CN101743783B - 放电灯用控制装置以及光源装置 - Google Patents

放电灯用控制装置以及光源装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供可实现低消耗电力并提高放电灯的点灯性的放电灯用控制电路以及光源装置。在第4时刻(t4),不预先将可变电阻(RC1,RC2)的电阻值切换到稳定放电时的低电阻(R02),而在向灯丝的供给电力降低后的第5时刻(t5),将可变电阻(RC1,RC2)的电阻值切换到低电阻(R02)。通过该控制,从而在向灯丝的供给电力降低时,因为可变电阻充分地吸收灯阻抗的变化,所以抑制了放电的不稳定化并提高了点灯性。

Description

放电灯用控制装置以及光源装置
技术领域
本发明涉及放电灯用控制装置以及光源装置。
背景技术
氘灯等的放电灯被使用于各种测量仪器的基准光源等中。与这样的放电灯相关的技术记载于专利文献1、专利文献2、专利文献3以及专利文献4中。这样的放电灯具有封入了气体的密闭容器、由被配置于密闭容器内的灯丝(filament)构成的阴极、被配置于密闭容器内的阳极、以及具有位于阴极与阳极之间的放电路径上的第1开口的孔部材。
另外,小型放电灯的开发也正在进行。专利文献5、专利文献6、以及专利文献7中所记载的放电灯公开了比较小型的放电灯。
这样的放电灯具备用于控制其点灯的控制装置。在放电灯的点灯电源中为了补正灯的负特性而将电流限制电阻串联放入到放电电流电路中,但是在该电阻上的损失对灯的发光毫无帮助,所以就变得单单是降低了电源的效率。在电源效率较差的情况下,消耗电力会变大,而且由于大型电源将成为必要,因而装置的小型化就变得困难了。
因此,在稳定放电时通过减小电流限制电阻的大小从而能够提高电源的效率并能够使装置小型化。在放电灯刚被点灯之后,即在预备放电的时候,由于灯阻抗的变化较大,所以应该可以只在放电灯点灯的时候提高电流限制电阻。
专利文献1:日本特许第3064359号公报
专利文献2:日本特公昭56-29359号公报
专利文献3:日本特开平4-303597号公报
专利文献4:美国专利5530319号说明书
专利文献5:国际公开WO2006/022144号小册子
专利文献6:国际公开WO2006/087975号小册子
专利文献7:国际公开WO2006/087976号小册子
发明内容
发明所要解决的问题
然而,观察到以下情况:如果将电流限制电阻切换到低电阻,那么由于应该从预备放电切换到主放电,因而放电灯发生熄灭。
本发明有鉴于上述的问题,以提供一种可以实现低消耗电力并可以提高放电灯的点灯性的放电灯用控制电路以及光源装置为目的。
解决问题的方法
为了解决上述的问题,适用本发明所涉及的放电灯用控制装置的放电灯具有封入了气体的密闭容器、由被配置于密闭容器内的灯丝构成的阴极、被配置于密闭容器内的阳极、以及具有位于阴极与阳极之间的放电路径上的第1开口的孔部材。
本发明所涉及的放电灯用控制装置是用于控制该放电灯的控制装置,其中,具备能够将电阻值切换到高电阻值和低电阻值、在稳定放电时被设定为低电阻值、且介于所述阳极与电源之间的可变电阻、以及控制单元。在此,控制单元为:将第1、第2、第3、第4以及第5时刻作为按照该顺序经过的时刻,在第1时刻开始向所述灯丝供给电力,在第2时刻在使可变电阻的电阻值为高电阻值的状态下从电源向阳极施加主电压,在第3时刻在使可变电阻的电阻值为高电阻值的状态下开始向阳极或者孔部材施加预备放电用的触发电压,在第4时刻不使可变电阻的电阻值为低电阻值并降低向灯丝的供给电力,在第5时刻使可变电阻的电阻值为低电阻值。
在此,高电阻值以及低电阻值是相对的电阻值。
根据该控制装置,通过在第1时刻向灯丝供给电力,从而从灯丝产生热电子。在第2时刻以及第3时刻,通过向阳极施加主电压和触发电压,从而在阴极与孔部材之间以及在阴极与阳极之间发生预备放电。此时,由于可变电阻的电阻值是高电阻,所以可变电阻吸收灯阻抗的变化,从而能够使放电稳定而持续。如果预备放电结束,那么迅速地转移至主放电。在发生主放电的情况下,由于大量的热电子稳定地从阴极流向阳极,所以在灯丝上所产生的热电子量可以比放电开始时少。因此,降低了向灯丝的供给电力,从而抑制了电力消耗。
本申请发明者们判明了:向灯丝的供给电力的变化会引起灯阻抗的变化。即如果降低灯丝的供给电力,那么放电会变得不稳定,放电灯会熄灭。因此,在第4时刻,不预先将可变电阻的电阻值切换到稳定放电时的低电阻,而在向灯丝的供给电力下降后的第5时刻,再将可变电阻的电阻值切换到低电阻。通过该控制,从而在向灯丝的供给电力下降时,因为可变电阻充分地吸收灯阻抗的变化,所以抑制了放电的不稳定化,并提高了点灯性。
另外,在进行稳定放电的情况下,由于可变电阻是低电阻,所以消耗电力变小,再有,因为也降低了向灯丝的供给电力,所以可以提高点灯性并可以显著地降低消耗电力。
另外,上述的可变电阻,其特征为:具备串联连接于可变电阻的第1和第2端子之间的主电阻、在第1和第2端子之间串联连接且相对于主电阻并联连接的晶体管和第1副电阻、在第1和第2端子之间串联连接且相对于主电阻并联连接的第2副电阻和电容器、以及相对于电容器并联连接且其阴极连接于晶体管的控制端子、其阳极连接于第2端子的齐纳二极管(Zener diode)。
根据该结构的可变电阻,如果开始主放电且向放电灯的阳极供给的电流开始流向主电阻,那么可变电阻的第1和第2端子之间的合成电阻值随着时间的经过而逐渐地降低,最终成为稳定放电时所必要的低电阻值。在该可变电阻中,由于电阻值连续且平滑地发生变化,所以电阻切换时的阳极电压变化变得平滑,并进一步提高了点灯性。
本发明所涉及的光源装置具备上述的放电灯用控制装置以及放电灯,因而能够提高放电灯的点灯性并能够降低其消耗电力。
发明的效果
根据本发明的放电灯用控制装置以及光源装置,能够提高放电灯的点灯性并能够降低其消耗电力。
附图说明
图1是实施方式所涉及的光源装置的电路图。
图2是点灯时的各电压的时序图。
图3是其它的构成所涉及的放电灯用控制装置的电路图。
图4是图3的光源装置的点灯时的各电压的时序图。
图5是表示可变电阻的一个例子的电路图。
图6是表示放电灯的消耗电力、放电电流、补正电阻值(点灯时:R01)、补正电阻值(R02)、使用补正电阻(R02)的时候的消耗电力、使用补正电阻(R01)的时候的消耗电力的表。
图7是其它的实施方式所涉及的光源装置的电路图。
符号的说明
AN阳极
CA阴极
RC1,RC2电流限制电阻(可变电阻)
AP孔部材
SH屏蔽电极
具体实施方式
以下,对实施方式所涉及的放电灯用控制装置进行说明。对相同的要素使用相同的符号,省略重复的说明。在此,通过将控制装置(控制单元)连接于放电灯1从而构成了光源装置。
图1是实施方式所涉及的光源装置的电路图。
放电灯1是一直以来众所周知的通常的放电灯,作为小型的放电灯,例如记载于上述的专利文献5~7中。作为放电灯的形状,已知有从密闭容器的侧面射出光的侧窗(side-on)型和从密闭容器的顶面射出光的天窗(head-on)型,一般由玻璃构成。
放电灯1具有封入了放电用气体的密闭容器10、由被配置于密闭容器10内的灯丝构成的阴极CA、被配置于密闭容器10内的阳极AN、以及具有位于阴极CA与阳极AN之间的放电路径W上的第1开口AP1的孔部材(放电控制部)AP。在孔部材AP1的附近,激发被封入的气体,从而进行发光。作为被封入到密闭容器10内的气体,已知有稀有气体和水银气体或者氘气。本例的放电灯为氘灯。氘灯是通过氘气的放电而在紫外区域产生连续光谱,并被使用于分析仪器等。
在密闭容器10内具备包围灯丝的周围并具有长方形的第2开口AP2的屏蔽电极SH。孔部材AP以及屏蔽电极SH由铝或不锈钢等的金属构成,屏蔽电极SH的电位被设定为接地电位或者悬浮(floating)电位。在灯丝上所产生的热电子依次经由屏蔽电极SH的第2开口AP2、孔部材AP的第1开口AP1并被阳极AN收集。实际的屏蔽电极SH的第2开口AP2被设置于其贯通轴相对于孔部材AP的第1开口AP1的贯通轴垂直的位置,在灯丝上所产生的热电子划出一个圆弧而入射到孔部材AP的开口AP1内。
放电灯用控制装置将构成阴极CA的灯丝的一端连接于接地电位GND,经由切换开关SWF将另一端连接于加热器电源Vf1或者Vf2。切换开关SWF在连接于端子Tf1的情况下连接电源Vf1和阴极CA,在连接于端子Tf2的情况下连接电源Vf2和阴极CA。在根据来自控制电路CONT的指令而将切换开关SWF连接于加热器电源Vf1的情况下,从加热器电源Vf1流出的电流被供给给阴极CA,在连接于加热器电源Vf2的情况下,从加热器电源Vf2流出的电流被供给给阴极CA。加热器电源Vf1的电压被设定成高于加热器电源Vf2的电压。
放电灯用控制装置通过电流限制电阻(补正电阻)RC1或者RC2而将阳极AN连接于主电源(电流源Is)。施加了正向偏压(bias)的二极管D1介于电流源Is与阳极AN之间。二极管D1的位置可以位于电流限制电阻RC1或者RC2的上游位置。
适用哪个电流限制电阻是由主偏压切换开关SWC来决定的。在将切换开关SWC连接于端子TRC1的情况下,电流源Is与阳极AN通过电阻RC1而连接;在连接于端子TRC2的情况下,电流源Is与阳极AN通过电阻RC2而连接。电流限制电阻RC1的电阻值被设定为较高而电流限制电阻RC2的电阻值被设定为较低。由电流限制电阻RC1以及电流限制电阻RC2构成的电阻组构成可变电阻。将该可变电阻的高电位侧的节点作为A,将低电位侧的节点作为B。
放电灯用控制装置具备触发电源P1。触发电阻RTRIG和电容器CTRIG被并联连接于触发电源P1。如果将触发电压施加用切换开关SWTRIG连接于端子TP,那么电荷从触发电源P1流向电容器CTRIG,从而电容器CTRIG被充电。接着,如果将切换开关SWTRIG连接于端子TA,那么充电了的电容器CTRIG被连接于阳极AN以及孔部材AP,从而触发电压被施加于阳极AN以及孔部材AP。在此,必要时使电容器C1介于端子TA与孔部材AP之间,触发电压所含的峰值电压作为交流成分而流向孔部材AP。由此而变成了充分地进行预备放电的构成。
各切换开关SWF、SWC、SWTRIG的切换动作根据从控制电路CONT向开关SWF、SWC、SWTRIG输出的控制信号而进行。切换开关SWF、SWC、SWTRIG例如能够由继电器(relay)或者一对晶体管构成。由上述的电流限制电阻RC1以及电流限制电阻RC2构成的可变电阻能够将其电阻值切换至高电阻值(R01)和低电阻值(R02)。该可变电阻的电阻值在稳定放电时被设定为低电阻值(R02)。在此,高电阻值以及低电阻值是相对的电阻值。
控制电路CONT如以下所述控制放电灯1的点灯。
图2是点灯时的各电压的时序图。将第1时刻t1、第2时刻t2、第3时刻t3、第4时刻t4以及第5时刻t5作为按照该顺序经过的时刻。Vo是阳极AN与接地GND之间的电压,Vf是被施加于阴极CA的灯丝的两端的电压,Ro是可变电阻(RC1,RC2)的电阻值。
通过将开关SWF连接于端子Vf1,从而将灯丝连接于电源Vf1,在第1时刻t1开始向灯丝的电力供给,并持续该状态。通过将开关SWC连接于端子TRC1,从而在第2时刻t2在使可变电阻(RC1,RC2)的电阻
值为高电阻值(Ro=R01)的状态下从电源(Is)将主电压(Vo)施加到阳极AN。在第3时刻t3在使可变电阻(RC1,RC2)的电阻值为高电阻值(Ro=R01)的状态下通过开关SWTRIG将充电了的电容器CTRIG连接于端子TA,从而开始对阳极AN以及孔部材AP施加预备放电用的触发电压(Vo)。
在第4时刻t4不使可变电阻(RC1,RC2)的电阻值为低电阻值(Ro=R02),并将开关SWF连接于端子Tf2从而将灯丝连接于电源Vf2(比Vf1低的电压),使向灯丝的供给电力(电压Vf)降低。通过将开关SWC连接于端子TRC2从而在第5时刻t5使可变电阻(RC1,RC2)的电阻值为低电阻值(Ro=R02)。在此,在第3时刻t3电压Vo降低。
根据该控制装置,在第1时刻t1通过将电力供给给阴极CA(灯丝),从而从灯丝产生热电子。在第2时刻t2以及第3时刻t3,通过将主电压和触发电压施加到阳极AN从而在阴极CA与孔部材AP之间以及在阴极CA与阳极AN之间发生预备放电。此时,可变电阻(RC1,RC2)的电阻值因为是高电阻(R01),所以可变电阻(RC1,RC2)吸收灯阻抗的变化,从而能够使放电稳定而持续。
如果预备放电结束,则迅速地转移至主放电。在发生主放电的情况下,因为大量的热电子稳定地从阴极CA流向阳极AN,所以在灯丝上所产生的热电子量可以变得比放电开始时少。因此,在本实施方式中,可以使向灯丝的供给电力降低并抑制消耗电力。
在此,可变电阻(RC1,RC2)的两端之间的电阻值在时刻t5虽然可以切换到低电阻(R02),但是这可以是以从时刻t3开始逐渐地降低从而最终在时刻t5变成低电阻(R02)的方式进行切换。
在本实施方式中,在第4时刻t4不预先将可变电阻(RC1,RC2)的电阻值切换到稳定放电时的低电阻(R02),而在向灯丝的供给电力降低后的第5时刻t5,将可变电阻(RC1,RC2)的电阻值切换到低电阻(R02)。通过该控制,从而在向灯丝的供给电力降低时,因为可变电阻充分地吸收灯阻抗的变化,所以抑制了放电的不稳定化并提高了点灯性。
另外,在进行稳定放电的情况下,由于可变电阻是低电阻(R02)所以消耗电力变小,再有,因为也降低了向灯丝的供给电力(电压Vf),所以使点灯性提高并可以显著地降低消耗电力。
本发明所涉及的光源装置具备上述的放电灯用控制装置以及放电灯,并且能够提高放电灯的点灯性并能够降低其消耗电力。
图3是其它的构成所涉及的放电灯用控制装置的电路图。
在本例中,取代图1所示的触发电压发生电路(P1,CTRIG,RTRIG,SWTRIG)而将电阻RG和触发施加用连接开关SWG串联连接于阳极AN与孔部材SH之间,其它的构成与图1所记载的构成相同。
图4是图3的光源装置的点灯时的各电压的时序图。Vo是阳极AN与接地GND之间的电压,Vg是孔部材AP与接地电位GND之间的电压,Vf是被施加于阴极CA的灯丝的两端的电压,Ro是可变电阻(RC1,RC2)的电阻值。在时刻t1、t2、t4、t5的动作与在图2中所说明的动作相同。在本例中,在第3时刻t3通过连接开关SWG从而被施加于孔部材AP的触发电压Vg上升。由此,将触发电压施加于孔部材AP并进行预备放电,从而迅速地进行主放电。
即在第4时刻t4不使可变电阻(RC1,RC2)的电阻值为低电阻值(Ro=R02),并将开关SWF连接于端子Tf2,从而将灯丝连接于低电压电源Vf2,使向灯丝的供给电力(电压Vf)降低。通过将开关SWC连接于端子TRC2从而在第5时刻t5使可变电阻(RC1,RC2)的电阻值为低电阻值(Ro=R02)。
在本实施方式中,在第4时刻t4不预先将可变电阻(RC1,RC2)的电阻值切换到稳定放电时的低电阻(R02),而在向灯丝的供给电力降低后的第5时刻t5,将可变电阻(RC1,RC2)的电阻值切换到低电阻(R02)。通过该控制,从而在向灯丝的供给电力降低时,因为可变电阻充分地吸收灯阻抗的变化,所以抑制了放电的不稳定化并提高了点灯性。
另外,在进行稳定放电的情况下,因为可变电阻是低电阻(R02)所以消耗电力变小,再有,因为也降低了向灯丝的供给电力(电压Vf),所以提高了点灯性并显著地降低了消耗电力。在此,触发电压可以只施加于阳极AN,也可以只施加于孔部材AP,当然也可以施加于双方。
图5是表示上述的可变电阻的一个例子的电路图。
上述的可变电阻具备串联连接于可变电阻的第1端子A和第2端子B之间的主电阻R2、在第1端子A和第2端子B之间串联连接并相对于主电阻R2并联连接的电场效应晶体管Q1和第1副电阻R3、在第1端子A和第2端子B之间串联连接且相对于主电阻R2并联连接的第2副电阻R1和电容器C2、以及相对于电容器C2并联连接且其阴极连接于晶体管Q1的控制端子(栅极gate)、其阳极连接于第2端子B的齐纳二极管ZD。
根据该结构的可变电阻,如图2以及图4的虚线所示,在第3时刻t3之后,电阻值会逐渐地降低,在第5时刻t5会变成低电阻。
即如果在时刻t3之后开始主放电,向放电灯1的阳极AN供给的电流开始流向主电阻R2,那么可变电阻的第1端子A以及第2端子B之间的合成电阻值随着时间的经过而逐渐地降低,最终成为稳定放电时所必要的低电阻值。在该可变电阻中,因为电阻值连续且平滑地进行变化,所以电阻切换时的阳极电压变化变得平滑,进一步提高了点灯性。
如果开始流向主电阻R2,那么在其两端会产生电位差,并通过副电阻R1而使电容器C2被充电,从而电容器C2的上游侧的电位变成正电位。如果将该正电位赋予N通道的电场效应晶体管Q1的栅极,那么晶体管Q1会导通从而电流也会流向晶体管R3。即电阻R2和电阻R3的合成电阻降低。接着,如果通过电流进一步流动,从而在端子A和端子B之间的电位差扩大,则电流也开始流向齐纳二极管ZD,包含电阻R2、R3、R1的合成电阻的值进一步降低,并收敛于一定值。在稳定状态下,放电电流为一定值。
如以上所述,在灯被点亮之后,并在补正电阻值降低到稳定状态的值之前,灯丝电压发生变化。
图6是表示放电灯的消耗电力、放电电流、补正电阻值(点灯时:R01)、补正电阻值(R02)、使用补正电阻(R02)的时候的消耗电力、使用补正电阻(R01)的时候的消耗电力的表。灯X为大型的放电灯,灯Y为小型的放电灯。已知:无论在哪种类型的放电灯中,通过切换补正电阻(电流限制电阻),从而均显著地降低了消耗电力。也可以利用IC作为本发明的控制单元并可以进行利用计算机的控制。
图7是将触发电压只施加于阳极AN的方式的光源装置的电路图。
图7所示的光源装置是从图1所示的光源装置中删除了电容器C1的装置,且不是将触发电压施加于孔部材AP的构成。对于在此情况下的点灯动作,可再次参照图2来进行说明。
图2是点灯时的各电压的时序图。将第1时刻t1、第2时刻t2、第3时刻t3、第4时刻t4以及第5时刻t5作为按照该顺序经过的时刻。Vo是阳极AN与接地GND之间的电压,Vf是被施加于阴极CA的灯丝的两端的电压,Ro是可变电阻(RC1,RC2)的电阻值。
通过将开关SWF连接于端子Vf1从而将灯丝连接于电源Vf1,在第1时刻t1开始向灯丝的电力供给并持续该状态。通过将开关SWC连接于端子TRC1从而在第2时刻t2在使可变电阻(RC1,RC2)的电阻值为高电阻值(Ro=R01)的状态下从电源(Is)将主电压(Vo)施加到阳极AN。在第3时刻t3在使可变电阻(RC1,RC2)的电阻值为高电阻值(Ro=R01)的状态下通过开关SWTRIG将充电了的电容器CTRIG连接于端子TA,从而开始对阳极AN施加放电用的触发电压(Vo)。
在第4时刻t4不使可变电阻(RC1,RC2)的电阻值为低电阻值(Ro=R02),并将开关SWF连接于端子Tf2,从而将灯丝连接于电源Vf2(比Vf1低的电压),使向灯丝的供给电力(电压Vf)降低。通过将开关SWC连接于端子TRC2从而在第5时刻t5使可变电阻(RC1,RC2)的电阻值为低电阻值(Ro=R02)。在此,在第3时刻t3电压Vo降低。
根据该控制装置,通过在第1时刻t1将电力供给给阴极CA(灯丝),从而从灯丝产生热电子。在第2时刻t2以及第3时刻t3,通过将主电压和触发电压施加到阳极AN,从而在阴极CA与阳极AN之间发生放电。此时,因为可变电阻(RC1,RC2)的电阻值是高电阻(R01),所以可变电阻(RC1,RC2)吸收灯阻抗的变化,从而能够使放电稳定而持续。
在转移至主放电之后,因为大量的热电子稳定地从阴极CA流向阳极AN,所以在灯丝上所产生的热电子量可以比放电开始时少。因此,在本实施方式中,降低了向灯丝的供给电力并抑制了电力消耗。
在此,可变电阻(RC1,RC2)的两端之间的电阻值可以在时刻t5被切换到低电阻(R02),但是这也可以是以从时刻t3逐渐地降低从而最终在第5时刻t5变成低电阻(R02)的方式进行切换。
在本实施方式中,在第4时刻t4,不预先将可变电阻(RC1,RC2)的电阻值切换到稳定放电时的低电阻(R02),而在向灯丝的供给电力降低后的第5时刻t5,将可变电阻(RC1,RC2)的电阻值切换到低电阻(R02)。通过该控制,从而在向灯丝的供给电力降低时,因为可变电阻充分地吸收灯阻抗的变化,所以抑制了放电的不稳定化并提高了点灯性。
另外,在进行稳定放电的情况下,因为可变电阻是低电阻(R02)所以消耗电力变小,再有,因为也降低了向灯丝的供给电力(电压Vf),所以提高了点灯性并显著地降低了消耗电力。
本发明所涉及的光源装置具备上述的放电灯用控制装置以及放电灯,并且能够提高放电灯的点灯性并能够降低其消耗电力。

Claims (4)

1.一种放电灯用控制装置,其特征在于,
该放电灯用控制装置是用于控制放电灯的控制装置,
该放电灯具有:
封入了气体的密闭容器;
由被配置于所述密闭容器内的灯丝构成的阴极;
被配置于所述密闭容器内的阳极;以及
具有位于所述阴极与所述阳极之间的放电路径上的第1开口的放电控制部,
所述放电灯用控制装置具备:
可变电阻,其能够将电阻值切换到高电阻值和低电阻值,并在稳定放电时被设定为低电阻值,并且介于所述阳极与电源之间;和
控制单元,
所述控制单元为:
第1、第2、第3、第4以及第5时刻是按照第1、第2、第3、第4以及第5时刻的顺序经过的时刻;
在所述第1时刻,开始向所述灯丝供给电力;
在所述第2时刻,在使所述可变电阻的电阻值为高电阻值的状态下,从所述电源将主电压施加到所述阳极;
在所述第3时刻,在使所述可变电阻的电阻值为高电阻值的状态下,开始向所述阳极或者所述放电控制部施加放电用的触发电压;
在所述第4时刻,不使所述可变电阻的电阻值为低电阻值,并降低向所述灯丝的供给电力;
在所述第5时刻,使所述可变电阻的电阻值为低电阻值。
2.如权利要求1所述的放电灯用控制装置,其特征在于,
所述可变电阻具备:
主电阻,其串联连接于所述可变电阻的第1和第2端子之间;
晶体管和第1副电阻,其在所述第1和第2端子之间串联连接且相对于所述主电阻并联连接;
第2副电阻和电容器,其在所述第1和第2端子之间串联连接且相对于所述主电阻并联连接;以及
齐纳二极管,其相对于所述电容器并联连接,并且其阴极连接于所述晶体管的控制端子,其阳极连接于所述第2端子。
3.一种光源装置,其特征在于,具备,
如权利要求1所述的放电灯用控制装置;和
所述放电灯。
4.一种光源装置,其特征在于,具备,
如权利要求2所述的放电灯用控制装置;和
所述放电灯。
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