JP5041841B2 - 電力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明負荷等の交流負荷の電力制御を行うための電力制御装置に関する。

白熱灯等の照明負荷の調光など、交流負荷に対して供給する電力を調整するために用いられる装置として、負荷電流の導通角（導通期間の位相角）を制御する位相制御または逆位相制御を行うことにより供給電力を調整する電力制御装置が種々提案されている。

この種の従来の位相制御による電力制御装置としては、交流電源から負荷に供給する電力をオンオフするスイッチ手段（スイッチ素子）を備え、負荷に流れる電流を監視し、基準値以上となればスイッチ手段をターンオフするものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、スイッチ手段により交流電源を逆位相制御して負荷に供給する電力を制御し、スイッチ手段に流れる電流が所定値以上にならないように過電流のオン幅を制限する電力制御装置（逆位相制御調光器）が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開昭６０−１０１６２０号公報 特開２０００−１０６２８５号公報

しかしながら、上記のような従来例の構成では、負荷は白熱灯を想定したものであり、電力供給のオンオフにより、電球型蛍光灯ランプをはじめとした放電灯点灯装置を負荷とするいわゆる蛍光灯の点灯及び消灯を切り替えるための電力制御装置としては利用できなかった。特に、蛍光灯を点灯させるためのインバータ回路には、雷サージ保護部品であるバリスタや、インバータ回路から発生する雑音を防止するための雑音防止用コンデンサなどが備えられており、蛍光灯を負荷とした場合、電源に重畳されたノイズ電流が負荷側のバリスタや雑音防止用コンデンサを介して電力制御装置に流れる。このため、このノイズ電流によって過電流回路が動作すると、スイッチ手段が瞬時に一時的にオフとなるため、点灯時のチラツキという現象となって現れてしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、負荷接続時や始動時、負荷の短絡時や異常時などの過電流に対してスイッチ素子や負荷を保護することができ、負荷が正常な場合には、例えば白熱灯と放電灯点灯装置など、異なる複数種の負荷に対しても確実に始動させて駆動することが可能な電力制御装置を提供することを目的とする。

本発明の電力制御装置は、交流電源から負荷へ流れる供給電力を調整する電力制御装置であって、前記供給電力をオンオフするスイッチ素子と、前記スイッチ素子のオンオフを制御する制御部と、前記スイッチ素子に流れる電流を検出する電流検出部と、接続される負荷の設定を切り替える負荷設定部とを備え、前記制御部は、前記スイッチ素子に流れる電流が所定値を超える場合に、過電流検出を判定して前記スイッチ素子を一時的にオフし、前記負荷の設定に基づき、前記負荷が白熱灯の場合に、前記スイッチ素子のオンオフ制御により前記負荷へ流れる電流の導通角の位相を制御して供給電力を調整し、前記負荷の設定に基づき、前記負荷が放電灯点灯装置の場合に、前記スイッチ素子のオンオフ制御により前記負荷への供給電力をオンまたはオフするものである。

上記構成により、負荷の短絡時や異常時だけでなく、負荷接続時や始動時の突入電流や過大電流などの過電流に対してもスイッチ素子や負荷を保護することが可能となる。また、負荷が正常な場合には、例えば白熱灯と放電灯点灯装置など、異なる複数種の負荷に対しても確実に始動させて駆動することができる。負荷が白熱灯の場合は、オンオフ制御により負荷へ流れる電流の導通角の位相を制御することで、供給電力を調整し、白熱灯の点灯時の調光を行うことができる。

また、本発明は、上記の電力制御装置であって、前記スイッチ素子は、前記交流電源とこの交流電源と直列接続される負荷との間に互いに逆極性で直列に接続され、前記制御部からの制御信号に基づき、前記交流電源からの供給電力をオンオフする第１及び第２のスイッチ素子を有してなるものを含む。
また、本発明は、上記の電力制御装置であって、前記電流検出部は、前記スイッチ素子と直列に接続され、この電流検出部において流れる電流により前記スイッチ素子に流れる電流を検出するものを含む。

また、本発明は、上記の電力制御装置であって、前記制御部は、前記電流検出部の出力を基準値と比較する比較器を有し、前記スイッチ素子のオンオフと同期して前記比較器の入力インピーダンスを切り替え、前記スイッチ素子がオンする期間における前記入力インピーダンスを低くするインピーダンス切替部を備えるものを含む。
また、本発明は、上記の電力制御装置であって、前記インピーダンス切替部は、前記比較器の入力部とグランドとの間にオンオフ可能に挿入される抵抗成分を持つインピーダンス素子と、前記インピーダンス素子の接続を前記スイッチ素子のオンオフと同期して切り替えるスイッチ素子とを有するものを含む。

上記構成により、例えば負荷が放電灯点灯装置の場合に、通常動作時の外来ノイズによって負荷内部に配置された雑音防止用コンデンサ等を介してノイズ電流がスイッチ素子に流れることがあるが、このような場合に比較器の入力インピーダンスを低くすることで、ノイズ電流により過電流保護機能が動作することを回避できる。このため、放電灯点灯装置の点灯中のチラツキの発生等を防止できる。

また、本発明は、上記の電力制御装置であって、前記制御部は、前記負荷の設定に基づき、前記負荷が放電灯点灯装置の場合に、前記スイッチ素子のオンオフ制御により前記負荷への供給電力をオンまたはオフするものを含む。
上記構成により、負荷が放電灯点灯装置の場合に、負荷への供給電力をオンまたはオフすることで、確実に点灯、消灯が可能となる。

また、本発明は、上記いずれかに記載の電力制御装置を有し、負荷に白熱灯又は放電灯点灯装置の少なくともいずれかを用いた照明装置を提供する。
また、本発明は、上記いずれかに記載の電力制御装置を複数接続した電力供給システムを提供する。
また、本発明は、上記いずれかに記載の電力制御装置を複数接続し、負荷に白熱灯又は放電灯点灯装置の少なくともいずれかを用いた照明システムを提供する。

本発明によれば、負荷接続時や始動時、負荷の短絡時や異常時などの過電流に対してスイッチ素子や負荷を保護することができ、負荷が正常な場合には、例えば白熱灯と放電灯点灯装置など、異なる複数種の負荷に対しても確実に始動させて駆動することが可能な電力制御装置を提供できる。

以下に、本発明の実施形態を説明するが、それはあくまで本発明に基づいて採択された例示的な実施形態であり、本発明をこの実施形態に特有な事項に基づいて限定解釈してはならず、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の請求項に示した事項さらにはその事項と実質的に等価である事項に基づいて定められるべきである。

以下の実施形態では、交流負荷として白熱灯や電球型蛍光灯ランプをはじめとした放電灯点灯装置などの照明機器を負荷として用い、交流電源からの供給電力を逆位相制御または位相制御によって制御して調光、あるいは点灯／消灯を行う照明装置に適用した構成例を示す。

図１は本発明の実施形態に係る電力制御装置の構成を示す回路図である。本実施形態の電力制御装置は、逆位相制御または位相制御による電力スイッチングが可能となっている。電力制御装置は、商用周波数の交流電源１が接続される電源接続部ＣＮ１と、交流電源１に対して直列に白熱灯や蛍光灯等の負荷２が接続される負荷接続部ＣＮ２と、交流電源１と負荷２との間に互いに逆向きで直列に接続され、交流電源１から負荷２への供給電力をオンオフする第１のスイッチ素子Ｑ１及び第２のスイッチ素子Ｑ２と、これら一対のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を駆動する駆動部５と、駆動部５に制御信号を出力してスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフを制御する制御部７とを備えて構成される。負荷２としては、白熱ランプ、ハロゲンランプ等の白熱灯（以下、まとめて白熱灯と称する）、電球型蛍光灯ランプをはじめとした放電灯点灯装置等の蛍光灯（以下、まとめて蛍光灯と称する）などが接続されて用いられる。

スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２は、例えば電界効果トランジスタ（ＭＯＳ−ＦＥＴ）等の半導体スイッチング素子により構成される。スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２としては、電界効果トランジスタの他に、絶縁ゲート型トランジスタ（ＩＧＢＴ）、バイポーラトランジスタなどを用いることができる。スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２がＭＯＳ−ＦＥＴの場合、交流電源１と負荷２との間にソース、ドレインが互いに逆極性で直列に接続されて両者のソースがそれぞれ抵抗Ｒ１、Ｒ２を介してグランドＧＮＤに接地され、ゲートがそれぞれ抵抗Ｒ３、Ｒ４を介して駆動部５に接続される。このスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２は、駆動部５からの駆動制御信号がゲートに入力されることにより、駆動制御信号（ゲート電圧）に応じてソース−ドレイン間をオンオフするものである。以下ではスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２がＭＯＳ−ＦＥＴの場合を説明する。

交流電源１の電源ラインには、ヒューズＦＵＳＥが設けられ、このヒューズＦＵＳＥを介して制御電源３とゼロ点検出部４とが接続される。また、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２と交流電源１が接続される電源接続部ＣＮ１との間には、インダクタＬ１が設けられている。なお、電源ラインには、サージ吸収素子（バリスタ）、雑音低減用のフィルタなどを設けてもよい。

制御部７は、比較器ＣＰ１、ＣＰ２と、プロセッサ及びメモリ等を有する制御用のコンピュータからなるマイコン（マイクロコンピュータ）６とを備えている。駆動部５は、入力端に比較器ＣＰ１の出力端とマイコン６の制御出力端とが接続され、これらの比較器ＣＰ１の比較結果出力及びマイコン６の制御出力に基づき、駆動制御信号として後述する所定のタイミングで所定の制御電圧を出力してスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２に供給する。また、マイコン６には、ゼロ点検出部４の出力端とともに、リモコン送信器９からのリモコン制御信号を受信してマイコン６に入力する受光部８の出力端と、負荷２が白熱灯の場合と蛍光灯の場合とを切り替えて設定するための負荷設定部の機能を持つ負荷切替スイッチ１０とが接続される。

制御電源３の電源出力は、駆動部５、マイコン６、受光部８と接続され、これらの回路に動作用電源として直流電圧を供給する。また、制御電源３の出力の直流電圧を分圧して過電流判定用の基準電圧を生成するための直列接続された抵抗Ｒ７、Ｒ８が設けられ、一方の抵抗Ｒ７の一端が制御電源３の電源出力に接続されている。そして、他方の抵抗Ｒ８の一端がグランドＧＮＤに接続され、抵抗Ｒ７、Ｒ８の接続点が比較器ＣＰ１、ＣＰ２の正入力端に接続されている。

抵抗Ｒ１、Ｒ２は、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をそれぞれ流れる電流を検出する電流検出部の機能を有している。抵抗Ｒ１、Ｒ２とスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２との接続点がそれぞれダイオードＤ１、Ｄ２を介して抵抗Ｒ５の一端に接続され、抵抗Ｒ５の他端が比較器ＣＰ１、ＣＰ２の負入力端に接続されている。これにより、比較器ＣＰ１、ＣＰ２において、抵抗Ｒ１、Ｒ２により検出された電流に比例する電圧（抵抗Ｒ１、Ｒ２の両端の電圧）と抵抗Ｒ７、Ｒ８による基準電圧とが比較される。比較器ＣＰ２の出力端には抵抗Ｒ６の一端が接続され、抵抗Ｒ６の他端が比較器ＣＰ１、ＣＰ２の正入力端に接続され、比較器ＣＰ２の比較結果出力が抵抗Ｒ６で降圧されてフィードバックされる。なお、電流検出部としては、抵抗の他に、マンガニン線、カレントトランスなどを用いてもよい。

また、比較器ＣＰ１、ＣＰ２の負入力端とグランドＧＮＤとの間には、コンデンサＣ１が設けられるとともに、この間の電圧を分圧する直列接続された抵抗Ｒ９、Ｒ１０が設けられ、抵抗Ｒ９、Ｒ１０の接続点にトランジスタ等からなるスイッチ素子Ｑ３の一端（コレクタ等）が接続される。スイッチ素子Ｑ３の他端（エミッタ等）はグランドＧＮＤに設置され、制御入力端（ベース等）がマイコン６の制御出力端に接続される。制御部７のマイコン６は、ゼロ点検出部４の検出出力、受光部８からのリモコン制御信号、及び、負荷切替スイッチ１０の設定状態による設定信号に基づき、駆動部５及びスイッチ素子Ｑ３に制御信号を出力してこれらの回路の動作を制御する。

さらに、比較器ＣＰ１、ＣＰ２の負入力端とグランドＧＮＤとの間には、抵抗Ｒ１１とスイッチ素子Ｑ４とが直列接続されて設けられ、スイッチ素子Ｑ４の制御入力端（ベース等）が抵抗Ｒ１２を介して駆動部５の制御出力端に接続される。この抵抗Ｒ１１及びスイッチ素子Ｑ４はインピーダンス切替部の機能を有している。駆動部５からの駆動制御信号によりスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２がオンするときに、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフと同期してスイッチ素子Ｑ４がオンし、比較器ＣＰ１、ＣＰ２の負入力端とグランドＧＮＤ間に抵抗Ｒ１１が挿入され、比較器ＣＰ１、ＣＰ２の入力インピーダンスを低インピーダンスに切り替える。

本実施形態の電力制御装置では、上記構成のように、負荷２への供給電力をオンオフするスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の過電流保護機能を備えている。この過電流保護機能として、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を流れる電流を検出する抵抗Ｒ１、Ｒ２において、両端の電圧が所定値以上の過電流検出値となった場合、比較器ＣＰ１の比較結果出力に基づいて駆動部５がスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をオフさせる。そして、所定の時間経過後に再度スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をオンさせ、過電流が検出されない場合は正常動作に戻り、過電流が継続している場合はスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をオフさせ、再度所定の時間経過後にスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をオンするような間欠スイッチ動作を行う。この過電流時の間欠スイッチ動作の周期（以下、過電流動作間欠周期と称する）は、負荷２に電力が供給開始されてから所定時間経過するまでの期間については、定常状態での過電流動作間欠周期よりも短く設定する。

次に、本実施形態の電力制御装置におけるスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２による電力制御について説明する。ここでは、逆位相制御による電力制御の動作例を示す。図２は本実施形態において電力制御を行う際の動作波形を示す図である。この図２は、負荷電圧及びスイッチ素子電流（ドレイン電流）を示したものである。また、図中の斜線部は逆位相制御により電流が流れている区間を示している。ここでは、９０度逆位相制御により調光を行う例を示している。なお、交流電源の周波数（商用周波数）の半周期をＴとする。

逆位相制御を行う場合、制御部７のマイコン６の制御により、駆動部５でスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を駆動し、負荷電圧が略ゼロボルト（ゼロクロス、位相０度）のタイミング１３（すなわちスイッチ素子Ｑ１にかかる電圧、電流が略ゼロ点のタイミング）でスイッチ素子Ｑ１をオンし、ドレイン電流がゼロから流れるようにする。このとき、スイッチ素子Ｑ２の寄生ダイオードを介してドレイン電流が交流電源１に戻り、負荷２に負荷電流が流れる。また、負荷電圧が上昇した略ピーク（位相９０度）のタイミング１４（すなわちスイッチ素子Ｑ１にかかる電圧、電流が略ピーク点のタイミング）でスイッチ素子Ｑ１をオフする。そして、負荷電圧が略ゼロボルト（ゼロクロス、位相１８０度）のタイミング１１（すなわちスイッチ素子Ｑ２にかかる電圧、電流が略ゼロ点のタイミング）でスイッチ素子Ｑ２をオンし、ドレイン電流がゼロから流れるようにする。このとき、スイッチ素子Ｑ１の寄生ダイオードを介してドレイン電流が交流電源１に戻り、負荷２に負荷電流が流れる。また、負荷電圧が上昇した略ピーク（位相２７０度）のタイミング１２（すなわちスイッチ素子Ｑ２にかかる電圧、電流が略ピーク点のタイミング）でスイッチ素子Ｑ２をオフする。上記動作を交流電源周波数の周期で繰り返す。

上記動作により、逆位相制御の電力スイッチング（逆位相電力制御）が行われる。このような逆位相制御による電力制御によって、負荷２が白熱灯の場合の調光が行われる。また、負荷２が蛍光灯の場合は、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフによって点灯及び消灯を行うことができる。使用者は、負荷切替スイッチ１０を操作して負荷２に白熱灯を接続した場合と蛍光灯を接続した場合とで負荷の設定を切り替える。これにより、負荷切替スイッチ１０からの設定信号がマイコン６に入力され、マイコン６の制御により、接続された負荷に応じたスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフ等の電力制御が実行される。

次に、本実施形態における過電流保護動作について詳しく説明する。スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を負荷２の着脱等による突入電流などから保護するために、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のドレイン電流を抵抗Ｒ１、Ｒ２で検出し、過電流か否かを判定する。このとき、抵抗Ｒ１、Ｒ２の両端に発生する電圧をコンデンサＣ１に充電し、比較器ＣＰ１によってこの検出電圧と基準電圧（抵抗Ｒ７とＲ８の分圧電圧）とを比較する。検出電圧が基準電圧より高い場合は、比較器ＣＰ１の比較結果出力としてローレベルを出力し、駆動部５からの駆動制御信号によりスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のゲート電圧が引き下げ、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をオフさせる。また、もう一つの比較器ＣＰ２を用いて、入出力間に設けた抵抗Ｒ６によって基準電圧を下げ、過電流判定用の閾値にヒステリシスを形成する。

図３は本実施形態の過電流保護機能に関する動作を示すタイムチャートである。負荷２に白熱灯や蛍光灯が接続されている場合、図示しない電源スイッチのオン操作による電源投入、またはリモコン送信器９からのリモコン制御信号による点灯指示によって交流電源１から負荷２への電力供給が開始され、負荷２が点灯する。このとき、負荷２への電力供給開始とともにマイコン６からの制御信号がスイッチ素子Ｑ３に入力され、スイッチ素子Ｑ３はこの制御信号を受けてオンとなっており、抵抗Ｒ１０は等価的に短絡状態である。したがって、始動時には、抵抗Ｒ１、Ｒ２による検出電圧が過電流判定用の閾値である基準電圧を超えることで、一旦過電流検出レベル（過電流閾値）Ｉthに達してスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２がオフすると、コンデンサＣ１の電位が基準電圧以下となるように抵抗Ｒ９によって放電されるまで、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２はオフしたままとなる。よって、負荷２への電力供給開始から所定の時間までは、過電流が流れている間は抵抗Ｒ９とコンデンサＣ１の時定数による周期（第１の過電流動作間欠周期（第１の周期））で間欠動作を繰り返す。

また、負荷２への電力供給開始から所定の時間経過後は、マイコン６からの制御信号によってスイッチ素子Ｑ３がオフし、抵抗Ｒ１０が挿入された状態となり、コンデンサＣ１の電位が抵抗Ｒ９及びＲ１０によって放電される。よって、所定の時間経過後は、過電流が流れている間は抵抗Ｒ９＋Ｒ１０とコンデンサＣ１の時定数による周期（第２の過電流動作間欠周期（第２の周期））で間欠動作を繰り返す。

前述したように、過電流動作間欠周期は、始動の際の電源投入時に負荷２に電力が供給開始されてから所定時間経過するまでの期間Ｔ１については短く設定し、それ以後の定常状態の期間Ｔ２では始動時よりも長く設定している。図４は過電流保護動作における始動時の短周期の間欠動作を示す図、図５は過電流保護動作における定常時の長周期の間欠動作を示す図である。この図４及び図５は、過電流判定用の基準電圧に相当する過電流検出レベルＩthを超えて過電流が検出された場合の、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のドレイン電流波形を示している。

ここでは、始動時の電力供給開始から所定時間経過するまでの短い過電流動作間欠周期の期間Ｔ１を、交流電源周波数（商用周波数）の５周期に相当する略１００ｍsecとする。この始動時の電力供給開始から所定時間経過するまでの期間Ｔ１（＝１００ｍsec）は、マイコン６からの制御によりスイッチ素子Ｑ３がオンしている時間に相当する。この始動時の短周期期間Ｔ１では、図４に示すように、抵抗Ｒ９とコンデンサＣ１の時定数による短周期の過電流動作間欠周期ｔ１を１ｍsecとし、１ｍsecごとにスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフを繰り返す。この短周期の過電流動作間欠周期ｔ１（＝１ｍsec）は、抵抗Ｒ９による放電時間に相当する。このとき、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２に連続で電流が流れる時間ｔonは４０μsecとし、三角状の電流波形が過電流動作間欠周期ｔ１（１ｍsec）ごとに流れる。過電流が検出された後、過電流検出レベル以下の電流に戻るまでは、上記の電流波形での間欠動作による発振を繰り返す。なお、過電流検出レベル（過電流閾値）Ｉthは例えば８Ａとし、間欠動作時に流れる電流Ｉｓは例えば約５〜８Ａ程度とする。

また、電力供給開始から１００ｍsec経過後、それ以降の定常時の長周期期間Ｔ２では、図５に示すように、抵抗Ｒ９＋Ｒ１０とコンデンサＣ１の時定数による長周期の過電流動作間欠周期ｔ２を１００ｍsecとし、１００ｍsecごとにスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフを繰り返す。この長周期の過電流動作間欠周期ｔ２（＝１００ｍsec）は、抵抗Ｒ９＋Ｒ１０による放電時間に相当する。このとき、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２には三角状の電流波形が過電流動作間欠周期ｔ２（１００ｍsec）ごとに流れる。過電流が検出された後、過電流検出レベル以下の電流に戻るまでは、上記の電流波形での間欠動作による発振を繰り返す。

負荷２として白熱灯を接続した場合は、コールドスタート時は負荷の抵抗値は比較的小さくなっており、電源投入時に流れる電流値は過大なものとなる。このとき、上記の過電流保護動作による間欠動作を繰り返しながら、間欠的に流れる電流により白熱灯のフィラメントが熱せられ、やがて過電流閾値以下になると、過電流保護の間欠動作が停止され、定常の点灯状態へ移行する。

負荷２として蛍光灯を接続した場合は、インバータ負荷では内部の整流平滑用あるいは力率改善昇圧チョッパ用の電解コンデンサに対して電源投入時に大きな突入電流が流れる。この場合、上記の過電流保護動作による間欠動作を繰り返しながら、間欠的に流れる電流により電解コンデンサが充電され、やがて過電流閾値以下になると、過電流保護の間欠動作が停止され、定常の点灯状態へ移行する。

上記のように、電源投入時から所定の期間Ｔ１の過電流動作間欠周期ｔ１を短く、それ以降の期間Ｔ２の過電流動作間欠周期ｔ２を長くしているのは、蛍光灯などのインバータ回路を持つ負荷を接続した場合を考慮するためである。電源投入時はインバータ回路が立ち上がることができるように間欠動作の周期を短くし、インバータ回路内部の電解コンデンサを充電する必要がある。一方、定常時の過電流に対しては、間欠動作の周期を長くしてインバータ回路へ電力が供給されないようにする。

インバータ回路内の部品が何らかの故障状態となった場合、本来はインバータ回路側に配置された電流ヒューズが断線するのが、インバータ回路側からみた期待動作である。しかし、本実施形態では、過電流保護動作によって流れる電流が抑制されるので、インバータ回路側の電流ヒューズは断線に至らず、その結果、期待外の動作となる場合がある。このため、インバータ回路への電力供給は抑制されているものの、インバータ回路側の部品が発煙、発火等の不安全な状態となるおそれがある。このようなことを回避するために、電源投入時から所定の期間以降については、負荷のインバータ回路へほとんど電力が供給されないように過電流動作間欠周期を長くすることで、十分な安全性を確保している。

また、負荷が白熱灯負荷、蛍光灯負荷に関わらず、負荷短絡などの何らかの要因により過電流が発生し、定常動作状態から過電流保護動作へ移行した場合においては、電源投入後所定時間以降の期間ｔ２と同様に、過電流動作間欠周期を長く設定しておくことで、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２への電流を抑制する。これにより、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２の発熱を抑制することができ、装置の小型化を図ることが可能である。

また、前述したように、始動時に過電流が検出されて過電流保護動作となった場合に、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をオフしてから次にオンするまでの時間は、過電流閾値である基準電圧まで充電されたコンデンサＣ１の電位が、抵抗Ｒ９の放電によって再度過電流閾値電圧に降下するまでの時間である。このとき、本実施形態では、比較器ＣＰ２を用いて比較結果出力を抵抗Ｒ６を介してフィードバックすることにより、過電流閾値電圧にヒステリシスを形成している。このヒステリシスの設定は、比較器ＣＰ１及びＣＰ２の閾値電圧を設定している抵抗Ｒ８と比較器ＣＰ２の入出力間に接続した抵抗Ｒ６とが等価的に並列接続されることにより決定される。

このとき、コンデンサＣ１の電位は、始動時には抵抗Ｒ９により放電されるが、所定の時間経過後は、マイコン６からの制御信号により、スイッチ素子Ｑ３がオフとなって抵抗Ｒ９＋Ｒ１０による放電となる。このスイッチ素子Ｑ３のオンオフ動作により、過電流動作間欠周期の切替が行われる。

前述したように、比較器ＣＰ１、ＣＰ２においては、過電流検出のための抵抗Ｒ１、Ｒ２による検出電圧が負入力端に入力され、正入力端に入力される基準電圧と比較するようになっている。この検出電圧の放電時間が過電流動作間欠周期であるが、本実施形態では、例えばコンデンサＣ１の容量を０．４７μＦとし、抵抗Ｒ９とＲ１０の直列合成抵抗を約３００ｋΩ程度の高抵抗としている。

ここで、過電流検出における回路動作のタイミングは、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２に流れる電流を検出するわけであるから、当然のことながらスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２がオンの時に限られる。このとき、電流検出部から見た比較器ＣＰ１、ＣＰ２の入力インピーダンスが高いと、入力電流に重畳されたノイズ電流によって誤って過電流検出が機能してしまうことが想定される。例えば、本実施形態の電力制御装置における負荷側の入力間にバリスタやコンデンサが接続されるような場合、入力される電源電圧にスパイク状のノイズ電圧が重畳されると、このバリスタやコンデンサを介して、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２にスパイク状のノイズ電流が流れる。このスパイク状のノイズ電流により過電流検出がなされた場合、瞬時にスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２がオフとなるため、負荷の点灯状態は一旦消灯となってしまう。もしこのノイズ電流が繰り返し重畳されると、負荷点灯時のチラツキとして使用者へ不快感を与えてしまう可能性がある。

そこで、本実施形態では、抵抗Ｒ１１及びスイッチ素子Ｑ４を設け、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフに同期して、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２がオンのタイミングだけ比較器ＣＰ１、ＣＰ２の入力インピーダンスを低インピーダンスに切り替えるようにしている。スイッチ素子Ｑ４がその切替手段となる。ここで、例えば抵抗Ｒ１１の抵抗値を２ｋΩとした場合、スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２がオンするタイミングで、スイッチ素子Ｑ４によって抵抗Ｒ１１の２ｋΩが抵抗Ｒ９＋Ｒ１０の３００ｋΩと等価的に並列に接続されるように作用する。これにより、交流電源１からの入力電圧にスパイク状のノイズ電圧が重畳され、負荷２を介してスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２等にスパイク状のノイズ電流が流れたとしても、負荷点灯時のチラツキを抑制することができる。

具体例としては、電源電圧に重畳されるノイズは１μsec程度のスパイク状のノイズ電圧１０００〜２０００Ｖ程度を想定しており、通常の場合の過電流検出時の電流がゼロから過電流閾値である８Ａに達する時間は、およそ４０μsec程度である。この電流の傾きは、電源入力部に設けたインダクタＬ１のインダクタンス値によって決定される。

このように、本実施形態では、過電流を検出した場合に、始動時の電源供給開始から所定時間までは短い周期（１ｍsec）でスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をオンオフする間欠動作を行い、所定時間経過した以降は長い周期（１００ｍsec）でスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をオンオフする間欠動作を行うことによって、過電流に対して負荷２やスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２を保護している。これにより、負荷接続時や始動時、負荷の短絡時や異常時などの過電流に対してスイッチ素子や負荷を保護することができる。また、負荷の正常時には、例えば白熱灯と蛍光灯などの異なる負荷を使用する場合であっても、負荷切替スイッチ１０を切り替えて設定することで負荷に応じた電力制御動作を実行でき、負荷を確実に点灯させることが可能となる。

以上のように、本実施形態によれば、白熱灯や蛍光灯などいずれの負荷が接続された場合にも、負荷の異常時の過電流とともに、負荷接続時や始動時の突入電流などの過電流に対しても、スイッチ素子や負荷を保護することができ、発熱等の不安全状態を防ぐことができる。また、正常動作時には、蛍光灯などのインバータ回路を含む負荷を接続した場合であっても、確実に点灯させて作動させることができる。また、負荷切替スイッチにより使用者が負荷の設定を切替可能にしたことによって、例えば、蛍光灯負荷の場合はオンオフの切替制御、白熱灯負荷の場合は位相制御による調光が可能となる。このように、白熱灯や蛍光灯などいずれの負荷でも使えるようにすることで、使い勝手をより良くすることができる。

また、スイッチ素子に流れる過電流を検出するための検出電圧を過電流判定用の比較器に入力する構成において、スイッチ素子のオンオフと同期して、比較器の入力インピーダンスを切り替えるインピーダンス切替部を設けることで、スイッチ素子のオン期間における入力インピーダンスを低くすることができる。これにより、例えば蛍光灯負荷の場合に、通常動作時の外来ノイズによって負荷内部に配置された雑音防止用コンデンサを介してノイズ電流がスイッチ素子に流れることがあるが、このような場合に過電流保護機能が動作することを回避でき、点灯中のチラツキの発生等を防止できる。

また、例えば前述した従来例において、負荷が短絡された場合、過電流保護機能が無い電力制御装置では、装置外部のブレーカー断として不安全状態を回避することが想定され、装置自体の破損も考えられる。これに対し、本実施形態では、負荷が短絡された場合でも、過電流保護機能によって装置に流れる電流を抑制できるので、ブレーカー断としなくても不安全状態を回避でき、装置の破損も防止できる。このことは、本実施形態の電力制御装置を組み込んだ機器を使用する場合、ブレーカーを機器に備える必要も無く、機器の破損も防止できるので、使用者にとっては大変使い勝手の良い装置を実現できる。

また、本実施形態の電力制御装置は、例えば同じ配線ダクトに照明装置が複数個接続された場合などに、電力制御装置を複数接続してシステムとして使用することも可能である。なお、電力制御装置に複数の負荷を接続してまとめて供給電力を制御することも可能である。

図６は電力制御装置を複数接続した電力供給システムの構成例を示す図である。この電力供給システムでは、複数の電力制御装置５１ａ、５１ｂ、５１ｃが同じ電力線配線５５に接続され、交流電源１に接続されている。電力線配線５５には、電源をオンオフする壁スイッチ等のスイッチ５６、過電流保護用のブレーカー５７が設けられている。電力制御装置５１ａ、５１ｂ、５１ｃには、それぞれ白熱灯や蛍光灯などによる照明装置等の負荷５２ａ、５２ｂ、５２ｃが接続されて照明システムを構成しており、これらの負荷５２ａ、５２ｂ、５２ｃへの供給電力を制御できるような構成となっている。

この電力供給システムの構成例のように、電力制御装置を複数接続した場合、これらの電力制御装置の負荷に対して一括して電源を投入した場合の突入電流を低減することができるため、ブレーカーやスイッチの電源容量を小さくできる可能性があり、装置や設備の小型化や低コスト化を図れる。

さらに、電力制御装置を複数接続した場合、万一寿命などによってそのうちの一つが故障した場合、例えば負荷短絡や装置故障などにより過電流が流れるような場合においても、他の電力制御装置の過電流保護機能によって流れる電流を低減できる。このため、ブレーカー断により、接続された照明装置全てが消灯してしまうなど、全ての負荷が不動になってしまう状態を回避することができる。また、電源オンオフのためのスイッチとして壁スイッチを使用している場合、そのスイッチの溶着等の不具合が生じるおそれを低減することも可能である。

なお、本発明は上記の実施形態において示されたものに限定されるものではなく、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

上述した実施形態では、電力制御装置を交流負荷として白熱灯や蛍光灯などの照明機器を負荷として用いる照明装置に適用した例を示したが、これのみに限るものではなく、負荷がヒータの場合など、交流負荷への供給電力をスイッチ素子でスイッチングして電力制御を行う構成であって適合するものであれば、他の種々の装置に適用可能である。

本発明は、負荷接続時や始動時、負荷の短絡時や異常時などの過電流に対してスイッチ素子や負荷を保護することができ、負荷が正常な場合には、例えば白熱灯と放電灯点灯装置など、異なる複数種の負荷に対しても確実に始動させて駆動することが可能となる効果を有し、照明負荷等の交流負荷の電力制御を行うための調光装置や点灯装置等に適用可能な電力制御装置等として有用である。

本発明の実施形態に係る電力制御装置の構成を示す回路図 本実施形態において電力制御を行う際の動作波形を示す図 本実施形態の過電流保護機能に関する動作を示すタイムチャート 本実施形態の過電流保護動作における始動時の短周期の間欠動作を示す図 本実施形態の過電流保護動作における定常時の長周期の間欠動作を示す図 本実施形態の電力制御装置を複数接続した電力供給システムの構成例を示す図

符号の説明

１ 交流電源
２ 負荷
３ 制御電源
４ ゼロ点検出部
５ 駆動部
６ マイコン
７ 制御部
８ 受光部
９ リモコン送信器
１０ 負荷切替スイッチ
ＣＮ１ 電源接続部
ＣＮ２ 負荷接続部
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４ スイッチ素子
ＣＰ１、ＣＰ２ 比較器
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７、Ｒ８、Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１、Ｒ１２ 抵抗
Ｃ１ コンデンサ
Ｌ１ インダクタ

Claims (8)

1. 交流電源から負荷へ流れる供給電力を調整する電力制御装置であって、
   前記供給電力をオンオフするスイッチ素子と、
   前記スイッチ素子のオンオフを制御する制御部と、
   前記スイッチ素子に流れる電流を検出する電流検出部と、
   接続される負荷の設定を切り替える負荷設定部とを備え、
   前記制御部は、
   前記スイッチ素子に流れる電流が所定値を超える場合に、過電流検出を判定して前記スイッチ素子を一時的にオフし、
   前記負荷の設定に基づき、前記負荷が白熱灯の場合に、前記スイッチ素子のオンオフ制御により前記負荷へ流れる電流の導通角の位相を制御して供給電力を調整し、
   前記負荷の設定に基づき、前記負荷が放電灯点灯装置の場合に、前記スイッチ素子のオンオフ制御により前記負荷への供給電力をオンまたはオフする電力制御装置。
2. 請求項１に記載の電力制御装置であって、
   前記スイッチ素子は、前記交流電源とこの交流電源と直列接続される負荷との間に互いに逆極性で直列に接続され、前記制御部からの制御信号に基づき、前記交流電源からの供給電力をオンオフする第１及び第２のスイッチ素子を有してなる電力制御装置。
3. 請求項１に記載の電力制御装置であって、
   前記電流検出部は、前記スイッチ素子と直列に接続され、この電流検出部において流れる電流により前記スイッチ素子に流れる電流を検出する電力制御装置。
4. 請求項１に記載の電力制御装置であって、
   前記制御部は、前記電流検出部の出力を基準値と比較する比較器を有し、
   前記スイッチ素子のオンオフと同期して前記比較器の入力インピーダンスを切り替え、前記スイッチ素子がオンする期間における前記入力インピーダンスを低くするインピーダンス切替部を備える電力制御装置。
5. 請求項４に記載の電力制御装置であって、
   前記インピーダンス切替部は、前記比較器の入力部とグランドとの間にオンオフ可能に挿入される抵抗成分を持つインピーダンス素子と、前記インピーダンス素子の接続を前記スイッチ素子のオンオフと同期して切り替えるスイッチ素子とを有する電力制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の電力制御装置を有し、負荷に白熱灯又は放電灯点灯装置の少なくともいずれかを用いた照明装置。
7. 請求項１〜５のいずれかに記載の電力制御装置を複数接続した電力供給システム。
8. 請求項１〜５のいずれかに記載の電力制御装置を複数接続し、負荷に白熱灯又は放電灯点灯装置の少なくともいずれかを用いた照明システム。

Images