JP3724356B2

JP3724356B2 - 放電ランプ用給電装置

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Publication number: JP3724356B2
Application number: JP2000311087A
Authority: JP
Inventors: 昌士岡本; 峰男中山; 稔福田
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2000-10-11
Filing date: 2000-10-11
Publication date: 2005-12-07
Anticipated expiration: 2020-10-11
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電ランプ用給電装置に係わり、例えば、プロジェクタ用の光源として使用される高輝度の高圧水銀蒸気ランプを点灯するための放電ランプ用給電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に、高圧水銀蒸気放電ランプやメタルハライドランプ等の放電ランプを点灯するための給電装置の一例を示す。
この放電ランプ用給電装置は、放電ランプに電力を供給するＤＣ電源と、ＦＥＴ等を用いたスイッチ素子（Ｑ１）、チョークコイル（Ｌ１）、フライホイールダイオード（Ｄ１）、平滑コンデンサ（Ｃ１）を構成要素とする降圧チョッパ、ランプ電圧検出回路、及びランプ電流検出回路からなる直流ランプ給電回路と、放電ランプの起動時に動作させるスタータと、放電ランプ等から構成されている。
ここで、放電ランプ用給電回路は、上記のランプ電圧検出回路及びランプ電流検出回路によって検出された信号に基づいてランプ電圧とランプ電流との積が概ね一定となるように制御することにより、ランプ電力を一定に制御している。
【０００３】
図２（ａ）、（ｂ）は、このような放電ランプ用給電装置を用いたときの放電ランプの起動時から定常点灯状態に至るまでのランプ電圧特性及びランプ電流特性を示す図である。
同図に示すように、起動時の初期のアーク放電は、ランプ電圧が低いため、放電ランプに定格電力を入力しようとすると、大きなランプ電流を流さなければならなくなり、回路素子の損失が増加したり、電流定格の大きな素子を使用しなければならないので、一定の上限電流を超えないように、定電流制御する場合が多い。アーク放電が持続して放電ランプの温度が上昇すると、即ち、熱アーク放電になると、ランプ電圧が上昇し、上限電流以下で定めた電力を放電ランプに投入できるようになるので、定電力制御に移行する。
【０００４】
図３（ａ）、（ｂ）は、図２（ａ）、（ｂ）に示す放電ランプの起動時におけるランプ電圧特性及びランプ電流特性を拡大して示した図である。
同図に示すように、放電ランプを起動する場合は、普通、無負荷開放電圧Ｖｆと呼ばれる、グロー放電電圧Ｖｇよりも高い電圧を放電ランプに印加した状態で、時点ｔ１にて、スタータ（または起動器ともいう）を動作させて放電空間内に絶縁破壊を発生させ、グロー放電を開始させる。このとき、グロー放電電圧Ｖｇは高く、通常１００〜２５０Ｖ程度となる。なお、グロー放電の継続時間（期間ｔ１−ｔ２）は、諸条件により変化するため、数マイクロ秒で終わる場合や、数十ミリ秒、あるいはそれ以上継続する場合もある。グロー放電が終了すると、時点ｔ２に示すように、初期のアーク放電（期間ｔ２−ｔ３）に移行する。初期のアーク放電電圧Ｖａは低く、通常１０〜５０Ｖの程度である。この初期のアーク放電は、水銀やハロゲンが電極に付着または吸着していることに起因する、いわゆる熱アークではない特殊なアーク放電である場合が多い。またこの種のアーク放電は、点灯中の放電ランプを消灯し、その温度が十分に冷却し切らない状態で再点灯した場合にも発生することがある。
【０００５】
また、放電ランプ用給電装置の公知技術としては、特開平５−２３４６８５に、放電ランプの起動性を向上させることを目的として、メタルハライドランプ等の放電ランプ点灯装置に、ブースト電圧回路とブースト用コンデンサに蓄積した電荷とを用いて、電流制限抵抗の働きにより尖頭電流値を過大にすることなく、起動時にブースト電流を流し、起動後は、ブースト電圧回路をスイッチにて切断すると共に、電流制限抵抗をスイッチにて短絡して、ブースト用コンデンサを、リプル低減のための平滑コンデンサとして機能させる技術が開示されている。この公知技術はブースト電圧回路切断スイッチを、ブースト用コンデンサの電流制限抵抗の短絡用スイッチと兼用することにより、起動時の尖頭電流値の過大化を防止し、定常点灯時のリプル低減化を図っている。
【０００６】
さらに、特開２０００−１２３９８９には、平滑コンデンサへの充電が必要であるために、ブレークダウンからアーク放電に至る速い動作に降圧チョッパ回路の動作が応答しきれず、アーク放電に失敗する現象を防止することを目的として、平滑コンデンサにスイッチを設けて静電容量を変更可能とし、イグナイタによるブレークダウンからグロー放電を経て、アーク放電へ移行するまでは、小さな静電容量とし、アーク放電への移行直後もしくはそれ以降に、大きな静電容量に変更してリプルを低減する技術が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図６に示すような放電ランプ用給電装置では、初期のアーク放電は、前述のように特殊アーク放電が多いので、図３の時点ｔ３に示すように、電極付着吸着物が枯渇すると、アーク放電が停止するため、再度、グロー放電（ｔ３以降）により放電を継続しなければならない。放電電圧の低いアーク放電から放電電圧の高いグロー放電に移行するためには、放電ランプ用給電装置は、出力電圧を瞬時に上昇させる能力が必要である。
【０００８】
しかし、このような放電ランプ用給電装置では、この急峻な電圧上昇を実現できないために、グロー放電を持続できずに、図３の破線に示すように、放電ランプの立消えを生じる事態がしばしば発生する。その場合は、スタータによる再起動を行なう必要がある。つまり、放電ランプを１回点灯する度に、スタータによる絶縁破壊、グロー放電、アーク放電、立消えのサイクルを何回か繰り返さなければならず、放電ランプの寿命短縮の原因となっていた。
【０００９】
また、上記の特開平５−２３４６８５のものは、放電ランプの起動性を向上させるものであるが、上記の放電ランプ用給電装置と同様に、アーク放電からグロー放電への移行時の放電の立消えを防止する機能を有するものではなかった。
【００１０】
また、上記の特開２０００−１２３９８９のものも、アーク放電へ移行するまでは、平滑コンデンサを小さな静電容量とすることにより、降圧チョッパ回路が、平滑コンデンサへの余計な充放電をすることなく、放電ランプのアーク放電に至る速い動作に応答できるようにするものではあるが、上記と同様に、アーク放電からグロー放電へ戻る時の放電の立消えを防止するために応用できるものではなかった。
【００１１】
そして、これらの文献に記載のものは、水銀の封入量が多いと、顕著に発生する特殊アーク放電については特に考慮されていない。
【００１２】
本発明の目的は、上記の問題点を解決するために、高圧水銀蒸気放電ランプやメタルハライドランプ等の放電ランプが、一度アーク放電に移行した状態からグロー放電に戻る際の立ち消えの発生確率を低減することのできる放電ランプ用給電装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。第１の手段は、放電ランプの電力制御を行う可変直流電源と、この可変直流電源の出力端に、前記放電ランプと共に並列に接続される平滑コンデンサと、前記放電ランプに対して点灯始動時に高電圧を印加する起動器とを備える放電ランプ用給電装置において、前記起動器の起動時に、前記平滑コンデンサの静電容量を大きな値に設定すると共に、前記放電ランプの点灯状態が、グロー放電からアーク放電への移行した直後において、前記平滑コンデンサの静電容量を小さな値に設定すると共に、アーク放電が安定に維持された状態において、前記平滑コンデンサの静電容量を大きな値に変更することを特徴とする。
【００１４】
第２の手段は、第１の手段において、アーク放電から再びグロー放電への移行後に、前記平滑コンデンサの静電容量を大きな値に設定することを特徴とする。
【００１６】
第３の手段は、第１の手段または第２の手段において、前記放電ランプは、ランプ封体によって囲まれた放電空間に一対の電極が配置され、前記放電空間に、希ガスと、１ｍｍ^３あたり０．１５ｍｇ以上の水銀とが封入されていることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図１乃至図５を用いて説明する。
図１は、本実施形態に係る放電ランプ用給電装置の構成を示す図である。
同図において、１は高圧水銀蒸気放電ランプやメタルハライドランプ等の放電ランプであり、ランプ封体２の放電空間５には水銀が比較的多量に封入されると共に、陰極３と陽極４が対向して配置される。この放電空間５には、例えば、希ガスと１ｍｍ^３あたり０．１５ｍｇ以上の水銀が封入される。６はＤＣ電源であり、ＤＣ電源６の電圧が降圧チョッパ機能を有するランプ給電回路７に供給される。ＤＣ電源６は、図示していないが、商用電源を整流ダイオードやダイオードブリッジと平滑コンデンサを用いて直流に変換するものや、高調波電流抑制機能を持った電源モジュールや、電池等で構成される。ランプ給電回路７は、スイッチ素子８、ゲート駆動回路９、ダイオード１０、インダクタ１１、第１の平滑コンデンサ１２、第２の平滑コンデンサ１３、スイッチ素子１４、電圧検出回路１５、電流検出回路１６、ランプ給電回路７内の各素子に制御信号を出力するランプ制御回路１７等から構成される。
ここで、主として、スイッチ素子８、ゲート駆動回路９、ダイオード１０、インダクタ１１は可変直流電源としての降圧チョッパ１８を構成する。
【００１８】
また、電圧検出回路１５は、分圧抵抗等を用いて構成され、放電ランプ１に印加される印加電圧を検出し、電流検出回路１６は、シャント抵抗やＣＴ等で構成され、高圧水銀蒸気ランプ１に流れる電流を検出する。
【００１９】
１９はランプ給電回路７と放電ランプ１間に挿入され、放電ランプ１の点灯始動時に、陰極４と陽極５間に、封入ガスの放電破壊を生じせしめるためのスタータ（起動器）である。スタータ１９は、ランプ給電回路７から供給される電圧によって充電される充電回路Ｒ１、Ｃ２、充電電圧が所定電圧以上になるとスイッチ素子Ｓ１によりスイッチされ、昇圧された発振電圧をダイオードＤ２を介してコンデンサＣ３に充電するトランスＴ１、コンデンサＣ３に充電された電圧が所定電圧以上になるとギャップＧ１を介して急速に放電し、２次側に数キロボルトから数十キロボルトの高電圧パルスを発生するトランスＴ２等から構成される。
【００２０】
１７はランプ制御回路であり、この回路は電圧検出回路１５によって検出されたランプ電圧信号及び電流検出回路１６によって検出されたランプ電流信号を入力し、これらの信号に基づいて、ゲート駆動回路９にゲート駆動信号を供給してスイッチ素子８の開閉を制御すると共に、スイッチ素子１４の開閉を制御する機能を有する。
【００２１】
また、第１の平滑コンデンサ１２には、スイッチ素子１４を介して第２の平滑コンデンサ１３が並列に配置され、ランプ制御回路１７からの指令により、スイッチ素子１４がオンすると、第２の平滑コンデンサ１３が第１の平滑コンデンサ１２と並列接続され合成静電容量を大きな値とすることができる。またスイッチ素子１４をオフして第２の平滑コンデンサ１３が切り離されると、第１の平滑コンデンサ１２のみの静電容量の小さな値に設定することができる。
【００２２】
次に、本発明の放電ランプ用給電装置の点灯始動時における平滑コンデンサの制御について、図１、図２及び図３を用いて説明する。
従来の放電ランプ用給電装置においては、放電ランプの放電状態が、アーク放電からグロー放電に戻るとき、グロー放電を維持できずに立消えてしまうのは、ランプ給電回路が、アーク放電電圧Ｖａからグロー放電電圧Ｖｇまで、その出力電圧を瞬時に上昇させる能力が不足していたからである。即ち、ランプ給電回路が、その出力電圧を上昇させようとしても、平滑コンデンサの充電にエネルギーが分配されてしまい、ランプ電圧の上昇の速さに対応しきれないためであった。
【００２３】
そのため、本発明の放電ランプ用給電装置では、点灯始動時、ランプ制御回路１７によって、電圧検出回路１５から検出された信号に基づいて、グロー放電からアーク放電への移行直後を検出し、スイッチ素子１４をオフして第２の平滑コンデンサ１３を切り離し、第１の平滑コンデンサ１２のみの静電容量が小さな値に設定し、また、アーク放電が安定した状態に至ったことを検出したときは、スイッチ素子１４をオンして第２の平滑コンデンサ１３を挿入し、第１の平滑コンデンサ１２との合成静電容量が大きな値となるように設定するものである。
【００２４】
このように、本発明の放電ランプ用給電装置によれば、グロー放電への戻りが発生する時点において、ランプ給電回路７が、アーク放電電圧Ｖａからグロー放電電圧Ｖｇまで電圧を上昇させようとするに際し、平滑コンデンサの静電容量を小さな値に設定しておくことにより、降圧チョッパ１８から供給されるエネルギーのうち、平滑コンデンサの充電に分配される分を抑え、応答速度を高速にすることができるものである。即ち、アーク放電からグロー放電に至るランプ電圧の上昇速度を速くすることができるので、アーク放電（期間ｔ２−ｔ３）からグロー放電（期間ｔ３以降）に戻るときの放電ランプの立消えを確実に防止することができる。
【００２５】
また、アーク放電（期間ｔ２−ｔ３）への移行後において、グロー放電（期間ｔ３以降）への戻りが発生するタイミングは予想できないので、アーク放電への移行直後において、仮にその時点で、平滑コンデンサ全体の静電容量が大きな値に設定されている場合には、出来るだけ速やかに、スイッチ素子１４をオフすることにより第２の平滑コンデンサ１３を切り離し、平滑コンデンサ全体の静電容量を小さな値に変更するものである。
【００２６】
ここで、平滑コンデンサの静電容量を小さな値に設定するためには、放電ランプ１のアーク放電に移行したタイミングを把握する必要があるが、上記のごとく、電圧検出回路１５によってランプ電圧を監視することにより、これを簡単に実現することができる。アーク放電に移行直後のアーク放電電圧Ｖａは低いので、図３に示すように、適当なスレッショルド電圧Ｖｔｈ１を設定しておき、これよりもランプ電圧が低い状態を検出した時点を放電ランプ１がアーク放電に移行したタイミングとすればよい。
【００２７】
また、安定したアーク放電以降後、平滑コンデンサの静電容量が小さな値のままでは、ランプ電流のリプル成分が大きくリプル電流によって誘起される音響共鳴現象により、放電ランプ１がチラついたり、立消えが発生する可能性があるので、アーク放電が安定して維持される状態になった時点で、第２の平滑コンデンサ１３を付加して平滑コンデンサの静電容量を大きな値に変更し、ランプ電流のリプル成分を小さく抑えるようにするものである。
【００２８】
ここで、平滑コンデンサの静電容量を大きな値に変更するタイミングは、アーク放電が安定して維持される状態を、上記と同様に、電圧検出回路１５によってアーク放電電圧を監視することにより、簡単に実現することができる。即ち、図２に示すように、アーク放電に移行後のランプ電圧は徐々に上昇するため、適当なスレッショルド電圧Ｖｔｈ２を定め、これよりもランプ電圧が高い状態を検出した時点をアーク放電が安定して維持される状態に移行したタイミングとすればよい。
【００２９】
なお、上記のアーク放電に移行したタイミングを得るためのランプ電圧のスレッショルド電圧Ｖｔｈ１と、アーク放電が安定して維持される状態になったタイミングを得るめのランプ電圧のスレッショルド電圧Ｖｔｈ２とを同じ値とし、共通の回路を用いて検出するようにして、装置の構造を簡略化することも可能である。
【００３０】
さらに、図２及び図３に示すように、ランプ点灯中は、ランプ電圧が高いときはランプ電流が小さく、ランプ電圧が低いときはランプ電流が大きいので、ランプ電圧を監視する代わりに、電流検出回路１６によってランプ電流を監視することによっても、同様に各タイミングを得ることができる。
【００３１】
また、本実施形態の発明では、図２及び図３に示すように、初期のアーク放電後に再びグロー放電が発生する場合について説明したが、放電ランプは放電ランプの状態、例えば、それまでの点灯経緯等によって放電態様が一様でなく、必ずしも初期のアーク放電、いわゆる特殊アーク放電や再グロー放電が発生するとは限らない。しかし、本発明では、たとえ初期のアーク放電や再グロー放電が発生乃至発生しない場合であっても、常に、グロー放電からアーク放電への移行直後は、平滑コンデンサの静電容量を大きくなるように設定しておくことにより、放電ランプがいかなる態様の放電現象を呈する場合であっても有効に対処することができる。
【００３２】
次に、本発明の放電ランプ用給電装置の再グロー放電発生時の平滑コンデンサの制御について、図１及び図３を用いて説明する。
本発明の放電ランプ用給電装置は、アーク放電からグロー放電への戻り発生時には、第１の平滑コンデンサ１２に第２の平滑コンデンサ１３を付加して、平滑コンデンサの合成静電容量を大きく設定して、放電ランプ１の電極３，４の加熱を促進するものである。
【００３３】
放電ランプ１がアーク放電からグロー放電へ戻る、いわゆる再グロー放電（期間ｔ３以降）が発生した場合は、再グロー放電からアーク放電に移行するためには、再グロー放電によって電極３，４の加熱を行い、再グロー放電を出来るだけ短時間に終了させることが望ましい。
また、再グロー放電（期間ｔ３以降）が終了して、アーク放電に移行した際も、アーク放電電圧は、グロー放電電圧Ｖｇ２よりも遥かに低いため、平滑コンデンサからは、グロー放電電圧Ｖｇ２とアーク放電電圧の差電圧に相当するエネルギーが放出され、電極加熱が促進されてアーク放電への移行を確実なものにすることができる。従って、アーク放電への移行直前の時点においては、平滑コンデンサの静電容量は、大きい方が有利であることがわかる。
【００３４】
次に、本発明の放電ランプ用給電装置のスタータ作動時の平滑コンデンサの制御について、図１及び図３を用いて説明する。
本発明の放電ランプ用給電装置は、スタータ１９の起動直後からグロー放電時を経て、アーク放電移行直後までは、第１の平滑コンデンサ１２に第２の平滑コンデンサを付加して、平滑コンデンサの合成静電容量を大きく設定して、放電ランプ１の電極３，４の加熱を促進するものである。さらに、アーク放電移行後は、直ちに、第２の平滑コンデンサ１３を切り離して静電容量を小さな値に変更して、再グロー放電の発生に備えて、ランプ給電回路７の応答速度が高い状態で待機させ、実際に再グロー放電が発生した際には、ランプ電圧を急速に上昇させて、放電ランプの立消えを防止しようとするものである。
【００３５】
ところで、上述のごとく、放電ランプ１がグロー放電からアーク放電に速やかに移行させるためには、グロー放電によって電極３，４の加熱が行なわれなければならないが、グロー放電は放電電圧が高い状態にあるため、これが長く続くと、電極３，４を構成するタングステン等の金属がスパッタ現象により飛び出し、ランプ封体２に付着することにより、ランプ封体黒化が発生し、ランプ寿命を縮める結果となる。従って、グロー放電は、出来るだけ短時間に終了させる方が良い。
【００３６】
また、放電ランプ１の起動に際しては、図３の時点ｔ１に示すように、グロー放電電圧Ｖｇより高い無負荷開放電圧Ｖｆを放電ランプ１に印加した状態で、スタータ１９を動作させて放電空間内に絶縁破壊を発生させ、グロー放電（期間ｔ１−ｔ２）を開始させるが、平滑コンデンサは、無負荷開放電圧Ｖｆの印加時は、グロー放電電圧Ｖｇよりも高い電圧で充電されているため、グロー放電の開始時、平滑コンデンサからは、無負荷開放電圧Ｖｆとグロー放電電圧Ｖｇとの差電圧に相当するエネルギーが放出されて電極加熱が促進され、グロー放電時間を短縮する効果がある。従って、スタータ１９の動作時点においては、平滑コンデンサの静電容量は、大きい方が有利であることがわかる。
【００３７】
また、グロー放電（期間ｔ１−ｔ２）が終了して、アーク放電（時点ｔ２以降）に移行した際も、初期のアーク放電電圧Ｖａは、グロー放電電圧Ｖｇよりも遥かに低いため、平滑コンデンサからは、グロー放電電圧Ｖｇとアーク放電電圧Ｖａとの差電圧に相当するエネルギーが放出され、電極加熱が促進されてアーク放電への移行を確実なものにする効果がある。従って、アーク放電への移行直前の時点においても、平滑コンデンサの静電容量は、大きい方が有利であることがわかる。
【００３８】
次に、放電ランプ１の点灯始動時における平滑コンデンサの入切の制御について図４を用いて説明する。
図４は、図１における第２の平滑コンデンサの入切を制御するための平滑コンデンサ制御回路の一例を示す図である。
同図において、２０は図１に示すランプ制御回路１７内に設けられる第２の平滑コンデンサの入切を制御するための平滑コンデンサ制御回路である。なお、図１と同符号の箇所は図１の同符号の構成に対応する。
【００３９】
スイッチ素子１４は、ＦＥＴ（Ｑｓｗ）により構成され、分圧抵抗（Ｒｍ１，Ｒｍ２）からなるランプ電圧検出回路１５で検出された信号は、比較器（Ｃｍｐ）の一方の端子に入力され、非比較電圧（Ｖｒ）は比較器（Ｃｍｐ）の他方の端子に入力され、ランプ電圧が、設定されたスレショルド電圧より高いか低いかを判別する。なお、比較器（Ｃｍｐ）には、正帰還抵抗（Ｒｆｂ）と正帰還コンデンサ（Ｃｆｂ）を設け、ヒステリシス特性による過渡動作の安定化を図っている。
【００４０】
スタータ起動時やグロー放電時等の、ランプ電圧がスレショルド電圧（Ｖｔｈ１）よりも高い状態では、比較器（Ｃｍｐ）はローレベルの信号を出力するものとすると、このときは、トランジスタ（Ｑｔ）はオフとなるので、コンデンサ（Ｃｔ）は、充電抵抗（Ｒｃ）と充放電抵抗（Ｒｄ）を介してハイレベルの電圧に充電され、シュミット回路（Ａ）を介して、ハイレベルの信号が、２個のコンプリメンタリトランジスタからなるドライバ回路（Ｂｆ）に入力され、スイッチ素子１４のＦＥＴスイッチ（Ｑｓｗ）をオンして、第１の平滑コンデンサ１２に対して、第２の平滑コンデンサ１３を並列に接続し、合成静電容量としての平滑コンデンサ全体の静電容量を大きな値に設定する。
【００４１】
また、アーク放電に移行して、ランプ電圧がスレショルド電圧（Ｖｔｈ１）よりも低い状態になると、前記とは逆の論理により、トランジスタ（Ｑｔ）がオンになり、コンデンサ（Ｃｔ）は、充放電抵抗（Ｒｄ）を介して放電し、ローレベルの電圧となり、スイッチ素子１４のＦＥＴスイッチ（Ｑｓｗ）をオフして、第２の平滑コンデンサ１３を切り離して、合成静電容量としての平滑コンデンサ全体の静電容量を小さな値に設定し、グロー放電への戻りに備える。
【００４２】
グロー放電への戻りが発生すると、ランプ電圧がスレショルド電圧（Ｖｔｈ１）よりも高い状態に戻るため、前記と同様に、コンデンサ（Ｃｔ）は、充電抵抗（Ｒｃ）と充放電抵抗（Ｒｄ）を介してハイレベルの電圧で充電され、平滑コンデンサ全体の静電容量が大きな値に設定され、アーク放電への再移行に備える。
【００４３】
ここで、アーク放電に移行してから、平滑コンデンサ全体の静電容量が小さな値に設定されるまでの時間、即ち、平滑コンデンサがアーク放電電圧の放電ランプに放電するのを待つ待機時間は、充放電抵抗（Ｒｄ）の抵抗値とコンデンサ（Ｃｔ）の容量値を適切な値に設定することにより設定される。また、グロー放電へ戻ってから、平滑コンデンサ全体の静電容量が大きな値に設定されるまでの時間、即ち、平滑コンデンサがグロー放電電圧に充電されるのを待つ待機時間は、充電抵抗（Ｒｃ）と充放電抵抗（Ｒｄ）の和の抵抗値とコンデンサ（Ｃｔ）の容量値を適切な値に設定することにより設定される。
なお、シュミット回路（Ａ）は、コンデンサ（Ｃｔ）の充電や放電のような、比較的遅い変化の信号を、安定的に２値化するために挿入されている。
【００４４】
上記のごとく、平滑コンデンサ制御回路２０の制御により、グロー放電状態になると、平滑コンデンサ全体の静電容量が大きな値に設定され、アーク放電に移行すると、平滑コンデンサ全体の静電容量が小さな値に設定されるので、アーク放電への移行とグロー放電への戻りのサイクルが何回発生しても、うまく整合して動作させることができるという優れた制御特性が得られる。
【００４５】
また、上述のように、熱アーク放電に移行後は、ランプ電圧は徐々に上昇するので、スレショルド電圧（Ｖｔｈ２）を適当に定めることにより、平滑コンデンサ制御回路２０により、アーク放電が安定して維持されるようになった後は、平滑コンデンサの静電容量を大きな値に変更し、ランプ電流のリプル成分を小さく抑える状態への移行を図ることができる。
【００４６】
なお、この平滑コンデンサ制御回路２０において、トランジスタ（Ｑｘ）を追加し、信号（Ｓｘ）により、トランジスタ（Ｑｘ）をオン状態にできるようにすれば、非比較電圧（Ｖｒ）を実質的に短絡して零にすることができるので、ランプ電圧から検出信号に依存せずに、平滑コンデンサの静電容量を大きな値に設定することができる。例えば、放電ランプ１の起動からアーク放電が安定して維持されるようになるまでの一定時間を予め予測しておき、実際に放電ランプの起動から上記一定時間の経過を検出して、信号（Ｓｘ）を発生させるタイマ回路を設けことにより、コンデンサの静電容量を大きな値に変更し、ランプ電流のリプル成分を小さく抑える状態への移行を、ランプ電圧に依らずに時間に基づいて制御することも可能である。
【００４７】
さらに、スタータ１９の動作時点、またはアーク放電への移行直前の時点において、平滑コンデンサの静電容量は大きい方が有利である旨記載したが、当然ながらそれにも限度があり、平滑コンデンサの静電容量が不当に大きな場合は、電極が消耗し、ランプ封体の黒化が発生する等の不都合があるので、平滑コンデンサの静電容量の大きな値は、用途に見合う適当な範囲内で選択する必要がある。
【００４８】
上記範囲の上限は、主として放電ランプの大きさから決まり、大きい放電ランプほど上限値は高くなる。また上記範囲の下限は、降圧チョッパ１８等のランプ給電回路７のスイッチング周波数およびリプルの許容量から決まり、スイッチング周波数が高いほど、またリプルの許容量が大きいほど下限値は小さくなる。
【００４９】
さらに、平滑コンデンサの静電容量の値は、アーク放電からグロー放電への戻りが発生した時に、放電ランプの立消えを防止することができるようにランプ電圧を急峻に上昇させ得る値に設定する必要があるが、この値の上限値は、ランプ給電回路の制御応答の速さが遅いほど、小さな値となる。ただし、この上限値は、放電ランプの立消えのし易さに依存するため、放電ランプの封入元素の種類やガス圧によって変化する。また、この値の下限値は、静電容量の値があまりに小さい場合には、リプルが過大となり、ランプ給電回路の動作が不安定になる現象の発生を考慮して規定される。また、この下限値は、ランプ給電回路のスイッチング周波数が高いほど小さくすることができる。
【００５０】
このように、平滑コンデンサの静電容量をどの程度大きな値に設定するか、またどの程度小さな値に設定するかは、それぞれ放電ランプの種類や大きさ、ランプ給電回路のスイッチング周波数や応答速度、許容リプルに依存するため、実験的に定める必要があるが、定格２００Ｗの高圧水銀ランプ用の給電装置ではランプ給電回路のスイッチング周波数が５０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚである場合には、平滑コンデンサの静電容量が小さい場合の静電容量値は、１０ｎＦ〜１００ｎＦ、望ましくは３０ｎＦ〜６０ｎＦが適当であり、平滑コンデンサの静電容量が大きな場合の静電容量値は、平滑コンデンサの静電容量が小さな場合の静電容量値の５倍〜５０倍、望ましくは１０倍〜２０倍の値が適当である。なお、これら静電容量値の適当値は、概ね放電ランプの定格電力に比例すると考えてよい。
【００５１】
また、本実施形態では、１個のスイッチ素子１４をオンまたはオフの状態に切り換えることにより、平滑コンデンサの静電容量が２種類の値をとれるように構成しているが、３種類あるいはそれ以上の値をとれるように構成してもよい。そのように構成した場合は、合成静電容量の中から大きいものと小さいものの選択の際に、放電ランプの放電状態、環境温度、放電ランプの使用時間、さらにはＤＣ電源の電気回路の状態等に応じて、最適なものを選択することが可能となる。
【００５２】
例えば、大きな静電容量値についていえば、アーク放電に移行する前の状態における大きな静電容量値と、アーク放電が安定に維持された状態、即ち、熱アーク放電状態における大きな静電容量値とは異なる値を設定することが可能となる。ここで、後者の静電容量値はリップル量の目標水準に応じた任意の値とすることができる。
【００５３】
さらに、本実施形態では、コンデンサ１３に直列にスイッチ素子１４を接続し、これをもう一方のコンデンサ１２と並列に接続したものを平滑コンデンサとして構成し、その静電容量を大きな値と小さな値に切り換えるようにしたが、平滑コンデンサの静電容量の可変手段はこのような回路構成に限定されるものではない。例えば、２個のコンデンサを直列に接続し、一方のコンデンサをスイッチ素子で短絡可能に構成して静電容量の大小の状態を切り換えるようにしてもよい。
【００５４】
さらには、平滑コンデンサが複数の部品から構成される場合には、そのインピーダンスは、純粋に容量成分だけでなく、抵抗成分を持つものや周波数が非常に高い帯域、例えば、チョッパ周波数の１０倍以上の帯域では、誘導成分をもつものであってもかまわない。
【００５５】
また、本実施形態の放電ランプ用給電装置は、図１に示すように、スタータ１９として、放電ランプ１の陰極３と陽極４間にランプ給電回路７から供給される出力電圧に重畳して高電圧パルスを印加する、いわゆる内部トリガ方式と呼ばれるものを用いているが、本発明では、これに限らず、ランプ封体２の外部から放電空間に高電圧を印加し、誘電体バリア放電によって絶縁破壊を発生させて起動する、いわゆる外部トリガ方式または並列トリガ方式と呼ばれる（フラッシュランプのトリガにおいて多用される）ものを用いても良好に機能させることができる。
【００５６】
図５は、スタータ１９として外部トリガ方式または並列トリガ方式を用いた場合の本発明の放電ランプ用給電装置の構成を示す図である。
同図に示すように、スタータ１９によって発生された高電圧パルスは外部電極から、ランプ封体２を介して放電ランプ１に印加される。
さらに図示していないが、本発明の放電ランプ用給電装置のスタータとして、上記の内部トリガ方式、外部トリガ方式のものに代えて、高電圧パルスを印加する代わりに、絶対値が徐々に上昇するＤＣ的電圧を印加する、いわゆるＤＣスタータ方式と呼ばれるものを用いても良好に機能させることができることはいうまでもない。
【００５７】
また、本発明においては、放電ランプと平滑コンデンサが並列に接続されるが、これは、単にこの両素子が並列に接続される場合に限定されるものではなく、例えば、放電ランプとスタータが直列に接続されたもの、またはそれにノイズフィルタ素子等が直列に接続されたものと、平滑コンデンサとが並列に接続される場合や、さらには、放電ランプを含むものと平滑コンデンサまたは平滑コンデンサと他の素子とが直列に接続されたものとが並列に接続される場合を含むものである。即ち、少なくとも放電ランプを含むものと少なくとも平滑コンデンサを含むものとが並列に接続される場合を含むものである。
【００５８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、起動器の起動直後に、平滑コンデンサの静電容量を大きな値に設定するようにしたので、平滑コンデンサには、無負荷開放電圧の印加時は、グロー放電電圧よりも高い電圧で充電されているので、グロー放電の開始時、平滑コンデンサから、無負荷開放電圧とグロー放電電圧との差電圧に相当するエネルギーが放出されて電極加熱が促進され、グロー放電時間を短縮することができる。また、グロー放電が終了して、アーク放電に移行した際も、アーク放電電圧はグロー放電電圧よりも低いため、平滑コンデンサからは、グロー放電電圧とアーク放電電圧との差電圧に相当するエネルギーが放出され、電極加熱が促進されてアーク放電への移行を確実なものとすることができる。
また、放電ランプの点灯状態がグロー放電からアーク放電に移行した直後において、平滑コンデンサの静電容量を小さな値に設定するようにしたので、アーク放電からグロー放電に戻るような事態が発生した場合には、可変直流電源から供給されるエネルギーのうち、平滑コンデンサの充電に分配される分を抑え、アーク放電からグロー放電への立ち上げ速度を速くすることができ、アーク放電からグロー放電に戻るときの放電ランプの立消えを確実に防止することができる。
また、アーク放電が安定に維持された状態において、平滑コンデンサの静電容量を大きな値に変更するようにしたので、ランプ電流のリプル成分によって誘起される音響共鳴現象による放電ランプのチラツキや、立消えの発生を防止することができる。
【００６０】
請求項２記載の発明によれば、アーク放電から再びグロー放電への移行後に、平滑コンデンサの静電容量を大きな値に設定するようにしたので、アーク放電からグロー放電に戻るような事態が発生した場合は、グロー放電時に電極の加熱を行い、グロー放電を短時間で終了させて、アーク放電へ速やかに移行させることができる。また、グロー放電が終了して、アーク放電に移行した際も、アーク放電電圧は、グロー放電電圧よりも低いので、平滑コンデンサから、グロー放電電圧とアーク放電電圧の差電圧に相当するエネルギーが放出され、電極加熱が促進されてアーク放電への移行を確実なものとすることができる。
【００６２】
請求項３記載の発明によれば、ランプ封体によって囲まれた放電空間に、希ガスと１ｍｍ^３あたり０．１５ｍｇ以上の水銀とが封入されているような放電ランプを用いた場合には、上記請求項１または請求項２記載に発明の効果を極めて有効に機能させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る放電ランプ用給電装置の構成を示す図である。
【図２】放電ランプの起動時から定常点灯状態に至るまでのランプ電圧特性及びランプ電流特性を示す図である。
【図３】図２に示す放電ランプの起動時におけるランプ電圧特性及びランプ電流特性を拡大して示した図である。
【図４】図１に示す第２の平滑コンデンサの入切を制御するための平滑コンデンサ制御回路の一例を示す図である。
【図５】スタータ１９として外部トリガ方式または並列トリガ方式を用いた場合の本発明の放電ランプ用給電装置の構成を示す図である。
【図６】従来技術に係る放電ランプを点灯するための放電ランプ用給電装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
１放電ランプ
２ランプ封体
３陰極
４陽極
５放電空間
６ＤＣ電源
７ランプ給電回路
８スイッチ素子
９ゲート駆動回路
１０ダイオード
１１インダクタ
１２第１の平滑コンデンサ
１３第２の平滑コンデンサ
１４スイッチ素子
１５電圧検出回路
１６電流検出回路
１７ランプ制御回路
１８降圧チョッパ
１９スタータ
２０平滑コンデンサ制御回路

Claims

放電ランプの電力制御を行う可変直流電源と、この可変直流電源の出力端に、前記放電ランプと共に並列に接続される平滑コンデンサと、前記放電ランプに対して点灯始動時に高電圧を印加する起動器とを備える放電ランプ用給電装置において、
前記起動器の起動時に、前記平滑コンデンサの静電容量を大きな値に設定すると共に、前記放電ランプの点灯状態がグロー放電からアーク放電への移行した直後において、前記平滑コンデンサの静電容量を小さな値に設定すると共に、アーク放電が安定に維持された状態において、前記平滑コンデンサの静電容量を大きな値に変更することを特徴とする放電ランプ用給電装置。
アーク放電から再びグロー放電への移行後に、前記平滑コンデンサの静電容量を大きな値に設定することを特徴とする請求項１に記載の放電ランプ用給電装置。
前記放電ランプは、ランプ封体によって囲まれた放電空間に一対の電極が配置され、前記放電空間に、希ガスと、１ｍｍ ^３あたり０．１５ｍｇ以上の水銀とが封入されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放電ランプ用給電装置。