JP5853127B2 - 負荷制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、2線式の負荷制御装置、特にその負荷開閉回路に関する。
従来から、照明装置や換気扇など負荷のオン/オフを制御するために、接点が機械的に開閉される2線式スイッチに変えて、トライアックなどの無接点スイッチ素子を用いた負荷制御装置(電子スイッチ)が実用化されている(特許文献1参照)。その様な負荷制御装置は、省配線の見地から、2線式結線が一般的であり、商用電源(交流電源)と負荷との間に直列に接続される。
図5は、特許文献1に記載された従来の商用電源2と負荷3との間に直列に接続される2線式の負荷制御装置50の回路構成を示す。この負荷制御装置50は、負荷3のオン/オフを制御する主開閉部51及び補助開閉部57と、主開閉部51及び補助開閉部57の導通を制御する制御部53と、制御部53に駆動電力を供給するための電源回路で構成されている。
この負荷制御装置50は、例えば照明装置などの負荷3のオン及びオフを制御するために、負荷開閉回路を2つ備えている。補助開閉部57は、スイッチ素子としてサイリスタ57aを用いて構成され、負荷3に通電する際、先に導通して通電路を提供する。主開閉部51は、スイッチ素子としてトライアック51aを用いて構成され、補助開閉部57が導通した後、補助開閉部57よりも負荷3に近い側で、より安定した通電路を提供する。
負荷3を起動させるための操作ハンドル(SW)4が操作されると、制御部53は制御信号を出力し、それによって第3電源部56のスイッチ素子56cが導通し、さらにスイッチ素子56bが導通する。それによって、整流部52から出力された電流はスイッチ素子56bを介して流れ、バッファキャパシタ58を充電する。バッファキャパシタ58が充電されると、電流は、ツェナーダイオード56aを介して補助開閉部57のサイリスタ57aのゲートに流れ、それによってサイリスタ57aが導通する。サイリスタ57aは整流部52の出力端子間に接続されているので、サイリスタ57aの導通により、整流部52によって整流された電流が負荷3に流れる。この電流は主開閉部51のトライアック51aのゲートにも流れるので、電圧がトライアック51aのトリガ電圧よりも高くなると、トライアック51a、すなわち主開閉部51が導通する。一旦、主開閉部51が導通する(閉状態)と電流を流し続けるが、商用電流がゼロクロス点に達したときにトライアック51aは自己消弧し、主開閉部51が非導通(開状態)になる。主開閉部51が非導通(開状態)になると、整流部52から第3電源部56を経て第1電源部54に電流が流れ、負荷制御装置50の自己回路電源を確保する動作を行う。すなわち、交流の1/2周期ごとに、負荷制御装置50の自己回路電源確保、補助開閉部57の導通及び主開閉部51の導通動作が繰り返される。
特開2008−97535号公報
ところで、サイリスタ57aをスイッチ素子とする補助開閉部57は、整流部52よりも電源部に近い側に設けられている。そのため、サイリスタ57aが導通すると、電流は整流部52を構成するダイオードブリッジを通り、サイリスタ57aを通り、再度ダイオードブリッジに流れる。すなわち、サイリスタ57aに流れる電流は、ダイオードブリッジを2回通過する。最初にダイオードブリッジを通過するときのダイオードによる電圧降下をV、サイリスタによる電圧降下をVSCR、2回目にダイオードブリッジを通過するときのダイオードによる電圧降下をVとすると、整流部52及び補助開閉部57による電圧降下VSUM=V+V+VSCRとなる。
一方、サイリスタやトライアックは、その通電開始時に、いわゆるスイッチングノイズを発生することが知られている。図6(a)において、破線は商用電源の電圧波形を示し、実線は負荷に供給される電力の電圧波形を示す。図6(b)は、負荷に供給される電力の電圧波形の拡大図である。これら図6(a)及び(b)に示すように、サイリスタやトライアックによるスイッチングノイズが発生すると、負荷3に供給される電力の電圧波形にスイッチングノイズによる波形の乱れが生じる。そして、負荷3の動作において、電圧波形の乱れによる影響は、例えば照明装置の明るさの瞬間的な変動などが生じる。
図5に示す従来の負荷制御装置によれば、サイリスタが導通する際の電圧降下が大きいため、それによってトライアックが導通する際のスイッチングノイズの振幅も大きくなる。その結果、負荷の動作状態、例えば照明装置に点灯などにおいて影響が出る可能性がある。
本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、補助開閉部のサイリスタ導通時における電圧降下を抑制し、それによって主開閉部のトライアックのスイッチングノイズの振幅を抑制した負荷制御装置を提供することを目的としている。
本発明の一態様に係る負荷制御装置は、
主スイッチ素子の主電極が商用電源及び負荷に対し直列に接続され、前記負荷に対する電力の供給を制御する主開閉部と、
前記主スイッチ素子の主電極間に接続された整流部と、
外部からの信号に応じて負荷のオン又はオフを制御する制御部と、
前記制御部に安定して電力を供給するための第1電源部と、
前記主開閉部の両端から整流部を介して電力供給され、前記負荷をオフする状態のときに、前記第1電源部への電源を供給する第2電源部と、
前記主開閉部の両端から整流部を介して電力供給され、前記負荷をオンする状態のときに、前記第1電源部への電源を供給する第3電源部と、
前記整流部の出力端子間に接続され、前記負荷に給電する際、前記主開閉部よりも先に導通する補助開閉部と、
前記商用電源の位相を検出する位相検出部を備え、
前記補助開閉部は、前記整流部の一方の入力端子にアノードが接続され、カソードが接地された第1サイリスタと、前記整流部の他方の入力端子にアノードが接続され、カソードが接地された第2サイリスタをスイッチ素子として用い、
前記主開閉部は主スイッチ素子としてトライアックを用い、
前記制御部は、前記商用電源の位相に応じて、前記第1サイリスタ及び前記第2サイリスタを導通させるためのトリガ信号を前記第1サイリスタ及び前記第2サイリスタのゲートに出力することを特徴とする。
前記第1サイリスタ及び前記第2サイリスタに、それぞれスナバ回路を接続することが好ましい。
本発明の構成によれば、サイリスタをスイッチ素子とする補助開閉部が電源部よりも前記商用電源及び前記負荷に近い側の交流系統に設けられているので、サイリスタを流れる電流は、整流部のダイオードブリッジを通過しない。そのため、ダイオードブリッジを構成するダイオードによる電圧降下が無くなり、それによって、サイリスタが導通する際の電圧降下が小さくなる。その結果、主開閉部のトライアックのスイッチングノイズの振幅も小さくなり、負荷の動作状態、例えば照明装置に点灯などにおける影響を小さくすることができる。
本発明の一実施形態に係る負荷制御装置の第1構成例を示す回路図。 上記負荷制御装置の第1構成例における電圧波形図。 上記負荷制御装置の第2構成例を示す回路図。 上記負荷制御装置の第2構成例における電圧波形図。 従来の負荷制御装置の構成を示す回路図。 (a)は従来の負荷制御装置の問題点を示す電圧波形図、(b)は符号Aで示す部分の拡大図。
本発明の一実施形態に係る負荷制御装置1の第1構成例について、図1を参照しつつ説明する。この負荷制御装置1は、商用電源2と負荷3に対して直列に接続される。負荷制御装置1は、上記従来例と同様に、負荷3のオン/オフを制御する主開閉部11及び補助開閉部17と、主開閉部11及び補助開閉部17の導通を制御する制御部13と、制御部13に駆動電力を供給するための電源回路で構成されている。電源回路は、整流部12と、制御部13への給電を安定させる第1電源部14と、負荷3への電力停止時に第1電源部14へ電力を供給する第2電源部15と、負荷3への電力供給時に第1電源部14へ電力を供給する第3電源部16で構成されている。第1電源部14は、入力された直流電流を、出力電圧が入力電圧よりも低くなるように降圧するDC/DCコンバータである。なお、第2電源部15及び第3電源部16の構成及び動作は上記従来例と同様であるため、その説明を省略する。
主開閉部11は、主スイッチ素子としてトライアック11aを備えている。また、補助開閉部17は、スイッチ素子として第1サイリスタ17a及び第2サイリスタ17bを備えており、ダイオードブリッジで構成された整流部12の入力端子間に接続されている。第1サイリスタ17aのアノードは整流部12を構成するダイオードブリッジの一方の入力端子に接続され、第2サイリスタ17bのアノードはダイオードブリッジの他方の入力端子に接続されている。また、第1サイリスタ17aのカソード及び第2サイリスタ17bのカソードは、それぞれ接地されている。この負荷制御装置1は、商用電源2の位相を検出する位相検出部19をさらに備えており、第1サイリスタ17a及び第2サイリスタ17bのゲートには、それぞれ制御部13から商用電源2の位相に応じてトリガ信号が入力される。
第1電源部14,第2電源部15及び第3電源部16は、商用電源2及び負荷3に対して整流部12よりも遠い側に設けられており、負荷制御装置1の自己の動作電力を確保するための直流系統の電源部を構成する。一方、補助開閉部17は、電源部よりも商用電源2及び負荷3に近い側の交流系統に設けられている。
負荷3を起動させるための操作ハンドル(SW)4が操作されると、制御部13は制御信号を出力し、それによって第3電源部16のスイッチ素子16cが導通し、さらにスイッチ素子16bが導通する。それによって、整流部12から出力された電流はスイッチ素子16bを介して流れ、バッファキャパシタ18を充電する。位相検出部19は、商用電源2の位相及び電圧を検出しており、制御部13は、商用電源2の位相に応じて第1サイリスタ17a又は第2サイリスタ17bのいずれかを選択し、所定の電圧になったときにトリガ信号を出力する。それによって、補助開閉部17が導通し、電流が負荷3に流れる。この電流は主開閉部11のトライアック11aのゲートにも流れるので、電圧がトライアック11aのトリガ電圧よりも高くなると、トライアック11a、すなわち主開閉部11が導通する。一旦、主開閉部11が導通する(閉状態)と電流を流し続けるが、商用電流がゼロクロス点に達したときにトライアック11aは自己消弧し、主開閉部11が非導通(開状態)になる。主開閉部11が非導通(開状態)になると、整流部12から第3電源部16を経て第1電源部14に電流が流れ、負荷制御装置1の自己回路電源を確保する動作を行う。すなわち、交流の1/2周期ごとに、負荷制御装置1の自己回路電源確保、補助開閉部17の導通及び主開閉部11の導通動作が繰り返される。
補助開閉部17が電源部よりも商用電源2及び負荷3に近い側の交流系統に設けられているので、補助開閉部17のサイリスタ17a又は17bが導通する際、電流は整流部12のダイオードを通らない。すなわち、サイリスタ17a又は17bによる電圧降下VSCRのみが生じ、ダイオードV及びVによる電圧降下は生じない。この第1構成例における電圧波形図を図2に示す。図6(b)に示す従来の負荷制御装置50の電圧波形図と比較して、補助開閉部17のサイリスタ17a又は17bの導通時の電圧降下が小さくなる。それに伴って、トライアック11aによるスイッチングノイズの振幅も小さくなり、負荷の動作状態、例えば照明装置に点灯などにおける影響を小さくすることができる。
図3は、負荷制御装置1の第2構成例を示す。第2構成例では、補助開閉部17を構成する第1サイリスタ17a及び第2サイリスタ17bに、それぞれ抵抗体とキャパシタで構成されたスナバ回路17c及び17dが並列に接続されている。また、第1サイリスタ17a及び第2サイリスタ17bには、それぞれスナバ回路17cおよび17dから放電される電流の逆流を防止するためのダイオード17e及び17fが接続されている。
このような構成によれば、例えば第1サイリスタ17aが導通しているとき、ダイオード17eに順方向に電流が流れ、スナバ回路17cのキャパシタに電荷が充電される。第1サイリスタ17aのスイッチングノイズにより、第1サイリスタ17aの端子電圧がスナバ回路17cのキャパシタの端子電圧よりも低下すると、キャパシタから電荷が放電され、第1サイリスタ17aの端子電圧が回復する。その結果、図4に示すように、スイッチングノイズが低減され、負荷に供給される電力の電圧波形が安定し、例えば照明装置の明るさの瞬間的な変動などが低減される。
第1サイリスタ17aが導通する際、直列にダイオード17eが接続されているため、ダイオード17eにより電圧降下が発生する。しかしながら、図5に示す従来の負荷制御装置50と比較して、第1サイリスタ17aに流れる電流はダイオードを1回しか通過しないため、ダイオードによる電圧降下は半減される。第2サイリスタ17bについても同様である。その結果、トライアック11aによるスイッチングノイズの振幅も小さくなり、負荷の動作状態、例えば照明装置に点灯などにおける影響を小さくすることができる。
なお、上記実施形態において、整流部12として全波整流回路を用いたが、それに限定されるものではなく、半波整流回路であってもよい。整流部12が半波整流回路である場合、半波整流回路と第2電源部を2組用意し、2組の半波整流回路と第2電源部を並列接続させ、それぞれの回路に流れる電流の位相を1/2周期ずらすように構成しても、同様の効果が得られる。
1 負荷制御装置
2 商用電源
3 負荷
11 主開閉部
11a トライアック(主スイッチ素子)
12 整流部
14 第1電源部
15 第2電源部
16 第3電源部
17 補助開閉部
17a 第1サイリスタ(スイッチ素子)
17b 第2サイリスタ(スイッチ素子)
17c、17d スナバ回路
17e、17f ダイオード
19 位相検出部

Claims (2)

  1. 主スイッチ素子の主電極が商用電源及び負荷に対し直列に接続され、前記負荷に対する電力の供給を制御する主開閉部と、
    前記主スイッチ素子の主電極間に接続された整流部と、
    外部からの信号に応じて負荷のオン又はオフを制御する制御部と、
    前記制御部に安定して電力を供給するための第1電源部と、
    前記主開閉部の両端から整流部を介して電力供給され、前記負荷をオフする状態のときに、前記第1電源部への電源を供給する第2電源部と、
    前記主開閉部の両端から整流部を介して電力供給され、前記負荷をオンする状態のときに、前記第1電源部への電源を供給する第3電源部と、
    前記整流部の出力端子間に接続され、前記負荷に給電する際、前記主開閉部よりも先に導通する補助開閉部と、
    前記商用電源の位相を検出する位相検出部を備え、
    前記補助開閉部は、前記整流部の一方の入力端子にアノードが接続され、カソードが接地された第1サイリスタと、前記整流部の他方の入力端子にアノードが接続され、カソードが接地された第2サイリスタをスイッチ素子として用い、
    前記主開閉部は主スイッチ素子としてトライアックを用い、
    前記制御部は、前記商用電源の位相に応じて、前記第1サイリスタ及び前記第2サイリスタを導通させるためのトリガ信号を前記第1サイリスタ及び前記第2サイリスタのゲートに出力することを特徴とする負荷制御装置。
  2. 前記第1サイリスタ及び前記第2サイリスタに、それぞれスナバ回路を接続したことを特徴とする請求項1に記載の負荷制御装置。
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