JP5743201B2 - キセノンランプ点灯装置、キセノンランプの点灯方法、及び擬似太陽光照射装置 - Google Patents

Description

本発明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及びキセノンランプの点灯方法に関する。

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（以下、「ランプ」という）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。

擬似太陽光照射装置では、例えば、発光長が１０００ｍｍ以上のランプが用いられ、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。例えば、特許文献１にはランプ電流が定電流制御されるものが開示されている。

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となる。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。

特開２００９−２８３８４６号公報

ところで、太陽電池パネルなどの被照射体に擬似太陽光を照射する際に正確な太陽電池パネルの特性を測定するために、擬似太陽光は点灯毎、常に同程度の照度となるのが望ましい。しかし、実際には点灯を何回か行うと、突然高い照度が出ることがある。これは、キセノンランプのランプ電圧が安定しないことに起因している。図８に従来の点灯毎のランプ電圧を示す。同図からも分かるように、ランプ電圧が他と比べ高くなっている部分が観測される。ランプは定電流で点灯させるため、ランプ電圧が高ければ、それだけ投入される電力も増え、結果的に照度が高くなってしまう。擬似太陽光の照度が測定毎に変化すると、太陽電池パネルの特性測定精度も悪くなり、さらに複数のキセノンランプを設置し、同時に点灯することで広範囲を照射するような装置では、個々の照度に差があったのでは、均一な光を得ることができなくなってしまう。

そこで、本発明は、上記のようなランプの特性を考慮してランプ電流制御を行うことによって、点灯毎の照度が安定したキセノンランプ点灯装置及び点灯方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の側面は、充電回路（２００）及び充電回路の充電電圧を電源としてキセノンランプに電流を投入する電流制御回路（３００）を備えたキセノンランプ点灯装置である。電流制御回路は、ランプ点灯開始後の第一の期間では定常出力ランプ電流よりも高い電流値の高出力ランプ電流を定電流制御して前記キセノンランプに投入し、第一の期間後の第二の期間では定常出力ランプ電流を定電流制御してキセノンランプに投入するように構成される。

本発明の第２の側面は、充電回路（２００）の充電電圧を電源としてキセノンランプに電流を投入する電流制御回路（３００）を備えるキセノンランプ点灯装置を用いたキセノンランプの点灯方法である。この点灯方法は、電流制御回路によって、ランプ点灯開始後の第一の期間において、定常出力ランプ電流よりも高い電流値の高出力ランプ電流を定電流制御して前記キセノンランプに投入するステップ、及び第一の期間後の第二の期間において、定常出力ランプ電流を定電流制御して前記キセノンランプに投入するステップを備える。

本発明の第３の側面は、上記第１の側面のキセノンランプ点灯装置、キセノンランプ点灯装置に接続されるキセノンランプ、及びキセノンランプが内部に設置される筐体を備えた擬似太陽光照射装置である。

本発明のキセノンランプ点灯装置を示す図である。 従来のキセノンランプの電極状態を示す図である。 従来のキセノンランプの電極状態を示す図である。 本発明のキセノンランプの電極状態を示す図である。 本発明の電流波形を説明する図である。 本発明の実施例の電流波形を説明する図である。 本発明の点灯毎ランプ電圧値を示す図である。 本発明の紫外線照射装置を示す図である。 従来のランプ電流波形を示す図である。 従来の点灯毎ランプ電圧値を示す図である。

図１に本発明の実施例で使用するキセノンランプ点灯装置を示す。点灯装置では、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。充電回路２００へ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は所定の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、ランプ点灯指令に応じて電流制御回路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、点灯指令を受けて、電流検出抵抗２０によって検出されるランプ電流に比例する電圧信号（検出電圧）と、ランプ電流設定値に比例するＣＰＵ２６からの可変の電圧信号が誤差増幅器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の直流点灯がランプ電流設定値に従って定電流制御される。なお、ＣＰＵ２６は電流制御回路３００の内部にあっても外部にあってもよい。

図１の点灯装置のハードウェア部分は一般的なものであるが、本発明の実施例では、電流制御回路３００により出力されるランプ電流波形が、図７に示す従来の波形とは異なる。

まず、図７に示す従来（定常出力ランプ電流で一定）のランプ電流波形を用いた場合に、点灯毎にランプ電圧が安定しない原因は次のように推測される。
図２Ａ−２Ｃにランプ２５の陰極の電極形状を示す。電極は円柱状になっており、パルス電圧が印加されランプ２５の絶縁破壊が起こり、グロー放電が開始されると、熱容量の小さい円柱の端部分の温度がまず上昇する（図中の斜線で塗り潰してある箇所で、温度が上昇していることを示す）。そのためこの部分から電子が放出し易くなり、順次アーク放電へ移行する。電極が円柱状であるため、熱容量の小さい端部分は電極の先端と根元に存在し、図２Ａのように放電が電極の先端でのみ行われればよいが、仮に図２Ｂのように根元で行われるとその分全体のアーク長が伸び、結果としてランプ電圧が高くなってしまう。

本来、アーク放電はそのアーク長が最も短くなるように行われるので、長い時間電流を流し続ければ電極全体の温度が上昇し、アーク長が最も短くなる電極先端へ放電箇所が移動していくことになる。しかし、実使用における繰返し点灯においては、１回の点灯あたり数十ｍＳｅｃから数百ｍＳｅｃという短い時間しか放電されないので、熱容量の小さい円柱の端部分しか温度が上昇せず、そこからアーク放電が行われやすくなる。

そこで、本発明では、絶縁破壊してランプ始動をしてから、通常（即ち、擬似太陽光照射による測定のための定常点灯状態、以下同じ）よりも高い電流を所定期間流すことで、図２Ｃのように電極全体の温度を素早く上昇させる。即ち、ランプ点灯開始後の第一の期間では定常出力ランプ電流よりも高い電流値の高出力ランプ電流を定電流制御してランプに投入して、点灯開始後の短い時間で電極全体の温度上昇を促進する。こうすることで、毎回、最もアーク長が短くなる電極先端から放電が行われ、点灯毎でランプ電圧が安定することになる。

図３に本発明のランプ電流波形を示す。縦軸はランプ電流値、横軸はランプ点灯時間を表している。ランプが絶縁破壊し点灯を開始してから、図中のＴＨに相当する第一の期間では、通常よりも高いランプ電流値ＩＨでランプを高出力点灯させる。図中のＴＬに相当する第二の期間では、通常のランプ電流値ＩＬでランプを定常点灯させる。高出力ランプ電流の電流値と、それを流す期間は、実験的に求めればよい。なお、ランプ始動直後にあるノイズ状の部分は、主にコンデンサ１９によるラッシュ電流であり、この間、電流制御は行われない。

より具体的には、電流制御回路３００において、ＣＰＵ２６が誤差増幅器２２（−端子）に、第一の期間ＴＨでは高出力点灯用のランプ電流設定値を入力し、第二の期間ＴＬでは定常点灯用のランプ電流設定値を入力する。

＜実施例＞
本発明のランプ電流波形を用いてランプ電圧の安定性を確認した。なお、回路構成図は上述した図１と同じである。図５が実験で使用した本発明のランプ電流波形である。定常点灯期間は１１４ｍＳｅｃ、定常点灯時のランプ電流値は４０Ａとし、本発明の特徴である、始動初期の高出力ランプ電流を流す期間を６ｍＳｅｃ、その電流値を７５Ａとした。

図５に、本発明の実施例によるランプ電流波形（図３）を用いた場合の点灯毎のランプ電圧変化を、図８に、従来例によるランプ電流波形（図７）を用いた場合の点灯毎のランプ電圧変化を示す。図５の本発明実施例では、図８の従来例に比べて、ランプ電圧が高くなる箇所は見られず、高い安定性が得られていることが分かる。

上記実験の結果、本発明の電流波形を用いることで、点灯毎にランプ電圧が安定することが分かった。これにより、ランプ電圧の不安定性に起因する照度の不安定性も解消され、点灯毎の照度を安定させることができるキセノンランプ点灯装置及び点灯方法を提供することができる。

図６に本発明の擬似太陽光照射装置を示す。擬似太陽光照射装置は、コントローラ５０、コントローラ５０によって動作が制御される上記のキセノンランプ点灯装置５１、キセノンランプ点灯装置５１に配線（不図示）を介して接続されるキセノンランプ２５、及びキセノンランプ２５が内部に設置される筐体６０を備える。筐体６０内でキセノンランプ２５に対向配置される太陽電池セル７０に対して照射が行われる。上記のキセノンランプ点灯装置５１を備えたことにより、点灯毎の照度が安定した擬似太陽光照射装置を得ることができる。

なお、第一の期間（ＴＨ）では、高出力点灯用の電流設定値（誤差増幅器２２の−入力）を目標値として定電流制御する結果として、実際のランプ電流が一定となることが望ましいが、制御の応答性や回路の時定数の影響から、実際のランプ電流が一定とならない場合もあり得る。しかし、このような場合も定電流制御に含まれるものとする。
また、上記実施例では、ランプ電流波形を高出力ランプ電流（ＩＨ）と定常出力ランプ電流（ＩＬ）の２段階で構成したが、３段以上であってもよいし、高出力ランプ電流から定常出力ランプ電流への移行を連続的にしてもよい。

なお、上記実施例では、定電流制御の場合を説明したが、本発明は定電力制御の場合にも適用できる。定電力制御の場合においてもランプ電圧が不安定であると制御遅れなどにより、ランプ電力に変動が現れる可能性がある。その場合は照度にも変動が現れることになるので、その照度の変動を抑制する対策として本発明が有効となる。
具体的には、電流制御回路３００が、ランプ電圧検出回路（不図示）、及びランプ電圧検出回路による検出電圧と電流検出抵抗２０による検出電流（検出電圧）を乗算する乗算器（不図示）を備える構成とすればよい。そして、乗算器の出力（即ち、ランプ電力）が誤差増幅器２２（＋端子）に入力され、ランプ電力設定値に比例するＣＰＵ２６からの可変の電圧信号が誤差増幅器２２（−端子）に入力され、両入力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制御されるようにすればよい。これにより、コンデンサ１３を電源とするランプ２５の直流点灯がランプ電力設定値に従って定電力制御される。そして、電流制御回路３００において、ＣＰＵ２６が誤差増幅器２２（−端子）に、第一の期間ＴＨでは高出力点灯用のランプ電力設定値を入力し、第二の期間ＴＬでは定常点灯用のランプ電力設定値を入力するようにすればよい。

１６．半導体スイッチ
１７．ダイオード
１８．コイル
１９．コンデンサ
２０．検出抵抗
２１．ＰＷＭ制御回路
２２．誤差増幅器
２５．キセノンランプ（ランプ）
２６．ＣＰＵ（制御部）
５１．キセノンランプ点灯装置
６０．筐体
１００．直流電源回路
２００．充電回路
３００．電流制御回路

Claims (3)

1. 充電回路（２００）及び該充電回路の充電電圧を電源としてキセノンランプに直流電流を投入する電流制御回路（３００）を備えた、擬似太陽光を短時間照射するためのキセノンランプ点灯装置であって、
   前記電流制御回路が、点灯毎に、ランプ点灯開始後の第一の期間では定常出力ランプ電流よりも高い電流値の高出力ランプ電流を定電流制御して前記キセノンランプに投入し、該第一の期間後の第二の期間では該定常出力ランプ電流を定電流制御して該キセノンランプに投入するように構成されたキセノンランプ点灯装置。
2. 充電回路（２００）の充電電圧を電源としてキセノンランプに直流電流を投入する電流制御回路（３００）を備えるキセノンランプ点灯装置を用いた、擬似太陽光を短時間照射するためのキセノンランプの点灯方法であって、
   前記電流制御回路が、点灯毎に、
   ランプ点灯開始後の第一の期間において、定常出力ランプ電流よりも高い電流値の高出力ランプ電流を定電流制御して前記キセノンランプに投入するステップ、及び
   前記第一の期間後の第二の期間において、前記定常出力ランプ電流を定電流制御して前記キセノンランプに投入するステップ
   を備える点灯方法。
3. 請求項１に記載のキセノンランプ点灯装置、該キセノンランプ点灯装置に接続される前記キセノンランプ、及び該キセノンランプが内部に設置される筐体を備えた擬似太陽光照射装置。

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