JP6389911B1

JP6389911B1 - 調光装置

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Publication number: JP6389911B1
Application number: JP2017050109A
Authority: JP
Inventors: 小林　篤; 篤小林
Original assignee: トヨスター株式会社
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2037-03-15
Also published as: JP2018156730A

Abstract

【課題】ノイズの発生をさらに低減することが可能な調光装置を提供する。【解決手段】交流電源１３及び負荷１４は、第１の端子１１及び第２の端子１２に接続される。第１のスイッチング素子ＳＷ１と第２のスイッチング素子ＳＷ２は、第１の端子１１と第２の端子１２との間に並列接続される。ゼロクロス検出回路１７は、整流回路１５の出力電圧からゼロクロスを検出する。調整部１８は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の導通期間を調整する。コントローラ１９は、ゼロクロス検出回路によりゼロクロスが検出された場合、第１のスイッチング素子ＳＷ１と第２のスイッチング素子ＳＷ２の一方を導通させ、調整部１８により調整された導通期間の経過後、導通された第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の一方を非導通とする。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）を利用した照明機器に適用される調光装置に関する。

ＬＥＤ照明機器の調光装置は、交流電源の導通角をスイッチング素子で変化させる所謂位相制御方式を用いて構成されている。位相制御方式の調光器は、交流電源がゼロ以外の電圧の時、スイッチング素子が導通するため、電源周波数に依存したノイズを発生する。

そこで、ノイズを低減させるため、スイッチング素子を逆位相で制御する所謂逆位相制御方式の調光器が開発されている（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

特開２０１５−１９８０７４号公報特開２０１５−１９８０７５号公報特表２００８−５０７０９４号公報

しかし、近時、交流電源に接続される電気機器や電子機器に対するノイズの影響をさらに低減することが可能な調光装置が要望されている。

本実施形態は、ノイズの発生をさらに低減することが可能な調光装置を提供する。

本実施形態の調光装置は、交流電源及び負荷が直列接続される第１の端子及び第２の端子と、前記第１の端子と前記第２の端子との間に接続された第１のスイッチング素子と、前記第１の端子と前記第２の端子との間に前記第１のスイッチング素子と並列接続された第２のスイッチング素子と、前記交流電源を整流する整流回路と、前記整流回路の出力電圧からゼロクロスを検出するゼロクロス検出回路と、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の導通期間を調整する調整部と、前記ゼロクロス検出回路により前記ゼロクロスが検出された場合、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の一方を導通させ、前記調整部により調整された前記導通期間の経過後、導通された前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の一方を非導通とするコントローラとを具備する。

本実施形態に係る調光装置の一例を示す構成図。図１の動作を説明するために示すフローチャート。図１の動作を説明するために示す波形図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図において、同一部分には同一符号を付している。

図１は、本実施形態に係る調光装置１０を示している。

第１の端子１１と第２の端子１２との間には、交流電源１３と負荷１４が直列接続されている。交流電源１３は、周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚであってもよい。負荷１４は、例えばＬＥＤ照明機器であるが、これに限定されるものではなく、白熱電球やクリプトン電球などを適用することも可能である。

第１の端子１１と第２の端子１２との間には、第１のダイオードＤ１と第１のスイッチング素子ＳＷ１が直列接続されている。第１のダイオードＤ１のアノードは、第１の端子１１に接続され、カソードは第１のスイッチング素子ＳＷ１の電流通路の一端に接続されている。第１のスイッチング素子ＳＷ１の電流通路の他端は、第２の端子１２に接続されている。第１のスイッチング素子ＳＷ１は、例えばｎチャネル型の電界効果トランジスタであり、第１のスイッチング素子ＳＷ１の制御電極としてのゲート電極は、後述する第１のゲート駆動回路ＧＤ１に接続されている。

さらに、第２の端子１２と第１の端子１１との間には、第２のダイオードＤ２と、第２のスイッチング素子ＳＷ２が直列接続されている。第２のダイオードＤ２のアノードは、第２の端子１２に接続され、第２のダイオードＤ２のカソードは、第２のスイッチング素子ＳＷ２の電流通路の一端に接続されている。第２のスイッチング素子ＳＷ２の電流通路の他端は、第１の端子１１に接続されている。第２のスイッチング素子ＳＷ２は、例えばｎチャネル型の電界効果トランジスタであり、第２のスイッチング素子ＳＷ２の制御電極としてのゲート電極は、後述する第２のゲート駆動回路ＧＤ２に接続されている。

第２のダイオードＤ２と第２のスイッチング素子ＳＷ２との直列回路は、第１のダイオードＤ１と第１のスイッチング素子ＳＷ１との直列回路に並列接続されている。第１のスイッチング素子ＳＷ１と第２のスイッチング素子ＳＷ２は、互いに逆方向に電流を流す。

すなわち、第１のゲート駆動回路ＧＤ１により第１のスイッチング素子ＳＷ１が導通されると、第１のダイオードＤ１と第１のスイッチング素子ＳＷ１との直列回路を通って第１の端子１１から第２の端子１２方向に電流が流れる。また、第２のゲート駆動回路ＧＤ２により第２のスイッチング素子ＳＷ２が導通されると、第２のダイオードＤ２と第２のスイッチング素子ＳＷ２との直列回路を通って第２の端子１２から第１の端子１１方向に電流が流れる。

第１のスイッチング素子ＳＷ１と第２のスイッチング素子ＳＷ２は、ｎチャネル型の電界効果トランジスタに限定されるものではなく、他の導電型や他の種類のスイッチング素子を適用することも可能である。

第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２は、第１のスイッチング素子ＳＷ１と第２のスイッチング素子ＳＷ２が互いに逆方向に電流を流すことが可能であれば、省略することが可能である。

第１のゲート駆動回路ＧＤ１及び第２のゲート駆動回路ＧＤ２は、例えば図示せぬフォトカプラを含んでいる。フォトカプラは、フォトダイオードとフォトトランジスタを含んでいる。第１のゲート駆動回路ＧＤ１のフォトダイオードは、後述するコントローラ１９に接続され、フォトトランジスタは、第１のスイッチング素子ＳＷ１のゲート電極に接続されている。第２のゲート駆動回路ＧＤ２のフォトダイオードは、後述するコントローラ１９に接続され、フォトトランジスタは、第２のスイッチング素子ＳＷ２のゲート電極に接続されている。

第１のゲート駆動回路ＧＤ１及び第２のゲート駆動回路ＧＤ２の構成は、これに限定されるものではなく、変形可能である。

さらに、第１の端子１１と第２の端子１２との間には、整流回路１５が接続されている。整流回路１５は、例えば図示せぬダイオードブリッジにより構成された全波整流回路である。

整流回路１５の出力端には、レギュレータ回路１６及びゼロクロス検出回路１７が接続されている。

レギュレータ回路１６は、整流回路１５の出力電圧を例えば平滑し、直流電圧を生成する。レギュレータ回路１６から出力される直流電圧は、調整部１８及びコントローラ１９にこれらを駆動するための電源として供給される。

ゼロクロス検出回路１７は、整流回路１５の全波整流された出力電圧から交流電圧のゼロクロスを検出する。具体的には、ゼロクロス検出回路１７は、図３に示すように、整流回路１５の出力電圧が所定の閾値電圧Ｖｔｈより低下してからゼロクロスまでの期間に対応するパルス信号（以下、ゼロクロスパルスと称す）を生成する。ゼロクロス検出回路１７により生成されたゼロクロスパルスは、コントローラ１９に供給される。

調整部１８は、例えば可変抵抗器により構成されている。調整部１８（以下、可変抵抗器とも言う）の一端は、レギュレータ回路１６の出力端に接続され、摺動端子１８ａは、コントローラ１９に接続されている。可変抵抗器１８は、第１のスイッチング素子ＳＷ１と第２のスイッチング素子ＳＷ２の導通角を調整するものであり、摺動端子１８ａの位置を変えることにより抵抗値が変化し、抵抗値が電圧としてコントローラ１９に供給される。

コントローラ１９は、例えばマイクロプロセッサにより構成され、ゼロクロス検出回路１７から供給されるゼロクロスパルス、及び可変抵抗器１８の出力電圧に基づき、第１のゲート駆動回路ＧＤ１と第２のゲート駆動回路ＧＤ２を制御し、第１のスイッチング素子ＳＷ１と第２のスイッチング素子ＳＷ２を交互に逆位相制御する。

（動作）
図２、図３を参照して図１に示す調光装置１０の動作について説明する。

図２は、コントローラ１９の動作を示している。

コントローラ１９は、ゼロクロス検出回路１７から供給される１つのゼロクロスパルスから次のゼロクロスパルスまでの時間をカウントし、交流電源１３の周波数（電源周波数）が５０Ｈｚであるか６０Ｈｚであるかを判別する（Ｓ１１）。

次いで、コントローラ１９は、判別された電源周波数とゼロクロスパルス間の時間に基づき、コントローラ１９に供給される図示せぬクロック信号の周波数や各種のタイミング定数を補正する（Ｓ１２）。

タイミング定数としては、図３に示す例えばゼロクロスパルス間の時間（ゼロクロスパルスの周期とも言う）Ｔｓｈｕ、ゼロクロスパルスのパルス幅に対応する時間Ｔｚｒｏ、ゼロクロスから最小調光角までの時間Ｔｍｉｎ、ゼロクロスから最大調光角までの時間Ｔｍａｘがある。これらタイミング定数は、電源周波数及びゼロクロスパルス間の時間が変動することにより誤差が生じるため、この誤差が補正される。

尚、ゼロクロスから最小調光角までの時間Ｔｍｉｎ、及びゼロクロスから最大調光角までの時間Ｔｍａｘは、可変抵抗器１８の抵抗値の可変範囲に基づき、予め設定される。ゼロクロスから最大調光角までの時間Ｔｍａｘからゼロクロスから最小調光角までの時間Ｔｍｉｎを減算した範囲が、可変抵抗器１８の抵抗値の可変範囲に対応する。

この後、コントローラ１９は、可変抵抗器１８の出力電圧を測定し、第１のスイッチング素子ＳＷ１又は第２のスイッチング素子ＳＷ２をターンオンさせる期間（ターンオン期間と称す）Ｔｏｎと、ゼロクロスパルスの検出禁止期間Ｔｉｎｈを調整する調整期間Ｔａｄｊを計算する（Ｓ１３）。

スイッチング素子のターンオン期間Ｔｏｎは、可変抵抗器１８の出力電圧に基づき計算される。

図３に示すように、ゼロクロスパルスの検出禁止を調整する調整期間Ｔａｄｊは、ゼロクロスパルスの検出可能期間Ｔｅｎｂとターンオン期間Ｔｏｎ及びゼロクロスパルスの周期Ｔｓｈｕに基づき計算される。すなわち、Ｔａｄｊ＝Ｔｓｈｕ−Ｔｏｎ−Ｔｅｎｂにより求められる。ゼロクロスパルスの検出可能期間Ｔｅｎｂは、例えば予め設定された期間である。

上記より、ゼロクロスパルスの検出を禁止する検出禁止期間Ｔｉｎｈは、ゼロクロスが検出されてから、第１のスイッチング素子ＳＷ１又は第２のスイッチング素子ＳＷのターンオン期間Ｔｏｎが経過し、ゼロクロスパルスの検出禁止を調整する調整期間Ｔａｄｊが経過するまでの期間である（Ｔｉｎｈ＝Ｔｏｎ＋Ｔａｄｊ）。

ゼロクロスパルスの検出可能期間Ｔｅｎｂは、ゼロクロスパルスのパルス幅に対応する時間Ｔｚｒｏより長く設定されている。これは、交流電源１３の周波数や電圧が変化した場合においても、ゼロクロスパルスを正確に生成可能とするためである。

次いで、ゼロクロスが検出されたかどうかが判断される（Ｓ１４）。具体的には、ゼロクロス検出回路１７から供給されるゼロクロスパルスの時間Ｔｚｒｏを経過したかどうかが判断される。この結果、ゼロクロスが検出されていない場合（Ｓ１４、ＮＯ）、待機され、ゼロクロスが検出された場合（Ｓ１４、ＹＥＳ）、オフ状態の第１のスイッチング素子ＳＷ１が第１のゲート駆動回路ＧＤ１によりターンオンされる（Ｓ１５、例えば図３、ｔ１）。

このため、第１のスイッチング素子ＳＷ１を介して負荷１４としての例えばＬＥＤ照明機器に交流電源１３（図３に示すＡＣ出力）の正側の電力が供給される。交流電源１３は、ゼロクロスのタイミングで負荷１４に供給されるため、突入電流によるノイズの発生を防止できる。

この時、第２のスイッチング素子ＳＷ２は、オフ状態である。

この後、ターンオン期間Ｔｏｎが経過すると、第１のスイッチング素子ＳＷ１が第１のゲート駆動回路ＧＤ１によりターンオフされる（Ｓ１６、図３、ｔ２）。

次いで、調整期間Ｔａｄｊ（検出禁止期間Ｔｉｎｈ）を経過したかどうかが判断される（Ｓ１７）。この結果、調整期間Ｔａｄｊを経過していない場合（Ｓ１７、ＮＯ）、待機され、調整期間Ｔａｄｊを経過している場合（Ｓ１７、ＹＥＳ）、制御がＳ１３に移行される。

Ｓ１３からＳ１７の動作が上記と同様に実行されることにより、第２のスイッチング素子ＳＷ２の導通角が第２のゲート駆動回路ＧＤ２により制御される（図３、ｔ３、ｔ４、ｔ５）。このため、負荷１４に第２のスイッチング素子ＳＷ２を介して交流電源１３の負側の電力が供給される。

このような動作が実行されることにより、第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第２のスイッチング素子ＳＷ２が交互にターンオンされ、第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第２のスイッチング素子ＳＷ２が可変抵抗器１８の出力電圧に従って逆位相制御される。

尚、Ｓ１７において、調整期間Ｔａｄｊを経過していない場合、待機しているが、待機中に、Ｓ１３における可変抵抗器１８の出力電圧の測定、ターンオン期間Ｔｏｎ及び調整期間Ｔａｄｊの計算を実行することも可能である。

（実施形態の効果）
本実施形態によれば、第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第２のスイッチング素子ＳＷ２の一方は、ゼロクロス検出回路１７によりゼロクロスが検出されると導通される。第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第２のスイッチング素子ＳＷ２は、交流電源のゼロクロスから導通され、可変抵抗器１８により調整された期間が経過すると非導通とされる。このため、第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第２のスイッチング素子ＳＷ２は、逆位相制御されることにより、第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第２のスイッチング素子ＳＷ２への突入電流が抑制される。したがって、位相制御方式の調光装置の場合のような突入電流によるノイズの発生を抑えることができ、調光装置１０にノイズ防止回路を組み込む必要がない。このため、調光装置１０の構成を簡単化することが可能であり、製造コストの高騰を抑えることができる。

また、調光装置１０によるノイズの発生を防止できるため、交流電源に接続されるインダクタンス成分を有する他の負荷から所謂うなり音が発生することを防止できる。このため、交流電源に接続される他の電気機器や電子機器へのノイズの影響を抑制することができる。

しかも、第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第２のスイッチング素子ＳＷ２は、交流電源１３及び負荷１４に対して並列接続され、交流電源１３の正側と負側で個別に導通角が制御され、第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第２のスイッチング素子ＳＷ２の導通角が同時に制御されることがない。このため、第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第２のスイッチング素子ＳＷ２のトータルの発熱量を抑えることができ、小型で簡単な構成により放熱することが可能である。

しかも、小型で安価なスイッチング素子を使用することが可能で、定格負荷容量を確保できるため、製造コストを低減することが可能である。

これに対して、例えば２つのスイッチング素子を逆向きに直列接続した調光器の場合、交流電源の正側及び負側において、２つのスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子がターンオンしているとき、他方のスイッチング素子は、ダイオードとして機能し、逆方向の電流を流している。このため、２つのスイッチング素子のトータルの発熱量が大きくなり、十分な放熱対策を施す必要がある。したがって、２つのスイッチング素子を逆向きに直列接続した場合、装置が大型化する。

しかも、熱容量が大きく高価なスイッチング素子を必要とするため、定格負荷容量を確保するために装置の大型化、及び製造コストの高騰を伴う。しかし、本実施形態によれば、装置の大型化、及び製造コストの高騰を抑制することが可能である。

さらに、ゼロクロス検出回路１７は、整流回路１５の出力電圧が閾値電圧Ｖｔｈより低下してからゼロクロスまでの期間（ゼロクロス期間）を検出している。このため、ゼロクロスを検出した時点において、第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第２のスイッチング素子ＳＷ２の一方をターンオンさせることができるため、ノイズの発生を抑制することが可能である。

また、ゼロクロスパルスの検出可能期間Ｔｅｎｂは、ゼロクロスパルスのパルス幅に対応する時間Ｔｚｒｏより長く設定されている。このため、電源周波数が変化した場合においても、ゼロクロスパルスを正確に生成することが可能である。したがって、確実な調光制御を行うことが可能である。

さらに、可変抵抗器１８の電圧の測定、第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第２のスイッチング素子ＳＷ２のターンオン期間Ｔｏｎ、ゼロクロスパルスの検出を制御する調整期間Ｔａｄｊは、ゼロクロスの検出可能期間Ｔｅｎｂ、又は第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第２のスイッチング素子ＳＷ２がターンオフしている期間で計算することができる。このため、十分な計算時間を確保でき、確実な調光制御を行うことが可能である。

その他、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…第１の端子、１２…第２の端子、ＳＷ１…第１のスイッチング素子、ＳＷ２…第２のスイッチング素子、Ｄ１…第１のダイオード、Ｄ２…第２のダイオード、１５…整流回路、１７…セロクロス検出回路、１８…調整部（可変抵抗器）、１９…コントローラ。

Claims

交流電源及び負荷が直列接続される第１の端子及び第２の端子と、
前記第１の端子と前記第２の端子との間に接続された第１のスイッチング素子と、
前記第１の端子と前記第２の端子との間に前記第１のスイッチング素子と並列接続された第２のスイッチング素子と、
前記交流電源を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力電圧からゼロクロスを検出するゼロクロス検出回路と、
前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の導通期間を調整する調整部と、
前記ゼロクロス検出回路により前記ゼロクロスが検出された場合、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の一方を導通させ、前記調整部により調整された前記導通期間の経過後、導通された前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子の一方を非導通とするコントローラと
を具備することを特徴とする調光装置。
ゼロクロス検出回路は、前記整流回路の出力電圧が一定電圧より低下してからゼロクロスまでの期間（ゼロクロス期間）を検出することを特徴とする請求項１記載の調光装置。
前記ゼロクロス期間を検出するための検出可能な期間は、前記ゼロクロス期間より長いことを特徴とする請求項２記載の調光装置。
前記第１の端子にアノードが接続され、カソードが前記第１のスイッチング素子の電流通路の一端に接続された第１のダイオードと、
前記第２の端子にアノードが接続され、カソードが前記第２のスイッチング素子の電流通路の一端に接続された第２のダイオードと
をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の調光装置。
前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子は、同一導電型の電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項４記載の調光装置。