JP2006032032A

JP2006032032A - 調光装置

Info

Publication number: JP2006032032A
Application number: JP2004206743A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Ogasawara; 潔小笠原; Yoshinobu Murakami; 善宣村上; Kazufumi Nagasoe; 和史長添
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2004-07-14
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-07-14
Also published as: JP4379236B2

Abstract

【課題】負荷の種別や接続台数、部品のばらつきなどを事前に考慮しなくても、調光下限付近の制御不具合を回避でき、適正な調光制御範囲を確保可能とする。
【解決手段】自己保持機能を有する双方向スイッチング素子Ｑ１と、誘導性要素Ｌ１と、照明負荷４１，４２と、交流電源１を直列接続して閉回路を構成し、双方向スイッチング素子Ｑ１を位相制御する制御回路２３を備える調光装置において、位相制御は双方向スイッチング素子Ｑ１のオン期間中は駆動電圧を与え続けるＤＣトリガ方式であり、照明負荷４１，４２と並列に容量性要素が接続されている場合に、双方向スイッチング素子Ｑ１のターンオフ時にスイッチング素子電流が保持電流以下となるように前記容量性要素に流れる進相電流を打ち消す電流を流す抵抗素子Ｒａを照明負荷４１，４２と並列に接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は白熱電球やＬＥＤのような光源の照度を調節する調光装置に関するものである。

従来、白熱灯を調光する手段として位相制御式調光装置がよく用いられている。位相制御式調光装置は一般的に商用交流電源と白熱灯負荷との間に直列に接続され、調光装置内部のスイッチング素子であるトライアックなどがＯＮする位相角（点弧位相角）を制御することにより、白熱灯負荷に供給する商用交流電圧の実効値を可変させて白熱灯負荷を調光制御する方式である。図６に位相制御式調光装置の動作波形を示す。白熱灯負荷では、電源電圧と負荷電流は同位相のため、電源のゼロクロスポイントでオフすれば、負荷電流もターンオフが可能である。

また、低電圧ハロゲン電球の点灯回路として、商用交流電圧を数十ＫＨｚの高周波に変換して、更に降圧トランスにて１２Ｖの高周波低電圧に変換する手段として、電子トランスがよく知られている。低電圧ハロゲン電球用電子トランスを前述した位相制御式調光装置と組み合わせて調光制御することも一般的な技術である。位相制御式調光装置と電子トランスを組み合わせて使用する場合の回路構成は図７のようになる。図中、１は交流電源、２は位相制御式調光装置、３は電子トランス、４は負荷である。この構成では双方向スイッチであるトライアックＱ１とフィルタチョークＬ１の直列接続にフィルタコンデンサＣ１が並列に接続され、更に電子トランス側の雑音防止用コンデンサＣ２が直列接続される構成となるため、トライアックＱ１に流れる電流は商用周波数で使用する場合、容量性要素の影響で電源電圧の位相に対し進相となる場合がある。

図８を用いて回路動作を説明する。ここでは、位相制御信号として、ターンオン時にのみゲート電圧を与えるパルストリガ方式ではなく、ターンオン期間中はゲート電圧を与え続けるＤＣトリガ方式（ベタトリガ方式ともいう）を用いている。トライアックＱ１は位相制御信号がオフとなった後、保持電流以下の電流となるとオフする素子であるが、上述の進相電流の影響で位相制御信号がオフとなるタイミングで既にトライアックＱ１に流れる電流がゼロクロスポイントをまたいで転流しており、位相制御信号がオフの瞬間、保持電流以上の電流が流れていた場合、トライアックＱ１をオフできないので、交流電源の次の半周期にわたり、電流がゼロになるまでトライアックＱ１はオン状態を維持してしまう。

そこで従来、この問題を解決するために、図９に示すように設計の段階でトライアックに流れる電流がゼロクロスポイントをまたぐ手前で位相制御信号をオフするように時間設定することで進相電流による調光動作の不具合を回避していた。図中、ｔ１のタイミングで位相制御信号がオフしてもトライアックＱ１はオフできないが、ｔ２のタイミングで位相制御信号がオフすることでトライアックＱ１はオフすることができる。

なお、特許文献１には、白熱灯の位相制御調光において、負荷と並列に抵抗素子を接続した回路が開示されているが、この抵抗素子は進相電流対策用の抵抗素子ではない。
特開平１０−２８４２６３号公報

図９に示した従来例のように、トライアックに流れる電流がゼロクロスポイントをまたぐ手前でトライアックの位相制御信号をオフするように設計の段階で時間設定を行ってしまうと、例えば同一の調光装置で複数台の負荷を調光しようとした場合、複数の雑音防止用コンデンサが並列に接続されるので、図１０に示すようにコンデンサ電流が負荷の接続台数に応じて増減することになる。このため、位相制御信号をオフさせるタイミングｔｘを最適に設定することが困難であった。負荷１台のコンデンサ電流であれば、トライアック電流が保持電流以下であっても、負荷複数台のコンデンサ電流が重畳されると、図１０のＸに示すように、位相制御信号がオフするときのトライアック電流が保持電流を超えてしまい、ある接続台数以上では進相電流の影響によりトライアックの制御ができなくなる。

この現象は例えばＬＥＤのような低ワット負荷が接続されるような場合には負荷電流が少ないため、進相電流の影響が顕著に現われる。また、前記負荷の接続台数の問題に加えて調光装置の部品ばらつきなどを考慮すると、電源電圧のゼロクロスポイントからトライアックをオフするタイミングを設計の段階である程度余裕を見た時間に設定する必要があるため、電圧位相制御における調光下限制御範囲を狭めてしまうといった問題が生じる。このことは特にＬＥＤ負荷のような低ワット負荷を調光する場合、調光性能に関して重要な問題となる。

本発明は上述のような不都合をなくし、負荷の種別や接続台数、あるいは部品のばらつきなどを事前に考慮しなくても、調光下限付近の制御不具合を回避でき、適正な調光制御範囲を確保できるようにすることを課題とする。

本発明にあっては、上記の課題を解決するために、図１に示すように、自己保持機能を有する双方向スイッチング素子Ｑ１と誘導性要素Ｌ１の直列回路を、照明負荷４１，４２と交流電源１の直列回路と並列に接続して閉回路を構成し、交流電源１の電圧位相を検出して双方向スイッチング素子Ｑ１のオンタイミングを可変とすることで照明負荷４１，４２への実効電力を可変とする位相制御回路２３を備える調光装置において、前記位相制御回路２３は双方向スイッチング素子Ｑ１のオン期間中は駆動電圧を与え続けるＤＣトリガ方式の位相制御回路であり、照明負荷４１，４２と並列に容量性要素が接続されている場合に、双方向スイッチング素子Ｑ１のターンオフ時にスイッチング素子電流が保持電流以下となるように前記容量性要素に流れる進相電流を打ち消す電流を流す抵抗素子Ｒａを照明負荷４１，４２と並列に接続したことを特徴とするものである。

本発明によれば、負荷の種別や接続台数、あるいは部品のばらつきを事前に考慮しなくても、調光下限付近の制御不具合を回避することができる。また、双方向スイッチング素子の駆動電圧をオフさせるタイミングをスイッチング電流のゼロクロスポイントを検出することなく決定できるから、カレントトランスなどの電流検出手段を用いることなく、交流電源の電圧位相を検出して電圧位相制御により調光動作を行うことができる。

（実施形態１）
本発明の実施形態１の回路図を図１に示す。交流電源１には雑音防止用コンデンサＣ１が並列接続されている。コンデンサＣ１の一端は整流回路２１の交流入力端子の一端に接続されており、他端はフューズＦ１を介して整流回路２１の交流入力端子の他端に接続されている。整流回路２１の交流入力端子の両端にはサージ吸収素子ＺＮＲが並列接続されており、直流出力端子の両端には平滑用のコンデンサＣ３が並列接続されている。コンデンサＣ３の直流電圧はスイッチング電源２２により安定な直流低電圧に平滑されて、制御回路２３に供給される。制御回路２３はマイコンとその周辺回路を含み、フォトトライアックＱ４の駆動信号として位相制御信号を出力する。ここでは、位相制御信号として、ターンオン時にのみ駆動電圧を与えるパルストリガ方式ではなく、ターンオン期間中は駆動電圧を与え続けるＤＣトリガ方式（ベタトリガ方式ともいう）を用いている。なお、制御回路２３は図示しないゼロクロス検出回路により交流電源１のゼロクロス点を検出しており、交流電源１の電源周期に同期した位相制御信号を出力することが可能となっている。

位相制御用の双方向スイッチング素子としてのトライアックＱ１は、主電極間にフォトトライアックＱ４と抵抗分圧回路を接続されており、抵抗分圧回路の出力をゲート電極に印加されている。ゲート電極と一方の主電極の間には雑音防止用のコンデンサが並列接続されている。トライアックＱ１の他方の主電極にはフィルタチョークＬ１の一端が接続されており、フィルタチョークＬ１の他端は、雑音防止用のコンデンサＣ２を介して交流電源１の一端に接続されている。交流電源１の他端はトライアックＱ１の前記一方の主電極に接続されており、交流電源１、トライアックＱ１、フィルタチョークＬ１、コンデンサＣ２で直列閉回路を構成している。このコンデンサＣ２の両端が位相制御式調光装置の出力端となり、その出力端間には負荷４１，４２が並列接続されている。ここで、負荷４１，４２はいずれも、雑音防止用コンデンサを入力部に有する負荷であり、並列に多数接続すると、当然、進相電流が流れる。そこで、この進相電流を緩和するための進相対策用抵抗素子ＲａをコンデンサＣ２と並列に接続する。これにより、負荷の容量性に起因する進相電流の影響を緩和して、誤動作を防ぐことができる。

次に回路動作について説明する。図２は本発明の動作説明のための波形図であり、（イ）は抵抗素子Ｒａを接続する前、（ロ）は抵抗素子Ｒａを接続した後の動作を示す。抵抗素子Ｒａを接続する前は、負荷電流と進相電流の合成電流がトライアック電流となるため、トライアックＱ１がオフするタイミングにおいて、コンデンサＣ２による進相電流が負に転じていると、トライアック電流はその分、減少してしまう。このため、入力部にコンデンサが接続された負荷４１，４２，…の接続台数が増加して進相電流が増えると、いずれトライアックＱ１がオフする時にトライアック電流が負に転流することになる。そして、この電流が素子の保持電流以上になると、調光動作が正常に行われず、電源周期の次の半周期に渡ってトライアックＱ１がオンし続けてしまうが、進相対策用として本発明のように抵抗素子Ｒａを接続すると、トライアックＱ１に流れる電流は抵抗素子Ｒａに流れる電流分だけ嵩上げされるため、トライアックＱ１をオフするタイミングにおいて、進相電流により負に減少した電流を補償するだけの正の電流を流してやれば、トライアックＱ１がオフするタイミングの時にはまだ正の電流が残っているため、正常にトライアックＱ１のオフ制御を行うことができる。

なお、抵抗素子Ｒａは本発明の調光装置に接続され得る進相要素を有する負荷が最大台数で接続され、コンデンサの合成容量として最大となった場合でも、そのコンデンサによる進相電流を打ち消すだけの抵抗値に設定しておく必要がある。

本方式により、トライアックＱ１の電流を検出して、そのゼロクロス点より手前で位相制御信号をオフするという手段を用いずとも、単純に抵抗素子Ｒａの追加接続により、位相制御のオフポイントを真の電圧ゼロクロスポイントに近づけることができるので、正常に調光動作を行える調光範囲を調光下限方向について拡大することができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２の回路図を図３に示す。主回路及びその周辺回路は実施形態１と同じため、説明を省略する。異なる点は負荷と並列にスイッチ素子と抵抗素子が直列に接続された回路が複数並列に接続された点である。Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３はスイッチ素子、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は抵抗素子である。ここで、内蔵の抵抗素子Ｒａと外付けの抵抗素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の抵抗値は同じであっても良いが、１／２、１／４、１／８、…という関係であっても良く、後者の方が多段階に抵抗値を可変とすることができる。

実施形態１においては、調光装置に接続され得る負荷すべての進相電流の影響を打ち消すだけの抵抗値を設計段階で設定しておく必要があるため、消費電力としては無効分が非常に大きく、また発熱損失も大きいため、設計的に不利となるが、本回路のように調光装置２の外部でスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，…を切り替えられるようにしておくことで、接続される負荷の台数・種別に応じて、ユーザーが任意に抵抗値を切り替えられるようにしておけば、必要以上の電力を無駄に消費する必要がない。また、調光装置２の熱設計という観点からも有利になる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３の回路図を図４に示す。主回路及びその周辺回路は実施形態１と同じため、説明を省略する。異なる点は負荷と並列に可変抵抗素子ＶＲが並列に接続された点である。

実施形態１においては、調光装置に接続され得る負荷すべての進相電流の影響を打ち消すだけの抵抗値を設計段階で設定しておく必要があるため、消費電力としては無効分が非常に大きく、また発熱損失も大きいため、設計的に不利となるが、本回路のように調光装置の外部で可変抵抗素子ＶＲを調節できるようにしておくことで、接続される負荷の台数・種別に応じて、ユーザーが任意に抵抗値を設定できるようにしておけば、必要以上の電力を無駄に消費する必要がない。また、調光装置２の熱設計という観点からも有利になる。

（実施形態４）
本発明の実施形態４を図５に示す。回路構成は実施形態２と同一のため、説明を省略する。異なる点は、実施形態２において、抵抗素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３として、調光装置２の外部に接続する抵抗性負荷の光源Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３、例えば白熱球や豆球のようなものを用いた点である。これらを調光装置２の外部に配置したことで回路内の熱設計に関して有利に働く。また、外部光源を進相レベルや調光レベル確認のインジケータなどとして用いることができる。具体的には現在の調光レベルを知る場合は白熱球の明るさそのものが調光レベルを示す指標になる。また、進相レベルに関しては、進相の度合いが大きい場合、白熱球を並列に多く接続して、トライアックＱ１の電流を増加させる必要があるので、点灯させている負荷の灯数により進相レベルを判断することができる。また、前述のように調光レベルや進相レベルを判断させるインジケータとしての照明は光源として利用することもできる。例えば、日中でも暗い機械室のようなところで、補助光源として用いても良い。このように進相対策のための電力を別用途に有効に利用することができる。

本発明の実施形態１の回路図である。本発明の実施形態１の動作説明のための波形図である。本発明の実施形態２の回路図である。本発明の実施形態３の回路図である。本発明の実施形態４の回路図である。従来の位相制御式調光装置の原理説明のための波形図である。従来例１の回路図である。従来例１の問題点を説明するための波形図である。従来例２の動作説明のための波形図である。従来例２の問題点を説明するための波形図である。

符号の説明

１交流電源
Ｑ１双方向スイッチング素子（トライアック）
Ｌ１フィルターチョーク
Ｒａ進相電流対策用抵抗素子
Ｃ２雑音防止用コンデンサ

Claims

自己保持機能を有する双方向スイッチング素子と誘導性要素の直列回路を、照明負荷と交流電源の直列回路と並列に接続して閉回路を構成し、交流電源の電圧位相を検出して双方向スイッチング素子のオンタイミングを可変とすることで照明負荷への実効電力を可変とする位相制御回路を備える調光装置において、前記位相制御回路は双方向スイッチング素子のオン期間中は駆動電圧を与え続けるＤＣトリガ方式の位相制御回路であり、照明負荷と並列に容量性要素が接続されている場合に、双方向スイッチング素子のターンオフ時にスイッチング素子電流が保持電流以下となるように前記容量性要素に流れる進相電流を打ち消す電流を流す抵抗素子を照明負荷と並列に接続したことを特徴とする調光装置。
前記照明負荷と並列に接続された抵抗素子と直列にスイッチ素子が挿入されていることを特徴とする請求項１記載の調光装置。
抵抗素子の代わりに白熱負荷が接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の調光装置。