JP2005209418A

JP2005209418A - 重水素ランプ駆動装置

Info

Publication number: JP2005209418A
Application number: JP2004012536A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tanaka; 宏田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-01-21
Filing date: 2004-01-21
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2024-01-21
Also published as: JP4432503B2

Abstract

【課題】紫外可視分光光度計の光源として使用される重水素ランプの発光光量を安定化させる。
【解決手段】定電流源２において、電流制御用のトランジスタ２６のベース端と誤差アンプ２２との間の信号伝達経路にフォトカプラ２５を介挿し、誤差アンプ２２の出力信号の情報をトランジスタ２６に伝達しつつ電気的には両者を遮断する。これにより、トランジスタ２６のベース電流が誤差アンプ２２に流れ込むことがなく、そのベース電流はコレクタ電流と合流して電流検出抵抗２１に流れる。したがって、温度変化等によってベース電流が変動したときに、誤差アンプ２２を含むフィードバックループによってその変動分を補正することができ、定電流源２は重水素ランプに流れる電流を一定に維持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、紫外可視分光光度計等の光源として利用される重水素ランプを点灯駆動するための重水素ランプ駆動装置に関する。

重水素ランプは例えば紫外可視分光光度計の紫外光の光源として広く利用されている。この重水素ランプの駆動回路としては、従来、例えば特許文献１に記載のものが知られている。図２はこの文献に記載の重水素ランプ駆動回路を簡略化して示したブロック構成図である。

図２において、主電源部３は商用交流電源及び変圧器を含み、商用100Ｖ（又は200Ｖ）の交流電圧を所定の交流電圧に降圧し、この交流電圧を整流回路４により直流電圧に変換して駆動回路に与える。駆動回路は、重水素ランプ１に定電流を供給する定電流源２、重水素ランプ１を予熱するヒータ電源部６、及び点灯開始時にパルス状の高電圧を重水素ランプ１に印加するトリガ電圧発生部５を備える。

重水素ランプ１の点灯開始時には、ヒータ電源部６により重水素ランプ１のヒータに予熱電圧を印加してヒータから熱電子を放出させ、その後にトリガ電圧発生部５から数百Ｖ程度のトリガ電圧を印加する。これによって重水素ランプ１の電極間に放電が生じる。点灯後には定電流源２から略一定の駆動電流を重水素ランプ１に供給することで放電を維持する。重水素ランプ１の放電時の発光光量は定電流源２により供給される駆動電流に比例するため、発光光量を安定させるには駆動電流を安定化させる必要がある。

上述したような重水素ランプが使用される紫外可視分光光度計では、その光路の構成によってダブルビーム方式とシングルビーム方式とがある。ダブルビーム方式の場合には吸光度を算出する過程で原理的に光源の光量変動による影響を相殺することが可能であるが、シングルビーム方式の場合には光源の光量変動の影響を補正できないため、発光光量の変動が殆どそのまま吸光度の変動に影響する。したがって、吸光度の精度を向上させるためには重水素ランプ１の駆動電流の安定度を高める必要がある。

重水素ランプ駆動回路において定電流源２としては様々な形態が考え得るが、上記のように駆動電流の安定性を高めるために、演算増幅器（オペアンプ）を用いた誤差アンプにより帰還ループを構成するのが一般的である。図３は定電流源２の回路構成を詳細に記載した回路図である。この図ではトリガ電圧発生部５は省略し、入力直流電圧は電圧源Ｖ1として簡略化して示している。

この図３における定電流源２では、重水素ランプ１に流れるランプ電流Ｉ_Lは抵抗値がＲdである電流検出抵抗２１に流れ、Ｉ_L・Ｒd＝Ｖ_Lの電圧降下が発生する。誤差アンプ２２はこの電圧Ｖ_Lと基準電圧源２３により印加される基準電圧Ｖ_refとを比較し、その差に応じた電圧を出力する。例えば電圧Ｖ_Lが基準電圧Ｖ_refよりも大きい場合には誤差アンプ２２の出力は増加する。すると、ダイオード２４を介して第２トランジスタ２７のベース端子から流れ込むベース電流が減少し、第２トランジスタ２７のコレクタ端子から第１トランジスタ２６のベース端子に流れる電流も減少する。これによって、第１トランジスタ２６のコレクタ電流、つまりランプ電流Ｉ_Lも減少する。逆に、電圧Ｖ_Lが基準電圧Ｖ_refよりも小さい場合には誤差アンプ２２の出力は減少し、第２トランジスタ２７のベース電流は増加する。これによって、第１トランジスタ２６のベース電流も増加しランプ電流Ｉ_Lは増加する。このようにして、結果的にランプ電流Ｉ_LはＶ_ref／Ｒdに保たれるように常にフィードバック制御され、ランプ電流Ｉ_Lは一定に維持される。

しかしながら、上記のような従来の定電流源の構成では、以下に説明するような誤差要因がある。すなわち、図３に示す定電流源２についてより詳細に考察すると、第２トランジスタ２７のベース電流Ｉ_b2は誤差アンプ２２の出力端から内部の電源回路を経由して接地電位(GND)に流れ込む。いま、第１トランジスタ２６の電流増幅率をβ1、第２トランジスタ２７の電流増幅率をβ2とすると、第２トランジスタ２７のコレクタ電流Ｉ_c2は、
Ｉ_c2＝β2・Ｉ_b2
エミッタ電流Ｉ_e2は、
Ｉ_e2＝（１＋β2）・Ｉ_b2
である。また第１トランジスタ２６のコレクタ電流Ｉ_c1は、
Ｉ_c1＝β1・Ｉ_b1＝β2・Ｉ_c2 ＝β1・β2・Ｉ_b2
である。したがって、ランプ電流Ｉ_Lは、
Ｉ_L＝Ｉ_e2＋Ｉ_c1＝（１＋β2)・Ｉ_b2＋β1・β2・Ｉ_b2＝(１＋β2+β1・β2）・Ｉ_b2
であり、
Ｉ_b2 ＝Ｉ_L／（１＋β2＋β1・β2）
であるから、
Ｉ_L＝（Ｖ_ref／Ｒd）−Ｉ_L／(１＋β2＋β1・β2)
となる。すなわち、第２トランジスタ２７のベース電流Ｉ_b2の分だけ定電流源２に誤差があると考えられ、図４に示すように、理想的な定電流源ｉ_idealとは並列にベース電流分の電流源ｉ_b2が逆方向に接続されているものとみなすことができ、これが定電流源２の誤差成分となる。

前述のように重水素ランプ１ではランプ電流Ｉ_Lの誤差が光量の誤差となる。通常、分光光度計においては、受光光量の変動率から吸光度を求めるので、光量の絶対値が定常的な誤差を含んでもこの誤差は光量の変動率には現れず、大きな問題とはならない。しかしながら、ランプ電流Ｉ_Lが測定よりも短い時間スパン内で変動してしまうと、それによって発光光量が変動し、これが吸光度の変動として現れてしまう。いま、重水素ランプの発光光量をＩ₀、発光光量の変動量をΔＩとすると、シングルビーム方式の分光光度計の吸光度変化ΔＡは、
ΔＡ＝-log｛（Ｉ₀＋ΔＩ）/Ｉ₀｝＝-log｛１＋（ΔＩ/Ｉ₀）｝＝-log（１＋Ｎi）
となる。ここで、Ｎiが発光光量の変動率であって、１回の吸光度測定時に発光光量が変動率Ｎiだけ変動すると、上記式で示したΔＡだけ吸光度が変動してしまう。

いま、一例としてＩ_L＝300mA、β1＝β2＝50であるとすると、Ｉ_b2は118μAとなる。ここで、例えば温度変化によってβ1、β2がともに10％ずつ増加したとするとＩ_b2は97μAに減少する。この温度変化に伴う光量変化率は、
ΔＩ／Ｉ₀＝（118μA−97μA）／300mA＝7×10^-5
となり、この光量変化を吸光度変化に換算すると3×10^-5（Abs）となる。

特開平９−２１０７８０号公報

吸光度の安定性に影響を及ぼす要因は例えば光源自体の発光安定性等、様々であり、従来はこうした他の要因の影響が相対的に大きかったため、上記のような定電流源２の誤差要因があまり問題とされることはなかった。しかしながら、近年、分光光度計の性能の向上が進むとともに要求される精度も非常に高くなっており、例えば吸光度安定性として10^-6（Abs）オーダー程度の高い精度が要求されるようになってきている。こうした状況では、上述したような定電流源２の誤差による光量変化も無視することができない。すなわち、こうした重水素ランプの光量変化が吸光度の測定精度を左右する要因の一つとなっており、測定精度を或る程度以上高くするには上記のような問題を解決する必要がある。

本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、定電流源を構成するトランジスタの温度変化等があった場合でも重水素ランプに供給するランプ電流の安定性を保ち、それによって重水素ランプの発光光量の高い安定性を維持することができる重水素ランプ駆動装置を提供することである。

上述したように定電流源２に誤差が生じる原因は、そもそも第２トランジスタ２７のベース電流Ｉ_b2が誤差アンプに流れ込み、誤差アンプの電源回路からGNDへと流れ込んでしまうことにある。そのため、このベース電流Ｉ_b2は本来ランプ電流Ｉ_Lを反映した電圧を検出する筈の電流検出抵抗２１に流れることがなく、それ故に、誤差アンプ２２を介したフィードバックループによる電流補正から除外されてしまうことになる。そこで、こうした問題を解決するためには、電流制御用のトランジスタの制御信号入力端に流れる電流が誤差アンプに流れ込まずに電流検出抵抗に戻るようにすればよい。

すなわち、上記課題を解決するために成された本発明は、重水素ランプに流れるランプ電流を検出する電流検出抵抗と、該ランプ電流の目標値に応じた基準電圧を設定するための基準設定部と、該基準電圧と前記電流検出抵抗で検出される電圧とを比較しその差に応じた信号を出力する誤差アンプと、該誤差アンプによる出力信号に応じて前記ランプ電流を制御する電流制御用トランジスタとを含む定電流源により、重水素ランプに流れる電流が略一定になるように制御する重水素ランプ駆動装置において、
前記誤差アンプの出力端と前記電流制御用トランジスタの制御信号入力端との間の信号伝達経路上に、該信号の情報を伝達しつつ電流を遮断する光アイソレート手段を介挿したことを特徴としている。

ここで光アイソレート手段としては例えばフォトカプラを利用することができる。本発明に係る重水素ランプ駆動装置では、電流検出抵抗による電圧値が変動して基準電圧との誤差が生じると、誤差アンプがそれに応じて出力信号を増加又は減少させる。この信号は光アイソレート手段を介して電流制御用トランジスタの制御信号入力端に入力され、該トランジスタを流れる電流を変化させる。光アイソレート手段により信号の情報内容のみは電流制御用トランジスタの制御信号入力端（バイポーラトランジスタではベース端）に伝達されるが、その制御信号入力端に流れる電流は光アイソレート手段によって遮断されて誤差アンプ側に流れ込むことはない。例えば光アイソレート手段としてフォトカプラを利用した場合には、受光側のフォトトランジスタは電流制御用トランジスタと閉じた回路を形成し、フォトトランジスタを流れる電流は電流制御用トランジスタのコレクタ電流（又はエミッタ電流）と合流して電流検出抵抗に流れる。したがって、例えば温度変化などによって電流制御用トランジスタの電流増幅率が変化し、制御信号入力端に流れる電流が変動した場合でも、この定電流源では、誤差アンプを含むフォードバックループにより上記電流変動を含んで電流の一定制御を行うので、高い精度で一定電流を流すことができる。

このように本発明に係る重水素ランプ駆動装置によれば、重水素ランプに一定の駆動電流を供給するための定電流源の電流精度が従来よりも向上するため、例えば温度変化などの変動要因があった場合でも重水素ランプの発光光量を安定して一定に維持することができる。したがって、例えばこの重水素ランプ駆動装置を分光光度計に適用すれば、吸光度の検出感度を一層向上することができる。また、本発明に係る重水素ランプ駆動装置によれば、電流制御用トランジスタと誤差アンプとが電気的に遮断されるので、何らかの原因で電流制御用トランジスタが電気的に破壊した場合でも誤差アンプが追従して破壊されるおそれを軽減することができ、信頼性を高めることができる。

以下、本発明の一実施例である重水素ランプ駆動装置について図１を参照して説明する。図１は図３と同様に、本実施例による重水素ランプ駆動装置において定電流源２を詳細に示した回路構成図である。上述した従来の構成と同一部分については同じ符号を付して対応関係を明確にしている。

本実施例による駆動装置の特徴は、誤差アンプ２２の出力端と第１トランジスタ２６のベース端との間の信号伝達経路にフォトカプラ２５を介挿していることである。すなわち、誤差アンプ２２の出力はダイオード２４を介してフォトカプラ２５の入力側の発光ダイオードＰＤに入力され、フォトカプラ２５の出力側のフォトトランジスタＰＴのエミッタ端が第１トランジスタ２６のベース端に接続されている。これにより、誤差アンプ２２を含むフィードバックループはフォトカプラ２５の介挿位置において電気的には遮断されているものの、誤差アンプ２２による誤差信号は電気→光→電気と変換されて第１トランジスタ２６のベース端に伝達される。

この定電流源２による電流一定制御の動作は次の通りである。すなわち、誤差アンプ２２はランプ電流Ｉ_Lによって電流検出抵抗２１に生じる電圧と基準電圧Ｖ_refとを比較し、その差に応じた電圧を出力する。例えば電圧Ｖ_Lが基準電圧Ｖ_refよりも大きい場合には誤差アンプ２２の出力は減少する。すると、フォトカプラ２５の発光ダイオードＰＤに流れる駆動電流が減少し、発光量が下がってフォトトランジスタＰＴに流れる電流も減少する。これにより、第１トランジスタ２６のベース端に流れる電流も減少し、第１トランジスタ２６のコレクタ電流、つまりランプ電流Ｉ_Lも減少する。逆に、電圧Ｖ_Lが基準電圧Ｖ_refよりも小さい場合には誤差アンプ２２の出力は増加する。すると、フォトカプラ２５の発光ダイオードＰＤに流れる駆動電流が増加し、発光量が上がってフォトトランジスタＰＴに流れる電流も増加する。これにより、第１トランジスタ２６のベース端に流れる電流が増加してランプ電流Ｉ_Lも増加する。

こうした電流一定制御に際して、第１トランジスタ２６のベース端に流れる電流はフォトトランジスタＰＴにより供給されるが、その電流は第１トランジスタ２６のコレクタ電流と合流して電流検出抵抗２１に流れる。そのため、温度変化等によって第１トランジスタ２６の電流増幅率やフォトトランジスタＰＴの光量／電流変換効率が変化すると、その変化による電流減少又は増加は電流検出抵抗２１により検出される電圧に反映される。したがって、誤差アンプ２２を含めたフィードバックループによる電流一定制御により、上記のような温度変化等に起因する電流変動も同時に補正されることになり、こうした影響を受けずに定電流源２として一定のランプ電流Ｉ_Lを流すことができる。

なお、上記実施例は本発明の一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜、変形、修正、追加などを行っても本願発明に包含されることは明らかである。例えば、上記実施例では、トランジスタとしてバイポーラトランジスタを用いたが、ＦＥＴ等適宜に変形できることは容易に想到し得る。また、バイポーラトランジスタとしてＮＰＮ型でなくＰＮＰ型を利用することや、より大きな電流を流すために更にトランジスタをダーリントン接続する等の適宜の変形についても同様である。

本発明の一実施例による重水素ランプ駆動装置の要部の構成図。重水素ランプ駆動回路を簡略化して示したブロック構成図。従来の重水素ランプ駆動回路における定電流源の回路構成を詳細に記載した回路図。従来の重水素ランプ駆動回路における定電流源を等価回路で示した図。

符号の説明

１…重水素ランプ
２…定電流源
２１…電流検出抵抗
２２…誤差アンプ
２３…基準電圧源
２４…ダイオード
２５…フォトカプラ
ＰＤ…発光ダイオード
ＰＴ…フォトトランジスタ
２６…第１トランジスタ

Claims

重水素ランプに流れるランプ電流を検出する電流検出抵抗と、該ランプ電流の目標値に応じた基準電圧を設定するための基準設定部と、該基準電圧と前記電流検出抵抗で検出される電圧とを比較しその差に応じた信号を出力する誤差アンプと、該誤差アンプによる出力信号に応じて前記ランプ電流を制御する電流制御用トランジスタとを含む定電流源により、重水素ランプに流れる電流が略一定になるように制御する重水素ランプ駆動装置において、
前記誤差アンプの出力端と前記電流制御用トランジスタの制御信号入力端との間の信号伝達経路上に、該信号の情報を伝達しつつ電流を遮断する光アイソレート手段を介挿したことを特徴とする重水素ランプ駆動装置。