JP5853127B2

JP5853127B2 - 負荷制御装置

Info

Publication number: JP5853127B2
Application number: JP2011120790A
Authority: JP
Inventors: 齋藤　裕; 裕齋藤; 東浜　弘忠; 弘忠東浜
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2016-02-09
Anticipated expiration: 2031-05-30
Also published as: JP2012248095A

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_Ａ、サイリスタによる電圧降下をＶ_ＳＣＲ、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_Ｂとすると、整流部５２及び補助開閉部５７による電圧降下Ｖ_ＳＵＭ＝Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｂ＋Ｖ_ＳＣＲ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Ｖ_ＳＣＲのみが生じ、ダイオードＶ_Ａ及びＶ_Ｂ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

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。
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。