JP5069461B2 - 調光装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電源と照明負荷との間に介在して位相制御により照明負荷を調光する調光装置に関するものである。

従来、交流電源と照明負荷との間に介在して位相制御により照明負荷を調光する調光装置において、例えば交流電源の電圧波形が部分的に欠落する等の電圧波形の歪（以降、電源歪みと称す）によって照明負荷に供給される実効電圧に過不足が生じると、照明出力が変動し、調光の精度が悪化していた。

そこで、電源歪みを計測し、電源歪みによる実効電圧の過不足を補うように位相制御を補正する技術があり、例えば、位相制御信号に応じてトライアックをオンすることで、交流電源から照明負荷への供給電力を位相制御する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、同じ電源ラインに位相制御方式の調光装置が２系統以上接続された場合、各系統の調光装置が、電源歪みの原因となる他の系統の制御状態を知ることで、予測される歪み量を計算して、実効電圧の過不足を補うように位相制御を補正する技術もある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００６−１２７７９２号公報 特開２００６−１２７７９１号公報

しかしながら、上記特許文献１では、トライアックのオンタイミングを位相制御信号で任意に設定できるが、トライアックは一度オンするとアノード−カソード間が逆バイアスになるまでオン状態を維持するので、オフタイミングを任意に設定することはできない。したがって、図７に示すように、電源電圧の半周期Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３，．．．．．．が繰り返される場合（なお、図７では電源電圧の全波整流波形を示す）、半周期Ｔ１３で電源歪みＨ１３が発生すると、当該半周期Ｔ１３でトライアックがオンしている期間である位相制御範囲Ｗ１３の補正はできず、半周期Ｔ１３の電源歪みによって生じた実効電圧の過不足分は次の半周期Ｔ１４で補正される。半周期Ｔ１４での位相制御範囲Ｗ１４は、トライアックのオンタイミングを早くすることで正常な波形である他の半周期の位相制御範囲と比べてα１４だけ長くなり、前の半周期Ｔ１３の電源歪みによって生じた実効電圧の不足分を補正している。すなわち、トライアックを用いた位相制御では、電源歪みによって生じた実効電圧の過不足分を、当該過不足分が生じた半周期では補正できず、次の半周期以降で補正されるため、照明が暗くなったり、ちらつきが発生するという問題があった。

また、上記特許文献２では、同じ電源ラインに接続された他の系統の調光装置との連動が必要となり、システムが複雑化する。さらには、空調装置、昇降装置等の他の設備が原因で電源歪みが発生する場合は対応できない。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、電源歪みによって生じた実効電圧の過不足分による照明出力の変動を簡易な構成で抑制可能な調光装置を提供することにある。

請求項１の発明は、交流電源と照明負荷との間に介在して位相制御により照明負荷を調光する調光装置において、入力される位相制御信号に応じてオン・オフすることで交流電源から照明負荷への電力供給を導通・遮断する電界効果型トランジスタと、交流電源を整流する整流部と、交流電源の電圧のゼロクロスタイミングを検出するゼロクロス検出部と、調光率を指示する調光信号を出力する設定部と、ゼロクロス検出部が検出したゼロクロスタイミングで電界効果型トランジスタをオンし、さらにゼロクロスタイミングから所定の間隔毎に整流部の出力の瞬時電圧を計測し、当該計測値から得られる実効電圧情報と設定部からの調光信号に基づいて設定された目標値とを比較して、実効電圧情報が目標値に達したときに電界効果型トランジスタをオフする位相制御信号を電界効果型トランジスタへ出力する制御部とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、電源電圧のゼロクロスタイミングからオンして、任意の位相でオフさせることが可能となるので、電源歪みによって生じた実効電圧の過不足分を、当該過不足分が生じた半周期で補正でき、照明が暗くなったり、ちらつきが発生することがなく、照明出力の変動を抑制できる。また、他の系統の調光装置との連動は必要なく、簡易な構成で上記効果を得ることができる。さらには、空調装置、昇降装置等の他の設備が原因で電源歪みが発生する場合にも対応できる。

請求項２の発明は、請求項１において、前記制御部は、前記所定の間隔毎に計測した瞬時電圧の２乗総和からなる実効電圧情報と、設定部からの調光信号に基づいて設定された２乗総和の目標値とを比較することを特徴とする。

この発明によれば、瞬時電圧の２乗総和を導出することで実効電圧情報を得ることができる。

請求項３の発明は、請求項２において、前記２乗総和の目標値は、前記所定の間隔毎に計測した瞬時電圧に基づいて算出された交流電源の電圧波形の半周期分に相当する瞬時電圧の２乗総和と、調光信号で指示される調光率とに基づいて設定されることを特徴とする。

この発明によれば、瞬時電圧の実測値に基づいて目標値を設定でき、実際の環境に応じた目標値を得ることができる。

以上説明したように、本発明では、電源歪みによって生じた実効電圧の過不足分による照明出力の変動を簡易な構成で抑制することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
図１に示す本実施形態の調光装置１は、商用電源で構成される交流電源ＡＣと、白熱球，蛍光灯，ＬＥＤ等の照明負荷Ｌａとの間に介在して位相制御により照明負荷Ｌａを調光し、その各部の波形は図２，図４に示される。

調光装置１は、一対の電界効果型トランジスタＱ１，Ｑ２（以降、ＦＥＴＱ１，Ｑ２と称す）の各ソース端子を接続した電界効果型トランジスタユニット１ａ（以降、ＦＥＴユニット１ａと称す）と、ＦＥＴＱ１，Ｑ２をオン・オフ駆動する位相制御信号Ｙｂを出力するマイコンからなる制御部１ｂと、交流電源ＡＣからの入力Ｙａ（図２（ａ））をマイコンに入力可能な電圧にまで分圧して全波整流する整流部１ｃと、全波整流出力Ｙｃ（図２（ｂ））から交流電源ＡＣの電圧（以降、電源電圧と称す）のゼロクロスタイミングを検出してゼロクロス検出信号Ｙｄ（図２（ｃ））を出力するゼロクロス検出部１ｄと、照明負荷Ｌａの調光率を設定し、当該調光率を指示する調光信号Ｙｅを制御部１ｂへ出力する設定部１ｅとで構成される。

ＦＥＴユニット１ａは、ＦＥＴＱ１，Ｑ２の各ドレイン端子を交流電源ＡＣ側、照明負荷Ｌａ側に各々接続し、交流電源ＡＣと照明負荷Ｌａとの間に接続される。そして、ＦＥＴＱ１，Ｑ２の各ゲート端子に印加される位相制御信号ＹｂがＨレベルのときに、ＦＥＴＱ１，Ｑ２はオンして、交流電源ＡＣから照明負荷Ｌａへの電力供給が導通状態となり、位相制御信号ＹｂがＬレベルのときに、ＦＥＴＱ１，Ｑ２はオフして、交流電源ＡＣから照明負荷Ｌａへの電力供給が遮断状態となる。

制御部１ｂは、ＦＥＴＱ１，Ｑ２に出力する位相制御信号Ｙｂを生成する。図３は、制御部１ｂがＦＥＴＱ１，Ｑ２をオン・オフ駆動することによる位相制御を示すフローチャートであり、まず、図４（ａ）に示すようにゼロクロス検出部１ｄが検出したゼロクロス検出信号Ｙｄが立ち上がると（ステップＳ１）、位相制御信号Ｙｂは図４（ｂ）に示すようにＨレベルになり、ＦＥＴＱ１，Ｑ２をオンさせる（ステップＳ２）。制御部１ｂは、位相制御信号ＹｂがＨレベルになると、図４（ｃ）に示すように全波整流出力Ｙｃの瞬時電圧値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，．．．．．．を１μｓｅｃのサンプリング周期Ｔｓで計測し、計測したアナログの瞬時電圧値をＡ／Ｄ変換する（ステップＳ３）。そして、電源電圧の実効電圧情報を得るために、デジタル信号に変換された全波整流出力Ｙｃの瞬時電圧値を２乗して足し合わせ、瞬時電圧値の２乗総和（Ｖ１^２＋Ｖ２^２＋Ｖ３^２＋．．．．．．）を演算する（ステップＳ４）。

また制御部１ｂは、図５に示すように、調光率（０〜１００％）の１％毎に対応して、全波整流出力Ｙｃの瞬時電圧の２乗総和の目標値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３，．．．．．．の関係テーブルを、内部に備えたメモリＭに予め記憶させている。この２乗総和の目標値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３，．．．．．．は、交流電源ＡＣの電圧波形（以降、電源波形と称す）が全く歪みの無い理想的な場合の瞬時電圧値に基づいて算出した理論値であり、全く歪みの無い理想的な電圧波形の瞬時電圧値を上記のようにサンプリングしてＡ／Ｄ変換した値の２乗を、各調光率に応じて半周期の始端から足し合わせた値である。

そして制御部１ｂは、設定部１ｅからの調光信号Ｙｅで指示される調光率に応じて、瞬時電圧の２乗総和の目標値をメモリＭから読み出し、上記ステップＳ４で算出した瞬時電圧の２乗総和の演算値と、瞬時電圧の２乗総和の目標値とを比較し、演算値が目標値を超えたか否かを判定する（ステップＳ５）。演算値が目標値を超えていなければ、ステップＳ３〜Ｓ５の処理を１μｓｅｃ周期で繰り返し行う。演算値が目標値を超えている場合は、位相制御信号ＹｂをＬレベルにして、ＦＥＴＱ１，Ｑ２をオフさせることで、調光信号Ｙｅで指示される調光率で照明負荷Ｌａを調光点灯させることができる。（ステップＳ６）。

このように、制御部１ｂは、電源電圧のゼロクロスタイミングから、瞬時電圧の２乗総和の演算値が調光率に応じた目標値を超えるまでを、電源電圧の半周期毎の位相制御範囲ＷとしてＦＥＴＱ１，Ｑ２のオン状態を維持している（図４（ｂ）参照）。

したがって、図６に示すように、電源電圧の半周期Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，．．．．．．が繰り返される場合（なお、図６では電源電圧の全波整流波形を示す）、半周期Ｔ３で電源歪みＨ３が発生すると、当該半周期Ｔ３で位相制御範囲Ｗ３が補正され、半周期Ｔ３の電源歪みＨ３によって生じた実効電圧の過不足分はこの半周期Ｔ３で補正される。而して、半周期Ｔ３での位相制御範囲Ｗ３は、正常な波形である他の半周期の位相制御範囲と比べてα３だけ長くなり、電源歪みＨ３によって生じた実効電圧の不足分を補正している。すなわち、ＦＥＴＱ１，Ｑ２のような自己消弧型スイッチ素子を用いた位相制御では、電源電圧のゼロクロスタイミングからオンして、任意の位相でオフさせることが可能となるので、電源歪みによって生じた実効電圧の過不足分を、当該過不足分が生じた半周期で補正でき、照明が暗くなったり、ちらつきが発生することがなく、照明出力の変動を抑制している。

また、他の系統の調光装置との連動は必要なく、簡易な構成で上記効果を得ることができる。さらには、空調装置、昇降装置等の他の設備が原因で電源歪みが発生する場合にも対応できる。

なお、制御部１ｂでのサンプリング周期Ｔｓは、上記のように１μｓｅｃに限定されるものではなく、電源歪みをさらに高精度に認識する場合にはサンプリング周期Ｔｓを短くすればよく、さらにはサンプリング周期Ｔｓは一定周期でなくてもよい。

（実施形態２）
実施形態１では、調光率（０〜１００％）の１％毎に対応した目標値Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３，．．．．．．として、全く歪みの無い理想的な電源波形に基づいて算出した理論値を、制御部１ｂのメモリＭに予め記憶させている（図５参照）。

しかし、本実施形態の制御部１ｂは、電源投入後、最初に全波整流出力Ｙｃの瞬時電圧値をサンプリングしたときに、電源電圧の半周期分の瞬時電圧値の２乗総和を演算して取り込み、調光率１００％時の目標値としてメモリＭに記憶して、以後、設定部１ｅからの調光信号Ｙｅで指示される調光率に応じて、例えば調光率が５０％の場合は、［調光率１００％時の目標値×０．５］を目標値に設定し、調光率が３０％の場合は、［調光率１００％時の目標値×０．３］を目標値に設定する。したがって、瞬時電圧の実測値に基づいて目標値を設定でき、実際の環境に応じた目標値を得ることができる。また、メモリＭに記憶する調光率１００％時の目標値は、複数周期に亘って取り込んだ瞬時電圧値の２乗総和から半周期の平均値を算出した値を用いてもよい。

なお、他の構成は実施形態１と同様であり、説明は省略する。

実施形態の調光装置のブロック構成を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）同上の各部の波形を示す図である。 同上の位相制御のフローチャートを示す図である。 （ａ）〜（ｃ）同上の各部の波形を示す図である。 メモリに記憶している実施形態１のテーブルを示す図である。 同上の位相制御の動作波形を示す図である。 従来の位相制御の動作波形を示す図である。

符号の説明

１ 調光装置
１ａ 電界効果型トランジスタユニット
１ｂ 制御部
１ｃ 整流部
１ｄ ゼロクロス検出部
１ｅ 設定部
Ｑ１，Ｑ２ 電界効果型トランジスタ
Ｍ メモリ
ＡＣ 交流電源
Ｌａ 照明負荷

Claims (3)

1. 交流電源と照明負荷との間に介在して位相制御により照明負荷を調光する調光装置において、
   入力される位相制御信号に応じてオン・オフすることで交流電源から照明負荷への電力供給を導通・遮断する電界効果型トランジスタと、
   交流電源を整流する整流部と、
   交流電源の電圧のゼロクロスタイミングを検出するゼロクロス検出部と、
   調光率を指示する調光信号を出力する設定部と、
   ゼロクロス検出部が検出したゼロクロスタイミングで電界効果型トランジスタをオンし、さらにゼロクロスタイミングから所定の間隔毎に整流部の出力の瞬時電圧を計測し、当該計測値から得られる実効電圧情報と設定部からの調光信号に基づいて設定された目標値とを比較して、実効電圧情報が目標値に達したときに電界効果型トランジスタをオフする位相制御信号を電界効果型トランジスタへ出力する制御部と、
   を備えることを特徴とする調光装置。
2. 前記制御部は、前記所定の間隔毎に計測した瞬時電圧の２乗総和からなる実効電圧情報と、設定部からの調光信号に基づいて設定された２乗総和の目標値とを比較することを特徴とする請求項１記載の調光装置。
3. 前記２乗総和の目標値は、前記所定の間隔毎に計測した瞬時電圧に基づいて算出された交流電源の電圧波形の半周期分に相当する瞬時電圧の２乗総和と、調光信号で指示される調光率とに基づいて設定されることを特徴とする請求項２記載の調光装置。

Images