JP5569862B2 - キセノンランプ点灯装置 - Google Patents

Description

本発明は概略としてキセノンランプ点灯装置に関し、より具体的には、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。制御部４０から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は設定された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、制御部４０からランプ点灯指令が発せられると、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、電流検知抵抗２０に流れる電流に比例する電圧信号（検出電圧）と基準電圧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の直流点灯が設定電流値で定電流制御される。類似の構成が特許文献１に開示されている。

図２（Ａ）及び（Ｂ）に、点灯指令が発せられてからの充電コンデンサ１３の充電電圧とランプ電流のタイムチャートを示す。図示するように、ｔ０でランプ２５が放電を開始すると充電コンデンサ１３の充電電圧はＶ０から急激に低下し、ランプの定電流点灯に必要な電圧Ｖ１を下回るとランプ電流は低下し始める（ｔ１）。なお、電圧Ｖ１＝（ランプ電圧＋トランス２４の２次巻線端電圧）／ＰＷＭ回路２１の最大デューティ、である。そして、充電電圧がランプ放電に必要な電圧Ｖminを下回るとランプ２５は消灯する（ｔ２）。なお、電圧Ｖmin＝ランプ電圧＋トランス２４の２次巻線端電圧、である。

特開平７−２９９０３０号公報

しかし、従来の構成では、ランプ２５の点灯時間（特に定電流制御できる期間）を長くするためには充電コンデンサ１３の容量を大きくするしかなかった。これにより装置の大型化やコストアップが問題となっていた。特に、充電コンデンサ１３は装置全体に対するスペース及びコストの割合が大きく、充電コンデンサの小型化・低コスト化はキセノンランプ点灯装置において重要な課題である。

具体的には、例えば、充電コンデンサ１３の充電電圧が１０００Ｖ、設定ランプ電流が７０Ａ、ランプ電圧が５００Ｖ、このときのトランス２４の２次巻線の電圧降下が２０Ｖ、降圧チョッパ回路３００のＰＷＭ制御回路２１の最大デューティ比が９０％の場合、上記の定電流点灯可能な電圧Ｖ１について、Ｖ１＝（５００Ｖ＋２０Ｖ）／０．９＝５７８Ｖ、となる。上述のように、充電電圧がＶ１（５７８Ｖ）まで低下するとランプ電流が減少し始める。ここで、充電コンデンサ１３の充電電圧は初期の充電電圧に対し、５７．８％の電圧が残っているのに、被照射体へ照射される擬似太陽光出力が低下し始めるため、被照射体の性能測定は時間ｔ１で終了することになってしまう。

そこで、本発明は充電コンデンサの容量を大きくすることなく、ランプの定電流点灯期間を長くできる構成を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、キセノンランプ点灯装置であって、充電コンデンサ（１３）を有する充電回路（２００）、充電コンデンサの充電電圧を昇圧して平滑する昇圧回路（２５０）、及び昇圧回路の出力を受けて定電流制御されたランプ電流をキセノンランプに投入する電流制御回路（３００）を備え、電流制御回路の入力電圧について、定電流制御に必要な入力電圧が所定値Ｖ１である場合に、昇圧回路が昇圧出力を所定値Ｖ１以上に昇圧するように構成されたキセノンランプ点灯装置。

また、昇圧回路（２５０）が充電電圧を検出する検出回路（３５）を備え、充電電圧が所定値Ｖ２（Ｖ１≦Ｖ２）以下となった場合に、昇圧回路が昇圧出力電圧を所定値Ｖ２以上に昇圧するように構成した。
さらに、所定値Ｖ２について、Ｖ２＝Ｖ１としてもよい。

本発明による第１の実施例のキセノンランプ点灯装置を示す図である。 従来例及び実施例のキセノンランプ点灯装置の動作を説明する図である。 本発明による第２の実施例のキセノンランプ点灯装置の昇圧回路を示す図である。 従来のキセノンランプ点灯装置を示す図である。

実施例１．
図１に本発明の第１の実施例によるキセノンランプ点灯装置の回路構成を示す。図において、直流電源回路１００、充電回路２００、電流制御回路３００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。本発明は充電回路２００と電流制御回路３００の間に昇圧回路２５０を備えた点が従来例と異なる。

昇圧回路２５０は、コイル２６、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチ２７、ダイオード２８、抵抗２９、３０、出力平滑用の電解コンデンサ（平滑コンデンサ）３１、半導体スイッチ２７の導通時間を制御するＰＷＭ制御回路３２、誤差増幅器３３、基準電圧３４で構成される昇圧チョッパ回路である。

昇圧回路２５０の制御において、例えば、平滑コンデンサ３１の電圧に比例した電圧となる抵抗２９、抵抗３０間の電圧信号と基準電圧３４が誤差増幅器３３に入力され、平滑コンデンサ３１の電圧が所定値に維持される。この昇圧回路２５０が動作していないときは充電コンデンサ１３の電圧がそのまま平滑コンデンサ３１に充電される（即ち、充電コンデンサ１３の電圧がそのまま電流制御回路３００の入力となる）。一方、昇圧回路２５０が動作しているときは充電コンデンサ１３の電圧が昇圧されて平滑コンデンサ３１に充電される（即ち、充電コンデンサ１３の電圧より高い平滑コンデンサ３１の電圧が電流制御回路３００の入力となる）。なお、平滑コンデンサ３１の容量は充電コンデンサ１３の容量よりも充分に小さい。

ランプ２５が絶縁破壊を起こすと、電流制御回路３００は充電コンデンサ１３又は平滑コンデンサ３１の充電エネルギーを電源として、図４で説明したものと同様の定ランプ電流制御が行なわれる。

図２（Ｃ）及び（Ｄ）に第１の実施例における充電コンデンサ１３の充電電圧とランプ電流のタイムチャートを示す。
本実施例では制御部４０からランプ点灯指令が発せられるのと同時に昇圧回路２５０も動作を開始する。図２（Ｃ）に示すように、ランプ２５がｔ０で放電を開始すると充電コンデンサ１３の電位はＶ０から急激に低下していく。これと並行して昇圧回路２５０は平滑コンデンサ３１の電圧がＶ１以上の設定値（例えば、Ｖ０）を維持するよう動作する。従って、充電コンデンサ１３の電圧が定電流点灯可能な電圧Ｖ１を下回っても、平滑コンデンサ３１には上記設定値が充電されて電流制御回路３００に投入される。

これにより、図２（Ｄ）に示すように、定電流制御維持時間（ｔ０〜ｔ１′）を従来の図２（Ｂ）における時間（ｔ０〜ｔ１）よりも延ばすことが可能となり、擬似太陽光照射装置の性能を向上することができる。

実施例２．
図３に第２の実施例の回路構成を示す。本実施例では、昇圧回路２５０が充電コンデンサ１３の充電電圧を検出する検出回路３５を備えた点で第１の実施例と異なる。検出回路３５は分圧抵抗３６、３７、基準電圧３８、及びコンパレータ３９からなり、分圧回路で検出される充電電圧が基準電圧３８（後述する電圧Ｖ２に対応）を下回るとコンパレータ出力がローとなり、これを受けてＰＷＭ制御回路３２が動作を開始する。なお、コンパレータのロジックは逆であってもよく、具体的な回路構成は当業者によって適宜設計される。なお、本実施例では、昇圧回路２５０は制御部４０からの点灯指令ではなく、検出回路３５の出力信号によって動作が開始される。

図２（Ｅ）及び（Ｆ）に本実施例における充電コンデンサ１３の充電電圧とランプ電流のタイムチャートを示す。
第１の実施例と異なる点は、昇圧回路２５０の動作開始タイミングである。具体的には、充電電圧が所定値Ｖ２（Ｖ１≦Ｖ２＜Ｖ０）以下になった場合に、昇圧回路２５０は昇圧出力電圧を所定値Ｖ２（又はＶ２以上）に維持する。好ましくは、所定値Ｖ２は、定電流制御可能な電圧Ｖ１（例えば、ランプ電圧５００Ｖ＋トランス２４の２次巻線端電圧２０Ｖ）／ＰＷＭ制御回路２１の最大デューティ０．９＝５７８Ｖ）に等しいかそれよりも若干高い電圧（例えば、６００Ｖ程度）に設定される。

これにより、図２（Ｃ）の場合と比較して昇圧回路２５０が動作する時間が短くなり、かつ昇圧電圧も低く設定できるため、昇圧回路２５０での消費電力（損失）が少なくなる。また、充電電圧がＶ０〜Ｖ２の間の充電コンデンサ１３の電圧低下速度が遅くなり、図２（Ｆ）に示すように、定電流制御持続時間（ｔ０〜ｔ１″）は図２（Ｄ）の場合と比べて長くなる。従って、擬似太陽光照射装置の性能を更に向上することができる。

なお、理想的な回路からなる点灯装置であれば、Ｖ２＝Ｖ１の場合が最も定電流制御持続時間が長くなるが、各素子のインピーダンス又はランプの特性のばらつき等を考慮して、前述したように、Ｖ２はＶ１よりも若干高くしておくことが望ましい。

本実施例では検出回路３５を用いて昇圧回路２５０の動作期間を決定したが、検出回路３５の替わりに、点灯指令が出てから動作するタイマを制御部４０の外部又は内部に設け、タイマの設定値を図２（Ａ）のｔ１より短くしておき、充電電圧がＶ１以下となる前に昇圧回路２５０が動作するようにしてもよい。

以上より、本発明の点灯装置によると、従来例と比較してランプ電流の定電流制御維持時間を延ばすことが可能となり、擬似太陽光照射装置の性能を向上することができる。

以上に本発明の好適な実施例を説明した。各実施例に共通する利点として、最大定電流制御維持時間を従来例と同じ時間とした場合、装置の主要な部分を占める充電コンデンサ１３の容量を低減でき、点灯装置の小型化、コストダウンが可能となる。またさらに、従来回路（図４）に比べて充電回路２００の充電電圧を低くすることができ、充電コンデンサ１３や整流器１０を低耐圧（即ち、小型、低コスト）の部品で構成できる。但し、この場合には、充電コンデンサ１３の容量を更に大きくすることが望ましい。いずれにしても、本発明によると、充電回路２００の設計自由度が大きくなるので好適である。

２６．コイル
２７．半導体スイッチ
２８．ダイオード
２９、３０、３６、３７．抵抗
３１．電解コンデンサ
３２．ＰＷＭ制御回路
３３．誤差増幅器
３４、３８．基準電圧
３５．検出回路
３９．コンパレータ
４０．制御部
１００．直流電源回路
２００．充電回路
２５０．昇圧回路
３００．電流制御回路

Claims (3)

1. キセノンランプ点灯装置であって、
   交流電源を直流電圧に変換する直流電源回路（１００）、
   充電コンデンサ（１３）を有し、前記直流電圧を昇圧して前記充電コンデンサに充電し、昇圧動作を停止して前記充電コンデンサの充電電圧を保持するように構成された充電回路（２００）、
   前記昇圧動作を停止している充電回路の前記充電コンデンサの充電電圧を昇圧するとともに前記充電コンデンサよりも容量が小さい平滑コンデンサ（３１）によって平滑する昇圧回路（２５０）、及び
   前記昇圧回路の出力を受けて、定電流制御されたランプ電流を前記キセノンランプに投入する電流制御回路（３００）
   を備え、
   前記電流制御回路の入力電圧について、前記定電流制御に必要な入力電圧が所定値Ｖ１である場合に、前記昇圧回路が昇圧出力を該所定値Ｖ１以上に昇圧するように構成されたキセノンランプ点灯装置。
2. 請求項１のキセノンランプ点灯装置において、前記昇圧回路（２５０）が前記充電電圧を検出する検出回路（３５）を備え、
   前記充電電圧が所定値Ｖ２（Ｖ１≦Ｖ２）以下となった場合に、該昇圧回路が昇圧出力電圧を該所定値Ｖ２以上に昇圧するように構成されたキセノンランプ点灯装置。
3. 請求項２のキセノンランプ点灯装置において、前記所定値Ｖ２について、Ｖ２＝Ｖ１であることを特徴とするキセノンランプ点灯装置。
   
   
   

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