JPS6247359B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、点灯装置を改良した放電灯装置に
関するものである。 蛍光放電灯の起動にはグロースタータが多く利
用されているが、点灯開始までの所要時間が長
い。他方、ラピツドスタート方式もあるが、安定
器やヒータ加熱回路などが複雑である。又、水銀
放電灯やナトリウム放電灯の場合、補助起動電極
を設けて起動しているが、安定器の小形化及び力
率ひいては効率の向上の観点から、放電々圧対電
源電圧比を向上させることが望ましく、このため
に放電開始用パルス電圧の印加が望まれる。 これらの要請に応えるべくなされた先行発明と
して、本願発明者による特公昭48−28726号があ
る。この先行発明の一例を第１図に示し、その動
作説明図を第２図に示す。 第１図に示されるものは、誘導性要素２０を含
む安定器２００を介して電源１０に接続された放
電灯３０、この放電灯３０に並列接続された非線
形コンデンサ４０及びサイリスタ５０′、及びそ
のトリガ制御手段６０等から構成され、非線形コ
ンデンサ４０はチタン酸バリユームに少量の添加
物を加えた多結晶質のものが実用的であり、その
電荷Ｑ対電圧V₄の特性曲線は第２図ａの如きヒ
ステリシス付飽和特性を呈する。 トリガ制御手段３０はトリガ回路６１０及び制
御回路６２０からなる。トリガ回路６１０は例え
ば２つのトランジスタ６１１，６１２及びツエナ
ーダイオードなどのような定電圧要素６１３とか
らなるPNPNスイツチで構成されている。尚、以
下トリガ回路６１０をPNPNスイツチ（素子）６
１０とも適宜表現する。制御回路６２０は電圧検
出のための分圧抵抗器６２１，６２２及びフイル
タコンデンサ（時間遅れ要素）６２３からなる。 以上の構成により、第２図ｂに示す電源電圧e₁
に対して、e₁がトリガ制御手段６０の静的（直
流）点弧電圧V₃₀に達する時点t₁よりも時tdだけ
遅れた（コンデンサ６２３による遅れ）時点t₂で
サイリスタ５０′が点弧する。この結果、サイリ
スタ電流i₅が流れ、この電流i₅は誘導性安定器２
００の作用のために、電源電圧e₁の負半サイクル
中の時点t₃までつづく。安定器２００の電流i₂の
極性が反転しようとすればサイリスタ５０′消弧
し、電流i₂は非線形コンデンサ４０を通つて流れ
る。この時非線形コンデンサ４０が不飽和である
期間t₃〜t₄中においては、その電圧V₄（放電管電
圧V₃とほぼ同じ）は比較的低い電圧Ｖ_H

【第２図
ａ参照】に維持される。しかし、非線形コンデン
サ４０が飽和域に達する時点t₄以後においては、
非線形コンデンサ４０の電圧が急上昇し、その電
流i₄が減少する。他方、誘導性安定器２００は電
流i₂を流しつづけようとするので、放電管３０の
電圧V₃（極性は負）及び非線形コンデンサ電圧
V₄が上述の如く急上昇する訳である。つづい
て、時点t₃において、安定器２００及び非線形コ
ンデンサ４０の電流が零に戻り、以後非線形コン
デンサ４０の静電容量飽和値CSと安定器２００
のインダクタンスＬとで定まる若干の減衰振動が
つづく。 以上の如き動作を放電灯が点灯開始するまで繰
り返し、高圧パルスを発生して放電管３０へ印加
すると共に、蛍光灯の場合フイラメント３２ａ，
３２ｂに通電してこれを予熱する。この結果放電
灯が放電（点灯）開始する。 点灯開始（始動）後の放電管電圧は、第２図ｃ
のようになる。この半サイクル毎の放電開始電圧
波高値をＶ_3pとし、放電中の管電圧をＶ_3dする
時、トリガ制御手段６０の静的（直流）点弧電圧
Ｖ_3pは、上記Ｖ_3pとＶ_3dとの間の値又はＶ_3pより
若干高い値に設定する。これにより、放電開始後
はサイリスタ５０′が非導通となる。 以上、先行発明は非線形コンデンサ４０の作用
で高圧パルスを発生するので、点灯開始特性が優
れているが、点灯回路即ちパルス発生回路が複雑
高価となる欠点があつた。 この発明は、両極性の電源によるパルス発生回
路の簡略化によつて、放電灯装置を簡略化するこ
とを目的とするものである。 第３図ａはこの発明の一形成を示す図で、交流
電源１からインダクタ２を介して接続される負荷
（例えば放電灯，蛍光灯）３、及びこの負荷に並
列接続される固体スイツチ素子５と蓄積効果の大
きいダイオード４例えばPiNダイオードとの直列
体を備える。尚、図において、６′は放電灯の場
合の雑音防止コンデンサである。ここに、このコ
ンデンサ６′が非線形コンデンサあれば、この発
明と前記先行発明との両作用が和動的に働き、更
に良好なパルス発生特性（放電灯起動特性）が得
られるが、この点については後述する。 さて、上記固体スイツチ５は、逆方向が少なく
ても良導電性状態を有し、正方向が非導電性状態
を良導電性状態とを有して、これらの状態間でス
イツチングする特性を具備する。この特性図例を
第３図ｂ―，に示す。図は、逆方向が常に
導電状態の特性を有する場合を示す。図は逆方
向を所定電圧―Ｖ_BO以上で導電状態に移る特性又
は導電状態へ制御される特性を有する場合を示
す。前者の場合の実施例を第３図ａに示し、固体
スイツチ５はPNPNスイツチ（シヨツクレダイオ
ード）５１と整流素子５２との逆並列接続体から
なる。もちろん、第４図ａに示す逆導通PNPNス
イツチ素子又はリバース・スイツチングダイオー
ド（ダイニスタ）が、固体スイツチ５として利用
できる。後者の場合の例としては、第４図ｂに示
す双方向性サイリスタ又は第４図ｃに示すよう
に、逆並列ダイオード５２及びトリガ素子５２０
（例えば開放れたベースを持つトランジスタ，エ
ミツタへシヨートされたベースを持つトランジス
タ，ツエナーダイオードあるいはPNPNスイツチ
素子）を持つサイリスタ５１０を活用できる。 尚、第４図ａ，ｂにおいて、５１１又は５１１
ａ，５１１ｂは第１半導体層（第１エミツタ層で
Ｐ形又はＮ形）、５１２又は５１２ａ，５１２ｂ
は第２半導体素層（第１ベース層でＮ形又はＰ
形）、５１３又は５１３ａ，５１３ｂは第３半導
体素層（第２ベース層でＰ形又はＮ形）、５１４
又は５１４ａ，５１４ｂは第４半導体層（第２エ
ミツタ層で、Ｎ形又はＰ形）である。 次に、第３図に戻つて、同図ａの回路図におい
て、４は高蓄積効果ダイオードで、同図ｃの如く
Ｐ―ν―Ｎ又はＰ―ｉ―Ｎ構造を持つものを利用
できる。このようなダイオードは、略称“PiNダ
イオード”と呼ばれている。これらの特徴は、中
間に、高純度・低結晶格子欠陥率の半導体層４２
を備え、この層の少数キヤリア・ライフタイムが
極めて長いことが特長である。この発明のパルス
発生目的に対して、そのライフタイムの必要時間
は、インダクテイブ要素２の周波数特性や電源１
の周波数に依存するインダクテイブ要素２の電流
変化速度によつて変る。 さて、第３図において、動作を説明すると、先
ず両極性電源１の電圧が図示極性（正極性）の時
に、その電圧が固体スイツチ素子５の順方向に印
加され、その電圧値が固体スイツチ素子５のブレ
ークオーバ電圧Ｖ_BOよりも高くなれば、固体スイ
ツチ素子５が正方向に導通する。これにより、正
極性電流が１―２―５―４を通して流れる。この
正電流により、高蓄積効果ダイオード（PiNダイ
オード）４の高純度半導体層４２へキヤリア（Ｐ
νＮでは４１からのホール）が多量に注入され、
いわゆるキヤリアモジユレーシヨンが起き、高い
比抵抗の中間層４２が高伝導性になる。 次に、電源１の極性を反転させると、上記電流
が減少して行き、遂には電流極性も反転する。こ
の時に、電流値が零となる近傍の電流波形を第３
図ｄに示す。 ここで、この発明では、高蓄積効果ダイオード
４に積極的に逆方向電流を流すために、固体スイ
ツチ５は逆方向導電性にしてある。換言すれば、
逆方向電流を固体スイツチ５が阻止しないように
してある。このため、固体スイツチ５の逆方向に
はダイオード順方向特性又は逆方向阻止電圧が低
い逆方向ブレークオーバ特性あるいは逆導電性を
特性を利用する。逆方向もPNPNスイツチ特性を
持つ素子とする場合（第３図（ｂ―）の特性）
では、電源１の逆極性電圧が逆方向ブレークオー
バ電圧―Ｖ_BOよりも高くなるように電圧関係を選
定しておき、高蓄積効果ダイオード４の逆回復前
（即ち導電性状態の時）に、電源１の逆極性電圧
で固体スイツチ５を逆方向にブレークオーバさせ
る。 上記の如く、固体スイツチ５は逆方向に導通
し、この逆電流は高蓄積効果ダイオード４の中間
層４２の中のキヤリアが消滅するまで流れ続け
る。上記キヤリアが減少して、中間層４２へ空乏
層が広がり始めると、上記逆電流が減少し始め
る。この期間が第３図ｄのｔ_r2の期間である。こ
の時に、上記逆電流の減少速度（di／dt）ｂとイ
ンダクター２とによりパルス電圧を発生し、被印
加負荷３例えば放電々極に印加する。このパルス
のエネルギ源は、インダクタ２に流れていた逆電
流波高値Ｉ_rによる磁気エネルギである。 従つて、高蓄積効果ダイオード４を用いること
により、この逆電流値Ｉ_rを高くするための蓄積
時間ｔ_r1を長くできる。 又、高電圧パルスを発生した時に、その電圧で
素子自体を破壊させないためにも高耐圧素子が必
要であるが、この点でも、PiNダイオード４はラ
イフタイムを長くすることにより、高耐圧と高蓄
積効果とが矛盾なく得られる。更に又、電源１の
電圧との関係では、固体スイツチ５の順方向ブレ
ークオーバ電圧とは協調させる必要があるが、他
方逆方向については逆方向導電性にしたので、高
蓄積効果ダイオード４の逆方向電流の通電がで
き、高蓄積効果ダイオード４の蓄積効果による逆
電流を自由に流すことができる。 以上の結果、固体スイツチ５の順方向は、その
順方向に通電するか否かによつてパルスの発生動
作をするか否かを決めることができ、かつパルス
発生時の逆電流の通電固体スイツチ５が阻害する
ことなく、更に固体スイツチ５が高いパルス電圧
を分担する必要がない。即ち、順方向通電をして
パルスを発生させるか否かの制御機能に焦点を当
てた設計や製造が可能となり、作り易い。他方、
高蓄積効果ダイオード４は、高いパルスエネルギ
を得る上で、高い蓄積効果と高い耐圧とを矛盾な
く実現できる。 商用周波数電源で利用する放電灯の場合、上記
ライタイムは数＋μSec（50μSec）以上が必要
で、インダクテイブ要素の磁心が低いグレードの
鉄心の場合、数百μSec以上が望ましい。これら
の結果として商用周波数程度の電流変化波形にお
いて、その電流零点近傍のdi／dt（第２図ｂ参
照）に対する蓄積時間（逆方向回復時間）ｔ_r
が、10〜50μSec以上あれば蛍光灯の点灯開始用
途に使用できる。この回復時の電流波形を拡大し
て示した波形図を第３図ｄに示す。 回復時間ｔ_r中の電流増加時間をｔ_r1，電流減
少時間をｔ_r2とする時、ｔ_r2が短かく、逆方向電
流波高値Ｉ_r高い程発生パルス電圧が高い。即
ち、電流減少期間中の電流変化速度（di／dt）ｂ
が高い程、インダクター２における誘起電圧が高
い。 他方、ここで重要なことは、インダクター２の
磁心の個有抵抗が低い場合（例えば、電気鉄板な
どの金属系磁心の場合）、磁心の渦電流効果によ
つて、上記（di／dt）ｂによるインダクタ２の誘
導電圧が抑制される。従つて、インダクタ２の磁
心の周波数特性が良いもの程、同一パルス電圧を
発生するに要する（di／dt）ｂひいては逆回復特
性（Ｉ_r，ｔ_r1，ｔ_r2など）が異なる。更には、高
純度・半導体層４２に要求されるライフタイムが
異なつて来る。従つて、要求される蓄積効果や
（di／dt）ｂを軽減する上で、インダクター２の
周波数特性改善が望まれる。これに対し、周波数
特性を改善したインダクター、特に放電灯用安定
器の如く、低周波に対するインダクタンスも大き
くする必要がある場合に適したインダクターの一
実施例を、第５図ａ，ｂに示す。図において、２
１はコイル、２２は積層金属磁心（主として鉄を
含む磁性板）、２３はフエライト磁心又は圧粉鉄
心など高い固有抵抗の非線形磁性材料による磁心
である。即ち、複合磁心構造を備え、第５図ａは
高周波磁心２３も閉磁路をなし、同図ｂは高周波
磁心が開磁路をなすものである。これらにより、
金属磁心２２の磁束変化が追従し難い電流変化速
度に対し、高周波磁心２３の磁束が応答するの
で、パルス電圧の発生特性が改善される。 又、安定器としての低周波インダクタンスは、
高い磁束密度の金属磁心２２により得られる。 この他、高蓄積効果ダイオード４の回復特性の
ｔ_r2を短縮するために、ステツプリカバリダイオ
ードの構造にでき、これにより、発生パルス電圧
を向上できる。この例を第６図に示す。 又、この発明に非線形コンデンサ６を組み合せ
て利用でき、この例を第７図ａ，ｂに示す。第７
図ａは高蓄積効果ダイオード４に並列に非線形コ
ンデンサ６を接続し、蓄積作用と回復作用（非線
形コンデンサではその飽和現象）とを併せ利用し
たものである。この場合、逆方向電荷の蓄積が増
加するので、合成された逆電流Ｉ_rが増加する。
他方、逆方向に関して、固体スイツチ５が良導電
性であれば、４と５との直列体に対して、非線形
コンデンサ６を並列接続しても同等な作用効果が
得られ、この実施例を第７図ｂに示す。 この場合、順方向に関しても非線形コンデンサ
６が充電され、この非線形コンデンサ６とインダ
クタ２との間で順方向サージ電圧を発生する。こ
のサージ電圧発生を抑制するために制動抵抗７を
直列接続し、かつ逆方向に関して制動作用が働か
ないようにするために、バイパスダイオード８を
上記直列抵抗７に並列接続してある。 このようにして、高蓄積効果ダイオード４と非
線形コンデンサ６との和動作用で、パルス発生効
果を上げることもできる。 以上の他、パルス電圧を受ける負荷３を、高蓄
積効果ダイオード４に並列接続したり、インダク
タ２に並列接続したり、インダクタ２と磁気結合
した巻線を介して接続したりすることができる。 以上述べたように、この発明によれば、両極性
電源１に、蓄積ダイオード４と、逆方向が通電で
きかつ順方向が導通―非導通両状態を取り得る固
体スイツチ５と、インダクター２とを直列接続す
ることにより、放電灯の点灯に用い得るパルス発
生装置が簡単に構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のパルス発生装置を示す回路図、
第２図は第１図の動作波形図、第３図ａはこの発
明の一実施例を示す回路図、第３図ｂはこの発明
に用いる固体スイツチ素子の特性曲線図、第３図
ｃはこの発明に用い得る蓄積ダイオードの一例を
示す概念的構造断面図、第３図ｄはこの発明の動
作を説明するための電流波形の部分拡大図、第４
図ａ〜ｃは夫々この発明に用い得る固体スイツチ
素子の例を示す図、第５図ａ，ｂは夫々この発明
の改良用インダクタの概略構造図、第６図はこの
発明の改良用ステツプリカバリ特性を持つ蓄積ダ
イオードの一例を示す概念的な構造断面図、第７
図ａ，ｂはこの発明の夫々他の実施例を示す回路
図である。 図おいて、１は両極性電源、２はインダクタ、
３は負荷、４は蓄積ダイオード、５は固体スイツ
チである。なお、図中同一符号は同一又は相当部
分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 順方向が高抵抗状態から低抵抗状態へスイツ
   チングできかつ逆方向が通電可能な固体スイツチ
   と、上記固体スイツチの順方向に対して順方向と
   なる極性で直列接続された蓄積ダイオード整流素
   子を備え、上記固体スイツチと上記蓄積ダイオー
   ド整流素子との直列体をインダクタを介して両極
   性電源に接続すると共に、上記直列体に並列に放
   電灯を接続してなる放電灯装置。 ２ 蓄積ダイオード整流素子をPiN又はＰνＮ形
   ダイオードとしたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の放電灯装置。 ３ 固体スイツチはPNPN4層半導体素子部と
   NP2層半導体素子部とからなることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項又は第２項記載の放電灯装
   置。 ４ インダクタの磁心は固有抵抗の異なる２種類
   の磁性材料からなることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の放電灯装置。