JP5776360B2

JP5776360B2 - 逆位相制御装置

Info

Publication number: JP5776360B2
Application number: JP2011135296A
Authority: JP
Inventors: 晃喜後藤
Original assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Current assignee: Toshiba Lighting and Technology Corp
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2031-06-17
Also published as: JP2013004350A

Description

本発明の実施形態は、交流電源を逆位相制御して負荷へ供給する電力を制御する逆位相制御装置に関する。

配線器具

例えば、白熱灯やＬＥＤ照明器具等の照明負荷の調光制御には、負荷に対して供給する電力を調整するために負荷電流の導通角（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が採用されている。

通常、位相制御は、交流電圧のゼロクロス時点以降の任意の時点においてスイッチング素子がターンオンされて導通状態となり、次のゼロクロス時点でターンオフして負荷電流の導通角を制御している。

一方、逆位相制御は、位相制御の場合と逆に、ゼロクロス時点でターンオンさせ、ゼロクロス時点以降の任意の時点においてスイッチング素子をターンオフさせて、負荷電流の導通角を制御している（例えば、特許文献１参照）。

この逆位相制御は、ゼロクロスを基準にして照明負荷の点灯・消灯タイミングを決定しているのでゼロクロスの検出が必須であり、ゼロクロスの検出は、通常、ツェナーダイオードの電圧及びコンデンサのチャージ電圧の調整により行っている。

ここで、ＬＥＤの回路だけだと、電圧が下がったとき回路電流がスイッチング素子（例えば、トライアックＴＲＡＣ）の保持電流以下となり、照明ランプが立ち切れしちらつきが発生することから、ゼロクロスまで半導体素子がオンし続けるように、ブリーダー抵抗（bleeder resistor）にて漏れ電流を作成するようにしている。

特開２０００−１０６２８５号公報

ところが、ブリーダー抵抗の切り替えにより、ゼロクロス検出部のツェナーダイオードにかかる電圧が変わるので、ゼロクロスの誤検出が発生する場合がある。ゼロクロスの誤検出が発生すると、ゼロクロスを基準に照明負荷の点灯・消灯タイミングを決定しているので、照明装置の点消灯の制御が適切に行えない。

本発明の実施形態の目的は、負荷のインピーダンスが変化した場合であってもゼロクロスを精度よく検出できる逆位相制御装置を提供することである。

本発明の実施形態の逆位相制御装置は、交流電源電圧を全波整流する整流器と；前記整流器で全波整流された電圧をオンオフ制御して負荷に流れる電流の導通を制御するメインスイッチと；前記整流器で全波整流された電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部と；前記ゼロクロス検出部での前回のゼロクロスの検出時点から所定時間は次のゼロクロスの検出を阻止するゼロクロス検出阻止部と；前記ゼロクロス検出部で検出されたゼロクロスのタイミングで前記メインスイッチをオンするとともに一定の点弧角でオフし、前記整流器で全波整流された電圧を逆位相制御する制御部と；を備え、前記ゼロクロス検出阻止部が次のゼロクロスの検出を阻止する所定時間は、前記メインスイッチのオン時間より長いことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、ゼロクロスのタイミングを正確に取得することが可能となる。

本発明の実施形態に係る逆位相制御装置の回路構成図。本発明の実施形態に係る逆位相制御装置の制御電源部の動作を示す波形図。本発明の実施形態に係る逆位相制御装置のゼロクロス検出部及び制御部の動作を示す波形図。本発明の実施形態に係る逆位相制御装置のゼロクロス検出阻止部の動作を示す波形図。

以下、本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態に係る逆位相制御装置の回路構成図である。交流電源１１の交流電源電圧は整流器１２で全波整流され、整流器１２で全波整流された電圧は、制御電源部１３及びメインスイッチＱ１に入力される。制御電源部１３は逆位相制御装置の制御電源を得るものである。メインスイッチＱ１は、整流器１２で全波整流された電圧をオンオフ制御して、整流器１２で全波整流された電圧を逆位相制御し、負荷１５に係る電圧を制御して負荷１５に流れる電流の導通を制御するものである。

ゼロクロス検出部１６は、交流電源電圧のゼロクロスを検出するものである。つまり、整流器１２で全波整流された電圧のゼロクロスを検出するものであり、ゼロクロス検出部１６で検出されたゼロクロスは、ゼロクロス検出阻止部１７及び制御部１８に入力される。

ゼロクロス検出阻止部１７は、ゼロクロス検出部１６での前回のゼロクロスの検出時点から所定時間は次のゼロクロスの検出を阻止するものである。これにより、負荷に係る電圧の大きさが変動した場合に、ゼロクロスの誤検出を防止するようにしている。これの詳細については後述する。また、制御部１８は、ゼロクロス検出部１６で検出されたゼロクロスのタイミングでメインスイッチＱ１をオンするとともに一定の点弧角でオフし、整流器１２で全波整流された電圧を逆位相制御し、負荷１５に係る電圧を制御して負荷１５に流れる電流の導通を制御する。

次に、逆位相制御装置を構成する制御電源部１３、ゼロクロス検出部１６、ゼロクロス検出阻止部１７、制御部１８について説明する。

まず、制御電源部１３について説明する。制御電源部１３は、抵抗Ｒａ、Ｒｂ（Ｒａ＞Ｒｂ）を有する。抵抗Ｒａは定電流回路１９を介して電源コンデンサＣＣに接続されている。電源コンデンサＣＣにはツェナーダイオードＺＤ１が並列に接続されている。また、抵抗Ｒｂは電源スイッチＱ０を介して電源コンデンサＣＣに接続されている。この電源スイッチＱ０のゲートには抵抗Ｒｂ１、コンデンサＣｂ１のタイマ回路２０が接続されている。電源スイッチＱ０は抵抗Ｒｂ１を介して制御部１８の調光ＩＣ２１からのゲート信号ｇ１が入力されると瞬時にオンし、ゲート信号ｇ１が入力されなくなると、タイマ回路２０により、ゲート信号ｇ１が入力されなくなってから所定時間ΔＴ１の経過後に電源スイッチＱ０のゲートをオフする。なお、タイマ回路を有していないことから、メインスイッチＱ１は抵抗Ｒｍを介して制御部１８の調光ＩＣ２１からのゲート信号ｇ１が入力されると瞬時にオンし、ゲート信号ｇ１が入力されなくなると瞬時にオフとなる。

いま、メインスイッチＱ１及び電源スイッチＱ０がオフのときは、整流器１２の直流側は、整流器１２、抵抗Ｒａ、定電流回路１９、電源コンデンサＣＣ、整流器１２の回路が形成される。従って、整流器１２で全波整流された電圧は抵抗Ｒａを介して定電流回路１９に入力され、ツェナーダイオードＺＤ１に並列に接続された電源コンデンサＣＣに充電される。これにより電源コンデンサＣＣに制御電源が確保される。

一方、メインスイッチＱ１がオンのときは、整流器１２の直流側は、整流器１２、メインスイッチＱ１、整流器１２の回路が形成されるので、電源コンデンサＣＣには充電されない。さらに、メインスイッチＱ１がオフ、電源スイッチＱ０がオンのときは、整流器１２の直流側は、整流器１２、抵抗Ｒａ、定電流回路１９、電源コンデンサＣＣ、整流器１２の第１回路と、整流器１２、抵抗Ｒｂ、電源コンデンサＣＣ、整流器１２の第２回路が形成されるが、抵抗Ｒａ、Ｒｂは、Ｒａ＞Ｒｂであるので、第１の回路より第２の回路の方により多くの電流が流れる。従って、電源コンデンサＣＣに制御電源が充電される。

図２は制御電源部１３の動作を示す波形図である。時点ｔ０において、メインスイッチＱ１及び電源スイッチＱ０の双方がオフしている状態では、前述したように、整流器１２で全波整流された電圧は抵抗Ｒａを介して定電流回路１９に入力され、ツェナーダイオードＺＤ１に並列に接続された電源コンデンサＣＣに充電される。そして、時点ｔ１において、ゼロクロス検出部１６が整流器で全波整流された電圧のゼロクロスを検出したとすると、制御部１８の調光ＩＣ２１はメインスイッチＱ１及び電源スイッチＱ０の双方にゲート信号ｇ１を出力する。これにより、メインスイッチＱ１及び電源スイッチＱ０の双方がオンする。

メインスイッチＱ１及び電源スイッチＱ０の双方がオンした状態では、メインスイッチＱ１がオンしていることから電源コンデンサＣＣには充電されない。そして、時点ｔ２で制御部１８の調光ＩＣ２１からのゲート信号ｇ１がオフするとメインスイッチＱ１がオフする。電源スイッチＱ０のゲートにはタイマ回路２０が接続されているので、制御部１８の調光ＩＣ２１からのゲート信号ｇ１がオフされてから所定時間ΔＴ１の経過後の時点ｔ３で、電源スイッチＱ０はオフする。このメインスイッチＱ１がオフ、電源スイッチＱ０がオンの状態の所定期間ΔＴ１のときに、多くの電流が流れ、電源コンデンサＣＣに制御電源が充電される。

以下、時点ｔ４〜ｔ６、時点ｔ７〜ｔ９、時点ｔ１０〜ｔ１２、時点ｔ１３〜ｔ１５、時点ｔ１６〜ｔ１８…、と同様の動作となる。これにより、制御電源部１３は制御電源を確保する。

次に、ゼロクロス検出部１６について説明する。ゼロクロス検出部１６は、整流器１２で全波整流された電圧のゼロクロスを検出するものである。ツェナーダイオードＺＤ２は、メインスイッチＱ１のアノードとカソードとの端子間電圧（負荷電圧）を入力し、メインスイッチＱ１の電圧が所定のツェナー電圧ＶZD2を超えたときは導通し抵抗Ｒ１に電圧を発生する。つまり、メインスイッチＱ１がオフ状態で、かつ、メインスイッチＱ１の電圧がツェナー電圧ＶZD2を超えた状態のときに、ツェナーダイオードＺＤ２は導通し抵抗Ｒ１に電圧を発生する。ツェナーダイオードＺＤ２が導通しているときは、抵抗Ｒ２を介してスイッチＱ２にベース電流が流れスイッチＱ２がオンし、抵抗Ｒ３の電圧はツェナー電圧ＶZD2となりスイッチＱ３のベースには電流が流れない。従って、スイッチＱ３はオフとなる。

スイッチＱ３がオフであるとスイッチＱ４のベース電圧は高であるが、スイッチＱ４はｐｎｐ形であるのでベースには電流が流れない。従って、スイッチＱ４はオフとなる。これにより、スイッチＱ３、Ｑ４のオンオフ動作は同じである。

スイッチＱ４には可変抵抗ＶＲ１を介してコンデンサＣ１が直列に接続され、また、コンデンサＣ１には、並列に可変抵抗ＶＲ２、スイッチＱ５が接続されている。可変抵抗ＶＲ１、ＶＲ２は、コンデンサＣ１に充電される時定数を設定するものであり、スイッチＱ５はコンデンサＣ１に充電された電荷を強制的に放電させるためのスイッチである。コンデンサＣ１の電圧ＶC1が所定電圧ＶRC1となったときに、ゼロクロス検出部１６はゼロクロスを検出したことになる。ゼロクロス検出部１６は、コンデンサＣ１の電圧ＶC1をゼロクロス判定信号Ｓ０としてゼロクロス検出阻止部１７及び制御部１８に出力する。

スイッチＱ４がオフのときは、コンデンサＣ１にはメインスイッチＱ１の電圧が印加されないので、コンデンサＣ１に電荷が充電されることがなく、コンデンサＣ１の電圧ＶC1は０であり、ゼロクロスが検出された状態ではない。

一方、メインスイッチＱ１の電圧が所定のツェナー電圧ＶZD2を下回ったときは、ツェナーダイオードＺＤ２は不導通となり抵抗Ｒ１の電圧は０となる。つまり、メインスイッチＱ１がオフ状態で、かつ、メインスイッチＱ１の電圧がツェナー電圧ＶZD2を下回ったとき、ツェナーダイオードＺＤ２は不導通となり抵抗Ｒ１の電圧は０となる。ツェナーダイオードＺＤ２が不導通のときは、抵抗Ｒ２を介してスイッチＱ２にベース電流が流れないのでスイッチＱ２はオフであり、抵抗Ｒ３を介してスイッチＱ３のベースに電流が流れる。従って、スイッチＱ３はオンとなる。スイッチＱ３がオンとなると、抵抗Ｒ４の電圧はツェナー電圧ＶZD2となりスイッチＱ４のベース電圧は０となり、スイッチＱ４はｐｎｐ形であるのでベースに電流が流れる。従って、スイッチＱ４はオンとなる。

スイッチＱ４がオンとなると、メインスイッチＱ１の電圧がスイッチＱ４及び可変抵抗ＶＲ１を介してコンデンサＣ１に印加され、コンデンサＣ１には充電が開始される。コンデンサＣ１の充電により、コンデンサＣ１の電圧ＶC1が立ち上がり、そのコンデンサＣ１の電圧ＶC1がゼロクロス判定信号Ｓ０としてゼロクロス検出阻止部１７及び制御部１８に出力される。

次に、制御部１８について説明する。制御部１８はゼロクロス検出部１６から、コンデンサＣ１の電圧ＶC1を調光制御ＩＣ２１のＡ端子にゼロクロス判定信号Ｓ０として入力する。調光制御ＩＣ２１は、コンデンサＣ１の電圧ＶC1が所定電圧ＶRC1以上であるとき（ゼロクロス判定信号Ｓ０が高であるとき）は、Ｑ端子からゲート信号ｇ１を出力する。ゲート信号ｇ１はメインスイッチＱ１及び電源スイッチＱ０のゲートに出力される。

また、制御部１８はタイマ回路２２を有し、タイマ回路２２は、抵抗Ｒ５、可変抵抗ＶＲ３、ＶＲ４、ＶＲ５、コンデンサＣ２から構成され、コンデンサＣ２の両端部が調光制御ＩＣ２１のタイマ端子であるＴ１端子、Ｔ２端子に接続されている。可変抵抗ＶＲ３、ＶＲ４、ＶＲ５は、コンデンサＣ２に充電される時定数を設定するものである。

調光制御ＩＣ２１のＡ端子に高のゼロクロス判定信号Ｓ０が入力されると、Ｑ端子から瞬時にゲート信号ｇ１を出力するとともに、タイマ回路２２は所定時間ＴＡの経過後にメインスイッチＱ１のゲート信号ｇ１の出力を停止する。

図３はゼロクロス検出部１６及び制御部１８の動作を示す波形図である。時点ｔ１において、メインスイッチＱ１がオフ状態で、メインスイッチＱ１の電圧が所定のツェナー電圧ＶZD2を下回ったときは、スイッチＱ２のベース電圧は０となりスイッチＱ２はオフとなるので、スイッチＱ３のベース電圧が高となりスイッチＱ３はオンとなる。スイッチＱ３がオンとなると、スイッチＱ４のベース電圧は０となり、スイッチＱ４はｐｎｐ形であるのでベースに電流が流れスイッチＱ４はオンとなる。

スイッチＱ４がオンとなると、メインスイッチＱ１の電圧がスイッチＱ４及び可変抵抗ＶＲ１を介してコンデンサＣ１に印加され、コンデンサＣ１には充電が開始される。コンデンサＣ１の充電により、コンデンサＣ１の電圧ＶC1が立ち上がり、時点ｔ２において、そのコンデンサＣ１の電圧ＶC1が所定電圧ＶRC1以上（ゼロクロス判定信号Ｓ０が高）となると、制御部１８の調光ＩＣ２１のＱ端子からゲート信号ｇ１が出力されるとともに、制御部１８のタイマ回路２２が動作開始する。そして、時点ｔ３で所定時間ＴＡをカウントすると、調光ＩＣ２１はメインスイッチＱ１のゲート信号ｇ１の出力を停止する。

ここで、コンデンサ電圧ＶC1の立ち上がり時間は、可変抵抗ＶＲ１、ＶＲ２、コンデンサＣ１により、メインスイッチＱ１の電圧がツェナーダイオードＺＤ２のツェナー電圧ＶZD2になってからゼロクロスするまでの時間が予め設定される。

次に、ゼロクロス検出阻止部１７について説明する。ゼロクロス検出阻止部１７は、ゼロクロス検出部１６での前回のゼロクロスの検出時点から所定時間は次のゼロクロスの検出を阻止するものであり、これにより、負荷のインピーダンスが変化した場合であってもゼロクロスのタイミングを正確に取得するものである。これは、負荷のインピーダンスが変化した場合には、負荷電圧（メインスイッチＱ１の電圧）が変化し、ゼロクロス検出部１６のツェナーダイオードＺＤ２にかかる電圧が変わり、ゼロクロスの誤検出が発生する場合があるので、それを防止するためである。

ゼロクロス検出阻止部１７はゼロクロス検出部１６から、コンデンサＣ１の電圧ＶC1をゼロクロス検出阻止ＩＣ２３のＡ端子にゼロクロス判定信号Ｓ０として入力する。ゼロクロス検出阻止ＩＣ２３は、コンデンサＣ１の電圧ＶC1が所定電圧ＶRC1以上であるとき（ゼロクロス判定信号Ｓ０が高であるとき）は、Ｑ端子からゼロクロス検出阻止信号ｈ１をゼロクロス検出部１６のスイッチＱ５のベースに出力する。

また、ゼロクロス検出阻止部１７はタイマ回路２４を有し、タイマ回路２４は、抵抗Ｒ６、可変抵抗ＶＲ６、コンデンサＣ３から構成され、コンデンサＣ３の両端部がゼロクロス検出阻止ＩＣ２３のタイマ端子であるＴ１端子、Ｔ２端子に接続されている。可変抵抗ＶＲ６は、コンデンサＣ３に充電される時定数を設定するものである。

ゼロクロス検出阻止部１７のＡ端子に高のゼロクロス判定信号Ｓ０が入力されると、Ｑ端子からゼロクロス検出阻止信号ｈ１を出力するとともに、タイマ回路２４は所定時間ＴＢの経過後にゼロクロス検出阻止信号ｈ１の出力を停止する。

図４はゼロクロス検出阻止部１７の動作を示す波形図である。時点ｔ１において、メインスイッチＱ１がオフ状態で、メインスイッチＱ１の電圧が所定のツェナー電圧ＶZD2を下回ったときは、ゼロクロス阻止部１６のコンデンサＣ１には充電が開始される。コンデンサＣ１の充電により、コンデンサＣ１の電圧ＶC1が立ち上がり、時点ｔ２において、そのコンデンサＣ１の電圧ＶC1が所定電圧ＶRC1以上（ゼロクロス判定信号Ｓ０が高）となると、調光ＩＣ２１はメインスイッチＱ１のゲート信号ｇ１の出力するとともに、制御部１８のタイマ回路２２が動作開始する。そして、時点ｔ３で所定時間ＴＡをカウントすると、調光ＩＣ２１はメインスイッチＱ１のゲート信号ｇ１の出力を停止する。

また、時点ｔ２において、そのコンデンサＣ１の電圧ＶC1が所定電圧ＶRC1以上（ゼロクロス判定信号Ｓ０が高）となると、ゼロクロス検出阻止部１７のタイマ回路２４は動作開始し、時点４において、所定時間ＴＢとなるとゼロクロス検出阻止信号ｈ１の出力を停止する。この所定時間ＴＢの間は、ゼロクロス検出阻止信号ｈ１をゼロクロス検出部１６のスイッチＱ５のベースに出力し、コンデンサＣ１に充電された電荷を強制的に放電させる。これにより、所定時間ＴＢの間はゼロクロスの検出を阻止する。

いま、時点８以降において、負荷のインピーダンスが変化し、負荷電圧（メインスイッチＱ１の電圧）が小さくなったとする。この場合、メインスイッチＱ１の電圧が小さくなるので、メインスイッチＱ１の電圧がゼロクロス検出阻止部１７のツェナーダイオードＺＤ２のツェナー電圧ＶZD2になる時点がt1０となり、メインスイッチＱ１の電圧に変化がない場合にツェナー電圧ＶZD2になる時点ｔ1１より、期間ΔＴ２だけ早い時期となる。

従って、ゼロクロス検出阻止部１７がない場合には、時点ｔ１０からコンデンサＣ１の電圧は立ち上がり始めるが、ゼロクロス検出阻止部１７を設けているので、ゼロクロス検出部１６のスイッチＱ５のベースにゼロクロス検出阻止信号ｈ１が出力される。従って、所定時間ＴＢの間はゼロクロスの検出が阻止される。所定時間ＴＢとしては、負荷電圧（メインスイッチＱ１の電圧）に変化がない状態でのゼロクロス検出部１６での前回のゼロクロスの検出時点から次のゼロクロスの検出時点までの時間が予め設定される。これにより、負荷のインピーダンスが変化し、負荷電圧（メインスイッチＱ１の電圧）が小さくなったとしても、ゼロクロスを精度よく検出できる。

以上述べたように、本発明の実施形態によれば、ゼロクロス検出阻止部１７を設け、ゼロクロス検出部１６での前回のゼロクロスの検出時点から、所定時間は次のゼロクロスの検出を阻止するので、負荷のインピーダンスが変化して負荷電圧（メインスイッチＱ１の電圧）が変化した場合であっても、ゼロクロスを精度よく検出できる。従って、ゼロクロスを基準に照明負荷の点灯・消灯タイミングを決定する逆位相制御の場合に、照明装置の点消灯の制御が適切に行える。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Ｑ０…電源スイッチ、Ｑ１…メインスイッチ、１１…交流電源、１２…整流器、１３…制御電源部、１５…負荷、１６…ゼロクロス検出部、１７…ゼロクロス検出阻止部、１８…制御部、１９…定電流回路、２０…タイマ回路、２１…調光ＩＣ、２２…タイマ回路、２３…ゼロクロス検出阻止ＩＣ、２４…タイマ回路

Claims

交流電源電圧を全波整流する整流器と；
前記整流器で全波整流された電圧をオンオフ制御して負荷に流れる電流の導通を制御するメインスイッチと；
前記整流器で全波整流された電圧のゼロクロスを検出するゼロクロス検出部と；
前記ゼロクロス検出部で検出されたゼロクロスのタイミングで前記メインスイッチをオンするとともに一定の点弧角でオフし、前記整流器で全波整流された電圧を逆位相制御する制御部と；
前記ゼロクロス検出部での前回のゼロクロスの検出時点から所定時間は次のゼロクロスの検出を阻止するゼロクロス検出阻止部と；を備え、前記ゼロクロス検出阻止部が次のゼロクロスの検出を阻止する所定時間は、前記メインスイッチのオン時間より長いことを特徴とする逆位相制御装置。