蛍光灯の構造と点灯の仕組み

蛍 光 灯 の 構 造 と 点 灯 の 仕 組 み 手 元 に 蛍 光 灯 管 があったら ちょっと 見 てみよう 直 管 状 の 蛍 光 灯 管 なら 両 端 にそれぞれ2 本 サークラインではソケットを 差 し 込 む 場 所 に4 本 の 電 極 が 出 ているのがわかる あれ? 電 気 ってプラスとマイナスの2 本 の 線 のはずだけど 白 熱 電 球 から 想 像 すると 蛍 光 灯 に4 本 の 電 極 が 出 ているのが 不 思 議 に 見 える のではないだろうか 蛍 光 灯 管 の 構 造 まず 蛍 光 灯 管 の 構 造 から 説 明 しよう 蛍 光 灯 管 の 両 端 には 電 球 と 同 じ 様 なフィラメントが 入 っていて これが 両 端 に 出 て いる2 本 の 電 極 につながっ ている この 部 分 だけを 見 れ ば 白 熱 電 球 と 似 た 様 な 形 に なっている そしてこのガラス 管 の 中 を 真 空 にして 少 量 の 水 銀 蒸 気 が 封 じ 込 まれている またガラス 管 の 内 面 には 蛍 光 物 質 が 塗 られている 外 から 見 て 乳 白 色 に 見 える 部 分 が 塗 られている 蛍 光 物 質 である 以 上 の 図 と 説 明 は 直 管 の 場 合 だが 円 形 のサークラインでも 全 く 同 じ 形 の 上 で 直 管 を 丸 めて 両 端 の 位 置 を 向 かい 合 わせてあるだけの 違 いだ もちろんそ の 両 端 はCの 字 の 様 に 向 かい 合 っているだけで つながっているわけではない 蛍 光 灯 の 発 光 の 仕 組 み 蛍 光 灯 では 両 端 にフィラメントがあるが 点 灯 中 は 白 熱 電 球 の 様 にフィラメン トに 電 流 を 流 すのではなくて 両 端 のフィラメント 管 に 電 流 を 流 す 離 れているフィラメントの 間 にどうやって 電 流 が 流 れるかが 不 思 議 に 思 える が 電 流 を 流 す 助 けをしているのが 中 に 入 っている 水 銀 蒸 気 だ この 水 銀 蒸 気 の 助 けを 借 りて 両 端 のフィラメントの 間 で 真 空 放 電 をするのである 真 空 放 電 とは 真 空 中 を 電 子 が 飛 ぶ 現 象 である そしてその 電 子 が 水 銀 蒸 気 に 当 たっ て 紫 外 線 を 出 す この 紫 外 線 が 蛍 光 物 質 に 当 たって 可 視 光 線 を 発 生 させて 明 るく 輝 くのだ 蛍 光 灯 管 には 昼 光 色 白 色 電 球 色 などの 種 類 があるが 蛍 光 物 質 の 種 類 によ って これらの 発 色 の 色 合 いが 変 わる なお 蛍 光 灯 管 の 中 で 発 生 するのは 強 い 紫 外 線 であるから 直 接 目 に 入 れば 害

になる だが 心 配 は 無 用 蛍 光 灯 管 に 使 われているガラスは 紫 外 線 を 通 さない ので 紫 外 線 が 蛍 光 灯 管 の 外 に 出 ることはない 食 品 工 場 などで 使 われている 殺 菌 灯 も 構 造 的 には 蛍 光 灯 と 同 じだ しかし 真 空 放 電 で 発 生 する 紫 外 線 をそのまま 利 用 するので 紫 外 線 を 透 過 させるために 石 英 ガラスを 使 い 蛍 光 物 質 は 塗 ってない 見 た 目 には 明 るく 輝 いている 様 に 見 えないが 強 い 紫 外 線 が 出 ているので 人 がいる 場 所 で 殺 菌 灯 を 点 灯 してはな らない 昔 バーやディスコなどで 暗 い 部 屋 の 中 で 紫 外 線 灯 を 点 灯 している 場 所 があ った 蛍 光 染 料 が 含 まれているワイシャツなどが 紫 色 に 光 るので 面 白 がって 使 ったらしい それ 程 強 くない 紫 外 線 灯 なのだろうが 決 して 目 に 良 いものでは ない 蛍 光 灯 の 点 灯 の 方 法 蛍 光 灯 は 両 端 のフィラメントの 間 に 電 圧 をかけて 真 空 放 電 させると 言 ったが 単 に 電 圧 を 掛 けただけでは 点 灯 が 始 まらない 蛍 光 灯 管 を 点 灯 させるにはち ょっと 面 倒 な 仕 掛 けが 必 要 なのだ 蛍 光 灯 を 点 灯 させる 仕 掛 けには 様 々な 方 法 があるが ここでは 昔 ながらの 時 間 がかかる 点 灯 のさせ 方 で 説 明 する まず 両 端 に 封 じられているフィラメントに 電 流 を 流 して 赤 熱 させる するとこ の 熱 で 水 銀 蒸 気 の 温 度 が 上 がり 放 電 しやすくなる 頃 合 を 見 てフィラメント の 電 流 を 切 り 両 端 に 瞬 間 的 な 高 電 圧 をかけるとフィラメント 間 に 放 電 が 始 ま って 点 灯 させられる ずいぶんと 面 倒 な 手 順 だが 実 際 の 手 順 は 蛍 光 灯 器 具 に 組 み 込 まれている 電 気 部 品 が 行 ってくれている 蛍 光 灯 器 具 の 内 部 回 路 現 在 インバータ 方 式 の 電 子 点 灯 が 主 流 になっているが ここに 示 すのは 昔 ながらの 点 灯 管 を 使 う 点 灯 方 式 の 回 路 である 100V の 電 源 は 蛍 光 灯 管 の 両 端 にある 電 極 の 片 方 ずつにつながっている 残 りの 電 極 どうしは グローランプ と 呼 ばれる 点 灯 管 につながっている また 電 源 と 蛍 光 灯 管 の 間 には スイ ッチと 安 定 器 と 呼 ばれるチョークコ イルが 直 列 で 入 っている 蛍 光 灯 の 回 路 はこれだけである

点 灯 管 (グローランプ)の 働 き グローランプは バイメタルと 呼 ばれる 温 度 でたわむ 金 属 を 電 極 に 取 り 付 け アルゴンガスを 封 じ 込 んだ 放 電 管 である 通 常 はバイメタルの 極 と もう 一 方 の 極 の 間 は1ミリ 程 度 離 れている 蛍 光 灯 のスイッチを 入 れると 安 定 器 蛍 光 灯 管 の 両 端 のフィラメントを 通 っ て グローランプに 電 圧 がかかる グローランプの 電 極 どうしの 間 で 放 電 が 始 まる グローランプが 紫 色 に 輝 くのはこの 放 電 によるものだ 放 電 が 始 まると その 熱 でバイメタルが 延 びて 相 手 方 の 電 極 に 接 触 する 接 触 するとグローランプの 電 極 管 はつながるので 蛍 光 灯 管 の 両 端 のフィラメント に 電 流 が 流 れて 赤 熱 が 始 まる グローランプの 放 電 が 止 まることでバイメタルの 温 度 が 下 がって 接 触 してい る 電 極 が 離 れる 安 定 器 の 働 き 安 定 器 のコイルは 電 流 が 流 れていない 時 には 電 圧 をそのまま 伝 える だか ら グローランプには 最 初 電 源 の 100V が 掛 って 放 電 が 起 きる その 後 グロー ランプの 接 点 がつながって 交 流 電 流 が 流 れると 抵 抗 として 作 用 し 電 圧 を 下 げる 働 きをする そしてグローランプが 冷 えて 接 点 が 離 れ 流 れている 電 流 が 切 られた 時 その まま 流 し 続 けようとする 作 用 があるので 瞬 間 的 な 高 電 圧 が 発 生 する この 高 電 圧 が 発 生 する 仕 組 みは 自 動 車 のイグニッションコイルでも 同 じだ この 発 生 した 瞬 間 的 な 高 電 圧 によって 蛍 光 灯 管 の 両 端 のフィラメント 管 で 放 電 が 開 始 し 点 灯 が 始 まる 点 灯 が 始 まれば 安 定 器 によって 電 圧 は 70V 程 度 に 下 がり そのまま 点 灯 が 続 く また 蛍 光 灯 管 に 電 流 が 流 れるので グローランプにはほとんど 電 圧 がかか らくなり グローランプはその 後 放 電 しない 状 態 になる この 様 に 蛍 光 灯 ではグローランプと 安 定 器 の 微 妙 なコンビネーションで 点 灯 を 行 っているのだ 電 子 点 灯 方 式 では 最 近 の 蛍 光 灯 の 大 部 分 はインバータ 方 式 などと 呼 ばれる 電 子 点 灯 方 式 が 使 わ れている 点 灯 の 方 法 は 基 本 的 には 同 じだが 従 来 グローランプが 行 っていた 点 灯 の 手 順 を 電 子 回 路 で 行 っている 電 子 回 路 で 制 御 するために グローランプによる 点 灯 に 比 べて 速 やかに 点 灯 できる またインバータを 使 って 交 流 の 周 波 数 を 上 げているので 商 用 周 波 数 で 点 灯 する 方 式 に 比 べて ちらつきが 少 ない 利 点 がある また 波 形 を 制 御 す る 事 で ある 程 度 の 範 囲 で 明 るさを 変 化 させる 事 もできる 蛍 光 灯 の 寿 命

蛍 光 灯 管 の 寿 命 蛍 光 灯 は 白 熱 電 球 に 比 べて 寿 命 が 長 いが それでも 寿 命 はある 種 類 によって も 異 なる 様 だが 6,000~8,000 時 間 程 度 と 言 われている フィラメントの 断 線 蛍 光 灯 にもフィラメントがあるので これが 断 線 すれば 白 熱 電 球 の 玉 切 れと 同 じで 全 く 点 灯 しなくなる ただし 蛍 光 灯 管 のフィラメントが 断 線 すること はまずない 点 灯 不 良 長 期 間 使 っていると 点 灯 動 作 を 繰 り 返 すような 状 態 になる 後 で 述 べるが グローランプが 不 良 になった 時 にも 似 た 様 な 状 態 になる 光 量 低 下 蛍 光 灯 は 時 間 経 過 と 共 に 光 量 が 低 下 して 来 る 初 期 の 光 量 に 対 して 70%に 低 下 した 状 態 が 定 格 寿 命 とされている 点 灯 しているが 暗 くなるので 不 経 済 であ るから 早 目 に 交 換 する 方 が 好 ましい なお 蛍 光 灯 管 の 寿 命 は 点 灯 のさせ 方 によって 大 幅 に 変 わる 最 も 寿 命 を 低 下 させるのが 点 灯 動 作 である 頻 繁 に 点 灯 を 繰 り 返 すと 著 しく 寿 命 が 短 くなる だから 店 舗 や 事 務 所 の 様 に 連 続 して 点 灯 している 場 所 では 寿 命 が 長 いが 家 庭 の 洗 面 所 などで 使 うと 寿 命 が 短 くなる また 寿 命 には 周 囲 の 温 度 も 影 響 する サウナの 様 な 高 温 の 場 所 で 使 うと 寿 命 低 下 が 著 しい 蛍 光 灯 器 具 のカバーの 汚 れが 著 しいと 暗 くなる 暗 くなった 分 の 光 はホコリなどに 吸 収 されて 熱 に 変 わる 結 果 として 蛍 光 灯 管 を 温 める 事 になり 多 少 なりとも 寿 命 に 影 響 するはずである 蛍 光 灯 器 具 の 清 掃 はこまめ に 行 う 様 にしよう 点 灯 管 の 寿 命 点 灯 管 (グローランプ)にも 寿 命 がある メーカーでは 蛍 光 灯 管 を 交 換 する 際 にグローランプの 交 換 を 推 奨 しているが 筆 者 の 経 験 で 言 えば グローランプ の 寿 命 の 方 が 蛍 光 灯 管 よりも 長 い グローランプが 劣 化 して 来 ると 次 の 様 な 状 態 になる グローランプの 点 灯 が 長 引 く グローランプは 紫 に 輝 いているが 蛍 光 灯 管 が 一 向 に 点 灯 しない 状 態 グロー ランプの 放 電 が 始 まっても 接 点 がなかなか 閉 じない 状 態 である いくら 蛍 光 灯 でも 通 常 は2~3 秒 程 度 で 点 灯 するのが 普 通 これ 以 上 長 引 くならばグロー ランプを 換 えてみよう 蛍 光 灯 管 の 両 端 が 薄 赤 く 光 る 状 態 が 続 く フィラメントに 電 流 が 流 れた 後 も グローランプの 接 点 が 離 れない 状 態 この 状 態 を 続 けると 新 規 の 蛍 光 灯 管 でもすぐに 劣 化 してしまう この 状 態 でグロ ーランプをはずせば 蛍 光 灯 管 は 点 灯 する

蛍 光 灯 の 点 灯 動 作 が 繰 り 返 される グローランプが 劣 化 しても 蛍 光 灯 の 点 灯 動 作 が 繰 り 返 して 点 滅 する 状 態 にな る なお 蛍 光 灯 管 が 不 良 になって 点 滅 する 場 合 には 点 灯 後 に 明 るさが 低 下 して 消 える グローランプが 不 良 の 時 には 明 るさが 低 下 しないのに 点 灯 動 作 を 繰 り 返 す 判 別 できなかったらグローランプを 抜 いてみるのが 良 い グローランプを 抜 い て 消 灯 するなら 蛍 光 灯 管 の 不 良 点 灯 が 続 くならグローランプが 不 良 だ 蛍 光 灯 器 具 の 寿 命 蛍 光 灯 管 もグローランプも 新 品 に 交 換 しても 正 常 に 点 灯 しない 場 合 は 安 定 器 が 劣 化 している 電 子 点 灯 方 式 の 場 合 には 電 子 回 路 の 劣 化 も 考 えられる 蛍 光 灯 器 具 の 寿 命 は8 年 程 度 とされている 様 だが 昔 からのグローランプ 方 式 の 場 合 にはもっと 寿 命 が 長 い 様 だ また 蛍 光 灯 器 具 は 電 気 回 路 以 外 の 部 分 例 えばカバーなどの 周 辺 の 部 分 も 経 年 的 に 劣 化 して 行 く 屋 内 の 器 具 でも 長 年 の 間 に 樹 脂 の 焼 けが 発 生 し 掃 除 し ても 汚 れが 取 れなくなって 来 る 場 合 もある いずれも 蛍 光 灯 器 具 の 寿 命 とされ 器 具 全 体 の 交 換 が 必 要 になる その 他 蛍 光 灯 は 直 流 で 点 灯 できるか 電 気 には 交 流 と 直 流 がある 事 はご 存 知 の 事 と 思 う 乾 電 池 や 自 動 車 のバッテリ ーなど 電 池 から 出 すのは 直 流 家 庭 に 配 電 される 商 用 電 力 は 50Hz( 富 士 川 より 東 )ないし 60Hz( 同 西 )の 交 流 である 通 常 家 庭 に 取 り 付 けられている 蛍 光 灯 は 商 用 電 力 で 点 灯 するので 交 流 での 点 灯 である さて 蛍 光 灯 は 直 流 で 点 灯 させられるだろうか これは 例 えば 長 時 間 の 停 電 が 続 くような 場 合 自 動 車 のバッテリー(12V)を8 個 直 列 につないで 96V とし これを 使 って 家 庭 用 の 蛍 光 灯 を 点 灯 させられるかという 意 味 である 96V と 100V の 誤 差 は 影 響 しないものとする 答 えは ノー だ そんなはずはない 電 池 で 点 灯 する 蛍 光 灯 は 売 っているではないか と 思 うかも 知 れない ここで 言 うのは 乾 電 池 で 点 灯 させる 蛍 光 灯 器 具 の 話 ではな くて 通 常 の 蛍 光 灯 器 具 をバッテリーの 直 流 で 点 灯 させられるかという 話 であ る まず 蛍 光 灯 を 通 常 の 方 法 では 直 流 点 灯 できない 理 由 を 述 べる 既 に 述 べた 通 り 蛍 光 灯 管 の 内 部 には 水 銀 蒸 気 が 封 じられていて 水 銀 蒸 気 を 通 って 放 電 が 起 き

ている 水 銀 はプラスの 電 荷 を 持 つので マイナス 極 の 方 に 引 かれる 交 流 で 点 灯 する 場 合 には 50Hz なら 20msec でプラスとマイナスが 入 れ 替 わる ので 水 銀 は 行 ったり 来 たりするが どちらかの 極 に 集 まるという 事 はない しかし 直 流 で 点 灯 すると マイナス 極 の 方 に 水 銀 が 集 まってしまい 点 灯 が 持 続 しなくなるのだ 定 期 的 にプラスとマイナスを 入 れ 替 えてやれば 点 灯 は 持 続 させられるが 直 流 に 対 しては 安 定 器 が 機 能 しないという 問 題 も 生 じる 直 流 電 源 で 蛍 光 灯 を 点 灯 させる 必 要 があるのは 電 車 の 車 内 灯 が 代 表 的 な 例 で ある 関 東 地 域 の JR は 直 流 1500V で 運 転 されている これ 以 外 の 電 力 は 供 給 されていないので 車 内 灯 もこの 電 力 で 点 灯 させる 必 要 がある 直 流 で 蛍 光 灯 を 点 灯 させるには 直 流 から 交 流 に 変 換 する 必 要 がある 現 在 は インバータ 技 術 が 進 んでいるので ほとんどはインバータを 使 って 交 流 を 得 て いるだろうと 思 う 電 池 で 点 灯 するライトも 内 部 に 小 型 のインバータ 回 路 を 内 蔵 しているはずで ある また 電 池 4 本 程 度 の 電 圧 では 蛍 光 灯 を 点 灯 できないので 昇 圧 回 路 も 持 っていると 思 われる さて 最 初 の 設 問 に 戻 る もし 停 電 が 長 く 続 く 様 な 場 合 に 自 動 車 のバッテリで 蛍 光 灯 を 点 灯 させる 方 法 があるだろうか 最 近 では 自 動 車 電 源 用 の 小 型 のインバ ータが 売 られている 小 型 なのであまり 大 電 流 は 取 り 出 せないが 蛍 光 灯 の 点 灯 程 度 は 可 能 である では 最 近 のインバータ 式 の 蛍 光 灯 の 場 合 には バッテリだけで 点 灯 できるだろ うか 筆 者 は 試 したことはないが これは 何 とも 言 えない 何 とも 言 えない 理 由 は 回 路 次 第 だからだ もし 入 力 された 商 用 電 源 を 整 流 回 路 で 直 流 に 整 流 している 回 路 (おそらくほとんどその 様 になっていると 思 うが)であれば 点 灯 できる 可 能 性 がある PCB が 使 われていた 安 定 器 八 王 子 市 の 小 学 校 で 古 い 蛍 光 器 具 の 安 定 器 からPCBが 漏 洩 する 事 故 が 報 道 さ れたことがあった( 関 連 情 報 ) 安 定 器 の 中 身 は 鉄 芯 に 巻 かれたコイルである この 構 造 はトランスなどとも 同 じだ コイルはエナメル 線 を 密 に 巻 き 上 げた 構 造 であるから 長 期 間 の 使 用 に よる 劣 化 で 絶 縁 が 低 下 すると 漏 電 したり 発 火 するおそれがある このため トランスやチョークコイルなどの 巻 き 線 部 分 は 層 間 に 絶 縁 紙 を 挟 んで 絶 縁 性 を 高 めている そしてその 絶 縁 紙 には 絶 縁 を 高 めるための 油 を 含 浸 させている 他 容 器 の 中 に 絶 縁 油 を 封 じ 込 んである 場 合 もある 電 柱 の 上 のトランスなど では コイルの 冷 却 を 行 うために トランスを 納 めてある 箱 の 中 に 油 を 張 って ある

さて 問 題 はその 油 である 絶 縁 保 持 と 発 火 防 止 が 目 的 であるから 不 燃 性 の 油 でなければならない ところが 通 常 の 油 は そのほとんどが 燃 えやすいのが 普 通 だ 天 ぷら 油 の 様 な 燃 性 がある 油 を 使 ったら それこそ 火 に 油 を 注 ぐ 様 な 結 果 になる 絶 縁 性 が 高 く 決 して 燃 えることのない 安 全 な 油 そういった 目 的 で 開 発 され たのが ポリ 塩 化 ビフェニルという 物 質 であった 略 してPCBである PCBが 作 られた 当 時 においては PCBは 電 気 の 絶 縁 性 が 高 く 不 燃 性 であるという 性 質 だけを 見 れば 絶 縁 油 としては 最 も 安 全 な 物 質 であると 考 えられていた だが そのPCBが 人 体 に 対 して 毒 性 が 極 めて 高 い 物 質 である 事 が 分 ったのは PCBが 広 く 使 われた 後 だった 蛍 光 灯 の 安 定 器 についても 昭 和 47 年 (1972 年 ) に 製 造 が 中 止 されるまで 長 い 事 使 われて 来 た 製 造 中 止 から 既 に 30 年 経 っ た 今 日 であるが 公 共 施 設 や 施 設 用 照 明 器 具 ( 街 路 灯 )などでは PCBが 使 わ れている 蛍 光 灯 器 具 が 使 い 続 けられている 例 もあるとの 事 だ 冒 頭 の 漏 洩 事 故 以 来 PCBが 使 われていた 蛍 光 灯 の 安 定 器 が 大 きな 話 題 となっ た だがその 当 時 絶 縁 油 としてPCBを 使 ったのは 蛍 光 灯 用 の 安 定 器 だけだっ たのだろうか PCBの 利 用 目 的 が 不 燃 性 の 絶 縁 油 であるとしたら それ 以 外 の 配 線 部 品 や 電 子 部 品 などにも 広 く 使 われていた 可 能 性 は 否 定 できない 様 に 思 える 身 の 回 りのもので 言 えば 音 響 機 器 やコンピュータなどでも 多 用 されている 電 界 コンデンサがその 一 例 である もちろん パーソナルコンピュータが 登 場 す るのは PCBの 利 用 が 禁 止 された 後 であるから 現 在 のコンピュータでは 問 題 ないし 家 電 製 品 でもここ 30 年 前 以 降 に 購 入 したものなら 大 丈 夫 である しかし 音 響 機 器 などを 始 めとして 今 は 使 われていないとしても アンティー クとしての 価 値 のために 当 時 の 機 器 が 残 されている 場 合 も 考 えられる それ らの 古 い 機 器 にもしPCBが 使 われているものが 残 っているとしたら 管 理 状 態 は 大 丈 夫 なのであろうか やや 気 になる 所 である