JPH04112494A - 放電縞を誘起しないガス放電ランプの調光回路 - Google Patents

放電縞を誘起しないガス放電ランプの調光回路

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JPH04112494A
JPH04112494A JP2410492A JP41049290A JPH04112494A JP H04112494 A JPH04112494 A JP H04112494A JP 2410492 A JP2410492 A JP 2410492A JP 41049290 A JP41049290 A JP 41049290A JP H04112494 A JPH04112494 A JP H04112494A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
[0001]
【産業上の利用分野】
本発明はガス放電ランプを調光することに関し、詳しく
いうと、コンパクトけい光ランプを調光することに関す
る。 [0002]
【従来の技術】
ガス放電ランプは電気エネルギを高効率で可視エネルギ
に変換する。ガス放電ランプは、一般的には、ガス(通
常は低圧水銀蒸気)を封入した細長い管体とこの管体内
の各端部に電極を備えた構成を有している。各電極は、
例えばアルかつ土金属の酸化物の混合物のような熱電子
放出性材料で被覆された抵抗性フィラメント(通常はタ
ングステン)より形成されている。 [0003] ガス放電ランプの定常状態動作は次の通りである。電圧
がそれぞれの抵抗性フィラメントに印加され、放電管体
内に熱電子の放出を生じさせるのに十分な温度にこれら
電極を加熱する。ある電圧がこれら電極間に印加され、
電子をアノードに向かうように加速する。アノードへの
途中で、電子はガス原子と衝突して正イオン及び追加の
電子を発生し、管体内に正及び負の帯電キャリヤのガス
プラズマを形成する。電子はアノードに向かって走行し
続け、また、正イオンはカソードに向かって走行し続け
、管体内に電気放電を維持し、かつ電極をさらに加熱す
る。(印加された電力がAC.(交流)である場合には
、電極は半サイクルおきに極性を反転する。) 放電は特定の封入ガス及び放電の電気的パラメータに依
存する波長を有する放射線の放出をもたらす。各衝突が
追加の電子及びイオンを発生させるから、アーク電流の
増大によりランプのインピーダンスは減少し得る。これ
は「負抵抗」として知られた特性である。ランプの動作
は、生来、この負抵抗特性のために不安定であり、電極
間の電流はランプに損害を与えることを避けるために外
部の手段によって制限されなければならない。 [0004] ガス放電ランプの調光はよく知られている。通常のけい
光ガス放電ランプを調光するための回路は1975年1
2月16日に発行されたリケイタ(Licata)等の
米国特許第3.927,345号に開示されている。け
い光ランプは管体の内表面にけい光物質を塗布したガス
放電ランプである。このけい光物質は電気放電による紫
外線によって励起され、けい光を発し、可視光を提供す
る。上記米国特許第3,927,345号は60Hzの
AC源から誘導性安定器と直列のけい光ランプに位相制
御された電圧を提供する位相制御調光回路を開示するも
のである。この調光回路は主スイッチングデバイスとし
て両方向性三端子型サイリスタ(トライアック)を使用
し、かつAC源からの電力の各半サイクルにおいて対称
的なトライアラりの点弧遅延を確実にするためにDC.
(直流)補償回路を含んでいる。トライアラりの点弧遅
延中ランプには全く電流が流れない。トライアックを対
称的に点弧させることは過剰のDC電流がランプに流れ
ることを防ぎ、ランプがちらついたり(フリッカしたり
)、誘導性安定器が飽和することを防止できる。この回
路は最大光出力の約100%から約50%までの調光範
囲にわたって動作する。光出力が約50%以下になると
、トライアラりの点弧遅延が放電管内のガスプラズマの
再結合時間よりも長くなるので、電気放電が持続できな
い。 [0005] 1977年11】4田こ発行されたグレイ(Graいの
米国特許第4.001,637号には最大光出力の50
%以下の調光レベルでランプを動作させることができる
ガス放電ランプ調光回路が開示されている。低い調光レ
ベルは途切れないフィルタされたDC電流をランプに供
給することによって得ている。この回路は容量性安定器
、全波整流器、及び出力フィルタを含む。位相制御され
た電源から容量性安定器を経てAC電流が全波整流器に
流れる。脈動するDC電流が全波整流器によってしCロ
ーパスフィルタに供給され、そしてランプの電極に供給
される。しかしながら、DC電流はアノードの振動、ラ
ンプの長手方向に沿う不均一な照明、及びランプ有効寿
命の減少をもたらす傾向がある。 [0006] アノードの振動はこのアノード振動の基本周波数より非
常に高い周波数でランプを動作させることによって大い
に減少できる。1980年6月10日に発行されたスパ
イラ(Spira )等の米国特許第4,207,49
8号には23KHzのAC電流をランプに供給するため
の中央インバータを含む調光システムが開示されている
。ランプはインバータ出力の振幅を調整することによっ
て最大光出力の100%から1%までの範囲にわたって
調光することができる。高周波AC電流を使用すること
はまた、ランプの効率を20%程度増大させ得る。 [0007]
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低い光レベル(最大光出力の約30%以
下)では、ランプは放電縞を発生する(縞状に発光する
)傾向がある、即ち、管体の長手方向に沿って明るい領
域と薄暗い領域の交互する帯状の発光領域に分かれる傾
向がある。放電縞(縞状発光)を生じるメカニズムは完
全には理解されていないが、しかし、ランプ電極間の電
荷分布を変化させる定在波を増強する高周波電流によっ
て生ずるものと思われる。この明白でない理由のために
、管径の小さいランプ及び急激に曲がった曲り部(コン
パクトけい光ランプの代表的な特徴)を有するランプは
放電縞を発生する可能性が非常に高い。 [0008]
【課題を解決するための手段】
本発明は放電縞を大幅に減じ、かつ最大光出力の約IQ
O%から1%までの範囲でフリッカのない調光を維持す
るコンパクトけい光ランプ用の調光制御回路を提供する
ものである。この調光回路は、一般的には、ランプ電極
に27KHzの正弦波電流を供給してランプ中に電気放
電を開始させ、かつ保持し、同時に、実質的に脈動しな
い少量のDC電流を電極に供給してランプ電流を非対称
の電流波形にする。この非対称の電流はランプの可視の
放電縞を大幅に減少させる。非対称の電流は管内の電荷
分布を変更し、ランプ電極間に定在波が形成されるのを
防止するものと思われる。電荷分布の波のような変動が
放電ランプに沿って測定.できるけれど、それは定在波
ではない。それはランプを流れる電流のDC成分の大き
さによって決定される速度で移動する。可視の放電縞は
、上記波のような電荷分布によってもたらされる明るい
及び薄暗い帯状の領域を、これら領域が目に見えなくな
るように高速移動させるDC電流をランプに供給するこ
とによって、除去される。しかしながら、DC電流が多
過ぎると、アノードの振動が生じる。適当量のDC電流
は放電縞の影響とアノードの振動との妥協(かね合い)
によって選定される。約0.04乃至1.4mAのDC
電流は代表的なコンパクトけい光ランプに対する妥協値
として満足なものであることが経.験的に分った。一般
的に言って、最適のDC電流は最小(低範囲)から中間
範囲の出力までの調光範囲にわたっては増加する。さら
に高い出力においては、DC電流の正確な値はあまり重
要ではない。低出力範囲と中間出力範囲でのDC電流比
は約1:2であることが好ましい。かくして、好ましい
DC電流は最小ランプ出力(低出力)及び中間乃至最大
ランプ出力(高出力)においてそれぞれ約0.04〜0
.7mA及び01〜1.4ミリAである。 [0009] 本発明によれば、対称なAC電流をガス放電ランプの電
極に供給して該ランプに電気放電を開始させ、かつ維持
するためのAC電流供給手段と、前記ランプ電極にDC
電流を同時に供給するためのDC電流供給手段とを具備
し、前記ランプに非対称な電流波形を確立して可視の放
電縞の発生を実質的に除去することを特徴とする電源か
らガス放電ランプに電力を供給するための制御装置が提
供される[0.0.1.01 本発明の他の実施例においては、対称なAC電流を直列
に接続された一対のガス放電ランプの電極に供給してこ
れらランプに電気放電を開始させ、かつ維持するための
AC電流供給手段と、前記ランプ電極にDC電流を同時
に供給するためのDC電流供給手段とを具備し、前記ラ
ンプに非対称な電流波形を確立して可視の放電縞の発生
を実質的に除去することを特徴とする電源から直列に接
続された一対のガス放電ランプに電力を供給するための
制御装置が提供される。 [0011] 1実施例】 以下、本発明の実施例について添付図面を参照して詳細
に説明する。 [0012] 図1は本発明による調光回路のブロック図である。破線
で囲まれているこの調光回路1は正弦波の電源3からガ
ス放電ランプ5に可変量の電力を提供する。この調光回
路1は、一般的には、フロントエンド整流器7を含み、
この整流器7は電源3からの60Hz(代表例)のAC
電圧をスイッチングインバータ9に供給されるDC電圧
に変換する。スイッチングインバータ9はこのDC電圧
を、可変の持続時間を有する反転及び非反転の交互する
方形波パルス電圧よりなる高周波AC電圧に変換する。 パルス幅変調(PDM)回路11は変調電圧波形をスイ
ッチングインバータ9に供給して各パルスの持続時間を
制御する。 [0013] スイッチングインバータ9からの高周波AC電圧は共振
回路13を駆動し、その結果、共振回路13は、駆動電
圧の振幅及び周波数並びに共振回路のQ(マグニフイケ
ーション・ファクタ)によって決定される振幅を有する
実質的に正弦波態様で、共振する。この共振回路はスイ
ッチングインバータ9からの駆動電圧のパルス持続時間
によって決定される可変の振幅を持つ本質的に対称な高
周波正弦波電流源である。本明細書においては、共振回
路は単一の基本モードの共振を有するものと理解される
。用語「ピーク応答周波数」はこの基本共振が最大化さ
れる周波数を指す。交流波形に適用されたときに、用語
「対称な」は、波形の正の部分が波形の対応する負の部
分に形状及び大きさにおいて実質的に同一であることを
意味するものと理解される。 [0014] 共振回路13からの電流はランプ5に供給され、選択可
能な出力レベルの範囲にわたり安定な電気放電を開始さ
せ、かつこの安定な電気放電を維持する。同時に、バッ
クエンド整流器15が共振回路13からの予め定められ
た量の電流を整流し、これをランプ5に供給し、ランプ
5を流れる電流に、放電縞及びアノードの振動を最tJ
Xにするように選択されたDC成分を付加する。 [0015] 図2は本発明によるコンパクトけい光ランプを流れる電
流のAC成分を示す。 半周期τは正弦波電流の周波数によって決定され、そし
てフリッカなしに電気放電を持続させるためにガスプラ
ズマの再結合時間(〜100μS)より短いことが好ま
しい。ランプに対するAC電流のRMS値は実質的に出
力、従って、ランプの輝度(明るさ)を決定し、約1m
Aから約200mAまで調節可能であることが好ましい
。 [0016] 図3はランプを流れる電流のDC成分を示す。例示の目
的のため、このDC成分の大きさはAC成分に関して誇
張されている。実際問題として、最大ランプ出力におい
て、DC成分はAC成分の約0.02%から約0.35
%の範囲であろうし、また、最小ランプ出力においては
、結果として生じる電流(全体の電流)の約5%〜約5
0%のDC成分が好ましい。 [0017] 図4はランプを流れる全体の電流波形を示す。DC成分
はAC成分をゼロ電流レベルからオフセットし、実質的
にランプの放電縞を減じた僅かに非対称の全体の電流波
形を生じさせる。 [0018] 図5は本発明の調光回路の回路図である。この回路は次
のように動作する。AC電圧が電源から回路のホット端
子Hと中性端子N間に印加される。ダイオードD1及び
D2、抵抗R1、コンデンサC1及びC2、並びにツェ
ナーダイオードZlは低電圧DC電力供給源を構成する
。各正電圧の半サイクル中、電流はホット端子Hからコ
ンデンサC1及びC2、並びにダイオードD2を介して
中性端子Nに流れ、コンデンサC2を図示するようにプ
ラス(+)−マイナス(−)の極性に充電する。抵抗R
1及びツェナーダイオードZ1はコンデンサC2の電圧
を安定化し、その結果、DC電力供給源は、本質的に、
ツェナーダイオードZ1のブレークオーバ電圧に等しい
DC供給電圧及び抵抗R1に本質的に等しい内部抵抗を
有するDC電圧源となる。ダイオードD1は各負電圧の
半サイクル中、コンデンサC1に対する放電路を提供す
る。 [0019] 全波ブリッジFWBは電源からのAC電圧を整流し、脈
動するDC電圧を出力端子(+)及び(−)間に提供す
る。脈動するDC電圧は全波ブリッジの出力端子間に接
続されたコンデンサC3によってフィルタされる。抵抗
R2はコンデンサC3と並列に接続され、電源が切られ
たときにコンデンサC3から電荷を放電させる。本明細
書においては、電気部品(素子)に言及するときには、
用語「接続され」は2つ或はそれ以上の部品(素子)間
に、明確には述べない追加の部品(素子)を含み得る導
電路が存在するということを意味する。 [0020] ダイオードD3、D4、D5、及びD6、MOSFET
QI及びC2、抵抗R3及びR4、トランスT1、並び
にコンデンサC4はフィルタされたDC電圧をスイッチ
ングし、高周波AC駆動電圧に変換するためのスイッチ
ングインバータを構成する。動作中、コンデンサC4は
コンデンサ03間の電圧のほぼ半分に充電する。MOS
FETQIが導通すると、駆動電圧がトランスT2の一
次巻線Pに印加される。この駆動電圧は正であり、コン
デンサ03間の電圧からコンデンサC4間の電圧を減じ
た電圧(コンデンサC3間の電圧のほぼ半分)に等しい
。 MOSFETC2が導通すると、駆動電圧は反転され、
かつコンデンサ04間の電圧に等しい。MOSFETQ
I及びC2が高周波(〜27KHz)で交互にスイッチ
ングされると、コンデンサ03間の電圧に実質的に等し
いピーク−ピーク電圧を有するAC駆動電圧の方形波パ
ルスが発生される。 [0021] 駆動周波数は20KHzと50KKHz間であることが
好ましく、後述するパルス幅変調回路PDMがらのAC
制御電圧によって決定される。20KHzより低い周波
数は人間C可聴範囲にあり、従って、望ましくない。5
0KHzより高イ高周波ハ、MOSFETQI及びc2
に高い熱消散を生じさせる傾向があり、かつ固定ワイヤ
の接地に対する容量性インピーダンスを低下させるので
、望ましくない。 [0022] 抵抗R3及びR4は、さもなければトランスT1の二次
巻線51及び52の漏洩インダクタンス並びにMOSF
ETQI及びc2のゲートキャパシタンスにより生じる
であろう振動を減衰させる。ダイオードD3及びD4は
逆電流がMOSFETQl及びc2にそれぞれ流れるこ
とを阻止する。 [0023] Ql及びc2はFET或はバイポーラトランジスタのよ
うな任意の形式の半導体スイッチでよい。しかしながら
、図示するように、MOSFETはそれらの高速スイッ
チング能力及び比較的少ないゲート電流要件のために好
ましい。化りの方法として、スイッチングインバータを
、脈動しないDC電圧を高周波脈動DC電圧に変換する
より安価な半導体DC周波数コンバータと置き換えても
よい。しかしながら、DCをACに変換する反転形式の
発振回路が好ましい。何故ならばこの回路は等量の変換
されたエネルギに対して電力搬送トランスのコアにおけ
る磁気フラックスのピークを減少させるからである。 [0024] パルス幅変調回路PDMはDC電力供給源から電圧(十
V、。)を受信し、トランスT1の一次巻線PにAC制
御電圧を供給してMOSFETQI及びc2の導通度、
従って、駆動電圧の各方形波パルスの持続時間を制御す
る。トランスT1の二次巻線S1及びS2は、電圧がM
OSFETQI及びc2のゲートに反対極性で印加され
るようになっており、その結果、一方のデバイスだけが
任意の与えられた時間に導通し得るようになっている。 パルス幅変調された駆動電圧はトランスT2の一次巻線
P及び直列に接続されたインダクタL1及びコンデンサ
c5よりなる共振回路に供給される。この共振回路は駆
動周波数で、駆動電圧のパルス持続時間及び共振回路の
Q(マグニフイケーション・ファクタ)によって決定さ
れる振幅をもって実質的に正弦波態様で共振する。この
実施例においては、・Qは主として共振回路の並列負荷
となるランプFLI及びFL2のインピーダンスによっ
て決定される。 [0025] 共振回路に並列の負荷を与えることはガス放電ランプの
動作を安定化させる傾向がある。特に、ランプを流れる
電流が増加すると、ランプインピーダンスは減少し、共
振回路のQを減少させ、それ故、その共振応答を低下さ
せる。逆に、ランプを流れる電流が減少すると、ランプ
インピーダンスは増加し、共振回路のQを増大させ、そ
れ故、その共振応答を高くさせる。共振回路は本質的に
AC電流源のように振舞い、高周波の正弦波電流をトラ
ンスT3を介してランプFL1及びFL2に供給する。 この電流の大きさは駆動電圧のパルス持続時間により約
1mAから約200mARMSまで可変であり、ランプ
に電気放電を開始させ、かつ維持するのに十分である。 [0026] 共振回路の安定性をさらに強めるために、駆動電圧の周
波数(〜27KHz)は共振回路のピーク応答周波数(
〜33KHz)より低い。化りの方法として、ダンピン
グ手段を共振回路に付加し、Qを減少させてもよいが、
これは共振回路の効率を減少させ、不所望な熱を発生さ
せる。 [0027] コンデンサC6、抵抗R5及びR6、並びにダイオード
D7はランプFLI及びFL2に直列に流れるDC電流
を提供するためのバックエンド整流器を形成する。トラ
ンスT3の二次巻線S1及び82間に接続されたコンデ
ンサC6は共振回路からランプFLI及びFL2に実質
的にすべての高周波正弦波電流を通すように選択されて
いる。抵抗R6はDC電流がダイオードD7に流れるこ
とを可能にし、コンデンサC6にDCオフセットを与え
、従って、コンデンサC6及びランプFL1及びFL2
を流れる正弦波電流は抵抗R6によって決定される電流
のDC成分を受は入れる。抵抗R5は電力が切られたと
きにコンデンサC6を放電させる本質的にブリーダ抵抗
である。抵抗R5はまた、ランプのインピーダンス力社
曽大したときに(低出力レベルにおいて) コンデンサ
C6に関するDCオフセットの量を制限する。 [0028] アース接地がトランスT3の二次巻線S1及び82間に
接続されている。これら二次巻線の相対的大きさは、キ
ャパシタンスを介して各ランプの接地にランプFLI及
びFL2の放電を開始させるのに十分な接地に対する電
圧を提供するように選択されている。また、これら二次
巻線は各ランプを流れる接地電流をバランスさせるよう
に選択されており、高周波正弦波電流がランプを等しく
付勢できるようになっている。この特定の回路において
、十分な放電開始電圧を得るために妥協が必要であり、
このためランプFL1を流れる接地電流はランプFL2
を流れる接地電流よりも僅かに大きい。この不均衡を補
正するために、コンデンサC7がランプFLIと並列に
接続されており、ランプFL2に補償電流を提供する。 コンデンサC8はスイッチングインバータのMOSFE
TQI及びC2からの高周波スイッチングノイズがラン
プFLI及びFL2の光出力に悪影響を与えることを防
止する。 [0029] トランス下2の二次巻線S1、S2、及びS3はランプ
FLI及びFL2のフィラメントに電圧を供給してそれ
らを加熱する。トランス下2の一次巻線PはMOSFE
TQI及びC2を含むスイッチングインバータからパル
ス幅変調された電圧を受信する。その上、Qlがオフに
なった後でかつC2がオンになる前に、Ql及びインダ
クタL1を流れる電流がダイオードD6を通じて転流し
、それをオンにする。これはトランス下2の一次巻線P
に、コンデンサC4間の電圧に等しい振幅を有する追加
の第1の電圧パルスを提供する。コンデンサC5間の電
圧がそのピーりに達すると、インダクタL1を流れる電
流が逆になり、コンデンサC5は放電し、ダイオードD
5をオンにする。これはトランス下2の一次巻線Pに、
上記第1のパルスの振幅と等しい、しかし反対極性の振
幅を有する第2の電圧パルスを提供する。これら2つの
追加の電圧パルスは、Qlがオフとなった後でかつC2
がオンになる前の時間期間を実質的に占有する。この回
路は、C2がオフとなった後でかつQlがオンになる前
の期間中、同様に振舞う。結果とじて生じる一次巻線P
間の高周波電圧はランプの調光範囲全体にわたり実質的
に一定であるRMS値を有する。か≧して、二次巻線S
l、S2、及びS3はまた、調光範囲全体にわたりラン
プFLI及びFL2のフィラメントを加熱する一定のR
MS電圧を提供する。 [0.0.3.01 以上、本発明をコンパクトけい光ランプと共に使用する
ように記載したが、ここに記載した回路は任意の形式の
ガス放電ランプを制御するのに使用できる。本発明の範
囲から逸脱することなしに、上述した回路においである
変形及び変更がなし得るから、上述の記載に含まれる或
は添付図面に示されたすべての事柄は例示のためであっ
て、限定する意味のものではないと解釈されることを意
図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の調光回路のブロック図である。
【図2】 本発明によるコンパクトけい光ランプを流れる電流を示
す波形図である。 1図3】 本発明によるコンパクトけい光ランプを流れる電流を示
す波形図である。 1図4】 本発明によるコンパクトけい光ランプを流れる電流を示
す波形図である。
【図5】 本発明の調光回路の回路図である。
【符号の説明】
1       調光回路 3       電源

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】AC電流をガス放電ランプの電極に供給し
    て該ランプに電気放電を開始させ、かつ維持するための
    AC電流供給手段と、前記ランプ電極にDC電流を同時
    に供給するためのDC電流供給手段とを具備し、前記ラ
    ンプに非対称な電流波形を確立して可視の放電縞の発生
    を実質的に除去することを特徴とする電源からガス放電
    ランプに電力を供給するための制御装置。
  2. 【請求項2】前記AC電流供給手段は直列に接続された
    インダクタ及びコンデンサを含む共振回路を有する請求
    項1の制御装置。
  3. 【請求項3】前記AC電流供給手段は前記共振回路を駆
    動する少なくとも1つの半導体スイッチを含むスイッチ
    ングインバータをさらに有する請求項2の制御装置。
  4. 【請求項4】前記半導体スイッチがMOSFETからな
    る請求項3の制御装置。
  5. 【請求項5】前記AC電流供給手段は前記共振回路と前
    記ランプ間に接続されたトランスをさらに有する請求項
    2の制御装置。
  6. 【請求項6】前記AC電流はほぼ20KHzと50KH
    zの間である請求項1の制御装置。
  7. 【請求項7】前記AC電流供給手段は該AC電流供給手
    段と並列に接続されたDC電流源を有する請求項1の制
    御装置。
  8. 【請求項8】前記DC電流供給手段は前記AC電流の予
    め定められた部分を整流するための整流回路を有する請
    求項1の制御装置。
  9. 【請求項9】前記DC電流は最小ランプ出力において約
    0.04mAと約0.7mAの間であり、かつ最大ラン
    プ出力の約半分において約0.1mAと約1.4mAの
    間である請求項1の制御装置。
  10. 【請求項10】前記DC電流は最大ランプ出力において
    前記ランプを流れる結果としての全体電流のほぼ0.0
    2%と0.35%の間であり、かつ最小ランプ出力にお
    いて前記ランプを流れる結果としての全体電流のほぼ5
    %と50%の間である請求項1の制御装置。
  11. 【請求項11】前記AC電流供給手段は、互いに直列に
    、かつまた、前記ランプとも直列に接続された2つの二
    次巻線を含むトランスを有し、前記DC電流供給手段は
    前記二次巻線間に電気的に接続されたコンデンサ、第1
    の抵抗、並びに前記二次巻線の一方に直列に接続された
    ダイオードを有する請求項1の制御装置。
  12. 【請求項12】前記DC電流供給手段は前記コンデンサ
    と並列に接続された第2の抵抗を有する請求項11の制
    御装置。
  13. 【請求項13】対称なAC電流をガス放電ランプの電極
    に供給して該ランプに電気放電を開始させ、かつ維持す
    る段階と、前記ランプ電極にDC電流を同時に供給し、
    前記ランプに非対称な電流波形を確立する段階とを含む
    ことを特徴とするガス放電ランプにおける可視の放電縞
    の発生を実質的に除去する方法。
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