわゆる位相制御方式が研究さ
れ、一部では実用化されている。第１図はその原
理的回路を示す図面であつて、図中１は商用電
源、２は限流インピーダンス素子、３は放電灯、
４は交流制御素子、５は交流制御素子４のオフ時
に限流インピーダンス素子２を補償する限流要素
である。第２図ａ及びｂは放電灯３のランプ電流
I_laと電源電圧V_sの位相関係を示し、同図ａは始
動直後の状態を、同図ｂは定格時の状態を示す。

一般に、高圧放電灯は始動直後、ランプコンダ
クタンスが定格時に比べて非常に大きいため、交
流制御素子４の導通位相θを、第２図に示す如く
定格時に比べて適当に遅らせる必要がある。この
ような位相制御を行なえば、定格に移行するまで
の期間（以下始動期間という）、入力電流を定格
時の入力電流以下に抑えることができ、定入力始
動が可能であることが知られている。

位相制御方式の一つに、ランプ電流の位相を検
出して制御する方法がある。この方法は、放電灯
の内部コンダクタンスが始動直後は大きく、定格
に移行するにつれて小さくなることにより、ラン
プ電流位相が始動直後は定格時に比べて遅れてい
る性質を利用している。第２図ａ及びｂは前述の
如く、それぞれ始動直後及び定格時における入力
電流を一定にしたときの交流制御素子４の導通位
相θの比較図であるが、電源電圧V_sのゼロクロ
ス位相よりランプ電流I_laが転流するまでの転流位
相角Ｔに対して、交流制御素子４のオフ期間ΔT
が如何なる関係にあるかをみると、始動直後（第
２図ａ参照）はオフ期間ΔTを大きくし、定格に
移行するにつれオフ期間ΔTを小さくする必要の
あることが判る。このような関係を始動過程と共
に追つてみると、第３図のようなことが判る。逆
に言えば○イ点から○ロ点に位相を制御すれば定入力
始動が可能となるわけである。尚、第３図におい
て横軸はランプ電流I_laの転流位相角T_i（deg）を
示し、縦軸は交流制御素子４のオフ期間ΔT_i
（deg）を示し、図中○イ点は始動直後、○ロ点は定
格時を示す。そしてその測定条件は、放電灯３を
400Wの水銀灯とし、限流インピーダンス２のイ
ンピーダンス電圧を80V／3.3A、電源電圧V_sを
200Vとし、外部のトリガにより任意にトライア
ツク４の導通位相を制御できるようにして、入力
電流を2.4Aとした場合である。

かかる制御条件で放電灯３を始動した場合、次
のような問題がある。すなわち、交流制御素子４
の導通位相θが○イ点に固定された後、ランプ状態
の変化で○イ点から○ロ点に向つて制御されてきた場
合、ランプ電流I_laの転流位相Ｔが小さくなつた直
後にランプ電流I_la波形の正負非対称が発生する場
合がある。従つて、上記制御条件（第３図の○イ点
から○ロ点への過程）に、交流制御素子４の導通位
相θの収束条件が必要になる。非対称波形が生じ
ると、始動過程でちらつき現象を発生するだけで
なく、定格点に達しないという欠点が生じる。以
下、ランプ電流波形の正負非対称について述べ
る。

第３図における制御条件では交流制御素子４の
導通位相（θ＝Ｔ＋ΔT）の収束条件が含まれて
いない。これは次の理由による。第３図におい
て、始動直後に○イ点に固定され、時間と共に定格
点○ロ点へ移行する始動過程を考えてみることにす
る。ランプ内の蒸気圧が上昇して、ランプ電圧が
上昇するとランプ電流転流位相Ｔが前へ進む。こ
の前後に半波毎の不平衡が生じると、第４図に示
すように、非対称のまま推移し、収束しないこと
になる。第５図にその原因を示している。例えば
（ｉ＋１）半サイクル迄、導通位相角θが安定し
ていたとする。そこで、電源電圧V_sが急に減少
した時、ランプ電流転流位相T_i+2は図中T₀より
T₂へ減少する。その結果、第３図の制御条件よ
り、交流制御素子４のオフ期間ΔTも小さくな
り、導通位相角θ_i+2はθ₀よりθ₂へ減少し、ランプ
電流I_laを大きく流そうとする。その結果（ｉ＋
３）半サイクル目のランプ電流転流位相T_i+3が遅
れ、（ｉ＋３）半サイクル目のオフ期間ΔT_i+3が
大きくなり、ランプ電流I_laを絞る様に働く。この
様に半サイクル毎にランプ電流I_laの大、小が繰り
返され、非対称波形となる。第５図はその様子が
交流制御素子４の導通位相θ及びランプ電流転流
位相Ｔの振動で表現されている。

この原因は決定すべき半サイクル内の交流制御
素子４のオフ期間ΔTが同一半サイクルのランプ
電流位相Ｔにより決定されるからであり、制御条
件は第４図でいえば厳密には従来T_i−ΔT_iの条件
であつたからである。この様な制御条件では制御
すべき半サイクルのランプ電流I_laは直前の半サイ
クルのランプ電流変化を過剰に補償することとな
り、振動することとなる。ランプ状態がそのまま
固定されれば、その振動もおのずと減衰するが、
始動過程においてはランプ状態は第３図に示した
様にランプ電流転流位相Ｔは時々刻々と進む為、
非対称波形となつたまま始動過程をとる。

この非対称は前述の如く始動過程でのちらつき
現象の原因となるばかりか、交流制御素子４はラ
ンプ電流I_laの大きい方の半サイクルでの電流容量
も満たす必要がある為、コスト高になる。又、始
動時間の短いメタルハライドランプの様な放電灯
ではちらつきも大きく、定格点灯へは移行できな
い欠点もある。

本発明はかかる欠点に鑑みなされたもので、そ
の目的とするところは放電灯の始動過程における
ランプ電流波形の非対称を排除すべく、ランプ電
流の転流位相Ｔと交流制御素子のオフ期間ΔTの
制御条件の改善にある。

従来の欠点の生じる原因は、前述した様に同一
半サイクル内でのランプ電流I_laの転流位相T_iと交
流制御素子４のオフ期間ΔT_iの関係で始動過程を
制御したからに他ならない。そこで本発明では転
流位相T_i-1とオフ期間ΔT_iの関係で制御条件を定
義した。T_i-1は、制御すべき交流制御素子４のオ
フ期間ΔT_iの直前の半サイクルのランプ電流I_laの
転流位相である。この制御条件を第６図に示して
いる。さて、この様な制御条件下では交流制御素
子４の導通位相θが一度半サイクル毎に不平衡状
態に入つても、その状態を平衡状態に戻す収束効
果があり、非対称波形が発生しない。

その理由を説明する前に、ランプ電流転流位相
Ｔが決まるメカニズムについて少し考察する。

第５図での説明の様にT_iはθ_i-1、つまり直前の
半サイクルでの導通位相θにより定まる。

この定まり方は、ランプ状態によるが、一般に T_i+1＝ｇ（θ_i） たゞしｇ（θ）は単調減少関数 …… で表わされることが知られている。始動過程では
ランプコンダクタンスが大きい為、定格時に比べ
dT_i+1／dθ_iの絶対値が大きい。

この様な状況で従来の制御条件を考えてみると
第４図より ΔT_i＝ｋ×T_i＋α …… なお、αは実験結果から得られた第３図の同定
式の定数であり、同定式は一次関数となり、その
定数項を示す。

導通位相角θ_iは θ_i＝T_i＋ΔT_i …… と式より θ_i＝T_i＋kT_i＋α …… と表わされる。式よりT_i＜T_i-1なる状況（第８
図において○ロ点）が一瞬生じるとθ_iはT_iによる一
次関数だから、θ_i＜θ_i-1となる。次のT_i+1は式
で求まり第８図の○ハ点に求まる。T_i+1＞T_i-1だか
ら式よりθ_i+1＞θ_i-1となり式より第８図の○ニ
点になりT_i+2が求まる。従つて式及び式から
θの振動が説明できる。

では本発明の制御条件T_i-1とΔT_iの関係ではど
うであろうか。第６図を次の式に近似する。

なお、第６図は前述の如く、ランプ電流転流位
相Ｔと交流制御素子４のオフ期間ΔTの関係を実
験で定入力始動の必要条件として求めたもので、
第３図と同一である。但し、ＴとΔTの時間関係
は本発明に係るΔT_i、T_i-1の関係としている。ま
た、次式における定数ｋ、αは第３図及び式と
同一である。

ΔT_i+1＝ｋ×T_i＋α …… 式より θ_i＝T_i＋ｋ×T_i-1＋α …… となる。本発明ではθ_iはT_iの他にT_i-1によつても
制御されることがこれで明らかである。同じ様に
ｉ半サイクル目でランプ電流転流位相T_iが第８図
において○ロ点へ移つたとすると、本発明のθ_iは
式で求まり、 本発明のθ_i＝T_i＋kT_i-1＋α となり、また、従来例のθ_iは式から 従来例のθ_i＝T_i＋kT_i＋α となる。この２式から、 （本発明のθ_i）−（従来例のθ_i）＝ｋ（T_i-1−T_i） となり T_i-1＞T_i より θ_i-1＞（本発明のθ_i＞（従来例のθ_i） の関係が得られる。従つて、本発明のθ_iは第８図
において○ホ点となり、○ホ点は本発明の制御条件を
示す第６図及び式で得られる点であり、この○ホ
点で（ｉ＋１）半サイクルのT_i+1が式で求ま
る。つまり、従来例に比べθの変動分が小さくな
る。この事はＴの変動に対してθを収束させるこ
とを意味しており、電源の半サイクルを数える毎
にθの収束する様子が第７図に如実に示されるこ
とになる。なお、第７図における点線は、式で
のθ_iがT_i+1を決定する様子を示す。おおよそ２〜
３サイクルで収束する効果がある。

第９図は、本発明を実現する回路の働きを示す
ブロツク図を示すもので、ランプ電流転流位相
T_i-1は第１ブロツクの加算カウント期間で検出し
オフ期間ΔT_iはその第１ブロツクの加算カウント
数と同数の第２クロツク数を減算して減算カウン
タ内容がT_i以降よりゼロとなる迄の期間としてい
る。第１０図は第９図で実現される定入力始動の
制御条件であり、T_i-1とΔT_iの関係となる。第９
図において、加算カウンタの初期値noは第１０
図のΔT₀に相当する第２クロツクカウント数であ
る。動作は次の様である。

電源電圧V_sのゼロクロスを検出すると、第１
０図におけるT₀の期間加算カウンタの内容をn₀
でプリセツトする。そして、T₀経過後、加算カ
ウンタは第１クロツクパルスを加算カウントしラ
ンプ電流I_laが転流する迄カウントしつづける。一
方、減算カウンタは電源電圧V_sのゼロクロス検
出後よりランプ電流I_laが転流する迄、遅延回路
（ラツチ回路）の出力をプリセツトしている。ラ
ンプ電流I_laが転流すると同時に加算カウンタの内
容が遅延回路に入力されると同時に、減算カウン
タは、第２クロツクのクロツクパルスを減算開始
する。従つて減算カウンタは直前の半サイクルで
のランプ電流I_laの転流位相角に相当する第１クロ
ツクパルス数を減算することになる。そして減算
カウンタの内容がセロとなつた時点で交流制御素
子４のトリガパルスが発生することになる。この
制御方法によれば、T_i-1＞T₀での定入力条件の
ΔT_i＝ｋ×T_i-1＋αの制御勾配ｋは第１クロツク
の周期（τ₁）及び第２クロツクの周期（τ₂）で決
定されることになる。

本発明は上記のように、商用電源に交流制御素
子、限流インピーダンス素子及び放電灯を直列接
続した主点灯回路と、上記交流制御素子に並列接
続した補償用限流要素と、上記交流制御素子の導
通位相を、電源電圧のゼロクロス位相よりランプ
電流が転流するまでのランプ電流転流位相に対応
して、電源の半サイクル毎に制御する制御回路と
を備えた放電灯点灯装置であつて、上記制御回路
を、現半サイクルのランプ電流転流位相をT_i、現
半サイクルの直前のランプ電流転流位相をT_i-1と
し、現半サイクルの交流制御素子の導通位相をθ_i
としたとき、θ_iが θ_i＝T_i＋kT_i-1＋α （但し、ｋ、αは定数） なる一次関数で制御されるように構成したことに
より、ランプ電流波形の正負非対称が生じてもす
みやかに収束される。従つて放電灯の始動過程に
おけるちらつき現象の発生を排除でき、しかも交
流制御素子の電流容量が小さくて済みコスト的に
も有利な上、ランプ電流の変動による交流制御素
子の破壊もなく信頼性も向上するという効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は放電灯定入力点灯装置の原理的回路
図、第２図ａ及びｂは同上の放電灯のランプ電流
と電源電圧の波形図で、ａは始動直後の状態を、
ｂは定格時の状態を示す。第３図は定入力始動に
必要なランプ電流転流位相と交流制御素子のオフ
期間との関係を示す説明図、第４図は始動過程に
おけるランプ電圧と電源電圧の波形図、第５図は
非対称波形発生時のランプ電流転流位相と交流制
御素子の導通位相の関係を示す説明図、第６図は
本発明の制御条件を示す説明図、第７図は同上の
条件下における導通位相の収束効果を示す説明
図、第８図は本発明にかかる交流制御素子の導通
位相とランプ電流転流位相の関係を示す説明図、
第９図は本発明を実現する回路の動きを示すブロ
ツク図、第１０図は同上の定入力始動の制御条件
を示す説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 商用電源に交流制御素子、限流インピーダン
   ス素子及び放電灯を直列接続した主点灯回路と、
   上記交流制御素子に並列接続した補償用限流要素
   と、上記交流制御素子の導通位相を、電源電圧の
   ゼロクロス位相よりランプ電流が転流するまでの
   ランプ電流転流位相に対応して、電源の半サイク
   ル毎に制御する制御回路とを備えた放電灯点灯装
   置であつて、上記制御回路を、現半サイクルのラ
   ンプ電流転流位相をT_i、現半サイクルの直前のラ
   ンプ電流転流位相をT_i-1とし、現半サイクルの交
   流制御素子の導通位相をθ_iとしたとき、θ_iが θ_i＝T_i＋kT_i-1＋α （但し、ｋ、αは定数） なる一次関数で制御されるように構成したことを
   特徴とする放電灯定入力点灯装置。