JP2000012271A - 放電灯点灯装置およびその点灯方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電源回路で直列抵抗の熱損失をすることなく、
電流電圧変化の急変に伴う電磁波障害を発生せず、重量
も軽量にでき、かつ、電極のスパッタの原因を最小限に
抑えることが可能な放電灯点灯装置を提供することを課
題とする。 【解決手段】半導体を有するスイッチング回路３と、こ
のスイッチング回路に順次接続されたトランス５と、こ
のトランスに接続される整流回路１８ａ，１８ｂ，２２
ａ，２２ｂと、この整流回路に接続される平滑回路２０
と、前記平滑回路の後段に接続された放電灯８と、この
放電灯を起動する起動器６とを有する放電灯装置Ａにお
いて、前記トランスは、その２次巻線に主電流供給のた
めの主巻線を有すると共に、第２の巻線１７ａ，１７ｂ
を持ち、かつ、前記第２の巻線に接続された整流回路に
よって得られる直流電圧を放電灯が安定点灯するまでの
間、主電流供給回路に起動スイッチ回路２４を介して加
算的に供給する放電灯点灯装置として構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光処理を行う放
電灯の点灯装置に係り、特に、立ち上げ時の動作を適正
に行うことができる放電灯点灯装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体に電子回路を形成する場
合や、プリント基板に電子回路を形成する場合など光処
理を行う際に使用される直流放電灯は、点灯させてから
安定させるまでの作動を行う点灯装置が様々提案されて
いる。

【０００３】前記放電灯は、起動する際、封入されてい
る封入ガスの絶縁破壊を起こし、グロー放電を介してア
ーク放電に到達し、そのアーク放電を安定させること
で、放電灯の安定点灯運転を行うことができるものであ
る。前記放電灯の絶縁破壊からアーク放電を持続するま
での電圧電流の状態を図６（ａ）の曲線で示す。

【０００４】図６（ａ）の矢印（曲線ａ参照）で示す
ように、放電灯に封入される水銀やキセノンなどの封入
ガスは、放電灯の電極に高電圧を印加することにより電
離して導電性ガスとなる（絶縁破壊）。さらに、放電灯
の電極に数百ボルトの電圧を印加し続けると、電離した
導電性ガスの中で電子と原子の衝突によりさらに電離作
用が繰り返され、放電が持続する（矢印））。このと
きの電離現象に係わる電子は、気体の電離の結果、原子
から放出されたものである。この放電が持続する状態を
グロー放電といい、電極間電圧は９０Ｖから１２０Ｖ程
度で電流は、数百ｍＡ以下である。

【０００５】さらに、グロー放電の状態から引き続き気
体に電流を流し続け増加させると、電子衝突により電極
が加熱され、その電極からの熱電子放出が多くなり、さ
らに封入ガスの電離作用が加速され電流が流れやすい状
態となる。この状態をアーク放電（矢印）と呼び電極
間電圧は２０Ｖから６０Ｖであり、数Ａから数百Ａの電
流が容易に流れるようになる。

【０００６】そして、前記放電灯の点灯装置の構成とし
ては、その一つとして、リーケージトランスと呼ばれる
負荷を短絡したときの電流が制限できる構成のトランス
を使用するものがある。また、半導体素子を活用したス
イッチモード点灯装置が使用されることも知られてい
る。さらに、放電灯の封入ガスを絶縁破壊し、グロー放
電およびアーク放電を引き起こすための起動器を使用す
るものなどが存在する。

【０００７】前記放電灯の起動器は、直流高電圧発生回
路であって、電極間距離が数ｍｍのショートアーク型と
呼ばれる放電灯に良く使用されており、前記放電灯の作
動原理を踏まえて起動器が配置され、放電灯に並列に接
続するように構成されているものが知られている。そし
て、前記起動器は、高電圧がアーク放電を維持するため
の直流主電源回路に流れないようにダイオードが主電源
回路と放電灯の間に接続される構成としている。

【０００８】また、放電灯の起動器は、封入ガスの絶縁
破壊に必要な１０００Ｖ以上の高電圧を発生し、かつ、
アーク放電が始められるだけの電流を供給できるもので
あれば、放電灯用の主電源は、図６（ａ）の曲線ｄで示
すようなアーク放電を維持するに必要な電圧・電流を供
給できれば良い。そのためには起動器の出力電流電圧特
性が図６（ａ）の点線ｂで示すようなものである必要が
ある。

【０００９】しかし、起動器は高電圧を発生させるた
め、昇圧比の大きなトランスを用いるので微小電流しか
供給できない。したがって、一般的には図６（ａ）の二
点鎖線ｃで示すような特性となり、封入ガスの絶縁破壊
は起こせるが、グロー放電状態を維持し、さらにアーク
放電に移行することはできない。この点を解決するため
起動器の高電圧発生のための整流用平滑コンデンサの容
量を大きくして、絶縁破壊した後のグロー放電が始まっ
たときコンデンサに蓄えられた電荷を放電灯に瞬間的に
流し、このときの大電流によってアーク放電状態に移行
するように構成されている。

【００１０】前記のような工夫を行っても、放電灯が比
較的低い５００Ｖ程度の電圧で絶縁破壊をする場合に
は、平滑コンデンサに充電された電圧は５００Ｖであ
り、この状態から放電灯に供給できる電荷量は１０００
Ｖで絶縁破壊した場合に比べると少なく、エネルギーは
１／４となる。したがって、放電灯が低い電圧で絶縁破
壊する場合にアーク放電に移行できなくなることにな
る。この対策として平滑コンデンサの電圧が１０００Ｖ
などの所定の高電圧になって始めて放電灯に接続される
アレスタなどのスイッチ素子を平滑コンデンサと放電灯
との間に接続する方法も提案されており、この方法は、
ダイアックなど非線形スイッチ素子を使う弛張発振回路
としてよく知られた回路の構成である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の放電灯
点灯装置では、次のような問題点が存在していた。 放電灯の電極に接続された電源は、グロー放電とア
ーク放電の維持に必要な電圧・電流を供給できるもので
あれば、封入ガスの絶縁破壊の後直ちにアーク放電状態
に移行できる。そして、グロー放電状態を維持するに
は、電圧が１００Ｖ以上必要であるが電流は比較的少な
くて済む。一方、アーク放電を維持するためには、電圧
は６０Ｖ程度で良いが電流を１Ａ以上必要とし、場合に
よっては１００Ａ以上の電流を流せる電源が必要にな
る。したがって、単一の電源回路でグロー放電とアーク
放電を維持できうようにすると、アーク放電状態での電
源回路での熱損失が大きくなり無駄に大きなものが必要
となった。

【００１２】 弛張発振回路を使用する場合は、前記
スイッチ素子は高電圧で始めて導通するように特性を選
定し平滑コンデンサのエネルギーを瞬間的に放電灯に供
給するので、放電灯に応用する場合の電流変化・電圧変
化は通常の弛緩発振回路に比べると大変急激なものとな
り、その波形は、図６（ｂ）のように大きく振動する部
分が含まれてしまう。そのため、周囲に強い電磁波障害
を引き起こし、例えば電源回路の誤動作を引き起こす原
因にもなっていた。

【００１３】 さらに、放電灯に直列にインダクタン
ス素子を挿入して振動電流を緩和させることも行われて
いるが、必要なインダクタンスが比較的大きく、瞬間の
大電流に対して磁気飽和を起こさないためには閉磁気回
路が使用できないので、インダクタンス素子のサイズが
非常に大きく、重量も大きくなる欠点があった。

【００１４】 そして、平滑コンデンサの充電と放電
を利用する起動方法では、平滑コンデンサから放電灯へ
瞬間的に流れる電流は、時間は短いが非常に大きくなる
ため電極のスタッパの原因になり放電灯の寿命を著しく
短くしていた。

【００１５】この発明は、前述の問題点を解決すべく創
案されたもので、電源回路での熱損失をすることなく、
電流電圧変化の急変に伴う電磁波障害を発生せず、重量
も軽量にでき、かつ、電極のスパッタの原因を最小限に
抑えることが可能な放電灯点灯装置を提供することを目
的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
め、この発明は、半導体を有するスイッチング回路と、
このスイッチング回路に順次接続されたトランスと、こ
のトランスに接続される整流回路と、この整流回路に接
続される平滑回路と、前記平滑回路の後段に接続された
放電灯と、この放電灯を起動する起動器とを有する放電
灯装置において、前記トランスは、その２次巻線に主電
流供給のための主巻線を有すると共に、第２の巻線を持
ち、かつ、前記第２の巻線に接続された整流回路によっ
て得られる直流電圧を放電灯が安定点灯するまでの間、
主電流供給回路に起動スイッチ回路を介して加算的に供
給する放電灯点灯装置として構成した。

【００１７】また、前記起動器は、高電圧発生用の平滑
コンデンサと、この平滑コンデンサと前記放電灯の間に
所定電圧以上で導通するスイッチング素子と抵抗の直列
接続回路とを備え、前記放電灯に並列にコンデンサを接
続した構成としても良い。

【００１８】さらに、前記起動スイッチ回路は、その一
端側を電流電圧検出回路に接続する放電判別回路を備え
ると共に、前記放電判別回路からの出力によりその起動
スイッチ回路のオンオフ動作を行う作動部を備える構成
とすると都合が良い。

【００１９】そして、放電灯点灯方法としては、放電灯
に起動器から絶縁破壊用の高電圧を供給すると共に、主
電源回路側のトランスに設けた補助巻線から前記絶縁破
壊用の高電圧より低い放電用高電圧をかける第１工程
と、前記放電灯の封入ガスが絶縁破壊を起こしてその放
電灯の電極間にグロー放電を起こし、それら電極間に電
流が流れ、前記起動器を停止する第２工程と、前記起動
器を停止後、前記トランスの補助巻線からの放電用高電
圧を加算的に前記放電灯に供給する第３工程と、前記放
電灯の電極間にアーク放電の条件が整い一定の電流設定
値を越えた際に前記トランスの補助巻線からの放電用高
電圧を遮断し、主電源回路側からの電流を放電灯に供給
する第４工程から構成した。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
図面に基づいて説明する。図１は、放電灯点灯装置の全
体を示す回路構成図、図２は、スイッチ回路の要部を示
す回路構成図、図３は、電流設定値を示す時間に対する
電流の変化を示すグラフ図、図４（ａ）（ｂ）は、スイ
ッチ回路が作動して電流の流れを示す回路図、図５は、
スイッチ回路の他の形態を示す回路構成図である。

【００２１】図１で示すように、放電灯点灯装置Ａは、
商用電源１と、この商用電源１に接続される整流回路２
と、この整流回路２に接続されるスイッチング回路３
と、このスイッチング回路３に接続される直流電力変換
回路４と、この直流電力変換回路４に接続される電流電
圧検出器１４と、この電流電圧検出器１４にダイオード
７を介して接続される放電灯８と、この放電灯８に並列
に接続したコンデンサ１０と、前記直流電力変換回路４
に設けた起動スイッチ回路２４と、この起動スイッチ回
路２４を介して作動する起動器６と、この起動器６と前
記放電灯８の間に直列に設けた抵抗９とから構成されて
いる。

【００２２】図１で示すように、前記直流電力変換回路
４は、トランス５と、このトランス５の主巻線の２次巻
線１７ａ，１７ｂと、これら２次巻線１７ａ，１７ｂの
補助巻線としての第２の巻線２１ａ，２１ｂと、前記２
次巻線１７ａ，１７ｂおよび第２の巻線２１ａ，２１ｂ
のそれぞれに設けたダイオード１８ａ，１８ｂおよびダ
イオード２２ａ，２２ｂ（整流回路）と、前記ダイオー
ド２２ａ，２２ｂに抵抗２３を介して接続する起動スイ
ッチ回路２４と、前記ダイオード１８ａ，１８ｂに接続
されるチョークコイル１９と、そのチョークコイル１９
に対して並列に設けたコンデンサ２０とを備えている。

【００２３】図１で示すように、前記電流電圧検出器１
４により検出された信号は、電力制御回路１５と、この
電力制御回路１５から信号により作動するドライバー回
路１６とを介してスイッチング回路３に伝達される構成
としている。

【００２４】また、図１で示すように、起動器６は、抵
抗６ａおよびダイアック６ｃを直列に接続すると共に、
これら抵抗６ａおよびダイアック６ｃに対して並列に接
続するコンデンサ６ｂと、前記ダイアック６ｃの後段側
に設けたトランス６ｄと、このトランス６ｄの後段側に
接続したダイオード６ｅと、このダイオード６ｅに対し
て並列に接続したコンデンサ６ｆとから構成されてい
る。

【００２５】一方、前記起動スイッチ回路２４は、図２
で示すように、電流判別回路２５と、この電流判別回路
２５の出力側に抵抗を介して設けたトランジスタ２７
と、このトランジスタ２７に接続されたリレーコイル２
８と、このリレーコイル２８に接続される電源２９と、
この電源２９の一端をアースして構成されている。そし
て、前記電流判別回路２５のコンパレータの非反転入力
側に電源２６が接続され、また、前記コンパレータの反
転入力側には前記電流電圧検出器１４の出力端子が接続
されている。さらに、前記リレーコイル２８には対向し
た位置にスイッチ部２４ａとを備えている。

【００２６】前記電源２６は、グロー放電による電流と
アーク放電による電流を判別する基準電圧を発生してい
る。そして、グロー放電電流は、その値が小さいので電
流判別回路２５の出力電圧は高く、トランジスタ２７を
オンにしリレーコイル２８を駆動状態にするため、スイ
ッチ部２４ａを閉じた状態とする。したがって、アーク
放電状態となって電流信号が大きくなり電源２６からの
基準電圧を越えると電流判別回路２５の出力電圧は低く
なり、トランジスタ２７はオフとなる。この結果、リレ
ーコイル２８の電流は遮断され、スイッチ部２４ａは開
状態となる。

【００２７】前記基準電圧は、図３で示すように、起動
器６からの電力による放電灯８の封入ガスを絶縁破壊
し、グロー放電電流とアーク放電電流の間の値に、
その設定電流値（電圧を電流に換算した値）を設定する
ことで決めている。

【００２８】そのため、スイッチ部２４ａが開状態とな
ると（図３の電流設定値を越えたとき）、第２の巻線２
１ａ，２１ｂからの主電源回路の電圧より２倍程度高い
高電圧（放電用高電圧）の放電灯８への供給は遮断され
る。そして、主電源回路側である２次巻線１７ａ，１７
ｂからの直流電力により放電灯８は定常状態で点灯運転
する。

【００２９】つぎに、前記起動スイッチ回路２４が作動
することで、放電灯８に対する電流の流れの変化を示す
作動を説明する。図４（ａ）で示すように、電源１（図
１参照）が投入されると、起動スイッチ回路２４が基準
電圧により作動し、はじめに起動器６から高電圧が放電
灯８に供給されて放電灯８内の封入ガスを絶縁破壊する
と共にグロー放電させる。このとき、第２の巻線２１
ａ，２１ｂからの電圧は、起動器６からの電圧より低い
状態にある。そして、放電灯８がグロー放電を起こし電
流が流れ始めると起動器６は、内部抵抗が高いために電
圧が低下して実質的には停止した状態となる。

【００３０】図４（ａ）で示すように、起動器６の電圧
が低下すると、第２の巻線２１ａ，２１ｂ側からダイオ
ード２２ａ，２２ｂを介して、起動器６とは別途の回路
により電圧（放電用高電圧）を加算的に供給する。この
とき、第２の巻線２１ａ，２１ｂからの電圧が主電源回
路側からの電圧より２倍程度高いため、逆バイアスとな
り、主電源回路側である２次巻線１７ａ，１７ｂからの
電流は流れない状態となっている。したがって、図４
（ａ）の矢印で示すように電流は流れる。

【００３１】なお、第２の巻線２１ａ，２１ｂ側からの
追加の出力電圧と出力電流は、図６（ａ）の曲線ｅの様
に、グロー放電からアーク放電に移行するのに必要な特
性を持つ。そのため、トランス５からの第２の巻線２１
ａ，２１ｂは、アーク放電を開始させられるだけの電流
を流せば良いので、２次巻線１７ａ，１７ｂ（主電流巻
線）に比べて電流容量は小さくて良い。

【００３２】そして、図４（ｂ）で示すように、放電灯
８がグロー放電からアーク放電による点灯を開始する
と、放電灯８の電極間の電圧が低下し、アーク放電によ
る電流が電流電圧検出器１４によって確認され、起動ス
イッチ回路２４は開状態となり、第２の巻線２１ａ，２
１ｂ側からの電力の供給は遮断される。そのため、主電
源回路側は順バイアスとなり、２次巻線１７ａ，１７ｂ
から矢印で示すように電流が放電灯８側に供給されるこ
とになる。したがって、直流抵抗の発熱による損失を防
ぐことができる。

【００３３】なお、前記起動スイッチ回路２４の構成
は、図５で示すようなものであっても良い。すなわち、
起動スイッチ回路２４は、電流判別回路２５と、この電
流判別回路２５の出力側に抵抗を介して設けたトランジ
スタ２７と、このトランジスタ２７に抵抗を接続された
スイッチ部としてのＰＮＰトランジスタ２４ｃとを備え
る構成としている。そして、前記電流判別回路２５のコ
ンパレータの非反転入力側に電源２６が接続され、ま
た、前記コンパレータの反転入力側には前記電流電圧検
出器１４の出力端子が接続されている。

【００３４】したがって、グロー放電状態で電流判別回
路２５の出力電圧が高いとき、トランジスタ２７はオン
状態であり、ＰＮＰトランジスタ２４ｃはオンとなるた
めスイッチ部２４ｂはオンの状態となり、前記したリレ
ーコイル２８（図２参照）が接点を閉じたことに相当す
る。そして、アーク放電状態で電流判別回路２５がオフ
となると、トランジスタ２７はオフとなり、ＰＮＰトラ
ンジスタ２４ｃのベース電流は遮断されオフとなるため
スイッチ部２４ｂはオフの状態となり、前記したリレー
コイル２８（図２参照）が接点を開いた状態に相当す
る。

【００３５】なお、図２および図５の起動器６は、内部
抵抗が高くなる構成としているため、放電灯８を起動す
る動作を与えるとその後は電圧が低下してスイッチ部２
４ａ，２４ｂが開状態になると停止するような構成とし
ている。また、前記起動器６の停止を確実とするため、
図２および図５の仮想線で示すスイッチング素子１１
を、抵抗９と直列接続回路として、起動器６と放電灯８
の間に設ける構成とすると都合が良い。前記スイッチン
グ素子１１を設けることで、起動器６の電圧が低下する
と、その起動器６の作動とスイッチング素子１１が確実
に停止するため、放電灯８の絶縁破壊、グロー放電およ
びアーク放電の流れを的確に行うことができる。

【００３６】

【発明の効果】この発明は上記したように構成している
ため、以下の優れた効果を奏する。 放電灯点灯装置は、主電源回路のトランスの２次巻
線側に第２の巻線を設け、起動スイッチ回路を介して放
電灯のグロー放電からアーク放電を行うときに、主電源
回路側より高い電圧を放電灯に供給できるため、直列抵
抗の発熱による損失を防ぐことができる。また、不必要
に大きな電流を放電灯に供給することがなく、電極の使
用寿命を長らえることができる。

【００３７】 放電灯点灯装置は、放電灯を点灯させ
る際、電圧電流の急激な変化が少ないため、ノイズの発
生を制御することができるため、放電開始時の電源回路
のノイズによる不安定動作を防ぐことができる。

【００３８】 放電灯点灯装置は、構成が簡素化され
て放電灯を適切に点灯できるため、装置の構成もコンパ
クトで重量も軽量化することが可能となる。

【００３９】 放電灯点灯装置は、起動器が所定電圧
以上で導通するスイッング素子を抵抗との直列接続回路
を構成し、かつ、その直列接続回路を起動器と放電灯の
間に設ける構成とすることで、起動器は必要なときは作
動し、起動器の必要が無い状態のときは、確実にその起
動器を停止させることが可能となる。そのため、放電灯
の点灯動作を的確に行うことが可能となる。また、コン
デンサを放電灯に並列に接続しているため、急激な電圧
変化を吸収することができる。

【００４０】 放電灯点灯装置の起動スイッチ回路
は、電流電圧検出回路に接続する電流判別回路の作動部
を的確に操作でき、主電源回路側と、トランスの２次巻
線からの直流電圧をその放電灯の作動状態に合わせて適
切に供給することができるため、放電灯の点灯動作をス
ムーズに行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の放電灯点灯装置の全体を示す回路構
成図である。

【図２】この発明のスイッチ回路の要部を示す回路構成
図である。

【図３】この発明の電流設定値を示す時間に対する電流
の変化を示すグラフ図である。

【図４】（ａ）（ｂ）は、この発明のスイッチ回路の電
流の流れを示す回路図である。

【図５】この発明のスイッチ回路の他の形態を示す要部
の回路構成図である。

【図６】（ａ）（ｂ）は、従来の放電灯の起動器の電流
および電圧の関係を示すグラフ図、および、従来の放電
灯の電流の流れと時間の関係を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１ 商用電源 ２ 整流回路 ３ スイッチング回路 ４ 直流電力変換回路 ５ トランス ６ 起動器 ６ａ 抵抗 ６ｂ コンデンサ ６ｃ ダイアック ６ｄ トランス ６ｅ ダイオード ６ｆ コンデンサ ７ ダイオード ８ 放電灯 ９ 抵抗 １０ コンデンサ １１ スイッチング素子 １４ 電流電圧検出器 １５ 電力制御回路 １６ ドライバー回路 １７ａ ２次巻線 １７ｂ ２次巻線 １８ａ ダイオード（整流回路） １８ｂ ダイオード（整流回路） ２１ａ 第２の巻線（補助巻線） ２１ｂ 第２の巻線（補助巻線） ２２ａ ダイオード（整流回路） ２２ｂ ダイオード（整流回路） ２３ 抵抗 ２４ 起動スイッチ回路 ２４ａ スイッチ部 ２４ｂ スイッチ部 ２４ｃ ＰＮＰトランジスタ ２５ 電流判別回路 ２６ 電源 ２７ トランジスタ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体を有するスイッチング回路と、この
   スイッチング回路に順次接続されたトランスと、このト
   ランスに接続される整流回路と、この整流回路に接続さ
   れる平滑回路と、前記平滑回路の後段に接続された放電
   灯と、この放電灯を起動する起動器とを有する放電灯装
   置において、 前記トランスは、その２次巻線に主電流供給のための主
   巻線を有すると共に、第２の巻線を持ち、かつ、第２の
   巻線に接続された整流回路によって得られる直流電圧を
   放電灯が安定点灯するまでの間、主電流供給回路に起動
   スイッチ回路を介して加算的に供給することを特徴とす
   る放電灯点灯装置。
2. 【請求項２】前記起動器は、高電圧発生用の平滑コンデ
   ンサと、この平滑コンデンサと前記放電灯の間に所定電
   圧以上で導通するスイッチング素子および抵抗の直列接
   続回路とを備え、前記放電灯に並列にコンデンサを接続
   したことを特徴とする請求項１に記載の放電灯点灯装
   置。
3. 【請求項３】前記起動スイッチ回路は、その一端側を電
   流電圧検出回路に接続する放電判別回路を備えると共
   に、前記放電判別回路からの出力によりその起動スイッ
   チ回路のオンオフ動作を行う作動部を備えることを特徴
   とする請求項１に記載の放電灯点灯装置。
4. 【請求項４】放電灯に起動器から絶縁破壊用の高電圧を
   供給すると共に、主電源回路側のトランスに設けた補助
   巻線から前記絶縁破壊用の高電圧より低い放電用高電圧
   をかける第１工程と、前記放電灯の封入ガスが絶縁破壊
   を起こしてその放電灯の電極間にグロー放電を起こし、
   それら電極間に電流が流れ、前記起動器を停止する第２
   工程と、前記起動器を停止後、前記トランスの補助巻線
   からの放電用高電圧を加算的に前記放電灯に供給する第
   ３工程と、前記放電灯の電極間にアーク放電の条件が整
   い一定の電流設定値を越えた際に前記トランスの補助巻
   線からの放電用高電圧を遮断し、主電源回路側からの電
   流を放電灯に供給する第４工程からなることを特徴とす
   る放電灯点灯方法。