JP3524581B2 - 高圧放電ランプの点灯方法 - Google Patents

高圧放電ランプの点灯方法

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Osram GmbH
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  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ほぼ回転対称形の放電
室と、放電管内に気密に封入されて希ガスまたは希ガス
混合体、少なくとも１つの金属ハロゲン化物添加物なら
びに場合によっては水銀から構成されたイオン化可能な
充填物とを備えた放電管を有し、水平の燃焼位置で点灯
され、放電媒体内に音響共振を生じさせる１０ｋＨｚ〜
１００ｋＨｚの中間周波の交流電流成分を供給される高
圧放電ランプの点灯方法に関する。
【０００２】本発明は、特に、周波数が超音波範囲にあ
る交流電流成分を安定器から供給されるメタルハライド
高圧放電ランプの点灯方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】この種の方法はドイツ連邦共和国特許第
２８４７８４０号明細書に記載されている。この特許明
細書に記載されている方法においては、高圧放電ランプ
は周波数が放電媒体内に音響共振を生じない２０ｋＨｚ
〜５０ｋＨｚの狭い範囲にある交流電圧によって点灯さ
れる。ここで音響共振とは定常音響波を意味するものと
する。放電媒体内の音響波はランプ電極を介して放電媒
体内へ供給される瞬時電力の周期的変化によって作られ
る。瞬時電力は２倍の交流電圧周波数または交流電流周
波数で変化する。種々の型式のランプに対してこの特許
明細書では実験により検出された共振のない周波数帯域
が与えられる。
【０００４】この公知の点灯方法の重大な欠点は、水平
の燃焼位置の際、即ち、放電区間が水平に配置されてい
る際、対流によって放電アークの不所望な反りが生ぜし
められる点である。ガス状または蒸気状の充填物成分は
地球の重力場内で浮力を受け、この浮力によって放電ア
ークが上方へ向けて鎌状に反らされる。この放電アーク
の反りは光学的結像に擾乱的に作用し、対称的な照明を
困難にする。さらに、放電アークの反りは上部の放電管
壁に高い熱負荷をもたらし、これによってランプ寿命が
低下させられる。
【０００５】放電アークの反りを除去するために、ドイ
ツ連邦共和国特許出願公開第２９３８２７３号公報によ
れば、放電アーク内のプラズマに下方へ向いた力を作用
させる垂直の均一磁界を使用することが提案されてい
る。磁界は放電管を半リング状に包囲する電磁石によっ
て作られる。しかしながら、電磁石の取付けおよび保持
は相当の付加的な費用を必要とする。
【０００６】さらに、高周波数（２０ｋＨｚ以上）の電
子式安定器でメタルハライド高圧放電ランプを点灯する
場合、同様に、放電アークの反りを生じない狭いランプ
固有の周波数範囲が存在することが知られている。
【０００７】米国特許第５１２１０３４号明細書によ
り、自動車ランプとして使用される低電力形メタルハラ
イド高圧放電ランプ用の実験により検出されたこの狭い
周波数範囲が公知である。
【０００８】この特許明細書においては、対流に起因す
る放電アークの反りを軽減するかまたは完全に除去する
音響共振が放電媒体内に励起されるようにランプの供給
電流の周波数範囲を選定することが提案されている。米
国特許第５１２１０３４号明細書によれば、放電アーク
の反りのない安定したランプ点灯が可能である周波数範
囲を拡大し、このようにして放電管の製造公差および安
定器の公差を補償するために、点灯周波数を変調するこ
とが有利である。点灯周波数の変調は何れにしても相当
な回路費用を必要とする。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、水平
の点灯位置の際に対流に起因する放電アークの反りを除
去することが簡単な手段を用いて可能である高圧放電ラ
ンプの点灯方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明は、交流電流成分の周波数および形状が放電
媒体内に定常半径方向音響波が励起されるように選定さ
れ、その場合交流電流成分の周波数ＦV と定常半径方向
音響波の基本周波数ＦR との間には関係式ｎ・２ＦV ＝
ｍ・ＦR （ｍ、ｎ：整数）がほぼ成立するようにするこ
とを特徴とする。
【００１１】
【作用効果】交流電流を供給される種々異なった高圧放
電ランプ、特にメタルハライドランプに関する研究によ
れば、水平の点灯位置の際に対流に起因する放電アーク
の反りが所定の周波数の際に消失することと放電媒体内
に半径方向の音響共振が生起することとの間には密接な
関係があることが判明した。
【００１２】この場合半径方向の音響共振とは放電区間
に垂直な音響共振を意味するものとする。放電区間は電
極ヘッドによって規定される。検査した全てのランプに
よれば、ランプ点灯電流の周波数ＦV と半径方向音響共
振の基本周波数ＦR との間に関係式ｎ・２ＦV ＝ｍ・Ｆ
R がほぼ成立するようにランプ点灯電流の周波数ＦVが
選定される場合、点灯状態において放電アークは反りの
ないことが判った。なおこの関係式におけるｍ、ｎは整
数を示し、特に１〜３の小さな整数である。上記関係式
は、半径方向の音響共振を励起するために、ランプ交流
電流の周波数スペクトルにおいて２倍の点灯周波数２Ｆ
V と基本周波数ＦR との共通の倍数が使用されなければ
ならないことを示している。このような半径方向の音響
共振は放電アークの対流に起因する反りを防止する。
【００１３】図１ａおよびｂは７０Ｗメタルハライドラ
ンプにおける交流電流振幅の周波数分析（図１ａ）と半
径方向音響共振の周波数分析（図１ｂ）とを示す。ラン
プに供給される交流電流の周波数ＦV はここでは２２ｋ
Ｈｚである。この点灯周波数の場合ランプ内では対流に
起因する放電アークの反りは起こらない。図１ａのスペ
クトルにおいて周波数ＦV ＝２２ｋＨｚの整数倍の場合
同様に高調波が生じる。このための前提条件はランプ交
流電流が正弦波状ではないことである。音響共振が発生
する原因は放電媒体へ与えられる瞬時電力の周期的な変
化にある。瞬時電力のこの周期的な変化はランプ電流の
周波数ＦV の２倍の周波数、即ちＦP ＝２ＦV によって
生ぜしめられる。
【００１４】図１ｂにおける音響共振スペクトルは約６
９ｋＨｚおよび１３８ｋＨｚのところに２つの強い共振
を示す。関係式ＦR ＝３．８３Ｃ／（２πＲ）（Ｃは放
電媒体内の音速、Ｒは放電管の半径を意味する）によっ
て、半径方向の音響共振の基本周波数ＦR を算出するこ
とができる。上述した７０Ｗメタルハライドランプの場
合、Ｃ＝５４０ｍ／ｓ、Ｒ＝４．７５ｍｍとすると、Ｆ
R ＝６９ｋＨｚとなる。すなわち、図１ｂの共振スペク
トルにおいて６９ｋＨｚおよび１３８ｋＨｚのところの
共振は半径方向の音響基本共振およびその第１高調波と
同一である。１３８ｋＨｚのところの半径方向音響共振
は６９ｋＨｚの基本周波数のところの半径方向音響共振
より強く現れている。このことは、１３８ｋＨｚのとこ
ろのこの第１音響高調波共振が図１ａにおいて１３８ｋ
Ｈｚのところに位置するランプ電流の第５高調波（また
は瞬時電力の第２高調波）によって共振的に励起される
ことに対する証拠となる。この７０Ｗメタルハライドラ
ンプに対して、半径方向の音響共振の基本周波数ＦR と
反りのない放電を生ぜしめる最低点灯周波数ＦV との間
には次の関係式が成立する。
【００１５】
【数１】 ２・ＦR ＝３・（２ＦV ）または２・ＦR ＝３・ＦP
【００１６】なお、ＦP は瞬時電力の周波数である（独
オスラム社の技術・科学論文（第１２巻、シュプリンガ
ー出版社、第３９４頁以降）に掲載されたＥ．スタトニ
ク（Statnic)著「小電力のメタルハライドランプを高周
波点灯するために」参照）。
【００１７】半径方向の音響共振と点灯周波数との間の
対流に起因する放電アークの反りを生じない類似の関係
式は次の表１において他のランプ型式に対しても与えら
れる。表１の例は、半径方向の音響基本共振とランプの
交流電流周波数との間のこの比較的単純な関係式が意外
にも非常に異なったランプ型式、即ち入力、充填物組成
および放電管の形状が種々異なっているランプ型式に対
しても当てはまることを示している。従来、音響共振を
予測するのに単純な理論的モデルを使用することができ
ないという見解が主張されていた（例えばドイツ連邦共
和国特許第２８４７８４０号明細書の第６欄、第１４行
目以降参照）。
【００１８】定常半径方向音響波と並んで制限された範
囲で放電アークを直線にする方位音響波も生じる。この
場合関係式２．８９ＦRA＝３ＦP （ＦRAは方位音響基本
共振周波数、ＦP は電力周波数を意味する）が成立す
る。方位音響基本共振周波数は放電プラズマ内の音速Ｃ
と放電管の半径からＦRA＝１．８４Ｃ／（２πＲ）が算
出される。
【００１９】本発明による方法によれば、放電管の幾何
学的形状から、反りのない放電アークを持つランプ点灯
が可能である安定器用交流電流周波数または交流電圧周
波数を検出することができる。
【００２０】
【表１】 ランプ 交流電流 電力 半径方向音響共 放電区間に対して垂 型式 周波数ＦV 周波数ＦP 振周波数ＦRR 直な放電管半径Ｒ HQI-TS ２２ｋＨｚ ４４ｋＨｚ ６９ｋＨｚ ４．７５ｍｍ 70W/WDL HQI-TS １８ｋＨｚ ３６ｋＨｚ ５４ｋＨｚ ６．０ｍｍ 150W/WDL HQI-TS 17.5ｋＨｚ ３５ｋＨｚ 51.7ｋＨｚ ６．２５ｍｍ 150W/NDL D1 35W ５８ｋＨｚ 116 ｋＨｚ 227 ｋＨｚ １．５ｍｍ
【００２１】ここでは、放電媒体内の長手方向の音響共
振、即ち放電区間に対して平行な音響共振は放電アーク
を消弧させるので望ましくないことを述べておく。長手
方向の音響共振は電極間隔および点灯周波数を適当に選
定することによって回避することができる。
【００２２】
【実施例】次に本発明の実施例を図面に基づいて詳細に
説明する。
【００２３】図３は表１に記載された最初の３つの高圧
放電ランプの原理構成を示す。ランプ１はモリブデン箔
封着部１０、１１によって密封された両口金形外管３の
内部に軸線方向に配置されて両側を挟搾された放電管２
から構成されている。放電管２の内部には気密に封着さ
れた２つのランプ電極４、５が設けられており、これら
はそれぞれモリブデン箔封着部６、７を介してそれぞれ
リード線８、９に電気的に接続され、そして各リード線
８、９は外管３の各モリブデン箔封着部１０、１１を介
して端子１２、１３に電気的に接触している。ランプ１
はさらに外管３内に入れられたゲッタ１４を有してい
る。放電管２は石英ガラスから構成され、部分的に熱反
射被膜１５、１６が設けられている。
【００２４】表１に記載された第４番目のランプの構成
は主としてこのランプが外管３を有していない点だけが
他のランプの構成とは異なっている。放電管２は表１に
記載された最初の３つのランプの場合樽形に膨らまさ
れ、軸線方向に延びた両電極４、５間の領域にほぼ一定
の半径Ｒを持つ回転対称形の形状を有している。
【００２５】表１に記載された第４番目のランプ（Ｄ１
ランプ）の場合、放電管２はモリブデン箔封着部６、７
を持つピンチ端部の間の領域にほぼ回転楕円体の形状を
有する。
【００２６】表１に記載された４つの全てのランプは電
子式安定器によって点灯される。図４はその原理回路図
を示す。高圧放電ランプＬは、結合コンデンサＣK と、
チョークコイルＬD と、共振コンデンサＣR とから構成
されてスイッチング電源部ＳＮＴから給電される直列共
振回路内に組込まれている。スイッチング電源部ＳＮＴ
は例えばＣ．Ｈ．シュトウルム（Sturm ）およびＥ．ク
ライン（Klein ）共著「電灯用点灯装置および回路」
（独シーメンス社、第６版、第２１５頁以降参照）に記
載されているような外部制御形トランジスタハーフブリ
ッジから構成されている。この外部制御形トランジスタ
ハーフブリッジは高い周波数安定性（周波数応答±２
％）を有する。
【００２７】第１の実施例は７０Ｗメタルハライドラン
プである。この７０Ｗメタルハライドランプは表１にＨ
ＱＩ−ＴＳ−７０Ｗ／ＷＤＬランプと記載されている。
【００２８】その放電管２は電極４、５間の樽形に膨ら
まされた領域に約４．７５ｍｍの内半径を有している。
放電室の容積は約０．６９ｃｍ3 である。ランプ充填物
は水銀およびアルゴンの他にすず、ナトリウム、タリウ
ム、インジウムおよびリチウムの金属ハロゲン化物を含
んでいる。このランプはスイッチング電源部から約３５
０〜４００Ｖの中間周波の矩形波電圧と約２２ｋＨｚの
周波数ＦV とが供給される。ランプ電流およびランプ電
圧の形状は直列共振回路の部品によって影響される。測
定によれば、ランプ電流およびランプ電圧はほぼ同相で
あり、交流電流の形状はコンデンサの充電および放電曲
線に似ている。
【００２９】図２から明らかなように、ランプは８ｋＨ
ｚより小さい交流電流周波数で点灯すると放電アークの
反りを示し、８〜１５ｋＨｚの周波数範囲では安定した
ランプ点灯が可能ではない。約１５ｋＨｚ以上の交流電
流周波数ではランプは放電アークの反りを非常に小さく
して点灯することができる。約２３ｋＨｚで軸線位置か
ら放電アークの対流に起因する変位は完全になくなる。
この点灯周波数ＦV ＝２３ｋＨｚはＦP ＝４６ｋＨｚの
電力周波数ＦP に相当する。半径方向の音響共振の基本
周波数ＦR は図１ｂに示された音響共振の周波数分析お
よび関係式（１）によれば約６９ｋＨｚである。従っ
て、関係式３・ＦP ＝２・ＦR または６・ＦV ＝２・Ｆ
R が良好な近似にて成立する。２３ｋＨｚの交流電流周
波数でランプを点灯することによって放電媒体内には半
径方向の音響共振が作られる。これは軸線方向に延びる
放電区間に沿って圧力節と半径方向に外側へ向けて交互
に現れる圧力最大値および最小値とを有する定常圧力波
を放電媒体内に形成する。この定常圧力波は放電室内の
対流を支配し、そしてその対流に起因する放電アークの
反りを防止する。
【００３０】第２の実施例は１５０Ｗメタルハライドラ
ンプである。この１５０Ｗメタルハライドランプは表１
にＨＱＩ−ＴＳ−１５０Ｗ／ＷＤＬランプと記載されて
いる。その放電管２は電極４、５間の樽形に膨らまされ
た領域に約６．０ｍｍの内半径を有している。放電管２
の容積は約１．５ｃｍ3 である。ランプ充填物は第１の
実施例によるランプと同じ充填物成分を含んでいる。相
違点は個々の充填成分の配量である。このランプはスイ
ッチング電源部ＳＮＴによって１８ｋＨｚ矩形波電圧で
点灯される場合に対流に起因する放電アークの反りを示
さない。電力周波数ＦP はその場合３６ｋＨｚである。
音響共振の周波数分析によれば、半径方向の音響共振の
基本周波数ＦR は約５４ｋＨｚであり、第１高調波は約
１０８ｋＨｚである。ここでも関係式３・ＦP ＝２・Ｆ
R または６・ＦV ＝２・ＦR がほぼ成立する。即ち瞬時
電力の第２高調波と半径方向音響共振の第１高調波とが
一致する。
【００３１】第３の実施例は別の１５０Ｗメタルハライ
ドランプである。この１５０Ｗメタルハライドランプは
表１にＨＱＩ−ＴＳ−１５０Ｗ／ＮＤＬランプと記載さ
れている。その放電管２は電極４、５間の膨らまされた
領域に約６．２５ｍｍの内半径Ｒを有している。ランプ
充填物はアルゴン、水銀およびすずの他にナトリウム、
ジスプロシウム、ホルミウム、ツリウムおよびタリウム
のハロゲン化物の添加物を同様に含んでいる。このラン
プは第２の実施例によるランプより高い色温度を有して
いる。このランプは１７．５ｋＨｚの矩形波電圧で点灯
すると対流に起因する放電アークの反りを示さない。半
径方向の音響共振の基本周波数ＦR は約５１．７ｋＨｚ
であり、その第１高調波は約１０２．５ｋＨｚである。
即ち関係式３・ＦP ＝２・ＦR がほぼ当てはまる。最初
の２つの実施例と同じようにこの実施例においても同様
に共振条件が満たされ、それゆえ半径方向の音響共振が
放電媒体内に作られる。
【００３２】第４の実施例として３５Ｗメタルハライド
ランプが検査された。このランプは自動車ランプであ
る。このランプは表１にＤ１３５Ｗランプと記載されて
いる。その放電管２はピンチ端部間の領域に回転楕円体
の形状を有する。回転軸線つまり放電区間に対して垂直
な内半径Ｒは約１．５ｍｍである。このランプを点灯す
るためのスイッチング電源部ＳＮＴとして例えばＣ．
Ｈ．シュトウルムおよびＥ．クラインの共著「電灯用点
灯装置および回路」（独シーメンス社、第６版、第２１
２頁〜第２１５頁参照）に記載されているような２つの
変圧器を備えたプッシュプル変換器が使用される。スイ
ッチング電源部は対流に起因する放電アークの反りを持
たないランプ点灯が可能である５８ｋＨｚの交流電圧を
発生する。音響共振の周波数分析から半径方向音響共振
の基本周波数は約２２７ｋＨｚであることが突き止めら
れた。これは電力周波数ＦP ＝１１６ｋＨｚのほぼ２倍
に相当し、この電力周波数は交流電圧周波数ＦV ＝５８
ｋＨｚの丁度２倍の大きさである。Ｄ１ランプに対して
関係式２ＦP ＝ＦR がほぼ当てはまる。即ちこの実施例
においても同様に、放電媒体内に半径方向の音響共振を
励起する共振条件が満たされている。表１には４つの全
ての実施例の結果が纏められている。
【図面の簡単な説明】
【図１】ランプの周波数分析図を示し、ａは７０Ｗメタ
ルハライドランプのランプ電流の周波数分析図、ｂは７
０Ｗメタルハライドランプの放電媒体内の音響共振の周
波数分析図。
【図２】放電アークの反り、即ち放電アーク中心が７０
Ｗメタルハライドランプの点灯周波数に依存して軸線位
置から変位する状態を示す概略図。
【図３】高圧放電ランプの概略図。
【図４】本発明による高圧放電ランプの点灯方法を実施
するための回路装置の原理構成を示す回路図。
【符号の説明】
１ 高圧放電ランプ ２ 放電管 ３ 外管 ４、５ ランプ電極 ６、７ モリブデン箔封着部 ８、９ リード線 １０、１１ モリブデン箔封着部 １２、１３ 端子 １４ ゲッタ １５、１６ 熱反射被膜 Ｌ 高圧放電ランプ ＣK 結合コンデンサ ＬD チョークコイル ＣR 共振コンデンサ ＳＮＴ スイッチング電源部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デイートリツヒ フロム ドイツ連邦共和国 83627 ワルンガウ アウシユトラーセ ７ (72)発明者 ユルゲン ゼーハウエル ドイツ連邦共和国 81379 ミユンヘン マウトイスルシユトラーセ 21／４ (72)発明者 フランツ ベルニツツ ドイツ連邦共和国 82008 ウンターハ ツヒング エフ‐ラサール‐シユトラー セ ９ (56)参考文献 特開 平３−49147（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−294751（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−312793（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05B 41/24

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ほぼ回転対称形の放電室と、放電管内に
    気密に封入されて希ガスまたは希ガス混合体、少なくと
    も１つの金属ハロゲン化物添加物ならびに場合によって
    は水銀から構成されたイオン化可能な充填物とを備えた
    放電管を有し、水平の燃焼位置で点灯され、放電媒体内
    に音響共振を生じさせる１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの中
    間周波の交流電流成分を供給される高圧放電ランプの点
    灯方法において、交流電流成分の周波数および形状は放
    電媒体内に定常半径方向音響波が励起されるように選定
    され、その場合交流電流成分の周波数ＦV と定常半径方
    向音響波の基本周波数ＦR との間に関係式ｎ・２ＦV ＝
    ｍ・ＦR （ｍ、ｎ：整数）がほぼ成立するようにするこ
    とを特徴とする高圧放電ランプの点灯方法。
  2. 【請求項２】 交流電流成分の周波数ＦV と基本周波数
    ＦR との間に関係式３・（２ＦV ）＝２・ＦR またはＦ
    V ＝（１／３）・ＦR がほぼ成立することを特徴とする
    請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 交流電流成分の周波数ＦV と基本周波数
    ＦR との間に関係式２・（２ＦV ）＝ＦR またはＦV ＝
    （１／４）・ＦR がほぼ成立することを特徴とする請求
    項１記載の方法。
  4. 【請求項４】 半径方向の音響共振の基本周波数ＦR は
    式ＦR ＝３．８３Ｃ／（２πＲ）（Ｒ：回転対称形放電
    室の半径、Ｃ：放電媒体内で半径Ｒに沿って検出された
    音速）によって検出されることを特徴とする請求項１記
    載の方法。
JP13260494A 1993-05-25 1994-05-23 高圧放電ランプの点灯方法 Expired - Fee Related JP3524581B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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DE4317368A DE4317368A1 (de) 1993-05-25 1993-05-25 Verfahren zum Betrieb einer Hochdruckentladungslampe
DE4317368.3 1993-05-25

Publications (2)

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