JP4479464B2

JP4479464B2 - 調光装置

Info

Publication number: JP4479464B2
Application number: JP2004311024A
Authority: JP
Inventors: 哲也谷川; 真二松田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-10-26
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2024-10-26
Also published as: JP2006127792A

Description

本発明は、交流電源と、位相制御により調光可能な照明負荷との間に介在する調光装置に関するものである。

従来、位相制御を用いた調光装置において、電源波形の変化に応じて補正をかける制御として、例えば特許文献１，２のように、電源電圧を平均化して、その変動値を検出する場合、電源電圧が平均的に９５％に下がったり、１０５％に増えた場合などには補正が可能だが、電源波形が歪み、部分的に欠けた場合には、電源電圧の平均値は同じでも、欠けた場所、度合いによって位相制御した場合の実効電圧値が異なるため、同じ明るさにはならない。
特開平６−２６０２８８号公報特開平９−２４５９７１号公報

図１４により従来技術の課題を説明する。図中、（ａ），（ｃ）はいずれも電源電圧が実効値で１００Ｖのものが９５Ｖに低下した場合を示しているが、（ａ）は電源電圧が平均的に９５％に下がっているのに対して、（ｃ）では電源波形が歪み、部分的に欠けていることにより実効値が９５Ｖに低下している。また、（ｂ），（ｄ）は位相制御により実効電圧が７１Ｖになるように制御する動作を示している。従来の技術では、実効値の検出が平均値であるため、電源電圧のレベルが全体的に低下した（ａ）の場合には、その不足分を補うように位相角を増大させれば、（ｂ）のように実効電圧が一定になるように制御することが可能である。しかしながら、（ｃ）のように、電源波形が歪み、部分的に欠けている場合には、同じように平均値だけを計測して位相角を補正しても、（ｄ）のような波形となり、必ずしも実効電圧が一定になるように制御することはできない。

本発明は上述のような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電源波形が歪み、部分的に欠けた場合でも、位相制御により精度良く調光できる調光装置を提供することにある。

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、交流電源１と、位相制御により調光可能な照明負荷２との間に介在する調光装置であって、少なくとも入力交流電源１を整流する整流回路３と、調光レベルを設定可能で所定の調光信号を出力する設定部４と、整流回路３からの出力と設定部４からの調光信号をもとに位相制御信号を出力する制御部５と、制御部５からの位相制御信号のタイミングで照明負荷２を位相制御により調光する調光回路６とを備え、前記制御部５は、図２に示すように、設定部４からの調光信号に基づいて決定される位相制御範囲について、所定の間隔で整流回路３からの波形の瞬時電圧を計測し、その計測値から得られる実効電圧情報と予め制御部５に記憶されている理論値とを比較して、電源電圧の波形変化による実効電圧の過不足分を次以降の電源半周期で位相制御により補正し、図７（ａ）に示すように、位相制御の導通期間が短くなるほど、整流回路３からの出力波形の計測間隔を密にすることを特徴とするものである。

このように、本発明によれば、電源電圧の瞬時値を所定の間隔で計測し、その計測された瞬時値と、波形の歪みの無い理想的な電源電圧波形とを比較することによって、電源電圧波形の欠けた場所、膨らんだ場所、その度合いが異なる場合でも、それによる実効電圧の過不足分を位相制御により正確に補正することができる。

以下、本発明の実施形態について説明するが、実施形態２が本発明の請求項１に対応している。実施形態１，３は本発明の前提となる構成として記述し、それぞれ本発明の従属請求項２，３に対応している。
（実施形態１）
図３は本発明の実施形態１に係る調光装置の全体構成を示すブロック図である。図中、１はＡＣ１００Ｖの商用交流電源である。２は照明負荷であり、例えば白熱灯のような位相制御により調光可能なランプである。

３ａは交流電源減圧回路であり、ＡＣ１００Ｖの商用交流電源１の電源電圧を約５Ｖの振幅に減圧し、ＣＰＵで読み取れるようにする回路であり、例えば、ダイオードブリッジ回路よりなる全波整流器と、その直流出力端に接続された分圧抵抗などによって構成することができる。

４ａは調光率の設定手段であり、ここでは０％〜１００％の調光率をＣＰＵに入力する。
５ａはＣＰＵであり、交流電源減圧回路３ａから出力される約５Ｖの振幅の減圧電源信号をＡ／Ｄ変換してデジタル値として計測する機能を有している。

６ａはスイッチング装置であり、トライアックなどで構成されて、商用交流電源１を半サイクルに同期してＯＮ／ＯＦＦする装置であり、ＣＰＵからの位相制御信号の電圧のＨｉｇｈ／Ｌｏｗにしたがって、商用交流電源１と照明負荷２の間の接続をＯＮ／ＯＦＦする装置である。

７ａはゼロクロス検出回路であり、ＡＣ１００Ｖの商用交流電源１の電圧が０Ｖのラインと交わることで、パルス信号を出力する検出回路である。このゼロクロス検出回路７ａは、電源電圧の瞬時値の計測で実現しても良く、その場合、交流電源減圧回路３ａで兼用できる。

図４は各部の動作波形を示している。図４（ａ）はＡＣ１００Ｖの商用交流電源の電源電圧であり、実効値が１００Ｖの場合、ピーク値は約１４１Ｖとなる。図４（ｂ）はゼロクロス検出信号であり、交流電源１のゼロクロスの度にゼロクロス検出回路７ａからＣＰＵ５ａに出力されるパルス波形を示している。図４（ｃ）は減圧電源信号であり、交流電源減圧回路３ａにより交流電源電圧を全波整流し、ピークが約５Ｖの振幅となるように減圧された電圧信号である。図４（ｄ）は位相制御信号であり、Ｈｉｇｈレベルのときにスイッチング装置６ａをＯＮとし、Ｌｏｗレベルのときにスイッチング装置６ｂをＯＦＦとする。位相制御信号がＬｏｗレベルとなるタイミングはゼロクロスパルスのタイミングと同期している。図４（ｅ）は負荷制御電源であり、電源電圧を位相制御信号に従ってスイッチング装置６ａによりＯＮ／ＯＦＦすることで照明負荷２に調光率に応じた実効値の電圧が供給される。

本実施形態では、交流電源減圧回路３ａにより約５Ｖの振幅に減圧された電源電圧の瞬時値をＣＰＵ５ａにより約１０μｓごとにＡ／Ｄ変換して読み込んで、交流電源１の半周期について、ＣＰＵ５ａの内部メモリに計測値を２乗して順次保存する。ＣＰＵ５ａは内蔵のＲＯＭテーブルを備え、表１に示すように、調光率（０〜１００％）に対してそれぞれ全く歪みの無い理想的な電源波形の減圧された電圧の瞬時値の２乗を半周期の終わり側から足し合わせた和（２乗総和）の関係テーブルを持つ。

ここで、「２乗総和」とは、例えば３％の調光率のとき、表１からＡ３であるが、これは、図５のＶ１²＋Ｖ２²＋Ｖ３²＋Ｖ４²＋Ｖ５²を意味する。Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５はそれぞれ半周期の終わり側から１０μｓごとに計測した電源電圧波形の瞬時値である。図５に示すように、３％の調光率を実現するには、Ｖ５のところで、スイッチング装置６ａをＯＮさせ、電源半周期の終わりのタイミングでＯＦＦさせることで、照明負荷２を３％で調光点灯させることができる。

このように、ＣＰＵ５ａは受信した調光率（０〜１００％）から瞬時値の２乗和を参照するテーブル（表１）を元に、理想的な電源波形の瞬時値の２乗和（理論値）を得て、保存されていた瞬時値の２乗和が理想的な電源波形の瞬時値の２乗和になる位相制御のＯＮタイミングを計算する。その計算された位相制御のＯＮタイミングを次の電源半周期で実現する（図１０参照）。

本実施形態によれば、図６に示すように、ＡＣ１００Ｖの電源波形が部分的に欠けたり、膨らんだり、あるいは、全体的に電圧の平均値が増減した場合にも、同じ実効電圧のランプ制御電源を作ることができる。

図６（ａ１）は理想的な電源波形であり、この場合において、次の半周期の位相制御のＯＮ／ＯＦＦ信号が図６（ａ２）のとおりであるとする。

図６（ｂ１）は部分的に欠けた電源波形であり、この場合は、次の半周期の位相制御のＯＮ／ＯＦＦ信号は図６（ｂ２）のように、補正量δｔだけ長くする。つまり、電源波形が欠けている分、理想的な電源波形の場合より位相制御信号のＯＮ区間が長いが、ＯＮ期間中のランプ電源電圧の実効値は理想的な電源波形の場合と同じになっている。

図６（ｃ１）は部分的に膨らんだ電源波形であり、この場合は、次の半周期の位相制御のＯＮ／ＯＦＦ信号は図６（ｃ２）のように、補正量δｔ’だけ短くする。つまり、電源波形が膨らんでいる分、理想的な電源波形の場合より位相制御信号のＯＮ区間が短いが、ＯＮ期間中のランプ電源電圧の実効値は理想的な電源波形の場合と同じになっている。

図６（ｄ１）は平均的に電圧レベルが低い電源波形であり、この場合は、次の半周期の位相制御のＯＮ／ＯＦＦ信号は図６（ｄ２）のように、補正量ΔＴだけ長くする。つまり、平均的に電圧レベルが低い分、理想的な電源波形の場合より位相制御信号のＯＮ区間が長いが、ＯＮ期間中のランプ電源電圧の実効値は理想的な電源波形の場合と同じになっている。

このように、本実施形態によれば、電源電圧波形をＣＰＵで読み込める電圧に落とし、その波形から電圧の瞬時値を速い周期で読み込んで、その読み込んだ電圧の瞬時値と、波形の歪みの無い理想的な電源波形の時の電圧の瞬時値を比較することによって、位相制御の補正分を制御可能としているので、電源電圧波形の欠けた場所、膨らんだ場所、その度合いが異なる場合でも、それによる過不足分を位相制御で正確に補正することができる。また、電源電圧が平均的に増減した場合にも、それによる過不足分を同じ手段を用いて補正することができる。

（実施形態２）
図７は本発明の実施形態２の説明図である。本実施形態では、図７（ａ）に示すように、電源波形のサンプリング間隔を可変とし、電源半周期の始まりほど粗く、電源半周期の終わりほど細かくなるようにサンプリングする。これにより、図７（ｂ）に示すように、常に一定間隔でサンプリングする実施形態１の場合に比べると、明るさの変化が目立ちやすい調光率が低いところ（暗いとき）では、補正量の分解能を細かくすることができる。

図８は位相制御方式の調光装置における調光率Ａ（％）と位相制御のＯＮ時間Ｂ（ｍｓ）の関係を示している。このように、調光率Ａ（％）と位相制御のＯＮ時間Ｂ（ｍｓ）の関係が、調光率が低いところ（暗いとき）では細かく変化し、調光率が高いところ（明るいとき）では粗く変化する場合、本実施形態は特に有効である。

上述の実施形態１では、減圧された電源電圧の瞬時値を１０μｓ毎の等間隔でサンプリングしており、５０Ｈｚの場合で電源半周期ごとに１０００回のサンプリングとしている。これに対して、本実施形態では、電源波形のサンプリングは、図７（ａ）に示すように、電源半周期の始まりほど粗く、電源半周期の終わりほど細かくなるようにサンプリングしている。サンプリングの回数は例えば同じ１０００回で良い。この場合、常に等間隔でサンプリングする実施形態１に比べて、調光率の低い側がサンプリング間隔が密になり、小さな実効電圧の変化で調光率が変化する場合に、波形歪みの細かい部分までサンプリングができ、同じ１０００回のサンプリングであっても精度の高い位相制御をすることが可能になる。

図９（ａ１）は電源半周期の後半が欠けた場合に、電源波形を等間隔でサンプリングする実施形態１の動作を示しており、次の電源半周期の位相制御信号のＯＮ／ＯＦＦ信号の幅は、図９（ａ２）に示すように、等間隔のサンプリング間隔で分解能が決定される。図９（ｂ１）は同じく電源半周期の後半が欠けた場合に、電源波形を可変間隔でサンプリングする実施形態２の動作を示しており、次の電源半周期の位相制御信号のＯＮ／ＯＦＦ信号の幅は、図９（ｂ２）に示すように、実施形態１の場合に比べると、細かいサンプリング間隔で分解能が決定される。

このように、電源半周期の後半が歪んだ電源波形の場合、電源半周期の後半のサンプリング間隔が密である実施形態２では、サンプリング間隔が一定である実施形態１の場合に比べると、電源波形の歪み度合いを細かくサンプリングできる。人間の視覚の特性上、調光率が低いところ（暗いとき）は、少しの位相制御角の変化で明るさの違いが目立ちやすいので、実施形態２のように、サンプリング間隔を密にするほうが、明るさの補正量を細かく制御できることは、好都合である。

図９（ｃ１）は電源半周期の前半が欠けた場合に、電源波形を等間隔でサンプリングする実施形態１の動作を示しており、次の電源半周期の位相制御信号のＯＮ／ＯＦＦ信号の幅は、図９（ｃ２）に示すように、やはり等間隔のサンプリング間隔で分解能が決定される。図９（ｄ１）は同じく電源半周期の前半が欠けた場合に、電源波形を可変間隔でサンプリングする実施形態２の動作を示しており、次の電源半周期の位相制御信号のＯＮ／ＯＦＦ信号の幅は、図９（ｄ２）に示すように、実施形態１の場合に比べると、粗いサンプリング間隔で決定される。

このように、電源半周期の前半が歪んだ電源波形の場合、電源半周期の前半のサンプリング間隔が疎である実施形態２では、サンプリング間隔が一定である実施形態１の場合に比べると、電源波形の歪み度合いを大まかにサンプリングすることになる。人間の視覚の特性上、調光率が高いところ（明るいとき）は、位相制御角の変化による明るさの違いが目立ちにくいので、実施形態２のように、サンプリング間隔を疎にしても、差し支えない。

以上のように、サンプリング間隔が常に一定である実施形態１の場合に比べると、本実施形態２では、電源半周期の前半のサンプリング間隔よりも電源半周期の後半のサンプリング間隔が密であるので、明るさの変化が目立ちにくい調光率が高いところ（明るいとき）では、補正量の分解能を粗くし、明るさの変化が目立ちやすい調光率が低いところ（暗いとき）では、補正量の分解能を細かくすることができるものであり、これにより調光装置の特性に合わせて効率的に補正量を制御することができる。

（実施形態３）
実施形態１または２では、図１０に示すように、電源の半周期で電源波形のサンプリングを行い、次の半周期でサンプリングの結果を反映させた位相制御を行っている。この場合、図１１に示すように、波形が歪んだときの補正が半周期遅れるため、波形の欠けたところで一旦暗くなり、次の半周期で位相制御角を補正したところで一気に明るくなるため、補正のための明るさの変化が目立つことになる。

そこで、電源波形の欠けを検出した場合には、理想時の電源波形の場合と比較した歪み量を検出し、図１２に示すように、１回の補正による明るさの変化量（電源半周期ごとの変化量）を例えば５％未満に保ちつつ、徐々に実効電圧を一定の目標値に向かって制御することで、一気に明るくなることを回避し、実効電圧の補正による明るさの変化を目立たなくする。

（具体的態様３−１）
波形の歪みを検出した後に、徐々に実効電圧を一定となるように制御する制御態様として、図１３に示すように、一定時間以内に実効電圧の目標値に達する態様では、電源波形の歪みを検出した後、歪んだ現在の位相制御値と目標値の差を計算し、決められた時間（例えば５秒）で目標値に達する。

ここで、目標値に達する途中で、電源波形が新たに変化して、位相制御の目標値が変化した場合には、新たに電源波形が歪んだときに、現在の制御値と目標値を再計算して、決められた時間を最初からカウントし、その時間で目標値の実効電圧に達するように制御を行う。

（具体的態様３−２）
また、一定時間内に実効電圧の目標値に達する制御態様（図１３）に代えて、一定の明るさの変化量で目標値に達する制御態様（図１２）としても良い。この場合、歪み検出後、現在の制御値から目標値の方向（明るい方もしくは暗い方）に、一定の明るさの変化量（例えば５０ｌｘ）で変化するように段階的に補正する。目標値に達したら、補正を終了する。目標値に向かっている途中に、再び目標値が変更された場合は、目標値を再設定し、同じ明るさの変化量で補正する。

なお、同じ電源線に別の位相制御装置が並列的に接続されて、その位相制御の導通期間の方が短くなった場合には、図１１〜図１３に示すように、電源電圧波形の一部が同じ位相角で欠ける現象が起こり得る。本実施形態によれば、そのような場合に、明るさの変化が目立ち難い利点がある。

本発明の基本構成を示すブロック図である。本発明の基本的な動作説明のための波形図である。本発明の実施形態１の構成を示すブロック図である。図３の各部の動作波形を示す波形図である。本発明の実施形態１の基本動作を示す波形図である。本発明の実施形態１の電源電圧の変化に応じた位相制御の補正動作を示す波形図である。本発明の実施形態２の動作を示す波形図である。本発明の実施形態２の調光装置の調光特性を示す説明図である。本発明の実施形態２の電源電圧の変化に応じた位相制御の補正動作を示す波形図である。本発明の実施形態１または２の位相制御の補正の遅れを示す説明図である。本発明の実施形態３が解決しようとする課題を説明するための波形図である。本発明の実施形態３の動作説明のための波形図である。本発明の実施形態３の具体的態様の動作説明のための波形図である。従来例の課題を説明するための波形図である。

符号の説明

１交流電源
２照明負荷
３整流回路
４設定部
５制御部
６調光回路

Claims

交流電源と、位相制御により調光可能な照明負荷との間に介在する調光装置であって、
少なくとも入力交流電源を整流する整流回路と、
調光レベルを設定可能で所定の調光信号を出力する設定部と、
整流回路からの出力と設定部からの調光信号をもとに位相制御信号を出力する制御部と、
制御部からの位相制御信号のタイミングで照明負荷を位相制御により調光する調光回路とを備え、
前記制御部は、設定部からの調光信号に基づいて決定される位相制御範囲について、所定の間隔で整流回路からの波形の瞬時電圧を計測し、その計測値から得られる実効電圧情報と予め制御部に記憶されている理論値とを比較して、電源電圧の波形変化による実効電圧の過不足分を次以降の電源半周期で位相制御により補正し、位相制御の導通期間が短くなるほど、整流回路からの出力波形の計測間隔を密にすることを特徴とする調光装置。
請求項１において、制御部は所定の間隔で計測した瞬時電圧の２乗総和を演算し、予め制御部に記憶されている２乗総和の理論値と比較することを特徴とする調光装置。
請求項１または２において、制御部にて決定された補正量を次以降の電源半周期で補正する際、人が認識できない程度の明るさの変化量で段階的に補正することを特徴とする調光装置。