JP2016001619A - 2線式調光スイッチ - Google Patents
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Abstract
【課題】照明負荷としてLED電球が接続された場合であっても、LED電球の明るさを安定させ、ちらつきや揺らぎの少ない2線式調光スイッチを提供する。
【解決手段】トライアック11を主スイッチ素子とする主開閉回路10と、交流電源2の周波数を検出する周波数検出回路17と、サイリスタを補助スイッチ素子として、主スイッチ素子が導通していないときに負荷電流を流す補助開閉回路18と、ユーザによって操作される調光量設定回路4と、周波数検出回路17の検出信号に基づいて交流電源2の周波数を検出し電圧ゼロクロス点を推定し、第1タイミングで補助開閉回路18を導通させるための駆動信号の出力を開始し、次の推定された電圧ゼロクロス点に対して所定時間手前の第2のタイミングで駆動信号の出力を停止する制御回路16を備え、負荷電流値が小さく、主開閉回路10が非導通になっても、補助開閉回路18で負荷電流を流し続ける。
【選択図】図1
【解決手段】トライアック11を主スイッチ素子とする主開閉回路10と、交流電源2の周波数を検出する周波数検出回路17と、サイリスタを補助スイッチ素子として、主スイッチ素子が導通していないときに負荷電流を流す補助開閉回路18と、ユーザによって操作される調光量設定回路4と、周波数検出回路17の検出信号に基づいて交流電源2の周波数を検出し電圧ゼロクロス点を推定し、第1タイミングで補助開閉回路18を導通させるための駆動信号の出力を開始し、次の推定された電圧ゼロクロス点に対して所定時間手前の第2のタイミングで駆動信号の出力を停止する制御回路16を備え、負荷電流値が小さく、主開閉回路10が非導通になっても、補助開閉回路18で負荷電流を流し続ける。
【選択図】図1
Description
本発明は、例えば照明負荷の明るさを調節するための2線式調光スイッチに関する。
従来から、白熱電球の調光を目的として、トライアックなどの半導体スイッチ素子を用いた調光スイッチが実用化されている。図8は、トライアック51を用いた2線式調光スイッチ50の基本的な回路構成(第1従来例)を示す。この2線式調光スイッチ50は、交流電源2と照明負荷(白熱電球)3に直列に接続される。2線式調光スイッチ50は、トライアック51、トライアック51のゲート電極に接続され、ゲート駆動信号を入力するための、例えばダイアック(トリガダイオード)52、ユーザによって操作される操作部材に接続された可変抵抗器53、固定抵抗体54、コンデンサ55、フィルタ素子56などで構成されている。
2線式調光スイッチ50では、スイッチ57をオンすると、交流電源2から可変抵抗器53を介してコンデンサ55が充電され、コンデンサ55の両端電圧がダイアック52のブイレークオーバ電圧に達するとトライアック51が導通する。そして、トライアック51は、交流電源の電圧ゼロクロス点で消弧する。すなわち、交流電源の半周期毎に、ダイアック52によるトライアック51のトリガ(導通)と自己消弧(非導通)を繰り返す。可変抵抗器53の抵抗値を調節してトライアック51の点弧期間を位相制御することにより、照明負荷3を調光することができる。
第1従来例の2線式調光スイッチ50は、可変抵抗器53の抵抗値を変化させることにより照明負荷3を調光しているため、可変抵抗器53による損失が大きい。また、可変抵抗器53に直接交流電源2の電圧が掛かるため、可変抵抗器53自体を小型化することができず、2線式調光スイッチ50の小型化も限界がある。さらに、同じ交流電源2に接続されている他の機器が動作すると、交流電源2に電圧変動が発生し、照明負荷3の明るさが瞬間的に変動する。
上記第1従来例の2線式調光スイッチ50の問題点を解決すべく、特許文献1には、半導体スイッチ素子を導通させるタイミング、すなわちゲート駆動信号を出力するタイミングを、マイクロコンピュータなどを用いて制御する調光スイッチが提案されている。なお、特許文献1に記載された調光スイッチは3線式であるが、図9は、特許文献1の構成を2線式調光スイッチに応用した回路構成(第2従来例)を示す。第2従来例の2線式調光スイッチ60では、トライアック61のゲート電極にフォトトライアックカプラ62の二次側フォトトライアック63が接続されている。また、トライアック61の他の電極間には整流回路65が接続され、整流回路65によって全波整流された電力は電源部66に入力される。制御部67は、電源部66によって変換された直流電力によって駆動される。ここで、整流回路65には交流電源2の電圧、例えばAC100Vが印加される。一方、制御部67は、例えばDC3〜6Vで駆動される。フォトトライアックカプラ62は、制御部67と半導体スイッチ素子61を光絶縁している。制御部67は、ユーザによって操作される操作部材に接続された可変抵抗器68の抵抗値に応じて、あらかじめルックアップテーブルに記憶されているタイミングでトランジスタ69を導通させる。トランジスタ69が導通すると、フォトトライアックカプラ62の一次側の発光ダイオード64に電流が流れ、二次側フォトトライアック63が導通する。フォトトライアックカプラ62の二次側フォトトライアック63が導通すると、負荷電流が流れ始めると共に、トライアック61のゲート電圧が上昇する。トライアック61のゲート電圧が閾値以上になると、トライアック61が導通し、交流電源2から照明負荷3に流れる電流は、2線式調光スイッチ
60内でフォトトライアック63からトライアック61に転流し、フォトトライアック63は非導通となる。
60内でフォトトライアック63からトライアック61に転流し、フォトトライアック63は非導通となる。
近年、白熱電球を置き換えるためにLEDを用いたLED電球が実用化されている。それに伴って、LED電球の中にも調光可能なものが実用化されている。白熱電球は抵抗体そのものであるのに対し、LED電球は、図10に示すように、複数のLED素子とその駆動回路で構成されている。LED駆動回路70は、交流電力を整流する整流回路71と、インダクタ72と、電力を貯めておくためのバッファコンデンサ73と、LEDアレイ77と、LEDアレイ77に並列接続されたコンデンサ76と、LEDアレイ77に定電流を流すためのFET75及びその駆動IC74などで構成されている。すなわち、LED電球は、負荷としてはダイオードやICで構成された電子回路である。図11(a)は、交流電源の1/2周期における白熱電球の負荷電圧と負荷電流の波形を示し、図11(b)はLED電球の負荷電圧と負荷電流の波形を示す。白熱電球は力率が1であり、電圧と電流はほぼ同じ波形を示す。それに対して、LED電球の場合、負荷電流は主にコンデンサ73を充電するためのものであり、トライアックの導通と同時に瞬間的に大きな値を示すが、すぐに小さくなる。
このような特性を示すLED電球を第1従来例の2線式調光スイッチ50で調光制御しようとすると、以下のような問題点が生じる。図12はLED電球を第1従来例の2線式調光スイッチ50で調光制御した場合の問題点を示す。図12に示すように、トライアック51が導通すると、瞬間的に大きな負荷電流が流れるが、すぐに小さくなる。負荷電流の値がトライアック51の保持電流未満になると、トライアック51が自己消弧して非導通となってしまう。トライアック51が非導通になるとコンデンサ73の電圧が下がり、駆動IC74はFET75に流れる電流を小さくするように制御する。そうすると、LEDアレイ77に流れる電流が少なくなり、LED電球の明るさが低下する。また、交流電源2に重畳されるノイズの影響によって一時的に負荷電流が小さくなったり、図13に示すように、同じ交流電源2に接続されている他の機器の動作により交流電源2に電圧変動が生じると、LED電球の明るさが低下する。
一方、第2従来例の2線式調光スイッチ60の場合、フォトトライアックカプラ62の二次側のフォトトライアック63に電流を流し続ければ、負荷電流を流し続けることができる。ところが、フォトトライアック63には数mA〜数十mAの電流が流れるため、長時間導通を維持するには大きな電力を消費する。特に、LED電球は実質的に上記のような電子回路そのものであり消費電力が少ないため、2線式調光スイッチ60側で大きな電力を消費すると制御不能に陥る可能性がある。
本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、照明負荷としてLED電球が接続された場合であっても、LED電球の明るさを安定させ、ちらつきや揺らぎの少ない2線式調光スイッチを提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る2線式調光スイッチは、交流電源及び照明負荷に対して直列に接続される2線式調光スイッチであって、
交流電力が入力される第1接続端子及び第2接続端子と、
前記第1接続端子及び前記第2接続端子の間に接続され、第1の半導体スイッチ素子を主スイッチ素子とする主開閉回路と、
前記第1接続端子及び前記第2接続端子の間に、前記主開閉回路と並列に接続された整流回路と、
前記整流回路の直流側に接続され、前記2線式調光スイッチの内部電源を確保する電源回路と、
前記整流回路の直流側に接続され、第2の半導体スイッチ素子を補助スイッチ素子として、前記主スイッチ素子が導通していないときに負荷電流を流すと共に、前記主スイッチ素子を導通させるためゲート駆動信号を出力する補助開閉回路と、
ユーザによって操作され、前記照明負荷の明るさを調節するための調光量を設定するための調光量設定回路と、
第1タイミングで前記補助開閉回路を導通させるための駆動信号の出力を開始する制御回路を備えた2線式調光スイッチであって、
前記制御回路は、
前記調光量設定回路により設定された調光量に基づいて、当該第1のタイミングを決定し、
前記交流電源の周波数に基づいて、前記交流電源の電圧ゼロクロス点を推定し、
推定された電圧ゼロクロス点に基づいて、前記第1タイミングで前記補助開閉回路を導通させるための駆動信号の出力を開始する、
ことを特徴とする。
交流電力が入力される第1接続端子及び第2接続端子と、
前記第1接続端子及び前記第2接続端子の間に接続され、第1の半導体スイッチ素子を主スイッチ素子とする主開閉回路と、
前記第1接続端子及び前記第2接続端子の間に、前記主開閉回路と並列に接続された整流回路と、
前記整流回路の直流側に接続され、前記2線式調光スイッチの内部電源を確保する電源回路と、
前記整流回路の直流側に接続され、第2の半導体スイッチ素子を補助スイッチ素子として、前記主スイッチ素子が導通していないときに負荷電流を流すと共に、前記主スイッチ素子を導通させるためゲート駆動信号を出力する補助開閉回路と、
ユーザによって操作され、前記照明負荷の明るさを調節するための調光量を設定するための調光量設定回路と、
第1タイミングで前記補助開閉回路を導通させるための駆動信号の出力を開始する制御回路を備えた2線式調光スイッチであって、
前記制御回路は、
前記調光量設定回路により設定された調光量に基づいて、当該第1のタイミングを決定し、
前記交流電源の周波数に基づいて、前記交流電源の電圧ゼロクロス点を推定し、
推定された電圧ゼロクロス点に基づいて、前記第1タイミングで前記補助開閉回路を導通させるための駆動信号の出力を開始する、
ことを特徴とする。
また、前記補助開閉回路から出力される前記ゲート駆動信号によって導通され、前記補助開閉回路が導通した後、前記主スイッチ素子が導通していないときに負荷電流を流すと共に、前記主スイッチ素子を導通させるための駆動信号を出力する準主開閉回路をさらに備えたことが好ましい。
また、前記主スイッチ素子はトライアックであり、
前記補助開閉回路は、前記整流回路の直流側に接続されたサイリスタを補助スイッチ素子とすることが好ましい。
前記補助開閉回路は、前記整流回路の直流側に接続されたサイリスタを補助スイッチ素子とすることが好ましい。
または、前記主スイッチ素子はトライアックであり、
前記補助開閉回路は、前記整流回路の交流側に接続され、前記交流電源の極性に応じて交互に導通される2つのサイリスタを補助スイッチ素子とすることが好ましい。
前記補助開閉回路は、前記整流回路の交流側に接続され、前記交流電源の極性に応じて交互に導通される2つのサイリスタを補助スイッチ素子とすることが好ましい。
また、前記周波数検出回路は、前記整流回路から出力された脈流がトランジスタ素子のベースに入力されるように構成され、交流電源の周波数に応じた前記所定の検出信号が前記制御回路に入力されることが好ましい。
また、本発明に係る2線式調光スイッチは、交流電源及び照明負荷に対して直列に接続される2線式調光スイッチであって、
交流電力が入力される第1接続端子及び第2接続端子と、
前記第1接続端子及び前記第2接続端子の間に接続され、第1の半導体スイッチ素子を主スイッチ素子とする主開閉回路と、
前記第1接続端子及び前記第2接続端子の間に、前記主開閉回路と並列に接続された整流回路と、
前記整流回路の直流側に接続され、前記2線式調光スイッチの内部電源を確保する電源回路と、
前記整流回路の直流側に接続され、前記交流電源の周波数に応じて所定の検出信号を出力する周波数検出回路と、
前記整流回路の交流側に接続され、前記交流電源の極性に応じて交互に導通される2つ
のサイリスタを補助スイッチ素子として、前記主スイッチ素子が導通していないときに負荷電流を流すと共に、前記主スイッチ素子を導通させるためゲート駆動信号を出力する補助開閉回路と、
ユーザによって操作され、前記照明負荷の明るさを調節するための調光量を設定するための調光量設定回路と、
第1タイミングで前記補助開閉回路を導通させるための駆動信号の出力を開始し、第2のタイミングで前記駆動信号の出力を停止する制御回路を備えた2線式調光スイッチであって、
前記制御回路は、
前記第1のタイミングを決定するためのルックアップテーブルをあらかじめ記憶しており、前記調光量設定回路により設定された調光量に基づいて、前記ルックアップテーブルを検索して前記第1のタイミングを決定し、
前記周波数検出回路から出力される前記検出信号に基づいて、前記交流電源の周波数を検出し、前記交流電源の電圧ゼロクロス点を推定し、
推定された電圧ゼロクロス点に基づいて、前記第1タイミングで前記補助開閉回路を導通させるための駆動信号の出力を開始し、
前記推定された電圧ゼロクロス点の次の推定された電圧ゼロクロス点に対して所定時間手前の第2のタイミングで前記駆動信号の出力を停止し、
前記補助開閉回路が非導通になり、前記整流回路から出力される脈流が前記周波数検出回路に転流すると、前記周波数検出回路からの前記検出信号に基づいて、前記交流電源の次の電圧ゼロクロス点を推定する、
ことを特徴とする。
交流電力が入力される第1接続端子及び第2接続端子と、
前記第1接続端子及び前記第2接続端子の間に接続され、第1の半導体スイッチ素子を主スイッチ素子とする主開閉回路と、
前記第1接続端子及び前記第2接続端子の間に、前記主開閉回路と並列に接続された整流回路と、
前記整流回路の直流側に接続され、前記2線式調光スイッチの内部電源を確保する電源回路と、
前記整流回路の直流側に接続され、前記交流電源の周波数に応じて所定の検出信号を出力する周波数検出回路と、
前記整流回路の交流側に接続され、前記交流電源の極性に応じて交互に導通される2つ
のサイリスタを補助スイッチ素子として、前記主スイッチ素子が導通していないときに負荷電流を流すと共に、前記主スイッチ素子を導通させるためゲート駆動信号を出力する補助開閉回路と、
ユーザによって操作され、前記照明負荷の明るさを調節するための調光量を設定するための調光量設定回路と、
第1タイミングで前記補助開閉回路を導通させるための駆動信号の出力を開始し、第2のタイミングで前記駆動信号の出力を停止する制御回路を備えた2線式調光スイッチであって、
前記制御回路は、
前記第1のタイミングを決定するためのルックアップテーブルをあらかじめ記憶しており、前記調光量設定回路により設定された調光量に基づいて、前記ルックアップテーブルを検索して前記第1のタイミングを決定し、
前記周波数検出回路から出力される前記検出信号に基づいて、前記交流電源の周波数を検出し、前記交流電源の電圧ゼロクロス点を推定し、
推定された電圧ゼロクロス点に基づいて、前記第1タイミングで前記補助開閉回路を導通させるための駆動信号の出力を開始し、
前記推定された電圧ゼロクロス点の次の推定された電圧ゼロクロス点に対して所定時間手前の第2のタイミングで前記駆動信号の出力を停止し、
前記補助開閉回路が非導通になり、前記整流回路から出力される脈流が前記周波数検出回路に転流すると、前記周波数検出回路からの前記検出信号に基づいて、前記交流電源の次の電圧ゼロクロス点を推定する、
ことを特徴とする。
本発明によれば、主スイッチ素子が導通していないときに負荷電流を流すと共に、主スイッチ素子又はその他の半導体スイッチ素子を導通させるためゲート駆動信号を出力する補助開閉回路を備え、補助開閉回路を導通させるための駆動信号が調光量設定回路により設定された調光量及び電圧ゼロクロス点に基づいて決定される第1タイミングから次の電圧ゼロクロス点に対して所定時間手前の第2のタイミングまでの間出力され続け、補助開閉回路は導通状態を維持される。そのため、照明負荷がLED電球であり、負荷電流が補助開閉回路などから主開閉回路に転流した後、負荷電流値が主スイッチ素子の保持電流未満となり、主開閉回路が非導通になったとしても、補助開閉回路などを介して負荷電流を流し続けることができる。その結果、LED電球の明るさを安定させ、ちらつきや揺らぎを小さくすることができる。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に係る2線式調光スイッチについて説明する。図1は、第1実施形態に係る2線式調光スイッチ1Aの回路構成を示す。2線式調光スイッチ1Aは、交流電源2及び照明負荷3に対して直列に接続される。2線式調光スイッチ1Aの調光用可変抵抗器4と一体的に照明負荷3の点灯及び消灯を制御するスイッチ5を備えていてもよいし、スイッチ5が別に設けられていてもよい。以下の説明においては、スイッチ5を2線式調光スイッチ1Aとは別に設けた場合を例示する。
本発明の第1実施形態に係る2線式調光スイッチについて説明する。図1は、第1実施形態に係る2線式調光スイッチ1Aの回路構成を示す。2線式調光スイッチ1Aは、交流電源2及び照明負荷3に対して直列に接続される。2線式調光スイッチ1Aの調光用可変抵抗器4と一体的に照明負荷3の点灯及び消灯を制御するスイッチ5を備えていてもよいし、スイッチ5が別に設けられていてもよい。以下の説明においては、スイッチ5を2線式調光スイッチ1Aとは別に設けた場合を例示する。
2線式調光スイッチ1Aの第1接続端子1a及び第2接続端子1bは、交流電源2又は照明負荷3とスイッチ5に接続される。第1接続端子1aと第2接続端子1bとの間には、トライアックなどの半導体スイッチ素子を主スイッチ素子11とする主開閉回路10が接続されている。また、主開閉回路10と並列に、第1接続端子1aと第2接続端子1bとの間には整流回路12が接続され、整流回路12にはこの2線式調光スイッチ1Aの内部電力を確保するための電源回路13が接続されている。電源回路13は、ダーリントン接続された第1トランジスタ素子13a及び第2トランジスタ素子13bと、第2トランジスタ素子13bのベースに接続されたツェナーダイオード13c及び抵抗体13dなどで構成されたスイッチング回路と、マイクロプロセッサなどで構成された制御回路16に直流の定電圧電力を供給するための定電圧回路(三端子レギュレータなど)14及びバッファコンデンサ15などが含まれる。
スイッチ5がオンされると、整流回路12により整流された脈流が電源回路13に入力され、ツェナーダイオード13cのツェナー電圧により出力電圧が支配された電力が電源回路から出力される。この電力は、バッファコンデンサ15を充電すると共に、定電圧回路14によって所定の電圧(例えば、3V)に降圧され、制御回路16に供給される。ここで、電源回路13の抵抗体13dの抵抗値を、第2トランジスタ素子13bが動作するために必要な電流が流れる程度に高い値とすれば、ツェナーダイオード13cを介してグランドに流れる電流値を低く抑えることができ、電力損失の低減を図ることができる。
整流回路12の直流側出力端子には、交流電源2の周波数を検出するための周波数検出回路17が接続され、周波数検出回路17から出力される所定の検出信号が制御回路16に入力される。また、整流回路12の直流側出力端子には、主開閉回路10の主スイッチ素子11が導通するまでの間又は主スイッチ素子11が導通しないときに照明負荷3に電流を流すためのサイリスタなどの半導体スイッチ素子を補助スイッチ素子とする補助開閉回路18が接続されている。制御回路16には、ユーザによって操作される可変抵抗器等で構成された調光量設定回路4が接続されている。なお、以下の説明において、必要に応じて、主スイッチ素子をトライアック11と、補助開閉回路又は補助スイッチ素子をサイリスタ18と称する。
周波数検出回路17は、整流回路12から出力された脈流がトランジスタ素子17aのベースに入力されるように構成され、交流電源2の周波数に応じて周波数検出回路17から所定の検出信号が制御回路16に入力される。制御回路16は、周波数検出回路17の検出信号から交流電源2の周波数(50Hz又は60Hz)の検出及びそれに基づいて電圧ゼロクロス点を推定する。そして、検出した周波数及び推定した電圧ゼロクロス点などに基
づいてサイリスタ18のゲート端子にゲート駆動信号を入力する。図2は、照明負荷3としてLED電球を用いた場合の交流電源2の1/2周期における負荷電圧、負荷電流及びゲート駆動信号の各波形を示す。ゲート駆動信号の立ち上がり(サイリスタ18が導通する第1のタイミング)は、調光量設定回路(可変抵抗器)4の抵抗値に基づいて、制御回路16にあらかじめ記憶されているルックアップテーブルを検索することによって決定される。ゲート駆動信号の立ち下がり(サイリスタ18が非導通となる第2のタイミング)は、交流電源2の電圧ゼロクロス点から所定時間Δt(例えば1ms)だけ手前に設定されている。この所定の時間Δtは、例えば制御回路16が周波数検出回路17からの検出信号に基づいて次の電圧ゼロクロス点を推定するのに十分な時間である。
づいてサイリスタ18のゲート端子にゲート駆動信号を入力する。図2は、照明負荷3としてLED電球を用いた場合の交流電源2の1/2周期における負荷電圧、負荷電流及びゲート駆動信号の各波形を示す。ゲート駆動信号の立ち上がり(サイリスタ18が導通する第1のタイミング)は、調光量設定回路(可変抵抗器)4の抵抗値に基づいて、制御回路16にあらかじめ記憶されているルックアップテーブルを検索することによって決定される。ゲート駆動信号の立ち下がり(サイリスタ18が非導通となる第2のタイミング)は、交流電源2の電圧ゼロクロス点から所定時間Δt(例えば1ms)だけ手前に設定されている。この所定の時間Δtは、例えば制御回路16が周波数検出回路17からの検出信号に基づいて次の電圧ゼロクロス点を推定するのに十分な時間である。
次に、第1実施形態に係る2線式調光スイッチ1Aの具体的な動作について説明する。スイッチ5がオフの状態では、バッファコンデンサ15の電荷はほとんど放電されており、制御回路16は機能していないと考えられる。ここで、スイッチ5がオンされると、整流回路12から、例えば全波整流された脈流が出力される。それによって、バッファコンデンサ15が充電されると共に、定電圧回路14から直流電力が制御回路16に供給され、制御回路16が起動する。これと並行して、周波数検出回路17から検出信号が制御回路16に入力されるので、制御回路16は交流電源2の周波数の検出及びその電圧ゼロクロス点を推定する。そして、制御回路16は、調光量設定回路(可変抵抗器)4の抵抗値に基づいて第1のタイミングでゲート駆動信号の出力を開始する(ゲート駆動信号を立ち上げる)。ゲート駆動信号がサイリスタ18のゲート端子に入力されると、サイリスタ18が導通し、照明負荷3に電流が流れ始める。また、サイリスタ18に流れる電流は、トライアック11のゲート電極にも流れるので、その電圧及び電流がトライアック11のゲート電圧閾値及びターンオン電流以上になるとトライアック11が導通し、負荷電流はサイリスタ18からトライアック11に転流する。トライアック11が導通すると、整流回路12にはほとんど電流が流れず、サイリスタ18、電源回路13及び周波数検出回路17にはほとんど電流が流れない。電源回路13に電流が流れなくなると、バッファコンデンサ15から電力の放電が開始され、それによって制御回路16の駆動電力が確保される。このとき、サイリスタ18のゲート電極には、制御回路16からゲート駆動信号が入力され続けているので、サイリスタ18は導通状態にある。
照明負荷3がLED電球の場合、前述のようにサイリスタ18又はトライアック11の導通と同時に、負荷電流は瞬間的に大きな値を示すが、すぐに小さくなる。そして、負荷電流の値がトライアック11の保持電流未満になると、トライアック11が自己消弧して非導通となってしまうが、サイリスタ18が導通しているので、負荷電流はサイリスタ18を通って流れ続ける。そして、制御回路16は、交流電源2の電圧ゼロクロス点から所定時間Δtだけ手前の第2のタイミングでゲート駆動信号の出力を停止する(ゲート駆動信号を立ち下げる)。この段階では、負荷電流はほとんど流れておらず、サイリスタ18が非導通になっても、照明負荷3の明るさの変化はほとんど生じない。サイリスタ18が非導通になると、整流回路12から出力される脈流はサイリスタ18から電源回路13及び周波数検出回路17に転流するので、制御回路16は、周波数検出回路17からの検出信号に基づいて交流電源2の次の電圧ゼロクロス点を推定することができ、推定した電圧ゼロクロス点を基準として、次のゲート駆動信号の出力を開始するタイミングを制御することができる。
このように、2線式調光スイッチ1Aは、主開閉回路10の主スイッチ素子(トライアック)11が導通するまでの間又は主スイッチ素子11が導通していないときに照明負荷3に電流を流すための補助開閉回路(サイリスタ)18を備えているので、負荷電流の値がトライアック11の保持電流未満になり、トライアック11が非導通となっても、サイリスタ18が導通しているので、負荷電流はサイリスタ18を通って流れ続ける。その結果、LED電球の明るさが安定し、肉眼でわかるようなちらつきや揺らぎはほとんど生じ
ない。また、負荷電流の最大値がトライアック11の保持電流未満の場合であっても、補助開閉回路(サイリスタ)18を介して負荷に電流を流し続けることができる。さらに、サイリスタ18のゲート電極に入力するゲート駆動信号を、交流電源2の電圧ゼロクロス点から所定時間Δtだけ手前の第2のタイミングで停止することにより、交流電源2の次の電圧ゼロクロス点を正確に推定することができる。また、図3に示すように、同じ交流電源2に接続されている他の機器が動作したとしても、サイリスタ18を介して負荷電流が流れ続けるので、照明負荷3の明るさはほとんど変化しない。また、負荷電圧波形もあまり変化しない。なお、トライアック11としては、特にその保持電流値が小さいものを選択して使用することはいうまでもない。
ない。また、負荷電流の最大値がトライアック11の保持電流未満の場合であっても、補助開閉回路(サイリスタ)18を介して負荷に電流を流し続けることができる。さらに、サイリスタ18のゲート電極に入力するゲート駆動信号を、交流電源2の電圧ゼロクロス点から所定時間Δtだけ手前の第2のタイミングで停止することにより、交流電源2の次の電圧ゼロクロス点を正確に推定することができる。また、図3に示すように、同じ交流電源2に接続されている他の機器が動作したとしても、サイリスタ18を介して負荷電流が流れ続けるので、照明負荷3の明るさはほとんど変化しない。また、負荷電圧波形もあまり変化しない。なお、トライアック11としては、特にその保持電流値が小さいものを選択して使用することはいうまでもない。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態に係る2線式調光スイッチについて説明する。図4は、第2実施形態に係る2線式調光スイッチ1Bの回路構成を示す。2線式調光スイッチ1Bは、上記第1実施形態に係る2線式調光スイッチ1Aに、準主開閉回路としてフォトトライアックカプラ20を追加したものである。フォトトライアックカプラ20の二次側フォトトライアック21が主開閉回路(トライアック)11に並列接続され、一次側発光ダイオード22が補助開閉部(サイリスタ)18に直列接続されている。その他の構成は同じである。このフォトトライアック21として、その保持電流値が主開閉回路のトライアック11の保持電流値よりも小さいものが選択されている。
本発明の第2実施形態に係る2線式調光スイッチについて説明する。図4は、第2実施形態に係る2線式調光スイッチ1Bの回路構成を示す。2線式調光スイッチ1Bは、上記第1実施形態に係る2線式調光スイッチ1Aに、準主開閉回路としてフォトトライアックカプラ20を追加したものである。フォトトライアックカプラ20の二次側フォトトライアック21が主開閉回路(トライアック)11に並列接続され、一次側発光ダイオード22が補助開閉部(サイリスタ)18に直列接続されている。その他の構成は同じである。このフォトトライアック21として、その保持電流値が主開閉回路のトライアック11の保持電流値よりも小さいものが選択されている。
次に、第2実施形態に係る2線式調光スイッチ1Bの具体的な動作について、相違点を中心に説明する。交流電源2の電圧ゼロクロス点においてトライアック11及びフォトトライアック21が消弧すると、整流回路12に電流が流れ、その後所定の第1のタイミングでサイリスタ18のゲート端子にゲート駆動信号が入力され、サイリスタ18が導通し、負荷電流がサイリスタ18を通って流れる。このとき、フォトトライアックカプラ20の一次側発光ダイオード22が発光し、二次側フォトトライアック21のゲート端子にゲート駆動信号が入力され、フォトトライアック21が導通する。フォトトライアック21が導通すると、負荷電流はフォトトライアック21に転流する。ここで、負荷電流値が小さく、主開閉回路のトライアック11の保持電流値未満であるときは、主開閉回路のトライアック11は導通せず、負荷電流はそのまま準主開閉回路であるフォトトライアック21を通って流れる。一方、負荷電流値が大きく、主開閉回路のトライアック11の保持電流値以上になると、主開閉回路のトライアック11が導通し、負荷電流はトライアック11に転流する。照明負荷3がLED電球の場合、負荷電流の値がトライアック11の保持電流未満になると、トライアック11が自己消弧して非導通となってしまうが、サイリスタ18が導通し、負荷電流はサイリスタ18に一時的に転流する。そして、フォトトライアックカプラ20の一次側発光ダイオード22が発光し、二次側フォトトライアック21が導通し、負荷電流はフォトトライアック21に転流する。フォトトライアック21の保持電流値は、上記のようにトライアック11の保持電流値よりも小さいので、負荷電流を安定して流し続けることができる。
第2実施形態に係る2線式調光スイッチ1Bは、第1実施形態に係る2線式調光スイッチ1Aと比較して、準主開閉回路としてフォトトライアックカプラ20が追加されているため、若干構造が複雑であり、その分コストアップの要因となる。しかしながら、トライアック11が非導通になった後も、負荷電流は、専ら整流回路12よりも上流側(交流側)のフォトトライアック21を流れるため、すなわち、負荷電流はダイオードブリッジを通過しないため、ダイオードブリッジによる損失がなくなる。その結果、LED電球の明るさの変化が非常に小さくなり、肉眼でわかるようなちらつきや揺らぎはほとんど生じない。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態に係る2線式調光スイッチについて説明する。図5は、第3実施形態に係る2線式調光スイッチ1Cの回路構成を示す。2線式調光スイッチ1Cは、上記第1実施形態に係る2線式調光スイッチ1Aにおいて、2つの補助開閉回路(サイリスタ)18a及び18bを設け、それぞれのサイリスタのアノードを整流回路12の交流側に、カソードを整流回路12の直流側マイナス端子に接続したものである。制御回路16から出力されるゲート駆動信号は、ダイオード25a及び25bで分岐されて、各サイリスタ18a及び18bのゲート端子に入力される。すなわち、交流電源2の極性に応じて2つのサイリスタ18a及び18bのいずれかが補助開閉回路として使用される。その他の構成及び動作は第1実施形態に係る2線式調光スイッチ1Aと同じである。
本発明の第3実施形態に係る2線式調光スイッチについて説明する。図5は、第3実施形態に係る2線式調光スイッチ1Cの回路構成を示す。2線式調光スイッチ1Cは、上記第1実施形態に係る2線式調光スイッチ1Aにおいて、2つの補助開閉回路(サイリスタ)18a及び18bを設け、それぞれのサイリスタのアノードを整流回路12の交流側に、カソードを整流回路12の直流側マイナス端子に接続したものである。制御回路16から出力されるゲート駆動信号は、ダイオード25a及び25bで分岐されて、各サイリスタ18a及び18bのゲート端子に入力される。すなわち、交流電源2の極性に応じて2つのサイリスタ18a及び18bのいずれかが補助開閉回路として使用される。その他の構成及び動作は第1実施形態に係る2線式調光スイッチ1Aと同じである。
第3実施形態に係る2線式調光スイッチ1Cは、第1実施形態に係る2線式調光スイッチ1Aと比較して、補助開閉回路を構成するサイリスタ、抵抗及びコンデンサが追加されているため、若干構造が複雑であり、その分コストアップの要因となる。しかしながら、トライアック11が非導通になった後、負荷電流は、整流回路12を構成するダイオード1個を通過しないので、その分だけ損失が少なくなる。照明負荷3がLED電球の場合、負荷電流値が非常に小さいので、ダイオード1個分の損失でも少ないほど、よりLED電球のちらつきや揺らぎを小さくすることができる。
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態に係る2線式調光スイッチについて説明する。図6は、第4実施形態に係る2線式調光スイッチ1Dの回路構成を示す。2線式調光スイッチ1Dは、第2実施形態に係る2線式調光スイッチ1Bと第3実施形態に係る2線式調光スイッチ1Cの特徴を組み合わせたものであり、準主開閉回路としてフォトトライアックカプラ20と、2つの補助開閉回路(サイリスタ)18a及び18bを備えている。第4実施形態に係る2線式調光スイッチ1Dでは、第3実施形態に係る2線式調光スイッチ1Cと同様に、負荷電流がサイリスタ18a又は18bを流れる際に整流回路12を構成するダイオード1個を通過しないので、その分だけ損失が少なくなる。そのため、第2実施形態に係る2線式調光スイッチ1Bと比較して、負荷電流がサイリスタ18a又は18bからフォトトライアック21に転流する際の電圧変動が小さくなり、照明負荷3に安定した電力を供給することができる。また、その結果、LED電球の明るさの変化がさらに小さくなり、ちらつきや揺らぎはほとんど生じない。
本発明の第4実施形態に係る2線式調光スイッチについて説明する。図6は、第4実施形態に係る2線式調光スイッチ1Dの回路構成を示す。2線式調光スイッチ1Dは、第2実施形態に係る2線式調光スイッチ1Bと第3実施形態に係る2線式調光スイッチ1Cの特徴を組み合わせたものであり、準主開閉回路としてフォトトライアックカプラ20と、2つの補助開閉回路(サイリスタ)18a及び18bを備えている。第4実施形態に係る2線式調光スイッチ1Dでは、第3実施形態に係る2線式調光スイッチ1Cと同様に、負荷電流がサイリスタ18a又は18bを流れる際に整流回路12を構成するダイオード1個を通過しないので、その分だけ損失が少なくなる。そのため、第2実施形態に係る2線式調光スイッチ1Bと比較して、負荷電流がサイリスタ18a又は18bからフォトトライアック21に転流する際の電圧変動が小さくなり、照明負荷3に安定した電力を供給することができる。また、その結果、LED電球の明るさの変化がさらに小さくなり、ちらつきや揺らぎはほとんど生じない。
(第5実施形態)
上記第1乃至第4実施形態は2線式調光スイッチの構造に関するものであったが、第5実施形態は、上記ずれかの2線式調光スイッチ1A〜1Dにおける制御方法に関する。2線式調光スイッチ1A〜1D及び図10に示すLED電球の駆動回路70は、いずれも交流電力を直流電力に変換し、バッファコンデンサに電力を蓄積する回路構成を有している。そのため、例えばスイッチ5が長時間オフされていたときは、いずれのバッファコンデンサも放電されて、電力は残っていないと考えられる。スイッチ5をオンすると、2線式調光スイッチ1A〜1Dが起動し、制御回路16がゲート駆動信号を出力することによって照明負荷3に電力の供給が開始される。照明負荷3がLED電球の場合、電力の供給が開始されても駆動回路70が起動していないため、定常点灯時とは異なる動作及びインピーダンス特性を示す。すなわち、LED電球の駆動回路70に電力の供給が開始されると、最初にバッファコンデンサ73が充電される。そのため、LED電球の起動時には、このバッファコンデンサ73の容量成分が支配的なインピーダンス特性を示す。そして、交流電源2の電圧が比較的高いときにLED電球の駆動回路70に電流が流れ始めると、バッファコンデンサ73が急速に充電され、2線式調光スイッチ1A〜1DとLED電球の駆動回路70との間で大きな力率違いが発生する。
上記第1乃至第4実施形態は2線式調光スイッチの構造に関するものであったが、第5実施形態は、上記ずれかの2線式調光スイッチ1A〜1Dにおける制御方法に関する。2線式調光スイッチ1A〜1D及び図10に示すLED電球の駆動回路70は、いずれも交流電力を直流電力に変換し、バッファコンデンサに電力を蓄積する回路構成を有している。そのため、例えばスイッチ5が長時間オフされていたときは、いずれのバッファコンデンサも放電されて、電力は残っていないと考えられる。スイッチ5をオンすると、2線式調光スイッチ1A〜1Dが起動し、制御回路16がゲート駆動信号を出力することによって照明負荷3に電力の供給が開始される。照明負荷3がLED電球の場合、電力の供給が開始されても駆動回路70が起動していないため、定常点灯時とは異なる動作及びインピーダンス特性を示す。すなわち、LED電球の駆動回路70に電力の供給が開始されると、最初にバッファコンデンサ73が充電される。そのため、LED電球の起動時には、このバッファコンデンサ73の容量成分が支配的なインピーダンス特性を示す。そして、交流電源2の電圧が比較的高いときにLED電球の駆動回路70に電流が流れ始めると、バッファコンデンサ73が急速に充電され、2線式調光スイッチ1A〜1DとLED電球の駆動回路70との間で大きな力率違いが発生する。
力率が大きく異なったインピーダンス間では、それぞれに印加される電圧の位相が交流
電源2の位相と異なっており、例えば交流電源2の電圧が100Vのときに負荷電圧が−30Vであったとすると、2線式調光スイッチ1A〜1Dの接続端子1aと1bの間の電圧(スイッチ間電圧とする)は130Vとなる。すなわち、交流電源2の電圧ゼロクロス点と2線式調光スイッチ1A〜1Dのスイッチ間電圧ゼロクロス点とは異なる。2線式調光スイッチ1A〜1Dは、本来交流電源2の電圧ゼロクロス点を基準として制御を行うことを目的としているが、上記制御回路16は、周波数検出回路17の出力からスイッチ間電圧ゼロクロス点を推定して調光制御を行っている。そのため、交流電源2の電圧ゼロクロス点とは異なったタイミングで制御を行う(ゲート駆動信号を出力する)と、本来の安定した調光制御ができなくなる可能性がある。
電源2の位相と異なっており、例えば交流電源2の電圧が100Vのときに負荷電圧が−30Vであったとすると、2線式調光スイッチ1A〜1Dの接続端子1aと1bの間の電圧(スイッチ間電圧とする)は130Vとなる。すなわち、交流電源2の電圧ゼロクロス点と2線式調光スイッチ1A〜1Dのスイッチ間電圧ゼロクロス点とは異なる。2線式調光スイッチ1A〜1Dは、本来交流電源2の電圧ゼロクロス点を基準として制御を行うことを目的としているが、上記制御回路16は、周波数検出回路17の出力からスイッチ間電圧ゼロクロス点を推定して調光制御を行っている。そのため、交流電源2の電圧ゼロクロス点とは異なったタイミングで制御を行う(ゲート駆動信号を出力する)と、本来の安定した調光制御ができなくなる可能性がある。
図7は、第5実施形態に係る制御方法による各部の波形を示す。調光を開始するまでは、交流電源2の電圧波形の位相と2線式調光スイッチ1A〜1Dのスイッチ間電圧波形の位相は一致している。第5実施形態に係る制御方法では、照明負荷3の調光制御開始に当たり、制御回路16から補助開閉回路のサイリスタ18にゲート端子に入力する最初のゲート駆動信号を、周波数検出回路17の出力から推測したスイッチ間電圧ゼロクロス点付近(例えば、スイッチ間電圧ゼロクロス点に対して±数ms以内)で出力する。最初のゲート駆動信号を出力するタイミングは、必ずしも電圧ゼロクロス点の手前である必要はなく、電圧ゼロクロス点を過ぎてからであってもよい。そうすることによって、交流電源2の電圧の低いレベルからLED電球の駆動回路70のバッファコンデンサ73の充電を開始することができる。このように、LED電球の駆動回路70への電力供給を電圧ゼロクロス点(0V)付近から開始することにより、2線式調光スイッチ1A〜1DとLED電球の駆動回路70のインピーダンス変化が急激なものとはならず、交流電源2の1/2周期の電力を2線式調光スイッチ1A〜1DとLED電球の駆動回路70とで分け合うことができる。また、2線式調光スイッチ1A〜1DとLED電球の駆動回路70との間で大きな力率違いは発生しないので、安定した調光制御を行うことができる。
なお、上記説明において、主スイッチ素子として単一の双方向半導体スイッチ素子であるトライアックを例示したが、それに限定されるものではなく、トライアックと同様に双方向に電流を流せる構造のものであればよく、例えばIGBTやFETを逆並列接続したものなどであってもよい。
1A〜1D 2線式調光スイッチ
2 交流電源
3 照明負荷
4 調光量設定回路(可変抵抗器)
5 スイッチ
10 主開閉回路
11 主スイッチ素子(トライアック)
12 整流回路
13 電源回路
16 制御回路
17 周波数検出回路
18、18a、18b 補助開閉回路(補助スイッチ素子、サイリスタ)
20 準主開閉回路(フォトトライアックカプラ)
21 フォトトライアック
22 発光ダイオード
2 交流電源
3 照明負荷
4 調光量設定回路(可変抵抗器)
5 スイッチ
10 主開閉回路
11 主スイッチ素子(トライアック)
12 整流回路
13 電源回路
16 制御回路
17 周波数検出回路
18、18a、18b 補助開閉回路(補助スイッチ素子、サイリスタ)
20 準主開閉回路(フォトトライアックカプラ)
21 フォトトライアック
22 発光ダイオード
Claims (8)
- 交流電源及び照明負荷に対して直列に接続される2線式調光スイッチであって、
交流電力が入力される第1接続端子及び第2接続端子と、
前記第1接続端子及び前記第2接続端子の間に接続され、第1の半導体スイッチ素子を主スイッチ素子とする主開閉回路と、
前記第1接続端子及び前記第2接続端子の間に、前記主開閉回路と並列に接続された整流回路と、
前記整流回路の直流側に接続され、前記2線式調光スイッチの内部電源を確保する電源回路と、
前記整流回路の直流側に接続され、第2の半導体スイッチ素子を補助スイッチ素子として、前記主スイッチ素子が導通していないときに負荷電流を流すと共に、前記主スイッチ素子を導通させるためゲート駆動信号を出力する補助開閉回路と、
ユーザによって操作され、前記照明負荷の明るさを調節するための調光量を設定するための調光量設定回路と、
第1タイミングで前記補助開閉回路を導通させるための駆動信号の出力を開始する制御回路を備えた2線式調光スイッチであって、
前記制御回路は、
前記調光量設定回路により設定された調光量に基づいて、当該第1のタイミングを決定し、
前記交流電源の周波数に基づいて、前記交流電源の電圧ゼロクロス点を推定し、
推定された電圧ゼロクロス点に基づいて、前記第1タイミングで前記補助開閉回路を導通させるための駆動信号の出力を開始する、
ことを特徴とする2線式調光スイッチ。 - 前記補助開閉回路から出力される前記ゲート駆動信号によって導通され、前記補助開閉回路が導通した後、前記主スイッチ素子が導通していないときに負荷電流を流すと共に、前記主スイッチ素子を導通させるための駆動信号を出力する準主開閉回路をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の2線式調光スイッチ。
- 前記主スイッチ素子はトライアックであり、
前記補助開閉回路は、前記整流回路の直流側に接続されたサイリスタを補助スイッチ素子とすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の2線式調光スイッチ。 - 前記周波数検出回路は、前記整流回路から出力された脈流がトランジスタ素子のベースに入力されるように構成され、交流電源の周波数に応じた前記所定の検出信号が前記制御回路に入力されることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の2線式調光スイッチ。
- 前記準主開閉回路はフォトトライアックカプラをスイッチ素子とし、前記フォトトライアックカプラの二次側のフォトトライアックが前記主スイッチ素子と並列に接続されると共に、一方の端子が前記主スイッチ素子のゲート端子に接続され、前記フォトトライアックカプラの一次側の発光ダイオードが前記補助開閉回路と直列に接続され、
前記フォトトライアックの保持電流値は前記トライアックの保持電流値よりも小さいことを特徴とする請求項2、請求項2に従属する請求項3又は請求項2に従属する請求項4に記載の2線式調光スイッチ。 - 前記制御回路は、前記照明負荷の調光制御を開始する際、前記補助開閉回路を導通させるための最初の駆動信号を、前記推定された電圧ゼロクロス点付近の所定のタイミングで出力することを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の2線式調光スイ
ッチ。 - 前記制御回路は、
前記推定された電圧ゼロクロス点の次の推定された電圧ゼロクロス点に対して所定時間手前の第2のタイミングで前記駆動信号の出力を停止する、
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の2線式調光スイッチ。 - 交流電源及び照明負荷に対して直列に接続される2線式調光スイッチであって、
交流電力が入力される第1接続端子及び第2接続端子と、
前記第1接続端子及び前記第2接続端子の間に接続され、第1の半導体スイッチ素子を主スイッチ素子とする主開閉回路と、
前記第1接続端子及び前記第2接続端子の間に、前記主開閉回路と並列に接続された整流回路と、
前記整流回路の直流側に接続され、前記2線式調光スイッチの内部電源を確保する電源回路と、
前記整流回路の直流側に接続され、前記交流電源の周波数に応じて所定の検出信号を出力する周波数検出回路と、
前記整流回路の交流側に接続され、前記交流電源の極性に応じて交互に導通される2つのサイリスタを補助スイッチ素子として、前記主スイッチ素子が導通していないときに負荷電流を流すと共に、前記主スイッチ素子を導通させるためゲート駆動信号を出力する補助開閉回路と、
ユーザによって操作され、前記照明負荷の明るさを調節するための調光量を設定するための調光量設定回路と、
第1タイミングで前記補助開閉回路を導通させるための駆動信号の出力を開始し、第2のタイミングで前記駆動信号の出力を停止する制御回路を備えた2線式調光スイッチであって、
前記制御回路は、
前記第1のタイミングを決定するためのルックアップテーブルをあらかじめ記憶しており、前記調光量設定回路により設定された調光量に基づいて、前記ルックアップテーブルを検索して前記第1のタイミングを決定し、
前記周波数検出回路から出力される前記検出信号に基づいて、前記交流電源の周波数を検出し、前記交流電源の電圧ゼロクロス点を推定し、
推定された電圧ゼロクロス点に基づいて、前記第1タイミングで前記補助開閉回路を導通させるための駆動信号の出力を開始し、
前記推定された電圧ゼロクロス点の次の推定された電圧ゼロクロス点に対して所定時間手前の第2のタイミングで前記駆動信号の出力を停止し、
前記補助開閉回路が非導通になり、前記整流回路から出力される脈流が前記周波数検出回路に転流すると、前記周波数検出回路からの前記検出信号に基づいて、前記交流電源の次の電圧ゼロクロス点を推定する、
ことを特徴とする2線式調光スイッチ。
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