JP5222903B2 - ２線式調光器 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）を利用した照明光源を調光することが可能な２線式調光器に関する。

一般に、照明光源を調光する調光方法は、交流電源と照明光源の間に接続されたスイッチング素子の位相角を制御する位相制御方式が用いられている。

近時、白熱灯に代わる高効率照明器具としてＬＥＤ照明器具が開発され、実用化されている。このＬＥＤ照明器具は、交流電源を直流電源に変換する変換器を内蔵し、この変換器によりＬＥＤを点灯制御している。このＬＥＤ照明器具を従来の調光器で制御した場合、操作器の操作と光出力の関係が一致せず、十分な調光性能を得ることが困難であるため、マイクロコンピュータを用いてデジタル的に双方向スイッチ素子としてのトライアックを制御する調光器が開発されている。

さらに、位相制御方式に代わり、操作器により交流電圧のサイクル数を設定し、この設定されたサイクル数に基づきスイッチ素子のオンデューティ期間を制御することにより、ＬＥＤ照明器具を調光する調光器が開発されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００９−２０５８７９号公報

現在普及している調光器の屋内配線は２線式であり、この屋内配線を変更することなく、ＬＥＤ照明器具を調光することが望まれている。しかし、上述したように、ＬＥＤ照明器具を調光するためにマイクロコンピュータを使用する場合において、２線式の屋内配線を変更せず、マイクロコンピュータを動作させるに十分な直流電源を生成することが困難であった。すなわち、通常、電源回路の入力端には交流電源の一端及び他端が接続され、交流電源を整流、平滑することにより、直流電源を生成している。４線式の調光器の場合、電源回路をこのような構成とすることが可能であるため、容易に直流電源を生成することができる。しかし、２線式の場合、電源回路の入力端に交流電源の両端を接続することができないため、マイクロコンピュータを駆動するために十分な直流電源を生成することが困難であった。

また、回路構成が比較的容易な位相制御方式によりトライアックを制御する場合、トライアックがターンオンした状態において、ゼロクロスに達するようなノイズが電源に重畳された場合、トライアックがオフし、これが照明器具のちらつきの原因となる。ＬＥＤ照明器具は、白熱灯に比べて残光特性が低いため、ちらつきが発生し易い。これを解決するためには、トライアックのゲートをパルス信号に代えて連続した信号により制御すればよい。しかし、上記のように、２線式の調光器の場合、電源回路が十分な直流電源を生成することが困難であるため、連続する信号を生成することが困難であった。したがって、２線式でノイズによるちらつきを抑制できる調光器が望まれている。

本発明は、既存の屋内配線を変更することなく使用できるとともに、交流電源から十分な直流電源を生成でき、ノイズによるちらつきを低減することが可能な２線式調光器を提供しようとするものである。

本発明の２線式調光器の態様は、交流電源の一端に挿入接続され、照明負荷に電源を供給するスイッチング素子と、操作子の操作に応じて調光信号を出力する信号出力手段と、前記交流電源のゼロクロスポイントを検出する検出手段と、前記信号出力手段から供給される調光信号、及び前記検出手段の検出出信号に基づき、前記スイッチング素子を導通制御する制御手段と、前記スイッチング素子の両端間に接続され、前記スイッチング素子のオフ期間に前記制御手段の電源を生成する電源生成手段とを具備し、前記電源生成手段は、前記スイッチング素子の両端間に接続された整流回路と、前記整流回路の出力電圧に基づき直流電圧を出力するレギュレータ回路とを具備し、前記照明負荷は、ＬＥＤ照明であり、前記制御手段は、前記検出手段により検出されたゼロクロスポイントから前記スイッチング素子のゲートに制御信号を供給している間、前記検出手段から供給される検出出力信号を無効とし、前記検出されたゼロクロスポイントから周波数変動余裕に基づき予め定められた最長期間経過後、前記スイッチング素子のゲートへの制御信号の供給を停止させることを特徴とする。

本発明は、既存の屋内配線を変更することなく使用できるとともに、交流電源から十分な直流電源を生成でき、ノイズによるちらつきを低減することが可能な２線式調光器を提供できる。

本発明の実施形態に係る調光器を概略的に示す構成図。 図１に示す調光器を具体的に示す構成図。 図２に示す制御部の動作を示すフローチャート。 図２に示す調光器の動作を示すタイミングチャート。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態の調光器を概略的に示している。

図１において、本実施形態の調光器１１は、２線式であり、交流電源１２の一端に接続された配線１３に双方向スイッチング素子、例えばトライアック１４が挿入接続されている。配線１３にはさらに、例えばＬＥＤ電球等のＬＥＤ照明器具１５の一端が接続される。ＬＥＤ照明器具１５の他端は、配線１６を介して交流電源１２の他端に接続されている。

トライアック１４の両端には、電源生成回路１７が接続されている。２線式の調光器は、上述したように、各回路を動作させるための直流電源を生成することが問題となる。このため、本実施形態は、トライアック１４の両端に接続された電源生成回路１７により、トライアック１４のオフ期間に直流電源を生成している。この直流電源は、制御回路１８に供給され、制御回路１８は、この直流電源によって駆動され、例えば可変抵抗から出力される調光信号に応じてトライアック１４の位相角を制御する。

図２は、図１の具体例を示すものであり、図２において、図１と同一部分には同一符号を付している。

図２において、トライアック１４が接続された配線１３には、コイル１９が挿入接続されている。電源生成回路１７は、トライアック１４とコイル１９の両端間に接続された例えば整流回路１７ａとレギュレータ回路１７ｂとにより構成されている。整流回路１７ａは、配線１３とトライアック１４の出力端に接続された複数のダイオードにより構成された全波整流回路である。すなわち、例えば第１、第２のダイオードのアノードは配線１３とトライアック１４の出力端にそれぞれ接続されている。第３、第４のダイオードのカソードは配線１３とトライアック１４の出力端にそれぞれ接続され、アノードは接地されている。このような構成において、第１乃至第４のダイオードにより交流電源１２が整流され、第１、第２のダイオードのカソードから全波整流出力が得られる。

レギュレータ回路１７ｂは、例えばトランジスタ、ツェナーダイオード、複数のコンデンサ、複数の抵抗、及び周知の３端子レギュレータにより構成される。例えば整流回路１７ａの整流出力は、抵抗を介してトランジスタの電流通路の一端に供給されるとともに、抵抗を介してトランジスタのゲートに接続される。このトランジスタのゲートと接地間にツェナーダイオードが接続される。トランジスタの電流通路の他端と接地間にコンデンサが接続され、このコンデンサに安定化された直流電圧が出力される。このコンデンサの出力電圧が３端子レギュレータの第１の端子に供給され、このレギュレータの第２の端子より例えば３．３Ｖの直流電圧が出力される。第３の端子は接地されている。

このレギュレータ回路１７ｂにより生成された直流電圧は、制御回路１８に動作電源として供給されるとともに、可変抵抗２２に供給される。

また、電源生成回路１７を構成する整流回路１７ａの出力端には、ゼロクロス検出回路２０が接続されている。このゼロクロス検出回路２０は、例えばトランジスタにより構成されている。このトランジスタの電流通路の一端は、レギュレータ回路１７ｂに接続され、このレギュレータ回路１７ｂから電源が供給される。また、トランジスタの電流通路の他端は接地されている。このトランジスタのゲートに全波整流出力が供給される。トランジスタは、全波整流出力がある場合、オンし、電流通路の一端はローレベルとなる。また、全波整流出力がゼロ電位となると、トランジスタがオフし、電流通路の一端はハイレベルとなる。このハイレベルの信号がゼロクロスパルス信号として制御回路１８に供給される。

制御回路１８は、例えばマイクロプロセッサにより構成されている。この制御回路１８には、例えばセラミック振動子２１が接続されるとともに、可変抵抗２２が接続されている。セラミック振動子２１は、制御回路１８に基準信号を供給する。制御回路１８は、この基準信号に基づき動作に必要なクロック信号を生成する。また、可変抵抗２２は、操作子が操作されることにより抵抗値が変化し、その抵抗値に基づき調光の制御電圧としての調光信号を生成し、制御回路１８に供給する。

制御回路１８は、調光信号及びゼロクロス検出回路２０から供給されるゼロクロスパルス信号に基づき、トライアック１４のゲートを制御する制御信号を出力する。この制御信号は、一瞬のパルス信号ではなく、後述するように、トライアック１４のオン期間の大部分において、継続して出力される。したがって、トライアック１４は、所謂直流トリガ信号により制御される。

制御回路１８から出力される制御信号は、ゲート駆動回路２３に供給される。このゲート駆動回路２３は、例えばフォトカプラと整流回路により構成され、制御信号は、フォトカプラを介して整流回路に供給され、整流回路の出力電圧がトライアック１４のゲートに供給される。

また、コイル１９とトライアック１４に対して並列にノイズフィルタ２４が接続されている。

図３、図４は、制御回路１８の動作の一例を示すものである。図３、図４を参照して調光器１１の動作について説明する。

図３のステップＳ１１〜Ｓ１３は、初期設定のルーチンである。制御回路１８は、先ず、ゼロクロス検出回路２０から供給されるゼロクロスパルス信号の周期を計測し、電源周波数が５０Ｈｚであるか、６０Ｈｚであるかを判別する（Ｓ１１）。すなわち、制御回路１８は、交流電源の半周期に生じる２つのゼロクロスポイントの間において、クロック信号をカウントし、このカウント値Ｐｚｅｒと電源周波数に対応して予め定められた基準値とを比較することにより、電源周波数を判別する。

制御回路１８に供給されるセラミック振動子２１で生成されたクロック信号の精度は、１％程度の誤差を含んでいる。これに対して、商用電源としての交流電源は周波数精度が高い。このため、交流電源から生成したゼロクロスパルス周期のカウント値Ｐｚｅｒと電源周波数に対応して予め定められた基準値との誤差が計算され、クロック信号周波数の補正値が算出される（Ｓ１２）。

この後、算出された補正値により、制御回路１８に予め記憶されているトライアック１４の最大位相角、例えば３０°に対応する値と、最小位相角、例えば１５０°に対応する値が補正される（Ｓ１３）。すなわち、ゼロクロスポイントから最大位相角までのカウント値Ｐｍａｘと、ゼロクロスポイントから最小位相角までのカウント値Ｐｍｉｎが補正値に基づき補正される。この最大位相角に対応する値Ｐｍａｘと最小位相角に対応する値Ｐｍｉｎの間が、可変抵抗２２の可変範囲となる。

さらに、ノイズによるゼロクロスポイントの誤検出を抑制するための最大時間に対応する値Ｐｉｎｈが補正値に基づき補正される。この値Ｐｉｎｈは、交流電源の周波数変動分例えば４％を考慮して定められている。

上記のように初期設定が行われた後、調光信号としての可変抵抗２２の電圧が測定される。この測定された電圧と、最大位相角に対応する値Ｐｍａｘと最小位相角に対応する値Ｐｍｉｎより、ゼロクロスポイントからトライアック１４をターンオンさせるまでの期間に対応する値Ｐｔａｒが設定され、この値Ｐｔａｒに対応してクロック信号がカウントされる（Ｓ１４）。カウント値が値Ｐｔａｒに到達すると、制御回路１８から制御信号が出力され、ゲート駆動回路２３に供給される。ゲート駆動回路２３はこの制御信号に応じてトライアック１４をターンオンさせる（Ｓ１５）。

この後、ゼロクロスポイント間のカウント値Ｐｚｅｒと、ゼロクロスポイントからトライアック１４をターンオンさせるまでのカウント値Ｐｔａｒと、周波数変動余裕、例えば４％に対応する値に基づき、ゼロクロスパルスの誤検出抑制期間に対応するカウント値Ｐｉｎｈが算出される（Ｓ１６）。このカウント値Ｐｉｎｈは、トライアック１４のゲートに制御信号を供給する最長期間の範囲を示している。このカウント値Ｐｉｎｈの期間に制御回路１８からトライアック１４に継続して制御信号が供給される（Ｓ１７）。すなわち、トライアック１４の制御信号は、一瞬のパルス信号ではなく、カウント値Ｐｉｎｈの期間に連続して出力される信号である。このため、トライアック１４のオン期間において、トライアック１４のゲートには制御信号が継続して供給されているため、交流電源にゼロクロスポイントに達するノイズ（ノイズは、交流電源からのみではなく、ＬＥＤ照明器具１５から発生するノイズも含む）が重畳されるなどして、トライアック１４が瞬断した場合においても、トライアック１４を即座にオンさせることができる。したがって、トライアック１４の導通期間において、ほぼ連続的にＬＥＤ照明器具１５に電源を供給することが可能であり、ＬＥＤ照明器具１５のちらつきを抑制することが可能である。

また、ゼロクロス検出回路２０により、交流電源のゼロクロスポイントが検出されてから、トライアック１４のゲートに制御信号が供給されている間、制御回路１８は、ゼロクロス検出回路２０から供給される検出信号としてのゼロクロスパルス信号を無効としている。すなわち、制御回路１８は、この間において、ゼロクロスパルス信号による割り込みをマスクすることにより、誤動作を防止し、トライアック１４のゲートに制御信号を継続して出力可能としている。

上記のようにトライアック１４が導通された状態において、ゲート制御信号が停止される。この後、交流電源がゼロクロスポイントに達すると、トライアック１４は、ターンオフする。また、ゼロクロスの検出可能期間において、ゼロクロス検出回路２０によりゼロクロスポイントが検出された場合、ゼロクロス検出回路２０から出力されるゼロクロスパルス信号が制御回路１８に割り込み信号として供給される。このため、制御回路１８は、制御がステップＳ１４に移行され、上記と同様の動作が交流電源の半周期毎に繰り返される。

上記実施形態によれば、トライアック１４、電源生成回路１７、及び制御回路１８を含む調光器１１は、交流電源１２の一端に接続された配線１８に挿入接続され、この状態において、電源生成回路１７により制御回路１８用の直流電源を生成している。このため、本実施形態の調光器１１は、既存の２線の屋内配線を何ら変更することなく設置することが可能である。したがって、設置コストを低減することが可能であり、設置作業を容易化することが可能である。

また、電源生成回路１７は、トライアック１４のオフ期間において直流電源を生成し、制御回路１８に供給している。このため、２線式の調光器において、十分な直流電源を生成することができ、制御回路１８を確実に動作させることができる。

さらに、制御回路１８は、交流電源１２の周波数変動余裕として設定したゼロクロスポイントの検出範囲の４％において、ゼロクロスポイントを検出し、その他の範囲において、ゼロクロスポイントの検出を禁止している。このため、トライアック１４のオン期間において、ゼロクロスポイントに達するようなノイズが交流電源１２に重畳された場合においても、トライアック１４に制御信号を出力し続けることができる。したがって、トライアック１４が交流電源やＬＥＤ照明器具から発生したノイズにより瞬断した場合においても、即トライアック１４をオンさせることができるため、ＬＥＤ照明器具のちらつきを防止でき、適切な調光動作を行うことが可能である。

尚、上記実施形態において、トライアック１４の負荷としてＬＥＤ照明器具１５の場合について説明した。しかし、これに限定されるものではなく、ＥＬ（Electro Luminescence）照明などの調光に本発明を適用することも可能である。

その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変えない範囲において、種々変形実施可能なことは勿論である。

１１…調光器、１２…交流電源、１３、１６…配線、１４…トライアック、１５…ＬＥＤ負荷、１７…電源生成回路、１８…制御回路、２０…ゼロクロス検出回路、２２…可変抵抗。

Claims (3)

1. 交流電源の一端に挿入接続され、照明負荷に電源を供給するスイッチング素子と、
   操作子の操作に応じて調光信号を出力する信号出力手段と、
   前記交流電源のゼロクロスポイントを検出する検出手段と、
   前記信号出力手段から供給される調光信号、及び前記検出手段の検出出信号に基づき、前記スイッチング素子を導通制御する制御手段と、
   前記スイッチング素子の両端間に接続され、前記スイッチング素子のオフ期間に前記制御手段の電源を生成する電源生成手段とを具備し、
   前記電源生成手段は、前記スイッチング素子の両端間に接続された整流回路と、
   前記整流回路の出力電圧に基づき直流電圧を出力するレギュレータ回路とを具備し、
   前記照明負荷は、ＬＥＤ照明であり、
   前記制御手段は、前記検出手段により検出されたゼロクロスポイントから前記スイッチング素子のゲートに制御信号を供給している間、前記検出手段から供給される検出出力信号を無効とし、前記検出されたゼロクロスポイントから周波数変動余裕に基づき予め定められた最長期間経過後、前記スイッチング素子のゲートへの制御信号の供給を停止させることを特徴とする２線式調光器。
2. 交流電源の一端に挿入接続され、照明負荷に電源を供給するスイッチング素子と、
   操作子の操作に応じて調光信号を出力する信号出力手段と、
   前記交流電源のゼロクロスポイントを検出する検出手段と、
   前記信号出力手段から供給される調光信号、及び前記検出手段の検出出信号に基づき、前記スイッチング素子を導通制御する制御手段と、
   前記スイッチング素子の両端間に接続され、前記スイッチング素子のオフ期間に前記制御手段の電源を生成する電源生成手段とを具備し、
   前記制御手段は、前記検出手段により検出されたゼロクロスポイントから前記スイッチング素子のゲートに制御信号を供給している間、前記検出手段から供給される検出出力信号を無効とし、前記検出されたゼロクロスポイントから周波数変動余裕に基づき予め定められた最長期間経過後、前記スイッチング素子のゲートへの制御信号の供給を停止させることを特徴とする２線式調光器。
3. 前記制御手段は、予め定められた最長期間の範囲で、前記スイッチング素子のゲートに連続して前記制御信号を供給することを特徴とする請求項１又は２記載の２線式調光器。

Images