JP5441638B2

JP5441638B2 - 調光装置

Info

Publication number: JP5441638B2
Application number: JP2009267278A
Authority: JP
Inventors: 大和高橋; 和則小松
Original assignee: ニッポ電工株式会社
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2029-11-25
Also published as: JP2011113711A

Description

本発明は、蛍光灯やＬＥＤを点灯させるための調光装置に関するものである。

従来、白熱電球等の照明負荷を所定の調光レベルで点灯させる際に、トライアックやサイリスタ等の半導体スイッチング素子が用いられている（たとえば特許文献１、２参照）。特許文献１、２において、トライアックが商用交流電源から供給される電力の一部が切り落とされた波形を作る電力の位相制御を行う。そして、位相制御された電力が照明に供給されることにより調光が行われる。

さらに、調光型蛍光灯照明器具（または安定器）において、蛍光灯には調光信号としてたとえば約１０Ｖ_０−ｐ、約１．５ｋＨｚ以下の低周波のＰＷＭ信号が供給されるのが一般的である。よって、位相制御された電力をＰＷＭ信号に変換した後に調光型蛍光灯照明器具（又は安定器）にこの電力を供給することが考えられる。

特開平９−２６００６８号公報特開平１１−６７４７０号公報

ところで、上述した商用交流電源から供給される電力は常に一定したものではなく、変動・ゆらぎにより実効値が変動する場合があり、実効値の変動により調光状態が変動しＰＷＭ信号が意図しない変動を行う場合がある。白熱電球は応答が遅いため、上述した調光により波形の一部が切り取られた場合もしくは商用交流電源の変動により調光状態が変動した場合であってもチラツキが生じにくい。

しかし、照明負荷として半導体発光素子（ＬＥＤ素子）や蛍光灯を用いた場合、ＬＥＤ素子等は応答が速いため、調光状態が変動した場合にはチラツキが発生するという問題がある。特に、このチラツキは深く調光を掛けるほど（切り取る波形が大きくなるほど）顕著に現れる。

そこで、本発明は、ＬＥＤ等を点灯させる際のちらつきの発生を防止することができる調光装置を提供することを目的とするものである。

本発明の調光装置は、交流電源から供給される交流電力の位相を制御する位相制御素子と、位相制御素子において制御される位相を設定する位相設定手段と、位相制御素子により位相制御された交流電圧を整流する整流回路と、整流回路に電気的に接続された、位相制御素子を駆動するための電流を保持する電流保持手段と、電流保持手段からの出力電圧と基準電圧とを比較し、出力電圧が基準電圧以下であるときに位相設定手段および整流回路の出力端子をスイッチングにより負荷を介して接地する導通角検出手段と、電流保持手段からの出力電圧に対しＰＷＭ制御を行うパルス変調手段とを備えたことを特徴とするものである。

なお、パルス変調手段と照明負荷との間にパルス電圧を直流電圧にするローパスフィルタをさらに有し、照明負荷に直流電圧を印加するようにしてもよい。

また、電流保持手段は、整流回路から出力された電圧が設定しきい値以上にならないようにスライスする機能を有するものであってもよい。

さらに、導通角検出手段は、整流回路の出力端子をスイッチングにより負荷を介して接地した際に位相設定手段の出力も負荷を介して接地するものであることが好ましい。

また、位相制御素子および位相設定手段が調光ユニットを構成するとともに、整流回路と電流保持回路と導通角検出手段とパルス変換手段とが変換ユニットを構成するものであり、調光ユニットと変換ユニットとが着脱可能に接続されたものであってもよいし、調光ユニットと変換ユニットとが一体的なユニットとして構成されたものであってもよい。

本発明の調光装置によれば、交流電源から供給される交流電力の位相を制御する位相制御素子と、位相制御素子において制御される位相を設定する位相設定手段と、位相制御素子により位相制御された交流電圧を整流する整流回路と、整流回路に電気的に接続された、位相制御素子を駆動するための電流を保持する電流保持手段と、電流保持手段からの出力電圧と基準電圧とを比較し、出力電圧が基準電圧以下であるときに整流回路の出力端子をスイッチングにより負荷を介して接地する導通角検出手段と、電流保持手段からの出力電圧に対しＰＷＭ制御を行うパルス変調手段とを備えたことにより、導通角検出手段からの出力電圧が基準電圧以下の休止位相角（遅延期間）において電流保持手段からの出力電圧を０にすることができるため、交流電源において実効値の変動やふらつきが生じた場合であってもパルス信号への影響を最小限に抑え、ＬＥＤ等の照明負荷のちらつきを防止することができる。

なお、パルス変調手段と照明負荷との間にパルス電圧を直流電圧にするローパスフィルタをさらに有するとき、照明負荷に直流電圧を供給することができる。

さらに、電流保持手段が、整流回路から設定しきい値以上の電圧が出力されたときに設定しきい値の電圧にスライスして出力する機能を有するものであれば、出力電圧を内部回路の動作電圧内に収めることができ、調光装置を構成する素子に過剰な電力が印加されるのを防止することができる。

また、導通角検出手段が、整流回路の出力端子をスイッチングにより負荷を介して接地した際に位相設定手段の出力を負荷を介して接地するものであるとき、位相制御素子の遅延期間中に位相設定手段をリセットしてトリガ信号の発生周期にずれが生じるのを防止することができる。

さらに、位相制御素子および位相設定手段が調光ユニットを構成するとともに、整流回路と電流保持手段と導通角検出手段とパルス変調手段とが変換ユニットを構成するものであり、調光ユニットと変換ユニットとが着脱可能に接続されるものであれば、従来からの既設の調光設備(位相制御信号)をそのまま利用してＬＥＤの調光や蛍光灯の調光等に対応することができる。

本発明の調光装置の好ましい実施形態を示す回路図図１の位相制御素子により位相制御された出力電圧の一例を示すグラフ図１の整流回路により全波整流された出力電圧の一例を示すグラフ図１のパルス変調手段によりＰＷＭ制御されたパルス信号の一例を示すグラフ本発明の調光装置の別の実施形態を示す回路図本発明の調光装置の別の実施形態を示す回路図

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は本発明の調光装置の好ましい実施形態を示すブロック図である。図１の調光装置１は、調光器１０Ａ、変換ユニット１０Ｂを備えている。なお、調光器１０Ａは、たとえば商用交流電源に予め設置されたものであり、変換ユニット１０Ｂは調光器１０Ａに対したとえばコネクタ３を用いて着脱可能に電気的に接続される。

調光器１０Ａは、交流電源２から供給される交流の一部の位相を休止させることにより、交流電源２の実効値を制御するものであって、位相制御素子１０、位相設定手段２０を備えている。位相制御素子１０はトライアックからなり、交流電源２から供給される交流のうち、位相設定手段２０により設定された特定位相区間の休止角（休止位相角）においてはターンオフ状態になり、特定位相区間以外の導通角（導通位相角）ではターンオン状態になる。

位相設定手段２０は、位相制御素子１０において制御される位相（休止角・導通角）を設定するものであり、可変抵抗器ＶＲ１００、抵抗Ｒ１０１、コンデンサＣ１００、ダイアックＤＩＣから構成されている。可変抵抗器ＶＲ１００、抵抗Ｒ１０１およびコンデンサＣ１００はＲＣ回路を構成している。そして、交流電源２から交流が印加された際に、可変抵抗器ＶＲ１００および抵抗Ｒ１０１を介してコンデンサＣ１００が充電される。コンデンサＣ１００の両端電圧がダイアックＤＩＣのブレークオーバー電圧に達したとき位相制御素子１０のゲートに対しトリガ信号ＴＳが出力される。すると、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、位相制御素子１０がターンオンし、交流がゼロクロス点に達するまでＯＮ状態を保持する。そして、ゼロクロス点の経過後に位相制御素子１０がＯＦＦ状態になり、再びトリガ信号ＴＳが位相制御素子１０に対し出力されたとき位相制御素子１０がＯＮ状態になる。

このトリガ信号ＴＳの発生周期はＲＣ回路の時定数により決まるものであり、時定数は可変抵抗器ＶＲ１００の抵抗値により変化する。つまり、可変抵抗器ＶＲ１００の抵抗値での抵抗値変化がトリガ信号ＴＳの発生周期変化となって導通角の位相を制御し、照明負荷７０の調光を行うことができる。たとえば図２（Ａ）に示すように、休止角（遅延時間Ｔ）が小さい場合には大きな電力が照明負荷７０に供給され、照明負荷７０から出力される光強度が大きくなる。一方、図２（Ｂ）に示すように、休止角（遅延時間Ｔ）が大きい場合には小さな電力が照明負荷７０に供給され、照明負荷７０から出力される光強度が小さくなる。

次に、図１を参照して変換ユニット１０Ｂについて説明する。変換ユニット１０Ｂは、調光器１０Ａから出力される出力電圧Ｖ１をＰＷＭ波形もしくは直流に変換し照明負荷７０に出力するものであって、整流回路３０、電流保持手段４０、導通角検出手段５０、パルス変調手段６０を備えている。整流回路３０は、たとえばダイオードブリッジ等からなる全波整流回路であって、図３に示すように調光器１０Ａから出力された電圧Ｖ１を全波整流する。なお、図３において整流回路３０が全波整流をする場合について例示しているが半波整流を行うものであってもよい。

図１の電流保持手段４０は、整流回路３０に電気的に接続されており、調光器１０Ａにおける位相制御素子（トライアック）１０がターンオンし続けるための電流を保持するものである。すなわち、位相制御素子１０は回路上、所定の負荷(たとえば白熱電球等の照明負荷)が接続されていなければ目的の回路動作を行うことができないため、電流保持手段４０が設けられている。

電流保持手段４０は抵抗Ｒ１、Ｒ３、ダイオードＺＤ１、スイッチング素子Ｑ１から構成されている。抵抗Ｒ１とダイオードＺＤ１、抵抗Ｒ３とは直列に接続されており、ダイオードＺＤ１と抵抗Ｒ３とはスイッチング素子Ｑ１を介して並列に接続されている。スイッチング素子Ｑ１はｎ型ＭＯＳＦＥＴからなり、ゲート端子が抵抗Ｒ１とダイオードＺＤ１との間に接続されドレイン端子が整流回路３０に接続され、ソース端子が抵抗Ｒ３に接続されている。そして、抵抗Ｒ３の電圧値が電流保持手段４０からの出力電圧Ｖ２として出力される。つまり、位相制御素子１０がターンオンしている導通角期間において、位相制御素子１０には抵抗Ｒ２、Ｒ３による負荷が掛かる状態になり、位相制御素子１０のターンオン状態を保持することができる。なお、スイッチング素子Ｑ１はｐ型ＭＯＳＦＥＴ（但し極性を反転させる）やバイポーラトランジスタ等の他の半導体スイッチング素子を用いるようにしてもよい。

ダイオードＺＤ１はツェナーダイオードからなり、ツェナー電圧以上の電圧が印加された際に導通する。そして、整流回路３０から出力される電圧のうち、導通角期間においてゲート端子はＯＮ状態になり、抵抗Ｒ３とダイオードＺＤ１とが並列に接続された状態になる。したがって、ダイオードＺＤ１に並列接続された抵抗Ｒ３に印加される電圧Ｖ２はツェナー電圧以上の電圧にはならず強制的にスライスされる。ツェナー電圧が内部回路の動作保証電圧の範囲内になるようなダイオードＺＤ１を用いることにより、内部回路を保護することができる。

導通角検出手段５０は、電流保持手段４０からの出力電圧Ｖ２と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較し、出力電圧Ｖ２が基準電圧Ｖｒｅｆ以下であるときに整流回路３０の出力端子をスイッチングにより負荷を介して接地するものである。具体的には、導通角検出手段５０は、抵抗Ｒ１、第１コンパレータＣＯＭＰ１、スイッチング素子Ｑ２から構成されている。抵抗Ｒ１は整流回路３０に接続された抵抗であり、スイッチング素子Ｑ２に接続されている。スイッチング素子Ｑ２はたとえばｎ型ＭＯＳＦＥＴからなり、ゲート端子が第１コンパレータＣＯＭＰ１の出力に接続されドレイン端子が抵抗Ｒ１に接続されソース端子が接地されている。なお、スイッチング素子Ｑ２はｐ型ＭＯＳＦＥＴ（但し極性を反転させる）やバイポーラトランジスタ等の他の半導体スイッチング素子を用いるようにしてもよい。

第１コンパレータＣＯＭＰ１は、電流保持手段４０からの出力電圧Ｖ２が第１基準電圧Ｖｒｅｆ１以上であるか否かを判断するものである。そして、出力電圧Ｖ２が第１基準電圧Ｖｒｅｆ１よりも大きいとき（Ｖ２＞Ｖｒｅｆ１）、第１コンパレータＣＯＭＰ１はＬｏｗレベル信号を出力する。一方、出力電圧Ｖ２が第１基準電圧Ｖｒｅｆ１以下であるとき（Ｖ２≦Ｖｒｅｆ１）、第１コンパレータＣＯＭＰ１はＨｉｇｈレベル信号を出力する。つまり、スイッチング素子Ｑ２はＶ２＞Ｖｒｅｆ１のときＯＦＦ状態になり、Ｖ２≦Ｖｒｅｆ１のときＯＮ状態になる。

さらに、導通角検出手段５０は、位相設定手段２０においてトリガ信号ＴＳを所定の周期で確実に発生させる機能を有している。つまり、Ｖ２≦Ｖｒｅｆ１の期間（休止角期間）においてコンデンサＣ１００の蓄積電荷が負荷抵抗Ｒ１を介して放出される。これにより位相設定手段２０をリセットし所定の周期で確実にトリガ信号ＴＳを出力させることができる。

パルス変調手段６０は、位相制御信号Ｖ２の導通角に応じたパルス信号Ｖｐを出力するものであって第２コンパレータＣＯＭＰ２を有している。第２コンパレータＣＯＭＰ２は導通角検出手段５０からの出力電圧Ｖ２が第２基準電圧Ｖｒｅｆ２以上であるか否かを判断する。そして、図４に示すように、第２コンパレータＣＯＭＰ２は出力電圧Ｖ２が第２基準電圧Ｖｒｅｆ２よりも大きいとき（Ｖ２＞Ｖｒｅｆ２）Ｌｏｗレベル信号を出力し、出力電圧Ｖ２が基準電圧Ｖｒｅｆ１以下であるとき（Ｖ２≦Ｖｒｅｆ２）Ｈｉｇｈレベル信号を出力する。

あるいは、第２コンパレータＣＯＭＰ２に接続する極性を反転させて、出力電圧Ｖ２が基準電圧Ｖｒｅｆ２よりも大きいとき（Ｖ２＞Ｖｒｅｆ２）Ｈｉｇｈレベル信号を出力し、出力電圧Ｖ２が基準電圧Ｖｒｅｆ１以下であるとき（Ｖ２≦Ｖｒｅｆ２）Ｌｏｗレベル信号を出力するようにしてもよい。さらに、第２コンパレータＣＯＭＰ２からの出力をＰＷＭ出力に代えて抵抗ＲＦＴおよびコンデンサＣＦＴにより構成されるＬＰＦを介して出力することにより、直流定電圧を出力するようにしてもよい。

次に、図１および図４を参照して調光装置１の動作例について説明する。まず、商用交流電源２から交流電圧Ｖ１が調光器１０Ａに印加されると、調光器１０Ａにおいて可変抵抗器Ｒ１００の大きさに応じて位相制御された出力電圧Ｖ１００が出力される（図２参照）。その後、整流回路３０において出力電圧Ｖ１００が整流され整流電圧Ｖ１が出力される（図３参照）。

ここで、位相制御素子１０がＯＮ状態である場合には電流保持手段４０の負荷により位相制御素子１０はＯＮ状態を保持する。一方、位相制御素子１０がＯＦＦ状態である場合には導通角検出手段５０のオフセット抵抗Ｒ１が接地され、電流保持手段４０からの出力電圧Ｖ２＝０Ｖになるとともに位相設定手段２０のコンデンサがリセットされる。電流保持手段４０からの出力電圧Ｖ２はパルス変調手段６０によりＰＷＭ変調が施され（図４参照）、調光器１０Ａの位相制御に応じたＰＷＭ波形の電圧が照明負荷７０に供給される。

上記実施の形態によれば、交流電源２から供給される交流電力の位相を制御する位相制御素子１０と、位相制御素子１０において制御される位相を設定する位相設定手段２０と、位相制御素子１０により位相制御された交流電圧Ｖ１００を整流する整流回路３０と、整流回路３０に電気的に接続された、位相制御素子１０を駆動するための電流を保持する電流保持手段４０と、電流保持手段４０からの出力電圧Ｖ２と基準電圧Ｖｒｅｆ１とを比較し、出力電圧Ｖ２が基準電圧Ｖｒｅｆ１以下であるときに整流回路３０の出力端子をスイッチングにより負荷Ｒ１を介して接地する導通角検出手段５０と、電流保持手段４０からの出力電圧Ｖ２に対しＰＷＭ制御を行うパルス変調手段６０とを備えたことにより、休止角期間（遅延期間Ｔ）において導通角検出手段５０からの出力電圧Ｖ２が基準電圧Ｖｒｅｆ以下のときには電流保持手段４０からの出力を０Ｖにすることができるため、交流電源２において実効値の変動やふらつきが生じた場合であってもパルス信号Ｖｐへの影響を最小限に抑え、ＬＥＤ等の照明負荷のちらつきを防止することができる。

すなわち、既に設置されている調光器１０に対しＬＥＤや調光型蛍光灯照明器具(又は安定器)を接続して調光しようとした場合、単純にＡＣ電圧の実効値に応じてＰＷＭ調光信号に変換することが考えられる。しかし、電源電圧の変動やふらつきによりＡＣ電圧の実効値が変動するため、出力されるＰＷＭ信号が意図しない変動をしてしまう。この変動は蛍光灯やＬＥＤの調光状態の変動となりチラツキの要因となり、特に、このチラツキは深く調光を掛ける（照明を暗くする）程顕著に現れる。このため、位相制御調光器からの位相制御信号(白熱電球に印加される電圧波形)をLEDや調光型蛍光灯照明器具(又は安定器)にマッチングするように変換するインターフェイスのようなものが必要になる。

ここで、電源電圧の変動等により実効値電圧は大きく変動するが、導通角は大きく変動しない。この点に着目し、導通角検出手段５０が導通角を検出しパルス変調手段６０から検出した導通角に基づくパルス信号Ｖｐを出力する。これにより、交流電源における変動やふらつきが生じた場合であってもパルス信号Ｖｐへの影響を最小限に抑え、ＬＥＤ等の照明負荷のちらつきを防止することができる。

また、パルス変調手段６０と照明負荷７０との間にパルス電圧を直流電圧にするローパスフィルタをさらに有するとき、照明負荷に直流電圧を供給することができる。

さらに、電流保持手段４０が、整流回路３０から設定しきい値（ツェナー電圧）以上の電圧が出力されたときに設定しきい値の電圧にスライスして出力する機能を有するものであれば、出力電圧を内部回路の動作電圧内に収めることができ、調光装置を構成する素子に過剰な電力が印加されるのを防止することができる。

また、導通角検出手段５０が、整流回路３０の出力端子をスイッチングにより負荷Ｒ１を介して接地した際に位相設定手段２０の出力を負荷Ｒ１を介して接地するものであるとき、位相制御素子１０の遅延期間Ｔ中に位相設定手段２０をリセットしてトリガ信号の発生周期にずれが生じるのを防止することができる。

さらに、位相制御素子１０および位相設定手段２０が調光ユニット１０Ａを構成するとともに、整流回路３０と電流保持手段４０と導通角検出手段５０とパルス変調手段６０とが変換ユニット１０Ｂを構成するものであり、調光ユニット１０Ａと変換ユニット１０Ｂとが着脱可能に接続されるものであれば、従来からの既設の調光設備(位相制御信号)をそのまま利用してＬＥＤの調光や蛍光灯の調光等に対応することができる。

本発明の実施形態は、上記実施の形態に限定されない。たとえば、負荷７０としてＬＥＤを用いた場合について例示しているが、調光型蛍光灯器具（または安定器）やその他のＰＷＭ制御機器等にも応用可能である。すなわち、図５の調光装置１００に示すように、第３コンパレータＣＯＭＰ３が、上述したローパスフィルタからの出力電圧Ｖｐと、キャリア発生回路１１０から出力されるたとえば所望のノコギリ波や三角波等からなるキャリア信号とを比較してＰＷＭ信号Ｖ１０を出力し、このＰＷＭ信号Ｖ１０を調光型蛍光灯器具（または安定器）やその他のＰＷＭ制御機器等の負荷７０に出力するようにしてもよい。さらに、図６の調光装置２００に示すように、第４コンパレータＣＯＭＰ４が上述したローパスフィルタからの出力電圧Ｖｐと、電流検出抵抗Ｒｃｓを用いて検出される駆動電流とを比較して制御信号Ｖ２０を出力し、制御信号Ｖ２０を用いて可変定電流源２１０から負荷（ＬＥＤ）７０へ所望の駆動電流が供給されるように可変定電流源２１０を制御してもよい。

１調光装置
２交流電源
１０Ａ調光器
１０位相制御素子（トライアック）
１０Ｂ変換ユニット
２０位相設定手段
３０整流回路
４０電流保持手段
５０導通角検出手段
６０パルス変調手段

Claims

交流電源から供給される交流電力の位相を制御する位相制御素子と、
該位相制御素子において制御される位相を設定する位相設定手段と、
前記位相制御素子により位相制御された交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路に電気的に接続された、前記位相制御素子を駆動するための電流を保持する電流保持手段と、
該電流保持手段からの出力電圧と基準電圧とを比較し、該出力電圧が前記基準電圧以下であるときに前記整流回路の出力端子をスイッチングにより負荷を介して接地する導通角検出手段と、
該電流保持手段からの出力電圧に対しＰＷＭ制御を行うパルス変調手段と
を備えたことを特徴とする調光装置。
前記パルス変調手段と前記照明負荷との間に前記パルス電圧を直流電圧にするローパスフィルタをさらに有することを特徴とする請求項１記載の調光装置。
前記電流保持手段が、前記整流回路から設定しきい値以上の電圧が出力されたときに前記設定しきい値の電圧にスライスして出力する機能を有するものであることを特徴とする請求項１または２記載の調光装置。
前記導通角検出手段が、前記整流回路の出力端子をスイッチングにより負荷を介して接地した際に前記位相設定手段の出力を前記負荷を介して接地するものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の調光装置。
前記パルス変調手段が、前記出力電圧と基準スライス電圧とを比較し、前記出力電圧が前記基準スライス電圧より大きい期間にＨｉｇｈレベル信号を出力するものであり、前記基準スライス電圧を変化させることによりパルス幅を変調するものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の調光装置。
前記位相制御素子および前記位相設定手段が調光ユニットを構成するとともに、前記整流回路と前記電流保持手段と前記導通角検出手段と前記パルス変調手段とが変換ユニットを構成するものであり、前記調光ユニットと前記変換ユニットとが着脱可能に接続されるものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の調光装置。