電気バラスト

電気安定器は、電気回路内の 電流量を制限するために負荷と直列に設置される装置です。

よく知られ、広く使用されている例としては、蛍光灯に使用されている誘導性安定器があります。これは、蛍光灯の電圧電流特性の 負性微分抵抗により、電流が破壊的なレベルまで上昇するのを防ぐ目的で使用されます。

安定器の複雑さは多種多様です。ランプと直列に接続された抵抗器、インダクタ、コンデンサ（またはこれらの組み合わせ）のように単純なものもあれば、コンパクト蛍光灯（CFL）で使用される電子安定器のように複雑なものもあります。

電気バラストは、電気負荷を流れる電流を制限する装置です。これらは、負荷を流れる電流が増加すると負荷 (アーク放電など) の端子電圧が低下する場合に最もよく使用されます。このような装置を定電圧電源に接続すると、電流が増加し続け、装置が破損するか、電源が故障することになります。これを防ぐために、バラストは電流を制限する正の抵抗またはリアクタンスを提供します。バラストは、電流を制限することで、負の抵抗装置が適切に動作するようにしています。

バラストは、通常の正抵抗回路の電流を制限するためにも使用できます。ソリッドステート点火装置が登場する前は、自動車の点火装置には、点火装置に印加される電圧を調整するためのバラスト抵抗器が一般的に含まれていました。

ネオンランプのような単純で低電力の負荷の場合、固定抵抗器が一般的に使用されます。バラスト抵抗器の抵抗値が大きいため、ネオンランプによって導入される負の抵抗があっても、回路内の電流が決まります。

バラストは、初期の自動車 エンジンで使用されていた部品でもあり、エンジン始動後に点火システムへの供給電圧を下げるものでした。エンジンを始動するには、バッテリーから大量の電流が必要であり、その結果、同様に大きな電圧降下が発生します。エンジンを始動できるように、点火システムはこの低電圧で動作するように設計されていました。しかし、車両が始動し、スターターが解除されると、通常の動作電圧は点火システムにとって高すぎました。この問題を回避するために、バラスト抵抗器が点火システムと直列に挿入され、始動システムと点火システムに 2 つの異なる動作電圧がもたらされました。

時々、このバラスト抵抗器が故障することがあり、この故障の典型的な症状は、クランキング中はエンジンが作動するが（抵抗器がバイパスされている間）、クランキングが停止すると（イグニッション スイッチを介して抵抗器が回路に再接続されると）、すぐに停止するというものでした。現代の電子点火システム（1980 年代または 1970 年代後半から使用されているもの）は、低いクランキング電圧または通常の動作電圧で動作できるほど柔軟性があるため、バラスト抵抗器は必要ありません。

自動車業界では、バラスト抵抗器が換気ファンの速度を調整するのにも一般的に使用されています。バラストは通常​​ 2 つのセンター タップを持つ固定抵抗器で、ファン速度セレクタ スイッチはバラストの一部をバイパスするために使用されます。全速の場合はすべてのバラストをバイパスし、低速設定の場合は何もバイパスしません。ファンが常に全速に近い速度設定 (通常は 4 段階のうち 3 段階) で動作している場合、非常に一般的な障害が発生します。これにより、非常に短い抵抗器コイルが比較的高い電流 (最大 10 A) で動作し、最終的に焼損します。これにより、ファンは低速設定で動作できなくなります。

一部の民生用電子機器、特に真空管時代のテレビや一部の低価格レコードプレーヤーでは、真空管ヒーターが直列に接続されていました。直列接続されたすべてのヒーターの電圧降下は通常、主電源電圧全体よりも低かったため、余分な電圧を下げるためにバラストを用意する必要がありました。抵抗器は安価で、交流(AC) と直流(DC) の両方で動作するため、この目的によく使用されました。

一部のバラスト抵抗器は、電流が増加すると抵抗が増加し、電流が減少すると抵抗が減少する特性があります。物理的には、このようなデバイスは白熱電球とよく似た構造になっていることがよくあります。通常の白熱電球のタングステンフィラメントのように、電流が増加するとバラスト抵抗器は熱くなり、抵抗が増加し、電圧降下が増加します。電流が減少すると、バラスト抵抗器は冷たくなり、抵抗が減少し、電圧降下が減少します。したがって、バラスト抵抗器は、印加電圧の変動や電気回路の残りの部分の変化にもかかわらず、電流の変動を減らします。これらのデバイスは「バレッター」と呼ばれることもあり、1930 年代から 1960 年代の家庭用AC/DC ラジオやテレビ受信機の直列加熱回路で使用されていました。 ^{[引用が必要]}

この特性により、適切な固定抵抗器を選択するだけの場合よりも、より正確な電流制御が可能になります。固定抵抗器で必要とされる電力と比較して、バラストで失われる電力全体の割合が少なくなるため、抵抗バラストで失われる電力も削減されます。

以前^{[いつ? ]}、家庭用衣類乾燥機には、通常の白熱電球と直列に殺菌灯が組み込まれていることがあり、白熱電球は殺菌灯の安定器として機能していました。1960 年代に 220～240 V の国々で家庭で一般的に使用されていた照明は、通常の主電源フィラメントランプによって安定器が取り付けられた円形の管でした。自己安定器付き水銀灯は、ランプの全体的なエンベロープ内に通常のタングステンフィラメントを組み込んで安定器として機能し、生成される光スペクトルの不足している赤色領域を補います。

インダクタ(通常はチョーク)は、蛍光灯や HID ランプに電力を供給するための適切な始動および動作の電気条件を提供するために、ライン周波数バラストでは非常に一般的です。 (インダクタを使用するため、このようなバラストは通常​​、磁気バラストと呼ばれます。) インダクタには 2 つの利点があります。

1. そのリアクタンスは、インダクタでの電力損失を最小限に抑えながら、ランプに供給される電力を制限します。
2. インダクタを流れる電流が急激に遮断されたときに発生する電圧スパイクは、一部の回路ではランプ内で最初にアークを発生させるために使用されます。

インダクタの欠点は、電流が電圧と位相がずれて、力率が悪くなることです。より高価なバラストでは、力率を修正するためにコンデンサがインダクタとペアになっていることがよくあります。2つ以上のランプを制御するオートトランスバラストでは、ライン周波数バラストは、通常、複数のランプ間で異なる位相関係を使用します。これにより、個々のランプのちらつきが軽減されるだけでなく、高い力率を維持するのにも役立ちます。これらのバラストは、 1 つのランプの電流が主電源の位相より進み、もう 1 つのランプの電流が主電源の位相より遅れるため、リードラグバラストと呼ばれることがよくあります。

注:ほとんどのアメリカのバラスト製造業者は、自社のバラストの一部を「NPF」(「Normal Power Factor」の略) と説明していますが、これは誤解を招きます。力率は「通常」ではなく、高いか低いかのどちらかしかないからです。

ほとんどの 220 ～ 240V バラストでは、コンデンサは北米のバラストのようにバラスト内に組み込まれておらず、バラストと並列または直列に配線されています。

ヨーロッパおよびほとんどの 220 ～ 240 V 地域では、直列インダクタを使用して 30 W を超えるランプを始動するのに十分なライン電圧があります。ただし、北米および日本では、直列インダクタを使用して 30 W を超えるランプを始動するにはライン電圧 (それぞれ 120 V または 100 V) が不十分な場合があるため、電圧を昇圧するためにバラストにオートトランス巻線が組み込まれています。オートトランスは、電流が適切に制限されるように 十分な漏れインダクタンス(短絡インダクタンス) で設計されています。

大型のインダクタとコンデンサを使用する必要があり、インダクタの鉄心も重いため、ライン周波数で動作するリアクティブ安定器は大きくて重くなる傾向があります。また、通常、音響ノイズ(ライン周波数ハム) も発生します。

1980 年以前、米国では、冷却と電気的絶縁のために、多くの安定器でポリ塩化ビフェニル(PCB) ベースの油が絶縁油として使用されていました (変圧器油を参照)。

電子安定器は、固体 電子回路を使用して、放電ランプに電力を供給するための適切な始動および動作の電気条件を提供します。電子安定器は、同等の定格の磁気安定器よりも小型で軽量です。電子安定器は通常、コア積層板の振動によってライン周波数のハム音を生成する磁気安定器よりも静かです。^[4]

電子バラストは、多くの場合、スイッチング電源（SMPS）トポロジに基づいており、最初に入力電力を整流し、次に高周波でチョッピングします。高度な電子バラストでは、パルス幅変調または周波数をより高い値に変更することで調光が可能です。マイクロコントローラを組み込んだバラスト（デジタルバラスト）は、 LonWorks、デジタルアドレス指定照明インターフェイス（DALI）、DMX512、デジタルシリアルインターフェイス（DSI）などのネットワーク経由のリモート制御と監視、または0〜10 V DCの明るさ制御信号を使用した単純なアナログ制御を提供します。ワイヤレスメッシュネットワークを介して光レベルをリモート制御するシステムが導入されています。^[5]

電子安定器は通常、 50～60Hzの主電源周波数ではなく、 20,000Hz以上の周波数でランプに電力を供給します。これにより、蛍光灯に関連する電源周波数の産物であるフリッカーのストロボ効果が大幅に排除されます（光過敏性てんかんを参照）。電子安定器の高出力周波数により、蛍光灯の蛍光体が急速にリフレッシュされるため、知覚できるフリッカーはありません。知覚できる光変調を測定するために使用されるフリッカー指数は0.00～1.00の範囲で、0はフリッカーの可能性が最も低く、1は最も高いことを示します。磁気安定器で動作するランプのフリッカー指数は0.04～0.07ですが、デジタル安定器のフリッカー指数は0.01未満です。^[6]

アーク流中にイオン化されたガスが多く残るため、ランプは約10kHz以上で約9%高い効率で動作します。ランプ効率は約10kHzで急激に増加し、約20kHzまで向上し続けます。 ^[7]既存の街灯への電子バラストの改造は、2012年頃にカナダのいくつかの州でテストされていました。^[8]それ以来、LED改造はより一般的になっています。

電子安定器は、安定器自体の効率が高く、高周波でのランプ効率も高いため、蛍光灯などの低圧ランプのシステム効率が向上します。 HID ランプの場合、高周波を使用してもランプ効率は向上しません。 さらに、メタルハライドランプや高圧ナトリウムランプなどの HID ランプは、音響共振のため、20～200 kHzの高周波で動作させると信頼性が低下します。これらのランプでは、主に100～400 Hzの周波数で方形波低周波電流駆動が使用され、光減衰が少ないという同じ利点があります。

最近の電子安定器のほとんどは、高圧ナトリウム (HPS) ランプとメタルハライドランプの両方を動作させることができます。安定器は、最初は内部の点火装置によってアークのスターターとして機能し、高電圧インパルスを供給し、その後、回路内の電流のリミッター/レギュレーターとして機能します。電子安定器は、磁気安定器よりもはるかに低温で動作し、軽量です。^[6]

この技術では、ランプの両端にあるフィラメントとカソードの組み合わせを、機械式または自動式 (バイメタルまたは電子式) スイッチと組み合わせて使用​​します。このスイッチは、最初にフィラメントをバラストと直列に接続して予熱します。フィラメントが切断されると、バラストからの誘導パルスによってランプが始動します。このシステムは、北米では「予熱」、英国では「スイッチ スタート」と呼ばれていますが、その他の国では特に説明されていません。このシステムは、200～240 V の国 (および約 30 ワットまでの 100～120 V ランプ) で一般的です。

誘導パルスを使用すると、スターター スイッチが開いたときにランプが始動する可能性が高くなりますが、実際には必要ありません。このようなシステムのバラストは、抵抗器と同等に使用できます。1950 年代後半から 1960 年代にかけて、多くの蛍光灯器具でフィラメント ランプがバラストとして使用されていました。定格 170 ボルト、120 ワットの特別なランプが製造されました。ランプには、4 ピン ベースにサーマル スターターが組み込まれていました。電力要件は誘導バラストを使用する場合よりもはるかに大きくなりましたが (消費電流は同じでしたが)、ランプ タイプのバラストからのより暖かい光は、特に家庭環境ではユーザーに好まれることが多かったです。

抵抗型安定器は、蛍光灯に電力を供給する唯一の電源が DC だったときに使用できる唯一のタイプでした。このような器具は熱型スターターを使用していましたが (主にグロースターターが発明されるずっと前に使用されなくなっていたため)、始動を改善するためにスタータースイッチを開くときにパルスを提供することを唯一の目的とするチョークを回路に含めることができました。DC 器具は、始動するたびにチューブへの電源の極性を反転する必要があるため複雑でした。これを怠ると、チューブの寿命が大幅に短くなりました。

インスタント スタート バラストは電極を予熱せず、比較的高い電圧 (約 600 V) を使用して放電アークを開始します。これは最もエネルギー効率の高いタイプですが、ランプがオンになるたびに冷たい電極の表面から材料が吹き飛ばされるため、ランプの始動サイクルは最も少なくなります。インスタント スタート バラストは、ランプのオン/オフが頻繁に行われない、デューティ サイクルの長いアプリケーションに最適です。これらは主に 100 ～ 120 ボルトの主電源 (40 W 以上のランプ用) を使用する国で使用されていましたが、スイッチ スタート システムのちらつきがなくランプが始動するため、他の国でも一時的に人気がありました。ランプ寿命が短いため、人気は長く続きませんでした。

ラピッド スタート バラストは、加熱トランス コイルを使用して、ランプの始動前、始動中、始動後に常に同じ加熱電力でランプ電極を加熱します。インスタント スタートよりもランプ寿命が長く、サイクル寿命も長くなりますが、ランプの両端の電極がランプの動作中に加熱電力を消費し続けるため、他のタイプのバラストに比べてバラスト損失が非常に高くなります。また、米国とカナダでは 40 W 以上のランプで人気がありますが、スイッチ スタート システムのちらつきが望ましくない場合など、他の国でもラピッド スタートが使用されることがあります。

「ラピッド スタート」というラベルの付いた一部のアメリカ製電子蛍光灯安定器は、共鳴を利用してランプを始動し、カソードを加熱し、ランプの状態に関係なく常に同じ加熱電力を供給するわけではないため、従来のアメリカ製ラピッド スタート安定器とはまったく異なります。

調光可能なバラストは、オートトランスフォーマーが調光器に接続されている点を除けば、ラピッド スタート バラストと非常によく似ています。Quadracタイプの照明調光器は、調光バラストと一緒に使用できます。これにより、加熱電流を維持しながらランプ電流を制御できます。低光レベルで Quadrac を確実に点灯させるには、蛍光灯と並列に約 10 kΩ の抵抗器を接続する必要があります。

バッテリーを内蔵した電子バラストは、停電時（通常 2 時間未満）に非常用避難照明を提供するように設計されています。これらは、バックアップ発電機で駆動する避難照明の代替として使用できます。ただし、非常用バラストは定期的なテストが必要であり、耐用年数は 10 ～ 12 年です。

ハイブリッド バラストには、磁気コアとコ​​イルの変圧器と、電極加熱回路用の電子スイッチがあります。磁気バラストと同様に、ハイブリッド ユニットはライン電力周波数 (たとえば、ヨーロッパでは 50 Hz) で動作します。このタイプのバラストは、カソード切断バラストとも呼ばれ、ランプを始動した後に 電極加熱回路を切断します。

照明用安定器の場合、ANSI安定器係数は北米で、安定器で動作するランプの光出力（ルーメン）を ANSI 基準安定器で動作するランプと比較するために使用されます。基準安定器は、ANSI 指定の公称電力定格でランプを動作させます。^{[9] [10]}照明設計では、実際の安定器の安定器係数を考慮する必要があります。安定器係数が​​低いとエネルギーを節約できますが、光が少なくなり、ランプの寿命が短くなります。蛍光灯の場合、安定器係数は基準値 1.0 から変化する可能性があります。^[11]

初期のブラウン管式カラーテレビでは、PD500 などのバラスト三極管をブラウン管(CRT) の加速電圧の並列シャント安定器として使用し、CRT の偏向係数を一定に保っていました。

• 鉄水素抵抗器
• ナトリウムランプ

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