JP2010073556A - Discharge lamp lighting device, and light source device for solar simulator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は始動時に高圧パルスの印加が必要な放電ランプの点灯装置に関し、特に、ソーラーシミュレータの光源として用いるキセノンフラッシュランプの始動性改善に関する。 The present invention relates to a lighting device for a discharge lamp that requires application of a high-pressure pulse at the time of starting, and particularly relates to improvement of starting property of a xenon flash lamp used as a light source of a solar simulator.
キセノンフラッシュランプは発光スペクトルが太陽光に比較的近く、放電開始からの光束の立ち上りが速いこと等から、ソーラーシミュレータ用の光源として使用されている。また、キセノンフラッシュランプは放電ランプに分類され、その始動時(放電開始時)に高圧パルスの印加が必要となる。 A xenon flash lamp is used as a light source for a solar simulator because its emission spectrum is relatively close to that of sunlight and the rise of a luminous flux from the start of discharge is fast. Further, xenon flash lamps are classified as discharge lamps, and it is necessary to apply a high-pressure pulse at the start (at the start of discharge).
図3に従来の放電ランプ点灯装置を示す(例えば、特許文献1)。点灯装置はランプ40に矩形波電流を通電するための直流出力回路10、及びランプ40に始動電圧を印加するためのイグナイタ回路20からなる。直流出力回路10はコンデンサ11、IGBT等のスイッチング素子12及びスイッチング素子12の制御回路13からなり、図示しない電源回路からコンデンサ11に充電した電圧を、スイッチング素子12によって放電電流制御を行いながらランプ40に印加する。イグナイタ回路20はパルス源21及びパルストランス22からなり、パルストランス22の1次側がパルス源21に接続され、2次側がランプ40に直列接続される。
FIG. 3 shows a conventional discharge lamp lighting device (for example, Patent Document 1). The lighting device includes a
点灯動作について説明する。放電開始前はランプ40のインピーダンスは無限大となっている。スイッチング素子12をオンした状態でパルス源21にパルスを発生させると、パルストランス22の2次側に巻き数比に応じた高圧の始動パルスが発生し、同時にランプ40の両端にそのパルス電圧が印加される。ランプ40がキセノンフラッシュランプの場合、ピーク値が10〜30kV程度のパルス電圧が必要となる。
A lighting operation will be described. Before starting the discharge, the impedance of the
パルス電圧によってランプ40が絶縁破壊すると、所定期間にわたって制御回路13によって定電流制御がなされ、その後スイッチング素子12がオフされる。ソーラーシミュレータでは、上記所定期間は10m〜120msであり、ランプ電流は数十A、ランプ電圧は数百V程度である。
When the
上記回路構成においては、ランプ点灯後の回路の主電流(ランプ電流)がパルストランスの二次側に流れるため、その電流に対してもトランスが飽和又は発熱しないように設計する必要があり、トランスが大型化していた。
そして、ランプ40を複数本(例えば2本)接続する場合、それらを並列接続すると各ランプに均等に電流を流すのが難しく、また、合計ランプ電流が直列接続の場合の倍となり回路損失が大きくなることから、並列接続ではなく直列接続とするのが一般的である。
しかし、図3の構成において2本のランプを直列接続すると、イグナイタ回路20が2本分の始動パルス電圧(1本の場合の2倍のパルス電圧)を出力しなければならず、回路の大型化を招き、また、安全性の確保のための別途の工夫(例えば絶縁構造の強化等)が必要となる場合がある。
In the above circuit configuration, since the main current (lamp current) of the circuit after the lamp is lit flows to the secondary side of the pulse transformer, it is necessary to design the transformer so that the transformer does not saturate or generate heat with respect to the current. Was getting bigger.
When a plurality of (for example, two)
However, when two lamps are connected in series in the configuration of FIG. 3, the
その対策として、図4に示す回路構成が採用される。同図の構成においては、イグナイタ回路20が直列接続されたランプ41及び42のうちの一方(図ではランプ42)に並列接続され、ランプの接続点Mに始動パルス電圧が印加される。なお、同図の構成では直流カット用のコンデンサ23がパルストランス22の2次巻線に直列接続されるが、基本的動作は図3のものと同様である。
As a countermeasure, the circuit configuration shown in FIG. 4 is adopted. In the configuration shown in the figure, the
上記構成により、トランスの二次側には主電流が流れず、トランスを小型化することができる。さらに、接続点Mとアノード点Aの間、及び接続点Mとカソード点Kの間にそれぞれ始動パルスが印加される。即ち、ランプは直列接続されていても、始動パルスはそれらのランプに並列的に印加される構成となり、イグナイタ回路20からは1本分の電圧の始動パルスを出力すれば足りることになる。
なお、コンデンサ11の直流電圧(以下、「DC電圧」という)は始動パルス電圧の100分の1程度であるから、点M−K間及び点M−A側に印加されるパルス電圧は(DC電圧分の差はあっても)ほぼ等しいものとみなすことができる。
Since the DC voltage of the capacitor 11 (hereinafter referred to as “DC voltage”) is about 1/100 of the starting pulse voltage, the pulse voltage applied between the points M-K and the point MA side is (DC Even if there is a difference in voltage, it can be regarded as almost equal.
しかし、図4の構成においては、2本のランプの始動必要電圧にばらつきがある場合に問題が生じる。言い換えると、ランプの始動必要電圧には通常はばらつきがあるので、そのばらつきのためにランプ始動に関して問題を生ずる場合がある。例えば、ランプ42の始動必要電圧がランプ41のものよりも高い場合を想定する。この場合、始動パルス電圧がランプ41の始動必要電圧に達した時点(ランプ42の始動必要電圧には達していない時点)でランプ41が先に放電を開始する。ランプ41が放電開始すると、ランプ41のインピーダンスが下がり、パルストランス22に蓄積されたパルスのエネルギーをもとに、接続点M→ランプ41→スイッチング素子12の回生ダイオード(不図示)→コンデンサ11、又は接続点M→ランプ41→何らかの電流経路(例えば、コンデンサ33)に電流が流れる。これにより接続点Mの電位はDC電圧付近(数百V)にまで低下し、未だ放電を開始していないランプ42の両端にはパルス電圧は印加されなくなる。このためランプ42が不点となり、その結果としてランプ41も放電を維持できずに、全体として消灯してしまうことになる。
However, in the configuration of FIG. 4, a problem occurs when there are variations in the required starting voltages of the two lamps. In other words, there is usually a variation in the required voltage for starting the lamp, and this variation can cause problems with lamp starting. For example, it is assumed that the voltage required for starting the
後述する表1に示すように、例えば、ランプ41の始動必要電圧が14kV、ランプ42の始動必要電圧が17kVの場合には、ランプ42(結果として両ランプ)の不点率は100%となってしまう。
As shown in Table 1 to be described later, for example, when the required starting voltage of the
そこで、本発明は、直列接続したランプの接続点に始動パルスを印加する構成において、各ランプの始動必要電圧がばらついていても両ランプを確実に始動できる点灯装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a lighting device that can reliably start both lamps even when the required starting voltages of the lamps vary in a configuration in which a starting pulse is applied to a connection point of lamps connected in series. .
本発明の第1の側面は、直列接続された第1及び第2の放電ランプからなるランプユニット(4)を点灯する放電ランプ点灯装置(1)であって、ランプユニットに直流電流を通電するための直流出力回路(10)、及び第1の放電ランプと第2の放電ランプの接続点に始動用の高圧パルスを印加するイグナイタ回路(20)からなり、さらに、直流出力回路とランプユニット両端との間にそれぞれ接続されるインダクタ(31、32)を備えた放電ランプ点灯装置である。 A first aspect of the present invention is a discharge lamp lighting device (1) for lighting a lamp unit (4) comprising first and second discharge lamps connected in series, and a direct current is passed through the lamp unit. And an igniter circuit (20) for applying a starting high-pressure pulse to the connection point of the first discharge lamp and the second discharge lamp, and further, both ends of the DC output circuit and the lamp unit. Is a discharge lamp lighting device provided with inductors (31, 32) connected to each other.
本発明の第2の側面は、第1の放電ランプ及び第1の放電ランプよりも始動に必要な電圧が高い第2の放電ランプが直列接続されたランプユニット(4)を点灯する放電ランプ点灯装置(1)であって、ランプユニットに直流電流を通電するための直流出力回路(10)、及び第1の放電ランプと第2の放電ランプの接続点に始動用の高圧パルスを印加するイグナイタ回路(20)からなり、さらに、直流出力回路と第1のランプの間に接続されるインダクタを備えた放電ランプ点灯装置である。 According to a second aspect of the present invention, a discharge lamp is lit for lighting a lamp unit (4) connected in series with a first discharge lamp and a second discharge lamp having a higher voltage required for starting than the first discharge lamp. A device (1), a DC output circuit (10) for supplying a direct current to the lamp unit, and an igniter for applying a starting high-pressure pulse to a connection point between the first discharge lamp and the second discharge lamp The discharge lamp lighting device includes a circuit (20) and further includes an inductor connected between the DC output circuit and the first lamp.
上記第1又は第2の側面において、各インダクタのインダクタンスを100μH以上10mHとすればよい。さらに、各インダクタのインダクタンスを100μH以上1mHとするのが望ましい。 In the first or second aspect, the inductance of each inductor may be 100 μH or more and 10 mH. Furthermore, it is desirable that the inductance of each inductor is 100 μH or more and 1 mH.
本発明の第3の側面は、上記いずれかの放電ランプ点灯装置(1)及びランプユニット(4)を備え、ランプユニットを構成する各放電ランプがキセノンフラッシュランプからなるソーラーシミュレータ用光源装置(100)である。 A third aspect of the present invention is a solar simulator light source device (100) comprising any one of the above-described discharge lamp lighting device (1) and lamp unit (4), wherein each discharge lamp constituting the lamp unit is a xenon flash lamp. ).
本発明によると、直列接続したランプの接続点に始動パルスを印加する放電ランプ点灯装置において、各ランプの始動必要電圧に差がある場合でも両ランプを確実に始動することが可能となる。 According to the present invention, in a discharge lamp lighting device that applies a starting pulse to a connecting point of lamps connected in series, it is possible to start both lamps reliably even when there is a difference in the starting voltage of each lamp.
本発明は、概略として、放電開始後にランプに通電する矩形波電流がほぼ直流(数十Hz前後)であるのに対して始動パルスが高周波(数百kHz前後)であることに着目し、周波数によってインピーダンスが大きく変わるインダクタを用いて課題を解決するものである。なお、本明細書において「ほぼ直流」とは「直流又は1kHz以下」を意味し、「高周波」とは「100kHz以上」を意味するものとする。 In general, the present invention pays attention to the fact that the rectangular wave current applied to the lamp after the start of discharge is substantially direct current (around several tens of Hz), whereas the starting pulse has a high frequency (around several hundred kHz). This solves the problem by using an inductor whose impedance changes greatly depending on the current. In the present specification, “substantially direct current” means “direct current or 1 kHz or less”, and “high frequency” means “100 kHz or more”.
図1に本発明の実施例による回路構成を示す。ソーラーシミュレータ用光源装置100は放電ランプ点灯装置1及びランプユニット4からなり、点灯装置1は直流出力回路10及びイグナイタ回路20を備え、さらに、直流出力回路10の出力端(即ち、ランプユニット4と直流出力回路10の間)に接続されるインダクタ31及び32を備える。直流出力回路10及びイグナイタ回路20は図4のものと構成及び動作において同じであるので説明を省略する。なお、直流出力回路10によるフラッシュ発光の期間は10m〜120ms(100〜8.3Hz)であり、イグナイタ回路20から出力される始動パルス幅は1μ〜10μs(1M〜100kHz)である。これらの具体的な値はシミュレーションの条件や使用するランプの特性に応じて定めればよい。
FIG. 1 shows a circuit configuration according to an embodiment of the present invention. The solar simulator
ここで、ランプ42の始動必要電圧がランプ41のものよりも高い場合を想定する。ランプ41が放電開始すると、パルストランス22に蓄積されたパルスのエネルギーをもとに、接続点M→ランプ41→インダクタ31→スイッチング素子12の回生ダイオード(不図示)→コンデンサ11、又は接続点M→ランプ41→インダクタ31→何らかの電流経路(例えば、コンデンサ33)に電流が流れる。この時、インダクタ31は高周波である始動パルスに対してインピーダンスが高くなり、インダクタ31にはそのインダクタンスとパルスの周波数で決まる電圧V31が発生する。従って、ランプ41が放電を開始しても電圧V31の分だけ接続点Mの電位は保持され、未だ放電を開始していないランプ42の両端にもパルス電圧が印加される。これによって、ランプ41に遅れてランプ42が放電を開始することができる。
なお、イグナイタ回路20はランプ42側に並列接続したが、ランプ41側に並列接続してもよい。
Here, it is assumed that the required starting voltage of the
Although the
そして、両ランプ41及び42が放電開始した後は、両ランプには直流出力回路10からの矩形波電流が通電される。ここで、矩形波は時間幅が10m〜120ms(100Hz〜8.3Hz)でほぼ直流であり、これに対するインダクタ31及び32のインピーダンスはほぼゼロとなるので、インダクタ31及び32が点灯状態に影響を与えることはない。
Then, after both
また、図1に示すように、コンデンサ33を直流出力回路10の出力側に並列接続してもよい。これにより、インダクタ31及び32とコンデンサ33とでノイズフィルタを構成し、ランプやインダクタによって発生する始動時のノイズが直流出力回路10に影響を与えないようにすることができる。
Further, as shown in FIG. 1, the
なお、ランプ42が先に放電開始する場合も同様に考えることができる。ランプ42が先に放電を開始すると、パルストランス22に蓄積されたパルスのエネルギーをもとに、接続点M→ランプ42→インダクタ32→グランドに電流が流れる。これによりインダクタ32にインダクタンスとパルスの周波数で決まる電圧V32が発生し、電圧V32の分だけ接続点Mの電位が保持されることにより未だ放電を開始していないランプ41にパルス電圧が印加され、ランプ41がランプ42に遅れて放電を開始する。
The same applies to the case where the
本実施例の実験結果を表1に示す。実験においては、先に説明したように、始動必要電圧がそれぞれ14kV(ランプ41)と17kV(ランプ42)のランプを用い、インダクタの有無、及び有の場合にはそのインダクタンスの大小による始動性改善を確認した。なお、印加する始動パルスは無負荷状態の場合にパルス幅約3.5μs(290kHz)、ピーク電圧30kVとなるものであり、表中のインダクタンス値はインダクタ31、32各々のインダクタンスである。また、パルス印加前に接続点Mに700V程度のバイアス電圧が存在していたが、バイアス電圧はパルス電圧に対して十分小さいので実験結果への影響はない。
インダクタのない従来回路では、パルス電圧が15kV程度に達したあたりでランプ41が放電を開始する一方でランプ42は不点となり、その結果として、表1に示すように点灯成功率が0%であった。これに対してインダクタを挿入した回路では、ランプ41が放電を開始した後も接続点Mの電位が数μs程度保持され、例えば400μHのインダクタを挿入した場合には、点灯成功率が96%まで上昇した。
なお、具体的なインダクタンス値は、パルス幅(周波数)や予想されるランプ間の始動必要電圧の差等に応じて適宜選択すればよい。インダクタンスが大きいほど上記の効果を発揮できるが、ランプ電流の立ち上がりの速さを確保するためには各インダクタンスは10mH程度以下とすればよく、さらに1mH以下とすることがより好ましい(100A、1kV)。なお、上記の実験では2本のランプの始動必要電圧の差が3kVの場合を示したが、それよりも小さい差であれば各インダクタンスを50μH程度としても上記効果を期待できる。
In the conventional circuit without an inductor, the
In addition, what is necessary is just to select a specific inductance value suitably according to the difference of the starting required voltage between a pulse width (frequency), anticipated lamps, etc. The larger the inductance, the more the above effect can be exhibited. However, in order to secure the rising speed of the lamp current, each inductance should be about 10 mH or less, and more preferably 1 mH or less (100 A, 1 kV). . In the above experiment, the difference between the required starting voltages of the two lamps is 3 kV. However, if the difference is smaller than that, the above effect can be expected even if each inductance is set to about 50 μH.
以上より、インダクタ31及び32を直流出力回路10の両出力端とランプユニット4の両端の間に接続したことにより、始動必要電圧の異なるランプが組み合わされて直列接続された場合であっても確実に放電開始することが可能となった。
また、複数のランプを同時に点灯させる必要があるソーラーシミュレータにおいて、確実なシミュレーションを行なえるソーラーシミュレータ用光源装置の提供が可能となった。
As described above, the
In addition, it has become possible to provide a solar simulator light source device that can perform a reliable simulation in a solar simulator in which a plurality of lamps need to be turned on simultaneously.
<変形例1>
上記実施例ではランプ41とランプ42について始動必要電圧の高低が不明な場合に対処するものとして示したが、予めその高低が分かっていれば、インダクタ31又は32のどちらか一方を省略できる。
例えば、ランプを始動必要電圧の低い(点灯し易い)群と高い(点灯し難い)群に予めスクリーニングしておき、始動必要電圧の低いランプをランプ41側に装着するものとして、インダクタ31のみを接続し、インダクタ32を省略してもよい。当然に、始動必要電圧の低いランプをランプ42側に装着するものとして、インダクタ32のみを接続してもよい。
これにより、点灯装置の低コスト化を図ることができる。
<Modification 1>
In the above embodiment, the
For example, the lamps are preliminarily screened into a group having a low required starting voltage (easy to be lit) and a group having a high required voltage (not easily lit), and a lamp having a low required starting voltage is mounted on the
Thereby, cost reduction of a lighting device can be achieved.
<変形例2>
また、上記実施例では2本のランプを用いたが、より多いランプ数の場合にも対応できる。ソーラーシミュレータにおいては、パネルの大きさによってそれを照射するランプの長さや本数が決まる。また、ランプの発光特性を所望のものとするためにランプ長に制約がある場合には、複数のランプに分割せざるを得ない場合もあり得る。
ここで、ランプが3本以上の場合(例えば4本)であっても、図2に示すように、ランプユニット4をランプの第1のグループ4a及び第2のグループ4bに分けてその接続点Mにイグナイタ20からの始動パルスが印加されるようにすればよい。
上記構成は、特に複数のランプの始動必要電圧の管理が難しい場合に有用である。
<Modification 2>
In the above embodiment, two lamps are used. However, it is possible to deal with the case of a larger number of lamps. In the solar simulator, the length and number of lamps that irradiate the panel are determined by the size of the panel. Further, when the lamp length is limited in order to obtain the desired light emission characteristics of the lamp, it may be necessary to divide the lamp into a plurality of lamps.
Here, even when there are three or more lamps (for example, four lamps), as shown in FIG. 2, the
The above configuration is particularly useful when it is difficult to manage the voltage required for starting a plurality of lamps.
上記実施例においては、放電ランプとしてキセノンフラッシュランプを想定して説明してきたが、(1)放電開始時に高圧の始動パルス(3k〜50kV/100k〜1MHz)の印加が必要であり、かつ(2)放電開始後にほぼ直流(直流〜1kHz以下)のランプ電流が通電されるような放電ランプ(例えば、高圧放電ランプ)であれば、本発明を適用できる。 In the above embodiment, the description has been made assuming that the discharge lamp is a xenon flash lamp, but (1) it is necessary to apply a high-pressure start pulse (3 k-50 kV / 100 k-1 MHz) at the start of discharge, and (2 The present invention can be applied to any discharge lamp (for example, a high-pressure discharge lamp) in which a substantially direct current (direct current to 1 kHz or less) lamp current is passed after the start of discharge.
1.放電ランプ点灯装置
4.ランプユニット
10.直流出力回路
11.平滑コンデンサ
12.スイッチング素子
13.制御回路
20.イグナイタ回路
21.パルス源
22.パルストランス
23.コンデンサ
31、32.インダクタ
33.コンデンサ
41、42.ランプ
100.ソーラーシミュレータ用光源装置
1. 3. Discharge lamp lighting
Claims (5)
前記ランプユニットに直流電流を通電するための直流出力回路(10)、及び
前記第1の放電ランプと前記第2の放電ランプの接続点に始動用の高圧パルスを印加するイグナイタ回路(20)からなり、
さらに、前記直流出力回路と前記ランプユニットの両端との間にそれぞれ接続されるインダクタ(31、32)を備えた放電ランプ点灯装置。 A discharge lamp lighting device (1) for lighting a lamp unit (4) comprising first and second discharge lamps connected in series,
A direct current output circuit (10) for supplying a direct current to the lamp unit, and an igniter circuit (20) for applying a starting high-pressure pulse to a connection point between the first discharge lamp and the second discharge lamp. Become
Furthermore, a discharge lamp lighting device comprising inductors (31, 32) respectively connected between the DC output circuit and both ends of the lamp unit.
前記ランプユニットに直流電流を通電するための直流出力回路(10)、及び
前記第1の放電ランプと前記第2の放電ランプの接続点に始動用の高圧パルスを印加するイグナイタ回路(20)からなり、
さらに、前記直流出力回路と前記第1のランプの間に接続されるインダクタを備えた放電ランプ点灯装置。 A discharge lamp lighting device (1) for lighting a lamp unit (4) connected in series with a first discharge lamp and a second discharge lamp whose voltage required for starting is higher than that of the first discharge lamp,
A direct current output circuit (10) for supplying a direct current to the lamp unit, and an igniter circuit (20) for applying a starting high-pressure pulse to a connection point between the first discharge lamp and the second discharge lamp. Become
Furthermore, a discharge lamp lighting device comprising an inductor connected between the DC output circuit and the first lamp.
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