JP2014085315A - 重水素ランプ用電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】重水素ランプを点灯させるために陽極−陰極間に電圧を印加する際、スイッチに対グラウンドでの高電圧が加わることを防ぐことが可能な重水素ランプ用電源回路を提供する。
【解決手段】陽極に一方の端子が接続された、陽極と陰極の間に電圧を印加するためのコンデンサと、コンデンサと前記陰極の間に設けられた、コンデンサを充電するための電源と、電源に並列に接続された２端子スイッチとを備える構成とした。スイッチがグラウンドに近い位置に配置されるため、スイッチに対グラウンドでの高電圧が加わることがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、補助電極を備えた重水素ランプを点灯させるための重水素ランプ用電源回路に関する。

液体クロマトグラフ等の分析装置に用いられる分光光度計では、光源から放射された光のうち、所望の波長成分のみを分光して取り出し、その光を試料成分に照射して透過光を検出することで吸光度を測定する。光源には、重水素ランプ、タングステンハロゲンランプ等が用いられ、重水素ランプは主として紫外領域の光を放射し、タングステンハロゲンランプは可視領域の光を放射する。

重水素ランプの点灯には、まず、ヒータ等により陰極を加熱して熱電子を放出させる。この状態で、陽極−陰極間に電圧（トリガ電圧）を印加することにより、その間に存在する重水素ガスの放電を開始させる（初期放電）。さらに、トリガ電圧が印加されている間に初期放電が成長すると、陽極−陰極間のインピーダンスが低下し始め、主放電に移る。
陽極−陰極間には、負荷のインピーダンスが所定の閾値以下の範囲において作動する定電流電源が接続されている。主放電により、陽極−陰極間のインピーダンスが閾値まで低下すると、定電流電源が作動し、所定の電流が流れることで主放電を維持し、ランプを点灯させる（特許文献１参照）。

図３は、上述の重水素ランプを点灯させるための典型的な電源回路を示している。電源回路２０aは、ヒータ電源２１、トリガ電源２２a、定電流電源２３の３つに大別される。ヒータ電源２１は陰極２６に電流を供給して加熱するために用い、トリガ電源２２aは、初期放電を生じさせるために用いる。また、定電流電源２３は初期放電から移行した主放電を維持するために用いる。なお、通常は重水素ランプ２４aの陰極２６側の一端を接地（グラウンド）する。

重水素ランプ２４aを点灯させるためには、まず、ヒータ電源２１（可変電圧源）により陰極２６（フィラメント）に電流を供給して加熱することで、フィラメント２６から熱電子を放出させる。トリガ電源２２aでは、３端子のスイッチＳ２１を定電圧電源Ｅ２１側に切り換え、コンデンサＣ２１が直流電源電圧Ｅ２１と同じ電圧（通常400〜600V程度）になるまで充電しておく。
次に、スイッチＳ２１を重水素ランプ２４aの陽極２５側に切り換えて、陽極２５−陰極２６間に抵抗Ｒ２１を介してコンデンサＣ２１の電圧を印加する。すると、電圧印加により初期放電が生じ、さらに主放電へと成長する。主放電により、陽極２５−陰極２６間のインピーダンスが低下するので、定電流電源２３より一定の電流（300mA程度）が流れ、主放電を維持することで、ランプを点灯させる。

スイッチには、メカニカルスイッチ（メカニカルリレー）や半導体スイッチ等様々なものがあるが、図３の回路構成においては、陽極２５とコンデンサＣ２１の間に配置されたスイッチＳ２１に対し、対グラウンドで400〜600V程度の高電圧が加わる。そのため、半導体スイッチを用いることは難しく、高電圧耐性に優れたメカニカルスイッチを用いる必要がある。

重水素ランプは、電極の損耗や重水素ガスの消耗等でランプの放電特性が経時変化してしまう。そのため、陽極−陰極間に一定のトリガ電圧を印加しても初期放電が上述の通り成長できない場合がある。

そこで、より確実に放電を開始させるために、陽極と陰極の間に補助電極を設けた重水素ランプが開発されている。この重水素ランプでは補助電極−陰極間の距離を、陽極−陰極間の距離よりも短くしている。そのため、補助電極−陰極間に電圧を印加すると、比較的容易に初期放電が生じ、同時に陽極−陰極間にも電圧を印加すれば、補助電極−陰極間の初期放電が種火となって、陽極−陰極間の初期放電が主放電に成長し易くなる。

図４は、補助電極を設けた重水素ランプを点灯させるための典型的な電源回路を示している。図３と比べると、重水素ランプ２４bが補助電極２７を備え、また、補助電極２７と陰極２６の間に電圧を印加するためのコンデンサＣ２２、抵抗Ｒ２２及びスイッチＳ２２を備える点が異なる。

この重水素ランプ２４bを点灯させる場合は、コンデンサ２１だけでなく、コンデンサＣ２２も、スイッチＳ２２を介し定電圧電源Ｅ２１で充電しておく。そして、スイッチＳ２１、Ｓ２２を同じタイミングで重水素ランプ２４bの陽極２５側に切り換えて、補助電極２７−陰極２６間に抵抗Ｒ２２を介してコンデンサＣ２２の電圧を印加すると共に、同時に陽極２５−陰極２６間にも抵抗Ｒ２１を介してコンデンサＣ２１の電圧を印加する。すると、補助電極２７−陰極２６間への電圧印加により初期放電が生じ、また、同時に陽極２５−陰極２６間にも電圧が印加されるため、初期放電が主放電へと成長する。このようにして、重水素ランプ２４bを点灯させる。

これまで述べたとおり、重水素ランプの放電開始に必要な電圧の印加は、コンデンサを用いて行う。電圧印加によりコンデンサは放電し、その電圧は急激に低下する。そのため、初期放電を成長させるための電圧が印加されている時間は短く、一般的な回路構成では放電の時定数は数μ〜数十μsec程度しかない。従って、陽極−陰極間及び補助電極−陰極間への電圧印加のタイミングを揃えることが重要となる。

図４の電源回路の構成において、両電圧の印加のタイミングを揃えるためには、スイッチＳ２１とＳ２２の２つのスイッチの同期が重要となる。

特開平９-２１０７８０号公報

前述のとおり、従来の電源回路では、耐電圧の制限により、メカニカルスイッチを用いている。しかし、メカニカルスイッチは、機械的動作によってスイッチングを行うため、切り換え時にチャタリングが生じることがある。そのため、電圧印加が途切れてしまい、初期放電が開始するものの、主放電に至らず、重水素ランプが点灯しない場合も少なくない。

さらに、補助電極を設けた重水素ランプにおいては、点灯の際に、２つのメカニカルスイッチの切り換え（すなわち機械的動作）を同期させることが難しく、陽極−陰極間及び補助電極−陰極間への電圧印加のタイミングがずれ易い。そのうえ、チャタリングにより電圧印加が途切れると、さらにタイミングが揃いにくくなり、補助電極を設けたメリットが損なわれる。

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、スイッチに対し、対グランドで高電圧が加わることを防ぐことで、スイッチの選択を広げ、チャタリングの生じないスイッチを用いることを可能とする重水素ランプ用電源回路を提供することである。
また、補助電極を設けた重水素ランプにおいては、上述の課題に加えて、陽極−陰極間及び補助電極−陰極間への電圧印加のタイミングのずれを極めて小さくすることを可能とする重水素ランプ用電源回路を提供する。

上記課題を解決するためになされた本発明に係る重水素ランプ用電源回路は、陽極及び陰極を備えた重水素ランプを点灯させるための重水素ランプ用電源回路であって、
a)前記陽極に一方の端子が接続された、該陽極と前記陰極の間に電圧を印加するためのコンデンサと、
b)前記コンデンサと前記陰極の間に設けられた、該コンデンサを充電するための電源と、
c)前記電源に並列に接続された２端子スイッチと、
を備えることを特徴とする。

このような構成とすれば、スイッチがコンデンサと陽極の間（すなわちグラウンドに近い位置）に配置される。そのため、該スイッチに対し、対グラウンドで高電圧が加わることがなく、チャタリングの生じない半導体スイッチを用いることも可能となる。さらに、スイッチは２端子のもので足り、従来の３端子スイッチを用いた場合よりも、回路構成が簡素となる。

上記の重水素ランプ用電源回路においては、
d)前記陽極と前記コンデンサの間に配置した抵抗と、
e)前記コンデンサの前記抵抗側の端子にカソードが接続され、前記陰極にアノードが接続されたダイオードと、
をさらに備えるものとすることができる。

また、上記課題を解決するためになされた本発明に係る別の態様の重水素ランプ用電源回路は、陽極、陰極及び補助電極を備えた重水素ランプを点灯させるための重水素ランプ用電源回路であって、
a)前記陽極に一方の端子が接続された、該陽極と前記陰極の間に電圧を印加するための第１のコンデンサと、
b)前記補助電極に一方の端子が接続された、該補助電極と前記陰極の間に電圧を印加するための第２のコンデンサと、
c)前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサと前記陰極の間に設けられた、該第１のコンデンサ及び該第２のコンデンサを充電するための電源と、
d)前記電源に並列に接続された２端子スイッチと、
を備えることを特徴とする。

このような構成とすれば、補助電極を備えた重水素ランプを点灯させる際に、１つのスイッチを切り換えるだけで、第１のコンデンサより陽極−陰極間に、第２のコンデンサより補助電極−陰極間に、それぞれ電圧を印加できる。

もちろん、この構成においても、半導体スイッチを用いても良い。

上記の重水素ランプ用電源回路においては、
e)前記陽極と前記第１のコンデンサの間に配置した第１の抵抗と、
f)前記補助電極と前記第２のコンデンサの間に配置した第２の抵抗と、
g)前記第１のコンデンサの前記第１の抵抗側の端子にカソードが接続され、前記陰極にアノードが接続された第１のダイオードと、
h)前記第２のコンデンサの前記第２の抵抗側の端子にカソードが接続され、前記陰極にアノードが接続された第２のダイオードと、
をさらに備えるものとすることができる。

本願発明に係る重水素ランプ用電源回路によれば、スイッチに要求される耐電圧性能が大幅に緩和され、スイッチの選択の幅が広がる。そのため、例えば半導体スイッチを用いることで、従来のメカニカルスイッチでは問題となっていた、スイッチ切り換え時のチャタリングを防ぐことができる。
また、補助電極を備えた重水素ランプを点灯させる際には、前述の効果に加え、スイッチが１つであるため、陽極−陰極間及び補助電極−陰極間への電圧印加のタイミングがずれることがない。そのため、従来よりも確実に、初期放電を主放電に成長させ、重水素ランプを点灯させることができる。

本発明の重水素ランプ用電源回路を示す図 補助電極を備えた重水素ランプに用いる、本発明の重水素ランプ用電源回路を示す図 従来の重水素ランプ用電源回路の一例を示す図 補助電極を備えた重水素ランプに用いる、従来の重水素ランプ用電源回路の一例を示す図

以下、本発明の重水素ランプ用電源回路について、添付図面を参照しつつ詳述する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る、陽極及び陰極を備えた重水素ランプに用いる電源回路１０aの要部の構成図である。基本的な構成は従来の電源回路２０a（図３）と同様である。電源回路１０aは、ヒータ電源１１、トリガ電源１２a、定電流電源１３を含む。ヒータ電源１１は陰極１６に電流を供給して加熱するために用い、トリガ電源１２aは、初期放電を生じさせるために用いる。また、定電流電源１３は放電を維持するために用いる。

本発明の特徴部分は、トリガ電源１２aの構成にある。トリガ電源１２aは、抵抗Ｒ１、Ｒ３、コンデンサＣ１、スイッチＳ、ダイオードＤ１、及び定電圧電源Ｅ１を備える。ここで、Ｅ１は、プラス側の端子がグラウンドと接続されている。Ｃ１は陽極１５−陰極１６間の電圧印加に用いるコンデンサである。Ｒ１は重水素ランプ１４aの負性抵抗を補償するための抵抗であり、Ｒ３は、Ｅ１からＣ１への突入電流を防止すると共に充電時の時定数を与え、また、スイッチＳが閉じたときにＥ１の両端がショートすることを防ぐ。Ｄ１は、カソードがＣ１のＲ１側の端子に接続され、アノードが陰極１６に接続されることにより、Ｅ１からＣ１への充電は可能としつつ、電流の逆流を防ぐためのものである。また、スイッチＳは２端子スイッチであり、Ｃ１の充放電を切り換える。

まず、ヒータ電源１１により陰極１６に電流を供給する。その間、トリガ電源１２aではスイッチＳをオフにしておき、Ｃ１を、Ｄ１を介して、両端の電位差がＥ１と同じ値になるまで充電しておく。

最低20sec程で陰極１６は所定の温度まで加熱されて熱電子が放出されるため、ここで、スイッチＳをオンにして、Ｅ１（とＲ３の直列部分）をバイパス（ショート）する。これにより、Ｃ１のスイッチＳ側の端子を陰極１６と接続し、逆側の端子をＲ１を介して陽極１５と接続し、Ｃ１の両端の電圧を陽極１５−陰極１６間に印加する。このとき、Ｄ１の逆流防止機能により、Ｃ１のプラス側の端子とマイナス側の端子とがショートすることを防ぐ。

電圧印加により、陽極１５−陰極１６間には初期放電が生じ、主放電へと成長する。また、陽極１５−陰極１６間のインピーダンスの低下により、定電流電源１３から陽極１５−陰極１６間に電流が流れるため、主放電が維持されて、重水素ランプ１４aが点灯する。

このように、本発明の第１の実施例に係る重水素ランプ用電源回路１０aは、スイッチＳの切り換えにより重水素ランプ１４aを点灯させるものであるが、従来の回路構成（図３）と異なり、スイッチＳがグラウンドに近い位置に配置されている。そのため、スイッチＳに対し、対グラウンドで高電圧が加わることがなく、チャタリングの生じない半導体スイッチを用いることが可能となる。

実際に、以下の条件において、半導体スイッチを用いて重水素ランプを点灯させることが可能であることを確認できた。
重水素ランプ１４aには市販のものを用い、ヒータ電源１１は陰極１６の温度を調整できるよう可変電圧源とした。また、トリガ電源１２a中のＥ１は400〜600V程度の出力電圧に対応可能なものとし、定電流電源１３は200〜300mA程度の出力電流に対応可能なものとした。Ｒ１の値は100Ωとし、Ｃ１には、Ｅ１の出力電圧に耐え得るよう、耐圧が1000Vのコンデンサを用いた。スイッチＳにはスイッチング時間が0.1μsec程度の汎用の半導体スイッチ（ＦＥＴ）を用い、Ｄ１には耐電圧が1000V以上のダイオードを用いた。

図２は、本発明の第２の実施例に係る、陽極、陰極及び補助電極を備えた重水素ランプに用いる電源回路１０bの要部の構成図である。第１の実施例（図１）と比較すると、重水素ランプ１４bがさらに補助電極１７を備えており、また、補助電極１７−陰極１６間に電圧を印加するための回路構成として、抵抗Ｒ２、コンデンサＣ２、及びダイオードＤ２が加わっている。

図２の回路においては、ヒータ電源１１により陰極１６を加熱する間、スイッチＳをオフとし、Ｄ１を介してＣ１を、Ｄ２を介してＣ２を、それぞれの両端の電位差がＥ１と同じ値になるまで充電する。

次に、スイッチＳをオンにし、Ｃ１、Ｃ２のスイッチＳ側の端子を陰極１６と接続し、逆側の端子を、それぞれＲ１、Ｒ２を介して陽極１５、補助電極１７とに接続し、陽極１５−陰極１６間にＣ１の両端の電圧を、補助電極１７−陰極１６間にＣ２の両端の電圧を印加する。このとき、Ｄ１、Ｄ２の逆流防止機能により、Ｃ１、Ｃ２のプラス側の端子とマイナス側の端子とがショートすることを防ぐ。

補助電極１７−陰極１６間への電圧印加により初期放電が生じると共に、陽極１５−陰極１６間への電圧印加により陽極１５−陰極１６間のインピーダンスが低下し、初期放電が主放電へと成長する。これにより、定電流電源１３から陽極１５−陰極１６間に電流が流れ、主放電が維持されて、重水素ランプ１４bが点灯する。

このように、本発明の第２の実施例に係る重水素ランプ用電源回路１０bは、スイッチＳを切り換えるだけで、陽極−陰極間及び補助電極−陰極間の両方に電圧を印加できるため、両者への電圧印加のタイミングがずれることがない。

実際の回路においては、各素子の定数や電源等の設定を第１の実施例と同じとし、Ｒ２、Ｃ２及びＤ２については、それぞれＲ１、Ｃ１及びＤ１と同じものとした。この回路構成において、市販の補助電極を備えた重水素ランプを点灯させることが可能であることを確認できた。

本願発明の第１及び第２の実施例に係る重水素ランプ用電源回路は、いずれもスイッチが２端子のものであればよく、従来の３端子スイッチを用いた場合よりも、回路構成が簡素となるという効果もある。

なお、本実施例で用いたＲ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２等の定数の値は一例であり、適宜選択可能である。

１０a、１０b、２０a、２０b…電源回路
１１、２１…ヒータ電源
１２a、１２b、２２a、２２b…トリガ電源
１３、２３…定電流電源
１４a、１４b、２４a、２４b…重水素ランプ
１５、２５…陽極
１６、２６…陰極
１７、２７…補助電極
Ｓ、Ｓ２１、Ｓ２２…スイッチ
Ｅ１、Ｅ２１…定電圧電源

Claims (5)

1. 陽極及び陰極を備えた重水素ランプを点灯させるための重水素ランプ用電源回路であって、
   a)前記陽極に一方の端子が接続された、該陽極と前記陰極の間に電圧を印加するためのコンデンサと、
   b)前記コンデンサと前記陰極の間に設けられた、該コンデンサを充電するための電源と、
   c)前記電源に並列に接続された２端子スイッチと、
   を備えることを特徴とする重水素ランプ用電源回路。
2. d)前記陽極と前記コンデンサの間に配置した抵抗と、
   e)前記コンデンサの前記抵抗側の端子にカソードが接続され、前記陰極にアノードが接続されたダイオードと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の重水素ランプ用電源回路。
3. 陽極、陰極及び補助電極を備えた重水素ランプを点灯させるための重水素ランプ用電源回路であって、
   a)前記陽極に一方の端子が接続された、該陽極と前記陰極の間に電圧を印加するための第１のコンデンサと、
   b)前記補助電極に一方の端子が接続された、該補助電極と前記陰極の間に電圧を印加するための第２のコンデンサと、
   c)前記第１のコンデンサ及び前記第２のコンデンサと前記陰極の間に設けられた、該第１のコンデンサ及び該第２のコンデンサを充電するための電源と、
   d)前記電源に並列に接続された２端子スイッチと、
   を備えることを特徴とする重水素ランプ用電源回路。
4. e)前記陽極と前記第１のコンデンサの間に配置した第１の抵抗と、
   f)前記補助電極と前記第２のコンデンサの間に配置した第２の抵抗と、
   g)前記第１のコンデンサの前記第１の抵抗側の端子にカソードが接続され、前記陰極にアノードが接続された第１のダイオードと、
   h)前記第２のコンデンサの前記第２の抵抗側の端子にカソードが接続され、前記陰極にアノードが接続された第２のダイオードと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の重水素ランプ用電源回路。
5. 前記２端子スイッチが、半導体スイッチであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の重水素ランプ用電源回路。

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