JP3928133B2 - Incandescent light dimmer - Google Patents
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Description
本発明は、例えばスタジオ、劇場、舞台等の照明に適した白熱灯調光装置に関する。 The present invention relates to an incandescent lamp dimming device suitable for lighting such as a studio, a theater, and a stage.
一般に、この種の舞台照明等においては演出効果を高める等の目的から、調光照明は欠かせない。ここに、照明に白熱灯を用いたものでは、この白熱灯に供給する電力を調光レベルに応じて可変させるために、例えば、図13(a)に示すように交流電源1のライン上に一対のサイリスタ2,3を逆並列接続して設け、毎半サイクルでゼロクロス検出後に調光信号レベルに応じたタイミングでこれらのサイリスタ2,3を点弧させる位相制御を行い、同図(b)に示すような波形の電力を白熱灯4に供給することにより実現している。
In general, dimming lighting is indispensable in this kind of stage lighting and the like for the purpose of enhancing the effect of production. Here, in the case of using an incandescent lamp for illumination, in order to vary the electric power supplied to the incandescent lamp according to the dimming level, for example, on the line of the AC power source 1 as shown in FIG. A pair of
このようなサイリスタ2,3の位相制御では、電流が急峻に変化するため、点弧時のdi/dtが大きいので、高周波ノイズ(RFノイズ)が発生する。また、負荷である白熱灯4のフィラメント部分では音響ノイズが発生するという不具合がある。
In such phase control of the
このようなことから、実際的には、図14(a)に示すように、サイリスタ2,3に直列にリアクタLを挿入し、このリアクタLにより同図(b)に示すように、電流の立上り(サイリスタ2,3の点弧時)をゆるやかにする方式が採られている。しかし、リアクタLが大型となり、高価である上に、このリアクタL自体が音響ノイズとなる唸りを発生し、静粛な環境を阻害し、スタジオ、舞台等の照明として不向きなものとなる。
Therefore, in practice, as shown in FIG. 14A, a reactor L is inserted in series with the
このようなことから、ノイズを軽減させるための方式として、電流の立上り及び立下りの傾斜制御を行うようにしたものが、特許文献1及び特許文献2に示されている。具体的には、サイリスタに代えて、トランジスタ、FET(電界効果型トランジスタ)、IGBT(ゲート絶縁型バイポーラトランジスタ)等のスイッチ素子を用いて傾斜制御を行えるようにしたものである。
ところが、これらの傾斜制御に用いられるスイッチ素子は、高価であり、オン抵抗が大きいため、発熱が大きいという欠点がある。また、これらのスイッチ素子は、過電流耐量がサイリスタよりも小さいため、電源投入時の低抵抗状態下では過電流により破壊する可能性がある。即ち、白熱灯負荷の場合、電源投入時のようにフィラメントが冷えている時には、抵抗値が低く、定格電流の数倍〜10倍程度の電流が数サイクル分流れるが、上記のようなスイッチ素子はこのような突入電流に耐えないものである。かといって、これらのスイッチ素子の破壊を防止するため、供給電流を制限すると、白熱灯に十分電力を供給できず、白熱灯の立上りが遅れてしまう。これでは、舞台照明等として演出効果を自由に発揮させることができず、不適なものとなってしまう。 However, the switch elements used for these inclination controls are expensive and have a drawback of large heat generation because of high on-resistance. Further, these switch elements have an overcurrent withstand capability smaller than that of the thyristor, and therefore may be destroyed by an overcurrent in a low resistance state when the power is turned on. That is, in the case of an incandescent lamp load, when the filament is cold as when the power is turned on, the resistance value is low and a current several times to 10 times the rated current flows for several cycles. Does not withstand such an inrush current. However, if the supply current is limited in order to prevent destruction of these switch elements, sufficient power cannot be supplied to the incandescent lamp, and the rise of the incandescent lamp is delayed. In this case, the stage effect cannot be exhibited freely as stage lighting or the like, which is inappropriate.
また、この種の装置では、出力短絡時の保護が必要であるが、従来にあっては、入力側に過電流保護用のブレーカを設けているに過ぎないものである。 In addition, this type of device requires protection when the output is short-circuited, but conventionally, only an overcurrent protection breaker is provided on the input side.
本発明の目的は、過電流耐量の心配なく、サイリスタによる主スイッチ回路側を通して過渡期にも十分な電力を白熱灯に供給することができ、光束立上りに遅れを生じないようにすることのできる白熱灯調光装置を提供することである。 The object of the present invention is to supply sufficient electric power to the incandescent lamp through the main switch circuit side of the thyristor to the incandescent lamp without worrying about the overcurrent withstand capability, so that the rise of the luminous flux is not delayed. It is to provide an incandescent light dimmer.
本発明の白熱灯調光装置は、白熱灯に対する交流電源ライン上に接続されて毎半サイクル位相制御されるサイリスタによる主スイッチ回路と;この主スイッチ回路と並列に接続されたスイッチング素子を含む補助スイッチ回路と;サイリスタが点弧する直前の区間で前記補助スイッチ回路のスイッチング素子をリニア動作させる補助スイッチ回路制御手段と;白熱灯に対する出力電流を監視する監視手段と;交流電源に同期して前記主スイッチ回路中のサイリスタを点弧させるタイミング信号を生成出力すると共に、スイッチング素子のリニア動作で一定値以上の出力電流が流れたときにタイミング信号を繰上げ出力させるタイミング信号発生手段と;を備えていることを特徴とする。 An incandescent lamp dimming device according to the present invention includes a main switch circuit by a thyristor that is connected to an AC power supply line for an incandescent lamp and is phase-controlled every half cycle; and an auxiliary device that includes a switching element connected in parallel with the main switch circuit. A switch circuit; auxiliary switch circuit control means for linearly operating the switching element of the auxiliary switch circuit immediately before the thyristor is fired; monitoring means for monitoring the output current to the incandescent lamp; Timing signal generating means for generating and outputting a timing signal for igniting a thyristor in the main switch circuit, and for outputting the timing signal when an output current of a predetermined value or more flows in a linear operation of the switching element; It is characterized by being.
本発明によれば、毎半サイクルのオン区間の大半はオン抵抗の小さいサイリスタによる主スイッチ回路が受持つため、発熱の少ないものとなり、かつ、その急峻な立上り部分については補助スイッチ回路制御手段によってリニア動作する補助スイッチ回路のスイッチング素子が受持つため、傾斜状態で立上ってサイリスタのオン区間に移行することとなり、唸りによる音響ノイズが発生するといった問題も解決する。 According to the present invention, most of the ON section of each half cycle is handled by the main switch circuit using a thyristor having a low ON resistance, so that heat generation is reduced, and the steep rising portion is controlled by the auxiliary switch circuit control means. Since the switching element of the auxiliary switch circuit that operates linearly takes charge, it rises in an inclined state and shifts to the ON section of the thyristor, which solves the problem of generating acoustic noise due to roaring.
さらに、電源投入時等の白熱電球のフィラメント抵抗が小さいときには、出力電流が大きくなるため、監視手段により、一定値以上の電流が監視されたときには、タイミング信号発生手段がタイミング信号を繰上げ出力させるため、スイッチング素子のリニア動作に代えて、サイリスタの点弧が早められる。したがって、過電流耐量の心配なく、サイリスタによる主スイッチ回路側を通して過渡期にも十分な電力を白熱灯に供給することができ、光束立上りに遅れを生じないものとすることができる。 Furthermore, when the filament resistance of the incandescent bulb is small, such as when the power is turned on, the output current increases. Therefore, when the current exceeding a certain value is monitored by the monitoring means, the timing signal generating means advances the timing signal and outputs it. Instead of the linear operation of the switching element, the ignition of the thyristor is accelerated. Accordingly, sufficient power can be supplied to the incandescent lamp even during the transition period through the main switch circuit side by the thyristor without worrying about overcurrent withstand capability, and the rise of the luminous flux can be prevented from being delayed.
まず本発明で前提とする構成について図1ないし図4に基づいて説明する。 First, the configuration assumed in the present invention will be described with reference to FIGS.
交流電源11と白熱灯12との間には2つのサイリスタ13,14を逆並列接続した主スイッチ回路15が接続されている。各サイリスタ13,14のゲートに対してはフォトカプラの一方を構成するフォトサイリスタPTH1 ,PTH2 を含み、分圧抵抗R11,R12,R21,R22で形成された分圧トリガ回路16,17が接続されている(もっとも、抵抗R11,R12は必須ではなく、以下の実施例中で図示するように省略し、或いは、他の素子に代えてもよい)。また、この主スイッチ回路15に並列に全波整流回路18とスイッチング素子、例えばIGBT19とによる補助スイッチ回路20が接続されている。
A
さらに、前記交流電源11に対して入力電圧監視用の電源トランス21が接続され、この電源トランス21の出力に基づき毎半サイクルでゼロクロスを検出し、かつ、伝送線を介して入力される調光信号のレベルに応じたタイミングでサイリスタ13,14の位相制御を行うためのタイミング信号を生成出力するタイミング発生部(タイミング信号発生手段)22が設けられている。このタイミング発生部22は前記フォトカプラを構成するフォトサイリスタPTH1 ,PTH2に対応する発光ダイオードLED1 ,LED2 を通してサイリスタ13,14の位相制御、従って、点弧制御を行うものである。このタイミング発生部22は、より具体的には、図2に示すように、ゼロクロス検出回路23と、そのゼロクロス検出後の経過時間を計数するカウンタ24とにより構成されている。
Further, a power transformer 21 for monitoring the input voltage is connected to the AC power source 11, zero cross is detected every half cycle based on the output of the power transformer 21, and dimming input via the transmission line A timing generator (timing signal generating means) 22 is provided for generating and outputting a timing signal for performing phase control of the
また、前記白熱灯12に対する出力電圧を監視するために監視トランス(監視手段)25が設けられ、この監視トランス25により監視されている出力電圧の帰還を受けながら、前記補助スイッチ回路20のIGBT19の動作を制御する傾斜制御部(補助スイッチ回路制御手段)26が設けられている。この傾斜制御部26は図3に示すように、前記タイミング発生部22からの信号が入力される傾斜関数発生部27と、この傾斜関数発生部27の出力と前記監視トランス25から帰還される出力電圧とが入力される比較制御部28とにより構成され、IGBT19のベースに適正なベース電圧を適宜タイミングで入力して1次関数的な電圧変化率で電圧が増加するようにアナログ的にリニア動作させるものである。
In addition, a monitoring transformer (monitoring means) 25 is provided to monitor the output voltage to the
このような構成において、図4に示すタイミングチャートを参照して動作を説明する。まず、電源トランス21の出力がタイミング発生部22に入力され、ゼロクロス検出回路23でゼロクロス点が検出される。カウンタ24ではゼロクロス点が検出される毎に、調光信号のレベルに対応する時間を計測し、後段の傾斜制御部26に出力するとともに、所定時間後にサイリスタ13,14に対して図4(c)に示すようなサイリスタ点弧パルスを交互或いは同時に出力する。この出力は、フォトカプラを通して行われる。傾斜制御部26ではこのタイミング発生部22からの出力信号に基づき、傾斜関数発生部27でランプ関数波形を出力し、比較制御部28で出力電圧と比較し、一致するようなベース信号をIGBT19のベースに出力する。このようなIGBT19に対するベース信号は、図4(b)に示すようにこのIGBT19をリニア動作させるものであり、かつ。サイリスタ点弧直前の区間でのみ動作させるものである。この結果、白熱灯12に対する出力電圧は、図4(a)に示すように、IGBT19のリニア動作による電圧とサイリスタ13,14の交互点弧による電圧とを合わせたものとなる。
In such a configuration, the operation will be described with reference to the timing chart shown in FIG. First, the output of the power transformer 21 is input to the timing generator 22, and the zero-cross point is detected by the zero-
よって、毎半サイクル中のオン区間の大半は、オン抵抗の小さいサイリスタ13,14が受持つため、発熱の小さいものとなり、小型構成が可能となる。また、このようなサイリスタ13,14の急峻な立上り部分のみ、IGBT19のリニア動作が受持ち、出力電圧が適正に傾斜した状態で立上るため、唸りの発生がなく、音響ノイズの心配のない調光が可能となり、舞台等の調光照明として適したものとなる。ちなみに、IGBT19をリニア動作させる区間Tとしては、ランプのノイズ音を発生させない時間として、400μs程度がよい。また、このIGBT19をリニア動作させる制御に関して、監視トランス25により検出されている出力電圧の帰還に基づくため、電流に基づく場合のように負荷(白熱灯12)によって変動するようなことがなく、安定かつ適正な制御が可能となる。
Therefore, most of the ON section in each half cycle is handled by the
なお、上記構成では主スイッチ回路15を逆並列接続させた2つのサイリスタ13,14により構成したが、双方向性の1つのサイリスタ(トライアック)により構成するようにしてもよく、また、補助スイッチ回路20のスイッチング素子としてもIGBT19に限らず、通常のトランジスタやFET等であってもよい。また、タイミング発生部(タイミング信号発生手段)22がサイリスタ13,14に点弧パルスを出力するタイミングと、傾斜制御部(補助スイッチ回路制御手段)26がIGBT(スイッチング素子)19にゲート信号を出力するタイミングとは、上述した関係にあることが必要であるが、このようなタイミングを得るための構成は種々変形可能である。例えば、補助スイッチ回路制御手段からタイミング信号発生手段にゲート信号の停止とタイミングをとって信号を出力するようにしてもよい。このような手段としては、特に、マイコンを用いて構成されることが多く、当業者にとって適宜設計可能なものである。これらの点は、以下でも同様である。
In the above configuration, the
つづいて、上記構成の変形例を図5ないし図8により説明する。上述の構成で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示す(以下でも同様とする)。この構成では、前述の構成に加え、短絡対策として、白熱灯12に対する出力電流の時間変化を検出巻線29を通して検出する微分回路(監視手段)30を設け、この微分回路30の出力によってタイミング発生部22、従って、サイリスタ13,14の動作制御を行うようにしたものである。他は、前述の構成と同様の構成とされている。
Next, modified examples of the above configuration will be described with reference to FIGS. The same parts as those shown in the above configuration are indicated by the same reference numerals (the same applies hereinafter). In this configuration, in addition to the above-described configuration, as a countermeasure against a short circuit, a differentiation circuit (monitoring means) 30 that detects a time change of the output current with respect to the
このような構成において、IGBT19のリニア動作時の出力電流の時間変化、即ち、微分回路30により検出されるdi/dtの値は、図6(b)中に破線で示す正常負荷時には同図(a)中に破線で示すように比較的小さな値となるが、同図(b)中に実線で示す短絡時には同図(a)中に実線で示すようにdi/dtの値は大きなものとなり、閾値dTHを用いることにより両者を区別し得る。
In such a configuration, the time change of the output current at the time of the linear operation of the IGBT 19, that is, the value of di / dt detected by the differentiating
したがって、前記構成の場合と同様に制御されている状況下で、短絡が発生した場合には、図7中に示すように、IGBT19のリニア動作時において閾値dTH以上の微分出力が微分回路30から出力された場合には、タイミング発生部22では短絡と判断し、その後のサイリスタ点弧パルスの出力を停止させる。よって、サイリスタ13,14が導通することがなく、短絡に伴う危険が回避される。この場合、短絡による異常発生の旨が伝送線を介して操作者に知らされ、動作停止の原因が明確化される。
Therefore, when a short circuit occurs under the same controlled condition as in the case of the above configuration, a differential output greater than or equal to the threshold value dTH is output from the
このように、この構成によれば、IGBT19がリニア動作している区間であって、出力電圧が低く短絡電流も比較的少ない段階で、確実に短絡発生を検知でき、確実な保護ができる。特に、短絡発生時にサイリスタ13又は14を点弧させてしまうことなく、短絡に対処でき、安全性の高いものとなる。
As described above, according to this configuration, the occurrence of a short circuit can be reliably detected at a stage where the IGBT 19 is in a linear operation, and the output voltage is low and the short circuit current is relatively small. In particular, it is possible to cope with the short circuit without causing the
このようにしてブレーカ不要で短絡対策を行えるため、照明システムを構築する際に、図8に示すように、各白熱灯12毎に上記のような構成を持つ調光器31を分散配置させ、電力線32と伝送線33とで操作卓34に接続する構成が可能となり、自由度の増すものとなる。
In this way, since it is possible to take a countermeasure against short circuit without requiring a breaker, when constructing an illumination system, as shown in FIG. 8, the
次に、本発明の実施例を図9ないし図11により説明する。本実施例は、上述で前提とした構成と同様であるが、始動性を高めるために、白熱灯12に対する出力電流を監視する検出巻線35を監視手段として設け、検出される出力電流の値に応じてタイミング発生部22の動作、従って、サイリスタ13,14の点弧動作を制御するようにしたものである。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The present embodiment is similar to the configuration assumed above, but in order to improve the startability, a detection winding 35 for monitoring the output current to the
このような本発明の構成において、白熱灯12が温まり安定した後の定常時であれば、先に説明した場合と同様に、図10に示すようなタイミングチャートの下、動作制御され、音響ノイズがなく発熱量の少ない調光点灯が行われる。
In such a configuration of the present invention, in the steady state after the
しかして、白熱灯12が冷えている状態から点灯させるような場合を考える。このような状況下では白熱灯12のフィラメント抵抗が低いため、図11(d)に示すように定常時の数倍〜数十倍の出力電流が流れる。ここに、IGBT19の定格電流等から定めた一定値以上の出力電流が検出巻線35により検出されると、タイミング発生部22では、図11(c)に示すように定常時よりもタイミングを早めた点弧パルスをサイリスタ13,14に出力し、早めにサイリスタ13,14を点弧導通させる。ここに、サイリスタ13,14は過電流耐量が大きいため、このような過渡的な大電流で破壊されることはなく、白熱灯12に十分な電力が供給される。これにより、低温状況下でも白熱灯12の光量は早く立上るものとなり、演出効果等を発揮させる上で好ましいものとなる。また、過電流耐量の小さいIGBT19はその定格以上の電流が流れる前に、サイリスタ13,14の導通により保護されるので、定常状態に移行した後で音響ノイズ防止効果を十分に発揮させることができる。
Consider a case where the
さらに、変形例を図1を参照しつつ図12により説明する。この構成は、負荷(白熱灯12)が非常に小さな場合の不都合を回避するようにしたものである。まず、図1に示したような構成において、負荷が非常に小さい場合を考える。このような場合、サイリスタ13,14が点弧するに十分なトリガ電流が流れず、サイリスタ13,14が点弧しない場合がある。この場合、負荷への電流は抵抗R11→フォトサイリスタPTH1 →抵抗R12(又は、抵抗R21→フォトサイリスタPTH2 →抵抗R22)なる分圧トリガ回路16(又は、17)を流れる。ここに、これらの抵抗R11,R12,R21,R22、フォトサイリスタPTH1 ,PTH2 は分圧トリガ回路16,17を形成するので、通常、小電流しか流れないため、小電力定格の回路部品が用いられていることから、定格を超えてしまうことがある。定格以上の電流が流れるのを防ぐために、これらの抵抗R11,R12,R21,R22、フォトサイリスタPTH1 ,PTH2 等として十分大きな定格部品を用いればよいが、これでは大型化するとともに高価な構成となってしまう。さらに、図1中に破線で示すように負荷(白熱灯12)に並列にダミー抵抗R3 を挿入することも考えられるが、これではダミー抵抗R3 が常に無駄な電力を消費する上に発熱することとなり、好ましくない。
Further, a modification will be described with reference to FIG. This configuration is to avoid inconvenience when the load (incandescent lamp 12) is very small. First, consider a case where the load is very small in the configuration shown in FIG. In such a case, a trigger current sufficient for starting the
そこで、本例では、図1に示した回路構成を変更することなく、傾斜制御部26によるIGBT19の動作制御を工夫するだけで、負荷が非常に小さな場合にも対処できるようにしたものである。このため、前述したように、サイリスタ13,14が点弧する直前の区間で補助スイッチ回路20のIGBT19をリニア動作させるが、さらに、サイリスタ13,14が点弧するのに十分な時間経過後にこのIGBT19を再度オンさせることを基本とする。
Therefore, in this example, it is possible to cope with a case where the load is very small by simply devising the operation control of the IGBT 19 by the
この点を図12に示すタイミングチャートを参照して説明する。まず、前述した実施例の場合と同様に、サイリスタ点弧直前の区間になると傾斜制御部26によりIGBT19をリニア動作させるベース信号が与えられる。これにより、IGBT19は順次オン動作していき、飽和状態になった時点で、タイミング発生部22による制御で分圧トリガ回路16又は17によってサイリスタ13又は14にトリガを与え、点弧動作させる。同時に、IGBT19をオフさせていく。そして、サイリスタ13又は14の点弧タイミングからこれらのサイリスタ13,14が点弧するのに十分な時間t1 が経過した時点で、傾斜制御部26によってIGBT19を再びオンさせるようにベース電流を与える。
This point will be described with reference to a timing chart shown in FIG. First, as in the case of the above-described embodiment, the base signal for linearly operating the IGBT 19 is given by the
このような制御方式によれば、負荷が非常に小さい等の原因により、万が一、サイリスタ13又は14が点弧しなかったような場合には、再びオンしたIGBT19を通して負荷側に電流が流れることになる。よって、抵抗R11→フォトサイリスタPTH1 →抵抗R12(又は、抵抗R21→フォトサイリスタPTH2 →抵抗R22)なる分圧トリガ回路16(又は、17)に過大な電流が流れることがなくなる。よって、これらの抵抗R11,R12,R21,R22、フォトサイリスタPTH1 ,PTH2 等として特別定格の大きなものを用いる必要がなく、ダミー抵抗を用いる必要もないものとなる。また、負荷が大きな場合を考えると、サイリスタ13又は14の点弧が確実に行われ、IGBT19に比してサイリスタ13,14のオン抵抗のほうが低いので、IGBT19が再度オンしても負荷に対する電流は本来のサイリスタ13又は14側を流れることになる。よって、負荷が大きな場合には、過電流耐量の小さいIGBT19はその定格以上の電流が流れる前に、サイリスタ13,14の導通により保護されるので、IGBT19の過電流耐量の低さは問題とはならない。
According to such a control method, if the
11 交流電源
12 白熱灯
13,14 サイリスタ
15 主スイッチ回路
19 スイッチング素子
20 補助スイッチ回路
22 タイミング信号発生手段
25 監視手段
26 補助スイッチ回路制御手段
30 監視手段
35 監視手段
11
Claims (1)
この主スイッチ回路と並列に接続されたスイッチング素子を含む補助スイッチ回路と;
サイリスタが点弧する直前の区間で前記補助スイッチ回路のスイッチング素子をリニア動作させる補助スイッチ回路制御手段と;
白熱灯に対する出力電流を監視する監視手段と;
交流電源に同期して前記主スイッチ回路中のサイリスタを点弧させるタイミング信号を生成出力すると共に、スイッチング素子のリニア動作で一定値以上の出力電流が流れたときにタイミング信号を繰上げ出力させるタイミング信号発生手段と;
を備えていることを特徴とする白熱灯調光装置。 A main switch circuit with a thyristor connected on the AC power line to the incandescent lamp and phase controlled every half cycle;
An auxiliary switch circuit including a switching element connected in parallel with the main switch circuit;
Auxiliary switch circuit control means for linearly operating the switching element of the auxiliary switch circuit in a section immediately before the thyristor is fired;
Monitoring means for monitoring the output current for the incandescent lamp;
A timing signal for generating and outputting a timing signal for starting the thyristor in the main switch circuit in synchronization with an AC power supply, and for outputting a timing signal when an output current of a predetermined value or more flows in a linear operation of the switching element. Generating means;
An incandescent lamp light control device comprising:
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