JPH06208894A

JPH06208894A - 高圧ナトリウム蒸気ランプを動作させるための回路および方法

Info

Publication number: JPH06208894A
Application number: JP5273933A
Authority: JP
Inventors: David J Kachmarik; デイビッド・ジョセフ・カクマリク; Louis R Nerone; ルイス・ロバート・ネロン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1992-11-05
Filing date: 1993-11-02
Publication date: 1994-07-26
Also published as: DE69314594D1; US5357173A; EP0596739B1; DE69314594T2; CA2108420A1; EP0596739A1

Abstract

(57)【要約】【目的】ナトリウム蒸気ランプをパルス動作させるた
めの回路および方法を提供する。【構成】共振安定器にゲートパルスに印加してランプ
を点弧し、ランプを通る準共振双方向電流波形を形成す
る。その形状はランプ内の音響共振ノードの励起を抑圧
するように制御される。準共振双方向電流波形は、所定
の周波数で振動し、ランプに関連する音響周波数領域よ
りも外側にある第一群の高調波を含むと共に、上記音響
周波数領域と一致する第二群の高調波も含む。ランプ点
弧時に電流波形を減衰させることにより、第二群の高調
波の大きさが素早く減少して、音響周波数領域の励起が
抑圧され、ランプのアークの不安定性が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高圧ナトリウム蒸気ラン
プに関するものであり、このようなランプの寿命を伸ば
すことを可能にするとともに、このようなランプの寿命
を通じて演色性の向上および演色の非劣化を達成するよ
うに、このようなランプを動作させる改良されたシステ
ム、回路および方法に関連するものである。

【０００２】

【従来の技術】高圧ナトリウム蒸気ランプは多年使用さ
れ、街路、道路などの種々の戸外の用途に広く使用され
てきた。これらのランプの動作には一般に、６０ヘルツ
の電流電源から給電される鉄心上の巻線を含む安定器が
用いられている。電源および安定器は、ランプを通る電
流を制限し、またランプ電圧定格を超えない電力入力を
供給するように設計される。一般に、アークをランプ電
極に発生させることによりランプを点弧する高電圧低エ
ネルギーパルスを発生するための特殊な回路が安定器に
含まれている。この高電圧パルスの大きさはランプ仕様
で指示される。たとえば、４００ワットのランプでは通
常、振幅（最小）が２２５０ボルトで長さが１マイクロ
秒のパルスを毎秒５０回以上の繰り返し速度でランプ電
極間に印加することが要求される。この高電圧パルスに
より、キセノンガス雰囲気内のナトリウムと水銀のアマ
ルガムが分解されて帯電粒子となる。ランプの電極間に
電圧が印加されてランプが点弧する。ランプからの光の
発生は、ランプ内のナトリウム蒸気を通る放電によって
生じ、殆どもっぱらナトリウム原子の励起によるもので
ある。一旦ランプが始動されると、高電圧パルス回路が
自動的に無能化（ディスエーブル）される。それから、
ランプ定格の電力入力を供給する規定された電流および
電圧によって、ランプの長時間動作すなわち定常動作が
持続される。従来の交流動作では、ランプ内で発生する
熱によってナトリウムが蒸発するにつれて、光はまず単
色の黄色になった後、次第に金色またはオレンジ色がか
った色合いの白になる。ランプの完全な暖機（ウォーム
アップ）には、約１秒かかる。上記のように動作するラ
ンプは、戸外の照明に極めて有用である。しかし、この
ようなランプによる光の色合いは、一段上等な（白色）
光または色識別が必要条件である屋内の使用には適して
いない。ナトリウム蒸気ランプから上記の一段上等な照
明を得ようと試行して、種々の従来技術のシステムが設
計されてきた。これらのシステムおよび試行ではたいて
いは、ランプへの平均エネルギー入力を維持しつつ、よ
り高いランプ色温度と改良された演色を達成するために
パルス動作を使用する。米国特許第４，１３７，４８４
号には、（とりわけ）従来技術のパルス動作システムが
開示されている。この米国特許は本発明で考えている種
別のナトリウム蒸気ランプの動作の基本原理を教示して
いる。これは特に、パルス動作を使用するこのようなラ
ンプを安定化する従来技術の方法に関するものである。
本発明で想定している、米国特許第４，１３７，４８４
号のシステムに開示されているような種別の従来の高圧
ナトリウムランプには金属として、ナトリウムの他に通
常は水銀が含まれている。ナトリウムを通る放電で生じ
る水銀の放射は微々たるものではあるが、水銀から若干
の放射が現れる。このようなシステムについて開示され
たことは、立上がりの早いパルスをランプに印加してい
る期間およびその直後の期間にはナトリウムの高電子状
態が励起されて高放出状態になるということ、および水
銀の入っているランプでは水銀からの放射も現れるが微
々たるものであるということである。ランプのパルス動
作の間、数個のナトリウム線からの放出、および光スペ
クトルの青−緑部分の連続体が大幅に強くなる。更に、
ナトリウムＤ線の自己反転および拡がりによるスペクト
ルの黄−赤部分の正規の光が部分的に抑圧される。その
結果、色温度が上昇し、演色評価数が改善される。

【０００３】上記の特許に開示されたシステムでは、
「賦活」（ｋｅｅｐａｌｉｖｅ）電流を用いていな
い。この賦活電流は、その上にランプへのパルス電流が
重畳される一定電流と定義することができる。このよう
な賦活電流は、パルス「オフ」状態の間に若干の電流を
供給するためのものである。本発明でも、賦活電流は用
いていない。賦活電流は、色の改善を左右する高度に励
起されたナトリウム放射（そして水銀が存在する場合に
は水銀放射）に悪影響を及ぼす。

【０００４】上記の特許には、ランプにパルス状電流波
形を給電することにより色温度を改善し、演色性を向上
するシステムおよび方法が開示されているが、いくつか
欠点がある。欠点の一つは、従来の交流動作に比べて効
率が低下することである。そのシステムでは、繰返し速
度が５００Ｈｚ乃至約２０００Ｈｚで、デューテイサイ
クルが１０％乃至３５％のパルスが使用される。このパ
ルス繰返し速度を使用することにより、ランプ色温度を
ケルビン４００度（４００Ｋ）以上上昇させることがで
きる。すなわち、約２０５０Ｋの標準温度から約２５０
０Ｋまで上昇し、効率は約２０％低下する。２５００Ｋ
をかなり超えて色温度を上昇させることはできるが、効
率が更に低下するという犠牲が伴うことも開示されてい
る。したがって、少なくとも、色温度を標準より上げて
も、このような効率の低下を改善するナトリウムランプ
のパルス動作システムおよび方法の提供が求められてい
ることがわかる。

【０００５】上記の特許には、ランプの管壁黒化が片方
向および両方向のパルスの使用により促進されることも
示されている。管壁黒化はナトリウムの経時損失によっ
て生じることが知られている。この損失はランプのワッ
ト数超過によって生じ得る。すなわち、ランプをその設
計定格よりかなり上で動作させることにより、より高い
蒸気圧力が達成される。しかし、管壁黒化はランプ内の
アークの不安定性によっても生じ得ることも本発明者等
は見出した。この特性のため、ナトリウムの入っている
アーク管の音響共振モードと一致する高調波がパルス電
流波形に含まれていて、アーク点弧の間、それらの高調
波が充分な大きさである場合には、アークに不安定性が
生じることを本発明者等は見出した。すなわち、アーク
はランプの電極相互の間にだけ局限されないで、ひずみ
または曲がってランプの壁に当たる。このように当たる
と、過熱が生じて内圧が上昇し、これによりナトリウム
がランプから漏れ出て、ランプの予期寿命が短くなるこ
とがあり得る。

【０００６】したがって、上記のアークの不安定性の問
題を解消し、かつ少なくとも部分的に賦活電流回路の消
去に寄与し得る、長寿命で、「高」ルーメンを維持し、
全体のコストの低いランプを提供するように、ナトリウ
ム蒸気ランプをパルス動作させるシステム、回路および
方法が更に求められていることがわかる。

【０００７】

【発明の概要】したがって本発明の一つの目的は、演色
性とアーク安定性が強化された高圧ナトリウム蒸気ラン
プを動作させるための回路および方法を提供することで
あり、ランプの音響共振ノードの励起を防止してランプ
内のアークの不安定性を防止するためにランプ点弧の際
に抑圧される高調波帯域を有する準共振双方向電流波形
で高圧ナトリウムランプに給電する上記回路を提供する
ことである。

【０００８】本発明の更にもう一つの目的は、高圧ナト
リウム入りランプを動作させるシステムおよび回路であ
って、ランプの不安定性を除去し、それに伴って色温度
を上昇させ、色強化を行うシステムおよび回路を提供す
ることである。本発明の更にもう一つの目的は、高圧ナ
トリウム入りているランプのパルス動作のための回路で
あって、ランプを点弧するのに充分な大きさに素早く上
昇し、しかも電流波形の所定の高調波の大きさを充分に
抑圧するように立下がり時間の短い準共振双方向電流波
形でランプを点弧する回路を提供することである。

【０００９】本発明は、ナトリウム蒸気ランプが高調波
を含むパルス電流波形で作動されたときに、ナトリウム
蒸気ランプのアーク管内にアークの不安定性が生じると
いう事実に基づいている。パルス電流波形内の第一の、
すなわち狭い帯域の高調波は、アーク管の音響共振ノー
ドより下にあり、ナトリウムの高電子状態を高放出状態
に励起することによりランプの電極相互間のアークの安
定性を持続する大きさを有している。

【００１０】上記波形内の第二の、すなわち広い帯域の
高調波は、アーク管の音響共振ノードと一致し、ランプ
の点弧の間に抑圧されなければ音響共振ノードを励起し
得る大きさを有している。その影響は、電極相互間のア
ークをひずませるかまたは曲げてアーク管の壁に当たら
せることである。このようにアークの不安定性が生じる
と、ランプの寿命が低下し、ランプの温度が低下して、
色強化の損失が生じる。

【００１１】本発明の原理によれば、高圧ナトリウム
（ＨＰＳ：ｈｉｇｈｐｒｅｓｓｕｒｅｓｏｄｉｕ
ｍ）ランプは図２に示されるような振動する準共振双方
向電流波形の印加によってパルス動作する。所定のパル
ス幅を持つ方形波パルスを使用して、パルス電流波形を
発生する。パルス電流波形の振動周期またはパルス幅
は、ランプ設計仕様に応じて、方形波パルスの振動周期
またはパルス幅の約１／４サイクルから１／２サイクル
である。

【００１２】本発明は、「賦活」電流が不要であるので
経済的な設計を提供する。パルスの合間（すなわち、電
流波形の各半サイクルの間）に、賦活電流は不要であ
る。ランプが一旦暖機されると、ランプの電極間に各パ
ルスが印加されたときにランプは容易にアークを再点弧
することができるからである。ランプの特性に応じて、
１０％から５０％のデューティサイクルで、約２００Ｈ
ｚから約２ｋＨｚまでのパルス繰返し速度を使用するこ
とができる。そうすることにより、色温度は容易に３０
０Ｋ以上上昇し得る。すなわち、従来のパルス動作に比
べて改善された効率と更に伸びたランプ寿命で、約２４
５０Ｋから約２８００Ｋまでとなる。ランプによって
は、効率の上昇が必要条件である場合には、色温度を２
８００Ｋをかなり超えて上昇させることができる。

【００１３】本発明の上記および他の目的、特徴、およ
び利点は付図を参照した以下の説明から明らかとなる。
付図では、同じ参照番号は同じ素子を表す。本発明の以
下の詳細な説明では、付図を参照する。

【００１４】

【詳しい説明】まず、図１を参照して説明する。図１に
は、全体を１０で表した照明システムおよび回路が示さ
れている。高圧ナトリウム（ＨＰＳ）ランプ１２は、本
発明の概念により色改善の強化および「高」ルーメンの
維持のために都合よくパルス動作させることができるラ
ンプを代表するものである。一般に、類似のランプは７
０ワットから１０００ワットの範囲にある様々な大きさ
で製造される。このようなランプの構造は上記の米国特
許第４，１３７，４８４号に開示されている。

【００１５】直流電源１４は、回路１０を動作させ、ラ
ンプ１２に給電するために充分な電力（電圧および電
流）を供給する。電源１４には通常、交流電圧を整流し
てその正（＋）出力端子および負（−）出力端子にフィ
ルタリングされた直流電圧を形成するために、従来の全
波整流器およびフィルタが含まれている。この直流電圧
は導線１６および１８を介して電源１４の出力端子間に
直列に接続された一対のスイッチＳＷ１およびＳＷ２の
各々のスイッチ入力に供給される。導線１６はＳＷ１に
正（＋）電位を供給し、導線１８はＳＷ２に負（−）電
位を供給する。ＳＷ１とＳＷ２のスイッチ出力は接続点
２０で一緒に接続される。これにより、ランプ１２にそ
の定格電力入力で給電するための強制電圧Ｖが供給され
る。

【００１６】一対のコンデンサＣ１およびＣ２も電源１
４の出力端子間に直列に接続されている。導線１６はコ
ンデンサＣ１の一端に接続され、導線１８はコンデンサ
Ｃ２の一端に接続されている。コンデンサＣ１およびＣ
２の他端はともに接続点２２に接続され、またランプ１
２の一つの電極２４に接続されている。電源１４の導線
１６および１８の出力電圧は一対のクランプダイオード
Ｄ１およびＤ２にも供給される。ダイオードＤ１および
Ｄ２は接続点２６で一緒に接続される。これにより、Ｄ
１およびＤ２は接続点２２を介してランプ電極２４に接
続される。

【００１７】パルス発生器または制御器２８は、導線３
０および３２を介してＳＷ１およびＳＷ２の制御入力に
クロックまたは制御パルスＰ１およびＰ２をそれぞれ供
給する。実施例ではＳＷ１およびＳＷ２は、それぞれパ
ルスＰ１およびＰ２に応動してターンオンするゲート入
力電極を持つ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。
種々の種別の電力ＦＥＴデバイスまたはスイッチングト
ランジスタを都合よく用いることができる。周知のこの
ような一つのデバイスは、インタナショナル・レクチフ
ァイア・コーポレーション（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌＲｅｃｔｉｆｉｅｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）に
より製造されるＩＲＦ−７４０ＦＥＴである。ＳＷ１お
よびＳＷ２がそれぞれのパルスＰ１およびＰ２によりタ
ーンオンされると、逆極性（すなわち＋電位および−電
位）のスイッチングされた強制電圧Ｖがインダクタまた
はチョーク３６を介して第二のランプ電極３４に印加さ
れる。

【００１８】ランプ１２の仕様および特性により、イン
ダクタ３６、コンデンサＣ１およびＣ２、ならびに直流
電源１４からの必要な強制電圧の値が決まる。ここで説
明されている実施例で用いられるランプは９５ワットの
白色光ランプである。種々のこのようなランプは、例え
ば「ルカロックス」（Ｌｕｃａｌｏｘ）ランプの商品名
でゼネラル・エレクトリック・カンパニー（Ｇｅｎｅｒ
ａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙ）により製
造、販売されている。このランプを使用し、インダクタ
３６が５００マイクロヘンリーの適当な値で選択され
た。コンデンサＣ１およびＣ２は、合計容量４マイクロ
ファラドに対して、それぞれ２マイクロファラドの容量
を有する。クランプダイオードＤ１およびＤ２に対する
唯一の必要条件は、それらが順方向バイアスすなわちタ
ーンオンされたときに回路１０を通る最大電流を扱える
ということである。多数の適当なダイオードが市販され
ているが、実施例では、ゼネラル・インスツルメント・
コーポレーション（ＧｅｎｅｒａｌＩｎｓｔｒｕｍｅ
ｎｔＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって製造されてい
る商品型名ＦＥＴ−１６ＴをダイオードＤ１およびＤ２
として選択した。

【００１９】上記の選択の他に、電源すなわち直流電源
１４はランプ１２の動作の必要条件に合う大きさでなけ
ればならない。実施例では、９５ワットのランプ１２を
動作させるために必要な強制電圧Ｖを供給するのに２５
０ＶＤＣの電源が適当であることが見出された。図１か
らわかるように、ランプ１２を最初に点弧するために普
通用いられる「高電圧点弧回路」は図示されていない。
この回路は当業者には周知であり、本発明の一部を構成
するものではない。周知の通り、高電圧点弧回路は通
常、ランプに高電圧（たとえば１５００−２２５０ボル
トの振幅）の短パルス（たとえば１マイクロ秒の長さ）
を印加する。このパルスは通常、毎秒約５０回の割合で
印加される。一旦ランプが始動されると、高電圧点弧回
路は自動的に停止され、ランプの動作の定常状態を持続
するために高電圧パルスはもはや必要とされない。一旦
ランプがその標準または規定された動作温度（たとえば
２１００から２８００Ｋの色温度）に達すれば、ずっと
振幅の小さい、繰り返し印加される電圧パルスを使用す
ることにより、ランプ電極相互間にアークの点弧を行っ
てランプの長期間の動作を維持することができる。最初
の暖機の後のアークのこの点弧は通常、アークの「再点
弧」と呼ばれる。本発明は、ランプ電極間に再点弧電圧
を発生し、その結果生じるランプを通るフォロースルー
共振電流波形の特性を制御するための方法および装置に
関するものである。

【００２０】本発明の以後の動作説明では、前記のこと
を考慮して、高電圧点弧回路が最初ランプを始動させ、
ランプは適当な動作温度になって、ランプ電極間に電圧
パルスが印加されるたびごとに再点弧するものと仮定す
る。本発明の動作は図１と共に図２および３を参照する
ことにより最もよく理解することができる。

【００２１】最初に、パルスＰ１およびＰ２を発生して
いる図１のパルス発生器を参照して説明する。図示する
ように、これらのパルスは導線３０および３２を介して
ＳＷ１およびＳＷ２に印加される方形波である。ランプ
１２の動作仕様に応じて、発生器２８の調整に従い２０
０Ｈｚから２ｋＨｚの繰返し速度と約２０％から５０％
のデューティサイクルで、パルスＰ１およびＰ２を発生
することができる。

【００２２】前に述べたように、本発明は賦活電流を不
要にする。この除去は、ランプ１２に対するＰ１および
Ｐ２の適正な繰り返し周波数、デューティサイクル、お
よびパルス時間長または幅を選定することにより可能と
なる。Ｐ１およびＰ２のパルス幅は、ＳＷ１およびＳＷ
２に各パルスが印加されたときにランプ１２が確実に再
点弧するのに充分な時間長でありさえすればよい。

【００２３】前に述べたように、ＳＷ１およびＳＷ２は
ＦＥＴスイッチである。その目的のため、パルスＰ１お
よびＰ２は、ＳＷ１およびＳＷ２をターンオンおよびタ
ーンオフするために２進０状態（−レベル）と２進１状
態（＋レベル）との間で上昇および下降する２進状態を
持つ論理レベル信号である。ＳＷ１およびＳＷ２はそれ
らのそれぞれの入力パルスＰ１およびＰ２に応動し、そ
れぞれのパルスが正になる（すなわち、２進１になる）
たびごとにターンオンする。スイッチに２進１信号が印
加されていない場合、そのスイツチ（ＳＷ１またはＳＷ
２）はターンオフまたはディスエーブルされる。

【００２４】ここに説明する実施例では、図２および３
に示される波形は、８００Ｈｚおよび５０％のデューテ
ィサイクルのＰ１およびＰ２で動作させた場合のもので
ある。図１に用いられる特定のランプ１２の場合は、約
２０％のデューティサイクルが最適であることが見出さ
れた。図２および３に示される波形は、ＳＷ１およびＳ
Ｗ２にこのような方形波を印加した場合に得られた。

【００２５】本発明の動作を理解するため、図１のシス
テムを最初にターンオンしたとき、コンデンサＣ１およ
びＣ２が電源１４の出力電圧にほぼ等しい電荷を素早く
取り込むということを指摘するのが好都合であると考え
られる。前に述べたように、この電圧は２５０ＶＤＣで
ある。Ｃ１およびＣ２が直列であるので、各コンデンサ
は電源出力電圧のほぼ半分の電荷を取得する。すべての
実用的な目的のため、接続点２２および２６に於けるＶ
２は、インダクタ３６の入力に電圧パルスＶが印加され
たときランプ１２を点弧させるのに充分な零基準電位に
なっている。

【００２６】本発明の動作を理解するために、インダク
タ３６ならびにコンデンサＣ１およびＣ２は回路内でラ
ンプ１２と接続された共振タンクを構成する。このＬＣ
回路の共振周波数は次式で与えられる。

【００２７】

【数１】

【００２８】ここで、Ｌはインダクタ３６のインダクタ
ンスであり、ＣはＣ１およびＣ２の容量値である。図２
は、ＳＷ１およびＳＷ２がＰ１およびＰ２によりターン
オンおよびターンオフしたときにタンク回路の動作によ
り発生するランプの電圧および電流パルスの双方向準共
振波形を示す図である。ランプ１２を通って流れる電流
パルスのピーク電流Ｉ_pは、共振システムの特性インピ
ーダンスおよび強制電圧Ｖ（図１参照）によって決ま
り、次式で与えられる。

【００２９】

【数２】

【００３０】そのピークでのパルス状強制電圧Ｖは電源
出力電圧とほぼ同じ大きさであり、その程度までそれら
は全く同じものである。図２ではランプ電流パルスが指
数関数的な減衰時間を持つこともわかる。その減衰時間
はアーク抵抗Ｒおよび共振インダクタンスＬで決まり、
時定数は次式で与えられる。

【００３１】

【数３】

【００３２】前に述べたようにＣ１およびＣ２が充電さ
れた状態で、今、パルス発生器２８が図１に示されるよ
うにパルスＰ１およびＰ２を発生するものと仮定する。
ランプ１２は前に高電圧点弧回路（図示しない）によっ
て点弧されているので、ランプが電流を通す準備ができ
ていることにも注意するべきである。発生される第一の
パルスはＰ１であり、これがＳＷ１をターンオンする。
ＳＷ１が閉じると、接続点２０の強制電圧Ｖがインダク
タ３６の入力に印加される。強制電圧Ｖは立上がりが非
常に早く（殆ど垂直）、電源１４から導線１６を介して
供給されるほぼ＋２５０ボルトのレベルに上昇する。こ
の強制電圧Ｖは接続点２２および２６のＶ２に対してラ
ンプ電極２４と３４の間に電位差を発生する。この電位
差により、電極２４と３４との間にアークがとび、ラン
プが再点弧する。このランプの点弧は、図２の時点ＴＰ
１で示されるようなＰ１パルスの生起時点で行われる。
そこに示されるように、ランプ両端間の強制電圧がその
最大振幅となる約２００マイクロ秒内にランプ１２が点
弧する。

【００３３】点弧の瞬間に、ランプのインピーダンスが
著しく低下し、ランプ電流がＩ_pに向かって共振的に上
昇する。ランプ電流がＩ_pに向かって増大するにつれ
て、コンデンサＣ１両端間の電圧、すなわちＶ_c1は小さ
くなるのに対して、Ｖ_c2は共振的に増大し、ついにラン
プ電流はＣ１とＣ２に等分され、Ｃ１とＣ２は各々ラン
プ電流の半分の値を持つことになる。Ｖ_c1＝−Ｖ_d（ダ
イオードＤ１またはＤ２両端間の電圧）で、Ｖ_c2＝Ｖ＋
Ｖ_dのとき、ピーク電流Ｉ_pに達し、コンデンサＣ１お
よびＣ２を通る電流が流れなくなる。この点で、共振部
は停止し、スイッチＳＷ１、インダクタＬ、ランプ、お
よびダイオードＤ１で形成される経路を通って電流が流
れ続ける。ダイオードＤ１を通る電流の始まりはランプ
電流の指数関数的に減衰する部分の始まりを示す。動作
の一つ置きの方向、すなわち負の半サイクルでは、同様
の状況が生じるが、第一の負のサイクルおよび引き続く
正のサイクルの初めにコンデンサ電圧は次のようになる
ことに注意することが重要である。

【００３４】（ａ）正のランプ電流では、

【００３５】

【数４】

【００３６】（ｂ）負のランプ電流では、

【００３７】

【数５】

【００３８】これらの電圧条件は、ランプ電流の指数関
数的に減衰する部分の終わりにコンデンサが達する状態
の結果である。次に、負の半サイクルの間の回路動作の
説明に戻る。第一の負の半サイクルで、パルスＰ２が印
加され、スイッチＳＷ２が閉じる。これに先立って、Ｐ
１は既に除去されており、これによりＳＷ１とＳＷ２の
両方のスイッチが開いている。スイッチＳＷ２が閉じる
と、全体の電圧Ｖがランプ電極２４と３４の間に印加さ
れ、ランプ１２が負方向に電流を通す。この時間の間
に、コンデンサＣ２の両端間の電圧Ｖ_c2が−Ｖ_dに向か
って共振的に減少し、コンデンサＣ１の両端間の電圧Ｖ
_c1がＶ＋Ｖ_dに向かって共振的に増加する。正の半サイ
クルと同様に、負の半サイクルの間のランプ電流の大き
さはＶ（Ｌ／Ｃ）^1/2に制限される。ランプ電流が−Ｉ
_pに達すると、コンデンサＣ１およびＣ２を通る電流は
流れなくなる。次に、ランプ電流はスイッチＳＷ２、イ
ンダクタＬ、ランプ１２、およびダイオードＤ２によっ
て形成される経路を通って流れ続けるので、ランプ電流
の導通が維持される。ダイオードＤ２を通る電流の導通
は、負の半サイクルのランプ電流の共振部分の終わり、
およびこのようなランプ電流の指数関数的に減衰する部
分の初めを示す。最後に、ランプ電流は零に向かって指
数関数的に減衰し、コンデンサＣ１およびＣ２の両端間
の電圧は本質的に

【００３９】

【数６】

【００４０】に維持される。このサイクルはランプ１２
の連続動作の間、反復する。次に、図２および図３のラ
ンプ電流波形を参照して説明する。ほぼ点弧の時間（Ｔ
Ｐ１）に、強制電圧Ｖが共振タンク回路に印加されて、
その共振機能が始動される。この印加により、図２に示
すようにランプ電流パルス波形の発生が行われる。この
電流パルスは周波数”ｆ”で共振し、ピーク振幅または
高さＩ_pとなる。図３は、８００Ｈｚの動作周波数でそ
の電流パルス波形の正の半サイクルに対してＶ２で取得
された実験的に得られた電力スペクトルを示す図であ
る。図からわかるように、この電力スペクトルは電流波
形の高調波を示し、図２の電流波形にほぼ従うものであ
る。

【００４１】図２および図３に示されているように電流
波形は、共振または正弦区間（ＲＳ：ｒｅｓｏｎａｎｔ
ｓｅｃｔｉｏｎ）および指数関数区間（ＥＳ：ｅｘｐ
ｏｎｅｎｔｉａｌｓｅｃｔｉｏｎ）を含んでいる。開
示された電流波形の場合、より大きな高調波の大部分は
狭い帯域の中に含まれており、このような帯域幅は次式
で規定される。

【００４２】Ｂ＝π／ｔ_r ｔ_rすなわち立上がり時間は、波形の最小値から最大値
へ立上がる時間と、このような波形の最大値から最小値
へ立下がる時間のうち小さい方と定義される。図２から
わかるように、電流波形は立上がり時間と立下がり時間
がともに比較的長い。しかし、これらは波形の短い周期
（ＷＦ_p）の短い期間の中にある。これにより、高調波
が小さい帯域に高度に集中する。したがって、電流波形
に対してこの「ソフト」な立上がりと立下がりを維持す
ることによりランプ１２の音響共振ノードから離れた低
い方の周波数のところに、より大きな高調波が集中す
る。このようなランプ動作の結果が図３に示されてい
る。高調波成分の大きさが小さいので、電極２４と３４
との間に形成されるアークは安定であり、強化された色
特性を示すということが図３に示されている。

【００４３】電流波形の上記の減衰がどのように行われ
るかを理解するために、Ｖ２がいつ、どのように発生さ
れるのかということ、またＶ２が＋２５０ボルトより上
に上昇しないようにクランプダイオードＤ１が順方向バ
イアスされるということを想起する必要がある。タンク
回路の共振により生じるピークＩ_pに於ける電流パルス
波形の共振時にに、電圧Ｖ２はＶ２＝Ｖ＋Ｖ_D （式４）の値に達する。

【００４４】共振タンク回路（すなわち、ＬおよびＣ）
の動作特性により、この共振時のＶ２の大きさはダイオ
ードＤ１を順方向バイアスするのに充分である。ダイオ
ードＤ１が導電状態になると、これはＶ２をほぼ電源１
４の正電位の値（すなわち、Ｖまたは＋２５０ボルト）
にクランプする。ダイオードＤ１はまた、コンデンサＣ
１両端間の電圧を−Ｖ_Dにクランプする。一方、コンデ
ンサＣ２は素早くＶ＋Ｖ_Dに充電され、これにより電流
波形の共振区間（ＲＳ）が事実上、終わる。クランプの
瞬間に、インダクタ３６がランプのインピーダンスを通
るその放電を開始するので、指数関数区間（ＥＳ）が始
まる。これにより、図２および図３に示されるようなパ
ルス電流波形のパルス幅ＰＷ_dが完了する。放電期間を
通じてランプ１２は点灯したままになり、ほぼＰＷ_dま
たは（ＥＳ）の終わりに自然に消弧する。その時点で、
ランプを通る電圧および電流がプラズマ流を維持するの
に不充分になる。このときコンデンサＣ１およびＣ２は

【００４５】

【数７】

【００４６】となる。これにより、接続点２２および２
６の電位Ｖ２が設定され、パルスＰ２が発生したときの
ランプの再点弧にそなえる。Ｐ２がＳＷ２に印加された
とき、回路は今説明したのと同様に動作する。ただし、
ＳＷ２がターンオンされたとき、ランプ共振タンク回路
に負の電圧パルスＶが印加される点が異なっている。図
２でわかるように、時点ＴＰ２にランプが再点弧するこ
とにより、逆方向すなわち負方向にランプの電圧および
電流の波形が発生する。これにより、図２の下半分に示
された準共振双方向電流波形の１周期ＷＦ_pが完了す
る。

【００４７】本発明によれば、双方向電流動作にはラン
プ電極の寿命を伸ばすという明確な利点がある。これは
賦活電流が不要であるという事実による。賦活電流を用
いるランプでは、電流はランプの陰極素子と陽極素子と
の間を片方向に流れる。この片方向の一定の電流により
それらの素子が劣化することがわかる。本発明では、電
流はランプを通って双方向に流れる。したがって、ラン
プ電極相互の間の電流の方向が平均化される。その結
果、陽極を除去し、これを陰極または電極素子で置き換
えることができる。賦活電流回路の除去によって、より
低いコストで消費者にシステムが提供されるという利点
もある。

【００４８】前に述べたように、電流波パルスの各半サ
イクルの終わりにランプ１２が消弧する。この消弧によ
って効率が低下したり、ランプのフリッカが生じたりす
ることはない。というのは、パルスＰ１およびＰ２が充
分高い周波数で与えられるのでランプ温度が維持され、
また再点弧の間隔が短いので人間の目では識別できない
からである。

【００４９】上記の説明を考慮して、強化された色温度
と顕著なアーク安定性をともに与えるために適当な高調
波を含む準共振双方向電流波形でランプに給電するため
の方法および装置をどのように提供するかがわかる。パ
ルスＰ１およびＰ２を使用する双方向パルススイッチン
グは、強制電圧Ｖを持つ双方向パルスの発生を行う。こ
の強制電圧は、各パルスでランプを再点弧するように接
続されたクランプ制御共振タンク回路に印加される。タ
ンク回路は自然周波数で振動し、高調波を発生する。高
調波のいくつかはランプの音響共振ノードの外側にあ
り、他の高調波はそれらのノードと一致する。電圧パル
スに応動して、タンク回路は付勢されてランプ両端間に
電圧パルスを供給する。これにより、ランプを通して準
共振電流波形の発生が行われる。準共振波形は、ほぼそ
のピークの共振区間に狭帯域の高調波を含み、これらの
高調波は音響共振ノードの外側にあり、ランプ電極間の
アークの安定性に寄与する。電流波形はまた、その指数
関数区間に第二の、より広い帯域の高調波も含み、これ
らの高調波の少なくともいくつかは音響共振ノードと一
致する。ランプ両端間の電圧波形は規定されたピーク振
幅にクランプされ、したがって電流波形のピークがクラ
ンプされる。このクランプにより、タンク回路の共振機
能が事実上、停止する。

【００５０】クランプの結果、電流波形の指数関数区間
が開始する。これにより、タンク回路のインダクタがラ
ンプのインピーダンスを介して放電する。この放電によ
って、電流波形の指数関数的な減衰が生じ、第二の周波
数帯域の高調波の大きさが素早く抑圧される。この抑圧
により、ランプの音響共振ノードの励起が無くなり、ア
ークの不安定性が防止される。

【００５１】ランプを通る電流の双方向スイッチングに
より、最適準共振双方向電流波形（すなわち、変形され
た交流波形）が発生する。この波形は非常に狭い帯域内
にその高調波成分のかなりの部分を含み、その高調波成
分はランプ電極間のアークの安定性に寄与するので、色
温度の向上とランプの長寿命がともに得られる。ここに
開示した実施例は例示のためのものに過ぎず、特許請求
の範囲に規定された本発明の範囲内で種々の変形を行い
得ることは明らかであろう。たとえば、コンデンサＣ１
およびＣ２は、接続点２２と導線１６、１８のいずれか
一つとの間に並列に接続することができる。このような
並列接続に対する唯一の必要条件は、合計容量が図１に
示されたＣ１とＣ２の直列接続の合計容量から変わらな
いということである。開示された実施例では、容量は４
マイクロファラドである。各々２マイクロファラドの２
個の並列コンデンサを単一の４マイクロファラドのコン
デンサに置換できることは明らかである。

【００５２】上記のように一方のコンデンサＣ１または
Ｃ２が除去されたとき、回路は前に述べたのとほぼ同様
に動作する。しかし、ピーク電流のクランプと準共振双
方向パルス電流波形の共振区間の終了を確実に行うた
め、クランプダイオードＤ１およびＤ２は回路内に残っ
ていなければならない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるナトリウム蒸気ランプを安定化す
るためのパルス動作システムおよび回路の概略構成図で
ある。

【図２】図１で示された本発明の動作を理解するのに有
用な、パルス状双方向電圧信号およびパルス状準共振双
方向電流波形を示す波形図である。

【図３】図２の電流波形の高調波成分を示し、本発明の
動作原理の理解に有用な、図２の電流波形に対して実験
的に得られた電力スペクトルを示すスペクトル図であ
る。

【符号の説明】

１２高圧ナトリウムランプ１４直流電源２４，３４ランプ電極２８パルス発生器３６インダクタＣ１，Ｃ２コンデンサＤ１，Ｄ２クランプダイオードＰ１，Ｐ２制御パルスＳＷ１，ＳＷ２スイッチＶ強制電圧

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ランプを点弧させるために定格電力入力
でアークを発生するように間隔を置いて電極が配置され
ているエンベロープの中にナトリウムが充てんされてい
る種別の高圧金属蒸気ランプを動作させる方法に於い
て、（ａ）ほぼ上記定格電力入力で上記ランプに強制電圧
を供給するために所定の周波数、継続時間および大きさ
を持つ双方向電圧波形を上記ランプの電極に印加するこ
とにより上記ランプを付勢するステップ、（ｂ）上記双方向電圧波形に応動して上記ランプのた
めに規定された周波数で振動する準共振双方向電流波形
を作成するステップであって、上記準共振双方向電流波
形は、高調波成分が上記ランプのどの音響共振ノードよ
りも下にある第一群の大きさの大きい高調波、および高
調波成分が上記ランプの音響共振ノードと一致する第二
群の高調波を含んでいる準共振双方向電流波形作成ステ
ップ、および（ｃ）上記ランプの付勢に続く規定された時点に、上
記準共振双方向電流波形を速い立下がり時間で減衰させ
ることにより、第二帯域の高調波の大きさを素早く減少
させて、上記音響共振ノードの励起を抑圧し、これによ
り上記ランプ内のアークの不安定性を防止するステップ
を含むことを特徴とする、高圧金属蒸気ランプを動作さ
せる方法。
【請求項２】上記双方向電圧波形の周波数が約２００
ヘルツから約２キロヘルツの範囲にある請求項１記載の
方法。
【請求項３】上記双方向電圧波形のデューティサイク
ルが１０パーセントから５０パーセントの範囲にある請
求項１記載の方法。
【請求項４】上記第一群の高調波の帯域幅が上記ラン
プに関連する最低の音響周波数より低い所にある請求項
１記載の方法。
【請求項５】ランプを点弧させるために定格電力入力
でアークを発生するように間隔を置いて電極が配置され
ているエンベロープの中にナトリウムが充てんされてい
る種別の高圧金属蒸気ランプを動作させる方法に於い
て、（ａ）規定された周波数およびパルス継続時間のゲー
トパルスを発生するステップ、（ｂ）相次ぐ上記ゲートパルスに応動して、上記定格
電力入力で上記ランプに強制電圧を供給するための所定
の周波数、継続時間および大きさを持つスイッチングさ
れた双方向電圧波形を上記ランプの電極に印加すること
により、上記ランプを付勢するステップ、（ｃ）各々のスイッチングされた双方向電圧波形か
ら、規定された周波数で振動する上記ランプに対する準
共振双方向電流波形を作成するステップであって、上記
電流波形は、高調波成分が上記ランプのどの音響共振ノ
ードよりも下にある第一の帯域幅の第二群の高調波、お
よび高調波成分が上記ランプの音響共振ノードと一致す
る、上記第一の帯域幅の外側にある第二群の高調波を含
んでいる準共振双方向電流波形作成ステップ、および（ｄ）上記ランプの付勢に続く規定された時点に、上
記第二群の高調波の大きさを減少させるように、上記準
共振双方向電流波形を充分に短い継続時間の立下がり時
間で減衰させるステップを含むことを特徴とする、高圧
金属蒸気ランプを動作させる方法。
【請求項６】上記ゲートパルスの周波数が約２００ヘ
ルツから約２キロヘルツの範囲にある請求項５記載の方
法。
【請求項７】上記ゲートパルスのデューティサイクル
が１０パーセントから５０パーセントの範囲にある請求
項５記載の方法。
【請求項８】上記第一群の高調波の帯域幅が上記ラン
プに関連する最低の音響周波数より低い所にある請求項
５記載の方法。
【請求項９】上記準共振双方向電流波形の電流振幅
が、上記ランプの色温度をケルビン２８００度以上に上
昇させる大きさである請求項５記載の方法。
【請求項１０】ランプを点弧させるために定格電力入
力アークを発生して、その動作を持続するように間隔を
置いて電極が配置されているエンベロープの中にナトリ
ウムが充てんされている種別の高圧金属蒸気ランプを動
作させる回路に於いて、（ａ）規定された周波数およびパルス継続時間のゲー
トパルスを発生する手段、（ｂ）上記ゲートパルスに応動して、ほぼ上記定格電
力入力で上記ランプの電極間に双方向電圧波形を印加し
て、規定された周波数で振動する準共振双方向電流波形
を作成する回路であって、上記準共振双方向電流波形
は、高調波成分が上記ランプに関連するどの音響周波数
領域よりも外側にある第一群の高調波、および高調波成
分が上記ランプの上記の音響周波数領域と一致する第二
群の高調波を含んでいる準共振双方向電流波形作成回
路、および（ｃ）上記双方向電圧波形が規定された大きさに達し
たときに、上記第二群の高調波の大きさを減少させるよ
うに、上記準共振双方向電流波形を充分に短い継続時間
の立下がり時間で減衰させる手段を含むことを特徴とす
る、高圧金属蒸気ランプを動作させる回路。
【請求項１１】（ａ）ランプを点弧させるために定格
電力入力でアークを発生するように間隔を置いて電極が
配置されているエンベロープの中にナトリウムが充てん
されている種別の高圧金属蒸気ランプ、（ｂ）ゲートパ
ルスを発生するパルス発生器、（ｃ）ほぼ上記定格電力
入力で上記ランプに対する強制電圧を発生する直流電
源、（ｄ）上記直流電源の出力の両端間に接続されたス
イッチ手段であって、上記ゲートパルスに応動してほぼ
上記定格電力入力で上記ランプを点弧する双方向パルス
信号を出力に発生するスイッチ手段、（ｅ）上記ランプ
の第一の電極と上記直流電源の少なくとも一つの出力と
の間に接続された少なくとも一つのコンデンサ、（ｆ）
上記直流電源の出力両端間に接続され、更に上記ランプ
の第一の電極に接続されたクランプ手段、および（ｇ）
上記スイッチ手段の出力と上記ランプの第二の電極との
間に接続されたインダクタ手段を含む組み合わせであっ
て、上記の少なくとも一つのコンデンサと上記インダク
タ手段が共振タンク回路を構成し、該タンク回路は上記
スイッチ手段の出力に発生される双方向パルス信号に応
動して上記ランプを点弧する双方向電圧波形を供給する
ことにより、上記ランプを通る規定周波数で振動する準
共振双方向電流波形を発生し、上記準共振双方向電流波
形は、高調波成分が上記ランプのどの音響共振ノードよ
りも下にある第一の帯域幅の第一群の高調波、および高
調波成分が上記ランプの音響共振ノードと一致する、上
記第一の帯域幅の外側にある第二群の高調波を含んでお
り、上記クランプ手段は上記強制電圧にほぼ等しい規定
された大きさに双方向電圧信号をクランプすることによ
り、上記タンク回路の共振機能を事実上終了させて、上
記インダクタ手段から上記ランプを介して放電させ、こ
れにより上記第二群の高調波の大きさを減少させるよう
に上記準共振双方向電流波形が充分に短い継続時間の立
下がり時間で減衰することを特徴とする組み合わせ。
【請求項１２】上記ゲートパルスの周波数が約２００
ヘルツから約２キロヘルツの範囲にあり、上記ゲートパ
ルスのデューティサイクルが１０パーセントから５０パ
ーセントの範囲にある請求項１１記載の組み合わせ。