JP5630776B2 - 電力機器の駆動制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、簡易な構成でありながら、交流入力電圧の周波数変動に拘らず、所望の動作を実現する電力機器の駆動制御装置に関する。
電力機器のうち、例えば、調光器は、照明器具の明るさを自在に調整できることから、ホテルやレストランなどに限らず、一般家庭でも部屋のムード作りなどの用途に活用されている。そして、明るさの調整は、一般に、リモコン装置などを介して行われる。
照明器具は、一般に、商用電源を受けて発光しており、調光器は、リモコン装置から受けた調光率に応じて、照明器具の動作時間を位相制御することで明るさを調整している。実際には、調光率によって規定される位相角θが、駆動タイミングを規定する時間データに換算されて、照明器具が駆動される。駆動タイミングは、商用電源の周波数fと位相ラジアン角θに対応して、θ/(2*π*f)となる。
商用電源の周波数fは、日本では、地域に応じて50Hzと60Hzの場合があり、切換えスイッチなどを設けることで、何れの地域でも、所望の調光動作ができるようになっている。
しかしながら、切換えスイッチによって、一々周波数を設定するのはユーザにとって煩雑であり、しかも、その設定を間違えるおそれもある。
また、商用電源で使用する場合には、その周波数は適切に管理されて一定であるが、例えば、船舶などのように、自前の発電機を使用するような場合には、その周波数が少なからず変動するので、所望の調光動作が実現できないおそれがある。
これらの問題は、単に、調光器における調光動作に限ったものではなく、例えば、ファンモータにおける風量調整や、燃料供給ポンプにおける液量調整などでも同様であり、したがって、電源周波数の変動に拘らず、所望の制御動作を実現できる簡易な構成が強く望まれるところである。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、電源電圧の周波数の違いやその変動に拘らず、所望の制御動作を実現する簡易な構成の駆動制御装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明に係る電力機器の駆動制御装置は、周波数が変化する可能性のある交流入力電圧を受けて発光素子への通電をON/OFF制御する駆動部と、前記交流入力電圧が所定レベルを超える毎にON動作して、計時開始タイミングを規定するパルス電圧を生成するパルス生成部と、前記発光素子の輝度を規定する指示信号を受けると共に、前記パルス生成部から前記パルス電圧を受けるコンピュータ回路と、前記交流入力電圧を整流して前記コンピュータ回路の電源電圧を生成する電源部と、前記交流入力電圧の周波数と、前記指示信号が規定する輝度とに対応して、前記駆動部のON制御を開始する駆動タイミングを特定する制御データを記憶する記憶部と、を設け、前記コンピュータ回路は、前記パルス電圧を受ける取得周期に基づいて、前記交流入力電圧の周波数を特定する第1手段と、第1手段が特定した周波数と前記指示信号とに基づいて前記記憶部の制御データを参照して前記駆動タイミングを決定する第2手段と、前記計時開始タイミングからの経過時間に基づいて前記駆動タイミングへの到達を判定し、駆動タイミングに到達すると前記駆動部のON制御を開始する第3手段と、を有し、前記パルス生成部は、交流入力電圧を受けて順方向電流を流す、ツェナーダイオード、ダイオード、及び電流制限抵抗を含んだ直列回路と、前記電源部が生成した電源電圧を受けるスイッチング素子及び負荷抵抗の直列回路と、前記ダイオードに並列接続されて、前記スイッチング素子の入力電圧を生成するバイアス抵抗と、を有して構成され、交流入力電圧を受けてツェナーダイオードに逆方向電流が流れると、前記バイアス抵抗の両端電圧に基づいて前記スイッチング素子がON動作するよう構成されている。
前記電源部は、好ましくは、電源トランスを使用することなく構成される。このような構成を採ると、交流入力電圧の供給ラインと駆動制御装置の内部回路が絶縁されないので、例えば、不用意に器具に触れると感電するおそれもある。しかし、例えば、駆動制御装置を操作するリモコン装置を設けることで、人手に触れない場所に駆動制御装置を配置することができ、上記の問題に対処できる。
本発明は、前記電源部が生成する電源電圧が所定レベルを下回ると、コンピュータ回路をリセット状態に維持する動作禁止回路を更に設けるのが効果的である。また、前記駆動部は、前記発光素子に直列接続されるトライアックと、前記トライアックのゲート端子と通電端子とを接続する抵抗と、前記駆動パルスを受けてON動作すると、前記抵抗の電流路を形成するスイッチング回路と、を有して構成するのが好適である。
上記した本発明によれば、簡易な回路構成でありながら、電源電圧の周波数変動に拘らず、所望の駆動制御動作を維持することができる。
以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図1は、電力機器の駆動制御装置の一実施例として、調光器EQUの回路構成を示す回路図である。この調光器EQUは、交流入力電圧Vacを受ける白熱ランプLMPについて、リモコン受信装置RVから受ける調光率データSGに基づいて、その点灯時間を位相制御する制御装置である。交流入力電圧Vacは、実効値100Vで周波数50Hz又は60Hzの商用電源だけでなく、電源周波数が安定しない発電機の出力も使用可能である。
この調光器EQUは、交流入力電圧Vacから直流電源電圧Vcc(=5V)を生成する電源部1と、トライアックQ1とスイッチングトランジスタQ3とを中心とする駆動部2と、交流入力電圧Vacをパルス電圧に変換するパルス生成部3と、ワンチップマイコンMICとを有して構成されている。
電源部1は、ヒューズFUを通して交流入力電圧Vacを受けるサージアブソーバSA1と、整流用ダイオードD1,D2と、コンデンサC3〜C8と、コンデンサC11と、ツェナーダイオードZD1,ZD2と、電流制限抵抗R3とで構成されている。以下、説明の都合上、交流入力電圧Vacの上側をVuラインとし、下側をVdラインと称することがある。
サージアブソーバSA1には、コンデンサC3が並列接続され、コンデンサC3に並列に、コンデンサC4とダイオードD1の直列回路が接続されている。ダイオードD1は、交流入力電圧が負の半波(Vdラインがプラス)の時に導通する方向に接続されている。
ツェナーダイオードZD1とコンデンサC5とは並列接続され、これにダイオードD2が直列に接続されている。そして、ツェナーダイオードZD1及びコンデンサC5と、ダイオードD2との直列回路が、ダイオードD1に並列接続されている。ダイオードD2は、交流入力電圧が正の半波(Vuラインがプラス)の時に導通する方向に接続されている。また、ツェナーダイオードZD1は、Vuラインがプラスであって、ツェナーダイオードZD1の両端電圧が、例えば+15Vを超えると降伏する素子が使用されている。コンデンサC5は、コンデンサC4より十分大容量であり、例えば、100倍程度の静電容量となっている。
ツェナーダイオードZD2とコンデンサC6とコンデンサC7とコンデンサC8とが並列接続され、これらに抵抗R3が直列に接続されている。ツェナーダイオードZD2その他と、抵抗R3との直列回路は、ツェナーダイオードZD1及びコンデンサC5に並列に接続されている。
ここで、ツェナーダイオードZD2は、Vuラインがプラスであって、ツェナーダイオードZD2の両端電圧が、例えば+5Vを超えると降伏する素子が使用されている。また、コンデンサC8は、十分に大容量であり、例えば、0.01F程度の静電容量となっている。したがって、この実施例では、コンデンサC8の両端電圧が、安定した直流電圧5Vとなる。言い換えると、本実施例では、交流入力電圧VacのVuライン(コンデンサC8の上側)が電源電圧ラインVccであり、コンデンサC8の下側がコモンラインCOMとなる。
以上の通り、本実施例の電源部1では、電源トランスを使用することなく、交流入力電圧100Vから、ダイオードD1,D2とツェナーダイオードZD1,ZD2とコンデンサC3〜C8だけで、直流電圧5Vを生成している。したがって、電源トランスを使用する場合や、スイッチング電源回路を使用する場合に比べ、格段に回路構成が簡素化される。
以下、念のために電源部1の動作を補充説明する。ダイオードD1、コンデンサC4、ダイオードD2、コンデンサC5〜C8は、コッククロフト-ウォルトン回路に類似の構成を有している。そのため、Vdラインがプラスとなる半周期では、コンデンサC4→ダイオードD1の向きにコンデンサC4が充電される。
次に、Vuラインがプラスとなる半周期では、交流入力電圧VacにコンデンサC4の両端電圧を加えた電圧によって、コンデンサC5〜C8→ダイオードD2の向きの電流が流れ、大容量のコンデンサ群C5,C6,C8が素早く所定レベルまで充電される。そのため、Vuラインがマイナスの半周期に放電した電荷が、素早く充電されることで、電源電圧Vccは殆ど変動することなく一定値を維持する。
駆動部2は、トライアックQ1と、コンデンサC1と、コイルL1と、抵抗R1及びコンデンサC2の並列回路と、電流制限抵抗R2と、NPN型のスイッチングトランジスタQ3と、分圧抵抗R8,R9とで構成されている。
抵抗R1及びコンデンサC2は、トライアックQ1のT1端子とG端子との間に並列接続され、コンデンサC1は、トライアックQ1のT1端子とT2端子との間に並列接続されている。そして、トライアックQ1とコイルL1と白熱ランプLMPとが直列接続されて、交流入力電圧Vacに対する閉回路を形成している。したがって、トライアックQ1がON動作すると白熱ランプLMPが点灯し、トラアックQ1がOFF動作すると白熱ランプLMPは消灯する。
トライアックQ1のG端子は、抵抗R2を通して、トランジスタQ3のコレクタ端子に接続され、トランジスタQ3のエミッタ端子は、コモンラインCOMに接続されている。また、トランジスタQ3のベース端子には、ワンチップマイコンMICの出力が、分圧抵抗R8,R8で分圧されて供給されている。ここで、ワンチップマイコンMICがHレベルの制御信号CTLを出力するとトランジスタQ3がON動作するよう構成されている。トランジスタQ3がON動作するとトライアックQ1もON動作し、その後、トランジスタQ3がOFF状態になっても、トライアックQ1は、交流入力電圧Vacがゼロになるまで、そのON状態を維持する。
パルス生成部3は、ツェナーダイオードZD3と、電流制限抵抗R4と、ダイオードD3と、コンデンサC9と、バイアス抵抗R5と、PNP型のスイッチングトランジスタQ2と、負荷抵抗R6及びコンデンサC10の並列回路と、で構成されている。
ツェナーダイオードZD3のアノード端子は、ヒューズFUを通して、交流入力電圧VacのVdラインに接続され、そのカソード端子は、抵抗R4を通してトランジスタQ2のベース端子に接続されている。なお、特に限定されるものではないが、この実施例では、ツェナーダイオードZD3は、その両端電圧が10V程度で降伏する素子が使用されている。
トランジスタQ2のエミッタ端子は、交流入力電圧VacのVuラインに接続され、コレクタ端子は、負荷抵抗R6を通してコモンラインCOMに接続されている。そして、トランジスタQ2のエミッタ端子とベース端子間には、抵抗R5とコンデンサC9とダイオードD3とが並列に接続されている。ダイオードD3は、交流入力電圧VacのVdラインからVuラインへの電流のみを許容する向きに接続されている。
ワンチップマイコンMICは、電源電圧5Vで動作するワンチップマイコンであり、CPU・ROM・RAMの他に、タイマ回路と、シリアル受信回路P1と、パラレル回路P2,P3とが内蔵されている。タイマ回路は、トライアックQ1の駆動タイミングを決定する計時用途で使用され、そのタイマ値は、任意のタイミングでCPUに読取り可能であり、また、CPUの処理に基づいて、そのタイマ値がリセットされる。
この実施例では、電源電圧Vccが所定レベル(例えば3.3V)を下回ると、ワンチップマイコンMICが動作を停止するよう、動作禁止回路INHが設けられている。動作禁止回路INHは、具体的には、ダイオードD5と、コンデンサC13と、リセット回路RSTと、抵抗R10と、コンデンサC12とで構成されている。ここで、リセット回路RSTは、ダイオードD5及びコンデンサC13から受ける入力電圧が、所定レベルを下回るとLレベルのリセット信号を出力する専用ICである。
リセット回路RSTの出力は、抵抗R10及びコンデンサC12によるフィルタ回路を経由して、ワンチップマイコンMICのリセット端子RESETに供給されているので、リセット端子RESETがLレベルである限り、ワンチップマイコンMICのCPUは、リセット状態を維持し、調光器EQUの動作禁止機能が実現される。
ところで、ワンチップマイコンMICのシリアル受信回路P1は、リモコン受信装置RVから出力されるシリアルデータ(調光率データ)SGを受信する回路である。図示の通り、調光率データは、抵抗R7を通してシリアル受信回路P1に伝送される。なお、シリアル通信路とコモンラインCOMとの間には保護用ダイオードD4が配置されている。
ここで、白色ランプLMPの調光率を変更するべくリモコンが操作されると、リモコン受信装置RVは、調光率データSGを所定のフォーマットで出力するよう構成されている。そして、シリアル受信回路P1が調光率データSGを受信し終わると、ワンチップマイコンMICのCPUに受信割込みがかかり、その割込み処理プログラムにおいて、調光率データSGが取得されるよう構成されている。
ワンチップマイコンMICのパラレル回路は、入力ポートP2と出力ポートP3とを含んで構成され、トライアックQ1の駆動タイミングに達すると、出力ポートP3から制御信号(駆動パルス)CTLが出力されるよう構成されている。一方、入力ポートP2には、パルス生成回路3の出力が供給される。
次に、パルス生成回路3の動作を確認する。このパルス生成回路3には、ツェナーダイオードZD3が配置されているので、Vdラインがプラス位相時には、Vdライン→ZD3→電流制限抵抗R4→D3→Vuラインの電流が流れるだけであって、トランジスタQ2はOFF状態である。一方、Vuラインがプラス位相であって、ツェナーダイオードZD3が降伏し始めると、Vuライン→バイアス抵抗R5→電流制限抵抗R4→ツェナーダイオードZD3→Vdラインの経路で電流が流れ始め、バイアス抵抗R5が所定レベルに達すると、トランジスタQ2がON動作する。そして、負荷抵抗R6の両端電圧Voは、コンデンサC8の両端電圧と同じ5Vとなる。
本実施例では、ツェナーダイオードZD3の降伏電圧が、10Vに設定されているので、図2(a)(b)に示す通り、負荷抵抗R6の両端電圧(以下、電源パルスという)Voは、交流入力電圧Vacが10Vレベルを超える正の半周期だけHレベルとなる。そのため、電源パルスVoの立上りタイミングと、交流入力電圧Vacのゼロクロス点との間には、遅れ時間ΔTが生じるが、電源パルスVoのパルス周期Tは、交流入力電圧Vacの周期に正確に一致する。
以上の動作を踏まえて実施例の調光器EQUの動作内容を説明する。図3は、ワンチップマイコンMICのCPUの処理内容を示すフローチャートである。調光器EQUの動作は、図3(a)に示すメイン処理と、図3(b)に示す受信割込み処理を有して構成されている。
電源が投入されると、ワンチップマイコンMIC各部の初期設定処理が実行される(ST10)。この処理によって、ワンチップマイコン内部のタイマ回路(カウンタ回路)が、所定時間毎のカウントアップ動作を連続して繰り返すよう設定される。また、初期処理によって、リモコン受信装置RVから送信される調光率データSGが、ワンチップマイコン内部のシリアル受信回路において自動的に受信され、受信完了後に受信割込みが起動されるよう設定される。図3(b)に示す通り、受信割込み処理では、取得した調光率データがメモリのワーク領域に格納される。
初期設定処理が終われば、次に、電源パルスVoが入力ポートP2から取得される(ST11)。そして、立上りエッジが検出されるまで同じ動作を繰り返す(ST12)。
そして、電源パルスVoの立上りが検出されると、ワンチップマイコン内部のタイマ回路のタイマ値を取得して、これをメモリのワーク領域に記憶すると共に、タイマ回路のタイマ値をゼロに初期設定する(ST13)。なお、タイマ回路は、初期設定処理において、所定時間毎のカウントアップ動作を連続して繰り返すよう設定されている。また、タイマ回路は、前回のステップST13の処理で、カウントアップ動作を初期値ゼロから開始している。
先に説明した通り、ステップST12以下の処理は、電源パルスVoの立上りエッジに同期して開始されるので、ステップST13の処理で取得されたタイマ値は、交流入力電圧Vacの周期Tに対応した値となる(図2(b)参照)。
そこで、ワーク領域に記憶したタイマ値に基づいて交流入力電圧Vacの周期Tを特定する(ST13)。また、受信割込み処理で取得しているデータに基づいて調光率SLを特定する(ST14)。次に、交流入力電圧の周期Tと、調光率LTとに基づいて制御テーブルTBL(図3(c))を検索して、今回のトリガタイミングτ1、τ2を決定する。トリガタイミングとは、トライアックQ1をON動作させるタイミングを意味し、交流入力電圧Vacの増加時のゼロクロス点からの経過時間τ1,τ2を意味する(図2(c)参照)。
但し、この実施例では、制御テーブルには経過時間τ1のみ規定されており、経過時間τ2は、ステップST14の処理で特定された周期Tに基づいて、τ1+T/2と決定される。なお、前記したゼロクロス点と、ステップST13の処理タイミングとの間には、遅れ時間ΔTが存在するが、その時間が微小であるので無視している。もっとも正確を期すためには、下記の補正値ΔTを、トリガタイミングτ1,τ2に加算しても良い。
ΔT=T/(2*π)*SIN−1(10/Vm)・・・(補正式)この補正式においてVmは、交流入力電圧Vacの最大値である。なお、ΔTは、リアルタイムに計算するのではなく、周期Tと補正値ΔTとを格納した補正テーブルから取得される。
何れにしても、トリガタイミングτ1,τ2が決まると、ステップST13のタイミングから計時動作を再実行しているタイマ値を取得して(ST17)、タイマ値がトリガタイミングτ1に達するか否かを判定する(ST17)。そして、トリガタイミングτ1に達すれば、制御信号CTLを変化させて駆動パルスを出力する(ST18)。この結果、トランジスタQ3が一時的にON動作することでトライアックがON状態になり、交流入力電圧Vacの正の半波において、白熱ランプLMPが点灯される(図2(d)参照)。
以上の動作が終われば、再度、タイマ値を取得して(ST17)、タイマ値がトリガタイミングτ2に一致するのを待つ。そして、タイマ値がトリガタイミングτ2に達すると、制御信号CTLを変化させて駆動パルスを出力する(ST18)。この結果、トランジスタQ3が一時的にON動作することでトライアックがON状態になり、交流入力電圧Vacの負の半波において、白熱ランプLMPが点灯される(図2(d)参照)。
図4は、トリガタイミングτ1,τ2におけるサイリスタQ1の動作を説明する図面である。一般に、サイリスタには、サイリスタをON動作させる4つの動作モードがあり(図4(a)参照)、ゲート端子GとT1端子との間にパルス電圧を加えると、T1端子とT2端子の間にON電流が流れる。
本実施例では、ゲート端子GとT1端子との間に加えるパルス電圧を、抵抗R1及びコンデンサC2の並列回路と、電流制限抵抗R2と、トランジスタQ3との直列回路で生成している。そして、トランジスアQ3が駆動パルスを受けてON動作することで(ST18,ST19)、ゲート端子GとT1端子間に負パルス電圧が加わり、サイリスタQ1が、動作モード2または動作モード3でON動作する。
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、具体的な記載内容は特に本発明を限定するものではない。特に、図3に示すフローチャートは一例を示したに過ぎず、適宜に変更される。
実施例に係る調光器の回路構成を示す回路図である。 図1の各部の波形を示すタイムチャートである。 ワンチップマイコンの動作を説明するフローチャートである。 トライアックの動作を説明する図面である。
符号の説明
2 駆動部
3 パルス生成部
Vac 交流入力電圧
LMP 発光素子
SG 指示信号
MIC コンピュータ回路
Vcc 電源電圧
Vo パルス電圧
ST12 第1手段
ST16 第2手段
ST18 第3手段
ST20 第3手段

Claims (4)

  1. 周波数が変化する可能性のある交流入力電圧を受けて発光素子への通電をON/OFF制御する駆動部と、前記交流入力電圧が所定レベルを超える毎にON動作して、計時開始タイミングを規定するパルス電圧を生成するパルス生成部と、前記発光素子の輝度を規定する指示信号を受けると共に、前記パルス生成部から前記パルス電圧を受けるコンピュータ回路と、前記交流入力電圧を整流して前記コンピュータ回路の電源電圧を生成する電源部と、前記交流入力電圧の周波数と、前記指示信号が規定する輝度とに対応して、前記駆動部のON制御を開始する駆動タイミングを特定する制御データを記憶する記憶部と、を設け、
    前記コンピュータ回路は、
    前記パルス電圧を受ける取得周期に基づいて、前記交流入力電圧の周波数を特定する第1手段と、第1手段が特定した周波数と前記指示信号とに基づいて前記記憶部の制御データを参照して前記駆動タイミングを決定する第2手段と、前記計時開始タイミングからの経過時間に基づいて前記駆動タイミングへの到達を判定し、駆動タイミングに到達すると前記駆動部のON制御を開始する第3手段と、を有し、
    前記パルス生成部は、交流入力電圧を受けて順方向電流を流す、ツェナーダイオード、ダイオード、及び電流制限抵抗を含んだ直列回路と、前記電源部が生成した電源電圧を受けるスイッチング素子及び負荷抵抗の直列回路と、前記ダイオードに並列接続されて、前記スイッチング素子の入力電圧を生成するバイアス抵抗と、を有して構成され、交流入力電圧を受けてツェナーダイオードに逆方向電流が流れると、前記バイアス抵抗の両端電圧に基づいて前記スイッチング素子がON動作するよう構成されていることを特徴とする電力機器の駆動制御装置。
  2. 前記電源部は、電源トランスを使用することなく構成されている請求項1に記載の電力機器の駆動制御装置。
  3. 前記電源部が生成する電源電圧が所定レベルを下回ると、コンピュータ回路をリセット状態に維持する動作禁止回路を更に設けた請求項1又は2に記載の電力機器の駆動制御装置。
  4. 前記駆動部は、前記発光素子に直列接続されるトライアックと、前記トライアックのゲート端子と通電端子とを接続する抵抗と、前記駆動パルスを受けてON動作すると、前記抵抗の電流路を形成するスイッチング回路と、を有して構成されている請求項1〜の何れかに記載の電力機器の駆動制御装置。
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