闪光放电管用电源单元及其控制方法 技术领域
本发明涉及使例如氙闪光灯那样的闪光放电管发光用的闪光放电管用电源单元及其控制方法。
背景技术
以氙闪光灯为代表的闪光放电管，其输出光的分光特性接近太阳光，能够稳定地得到发光持续时间非常短的闪光，因此广泛使用于作为分光分析用的光源、摄影机闪光灯用的光源、高速快门照相机用的闪光灯等。这样的闪光放电管中封入氙等稀有气体，放电管内配置的触发电极上施加高压脉冲电流，引起绝缘部分破坏，形成电流的流动通道，主放电用的电荷沿着该通道从阴极向着阳极流动，因此离子化了的稀有气体发出电弧光，光射向外部。在这里，为了主放电，必须提供瞬时大电流，因此通常采用在主放电电容器中预先贮存必要数量的电能，在发光时由主放电电容器提供电流地方法。
发明内容
为了实现发光间隔短而且光强大的闪光放电装置，必须加大主放电用电容器的电容量，并且缩短充电时间。为了这样加大主放电用电容器的电容量，缩短充电时间，最好是用大电流进行恒电流充电。
但是，一旦电源系统、放电管内由于故障等原因短路或放电管内的绝缘状态破坏持续发生，则电容器持续发生放电，持续进行充电动作，电源系统的二极管、晶体管有受到损伤的可能。
因此，本发明的课题是提供能够有效地抑制这样的电源单元的损伤的闪光放电管用电源单元及其控制方法。
为了解决上述课题，本发明的闪光放电管用电源单元具备：分别与直流恒定电源及闪光放电管的阳极、阴极电连接，储存直流恒定电源提供的电荷，将该电荷提供给所述闪光放电管的阴极，以使所述发光放电管发光的充放电电容器、监视所述充放电电容器的充电动作中充电所需要的时间及充电电压的充电监视手段、以及根据所述充电监视手段的监视结果，使所述充放电电容器的充电动作停止的充电停止控制手段。
另一方面，本发明的闪光放电管用电源单元的控制方法，在对充放电电容器进行充电以提供电荷使闪光放电管发射弧光时，监视充电时间和充电电压，根据监视结果使充放电电容器的充电动作停止。
在闪光放电管用电源单元发生短路的情况下，充放电电容器的充电中也继续发生充放电电容器的放电，因此该充电所需时间比没有发生短路的情况的时间更长。采用本发明的闪光放电管的电源单元及其控制方法，由于对充电时间和充电电压进行监视，对这样的充电要给足时间的情况下(具体地说，在规定的时间没有达到规定的电压的情况、在规定的时间内充电量或充电速度在规定值以下的情况、达到规定电压的时间在规定时间以上的情况等)，停止对充放电电容器的充电，以防止电流在充放电电容器以及闪光放电管用电源单元的其他构成部件中持续流动。
最好是在直流恒定电源与充放电电容器之间具备由充电停止控制手段控制的变压器。在用大功率使闪光放电管发光的情况下，闪光放电管用电源单元有必要用高电压(大电流)对充放电电容器进行充电，而用变压器，不用高电压的电源能够对充放电电容器迅速进行充电。又，在异常时，使变压器停止工作，以此可以抑制大电流在变压器的绕组中持续流动。
附图说明
图1是包含本实施形态的闪光放电管用电源部的闪光放电管装置的结构方框图；
图2是其电源单元的电路图；
图3A～3C是表示图1的装置的工作时序图，分别表示闪光放电管的阳极上施加的电压、触发电极上施加的电压、充放电电路的充电时间测量用电容器C的电压随时间变化情况。
具体实施方式
以下根据附图对本发明的最佳实施形态进行详细说明。为了使说明容易理解，在各附图中对相同的结构要素尽可能标以相同的符号，并且省略重复说明。
图1是包含本实施形态的闪光放电管用电源部的闪光放电管装置的结构方框图。该闪光放电管装置1具备电弧发光的闪光放电管3、产生施加于闪光放电管3的阳极和阴极的电压的闪光放电管用电源单元5、以及发生施加于闪光放电管3的触发电压的触发电压发光触发电路7。闪光放电管3是例如氙闪光灯。闪光放电管3具有圆筒形的玻璃容器9和配置于该容器9内的阳极11、阴极13以及触发电极15。玻璃容器9内封入氙气。
闪光放电管3的触发电极15与发光触发电路7连接。利用发光触发电路7在触发电极15上施加使闪光放电管3发光时的高压触发电压。
闪光放电管3的阳极11和阴极13上并联连接充放电电容器17和浪涌电流用二极管19。通过使充放电电容器17放电，将其储存的电荷提供给闪光放电管3，由该提供的电荷所形成的电弧发光使闪光放电管3发光。而且闪光放电管3、放电电容器17、浪涌电流用二极管19通过电线或印刷电路基板的配线相互连接。浪涌电流用二极管19，阴极K连接于闪光放电管3的阳极11，阳极A连接于闪光放电管3的阴极13。闪光放电管3和充电电容器17的配线如果比较长，则该配线部分的残留电感变大，发光时存储充放电电容器17提供的能量的一部分。该能量在闪光放电管3和浪涌电流用二极管19构成的电路中流动、消耗。
充放电电容器17的与闪光放电管3的阳极11连接的电极上，连接着整流用二极管21的阴极，整流用二极管21的阳极与构成闪光放电管用电源单元5的变压器23的次级绕组25的一端连接。次级绕组25的另一端通过检测流入次级绕组25的电流用的电流检测电路27，连接于充放电电容器17与闪光放电管3的阴极连接的电极上。
变压器23的次级绕组25通过铁心与初级线圈31电磁耦合，初级绕组31与电源33连接。这样利用变压器23生成的高电压对充放电电容器17进行充电，在使用大容量的充放电电容器17的情况下也能够迅速储存，可以使闪光放电管3以例如150W那样的大功率发光。通过使电源33的开关接通使电流流入初级绕组31，在次级绕组25生成高电压，可以向充放电电容器17提供充电用的大电流。又，使电源33的开关断开，使电流停止流入初级绕组31，以此可以停止向充放电电容器17提供充电用的电流。
电源33的开关的通、断动作通过闪光放电管用电源单元5的控制电路35(充电停止控制手段)进行控制。向控制电路35输入由电流检测电路27输出的电流检测信号S1。控制电路35根据该信号S1控制电源33的通断，以使充放电电容17的充电电流为一定值。
在控制电路35又输入与闪光放电管3的阳极11连接的电压检测电路37来的电压信号S2。该电压检测电路37检测施加在阳极11上的电压(充放电电容器17的电压)。在闪光放电管3的阳极11(充放电电容器17)的电压达到规定值，例如闪光放电管3的发光动作通常所需要的电压的情况下，从电压检测电路37输出电压信号S2。控制电路35一旦输入该电压信号S2，就控制使电源33的开关断开，以使充放电电容器17的充电停止，以此使充放电电容器17充电到上述通常需要的电压经常为一定值。
又，电压检测电路37也包含过电压检测电路，在由于某种异常而在闪光放电管3的阳极(充放电电容器17)上施加过大的电压时，电压检测电路37输出电压信号S2，与上面所述一样使充放电电容器17停止充电。以此防止过大电压引起充放电电容器17或闪光放电管等发生故障或受到破坏。
在控制电路35还输入定时器电路39(充电监视手段)来的充电停止信号S3。即使是超过预先设定的规定时间，例如，充放电电容器17充电通常所需要的时间(也就是闪光放电管3的正常发光动作中充放电电容器17充电所需要的时间)，充放电电容器17的电压也没有达到规定值，例如闪光放电管3的发光动作通常所需要的电压，即通常电压(也就是闪光放电管3的正常发光动作所需要的电压)的情况下，该定时器电路39输出充电停止信号S3。一旦控制电路35输入信号S3，控制电路35就控制使电源33的开关断开，停止对充放电电容器17的充电，以此可以在由于短路等原因充放电电容器17的电压未能达到上述通常电压的情况下，防止变压器23持续流入电流而导致变压器23烧毁的情况发生。
在定时器电路39输入电流检测电路27来的充电电流检测信号S4。这是电流检测电路27由于在变压器23的次级绕组25流过充放电电容器17充电用的电流而发生的信号。通过使该信号S4输入到定时器电路39，定时器电路39对充电时间进行测量。
又在定时器电路39输入电压检测电路37来的充电停止信号S5。电压检测电路37在充放电电容器17的电压达到规定值、在上述例子中的闪光放电管3发光通常所需要的电压的情况下发生该信号S5。一旦该信号S5输入到定时器电路39，定时器电路39就停止动作。但是不断开电源33。在这里，上述例子中，即使是达到比充放电电容器17的充电通常所需要的时间长的规定时间，充放电电容器17的电压也没有达到闪光放电管3的发光动作通常所需要的电压的情况下，比信号S5更早发生来自定时器电路39的充电停止信号S3，信号S3被输入到控制电路35。借助于此，控制电路35使电源33的开关断开，以此结束对充放电电容器17的充电。使用充电停止信号S3、充电电流检测信号S4、以及充电停止信号S5的闪光放电管用电源单元5的控制方法是本实施形态的闪光放电管用电源单元5的控制方法的特征之一。
下面对分别发生信号S3、S4、S5的定时器电路39、电流检测电路27、电压检测电路37的电路结构进行说明。图2是本实施形态的闪光放电管用电源单元5的电路图，下面用图2对电路检测电路27、定时器电路39、电压检测电路37的电路结构进行说明。
首先从电路检测电路27的电路结构开始说明。电流检测电路27的电流检测用电阻器R1是检测变压器23的次级绕组25中流过的电流的检测元件，连接于由次级绕组25和充放电电容器17构成的串联电路上。在电路检测用电阻器R1和充放电电容器17之间连接着电流限制用电阻器R2的一端，电流限制用电阻器R2的另一端连接于电流检测电路27的NPN晶体管Q1的基极上。利用电流限制用电阻器R2防止晶体管Q1的基极电流过大。晶体管Q1的射极连接于电流检测用电阻器R1与次级绕组25之间。晶体管Q1的集电极连接于定时器电路39上。
下面对定时器电路39的电路结构进行说明。定时器电路39由与充放电电容器17的充电连动进行充电、并随充放电电容器17充电的停止而放电的充放电电路41(时间测量手段)和产生充电停止信号S3的闩锁电路43(信号发生手段)构成。上述晶体管Q1的集电极通过充放电电路41的电流限制用电阻器R3连接于充放电电路41的PNP晶体管Q2的基极。利用电流控制用电阻器3防止晶体管2流过过大的基极电流。
晶体管Q2的射极连接于电源VCC的同时与截止用电阻器R4的一端连接，截止用电阻器R4的另一端连接于电流限制用电阻器R3和晶体管Q2的基极之间。晶体管Q2截止动作时，用截止用电阻器R4使晶体管Q2的基极电流迅速下降，以此加快晶体管Q2的截止动作。
晶体管Q2的集电极通过时间常数调节用电阻器R5连接于充电时间测量用电容器C的一个电极上，电容器C的另一电极接地。电容器C能够随充放电电容器17的充电开始而开始充电，同时能够以比充放电电容器17通常充电需要的时间长的规定时间充电。该规定时间是达到使闩锁电路43动作的闩锁电压所需要的时间。闪光放电管3正常发光动作时，设定充电电路41的时间常数使充放电电容器17在电容器C的电压达到闩锁电压之前充放电结束。利用时间常数调节用电阻器R5调节充放电电路41的时间常数。
电阻器5和电容器C之间连接开关二极管(齐纳二极管)D的阴极。开关二极管D的阳极与闩锁电路43的开关元件SCR(闸流晶体管)的栅极连接。充电时间测量用电容器C的电压达到闩锁电压的情况下，开关二极管D导通，流过电流。开关元件SCR的阴极接地，阳极与控制电路35连接。开关元件D利用闩锁电压导通时，电流流过开关元件SCR的栅极，利用开关元件SCR导通输出充电停止信号S3。
下面对电压检测电路37进行说明。电压检测电路37的比较器45的反转输入端子连接于电阻器R6和电阻器R7之间。电阻器R6连接于闪光放电管3的阳极11上，电阻器R7接地。比较器45的非反转输入端子上连接直流电源DC(基准电压)的正极，直流电电压负极接地。比较器45的输出端子连接于充放电电路41的时间常数调节用电阻器R5与充电时间测量用电容器C之间。
比较器45是差动放大器电路，对输入到非反转输入端子的基准电压值与输入到反转输入端子的充放电电容器17的电压(阳极11的电压)的通过电阻器R6、R7分压的值进行比较。比较器45的输出在充放电电容器17的电压达到闪光放电管3的发光动作通常需要的电压的情况下反转。上述差动时间测量用电容器C因此放电，所以电容器C的电压没有能够达到闩锁电压。也就是说，充放电电容器17在通常需要的时间内充电的情况下，定时器电路39的动作停止，但是电源33继续通常的动作。还有，控制充放电电容器17的电压的电路和充放电电容器17的电压过大时对其进行检测的电路在图中省略。
下面利用图1、图2、图3A～图3C说明包含本实施形态的闪光放电管用电源单元5的闪光放电管装置1的动作。图3A～图3C是关于闪光放电管装置的动作的时序图，图3A表示闪光放电管3的阳极11上施加的电压的变化，图3B表示触发电极15上施加的电压的变化，图3C表示充放电电路41的充电时间测量用电容器C的电压变化。
首先，在时刻T1，控制电路35使电源33的开关导通，以此在变压器23上发生高压，开始对充放电电容器进行充电。与此同时，流入变压器的次级绕组25的电流流入电流检测用电阻器R1，因此在电流检测用电阻器R1上发生电压降。由于该电压降，基极电流流入晶体管Q1，晶体管Q1导通，从晶体管Q1流出集电极电流。该集电极电流成了晶体管Q2的基极电流，晶体管Q2导通。因此集电极电流从晶体管Q2向充电时间测定用电容器C流动，电容器C开始充电。该充电的开始就成为充放电电容器17的充电时间的测定的开始。
一到时刻T2，充放电电容器17就充电到闪光放电管3的发光动作通常需要的电压(V1)。与此同时，闪光放电管3的阳极11的电压也到达同样的电压(V1)。T2-T1的时间CT为充放电电容器17的充电通常所需要的时间。一旦充放电电容器17充电到电压V1，电压检测电路37的比较器45的输出反转。然后通过比较器45的输出端子输出的反转电压使电容器C放电。因此电容器C的电压不能够达到闩锁电压。又，利用别的系统的电压检测电路37发生的信号S2使控制电路35切断电源33的开关，以使充放电电容器17的充电停止。
充放电电容器17的充电一旦停止，电流不再流入电流检测用电路27的电阻器R1，因此，晶体管Q1不再有基极电流流入，晶体管Q1截止。因此晶体管Q2不再有基极电流流入，晶体管Q2也截止，因此充电时间测量用电容器C的充电停止。也就是说，在经过比充放电电容器17充电通常所需要的时间CT长的规定时间之前充放电电容器17的电压达到闪光放电管3的发光动作通常所需要的电压V1的情况下，充电时间的测量停止。
接着在时刻T3，也就是充放电电容器17的充电结束时刻、即时刻T2开始规定时间之后，如图3B所示，利用发光触发电路7对触发电极15施加触发电压。因此，闪光放电管内的氙气的绝缘受到破坏，所以充放电电容器17中存储的电荷被提供给闪光放电管3，闪光放电管3发光(发电弧光)。以上所述就是发光的循环，以后同样反复进行发光动作。
从时刻T2到下一发光循环引起的充放电电容器17的充电开始的时刻T4之间，充放电电容器17的充电停止，因此电流检测电路27的电流检测用电阻器R1上没有电流流动。因此，充电时间测量用电容器C的充电也停止(也就是说充电时间的测量也停止)，充电时间测量用电容器C进行由比较器45引起的放电和自然放电。因而，如时序图(C)所示充电时间检测用电容器C的电压开始下降。然后，由于下一发光循环的充电开始时刻T4到来，电流检测用电阻器R1上有了电流流动，因此，充电时间测量用电容器C的电压再度上升。
以上是正常的发光动作，但是一旦发生由于施加在例如触发电极15上的触发信号的频率由于某种异常而变高，闪光放电管3的发光频率超过额定频率的状态，即使是经过了充放电电容器17充电通常所需要的时间CT，充放电电容器17的电压也达不到闪光放电管3的发光动作通常所需要的电压、即通常电压V1。因此如果不施加某种手段，则为了继续对充放电电容器17进行充电，继续供应大电流，因此闪光放电管用电源单元5将会发热或发生故障等。本实施形态在这样的状态下使充放电电容器17的充电停止，使变压器23不在继续有电流流动，因此变压器23等不会发生烧坏、故障等情况，以此可以防止闪光放电管用电源单元5的发热和故障的发生。对此在下面将进行详细说明。
图3A～图3C的时刻T5以后表示施加在触发电极15上的触发信号的频率由于某种异常而变高的情况。如图3A所示，从时刻T5开始对充放电电容器17的充电。
在时刻T6，在阳极11(充放电电容器17)达到电压V1之前，发生图3B所示的触发信号。闪光放电管3因此而发光。这是由于如上所述某一种异常引起触发信号的频率变高。但是由于没有利用充放电电容器17对闪光放电管3施加正常电压，发光强度比正常发光时弱，处于异常发光状态。由于阳极11(充放电电容器17没有达到电压V1，因此充放电电容器17继续充电，如图3C所示，充电时间测量用电容器C的电压继续上升(也就是说充电时间的测量继续进行)。
然后在时刻T7在阳极(充放电电容器17)达到电压V1之前，图3B所示的触发信号再度发生，因此闪光放电管3发光。也就是说由于闪光放电管3的发光频率异常快，因此产生了持续发弱光的现象。
在时刻T8，采用本实施形态，则如图3C所示充电时间测量用电容器C的电压达到作为闩锁电压的电压V2，因此如上所述对充放电电容器17的充电被停止。因此能够使流入变压器23的电流的持续流动中止，因此可以使变压器23的绕组25、31等不发生烧毁、故障等现象，以此可以防止闪光放电管用电源单元5的发热和故障等的发生。又，通过使充放电电容器17的充电停止，可以使上述持续发弱光的现象停止，达到特别的效果。还有，在本实施形态中，时刻T8-时刻T5就是比充放电电容器17的充电通常所需要的时间CT长的规定时间。
又，采用本实施形态也可以发生如下所述的特别效果。在闪光放电装置1有时候会由于各种原因发生短路(例如充放电电容器17的质量问题或损坏引起的充放电电容器17的短路、闪光放电管3受到振动等原因引起的闪光放电管3的电极之间的短路、闪光放电管装置1的使用者在操作闪光放电管装置1时发生的错误引起的短路)。一旦发生这样的短路，即使对充放电电容器17进行充电，其电压也达不到闪光放电管3的发光动作通常所需要的电压、即通常电压，因此充放电电容器17继续充电。因此闪光放电管用电源单元5继续流入电流，因此闪光放电管用电源单元5发热或发生故障。
特别是在对充放电电容17进行充电时以恒定电流并且是大电流进行充电，以使充放电电容器17的充电时间缩短而且使充电中的闪光放电管用电源单元5的振荡减小。因此一旦发生所述短路，闪光放电管用电源单元5持续流动大电流，因此上述发热等问题严重。
又，在以例如150W那样的大功率使闪光放电管36发光的情况下，为了提高充放电电容器17的放电电压，闪光放电管用电源单元5有必要用高电压对充放电电容器17进行充电。因此闪光放电管用电源单元5具备变压器23，利用该变压器23发生的高电压对充放电电容器17进行充电。由于上述短路，变压器23的绕组如果继续流入大电流，则绕组有可能烧坏。为了应对这种情况，如果使绕组大型化，则变压器还有闪光放电管用电源单元5随之大型化。
采用本实施形态，在由于发生上述短路，在比充放电电容器17的充电通常所需要的时间CT长的规定时间(T8-T5的时间)内充放电电容器17的电压不能达到通常电压V1的情况下，与上述闪光放电管3的发光频率为额定以上值的状态的情况一样使充放电电容器17的充放电停止。以此，能够使继续流向变压器23的电流停止流动，因此能够防止闪光放电管用电源单元5的发热和故障等的发生。
又，采用本实施形态还可以有如下所述的特别效果。例如，一旦闪光放电管异常加热、闪光放电管3的电极11、13、15劣化、电极11、13、15异常加热、闪光放电管3的破坏引起的电极11、13、15之间异常接近，闪光放电管3的发光模式就不是闪光发光模式(通常发光模式)，而成了直流连续放电模式。在直流连续放电模式的情况下，充放电电容器17即使被充电，其电压也不能达到闪光放电管3的发光动作通常需要的电压，因此充放电电容器17被继续充电。也就是说，变压器23处于输出(电流持续流动)的状态。
每一发光循环变压器23的输出时间在通常发光模式下例如为发光循环的一半，另一方面在直流连续放电模式下电流持续流入变压器23，因此等于一个发光循环。也就是说，直流连续放电模式与通常发光模式相比，变压器23的平均电流过大(例如2倍)。一旦成为直流连续放电模式，则发光效率低下，因此输入到闪光放电管3的电力大部分变成热量。从而，利用直流连续放电模式使闪光放电管3继续进行直流放电，则闪光放电管3处于异常发热状态，这就是闪光放电管3的破裂和闪光放电管装置1的损坏的原因。
采用本实施形态，一旦形成直流连续放电模式，则与上述短路发生时的动作一样，使充放电电容器17的充电停止，因此能够防止流入变压器的电流持续流动，以此可以防止闪光放电管3的破裂等情况发生。
在上面的说明中，充放电电容器17充电时，即使超过该充电通常需要的时间也没能完成闪光放电管3的发光动作通常所需要的电压的充电的情况下，前面以停止充电动作为例进行说明，但是本发明不限于此。例如，也可以将比其更短的时间作为时间阈值设定，将比在该时间通常能够充电的电压稍低的电压作为电压阈值设定，在充电时间达到时间阈值的时刻，充电电压没有达到电压阈值的情况下使充电停止。在这种情况下，还能够得到抑制如上所述的异常发光状态的效果。又可以以达到这样的低设定电压为止的时间作为依据进行判断，还可以以充电速度、充电量为依据进行判定。
在这里，以氙闪光灯为例进行了说明，但是当然对其他种类的闪光灯(闪光放电管)也能够适应。
工业应用性
本发明的闪光放电管用电源单元以及其控制方法适于作为分光分析用光源、照相机闪光灯用光源、高速快门用照相机用闪光灯使用的闪光放电管的电源单元及其控制方法。