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無電極ランプ点灯回路に関する研究
岡本 太志＊An Electronic Ballast for Electrodeless Fluorescent
Lamps
Futoshi Okamoto＊
Abstract
We experimentally investigated an electronic ballast for electrodeless fluorescent lamps operated at 150,200, and 400 kHz in order to achieve high efficiency, low cost, and low EMI. An efficiency of around 96% wasobtained, and the EMI at 200 kHz was lower than that at 2.65 MHz. The EMI from lamps with the coil inside
was lower than from those with the coil outside at the same driving frequency.
Keywords : Electrodeless fluorescent lamp, Electronic ballast, Halfbridge inverter, Radiated noise

１．はじめに長寿命，省メンテナンスを特徴とする無電極ランプにおいて，誘導コイル外巻型ランプの点灯回路には，これまで国際的なISMバンド（工業用：Industrial，科学用：Scientific，医療用：Medical）である13.56MHzの駆動周波数が用いられてきた１）。
回路方式としてはハードスイッチングのC級増幅回路から零電圧スイッチングのE級インバータ等へと高効率化が図られているが，10MHz超の高周波動作に伴う電力損失や部品・回路コストの増加は避けられないのが現状である。一方，誘導コイル内装型の無電極ランプに関しては，2.5MHz程度の動作周波数を用いた点灯回路が実用化されているが２），ノイズ規制等の面から，点灯周波数の更なる低周波化が望まれる。
そこで本論文では，低周波点灯可能な無電極ランプを開発し，点灯回路の高効率化，低コスト化および低ノイズ化を図るため，数100kHzの点灯周波数における零電圧スイッチングハーフブリッジインバータを用いた無電極ランプ点灯実験と解析を行い，その諸特性の検討を行う３）。の赤道部に接するように巻かれた誘導コイル外巻型である。
今回開発した低周波点灯可能な無電極ランプの具体的な構造を図２に示す。低周波化に際して，誘導コイルの巻数を最適化している。

２．無電極ランプの構造
無電極ランプの構造を図１に示す。（a）は磁心を有する誘導コイルがランプ内部に収納された誘導コ
イル内装型，（b）は空心の誘導コイルがランプ外側＊情報工学科

図1 無電極ランプの一般的構造（a）コイル内装型，（b）コイル外巻型
平成19年９月28日受理

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図3

図2

無電極ランプの具体化構造

無電極ランプの概要を以下に記す。
（1）バルブ形状：高さ：163mm，外径110mm（2）キャビティー：高さ：145mm，外径：28mm（3）アマルガム：有り（4）コイル：145μH，フェライトコアの周りにリッツ線で40ターン（5）フェライトコア：Mn-Zn，高さ107mm，外径24mm（6）定格出力：50W（7）駆動周波数：450kHz以下零電圧スイッチング無電極ランプ点灯回路

３．２ 等価回路
無電極ランプは，誘導コイルに高周波高電圧を印加することにより始動し，放電開始後は等価的にはほぼ純抵抗とみなすことができる。誘導コイルと放電路との結合係数をｋ，放電路の抵抗，即ちプラズ
マ抵抗をRp，誘導コイルの巻数をｎとすると，無電極ランプと誘導コイルは，等価的に n：１の空心トランスにRpなる抵抗が接続されたものとして表わすことができる４）５）。さらに，誘導コイルの両端b-c間のインピーダンスZLを，抵抗RとインダクタLrを並列接続したものに変換すると無電極ランプ点灯時における等価回路は図４で与えられ６），スイッチン
グ角周波数をωsとして次式のように示される。

㪩 = 㪩㪈 +t 㫊㪉 㪣㪈㪉㪩㪈㩷 㩷 㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㩿㪈㪀㩷㪩㪈㩷 㩷 㩷㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㩿㪉㪀㩷t 㫊㪉 㪣㪈2

㪣㫉 = 㪣㪈 +但し㪉

３．無電極ランプ点灯回路
３．１ 点灯回路構成
今回検討した無電極ランプ点灯回路の基本回路を図３に示す。本回路はランプの誘導コイルL0に並列に接続したキャパシタと，それに直列に接続したインダクタとで直列共振回路を構成するハーフブリッジインバータである。無電極ランプ始動時には共振回路によりランプ始動電圧以上の高周波高電圧を誘導コイルの両端に印加し，無電極ランプを始動させる。始動後はランプのインピーダンスが大きく変化し，電圧・電流の振幅が減少するため，回路素子に過大な電流・電圧ストレスがかかることなく無電極ランプの定格電力による安定点灯が行われる。

㪩㪈 =( 㫂㫅 )㪉 㪩 㫇 㫂 㪋 t㫊 㪣㪇㪉㩷 㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㩿㪊㪀㩷㩷( 㫂㫅 )㪋 㪩 㫇 㪉 + 㫂 㪋 t㫊 㪉 㪣㪉㪇㩷 㪣㪈 =( 㫂㫅 )㪋 㪩 㫇 㪉 㫂 㪉 㪣㪇+ (㪈 < 㫂 㪉 )㪣㪇 㩷 㩷 㵺㵺㵺㵺䋨㪋䋩㩷( 㫂㫅 )㪋 㪩 㫇 㪉 + 㫂 㪋 t 㫊 㪉 㪣㪇㪉である。

図4

無電極ランプ点灯時における等価回路

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無電極ランプ点灯回路に関する研究（岡本）３．３ 基本動作
無電極ランプ点灯回路の放電開始前における共振回路部全体のリアクタンスXは，並列共振周波数 fox付近で急激に大きくなり，直列共振周波数 f rxで０になる。ここで，共振回路の並列共振周波数 f oxと直列共振周波数 frxは，㪽 㪇㫏 =㪈㪈㩷 㩷 㩷 㩷 㩷㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㩷 㩿㪌㪀㩷㪉 / 㪚㪣㪇㪽 㫉㫏 =㪈 㪈⎛㪈㪈⎞⎜⎜ + ⎟⎟ 㩷 㩷㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㩷㩷㩿㪍㪀㩷㪉/ 㪚 ⎝ 㪣㪇 㪣 ⎠frx=218.4kHz,Zx=649.5Ω,fr=218.6kHz,これらの回路定数を用いた場合の解析による放電開始前と放電開始後の無電極ランプ点灯時における回路の誘導コイルを流れる電流 i0，誘導コイル間電圧 v0および共振電流 i の各解析波形をそれぞれ図５に示す。と表される。また，放電開始後のランプ点灯時における並列共振周波数 foと直列共振周波数 frは，

㪽㪇 =㪈㪈㪈<㩷 㩷 㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㩿㪎㪀㩷㪉/ 㪚㪣㫉 (㪉㪚㪩 )㪉

㪽㫉 =㪈 㪈 ⎛ 㪈 㪈⎞㪈㩷 㩷㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㩿㪏㪀㩷⎜ + ⎟<㪉/ 㪚 ⎝ 㪣㫉 㪣 ⎠ (㪉㪚㪩 )㪉と求められる。
本回路においてスイッチング周波数 fsは直列共振周波数frより高く設定する。よって負荷は誘導性インピーダンスとなるため，両スイッチがオフとなる
デッドタイム期間中も蓄積されたリアクトルエネル
ギーにより共振電流 i が流れ続ける。この電流によりスイッチの寄生容量Cds1，Cds2の充放電を行ない零電圧スイッチングを実現する。
３．４ 回路設計
文献６における解析式を基に，今回実験に用いたランプの定格出力50Wを得るための設計例を記す。
まずスイッチング周波数を223kHzとする。誘導コ
イルL0はランプ内側に収納されているフェライトコ
アの周りにリッツ線で40ターン巻き，n=40とすると，測定により，L0＝155μHとなる。また，誘導コイルとプラズマの結合係数ｋ，プラズマ等価抵抗 Rpをそれぞれｋ＝0.9，Rp＝0.55Ωとすると式（1），式（2）で表されるRとLrは，R＝1089Ω，Lr＝153.5μHと求められる。入力電圧 Eiを350Vとして，Ｌ=473.4μH
Ｃ=4550pFとすると出力電力P≒50Wを得る。
この時の放電開始前の直列共振周波数 f rx，特性インピーダンスZxおよび放電開始後の直列共振周波数fr は次のように求められる。

図5

解析波形

４．点灯実験
４．１ 解析による設計値での点灯実験
解析により得られた回路定数に基づいて，無電極ランプの223kHz点灯実験を行った。実験に用いた
無電極ランプは，図２に示されるようなフェライト

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コアを有する誘導コイル内装型の試作ランプであり,定格出力は50Wである。誘導コイルL0はフェライトコアの周りにリッツ線で40ターン巻き，限流用インダクタLには磁心としてフェライトEIコアを用い，Cにはディップマイカコンデンサ数個を並列接続したものを用いた。
図６にランプ点灯時および点灯前における実験波形を示す。このとき，出力電力P0は定格の50Wが得られている。さらに図５の解析波形と比較して各電流,電圧のピーク値および位相差は点灯前，点灯時いずれの場合においてもほぼ一致しており，解析の妥当性が確認できる。

図6

実験波形

４．２ 低周波点灯実験
スイッチング周波数を150kHz，200kHz，または400kHzとする点灯回路により無電極ランプの点灯実験を行う。実験に用いた回路定数を表１に示す。
ここで表中のZxは特性インピーダンスであり次式で表される。

㪱㫏 =㪣 ⎛ 㪣㪂㪣㪇 ⎞㩷⎜⎟ 㩷 㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺䋨㪐䋩㪚 ⎝ 㪣㪇 ⎠特性インピーダンスZxを変化させた場合の始動時における誘導コイルピーク電圧Vopeak，誘導コイルを流れるピーク電流 Iopeakを図７に示す。これより，点灯周波数の低い方がランプ始動のために大きな電圧，電流の必要なことが判る。
次に特性インピーダンスに対して出力電力Po=50Wとなるようにスイッチング周波数 fsを調整して実験を行なった。特性インピーダンスに対する始動時および点灯時のスイッチング周波数 fsを図８に，誘導コイル間ピーク電圧Vopeak，誘導コイルを流れるピーク電流 Iopeakを図９に，インダクタLを流れるピーク電流 Ipを図10に，効率を図11に示す。
図 8 よ り 1 5 0 k H z 点 灯 に お い て は Z x= 6 3 0 Ω ，200kHz点灯においてはZx＝650Ω，400kHz点灯においてはZx=600Ωのときに始動時のスイッチング周波数が出力電力50Wの定常時のスイッチング周波数とほぼ等しくなる。したがって上記の値以上の特性インピーダンスを用いることにより始動時と定常時でほぼスイッチング周波数を変化させることなく無電極ランプの始動，定格出力による点灯が行える。
また，図９より点灯時の誘導コイルピーク電圧
Vopeakは出力電力一定のとき特性インピーダンスや点灯周波数に関わりなく一定であることが判る。また，誘導コイルを流れるピーク電流 Iopeakは出力電力一定のとき特性インピーダンスに依存せず一定であるが，点灯周波数に依存し，周波数の低い方がピーク値は大きくなることが判る。
また，図11の効率特性を見ると，特性インピーダンスが高くなると，効率の向上が見られる。これは図10に示すように点灯時インダクタLを流れる共振電流ピーク I opeak が特性インピーダンスの増加とともに低くなっていることからも，スイッチやインダクタLでの素子ストレスが減少したためであると考えられる。
点灯周波数に関しては周波数が低い方が効率も低くなっている。この原因として，インダクタLを流れる電流が図10に示すように周波数にほぼ関わりなく一定であり，図９に示すように誘導コイルを流れる電流ピークが点灯周波数が低くなるに従い大きくなることからキャパシタCでの誘電損失，ESRによる損失であると考えられる。

無電極ランプ点灯回路に関する研究（岡本）表1

点灯実験における回路定数(a) fs=150[kHz],Lo=149.2[μH]
Zx[㱅]
498
550
600630651

L[㱘H]
541595650682703

C[nF]
10.1
9.83
9.689.58
9.50

䌦rx[kHz]
146147147147147(b) fs＝200[kHz],Lo=155[μH]
Zx[㱅]
501
549
598
650
699
730

L[㱘H]
364
401
437
473
510
532

C[nF]
4.87
4.77
4.66
4.55
4.47
4.42

䌦rx[kHz]
219
218
218
218
218
219

(c) fs＝400[kHz],Lo＝176[μH]
Zx[㱅]
501
551
601
650

L[㱘H]
203
223
244
264

C[nF]
1.74
1.67
1.61
1.56

䌦rx[kHz]
393
393
392392

図8 始動時，点灯時のスイッチング周波数（a）150kHz点灯実験，（b）200kHz点灯実験，（b）400kHz点灯実験
図7

始動時の誘導コイル間ピーク電圧，電流

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今回の実験において，回路の特性インピーダンスとして始動時の誘導コイル間電圧と定常時の定格出力を両立させる値を用いた場合200kHz点灯時において95.9%の高効率が得られている。

図9

点灯時の誘導コイル間ピーク電圧，電流４．３ 誘導コイルの損失分析
点灯回路の損失分析を行った。なお，実験はスイッチング周波数224kHz，特性インピーダンス650Ω
で行い，各素子の電圧･電流波形をデジタルオシロスコープ（TektronixDSA602A型）で読み取り，損失を算出した。得られた回路全体の損失2.15Wに対する各部品の損失の割合を図12に示す。インダクタ
LやキャパシタC等の共振素子での損失が目立つが，特にインダクタに関しては，磁心，巻線の最適設計を行うことにより損失の低減は可能であると考えられる。
また，先の実験における回路の出力電力には，ランプの消費電力以外に誘導コイルにおける損失も含んでいる。すなわちランプの消費電力をPR，誘導コイルの鉄損をPiron，銅損をPcopperとおくと，回路の出力電力Pは次式で表される。

㪧 = 㪧㪩 + 㪧㫀㫉㫆㫅 + 㪧㪺㫆㫇㫇㪼㫉 㩷 㩷 㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㵺㩿㪈㪇㪀

図10

始動時、点灯時の共振ピーク電流

図11

効率特性そこで，誘導コイルにおける損失についてプラズ
マ等価抵抗を用いた測定により検討を行う。
まず，図13に示すように誘導コイルL0に巻数 n2＝10ターンの２次巻線を施し，プラズマ等価抵抗Rp を接続した。なお，Rp はランプ点灯時と等しい誘導コイル電圧を印加した場合に，点灯時と等しいコイル電流となるように調整した。次にランプ点灯時と等しい電力を１次側に入力し，その時の１次側，２次側電力の差より誘導コイルの損失を求めた。また，鉄損Pcopperの測定は，図14に示す通り２次側を開放

図12

損失分析

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無電極ランプ点灯回路に関する研究（岡本）５．まとめ
本論文では，低周波化された誘導コイル内装型無電極ランプにおいて，零電圧スイッチングインバータを用いた点灯周波数150kHz，200kHzおよび400kHzでの点灯実験を行った。
その結果，スイッチング周波数を変化させることなく無電極ランプの始動および定格出力による安定点灯の行なえる回路を実現し，回路効率約96％の高効率が得られた。
図13

プラズマ等価抵抗における消費電力測定

参考文献

図14

表2

鉄損の測定

誘導コイルの損失分析結果

๟ᵄᢙ㪽 䌳䈀㫂㪟㫑䈁㪉㪉㪋㪋㪇㪐䊤䊮䊒䈱ᶖ⾌㔚ജ䌐 㪩䈀䌗䈁㪋㪊㪅㪎㪋㪋㪅㪏㋕៊䌐 㫀㫉㫆㫅 䈀䌗䈁㪉㪅㪍㪋㪉㪅㪍㪊㌃៊䌐 㪺㫆㫇㫇㪼㫉 䈀䌗䈁㪊㪅㪍㪍㪉㪅㪌㪎としv1にランプ点灯時と等しい電圧を印加したときの１次電流 i1，２次電圧v2より求めた。なお銅損は誘導コイルの損失から鉄損を引いて求めているため２次巻線の銅損も含んでいる。
測定結果を表２に示す。点灯周波数が変化しても鉄損に関してはほぼ変化がないのに対し，銅損は224kHzの低い点灯周波数の方が大きくなることが判る。これは図９を見て判るように誘導コイルに流れる電流ピークが409kHzのときと比べて約２倍となっているためである。したがって，誘導コイルにおける損失（鉄損・銅損）は，409kHz点灯時の方が224kHz点灯時より小さい。

（1）四宮，小林，東川，谷河，松浦，明星：無電極
蛍光ランプ，照学全大，p8（1990）．
（2）Louis Robert Nerone : Design of a 2.5MHz,
softswitching, Class-D Converter of ElectrodelessLighting, IEEE Transactions on PowerElectronics, Vol.12, pp.507-516 (1997).
（3）長谷川，原田，石原，戸高，岡本：無電極蛍光ランプ点灯回路に関する一検討，電子情報通信学会技術研究報告，IEEE99-44（1999）．
（4）C. I. Babat : Electrodeless Discharges andSome Allied Problems, J. of I. E. E. Part3, 94,pp.27-37 (1942).
（5）四宮，東方，川口：無電極蛍光ランプの等価回路モデル，照明学会東京支部，pp.92-95（1992）．
（6）細谷，原田，石原，戸高，岡本：10MHz級零電圧スイッチングインバータによる無電極ランプ点灯回路，照学誌，79-11，pp.38-45（1995）．

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