JP5569729B2

JP5569729B2 - キセノンランプ点灯装置及びキセノンランプの点灯方法

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Publication number: JP5569729B2
Application number: JP2010114080A
Authority: JP
Inventors: 信一鈴木; 義男西沢; 徹永瀬; 勝明大久保; 祐哉山崎
Original assignee: Iwasaki Denki KK
Current assignee: Iwasaki Denki KK
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2030-05-18
Also published as: JP2011243393A

Description

本発明は擬似太陽光を照射する擬似太陽光照射装置に用いられるキセノンランプ点灯装置に関する。

太陽電池の光電変換特性などの各種太陽エネルギー利用機器の性能測定のために、自然太陽光のスペクトル分布を再現する擬似太陽光を被照射体に照射する擬似太陽光照射装置が知られている。この種の擬似太陽光照射装置においては、キセノンランプからなる光源が箱体内に設置され、光源からの光が光学フィルタを介して照射されることで放射面から擬似太陽光が放射される。

本装置では、例えば、発光長が１０００ｍｍ以上のキセノンランプ（以下、「ランプ」という）が用いられ、直流のランプ電流が通電され、そのランプ電流値を点灯装置によって調整することにより照射面の照度が制御される。一般的には、点灯時のランプ電流は数十アンペア（例えば７０Ａ）、ランプ電圧は数百ボルト（例えば５００Ｖ）程度であり、このランプ電流／電圧が、１回の点灯あたり数十ｍＳｅｃから数百ｍＳｅｃにわたって通電／印加される。この出力状態が定電流又は定電力で制御され、点灯期間中に被照射体の性能が測定される。

上記の場合、ランプ電力が３５ｋＷとなり、瞬時（例えば１００ｍＳｅｃ）とはいえ、この電力を商用電源から直接供給すると、同じ商用電源の系統の周辺機器に障害を及ぼすことや、商用電源と照射装置の間に容量の大きい接点及び配線が必要となることが問題となる。そこで一般には、照射装置内に点灯装置を設け、点灯装置において電力を蓄積し、点灯指令に応じてその蓄積された電力をランプに供給する構成が採用される。

図４に従来の点灯装置を示す。整流器２及び平滑コンデンサ３で構成される直流電源回路１００で交流電源１が直流電圧に変換され、その直流電圧が充電回路２００に供給される。充電回路２００はトランジスタ４、５、６及び７からなるインバータを含む。充電回路２００への充電指令に応じて、ＰＷＭ制御回路８によってトランジスタ４、７及びトランジスタ５、６の導通時間が制御され、高周波で交互に導通される。これによりトランス９の１次巻線に交流電圧が発生するとともに、トランス９の２次巻線に昇圧比に応じた電圧が発生する。トランス９の２次巻線に発生した電圧は整流器１０で整流され、コイル１１で平滑されて大容量の電解コンデンサ（充電コンデンサ）１３に充電される。ここで、電流検出抵抗１２で検出される充電電流に比例した電圧（即ち、Ｂ−Ｇ間の電圧）と基準電圧１５とが誤差増幅器１４に入力され、両者が等しくなるようにＰＷＭ制御回路８によってトランジスタ４〜７の導通時間がＰＷＭ制御される。これにより、大容量の充電コンデンサ１３は所定の電流値で定電流充電されていく。充電コンデンサ１３がランプ電圧よりも充分に高い電圧（例えば、１０００Ｖ）に充電されると、ＰＷＭ制御回路８はインバータの動作を一旦停止（又は充電電圧を保持）し、スタンバイ状態となる。

次に、ランプ点灯指令に応じて電流制御回路３００が動作を開始する。電流制御回路３００は降圧チョッパ回路からなり、降圧チョッパ回路は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチ１６、ダイオード１７、コイル１８、コンデンサ１９、電流検出抵抗２０、半導体スイッチ１６の導通時間を制御するＰＷＭ制御回路２１、誤差増幅器２２、基準電圧２３及び帰還素子２７で構成される。この時点で、ランプ２５の両端に充電コンデンサ１３の電圧とほぼ等しい直流電圧（１０００Ｖ）が直ちに印加される。その後、イグナイタ（不図示）のパルストランス２４によってパルス電圧が上記直流電圧に重畳され、ランプ２５の絶縁破壊が起こる。

ランプ２５が絶縁破壊を起こすと、コンデンサ１３の充電電圧を電源として電流制御回路３００からの制限された電流がランプ２５に投入される。電流制御回路３００において、ランプ電流に比例する電圧信号（検出電圧）と、ランプ電流設定値に比例する基準電圧２３からの電圧信号（基準電圧）が誤差増幅器２２に入力され、両者が等しくなるように、ＰＷＭ制御回路２１によって半導体スイッチ１６の導通時間がＰＷＭ制御される。これにより、コンデンサ１３を電源とするランプ２５の直流点灯がランプ電流設定値に従って定電流制御される。

ところで、ランプが点灯開始してから使用照度に到達するまでの動作はこれまであまり注目されてこなかった。図５に上記従来例のランプ電流設定値（太い点線）、ランプ電流及び照度を示す。なお、図の右側の縦軸（ＳＵＮ）は各値についての使用照度時の値に対する比を表す。図示するように、ランプ電流設定値はｉ１で一定であるが、点灯開始から数ｍＳｅｃ遅れて（ｔ１で）ランプ電流がランプ電流設定値に到達して一定となり、ランプ電流が一定となってからさらに数ｍＳｅｃ遅れて（ｔ２で）照度が上昇して使用照度に達する。即ち、ランプ電流がランプ電流設定値に一定になっても照度が素早く追従しないことが分かる。

しかし、この使用照度到達前の過剰なランプ電流によって無駄な電力損失が発生してしまうことが問題となる。また、この過剰なランプ電流のために充電コンデンサのエネルギーが無駄に放電してしまうため、その後の使用照度で安定点灯が可能な時間が短縮されてしまい、擬似太陽光照射装置としての性能が損なわれる。さらに、過剰なランプ電流はランプに対するストレスとなり、ランプが短寿命となってしまうという問題もある。なお、使用照度到達前にランプ電流を大幅に高くしたからといって照度の上昇速度が大幅に増すものでもないことが実験によって分かっている。

そこで、本発明は、使用照度到達前の過剰なランプ電流を抑制して上記問題を解決することを目的とする。

本発明の第１の側面は、充電回路（２００）及び充電回路の充電電圧を電源としてランプ電流設定値に従ってキセノンランプに電流を投入する電流制御回路（３００）を備えたキセノンランプ点灯装置であって、電流制御回路がランプ電流設定値を制御する制御部（２６）を有し、制御部が、点灯開始時から使用照度到達時までの間にランプ電流設定値を、使用照度におけるランプ電流設定値（ｉ１）よりも低いランプ電流設定値から使用照度におけるランプ電流設定値まで上昇させるように構成されたキセノンランプ点灯装置である。

本発明の第２の側面は、充電回路の充電電圧を電源として、電流制御回路によってランプ電流設定値に従ってキセノンランプに電流を投入するキセノンランプの点灯方法であって、電流制御回路において、（Ａ）キセノンランプの点灯開始後、ランプ電流設定値を、使用照度におけるランプ電流設定値（ｉ１）よりも低いランプ電流設定値とするステップ、及び（Ｂ）キセノンランプの照度が使用照度に到達するまでに、ランプ電流設定値を上昇させて使用照度におけるランプ電流設定値とするステップを備える点灯方法である。

上記第１及び第２の側面において、制御部はランプ電流設定値を照度の追従速度に合わせて上昇させるようにすることが好ましい。

本発明の実施例によるキセノンランプ点灯装置を示す図である。本発明の実施例を説明する図である。本発明の変形例を示す図である。本発明の変形例を示す図である。従来のキセノンランプ点灯装置を示す図である。従来例を説明する図である。

図１に本発明の実施例によるキセノンランプ点灯装置を示す。図において、直流電源回路１００、充電回路２００、及び不図示のイグナイタ回路は、図４に示す従来例と同様であるので説明を省略する。本発明は電流制御回路３００にＣＰＵ（制御部）２６を備えた点が従来例と異なる。なお、ＣＰＵは電流制御回路３００の内部にあっても外部にあってもよい。

より詳細には、図１の回路では、誤差増幅器２２の基準電圧側に固定電圧の電源ではなく、電圧制御が可能なＣＰＵが接続されている。即ち、電流制御回路３００において、点灯指令に応じて、ランプ電流に比例する電圧信号と、ランプ電流の設定値に比例するＣＰＵ２６からの可変の電圧信号が誤差増幅器２２に入力され、両者が等しくなるようにＰＷＭ制御回路２１によって半導体スイッチ１６の導通時間がＰＷＭ制御される。これにより、コンデンサ１３を電源として、制御可能なランプ電流設定値に従ってランプ電流が定電流制御される。本実施例では、ＣＰＵ２６がこのランプ電流設定値をランプ照度の追従速度に合わせて上昇させる。

図２に、本実施例におけるランプ電流設定値（太い点線）、ランプ電流、及び照度を示す。
点灯開始時に、ランプ電流設定値は使用照度における設定値ｉ１（本実施例ではｉ１＝７０Ａ）よりも低い設定値ｉ０（例えば、ｉ０＝４６.５Ａ、ＳＵＮ＝０.６６）に設定される。点灯開始後約１ｍＳｅｃ程度でランプ電流が電流値ｉ０で一定となる。点灯開始後約５ｍＳｅｃ程度（ｔ１´）で照度がＳＵＮ０.６６まで追従すると、ランプ電流設定値がｉ０からｉ１に引き上げられる。そして、ｔ２で照度が使用照度（ＳＵＮ＝１.００）まで追従する。なお、照度の追従速度は実験等により事前に分かっているものとする。

このように、図２の本実施例と図５の従来例を比較すると、点灯開始から使用照度到達までの時間ｔ２は両者とも同様であっても、それまでのランプ電流値（積分値）は本実施例の方が少なく、使用照度到達前の過剰なランプ電流が低減されることが分かる。

以上の構成により、使用照度到達前の無駄な電力損失を防止できる。また、充電コンデンサのエネルギーを無駄に放電することがないために（ｔ２以降に）、使用照度における点灯時間をより長く確保することができる。さらに、ランプへのストレスが少ないのでランプの長寿命化を図ることができる。これにより、高効率、高性能かつ信頼性の高い擬似太陽光照射装置を提供することができる。

なお、上記実施例では、ランプ電流設定値が段階的に上昇するものを示したが、図３Ａに示すように連続的に上昇するものであってもよい。また、実施例ではランプ電流設定値の上昇が２段階のものと示したが、図３Ｂに示すように３段階以上としてもよい。またさらに、図２の実施例ではランプ電流設定値が単調増加するものを示したが、図３Ａ又は３Ｂに示すように、点灯開始から使用照度到達までにランプ電流設定値が増減するものであってもよい。

また、上記実施例では、電流制御回路３００において、誤差増幅器を用いたフィードバック回路を構成したが、強制的にＰＷＭ制御を行うフィードフォワードの構成としてもよい。この場合には、ＣＰＵ２６からのランプ電流設定値に関する信号はＰＷＭ制御回路２１に直接的に入力される。

１６．半導体スイッチ
１７．ダイオード
１８．コイル
１９．コンデンサ
２０．検出抵抗
２１．ＰＷＭ制御回路
２２．誤差増幅器
２６．ＣＰＵ（制御部）
１００．直流電源回路
２００．充電回路
３００．電流制御回路

Claims

充電後に充電動作を停止して充電電圧を保持する充電回路（２００）及び充電動作を停止している前記充電回路の充電電圧を電源としてランプ電流設定値に従ってキセノンランプに電流を投入する電流制御回路（３００）を備えたキセノンランプ点灯装置であって、
前記電流制御回路が前記ランプ電流設定値を制御する制御部（２６）を有し、該制御部が、点灯開始時から前記キセノンランプの照度が使用照度に到達する時までの間に、前記ランプ電流設定値を、前記使用照度におけるランプ電流設定値（ｉ１）よりも低いランプ電流設定値から該使用照度におけるランプ電流設定値まで上昇させるように構成されたキセノンランプ点灯装置。
請求項１のキセノンランプ点灯装置において、前記制御部が、前記ランプ電流設定値を前記照度の追従速度に合わせて上昇させることを特徴とするキセノンランプ点灯装置。
充電後に充電動作を停止して充電電圧を保持している充電回路の充電電圧を電源として、電流制御回路によってランプ電流設定値に従ってキセノンランプに電流を投入するキセノンランプの点灯方法であって、
前記電流制御回路において、
（Ａ）前記キセノンランプの点灯開始後、前記ランプ電流設定値を使用照度におけるランプ電流設定値（ｉ１）よりも低いランプ電流設定値とするステップ、及び
（Ｂ）前記キセノンランプの照度が前記使用照度に到達するまでに、前記ランプ電流設定値を上昇させて前記使用照度におけるランプ電流設定値とするステップ
を備える点灯方法。
請求項３の点灯方法であって、前記ステップ（Ｂ）において、前記ランプ電流設定値を前記照度の追従速度に合わせて上昇させることを特徴とする点灯方法。