JPH1123454A - 原子吸光光度計 - Google Patents

原子吸光光度計

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JPH1123454A
JPH1123454A JP9190623A JP19062397A JPH1123454A JP H1123454 A JPH1123454 A JP H1123454A JP 9190623 A JP9190623 A JP 9190623A JP 19062397 A JP19062397 A JP 19062397A JP H1123454 A JPH1123454 A JP H1123454A
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voltage
discharge
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hcl
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    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
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    • G01J1/28Photometry, e.g. photographic exposure meter by comparison with reference light or electric value provisionally void intensity of the measured or reference value being varied to equalise their effects at the detectors, e.g. by varying incidence angle using variation of intensity or distance of source
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源の輝度の安定性を維持し、しかも、効率
がよく、安全であり、広範囲の入力電圧に対応し、小型
で、安価な電源を搭載した原子吸光光度計を提供する。 【解決手段】 光源用の電源装置に、RCC(リンギン
グ・チョーク・コンバータ)式スイッチング電源回路を
使用する。HCL(ホローカソードランプ)用放電電源
の場合、出力電圧が高く、二次巻線数も多いため、イン
ダクタンスが高くなってスイッチング回路が正常に発振
しないことがある。これを防止するために、スイッチン
グトランジスタ36のベース抵抗37を標準的な式で求
まる値よりも3〜4倍大きくする。他方、ベース抵抗3
7をこのように大きくするとベース電流が不足気味とな
り、出力電圧が低めになるため、出力電圧が定格値にな
るように、スイッチング制御回路から補正した制御信号
を出力する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は原子吸光光度計に関
し、詳しくは内部に光源用の電源を備えた原子吸光光度
計に関する。
【0002】
【従来の技術】原子吸光光度計は原子吸光を観測するた
めの光源としてホローカソードランプ(Hollow Cathode
Lamp=HCL)を使用する。HCLは放電管であり、放
電開始電圧以上の直流電圧を印加すると放電を開始し、
内部に封入されたガスを励起して光を発生する。一旦放
電が開始された後は、それよりも低い放電維持電圧以上
の直流電圧で放電が維持され、点灯状態が維持される。
放電開始電圧は170〜350Vであり、放電維持電圧
は120〜240Vであるが、この値は内部に封入され
た元素の種類、ランプの個体差、ランプの経時変化など
によって異なる。上記の通り、放電維持電圧は放電開始
電圧よりも低いが、その差は小さいので、通常は放電開
始電圧をそのまま放電維持電圧として印加し続ける。な
お、放電電流は4〜40mAである。
【0003】HCLの電源としては、従来、商用周波数
用トランスによって、商用電源を変圧後、整流して、平
滑化したものが用いられてきた。
【0004】HCLの輝度を安定させることは、原子吸
光測定の安定したデータ取得にとって重要である。この
ためには、放電電流の定電流制御が必要であり、定電流
回路として、演算増幅器とトランジスタ又は電界効果ト
ランジスタ(以下、この二者を総称して定電流用トラン
ジスタと呼ぶ)との組み合わせが用いられてきた。
【0005】更に、原子吸光測定の多くの場合、バック
グラウンド補正、即ち目的外吸光度の補正、のための光
源として重水素ランプ(D2L)も使用する。D2L
は、先ず、フィラメントに直流電圧を印加して加熱し、
所定時間経過後に、放電開始電圧以上の直流電圧を印加
して放電を開始する。その直後に電圧を放電維持電圧以
上の値に下げて放電を維持し、点灯状態とする。放電開
始電圧は350V〜400V、放電維持電圧は75〜9
5Vであるが、この値はランプの個体差、ランプの経時
変化などによって異なる。なお、放電電流は通常、30
0mA程度である。
【0006】放電開始後はフィラメントを加熱するため
の電圧を下げて、ランプの発熱を減らし、寿命を長くす
る。フィラメント電圧と電流は、例えば、放電開始時は
2.5V・4Aであり、点灯開始後は1.0V・l.8
Aである。
【0007】D2Lについても、これら放電開始用、放
電維持用、フィラメント用の電源として、従来、商用周
波数用トランスによって商用電源を変圧後、整流して、
平滑化したものを用いてきた。
【0008】D2Lの輝度を安定させることは、バック
グラウンド補正後の安定したデータ取得にとって重要で
ある。このためには、放電電流の定電流制御が必要であ
り、定電流回路として、演算増幅器と定電流用トランジ
スタとの組み合わせが用いられてきた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術にはいく
つかの問題がある。商用周波数用トランスは入力電圧と
出力電圧が比例しているので、入力電圧としての商用電
源の電圧が低くなると出力電圧も低くなる。このため、
従来の上記ランプ用電源は、特に入力電圧が低くなる場
合を想定して設計されていた。つまり、入力電圧が仕様
範囲内で最も低い場合であり、かつ、ランプの放電維持
電圧が最も高い場合でも十分な定電流動作をするよう
に、商用周波数用トランスの出力電圧が設定されてい
た。
【0010】電源回路では、定電流回路に印加される電
圧は(1)式によって決まる。 定電流回路に印加される電圧 =(放電維持電源の出力電圧)−(ランプの放電維持電圧) (1) 上記の通り、電源は低めの入力電圧を想定して設計され
ているため、入力電圧が定格値のときでもやや高め、最
高値の場合はかなり高めの電圧が定電流回路に印加され
ていた。ランプの放電維持電圧が低い場合はなおさらで
ある。定電流回路においては、 定電流用トランジスタに印加される電圧 ≒定電流回路に印加される電圧 (2) つまり、定電流回路に印加される電圧は、ほとんど全て
定電流用トランジスタに印加される。 定電流用トランジスタの消費電力 ≒((放電維持電源の出力電圧)−(ランプの放電維持電圧)) ×(ランプの放電電流) (3)
【0011】(3)式による消費電力は最終的に熱とな
るので、この定電流用トランジスタは入力電圧が定格値
のときでも相当の発熱をしている。発熱はエネルギーの
無駄になる他、定電流用トランジスタの信頼性を低め
る。このため、信頼性を考慮すると大きい定格の定電流
用トランジスタと放熱器を用いざるを得ないが、この場
合、熱平衡に至る過渡状悪の間は定電流特性が不安定に
なるという問題が生じる。このことは入力電圧が仕様の
最高電圧に向かうにつれ、顕著になる。
【0012】殊に、HCLの場合は、原子吸光光度計で
使用可能とする全ての元素の放電開始電圧と放電維持電
圧の中の最大値を想定して設計していた。よって、放電
維持電圧の低い元素のHCLを点灯中は、(3)式によ
り、定電流用トランジスタの発熱は更に大きく、前述の
ような問題も大きかった。
【0013】D2Lの放電開始電圧はHCLの放電開始
電圧よりも少し高いので、これらのための電源を共用す
ることも考えられる。しかし、商用周波数用トランスを
用いたHCL用放電開始電源の出力電圧の変動は、前述
のように大きい。特に、HCL用放電開殆電源の出力電
圧が低く、かつ、D2Lの放電開始電圧が高い場合に
は、D2Lが放電を開始しない可能性があった。このた
め、それぞれに専用の電源を用意していた。
【0014】D2Lのフィラメント用の電源は定電圧源
であり、これをフィラメントに直結すればよいので、前
述の定電流用トランジスタの発熱の問題はないが、印加
電圧の仕様範囲があり、この範囲を外れると、D2Lの
点灯が不安定になったり、消灯することがある。また、
放電開始後はフィラメントに印加する電圧を下げるの
で、2電圧が必要であり、トランスの二次側巻線をこの
ために二種類用意した上に、フィラメント用の大きな電
流を通過させることができるリレーを使用しなければな
らなかった。
【0015】更に、製品を国際的に販売することを考え
ると、AC100V、AC120V、AC220V、A
C240V、と異なる商用電源電圧を考慮しなければな
らない。これらに対して光源の電源装置が直接対応しよ
うとすると、前述の発熱の理由により非常に大きい定格
の定電流用トランジスタや放熱器を選択しなければなら
なくなってしまう。そのため従来は、商用周波数用トラ
ンスの一次側に適当な巻数の端子を設け、端子の1つに
商用電源を接続するという電圧切り換えを行っていた。
このため、切り換え器のコストや切り換えの時間を要し
ていた。
【0016】トランスのコアの有効断面積は動作周波数
と反比例の関係にある。商用周波数用トランスは50な
いし60ヘルツといった低周波数で動作するため、有効
断面積を大きくしなければならず、体積や重量が大きく
なり、それを組み込む原子吸光光度計の小型化を阻害し
ていた。
【0017】商用周波数用トランスは、珪素綱板や銅線
などの多くの金属材料を必要とする。更に、商用周波数
用トランスを使用した場合は前述の理由により、大きめ
の定電流用トランジスタや大きめの放熱器も必要であ
る。これらは原子吸光光度計のコストアップの原因とな
っていた。
【0018】原子吸光光度計内の、ディジタル回路やア
ナログ回路の電源は、一般的な電圧と電流の仕様である
ため、容易にスイッチング電源化でき、市販品も多い
が、光源用の電源は市販品もなく、商用周波数用トラン
スをなくすことができなかった。
【0019】そこで、本発明は光源の輝度の安定性を維
持し、しかも、効率がよく、安全であり、広範囲の入力
電圧に対応し、小型で、安価な電源を搭載した原子吸光
光度計を提供することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
になされた本発明の原子吸光光度計は、光源用の電源装
置にスイッチング電源回路を備えたことを特徴とする。
【0021】
【発明の実施の態様及び効果】スイッチング電源は基本
的に定電圧源であるので、前述の商用周波数用トランス
のように、入力電圧に比例して出力電圧が変動すること
に比べれば、その電圧安定度ははるかに高い。従って、
例えばHCLとD2Lの双方を用いる場合、HCL用放
電電源とD2L用放電維持電源のそれぞれにおいて、出
力電圧が最低のとき(これは、入力電圧最低で、出力電
流最大の場合である)でも定電流回路が十分動作するよ
うに、出力電圧を設定すればよい。これにより、出力電
圧の定格値を従来の技術に比べて、小さくすることがで
き、定電流用トランジスタの発熱はわずかで済む。出力
電圧が最大のときに、定電流用トランジスタは最も発熱
するが、それでも、出力電圧の変動が小さいため、従来
技術に比べて、発熱は低減する。よって、エネルギーの
無駄が減り、定電流用トランジスタの信頼性を高め、定
電流用トランジスタと放熱器を小型化でき、定電流特性
は速やかに安定に至る。
【0022】
【請求項2】スイッチング電源のスイッチング方式には
RCC(リンギング・チョーク・コンバータ)方式及び
フォワード方式があり、どちらでも課題を解決する手段
となり得るが、RCC方式が最適である。なぜならば、
回路が簡単なので、安価で信頼性が高いこと、自励式な
のでスイッチングコントローラが不要であること、扱う
ことのできる出力電力がHCLやD2Lの消費電力と一
致していること、などの利点があるからである。
【0023】
【請求項3】スイッチング電源においては、出力電圧を
安定させるために、出力電圧を検出してその信号をスイ
ッチング制御回路に帰還させるが、その方法として、フ
ォトカプラを用いる方法と磁気回路を用いる方法とがあ
る。本発明が対象とする原子吸光光度計の場合、ランプ
の輝度は定電流制御によって安定させるようになってい
るため、電源の出力電圧を高度に安定させる必要性に乏
しい。よって、HCL用放電電源とD2L用放電維持電
源においては、出力電圧をスイッチング制御回路に帰還
して出力電圧を安定化させる手段としては磁気回路で十
分であり、安価で済む。
【0024】
【請求項4】スイッチングトランジスタのベースに接続
する抵抗Rは R=(ベース巻線の最小電圧) /((スイッチングトランジスタの最大コレクタ電流) /(スイッチングトランジスタの最小直流増幅率)) (4) と設定するのが通常であるが、HCL用放電電源の場
合、出力電圧が高く、二次巻線数も多いため、インダク
タンスが高くなる。このため、スイッチング回路が正常
に発振しないことがある。これを防止するために、Rを
(4)式で求まる値よりも3〜4倍大きくすることによ
り、正常な発振を確保できる。しかし、ベース抵抗をこ
のように大きくするとベース電流が不足気味となり、出
力電圧が低めになる。そこで、この低下分を見込んだ上
で出力電圧が定格値になるように、スイッチング制御回
路から補正した制御信号を出力する必要がある。
【0025】
【請求項5】
【請求項2】の手段と同じ。
【請求項6】
【請求項3】の手段と同じ。
【請求項7】HCL用放電電源のスイッチング周波数
と、D2L用放電維持電源のスイッチング周波数の関係
が、相互に自然数倍に近い値になると うなりが発生
し、低い周波数のノイズとなってHCLやD2Lの点灯
電流に重畳してくる。これを避けるために、二つの値が
相互に自然数倍に近い値にならないように、それぞれの
ランプの点灯時の周波数を設定する。周波数は、スイッ
チング電源用トランスの巻数とインダクタンスの調整に
より調整可能である。
【0026】
【請求項8】HCLに封入された元素によって放電開始
電圧と放電維持電圧は予めわかっているので、出力電圧
は、元素に応じて、ランプが放電し定電流回路が正常に
動作するのに必要十分な値となるように制御すればよ
い。スイッチング電源であれば、外部からの制御によっ
て出力電圧を容易に変更できる。また、これにより、定
電流用トランジスタの発熱を低減できる。
【0027】更に、放電開始後、放電維持電圧までHC
L用放電電源の出力電圧を下げると、一層、低損失の効
果が得られる。
【0028】
【請求項9】スイッチング電源とすることにより出力電
圧が安定するので、HCL用放電電源をそのままD2L
用放電開始電源として使用することができる。D2L用
放電開始電源は一時的に電荷が必要なだけで、定常電流
ではないので、HCL用放電電源と共用しても過負荷に
なることはない。
【0029】
【請求項10】D2Lのフィラメント用の電源をスイッ
チング電源にすることにより、入力電圧の変動に対し、
安定した電圧がフィラメントに印加され、よって、D2
Lは安定して点灯を開始し、維持することができる。ス
イッチング電源としては、商用周波数電源から直接前記
フィラメント電圧(放電開始時は2.5V、その後は
1.0V)に変換する方法と、一般量産品のスイッチン
グ電源により商用周波数電源から一旦3.3V、5V、
24V等の電圧に変換した後に、再度、DC−DCコン
バータによりフィラメント電圧に変換する方法がある。
スイッチング電源であれば、外部からの制御によって容
易に出力電圧を変更できるので、放電開始時・点灯後の
フィラメント電圧の切り換えが可能であり、二電圧電源
や高価な部品も不要である。
【0030】
【請求項11】スイッチング電源であれば広い入力電圧
範囲に対応することは可能であり、AC100VからA
C120Vまでの間、又は、AC220VからAC24
0Vまでの間、をそれぞれ切り換えなしに入力すること
は容易である。更に、AC100VからAC240Vま
でを切り換えなしに入力することも、スイッチングトラ
ンジスタのベース電流を定電流化することによって可能
である。
【0031】
【請求項12】スイッチング用トランスは、数十キロヘ
ルツ〜数百キロヘルツといった高周波数で動作するの
で、体積や重量が小さく、それを組み込む原子吸光光度
計の小型化を可能にする。スイッチング用トランスは小
型である上に、基本材料としてはコアとなる磁性体と巻
線があればよく、材料は少ないので、コストダウンがで
きる。
【0032】以上は、光源の電源装置にスイッチング電
源を用いることについて述べたものであるが、原子吸光
光度計の分光、検出、データ処理部等を駆動及び制御す
るためのディジタル回路やアナログ回路の電源について
もスイッチング電源化し、両者を組み合わせて原子吸光
光度計内の電源を全てスイッチング電源で賄うことによ
り、商用周波数用トランスを廃止し、装置全体の小型
化、コストダウンを可能にする。
【0033】これらの方法により、光源の輝度の安定性
を維持し、しかも、効率がよく、安全であり、広範囲の
入力電圧に対応し、小型で、安価な電源を搭載した原子
吸光光度計を提供することができる。
【0034】
【実施例】図1に本発明の一実施例である原子吸光光度
計の電源構成図を示す。また、図2に本発明の一実施例
であるHCL用放電電源の回路図を示す。
【0035】
【請求項1】商用電源入力21は、HCL用放電電源
1、D2L用放電維持電源4、及び、低電圧電源10に
並列に入力する。
【0036】HCL用放電電源1はHCL3に接続さ
れ、これらに直列にHCL用定電流回路2が接続され
る。HCL用放電電源1の出力電圧は、それが最低とな
ったときでも定電流回路2が動作可能であるような値に
設定しておく(例えば、460V)。定電流回路2の電
流値は外部からの信号(HCL電流値設定信号)22に
より設定可能となっており、このHCL電流値設定信号
22はディジタル回路12中にあるマイクロプロセッサ
49(図2)からの指令により、アナログ回路13中の
図示していないD/Aコンバータを介してHCL用定電
流回路2に送られる。
【0037】D2L用放電維持電源4はD2L6に接続
され、これらに直列にD2L用定電流回路5が接続され
る。D2L用放電維持電源4の出力電圧は、それが最低
となったときでも定電流回路5が動作可能であるような
値に設定しておく(例えば、140V)。定電流回路5
の電流値は外部からの信号(D2L電流値設定信号)2
3により設定可能となっており、このD2L電流値設定
信号23はディジタル回路12中にあるマイクロプロセ
ッサ49(図2)からの指令により、アナログ回路13
中のD/Aコンバータを介してD2L用定電流回路5に
送られる。
【0038】
【請求項2】本実施例のHCL用放電電源1は図2に示
す通り、基本的にはRCC方式のスイッチング電源であ
るため、回路が簡単で、スイッチングコントローラも不
要である。D2L用放電維持電源4についても同様であ
る。
【0039】
【請求項3】図2の下の方に示されている通り、スイッ
チング用トランス32のコアによる磁気回路によって二
次巻線34に発生する電圧に比例した電圧がベース巻線
35に発生する。この電圧をコンデンサ43によって保
持し、この電圧と、HCL電圧設定信号25によってD
/Aコンバータ46から出力される電圧と、をコンパレ
一夕45で比較することにより、出力電圧を安定化して
いる。
【0040】
【請求項4】スイッチングトランジスタ36のベースに
接続する抵抗37は、(4)式で求まる値より、3〜4
倍大きくして、この例では100Ωとしてある。これに
より、出力電圧が高いHCL用放電電源でも、正常な発
振を確保できる。ただし、これにより出力電圧が低下す
るが、これを補正するために、D/Aコンバータ46の
出力電圧を高めに設定し、出力電圧が本来の値になるよ
うにしてある。
【0041】
【請求項5】
【請求項2】の形態と同じ。
【請求項6】
【請求項3】の形態と同じ。
【請求項7】HCL用放電電源1及びD2L用放電維持
電源4のスイッチング周波数は、二つの値が相互に自然
数倍に近い値にならないように予め調整しておく。これ
は、スイッチング用トランス32の巻数とインダクタン
スの調整により行なうことができる。例えば、ランプが
点灯している時に、HCL用放電電源1のスイッチング
周波数が20キロヘルツ、D2L用放電維持電源4のス
イッチング周波数が27キロヘルツとなるように、それ
ぞれ設定する。このように調整することで、うなり、ひ
いては低い周波数のノイズの発生を防止している。
【0042】
【請求項8】マイクロプロセッサ49は、点灯しようと
するHCL3の元素を操作者からの入力によって識別
し、HCL用放電電源出力51の電圧が、それにふさわ
しい値となるよう、入出力回路48、絶縁用のホトカプ
ラ47、D/Aコンバータ46を通じて、コンパレータ
45に基準電圧として入力する。コンパレータの比較入
力には、スイッチングトランジスタ36のベース電圧が
入力されているので、ベース電圧が基準電圧を上回る
と、電圧制御用トランジスタ44をオン状態にして、ス
イッチングトランジスタ36のベース電流をバイパスし
て、スイッチングトランジスタ36をオフ状態にする。
この動作により、スイッチングトランジスタ36のオン
時間が制御でき、最終的にHCL用放電電源出力51の
電圧が制御できる。
【0043】
【請求項9】D2L用放電開始電源は、HCL用放電電
源1と共用してある。HCL放電電源1の出力電圧が4
60Vで安定しているということは、D2Lの放電開始
電圧を十分上回っているので、問題なく放電を開始す
る。ダイオード7とダイオード8は逆流防止用のダイオ
ードである。
【0044】
【請求項10】DC−DCコンバータ11は2.5V又
は1.0Vを出力し、D2L6のフィラメントに接続さ
れる。DC−DCコンバータ11の出力電圧値はD2L
フィラメント電圧値設定信号24に基づき設定される。
この設定により、点灯開始後はフィラメント電圧を下げ
る。入力電源としては、後述の低電圧電源10を使用し
ている。
【0045】
【請求項11】AC100VからAC240Vまでの商
用電源入力21に対応するために、定電流回路38をス
イッチングトランジスタ36のベースに接続し、ベース
電流の定電流化を図っている。なお、定電流回路38を
使用しない場合でも、AC100VからAC120Vま
で、又はAC220VからAC240Vまでに限定すれ
ば、本実施例の電源回路は十分動作する。
【0046】
【請求項12】低電圧電源10は、ディジタル回路用電
源、アナログ回路用電源、及び、モーターやソレノイド
などに供給する電力回路用電源を含むものである。低電
圧電源10はこの他に、前述のDC−DCコンバータ1
1にも電源を供給している。これらの電圧は、例として
5V、±15V、24V、であるので、スイッチング電
源制御用ICを用いて構成することも、市販の完成品を
接続することも容易である。これにより、原子吸光光度
計内の電源を全てスイッチング電源で賄うことができ、
商用周波数用トランスは不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例である原子吸光光度計の電
源構成図。
【図2】 本発明の一実施例であるHCL用放電電源の
回路図。
【符号の説明】
1:HCL用放電電源 2:HCL用定電流回
路 3:HCL 4:D2L用放電維持
電源 5:D2L用定電流回路 6:D2L 7:ダイオード 8:ダイオード 9:D2L放電開始スイッチ 10:低電圧電源 11:DC−DCコンバータ 12:ディジタル回路 13:アナログ回路 14:電力回路 21:商用電源入力 22:HCL電流値設
定信号 23:D2L電流値設定信号 24:D2Lフィラメ
ント電圧値設定信号 25:HCL電圧設定信号 31:一次側整流・平
滑回路 32:スイッチング用トランス 33:一次巻線 34:二次巻線 35:ベース巻線 36:スイッチングトランジスタ 37:抵抗 38:定電流回路 43:コンデンサ 44:電圧制御用トランジスタ 45:コンパレ一夕 46:D/Aコンバータ 47:ホトカプラ 48:入出力回路 49:マイクロプロセ
ッサ 50:二次側整流・平滑回路 51:HCL用放電電
源出力

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源用の電源装置にスイッチング電源回
    路を備えたことを特徴とする原子吸光光度計。
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