(57)【要約】【課題】低圧水銀灯の点灯装置において、接続電線の長さにかかわらず確実に始動点灯することができ、かつ、高効率・低コストな放電灯点灯装置を提供する。【解決手段】整流された電源電圧を直流電圧に変換する第１の昇圧コンバータ、第１の昇圧コンバータの出力を受けて放電灯に供給する電流を制御する降圧コンバータ、及び降圧コンバータの出力電圧を１ｋＨｚ以下の交流電圧に変換するフルブリッジ回路を有する放電灯点灯装置において、さらに、降圧コンバータの出力端とフルブリッジ回路の入力端の間にフルブリッジ回路側をカソードとする方向で接続されたダイオード、及び第１の昇圧コンバータの出力端とダイオードのカソードに接続され、第１の昇圧コンバータの出力を昇圧してフルブリッジ回路に入力するための第２の昇圧コンバータを備える構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
整流された電源電圧を直流電圧に変換する第１の昇圧コンバータ、該第１の昇圧コンバータの出力を受けて放電灯に供給する電流を制御する降圧コンバータ、及び該降圧コンバータの出力電圧を１ｋＨｚ以下の交流電圧に変換するフルブリッジ回路を有する放電灯点灯装置において、さらに、
前記降圧コンバータの出力端と前記フルブリッジ回路の入力端の間に該フルブリッジ回路側をカソードとする方向で接続されたダイオード、及び
前記第１の昇圧コンバータの出力端と前記ダイオードのカソードに接続され、該第１の昇圧コンバータの出力を昇圧して前記フルブリッジ回路に入力するための第２の昇圧コンバータを備えたことを特徴とする放電灯点灯装置。
【請求項２】
請求項１記載の放電灯点灯装置において、前記電源電圧を投入後、前記フルブリッジ回路を駆動する制御回路が該フルブリッジ回路を所定の期間にわたって駆動停止させるよう構成した放電灯点灯装置。
【請求項３】
請求項２記載の放電灯点灯装置において、さらに、前記放電灯の放電検出手段を備え、
前記フルブリッジ回路動作後に、前記放電検出手段が前記放電灯の放電を検出しない場合は、前記制御回路が前記フルブリッジ回路を所定の期間停止させ、前記放電検出手段が前記放電灯の放電を開始するまでの間、前記制御回路が前記停止期間を複数回繰り返すよう構成した放電灯点灯装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３いずれか一項に記載の放電灯点灯装置において、前記フルブリッジ回路の出力に接続される放電灯が低圧水銀灯である放電灯点灯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は低周波の矩形波点灯を行う、水冷式の高出力表面殺菌ランプ等として用いる低圧水銀灯（以下、「ランプ」ともいう）の点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年は、点灯装置の小型軽量化を図るために、図２に示すような、低周波の矩形波点灯を行う電子点灯方式が用いられるようになっている。
この低周波矩形波点灯装置は、図２に示すように、商用電源１、前記商用電源１より供給される交流電力を全波整流する全波整流回路２、全波整流回路２の出力電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路３、昇圧チョッパ回路３の出力を定電力化する降圧チョッパ回路４、及び降圧チョッパ回路４の出力を低周波（６０Ｈｚ〜１ｋＨｚ程度）の矩形波電力として低圧水銀灯６に供給するフルブリッジ回路５で構成され、昇圧チョッパ回路３は昇圧コイル３２、昇圧用スイッチングトランジスタ３１、ダイオード３３及びコンデンサ３４からなり、降圧チョッパ回路４は降圧用スイッチングトランジスタ４１、フリーホールダイオード４２、降圧コイル４３及び平滑コンデンサ４４からなり、フルブリッジ回路５はフルブリッジ形に接続された４つのスイッチングトランジスタ５１〜５４からなる。
【０００３】
そして、このように構成されている低周波の矩形波点灯装置においては、商用電源１からの交流電力は全波整流回路２で整流され、その直流電力は昇圧チョッパ回路３で昇圧され降圧チョッパ回路４へ入力される。降圧チョッパ回路４ではスイッチングトランジスタ４１の制御により定電力あるいは定電流制御が行なわれ、フルブリッジ回路５に入力され、フルブリッジ回路５の動作により低周波の矩形波電力が低圧水銀灯６に印加され、矩形波点灯が行なわれるようになっている。
【０００４】
この低周波の矩形波点灯方式を用いる場合、低圧水銀灯６に流れるランプ電流は低周波の交流点灯であるため、低圧水銀灯６と放電灯点灯装置を接続している電線長が長くなりインダクタンス分が大きくなっても、その長い電線がランプ電流の減流要素にはならないため、低圧水銀灯６は接続電線の長さにかかわらず、定格電流で点灯することが可能となる。
【０００５】
また、低圧水銀灯を確実に点灯開始させるには、一般的には５００Ｖ以上、または、ランプ電圧の３倍から５倍の電圧をランプに印加することが必要となる。近年はランプの大型化の要求に伴い、比較的にランプ電圧の高いランプを点灯させることが必要となってきている。つまり低圧水銀灯を点灯させるために必要となるランプ印加電圧がより高くなることになる。
【０００６】
ランプ点灯開始時にランプに印加する電圧をさらに高くする方法はいくつかある。その１つとして、例えば、フルブリッジ回路の出力側にトランス等による共振回路を設けて、フルブリッジ回路の出力電圧を共振・昇圧してランプに印加する方法がある（例えば、特許文献１）。即ち、ランプ点灯開始時のみ、フルブリッジ回路の出力周波数を、共振回路を構成する共振トランスと共振コンデンサの共振点付近（数１０ｋＨｚ）に近づけ、高い電圧を発生・印加するものである。
また、その他の方法として、図２において昇圧チョッパ回路３の出力電圧を高くしてフルブリッジ回路５の入力側電圧を高くする方法もある。
【０００７】
また、上記低周波の矩形波点灯装置において、図２に示すように、イグナイタ回路７を設け、低圧水銀灯６にパルス電圧を印加して始動点灯させる構成も考えられる。イグナイタ回路７は降圧チョッパ回路４の出力端に接続された抵抗７１とコンデンサ７２の直列回路と、低圧水銀灯６と直列に接続された２次コイルを有するパルストランス７４と、抵抗７１とコンデンサ７２の接続点とパルストランス７４の１次コイルとの間に接続された２端子半導体スイッチ７３とで構成されている。そして、パルストランス７４の２次コイルに発生したパルス電圧がフルブリッジ回路５の出力電圧に重畳される。
【特許文献１】特開平８−１２４６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１の方法によると、共振回路によって発生される共振電圧は数１０ｋＨｚの高周波電圧であるため、上述したように点灯装置とランプとを結ぶ接続電線が長い場合、その共振電圧はその接続電線のインダクタンス成分によって低減されてしまう。即ち、点灯開始の特性が配線の長さに依存してしまい、点灯装置側で制御又は調整できない要素が付加されてしまうことになる。従って、高周波電圧をランプに印加する方法は好ましくない。
【０００９】
一方、図２のように、高周波の共振電圧を用いずに低周波の高電圧により始動電圧を確保する矩形波点灯装置は、上述したように昇圧チョッパ回路３によってその始動用の電圧を出力する必要があり、即ち、前記昇圧チョッパ回路３の出力アップが必要になる。したがって、電源電圧に対しての昇圧比が大きくなるため、回路損失が大きくなってしまう。また昇圧チョッパ回路３、降圧チョッパ回路４及びフルブリッジ回路５を構成する半導体等も高耐圧化する必要があり、点灯装置の小型化を妨げ、かつコストアップの原因をとなってしまう。
【００１０】
より具体的には、図２で、例えばランプ電圧（点灯後）が１００Ｖのランプを点灯させる場合、ランプ点灯開始時にランプに印加される電圧として３６０Ｖ（ランプ電圧１００Ｖの３．６倍）程度あれば十分である。そこで、商用電圧（例えばＡＣ２００Ｖ）が投入されると、昇圧チョッパによりコンデンサ３４は例えばＤＣ３６０Ｖに昇圧される。この電圧を受け、降圧チョッパ回路４が動作するときに、フルブリッジ回路５の動作を停止させておくことにより、降圧チョッパ回路４の出力電圧もＤＣ３６０Ｖとなる。
しかし、近年のランプの大型化要求に関連して、ランプ電圧（点灯後）が例えば２５０Ｖのランプを点灯する場合では、ランプ電圧が（１００Ｖの）２．５倍となったことによりフルブリッジ回路に入力する電圧も（ＤＣ３６０Ｖの）２．５倍、即ち、ＤＣ９００Ｖが必要となることになる。従って、昇圧チョッパ回路３によってＤＣ９００Ｖに昇圧する必要があり、昇圧チョッパ回路３や降圧チョッパ回路４に高耐圧の部品が必要となってしまう。
【００１１】
図２においてＤＣ９００Ｖをフルブリッジ回路５に入力しようとした場合、昇圧チョッパ回路３及び降圧チョッパ回路４に着目した場合、半導体部品だけでも、スイッチングトランジスタ３１、ダイオード３３、スイッチングトランジスタ４１、ダイオード４２の４つの素子を高耐圧にしなければならない。これらの素子耐圧のアップはコストアップとともに回路効率の低下という観点でも好ましくない。通常、スイッチングトランジスタは絶対最大定格電圧が高くなるほど（高耐圧になるほど）オン抵抗が高くなるので、その素子における損失が大きくなる。特に、ランプの放電開始という短い時間における耐圧を確保するために、点灯開始時よりもはるかに長い点灯開始後の時間における損失が増えるので、これらのスイッチングトランジスタの耐圧アップは好ましくない。
【００１２】
一方、イグナイタ回路７におけるパルストランス７４で発生する高圧パルスにより低圧水銀灯６を始動させる場合を考えた場合、フルブリッジ回路５の出力電圧にパルス電圧を重畳することができるので、低圧水銀灯６をより確実に始動させることができる。しかし、このような低圧水銀灯を始動させるためのパルストランスは一般的には小型、軽量化のため、フェライトコアで構成されており、インダクタンス値は小さく、そのため始動させるためのパルス電圧幅を数μsec程度よりも大きくするのは難しい。従って、低圧水銀灯６への接続電線長が長くなると、その分布容量によりそのパルス電圧が減衰してしまう。即ち、接続電線長が長いほど、低圧水銀灯６の始動確率が低下することになる。従って、ランプまでの配線が一定でない低圧水銀灯において、イグナイタ回路は補助的な始動手段としては有効であるが、それのみでは有効な始動手段とはいえない。
【００１３】
上記をまとめると、フルブリッジ回路の出力側に高周波の高電圧（イグナイタ回路による間欠的な単パルスも含む）を発生させる方法は、長い配線を持つような点灯装置には原理的に不向きである。従って、低周波の高電圧をランプに印加するために、フルブリッジ回路の動作周波数を高くすることなくフルブリッジ回路の入力電圧を高くする方法をとる必要があり、そのための高効率・低コスト・小型な回路構成が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によると、整流された電源電圧を直流電圧に変換する第１の昇圧コンバータ、第１の昇圧コンバータの出力を受けて放電灯に供給する電流を制御する降圧コンバータ、及び降圧コンバータの出力電圧を１ｋＨｚ以下の交流電圧に変換するフルブリッジ回路を有する放電灯点灯装置において、さらに、降圧コンバータの出力端とフルブリッジ回路の入力端の間にフルブリッジ回路側をカソードとする方向で接続されたダイオード、及び第１の昇圧コンバータの出力端とダイオードのカソードに接続され、第１の昇圧コンバータの出力を昇圧してフルブリッジ回路に入力するための第２の昇圧コンバータを備える構成とした。
【００１５】
ここで、電源電圧を投入後、フルブリッジ回路を駆動する制御回路がフルブリッジ回路を所定の期間にわたって駆動停止させるよう構成した。
さらに、放電灯の放電検出手段を備え、フルブリッジ回路動作後に、放電検出手段が放電灯の放電を検出しない場合は、制御回路がフルブリッジ回路を所定の期間停止させ、放電検出手段が放電灯の放電を開始するまでの間、制御回路が停止期間を複数回繰り返すよう構成した。
また、フルブリッジ回路の出力に接続される放電灯を低圧水銀灯とした。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、低周波の始動電圧を印加する方式を採用し、しかも、高電圧を発生させる回路を昇圧チョッパ回路とは別に設けたので、点灯装置からランプまでの配線が長くても確実に高電圧をランプに印加することができ、しかも、昇圧チョッパ回路や降圧チョッパ回路のスイッチングトランジスタなどに高耐圧部品を使用する必要はなく、不要な損失や大幅なコストアップを伴うことがない。
【００１７】
さらに、フルブリッジ回路にＤＣ−ＤＣコンバータにより昇圧された電圧を印加し、始動点灯するように構成し、点灯しなかった場合にはフルブリッジ回路に一定の動作停止期間を設け、放電灯が放電を開始するまで複数回、この動作を繰り返すことをすることで、低圧水銀灯を接続する電線長の長さにかかわらず確実に始動点灯することができる。また、点灯した後に、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を停止させ無駄な電力消費を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に実施例について説明する。図１は本発明の放電灯点灯装置の実施例を示す回路構成図である。この実施例が構成上図２に示した従来例と異なる点は、降圧チョッパ回路４とフルブリッジ回路５の間に高耐圧のダイオード９を追加し、ＤＣ−ＤＣコンバータ８を昇圧チョッパ回路３から昇圧に必要な１次電圧の印加を受け、フルブリッジ回路５に電圧を印加することである。
【００１９】
具体的には、例えば、商用電源１のＡＣ１００Ｖ又は２００Ｖが昇圧チョッパ回路３によってＤＣ３６０Ｖに昇圧され、その出力が降圧チョッパ回路４及びＤＣ−ＤＣコンバータ８に入力される。なお、点灯開始時において降圧チョッパ回路４は動作していない（そのままＤＣ３６０Ｖを出力する）。ＤＣ−ＤＣコンバータ８はスイッチングトランジスタ８５のスイッチング動作により２次電圧がトランス８１の２次側に発生し、ダイオード８２を介してコンデンサ８４によって蓄えられる。このとき、２次電圧は所望の値（本実施例ではＤＣ９００Ｖ）になるように設定されている。なお、このＤＣ−ＤＣコンバータの基本的な動作や出力電圧の設定は周知技術であるので説明を省略する。
【００２０】
ここで、回路を構成する各素子に印加される最大電圧について検討する。昇圧チョッパ回路３を構成する各素子、降圧チョッパ回路４を構成する各素子、及びＤＣ−ＤＣコンバータのトランス８１の１次側においては各素子に最大３６０Ｖの電圧がかかる。そして、ダイオード９のカソード側及びトランス８１の２次側には最大９００Ｖの電圧がかかることになる。従って、フルブリッジ回路５の入力側に着目した場合、高耐圧（９００Ｖに耐えられる素子）としなければならない半導体素子はダイオード９及びダイオード８２の２素子のみであり、スイッチングトランジスタに高耐圧のものを使用する必要はない。もっとも、フルブリッジ回路５のスイッチングトランジスタ５１〜５４は高耐圧（９００Ｖに耐えられる素子）としなくてはならないが、これは図２のような従来的な回路においても同じことである。
【００２１】
またここで、フルブリッジ回路５の入力部までの各ブロック又は素子の電流容量に着目すると、昇圧チョッパ回路３、降圧チョッパ回路４及びダイオード９はランプ点灯開始後も主回路を形成するので、それ相応の電流容量の素子で構成する必要がある。一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ８はランプ点灯開始前の所定の期間におけるランプ電極間の絶縁破壊のみを目的とするので、電流容量は昇圧チョッパ回路３よりも十分小さいものでよい。
【００２２】
従って、各回路を構成する素子の電流容量は上記を考慮して選択すればよい。例えば、昇圧チョッパ回路３のコンデンサ３４は比較的容量の大きい（例えば、数１００μＦの）電解コンデンサを用いる必要があるが、ＤＣ−ＤＣコンバータ８のコンデンサ８４には比較的容量の小さい（例えば、０．１μＦ程度の）フィルムコンデンサ等を用いることができる。これにより、主要部品の１つである電解コンデンサ３４の耐圧を上げることなく、フルブリッジ回路５への入力電圧を高くすることができる。
【００２３】
ちなみに、図２の従来の回路において、昇圧チョッパ回路３の出力電圧が最大ＤＣ３６０Ｖの場合、電解コンデンサは耐圧４００Ｖ程度もので十分であるが、出力電圧を最大ＤＣ９００Ｖとした場合、そのコンデンサには耐圧１０００Ｖ程度のものが必要になってしまう。電解コンデンサの単価は（容量が同じ場合）耐圧上昇率のおおよそ二乗に比例して上昇するので、図２の構成において、フルブリッジ回路５に入力する電圧をＤＣ３６０ＶからＤＣ９００Ｖにしようとした場合、主要部品である電解コンデンサのコストだけでも６倍近くのコストアップが必要になることになる。
なお、コンデンサ８４について、当業者であれば分かるように、フィルムコンデンサの高耐圧化（１０００Ｖ程度）は、サイズ、コストとも大きな問題とはならない。
【００２４】
次に、点灯開始時の動作について説明する。ＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力電圧は、その出力インピーダンスが無限大に近い場合には、例えば９００Ｖになるように設定すると、ダイオード９のカソード側（フルブリッジ回路５）の電圧ＤＣ９００Ｖとなる。ここで、次のタイミングでフルブリッジ回路５を動作させることにより、ランプ端には９００Ｖの矩形波電圧が印加され、かつイグナイタ回路７によりパルス電圧も重畳されランプは始動する。
【００２５】
なお、フルブリッジ回路５の動作周波数は点灯開始後は６０Ｈｚから１ｋＨｚ程度とするのが望ましい。なぜなら、動作周波数が６０Ｈｚよりも小さい場合はランプ電流の極性反転に起因するちらつきが視認できるようになってしまい、一方、１ｋＨｚ以上ではランプ発光管内での音波の定在波による音響共鳴現象が発生し、それに起因するちらつきや立ち消えが発生する可能性があるためである。しかし、本実施例において、フルブリッジ回路５の動作周波数を低周波とする目的は、ランプ配線が長い場合でも減衰し難いランプ電圧波形をランプ点灯開始前の期間のみ発生させることにあるので、ランプ点灯開始時における動作周波数は必ずしも上記の点灯開始後の動作周波数に拘束される必要はない。但し、フルブリッジ回路５の制御などを複雑化しないためにも点灯開始前後で同じ動作周波数とすることが望ましい。
【００２６】
また、ランプの始動性が悪く、瞬時にランプが点灯を開始できない場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ８は、電流容量が小さい設計のため、ランプに流れるグロー電流等のためＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力電圧が低下しランプを点灯させることができなくなってしまう場合がある。そこで、ランプを点灯させられなかった場合は、一定時間毎にフルブリッジ回路５の動作を止め、ＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力電圧となるコンデンサ８４への充電を開始させ再び設定値（ＤＣ９００Ｖ）にもどし、再度ブリッジ回路を動作させてランプ点灯を試みるようにすればよい。これを複数回繰り返すことにより、始動性の悪いランプも確実に始動させることが可能となる。
【００２７】
なお、ランプ６が点灯を開始したか否かの検出は公知の手段により行えばよい。図１においては、図面が煩雑になるのを避けるために検出用の回路は図示していないが、例えば、フルブリッジ回路５の低電圧側トランジスタのグランド側端子とグランド間に低抵抗素子を挿入してその抵抗に発生する電圧（即ち、ランプ電流）を検出する構成を用いてもよい。また、ランプ６の両端に発生する電圧を検出してその電圧の急峻な低下を検出してもランプ６の点灯開始を検出することができる。さらに、検出を確実にするために、上記のランプ電流検出とランプ電圧検出の双方を用いてもよい。
【００２８】
上記より、図１に示す回路によると、ランプ６までの配線が長くても確実に高電圧をランプに印加する構成とすることができ、かつ、スイッチングトランジスタ及び電解コンデンサに高耐圧部品を使用する必要がないので不要な損失や大幅なコストアップを伴うことがない。
【００２９】
また、ランプが点灯した後はＤＣ−ＤＣコンバータ８の出力に接続されたトランジスタ８５をＯＦＦさせ、ＤＣ−ＤＣコンバータ８からランプ６への電流を停止することにより、抵抗８３での発熱などの無駄な電力消費を抑制できるようになる。
【００３０】
また、別の観点として、ランプ点灯開始時の短時間に高電圧をランプ６に印加するための回路としてＤＣ−ＤＣコンバータ８が設けられ、ランプ点灯開始後の長い時間にわたって効率よく電力を供給するための回路として、昇圧チョッパ回路３及び降圧チョッパ回路４が存在するので、それぞれの求められる特性・仕様に応じて各回路の最適な設計をすることができる。
【００３１】
なお、上記実施例は本発明の最も好適な例として示したものであるが、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、例えば以下のように変更することも可能である。
（１）実施例では、昇圧チョッパ回路３、降圧チョッパ回路４、ＤＣ−ＤＣコンバータ８として、それぞれ、ブーストコンバータ、バックコンバータ、フライバックコンバータを用いたが、他の周知の方式の昇圧コンバータ、降圧コンバータ又は昇降圧コンバータを用いてもよい。
（２）実施例ではランプ電流を矩形波の交流電流としたが、昇圧チョッパ回路３、降圧チョッパ回路４等の出力を適宜調整して、ランプ電流が完全な矩形波ではないような波形としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る放電灯点灯装置の実施例を示す回路構成図。
【図２】従来の低周波の矩形波点灯装置の他の構成例を示す回路構成図。
【符号の説明】
【００３３】
１．商用電源
２．全波整流回路
３．昇圧チョッパ回路
４．降圧チョッパ回路
５．フルブリッジ回路
６．低圧水銀灯（ランプ）
７．イグナイタ回路
８．ＤＣ−ＤＣコンバータ
９．ダイオード
【図１】
2008084627.tif 000003
【図２】
2008084627.tif 000004