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調光型無電極蛍光ランプの研究
岡本 太志＊

Electrodeless Fluorescent Lamp with DimmingCapabilities
Futoshi Okamoto＊
Abstract
An electrodeless fluorescent lamps was developed which is dimmable to 5%. Smooth dimming wasachieved by rapid duty cycling in the lamp’s 13.56MHz RF power.Flicker-free illumination at all power levels
was achieved by simply modulating the duty ratio thanks to the lamp’s nearly instantaneous power-cycle
response when driven at 13.56MHz. Electrodeless fluorescent lamps feature an extremely long life since they do
not suffer from electrode wear, and rapid power switching response without the delays associated with electrodewarm-up and cooling. The high luminous intensity,rapid power switching response and dimming capabilities
provide versatility for illuminated signs and decorative illumination use.
Keywords：electrodeless fluorescent lamps, dimming, inverter circuit

１．はじめに能な他励式点灯回路において回路動作の考察及び調光実験を行い，良好な調光を得るための諸条件について検討を行った。

現在，照明用光源として白熱電球，蛍光ランプ，HIDランプ（High Intensity Discharge lamp）があるがそれぞれ一長一短がある。
２．無電極蛍光ランプ点灯回路
小型で安価な光源である白熱電球は効率が低く，また寿命も短い。この欠点を改善した蛍光ランプは， ２．１ 無電極蛍光ランプの等価回路
白熱電球に比べランプサイズが大きく，また点滅の無電極蛍光ランプは，誘導コイルに高周波高電圧繰返しには適していない。HIDランプは小型,高効率を印加することにより始動し，始動開始後は等価的であるが，点滅や調光に関しては蛍光ランプ以上ににはほぼ純抵抗とみなすことが出来る。誘導コイル問題をもつ。とランプ中の放電路との結合係数をｋ，放電路の抵
このような従来の光源に替わる新世代の光源とし抗，すなわちプラズマ抵抗をRp，誘導コイルの巻数て提案されたものに無電極ランプがある（1）〜（3）。無をnとすると，図1（a）の無電極蛍光ランプと誘導コ電極ランプは放電管内部に電極を持たないため，原イルは，n：1の空心トランスにRpなる抵抗が接続さ理的に長寿命が期待できる。また，電極予熱の必要れた図1（b）で等価的に表され，これを変形して図1がなく，瞬時始動，瞬時再始動が可能となり，点滅 （c）のように表すことが出来る（5）。
応答性に優れている。
更に， k ≒1のときには図1（d）に示すように，イ無電極蛍光ランプ点灯回路における出力制御,すなンピーダンスZLは等価抵抗Reと等価インダクタLeをわち調光を行う一手法として間欠発振を用いた方法並列接続したものに変換することができ，誘導コイがあり，自励式点灯回路で報告されている（4）。点灯
ルを含む無電極蛍光ランプの点灯中の等価回路は，周波数にISMバンドである13.56MHzを使用し，一定抵抗とインダクタを並列接続したものとなる（4）。
周波数動作となる他励式においては，この手法を含め調光例は報告されていない。
２．２ 点灯回路構成と回路動作
そこで本論文では，間欠発振方式を用いた調光可
図2は，他励式E級増幅回路による点灯回路である。

＊情報工学科

平成21年９月30日受理

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弓削商船高等専門学校 紀要 第32号（平成22年）

電源とスイッチ素子間にインダクタL1，出力端には整合回路，図1（d）の無電極蛍光ランプの等価回路が接続される。この回路の大きな特徴は，整合回路の定数を適切に設定することにより，スイッチ素子両端電圧の値が０になると同時にその傾きも０となり，それからスイッチ素子Q1に電流が流れ始める
ゼロ電圧スイッチ動作ができることである。これにより，理想的にはスイッチ素子でスイッチング損失が発生せず，高効率が達成できる（6）。
図3に動作波形を示す。Q1の導通期間によって，a，b，cのように図示している。各々の導通期間はa＞b＞cの関係にある。
導通期間a，b，cにおける出力電圧 V 0 ，ドレーン・ソース間電圧VDC，ドレーン電流IDを図示している。ｂモードは最適なE級動作である。この場合，スイッチ素子 Q 1のドレーン・ソース間電圧 V DCは，ターンオン付近でこう配d V DS /d t ＝０に近づき，VDC＝０となった時刻でスイッチ素子Q1がターンオンされる。スイッチ素子Q1はゼロで電圧，ゼロ電流スイッチングになる。
aモードは，ｂモードよりスイッチ素子 Q 1の導通期間を長くした準E級動作であり，スイッチ素子Q1が導通すると，コンデンサC1よりスイッチ素子Q1に突入電流が流れるためスイッチング損失が大きくなる。Cモードは，ｂモードよりスイッチ素子Q1の導通期間を短くした準E級動作であり，スイッチ素子Q1に印加される電圧が高くなる。
無電極蛍光ランプの出力電力を変えるために，周波数を変えることやスイッチ素子のデューティを変えることが考えられるが，10数MHzの周波数でのスイッチ素子のスイッチング特性から困難である。当然，最適E級動作を維持しながら出力電力を変えることは容易でない。
筆者は，図3のaモード，ｃモードの動作でなく，発振停止と最適E級動作であるbモードの繰り返しにより，回路は高効率動作となる間欠発振による調光方式を提案する。
３．無電極蛍光ランプ調光回路
３．１ 調光方式の比較
一般蛍光ランプのインバータ式点灯回路による調光手段には，種々の方式がある。表1に示すような直流電圧振幅制御，スイッチ素子の周波数制御及びデューティ制御などである。一般のインバータ式点灯回路のスイッチング周波数は、数十kHzであるので、前記各種の制御が可能である．しかしながら無電極蛍光ランプ点灯回路では，ISMバンドである13.56MHzの周波数を使用している。無電極蛍光ランプの調光手段を考えるとき，雑音対策の観点及びQ㸸R

R=//㸮/

=L5䡌/DPS
6N

6DE

N㸰 L0RR=L㹬 5 㹮N/

=L65㹣/㹣6GF

図1 点灯時における誘導コイルと無電極蛍光ランプの等価回路

㹇LQ/(LQ㹧

/&

9'6&

4,'&

R

L5/H

5H 9V
図2 他励式E級増幅回路

DEF212))

4

DEF

9F ED(9'6F

DE

L'W

W

W

図3 他励式E級増幅回路における理想動作波形

調光型無電極蛍光ランプの研究（岡本）最適動作条件から周波数は固定することが前提となる。
この場合，スイッチ素子の周波数制御，オン時間比（またはデューティ比）制御は，スイッチ素子のスイッチング応答スピードの点から図3で述べた最適動作に設計することは困難となる。また直流電圧振幅制御は調光下限を小さくできない。

表1 調光方式の比較'LPPLQJPHWKRG

3ULQFLSOH
RIGLPPLQJ㻯㼛㼚㼠㼕㼚㼡㼛㼡㼟㼐㼕㼙㼙㼕㼚㼓㻌

㻯㼕㼞㼏㼡㼕䡐㼚㼛㼠㻌㼘㼛㼣㼑㼞㻌㼘㼕㼙㼕㼠㻌㼛㼒㼐㼕㼙㼙㼕㼚㼓㻰㻯㼂㼛㼘㼠㼍㼓㼑
㼏㼛㼚㼠㼞㼛㼘

㻲㼞㼑㼝㼡㼑㼚㼏䡕㼏㼛㼚㼠㼞㼛㼘

㼟㼣㼕㼠㼏㼔
㼑㼘㼑㼙㼑㼚㼠
㼐㼡㼠㼥㻌㼏㼛㼚㼠㼞㼛㼘㻌I1(0,㼀㼛㼠㼍㼘㼑㼢㼍㼘㼡㼍㼠㼕㼛㼚㻌

I2㼚㼛㼠㻌㼡㼟㼑㻵㻿㻹㻌㼎㼍㼚㼐㻌㻿㼣㼕㼠㼏㼔
㼑㼘㼑㼙㼑㼚㼠㻌
㼛㼚㻙㼐㼡㼠㼥

㼕㼚㼠㼑㼞㼙㼕㼠㼠㼑㼚㼠㼛㼟㼕㼘㼘㼍㼠㼛㼞㼏㼛㼚㼠㼞㼛㼘

３．２ ランプの点滅応答性の比較
図4は電源を印加した後の蛍光ランプ，白熱電球，無電極蛍光ランプの光出力の立ち上がり特性の比較を示す。無電極蛍光ランプは電極がないために，他の光源に比べて点滅応答性に優れている。これによりランプ電力を簡欠的に供給して，ランプ電力の可変が可能となる。
筆者は，無電極蛍光ランプの早い点滅応答性に着目してランプ電力を間欠的に供給し，その発振期間を変化させることで，ランプ電力可変とする方法を採用した。
３．３ 調光回路
図5に調光型無電極蛍光ランプ点灯回路のブロック図を示す。スイッチ素子 Q 2によって，発振回路，駆動回路の信号を間欠的に断続させて主回路へ供給する。例えば，スイッチ素子Q2がオンすると駆動回路の信号は短絡され主回路へ供給できなくなる。ス
イッチ素子Q2は，調光制御回路によって制御される。
スイッチ素子Q2の間欠動作に関係なく，発振回路は連続発振しているので，スイッチ素子Q2が不導通になると主回路にスピーディに発振回路，駆動回路の出力電圧を伝達できる。
図6に具体的な調光型無電極蛍光ランプ点灯回路

105を示す。フォトカプラによって調光制御信号と点灯回路は絶縁されている。調光制御信号が供給されない場合は全点灯となる。
図7に調光時における各部理想動作波形を示す。
発振回路は，無電極蛍光ランプを放電発光させる
ことに適した高周波信号を得るように構成され，VOSCに示すような高周波電圧を出力する。調光制御
信号の出力発生期間（ t on）と停止期間（ t off）をほぼ一定の周期（TS）にて制御できるように構成され，Vsigに示すような調光制御信号にて駆動回路部を制御する。調光制御信号が Highレベル のときスイッチ素子Q2はオンし，前期Ｅ級増幅回路は発振停止する。逆に Lowレベル のときスイッチ素子Q2はオフし，前期Ｅ級増幅回路は発振する。したがって，調光制御信号，調光制御回路にて駆動回路部の動作を継続制御することで，Vcoilに示すような高周波電圧波形を時分割し，この断続した出力を誘導コイルに供給する。ここで調光比は次のように定義する。
調光比＝（調光時照度）／（最大照度）×100〔％〕
ここで最大照度とは，全点灯時における照度である。
また，調光比の下限，すなわち調光下限を用いて調光範囲の広さを表すこととする。調光制御信号のオン時間比Don（ton/Ts）あるいはオフ時間比Doff（toff/Ts）
を自由設定することにより，光出力を自由に調整できる。例えば，オン時間比 D onを大きく，オフ時間
比 D offを小さくすると放電発光されない期間が長くなり，減光（調光）される。すなわち調光比は小さ

図4

各光源における光出力の応答性

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くなる。安定点灯が可能で調光下限となる D offの限界値をDoff-minとする。

2VFLOODWRUFLUFXLWVLJQDOIRU
GLPPLQJ

４．良好な調光を得るための技術的要件'ULYH
FLUFXLW‫ۑ‬&RQWURO&LUFXLW
IRUGLPPLQJ㹏㸰㹏㸯'&VXSSO\IRU
PDLQFLUFXLW

図5

PDLQFLUFXLW
&ODVV(調光型無電極蛍光ランプ点灯回路のブロック図

㹇in/'&/supply(in㻻㼟㼏㼕㼘㼘㼍㼠㼛㼞㼏㼕㼞㼏㼡㼕㼠㻌㻰㼞㼕㼢㼑㼏㼕㼞㼏㼡㼕㼠㻌&㻱㼘㼑㼏㼠㼞㼛㼐㼑㼘㼑㼟㼟㼘㼍㼙㼜

9coil㹏㹏㼏㼛㼕㼘㼘&㸯

9gs

9RVF

&

3KWR FRSSOHU

㹔sig㻯㼘㼍㼟㼟㻙㻱㼔㼍㼘㼒㻙㼎㼞㼕㼐㼓㼑㼕㼚㼢㼑㼞㼠㼑㼞㻯㼛㼚㼠㼞㼛㼘㼏㼕㼞㼏㼡㼕㼠㻌㼒㼛㼞㻌㼐㼕㼙㼙㼕㼚㼓㻹㼍㼠㼏㼔㼕㼚㼓㼏㼕㼞㼏㼡㼕㼠

6LJQDOIRU
GLPPLQJ

図6

調光型無電極蛍光ランプ点灯回路

䜸䞁䝕䝳䞊䝔䜱
'RQ WRQ7V

㹒s㼂㼛㼘㼠㼍㼓㼑㹏RQ

㹏RII㹲on㹲off䜸䝣䝕䝳䞊䝔䜱
'RII WRII7V

㹲RQ
9VLJ

IF=120HzIV 13.56MHz

9RVF
㹲G

㹲

9JV

㹲E
9FRLO

㹲V

図7

調光時における各部理想動作波形

４．１ 間欠発振周波数の選択
図7の誘導コイルに電圧が印加される期間T≒ts+tb（調光制御信号の期間toffにほぼ等しい）を小さくしていくと,放電が不安定となる。
この不安定な領域は間欠発振制御の周波数とは無関係にほぼ一定である。
誘導コイルに電圧が印加される期間Tと周波数 fcとすると,安定点灯が可能な調光下限となるオフ時間
比Doff−minは式（1）で表される。
Doff−min≒fc×T×100〔％〕（1）
ここで，オフ時間比 D off（ t off / T s ）とオン時間比Don（ton/Ts）とは，Doff＝Donの関係にある。調光制
御信号の周波数fcと安定点灯が可能な調光下限となるオフ時間比Doff-minの関係を示すと，図8のようになる。
このため調光制御信号の周波数を低く選ぶことにより調光下限を小さく設定することが可能となる。
一方，調光制御信号の周波数が低いと，光出力は，この周波数と同期して間欠となるのでフリッカが問題となる。筆者は，間欠発振周期は，目で見てフリッカを感じないという点，及び安定した調光が可能という点より120Hzとした。
４．２ 無負荷電圧の設定
図6に示す整合回路のコンデンサ C 2 を変化させて誘導コイル印加されるランプ始動時無負荷電圧
V0-coil（０−ピーク値，以下同様）をランプ安定時及びゼロ電圧スイッチングが可能な範囲で変化させ，調光実験を行った結果を図9に示す。
図9より，無負荷電圧が500Vを境に，それ以下になると急激に調光下限が上昇し，調光範囲が狭くなるが，それ以上の無負荷電圧において調光下限に変化はないことがわかる。つまり500V以上の無負荷電圧があれば調光範囲に差がないことがわかる。
４．３ 調光制御回路の応答性
調光範囲は，調光制御回路の応答性に依存する。
調光制御回路の応答性に影響を与える因子として次の三つが上げられる。
（1）起動遅れ時間t0：発振開始信号入力後、実際に発振が開始するまでの期間（2）停止遅れ時間td：発振停止信号入力後、実際に発振が停止するまでの期間（3）再点弧時間ts：発振開始後、アーク放電に移行する前のグロー放電期間

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調光型無電極蛍光ランプの研究（岡本）㼒㼘㼕㼏㼗㼑㼞㼛㼒㼒㻌㼐㼡㼠㼥㻌㼞㼍㼠㼕㼛㻌㻌㻰㼛㼒㼒 䠄䠂䠅㼂㼛㻙㼏㼛㼕㼘 㻩㻡㻜㻜㼂'RIIPLQ IF7㻵㼙㼜㼛㼟㼟㼕㼎㼘㼑㼐㼕㼙㼙㼕㼚㼓㻌

GLPPLQJVLJQDOIUHTXHQF\IF +]

図8

また，再点弧時間Tsは，調光時における点灯期間にも依存し，発振停止（消灯）期間の短い調光上限付
近では十分短く無視できる。図６に示すように他励式点灯回路で，しかも，発振回路は常に動作しており駆動回路の出力を継続している本方式では，上記
t 0， t dは無視できる。今回の実験では調光上限はほぼ100％となる。
一方，調光下限は，最小点灯期間を表す停止遅れ
時間 t dに依存するとともに，再点弧時間 t sと相関関係があるため，任意の係数αを乗じて式（3）で表されると考えられる。
調光下限=〔td+αts〕／Ts×100〔％〕

調光制御信号の周波数とオフ時間比Doffの関係

ここで，tdは無視できるので式（3）は式（4）で表される。
調光下限=αts／Ts×100〔％〕



（4）

調光下限についてはtsとの相関が大きい。

㻸㼛㼣㼑㼞㻌㼘㼕㼙㼕㼠㻌㼛㼒㻌㼐㼕㼙㼙㼕㼚㼓㻌㼞㼍㼠㼑㻌㻔㻑㻕（3）

５．調光特性

図10は再点弧時間tsとフリッカが確認できるまでの調光制御信号のデューティの限界値を示す。フリッカが確認できるまでのデューティを絞り，調光の限界を調べたところ，再点弧時間が小さいほど，調光下限を小さくできることがわかった。図10は周囲温度25℃での値である。
図11は再点弧時間 t s＝0.170ｍsとした場合のデューティを可変したときの調光特性を示す。5〜100％の調光が可能となった。
また応用事例として，カラー無電極蛍光ランプ赤

㻯㼛㼕㼘㻌㼢㼛㼘㼠㼍㼓㼑㻌㼍㼠㻌㼚㼛㻙㼘㼛㼍㼐㻌㼂㻜㻙㼏㼛㼕㼘 㻔㼂㻕㻔㼆㼑㼞㼛㻙㼜㼑㼍㼗㻕

図9

無負荷電圧と調光下限の関係
࿘ᅖ ᗘ㸸Υ࿘ᅖ ᗘ㸸 Υ࿘ᅖ ᗘ㸸 Υ㼛㼚㻌㼐㼡㼠㼥㻌㼞㼍㼠㼕㼛㻌㼒㼛㼞㻌㼐㼕㼙㼙㼕㼚㼓㻌㻔㻑㻕㻌

各時間のうち，起動遅れ時間 t 0，停止遅れ時間 t dは調光制御回路の応答性に直接依存する値である。
また再点弧時間tsは再点灯のしづらさを示す値である。これらの値を用いて調光可能な範囲の上限と下限を考察する。またtbはアーク放電の期間を示している。
調光制御信号の周期をTsとすると，調光時における最大点灯期間は，調光時における最大点灯期間は，調光制御信号の周期Tsから起動遅れ時間t0と停止遅れ時間tdを引いた時間で表されるために，調光上限は式（2）により示すことができる。



Υ
Υ



㺎Υ














㼟㼠㼞㼕㼗㼕㼚㼓㻌㼠㼕㼙㼑㻦㻌㼠 㼟 㻔㼙㼟㻕

調光上限=〔Ts−（t0+td）〕／Ts×100〔％〕（2）

図10 再点弧時間とフリッカ発生限界となる調光制御信号のオン時間比Donの関係

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弓削商船高等専門学校 紀要 第32号（平成22年）（R），緑（G），青（B）の３種類を用いた調色照明
システムへの応用例がある。赤（R），緑（G），青（B）のランプ光量を決められた割合で混合し，任意の色温度を高精度に再現することができる。
色温度，照度のきめ細やかな連続変化が可能となり，例えば，橋脚などのイルミネーションほか多種多様な用途に応用展開が期待できる。

㼛㼚㻌㼐㼡㼠㼥㻌㼞㼍㼠㼕㼛㻌㻰㼛㼚㻌㻦 㻡㻑䊻 㻝㻜㻜㻑㼛㼚㻌㼐㼡㼠㼥㻌㼞㼍㼠㼕㼛㻌㻰㼛㼚㻌㻦㻝㻜㻜㻑䊻 㻡㻑࿘ᅖᗘ䠖 㻞㻡䉝㼐㼕㼙㼙㼕㼚㼓㻌㼞㼍㼠㼑㻌㻔㻑㻕㼛㼚㻌㼐㼡㼠㼥㻌㼞㼍㼠㼕㼛㻌㻰㼛㼚㻌㻔㻑㻕㻌

図11 調光制御信号のオン時間比Donと調光比の関係

６．むすび
無電極蛍光ランプの調光方法は，使用する周波数が13.56MHz（ISMバンド）の高周波数であるのでスイッチ素子のスイッチング制御が困難である点,E級増幅回路の最適条件の繰り返しでスイッチング損失が小さい点，およびランプの点滅応答性が速い点により，ランプ電力を間欠的に供給する間欠発振方式が適している。この場合,無負荷電圧，祭点弧時間が重要であることが明らかになった。
無電極蛍光ランプは長寿命により，メンテナンスが困難な場所への用途に適している。更に調光機能を付加することにより省電力となり，用途拡大が図れることが期待できる。
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