JPH06208422A - 低ノイズ形の位相制御器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】交流波形の各半サイクルにおける通電開始の立
上りに緩やかな波形が得られ、ノイズを有効に低減でき
る低ノイズ形の位相制御器の提供を目的としている。 【構成】ゲート電圧の制御により導通モード及び非導通
モードの制御が可能なスイッチング用トランジスタ１０
Ａ、１０Ｂを対にし、一方のスイッチング用トランジス
タを交流波形の正方向側領域の通電用に、また他方を負
方向側領域の通電用に用い、そして、各スイッチング用
トランジスタのゲート電圧をそれぞれが担当する通電領
域の反対領域においてゼロクロス点以前で立ち上げ、こ
の立上げ状態を指示電圧に対応する時間維持した後に立
ち下げることにより、逆位相制御を行ない、通電開始の
立上りを交流波形そのままの緩やかなものとし、ノイズ
を有効に低減させている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば、スタジオや
劇場等における照明器具の明るさを制御する調光器に好
適な位相制御器に関し、殊に、制御動作に伴うノイズ
（可聞ノイズや電磁波ノイズ等）を軽減した低ノイズ形
の位相制御器に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、照明器具の調光器を例にとる
と、その調光手法は、スライダックを用いる第１世代の
手法があり、この第１世代の手法はその操作性の限界故
に今日の照明技術が要求する高速制御に対応しきれない
という事情から、シリコン整流器やトライアックを用い
た高速制御が可能な第２世代の手法が実用化され今日に
到っている。

【０００３】しかし、この第２世代の手法の場合には、
交流波形の各半サイクルにおける通電開始の立上りが急
峻なため、そこで急激に電流が流れることに伴う大きな
ノイズを避けられない。しかるに、照明器具の調光器、
特にスタジオ等で用いられる照明器具の調光器について
は、可聞ノイズが録音の障害になり、また電磁波ノイズ
により撮影機や録音器に障害を生じる等、このノイズが
大きな問題となる。

【０００４】そのため、従来は、数十〜数百台の調光器
をまとめて別室（通常、ラック室と呼ばれる）に設置す
ることにより、これを避けるようにしていた。しかし、
このように別室に調光器を設置することには、種々の不
利益を避けられない。すなわち、例えばテレビのスタジ
オ等は地の利の関係で地価の高い場所にあるのが一般
で、高価なスペースの利用効率が悪い。また、調光器と
ランプとの距離が大きくなるため、接続ケーブルにおけ
る電圧降下により調光の正確性が低下したり、調光状態
の正確な把握が困難になる等の不利益である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような事情を背景
になされたのがこの発明で、交流波形の各半サイクルに
おける通電開始の立上りに緩やかな波形が得られ、ノイ
ズを有効に低減できる低ノイズ形の位相制御器の提供を
目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用】具体的にはこの
発明による位相制御器は、ゲート電圧の制御により導通
モード及び非導通モードの制御が可能なスイッチング用
トランジスタを対にし、一方のスイッチング用トランジ
スタを交流波形の正方向側領域の通電用に、また他方を
負方向側領域の通電用に用い、そして、各スイッチング
用トランジスタのゲート電圧をそれぞれが担当する通電
領域の反対領域においてゼロクロス点以前で立ち上げ、
この立上げ状態を指示電圧に対応する時間維持した後に
立ち下げるようにしてなっている。

【０００７】この位相制御器は、逆位相制御を行うこと
により、通電開始の立上りを交流波形そのままの緩やか
なものとし、ノイズを有効に低減させている。すなわ
ち、仮に、一方のスイッチング用トランジスタをＡ、他
方のスイッチング用トランジスタをＢとし、Ａが交流波
形の正方向側の通電を、またＢが負方向側の通電を担当
するとすると、Ａのゲート電圧を通電領域の反対領域つ
まり負方向領域でゼロクロス点以前で立ち上げ、この立
上げ状態を維持した状態において正方向領域が開始する
ゼロクロス点が現れると、このゼロクロス点から自動的
に交流波形そのままの緩やかな波形で通電開始の立上り
が行われる。そして、指示電圧に対応する通電がなされ
た後、ゲート電圧が立ち下がり、通電が停止される。

【０００８】このような位相制御器については、一対の
スイッチング用トランジスタを逆並列で接続させて構成
することができる。

【０００９】また、一対のスイッチング用トランジスタ
を逆直列で接続させて構成することもでき、この場合に
は、各スイッチング用トランジスタに、非対称な導通特
性を有する二極半導体素子を接続相手の導通方向に対し
その導通方向を逆向きにするようにして並列に接続する
ことになる。

【００１０】この場合には、仮に、スイッチング用トラ
ンジスタをＡ、Ｂとし、Ａに接続の二極半導体素子を
ｂ、そしてＢに接続の二極半導体素子をａとすると、ス
イッチング用トランジスタをＡ、Ｂが前述のように制御
されると、Ａとａにより交流波形の正方向側についての
み通電がなされ、逆にＢとｂにより交流波形の負方向側
についてのみ通電がなされることになる。

【００１１】このような逆直列形の構成は、ゲート制御
回路の電源回路をより簡単なものにでき、また主電源回
路から制御に必要な種々のデータを取り込むについての
回路をより簡単なものにできるという利点がある。すな
わち、逆直列であると、両スイッチング用トランジスタ
をエミッタ共通で接続することにより、ゲート制御回路
の電源回路を一本化してその簡略化を図れ、また、主電
源回路と制御回路とのインターフェイスを絶縁不要で行
えるようにすることができ、データ取込み回路の簡略化
を図れる。

【００１２】

【実施例】以下、この発明の実施例を説明する。この実
施例は、照明器具用の調光器に用いられる例に関するも
ので、位相制御器１は、図１に示すように、主電源回路
２、主電源回路２の途中に設けられたスイッチング回路
３、及び制御回路４よりなっている。

【００１３】スイッチング回路３は、スイッチング用ト
ランジスタ１０（１０Ａ、１０Ｂ）を一対備えており、
このスイッチング用トランジスタ１０Ａ、１０Ｂは、エ
ミッタ共通つまり互いにエミッタを介して接続されてお
り、しかも両者は逆直列つまり互いが逆向きになる直列
状態で接続されている。このスイッチング用トランジス
タ１０として好ましいものは、導通モードと非導通モー
ドとを少ない電力で制御でき且つ大容量の電流を流すこ
とのできるもので、例えば、ＭＯＳ電界効果形トランジ
スタ（ＭＯＳＦＥＴ）や絶縁ゲートバイポーラ形トラン
ジスタ（ＩＧＢＴ）が挙げられるが、特に、ＩＧＢＴが
適しており、この例ではこれを用いている。

【００１４】また、このスイッチング回路３は、非対称
な導通特性を有する二極半導体素子、この例ではダイオ
ードを一対備えており、この両ダイオード１１Ａ、１１
Ｂは、それぞれ、接続相手の導通方向に対しその導通方
向が逆向きになるようにして各スイッチング用トランジ
スタ１０Ａ、１０Ｂに並列に接続されている。つまり、
スイッチング用トランジスタ１０が非導通モードにある
時、ダイオード１１が言わばバイパスとして働くことに
より、交流波形の正方向側と負方向側について選択的な
通電を行えるようになっている。

【００１５】スイッチング回路３をこのような構成とし
てのは、後述のように制御回路４の電源回路を主電源回
路２に対し同電位にすることができるようにするためで
あって、単に低ノイズ制御という点に関しては必ずしも
不可欠でない。つまり、図５にスイッチング回路だけを
示すように、スイッチング用トランジスタ１０Ａ、１０
Ｂを逆並列にしても、この例の逆直列による制御と同様
の制御効果を得ることが可能である。尚、この逆並列形
の場合も逆直列と同様にＣＰＵ等を用いることにより制
御可能である。

【００１６】制御回路４は、ＣＰＵ１２を含むマイクロ
コンピュータ１３、スイッチング用トランジスタ１０
Ａ、１０Ｂ用のゲート回路１４Ａ、１４Ｂ、マイクロコ
ンピュータ１３とゲート回路１４Ａ、１４Ｂとの間に介
在するＤ／Ａ変換器１５、主電源回路２より種々のデー
タを取り込むために設けられている各種の端末とマイク
ロコンピュータ１３との間に介在するＡ／Ｄ変換器１６
を含んでいる。

【００１７】この制御回路４用の電源回路は、その０Ｖ
側がスイッチング用トランジスタ１０のエミッタに接続
する回路に構成されている。このような構成とすること
により、制御回路４を主電源回路２に対し同電位とする
ことができ、後述のように主電源回路２から種々のデー
タを取り込む場合に、その回路について主電源回路２に
対する絶縁が不要になるので、両回路のインターフェイ
ス構造を通常の電気的接続だけの簡単なもので済ませる
ことができるし、また制御回路による制御やデータ取込
みのリアルタイム性を向上させることができる。

【００１８】ＣＰＵ１２は、各種の制御や処理を行うが
それは以下の通りである。各スイッチング用トランジス
タ１０Ａ、１０Ｂを一方が導通モードにあれば他方が必
ず非導通モードにあるように制御すると共に、この導通
モード及び非導通モードを反転させる制御を行う。つま
り、両スイッチング用トランジスタ１０Ａ、１０Ｂを逆
向きに同期させて制御している。

【００１９】もっとも、この同期制御は、制御がより簡
単になるという利点があるものの、後述のような通電制
御を行うについては必ずしも不可欠なものでない。すな
わち、後述のような通電制御のためには、交流波形の正
方向側の通電に働くスイッチング用トランジスタ１０Ａ
については少なくとも正方向側のエリアにおいて導通モ
ードとなることがなく、また逆であるスイッチング用ト
ランジスタ１０Ｂについては少なくとも負方向側のエリ
アにおいて導通モードとなることがないように制御され
れば足るものである。

【００２０】また、主電源回路２に供給される交流波形
についてスタート用ゼロクロス点、つまり全体としての
通電の始まりにおけるゼロクロス点を設定する。これ
は、例えば、主電源回路２に一時的に主電源電流を流し
つつその周期を捉え、この周期に同期回路を同期させ、
そして、この同期回路に基づいて適宜のゼロクロス点を
選択し、これをスタート用ゼロクロス点とすことにより
行える。

【００２１】さらに、後述の各種の端末からのデータに
基づいて、実効出力電圧の算出や、得られたデータの処
理、あるいはその結果を外部のホストコンピュータ（こ
れは数十〜数百台の調光器を一括して制御するようにな
っている）に送る等の処理、それに通電停止時の立下げ
制御を行う。これらについての詳細はさらに後述する。

【００２２】スイッチング回路３中には、両スイッチン
グ用トランジスタ１０Ａ、１０Ｂの間に直列に抵抗１７
が接続されており、この抵抗１７の両端の電圧データが
ＣＰＵ１２に取り込まれるようになっている。そして、
ＣＰＵ１２は、この電圧データに基づいて主電源回路２
に流れる電流についてその実効出力電圧を例えば２０μ
ｓｅｃごとに算出し、この算出により得られた実効出力
電圧結果がホストコンピュータよりの指示電圧値つまり
望みの明るさをランプに与えるために指示される電圧値
になったところでゲート制御信号を立ち下げて通電を停
止させる制御を行う。

【００２３】このように、実効出力電圧の算出に基づい
て通電停止を行うことは、交流電源の電圧変動があって
も常に安定した状態で指示電圧を出力できるという大き
な利点があるだけでなく、通電停止タイミングをゼロク
ロス点に全く関係なく決められるという点にも大きく寄
与している。

【００２４】尚、ここで、ＣＰＵを用いて実効出力電圧
を算出する構成は回路の簡略化という点で好ましいもの
であるが、必ずしもこれに限られず、実効出力検出用の
ＩＣ等を設けるようにすることも可能である。

【００２５】スイッチング回路３の手前に設けられてい
るのは電流検出手段１８で、この電流検出手段１８で得
られるデータつまり実際の調光状態についてのデータは
ＣＰＵ１２を介してホストコンピュータに送られるよう
になっている。また、スイッチング回路３、特にスイッ
チング用トランジスタ１０Ａ、１０Ｂの温度状態を検出
する温度センサ１９からのデータもＣＰＵ１２を介して
ホストコンピュータに送られるようになっている。これ
らのデータは、ホストコンピュータを介して調光器を操
作しているオペレータが利用したり、あるいはこれらの
データに基づいて自動処理することにより、より実際の
状態に即した制御の実現の上で大いに役立つものであ
る。

【００２６】このように構成された位相制御器１の駆動
状態は以下の通りである。例えば、図２に示すように、
全体的な通電の始めにスタート用ゼロクロス点０₁ の手
前でスイッチング用トランジスタ１０Ａを導通モードに
するようにゲート信号を立ち上げ、この立上げ状態を一
定の時間維持する。この時、スイッチング用トランジス
タ１０Ｂのゲート信号は“ロウ”状態に維持されてい
る。この状態で、交流波形に、正方向側が開始するゼロ
クロス点（この場合にはスタート用ゼロクロス点０₁ が
これに当たる）が現れると、ここから自動的に正方向側
について通電が開始される。それから、前述のようにし
て実効出力電圧を算出しながら立下げのタイミングを決
めてスイッチング用トランジスタ１０Ａのゲート信号を
立ち下げ、正方向側についての通電を停止させる。この
時、スイッチング用トランジスタ１０Ｂ用のゲート制御
信号が同時に立ち上がり、次の負方向側開始のゼロクロ
ス点０₂ からの負方向側通電の準備状態に入る。

【００２７】この通電停止に際しては、通電停止に伴う
ノイズ（これは通電開始時のノイズに比べれば一般に小
さい）を低減させるために、電流の立下げ波形の制御が
なされる。具体的には、前述の実効出力電圧の算出によ
り通電停止時の実際の電圧波形を知り、また、立下がり
波形の状態を常にＣＰＵ１２にフィードバックすること
によりゼロラインへの立下がり波形の接近状態を知り、
これら両情報を利用することにより、立下げ波形のスタ
ートとフィニッシュを、通電停止時の実際の電圧波形及
び実際の立下げ状態に即して、よりノイズ少ない状態と
なるように制御するものである。この例を示すと図３及
び図４のようになるもので、図３は９０°を越えた位相
で立下げが行われる場合の例で、図４は９０°より手前
の位相で立下げが行われる場合の例である。以後、ラン
プの点灯中を通じて以上のような制御が各半サイクルご
とに継続して繰り返される。

【００２８】以上の実施例では、通電制御をＣＰＵにて
行うようにしているが、必ずしもこのようなＣＰＵ制御
による必要はない。例えば、クロック回路あるいは充電
回路等を用い、通電開始後に一定のタイミングで立下げ
を行うような制御を用いることも可能である。

【００２９】

【発明の効果】この発明による位相制御器は、以上説明
してきた如く、ゲート電圧の制御により導通モード及び
非導通モードの制御が可能なスイッチング用トランジス
タを用い、逆位相制御方式で位相制御を行うようにして
いるものであり、したがって、通電開始時の波形が交流
波形のサインカーブそのままの滑らかなものになるの
で、ノイズを有効に軽減でき、例えば、スタジオで用い
られる照明の調光器にこれを用いるとにより、従来では
ラック室に集中して設置せざるを得なかった調光器を各
ランプに近接させてスタジオ内に分散配置できる等、ス
タジオ照明の改善に大きく寄与できる。

【００３０】

【図面の簡単な説明】

【図１】位相制御器の回路図である。

【図２】ゲート電圧と負荷電圧のタイミング図である。

【図３】立下げ波形の制御状態を示すゲート電圧と負荷
電圧のタイミング図である。

【図４】立下げ波形の制御状態を示すゲート電圧と負荷
電圧のタイミング図である。

【図５】他の例によるスイッチング回路の回路図であ
る。

【符号の説明】

１０Ａ スイッチング用トランジスタ １０Ｂ スイッチング用トランジスタ １１Ａ ダイオード（二極半導体素子） １１Ｂ ダイオード（二極半導体素子）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゴードン ダブリュ パールマン アメリカ合衆国 オレゴン ポートランド エヌ ダブリュ ルレイ テラス 3004 (72)発明者 スチーブン ビー カールソン アメリカ合衆国 オレゴン ポートランド エヌ ダブリュ オールド ケリィ ロ ード 11929 (72)発明者 関根 信明 埼玉県入間郡大井町武蔵野1285 アールデ ィエス株式会社 埼玉工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ゲート電圧の制御により導通モード及び
   非導通モードの制御が可能なスイッチング用トランジス
   タを対にし、一方のスイッチング用トランジスタを交流
   波形の正方向側領域の通電用に、また他方を負方向側領
   域の通電用に用い、そして、各スイッチング用トランジ
   スタのゲート電圧をそれぞれが担当する通電領域の反対
   領域においてゼロクロス点以前で立ち上げ、この立上げ
   状態を指示電圧に対応する時間維持した後に立ち下げる
   ようにしてなる低ノイズ形の位相制御器。
2. 【請求項２】 一対のスイッチング用トランジスタが逆
   並列で接続されている請求項１記載の位相制御器。
3. 【請求項３】 各スイッチング用トランジスタに、非対
   称な導通特性を有する二極半導体素子が、接続相手の導
   通方向に対しその導通方向を逆向きにするようにして並
   列に接続され、この両スイッチング用トランジスタが逆
   直列で接続されている請求項１記載の位相制御器。
4. 【請求項４】 両スイッチング用トランジスタがエミッ
   タ共通で接続されている請求項３記載の位相制御器。