説明

放電ランプ点灯装置及びそれを用いた照明装置

【課題】放電ランプ点灯装置において、PFC回路での昇圧動作を適正化して、始動時に必要な出力電圧を確保しつつも安定点灯時の点灯装置の効率を向上する。
【解決手段】本発明の高圧放電ランプ点灯装置は、入力電圧を昇圧する昇圧回路、昇圧回路の出力から放電ランプに投入する電力を調整して出力する電力調整回路、電力調整回路の出力を交流変換する交流変換回路、電力調整回路及び交流変換回路を制御する制御回路、並びに放電ランプの点灯状態を検出する検出部を備え、制御回路が、検出部によって検出された点灯状態に基づいて昇圧回路の出力電圧を制御するように構成される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は放電ランプの点灯装置及びそれを用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【0002】
水銀ランプやメタルハライドランプなどのHIDランプに代表される放電ランプ(以下、「ランプ」という)の点灯装置は、一般に、AC入力電圧を整流する整流回路、整流されたAC入力電圧を昇圧する昇圧回路、昇圧回路の出力から放電ランプに投入する電力を調整して出力する電力調整回路(降圧チョッパ回路)、電力調整回路の出力を交流変換する交流変換回路、放電ランプを始動させる始動回路、並びに電力調整回路及び交流変換回路を制御する制御回路を備える(例えば、特許文献1)。
【0003】
昇圧回路は一般に昇圧回路で構成される力率改善回路(PFC回路)を兼ねており、AC入力電圧の脈流に同期してスイッチング幅が制御され、力率改善及び高調波低減が行われる。PFC回路による出力電圧は、負荷の電圧(即ち、ランプ電圧)に関係なく、PFC回路として制御可能な最低電圧V0=√2・Vin+10〔V〕程度以上の電圧に固定される。なお、VinはAC入力電圧の実効値である。通常、ランプ始動時には、始動電圧としてランプに高い電圧を印加する必要があるため、PFC回路の出力電圧は上記最低電圧V0より大きな値に設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2006−140148号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
通常、ランプが点灯して安定点灯状態となった場合、ランプ両端の電圧V3は、始動時に必要な電圧V2の半分以下の電圧となる場合が多い。ここで、PFC回路の出力電圧を始動時に必要な電圧V2に固定した場合、安定点灯時において、入力電圧VinをPFC回路においてV2に昇圧し、それを電力調整回路でV3に降圧することになる。従って、PFC回路での必要以上の昇圧動作による損失が発生するとともに、電力調整回路での大幅な降圧動作による損失が発生することになる。この2箇所での損失によって点灯装置全体の効率が低下してしまう。
【0006】
そこで、本発明は、PFC回路での昇圧動作を適正化して、始動時に必要な出力電圧を確保しつつも安定点灯時の点灯装置の効率を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の放電ランプ点灯装置は、入力電圧を昇圧する昇圧回路、昇圧回路の出力から放電ランプに投入する電力を調整して出力する電力調整回路、電力調整回路の出力を交流変換する交流変換回路、放電ランプを始動させる始動回路、少なくとも電力調整回路及び交流変換回路を制御する制御回路、並びに放電ランプの動作状態を検出する検出部を備え、制御回路が、検出部によって検出された点灯状態に応じて昇圧回路の出力電圧を制御するように構成され、動作状態が、始動回路起動後であってランプ放電開始前の第1の期間における状態、ランプ放電開始後であって安定点灯到達前の第2の期間における状態、及び安定点灯到達後の第3の期間における状態からなり、昇圧回路の出力電圧が第1の期間よりも第3の期間において低くなるように構成される。
【0008】
ここで、検出部が電力調整回路の出力電圧を検出するように構成され、上記第3の期間において、電力調整回路の出力電圧の上昇に応じて昇圧回路の出力電圧が上昇するように構成してもよい。
また、検出部が電力調整回路の出力電圧を検出するように構成され、第3の期間において、電力調整回路の出力電圧が所定値以下の場合には昇圧回路の出力電圧が一定に固定され、電力調整回路の出力電圧が所定値を超えた場合には昇圧回路の出力電圧が電力調整回路の出力電圧に対して所定値だけ高くなるように構成してもよい。
さらに、入力電圧の値(Vin)を検出する入力電圧検出部を備え、昇圧回路の出力電圧が√2×Vin+10[V]以上になるように構成することが望ましい。
【0009】
即ち、本発明では、入力電圧を昇圧する昇圧回路、昇圧回路の出力から放電ランプに投入する電力を調整して出力する電力調整回路、電力調整回路の出力を交流変換する交流変換回路、電力調整回路及び交流変換回路を制御する制御回路、並びに放電ランプの点灯状態を検出する検出部を備えた放電ランプ点灯装置において、制御回路が、検出部によって検出された点灯状態に基づいて昇圧回路の出力電圧を制御するように構成される。
【0010】
本発明はまた、上記の放電ランプ点灯装置、放電ランプ点灯装置に接続された放電ランプ、及び放電ランプが取り付けられる照明器具を備えた照明装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の放電ランプ点灯装置のブロック図である。
【図2】本発明による放電ランプ点灯装置の制御を示す図である。
【図3A】本発明の第3の実施例による放電ランプ点灯装置の制御を示す図である。
【図3B】本発明の第3の実施例による放電ランプ点灯装置の制御を示す図である。
【図4】本発明の実施例による照明装置の図である。
【図5】従来例による放電ランプ点灯装置の制御を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明の基本構成.
図1は、水銀ランプやメタルハライドランプなどのHIDランプに代表される放電灯(以下、「ランプ」という)を点灯する本発明の放電ランプ点灯装置のブロック図である。点灯装置は、AC入力電圧を整流する整流回路5、整流回路5の出力を昇圧する昇圧回路(PFC回路)10、PFC回路10の出力からランプ60に投入する電力を調整して出力する電力調整回路20、電力調整回路20の出力を交流変換する交流変換回路30、ランプ60を始動させる始動回路40、及び各構成要素を制御する制御回路50を備える。なお、図1においては、AC入力電源及び整流回路5を示しているが、入力電源がDC電源である場合は、整流回路5はなくてもよい。また、整流回路5をPFC回路10に含め、後述する入力電圧検出部11を交流部分に設けてもよい。
【0013】
PFC回路10は、周知の昇圧チョッパ回路等で構成され、その入力側には入力電圧検出部11が接続され、出力側にはPFC出力電圧検出部12が接続される。PFC回路10の設定出力電圧は、入力電圧検出部11によって検出されるAC入力電圧の実効値Vinに応じて決定される。設定出力電圧はPFC回路が力率改善機能を発揮できる最低出力電圧V0以上に設定される必要がある。なお、V0=√2・Vin+10〔V〕程度である。また、PFC回路10は、入力電圧検出部11によって検出されるAC入力電圧の脈流に合わせてスイッチング動作(スイッチングパルス幅)が制御され、電源高調波を低減する機能も有する。
【0014】
PFC回路10の出力は平滑コンデンサ13によって平滑化され、PFC出力電圧検出部12で検出される電圧が設定出力電圧に一致するようにPFC回路10がフィードバック制御される。即ち、PFC回路10が昇圧チョッパ回路で構成される場合、昇圧チョッパ回路が入力電圧検出部11及びPFC出力電圧検出部12の検出値に応じて適切にPWM制御される。
【0015】
電力調整回路20は、周知の降圧チョッパ回路等で構成され、その出力側に電力調整回路出力電圧検出部21が接続される。電力調整回路20は、電力調整回路出力電圧検出部21で検出される出力電圧と不図示の電流検出部で検出される出力電流の乗算値(即ち、出力電力)が設定値で一定となるように定電力制御される。なお、例えば、ランプ電圧が低い期間等においては、電力調整回路20は、不図示の電流検出部で検出される出力電流が設定値(例えば、最大定格値)で一定となるように定電流制御されるようにすることもできる。電力調整回路20が降圧チョッパ回路で構成される場合には、そのPWM幅が制御されて上記の定電力制御又は定電流制御が行われる。上記設定値は制御回路50で決定される。
【0016】
ここで、電力調整回路出力電圧検出部21が検出する出力電圧は実質的にランプ電圧に対応する。従って、電力調整回路出力電圧検出部21によって、後述するランプの動作状態を検出することができる。
【0017】
交流変換回路30は、周知のフルブリッジ回路等で構成され、一般に、電力調整回路20の直流出力が50〜1kHz程度の矩形波交流電流に変換されてランプ60に投入される。
【0018】
始動回路40は、ランプ60の始動時に交流変換回路30の出力電圧に高圧パルス(数kV〜十数kV)を重畳してランプ60に印加するための周知の回路で構成される。上記高圧パルスによってランプ60が絶縁破壊を起こし、交流変換回路30の出力電圧によってその放電がグロー放電として維持され、その後グロー放電がアーク放電に移行する。始動回路40はランプの放電開始後は実質的に機能しない。なお、始動回路40は、制御回路50によって内部の半導体スイッチが制御されて高圧パルスを発生させるものであってもよいし、それに印加される電圧に応じて高圧パルスを発生させるものであってもよい。
【0019】
本発明の放電ランプ点灯装置の動作を説明するにあたり、まず従来の放電ランプ点灯装置の動作を、図5を参照して説明する。
図5に示すように、ランプの動作状態には、始動回路40の起動後であってランプ放電開始前のランプ始動前期(第1の期間)における状態、ランプ放電開始後であってランプ電圧が一定となる前のランプ始動期(第2の期間)における状態、及びランプ電圧が一定となった安定点灯到達後のランプ安定点灯期(第3の期間)における状態からなる。
【0020】
図5において、PFC回路出力電圧V1(実線)はランプ始動に必要な電圧V2に固定される。ランプ始動電圧V2は、後述するように例えば300V〜450V程度が想定される。電力調整回路20は電力調整回路出力電圧V3(破線)としてランプ電圧に略等しい電圧を出力するよう制御される。ランプ始動前期(ランプ放電開始前)は無負荷状態であるから、電力調整回路出力電圧V3はランプ始動電圧V2に等しい。その後ランプの放電が開始されてランプ始動期に入ると、ランプ電圧は数十V程度まで低下してから徐々に上昇し、安定していくので、電力調整回路出力電圧V3もその電圧上昇に対応して制御される。ランプ安定点灯期に入ると、電力調整回路出力電圧V3はランプ安定電圧V4に略等しくなる。即ち、ランプ安定点灯期では、PFC回路10は入力電圧Vinをランプ始動電圧V2に昇圧し、PFC回路出力電圧V1として出力する。電力調整回路20はPFC回路出力電圧V1をランプ安定電圧V4に降下し、電力調整回路出力電圧V3として出力する。ランプ安定電圧V4は、ランプの種類によって異なるが、約60〜250V程度が想定される。
【0021】
このように従来の制御では、PFC回路出力電圧V1は常にランプ始動電圧V2に固定されているため、ランプ安定点灯期では、電力調整回路20においてΔV=V2−V4の電圧を降下させていることになる。PFC回路10の入力側から見ると、この電圧差ΔV(数十〜数百V)をPFC回路10で余計に昇圧してから電力調整回路20でまた降下させることになるため、PFC回路10と電力調整回路20でそれぞれ不要な損失が発生していることになる。本実施例では、このランプ安定点灯期における電圧差ΔVを小さくして上記の2箇所での回路損失を低減するものである。
【0022】
図2に本発明による放電ランプ点灯装置の動作例を示す。図5に示した従来例と同様に、電力調整回路20は電力調整回路出力電圧V3(破線)としてランプ電圧に略等しい電圧を出力するよう制御される。即ち、ランプ始動前期(ランプ放電開始前)は、電力調整回路出力電圧V3はランプ始動電圧V2に等しい。その後ランプの放電が開始されてランプ始動期に入ると、ランプ電圧は数十V程度まで低下してから徐々に上昇し、安定していくので、電力調整回路出力電圧V3もその電圧上昇に対応して制御される。ランプ安定点灯期に入ると、電力調整回路出力電圧V3はランプ安定電圧V4に略等しくなる。
【0023】
図2に示す本発明は、図5に示した従来例とはPFC回路10の動作が異なる。PFC回路出力電圧V1(実線)は、ランプ始動前期及びランプ始動期においてはランプ始動電圧V2に固定されるが、ランプ安定点灯期においてはV4+αに低減される(α<ΔV)。即ち、ランプ安定点灯期では、PFC回路10は入力電圧Vinを出力電圧V4+αに昇圧し、電力調整回路20は入力電圧V4+αを出力電圧V4に降下する。
【0024】
このように、ランプ安定点灯期において、電力調整回路20は電圧αだけを降下させることになる。PFC回路10の入力側から見ると、PFC回路10ではVinをV4+αだけ昇圧して、電力調整回路20ではαだけを降圧すればよいので、従来例(図5)に比べてPFC回路10及び電力調整回路20それぞれの損失を低減することができる。
従って、本発明によると、PFC回路10での昇圧動作を適正化して、始動時に必要な出力電圧を確保しつつも安定点灯時の点灯装置の効率を向上することができる。
【実施例1】
【0025】
上記の基本構成に基づいて、以下に実施例を示す。
本発明の第1の実施例では、上記の基本構成をAC100V入力時(Vin=100〔V〕)における一般的なメタルハライドランプの制御に適用する。
図2で示した動作において、ランプ始動電圧V2は約300Vであり、ランプ安定点灯期のPFC回路出力電圧V1は√2Vin+10〔V〕以上である約170Vとする。本実施例では、ランプ安定点灯期において、従来例の動作と比べて130V(=300V−170V)に対応する分だけPFC回路10での昇圧動作及び電力調整回路20での降圧動作に伴う回路損失を低減できることになる。
【実施例2】
【0026】
本発明の第2の実施例では、上記の基本構成をAC200V入力時(Vin=200〔V〕)における一般的な産業用UVランプ点灯装置の制御に適用する。
図2で示した動作において、ランプ始動電圧V2は約450Vであり、ランプ安定点灯期のPFC回路出力電圧V1は√2Vin+10〔V〕以上である約300Vとする(なお、産業用UVランプのランプ安定電圧V4は250V程度である)。本実施例では、ランプ安定点灯期において、従来例の動作と比べて、150V(=450V−300V)に対応する分だけPFC回路10での昇圧動作及び電力調整回路20での降圧動作に伴う回路損失を低減できることになる。特に、ランプ電力の大きい(数kW程度の)産業用UVランプにおいては、この回路損失低減の効果が大きい。
【0027】
なお、PFC回路出力電圧V1と電力調整回路出力電圧V3の差の下限は、その後段の電力調整回路20の駆動回路が発生させることができる最大On−Dutyによって決まる(本実施例では、最大On−Dutyは約83%である)。従って、最大On−Dutyが大きな駆動回路(ドライバIC素子)を使用することにより、PFC回路出力電圧V1と電力調整回路出力電圧V3の差を小さくすることができ、即ち、電圧V3に対して電圧V1を低くすることができ、さらに効率上昇効果を高めることができる。
【実施例3】
【0028】
本発明の第3の実施例では、上記の基本構成を超高圧水銀ランプの点灯装置及びメタルハライドランプの点灯装置の制御に適用する。超高圧水銀ランプ及びメタルハライドランプは、その特性上、ランプ寿命が進むにつれてランプ安定電圧V4が上昇し、それに伴い電力調整回路出力電圧V3も上昇する。そこで、電力調整回路出力電圧V3がPFC回路出力電圧V1に近づくと、電力調整回路20(降圧チョッパ回路の場合)が最大On−Dutyで駆動されてもランプ点灯を維持することができなくなる場合がある。そのため、ランプ安定電圧V4(電力調整回路出力電圧V3)の上昇に伴い、PFC回路出力電圧V1を上昇させる必要がある。言い換えると、PFC回路出力電圧V1をランプ電圧(≒電力調整回路出力電圧V3)に応じて上昇させて、α=V1−V3を所定値以上に維持することが望ましい。
【0029】
例えば、図3Aに示すように、寿命早期においては(長期的視点において)一定としていた安定点灯期のPFC回路出力電圧V1を、寿命の所定時点(L1)から電力調整回路出力電圧V3(ランプ安定電圧V4)に追従して上昇させるようにしてもよい。即ち、電力調整回路出力電圧V3が閾値Vth(例えば、145V程度)以下の場合にはPFC回路出力電圧V1が一定値に固定され、電力調整回路出力電圧V3が閾値Vthを超えた場合にはPFC回路出力電圧V1が電力調整回路出力電圧V3に対して所定値(例えば、35V程度)だけ高くなるようにしてもよい。なお、ランプ電圧は上述したように電力調整回路出力電圧検出部21によって検出できる。
【0030】
また、図3Bに示すように、寿命が進むにつれてランプ安定点灯期のPFC回路出力電圧V1を段階的に上昇させるようにしてもよい。例えば、電力調整回路出力電圧V3が閾値Vthを超えた場合にはPFC回路出力電圧V1が所定値(例えば、35V程度)上昇するようにしてもよい。なお、図3BにおいてはPFC回路出力電圧V1の上昇を1段としているが、これを複数段としてもよい。
【0031】
本実施例により、電力損失の低減を行いながらも、ランプ寿命末期でも確実に点灯維持を行うことができる。
【実施例4】
【0032】
図4に、本発明の第4の実施例として、上述の放電ランプ点灯装置を用いた照明装置を示す。図の照明装置はランプ60及びそれが取り付けられる照明器具70並びに上述の放電ランプ点灯装置80からなり、放電ランプ点ランプ装置80からの出力線がランプ60の電極に接続されている。なお、図は実施例を模擬的に図示したものであり、寸法、配置などは図面通りではない。
本実施例によれば、省エネで高効率の照明装置を得ることができる。
【0033】
上記に本発明の最も好適な実施例を示したが、本発明は以下のように変形可能である。
(1)上記実施例では、昇圧回路10として一般的なPFC回路10を示したが、昇圧回路10は、一般的なPFC回路に限らず、入力電流波形を整形するとともに入力電圧に対し出力電圧を昇圧させることができる回路であれば、他の構成の回路であってもよい。
【0034】
(2)上記実施例では、入力電源としてAC電源を用いたが、入力電源がDC電源である場合にも本発明を適用できる。直流入力の場合、昇圧回路10には力率改善機能や高調波低減機能はなくてもよい。
【0035】
(3)上記実施例では、電力調整回路及び交流変換回路が独立した降圧チョッパ回路及びフルブリッジ回路からなる構成を示したが、電力調整回路が交流変換回路と一体化した回路構成(ハーフブリッジ、プッシュプル等)を用いる場合でも、本発明の昇圧回路の構成をその前段に適用できる。
【0036】
(4)上記実施例では、PFC回路出力電圧V1の降下をランプ安定点灯期に行うものと示したが、ランプ始動期に行うことも可能である。但し、ランプ始動期(一般に、ランプ電圧が低く、定電流制御が行われる期間)においてはランプ電流値が高くなるため、電力調整回路20における電流に起因する損失を考慮する必要がある。
【0037】
(5)上記実施例3では、ランプ電圧の上昇に伴いPFC回路出力電圧V1を上昇させるものを示したが、ランプ電極先端における突起の成長等によりランプ電圧が減少した場合には、ランプ電圧の減少に伴いPFC回路出力電圧V1を減少させるようにしてもよい。但し、この場合もPFC回路出力電圧V1を√2Vin+10〔V〕以上とする必要がある。
【符号の説明】
【0038】
10.PFC回路(昇圧回路)
11.入力電圧検出部
12.PFC出力電圧検出部
13.平滑コンデンサ
20.電力調整回路
21.電力調整回路出力電圧検出部
30.交流変換回路
40.始動回路
50.制御回路
60.放電ランプ
70.照明器具
80.放電ランプ点灯装置

【特許請求の範囲】
【請求項1】
入力電圧を昇圧する昇圧回路、該昇圧回路の出力から放電ランプに投入する電力を調整して出力する電力調整回路、該電力調整回路の出力を交流変換する交流変換回路、前記放電ランプを始動させる始動回路、少なくとも前記電力調整回路及び前記交流変換回路を制御する制御回路、並びに前記放電ランプの動作状態を検出する検出部を備えた放電ランプ点灯装置であって、
前記制御回路が、前記検出部によって検出された点灯状態に応じて前記昇圧回路の出力電圧を制御するように構成され、
前記動作状態が、前記始動回路起動後であってランプ放電開始前の第1の期間における状態、該ランプ放電開始後であって安定点灯到達前の第2の期間における状態、及び該安定点灯到達後の第3の期間における状態からなり、
前記昇圧回路の出力電圧が前記第1の期間よりも前記第3の期間において低くなるように構成された放電ランプ点灯装置。
【請求項2】
請求項1の放電ランプ点灯装置において、前記検出部が前記電力調整回路の出力電圧を検出するように構成され、前記第3の期間において、前記電力調整回路の出力電圧の上昇に応じて前記昇圧回路の出力電圧が上昇するように構成された放電ランプ点灯装置。
【請求項3】
請求項2の放電ランプ点灯装置において、前記第3の期間において、前記電力調整回路の出力電圧が所定値以下の場合には前記昇圧回路の出力電圧が一定に固定され、前記電力調整回路の出力電圧が所定値を超えた場合には前記昇圧回路の出力電圧が前記電力調整回路の出力電圧に対して所定値だけ高くなるように構成された放電ランプ点灯装置。
【請求項4】
請求項1の放電ランプ点灯装置であって、さらに、前記入力電圧の値(Vin)を検出する入力電圧検出部を備え、
前記昇圧回路の出力電圧が√2×Vin+10[V]以上になるように構成された放電ランプ点灯装置。
【請求項5】
入力電圧を昇圧する昇圧回路、該昇圧回路の出力から放電ランプに投入する電力を調整して出力する電力調整回路、該電力調整回路の出力を交流変換する交流変換回路、前記電力調整回路及び前記交流変換回路を制御する制御回路、並びに前記放電ランプの点灯状態を検出する検出部を備えた放電ランプ点灯装置であって、
前記制御回路が、前記検出部によって検出された点灯状態に基づいて前記昇圧回路の出力電圧を制御するように構成された放電ランプ点灯装置。
【請求項6】
請求項1から5いずれか一項に記載の放電ランプ点灯装置、該放電ランプ点灯装置に接続された前記放電ランプ、及び該放電ランプが取り付けられる照明器具を備えた照明装置。

【図1】
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【図2】
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【図3A】
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【図3B】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2012−146475(P2012−146475A)
【公開日】平成24年8月2日(2012.8.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−3559(P2011−3559)
【出願日】平成23年1月12日(2011.1.12)
【出願人】(000000192)岩崎電気株式会社 (533)
【Fターム(参考)】