JP5796172B2 - ２線式負荷制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置などの負荷のオン及びオフを制御するための２線式負荷制御装置に関する。

従来、トライアックなどの半導体スイッチ素子を用いた負荷制御装置が知られている。このような半導体スイッチ素子を用いた負荷制御装置のうち、２線式の負荷制御装置は、交流電源と負荷の間に直列に接続されるため、配線工事が簡単である。その反面、負荷がオフされているときでも半導体スイッチ素子や制御回路（ＣＰＵなど）を駆動するための電源を確保する必要がある。そのため、半導体スイッチ素子に並列に整流回路を接続し、負荷をオフするときでも、実際には負荷がオン又は誤動作しない程度の微弱電流を負荷に流し、整流された電流をバッファコンデンサに充電し、負荷がオフしているときの電源（オフ電源部）を確保している。また、負荷がオンしているときも、整流回路により整流された電流を用いて、負荷がオンしているときの電源（オン電源部）を確保している。（特許文献１参照）

オフ電源部は、例えば電流を制限する抵抗と、電圧をクランプするツェナーダイオード（定電圧ダイオード）と、トランジスタなどで構成された定電圧回路（ブートストラップ回路）であり、整流回路により全波整流された脈流が入力される。オフ電源回路から出力される電流の一部は制御部に流れ、ＣＰＵなどを駆動するために用いられる。また、残りの電流は、バッファコンデンサを充電する。整流回路により全波整流された脈流の電圧がツェナー電圧よりも低いときは、バッファコンデンサが電源となるため、バッファコンデンサは充放電を繰り返す。そのため、上記のように本来負荷がオフの状態であっても、ツェナーダイオード及び整流回路を介して負荷に電流が流れる。

一方、負荷をオンさせるには、例えば、制御部から半導体スイッチ素子のゲートに駆動信号を入力し、半導体スイッチ素子をオンさせる。それによって、整流回路の整流電圧がほぼ零になり、オン電源部及びオフ電源部が非導通となる。オン電源部及びオフ電源部が非導通の間、制御部にはバッファコンデンサから電力が供給され、バッファコンデンサの端子電圧が徐々に低下する。そして、交流電源の電流が零になると、自己消弧により半導体スイッチ素子が非導通になり、整流回路に電圧が発生する。このように、交流の１／２周期ごとに、負荷制御装置の自己回路電源確保、半導体スイッチ素子の導通／非導通動作が繰り返される。

トライアックなどの半導体スイッチ素子は、その導通及び非導通を制御するために必要な電力は比較的少ない。そのため、上記のようにバッファコンデンサに充電された電力によって半導体スイッチ素子を駆動することができる。その反面、半導体スイッチ素子によって流しうる負荷電流は比較的少なく、大電流を必要とする負荷には適していない。そのため、大電流を必要とする負荷のオン及びオフを制御するために、例えばラッチ式リレーなど、機械的に駆動される接点を備えたスイッチ素子の使用が考えられる。ところが、このような機械的な接点を導通及び非導通させるには、例えば電磁石装置などを駆動する必要があり、大きな電力が必要となる。スイッチ素子に関して、一般的に、流し得る電流が大きいほど、そのスイッチ素子を駆動するために必要な電力も大きくなる。この傾向は、半導体スイッチ素子についても当てはまる。

例えば、半導体スイッチ素子に替えてラッチ式リレーを用いる場合、制御部を駆動するための電源とは別に、スイッチ素子を開閉駆動するための電源が必要となる。また、半導体スイッチ素子を用いていないので、上記オン電源部とは異なる別の構成のオン電源部が必要となる。また、半導体スイッチ素子を用いる場合も、制御部を駆動するための電源とは別に、スイッチ素子を開閉駆動するために、上記とは別の構成のオン電源部を用いた方が好ましい場合もある。具体的には、半導体スイッチ素子は交流電源の電流又は電圧が零のタイミングでは導通せず、若干遅れて導通する。そのため、半導体スイッチ素子が導通／非導通を繰り返すことにより、ノイズが発生する。ノイズの発生を抑制するために半導体スイッチ素子をゼロクロススイッチングさせるには、別にオン電源部を確保する必要がある。

このような別の構成のオン電源部として、例えばスイッチ素子と交流電源との間に電流変成器を接続し、電流変成器の２次側から出力される電流を整流して、その直流電力をオン電源部とすることが考えられる。ところが、制御対象となる負荷が、例えば蛍光灯照明装置である場合、蛍光灯照明装置を点灯してから、この蛍光灯照明装置に流れる電流が安定するまで数秒から数十秒かかる。その間、オン電源部から出力される電力が不足し、制御部のＣＰＵが誤動作を起こす可能性がある。

特開２００８−９７５３５号公報

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、蛍光灯照明装置など、負荷電流が安定するのに時間がかかる負荷が接続された場合でも、制御部の誤動作を防止することが可能な２線式負荷制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る２線式負荷制御装置は、
交流電源及び負荷にそれぞれ接続される２つの入力端子と、
前記２つの入力端子の間に接続されたスイッチ素子及び電流変成器の直列回路と、
前記スイッチ素子の開閉部の両端に並列に接続され、前記交流電源から前記負荷を介して流れる交流電流を用いて、前記スイッチ素子が非導通状態のときの直流電力を出力するオフ電源部と、
前記電流変成器の２次側に接続され、前記電流変成器の２次側に流れる交流電流を用いて、前記スイッチ素子が導通状態のときの直流電力を出力するオン電源部と、
前記オフ電源部及び前記オン電源部から出力される直流電力によって駆動され、外部から入力される操作情報に基づいて、前記スイッチ素子の導通及び非導通を制御する制御部と、
前記オフ電源部又は前記オン電源部と前記制御部の間に設けられ、前記スイッチ素子が非導通状態から導通状態に切り替えられる際に、前記制御部に直流電力を供給する補助電源部を備えたことを特徴とする。

前記スイッチ素子は、非導通状態から導通状態に切り替えられる際に、前記開閉部の端子間電圧がほぼ０Ｖであることが好ましい。

前記制御部は、駆動電圧の異なる複数の制御回路を備え、
前記オフ電源部及び前記オン電源部は、それぞれ前記複数の制御回路の駆動電圧に対応する複数の電圧系統を有し、
前記補助電源部は、前記複数の電圧系統のうち、少なくとも１つに設けることが好ましい。

また、前記複数の電圧系統のうち、駆動電圧の高い方の電圧系統から低い方の電圧系統に電力を供給するためのバイパス回路を設けたことが好ましい。

また、前記補助電源部は、前記オフ電源部又は前記オン電源部から出力される直流電力によって受電される蓄電素子を有することが好ましい。

上記構成によれば、スイッチ素子を非導通状態から導通状態に切り替える際に、電流変成器や負荷の応答性に起因してオフ電源部とオン電源部の切替のタイムラグにより、電力不足が生じたとしても、補助電源部から供給される直流電力によって不足分が補充される。その結果、制御部のＣＰＵなどを駆動するために十分な電力が供給され、制御部の誤動作が防止される。

本発明の一実施形態に係る２線式負荷制御装置の基本構成を示すブロック図。 上記２線式負荷制御装置の具体的構成を示す回路図。 上記２線式負荷制御装置のスイッチ素子を非導通状態から導通状態に切り替えるときの、２線式負荷制御装置の各部の電圧波形を示す図。 上記２線式負荷制御装置の変形例の構成を示す回路図。

本発明の一実施形態に係る２線式負荷制御装置について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る２線式負荷制御装置１の基本的なブロック構成を示し、図２は具体的な回路構成を示す。この２線式負荷制御装置１は、交流電源２及び負荷３にそれぞれ接続される２つの入力端子１１ａ，１１ｂと、２つの入力端子１１ａ，１１ｂの間に接続されたスイッチ素子１２及び電流変成器１３の直列回路を備えている。スイッチ素子１２は、トライアックなどの半導体スイッチ素子であってもよいし、ラッチ式リレーなどの機械的に駆動される接点を備えたスイッチ素子であってもよい。

スイッチ素子１２の開閉部の両端子１２ａ，１２ｂには、交流電源２から負荷３を介して流れる交流電流を用いて、スイッチ素子１２が非導通状態のときの直流電力を出力するオフ電源部１４が接続されている。より具体的には、スイッチ素子１２の開閉部の両端子１２ａ，１２ｂには、ダイオードブリッジなどで構成され、交流電源２から負荷３を介して流れる交流電流を直流電流（脈流）に変換する第１整流回路１５が並列に接続されている。第１整流回路１５には、例えば、電流を制限する抵抗と、電圧をクランプするツェナーダイオード（定電圧ダイオード）と、トランジスタなどで構成された定電圧回路（ブートストラップ回路）１６が接続されている。これら第１整流回路１５と、定電圧回路１６とでオフ電源部１４を構成する。図２に示す回路構成では、オフ電源部１４は、例えば駆動電圧が２４Vの高電圧系統と、駆動電圧が１２Vの低電圧系統の、２つの電圧系統を有している。

一方、電流変成器１３の２次側には、電流変成器１３の２次側に流れる交流電流を用いて、スイッチ素子１２が導通状態のときの直流電力を出力するオン電源部１７が接続されている。より具体的には、ダイオードブリッジなどで構成され、交流電源２から負荷３を介して流れる交流電流を直流電流（脈流）に変換する第２整流回路１８が接続されている。第２整流回路１８には、コンデンサ及びツェナーダイオードなどで構成された定電圧回路１９が接続されている。オン電源部１７も、例えば駆動電圧が２４Vの高電圧系統と、駆動電圧が１２Vの低電圧系統の、２つの電圧系統を有している。オフ電源部１４の高電圧系統の出力端子とオン電源部１７の高電圧系統の出力端子は、それぞれ逆流防止用のダイオードを介して接続されている。同様に、オフ電源部１４の低電圧系統の出力端子とオン電源部１７の低電圧系統の出力端子は、それぞれ逆流防止用のダイオードを介して接続されている。

制御部２０は、例えば壁面に設けられた操作ハンドルやリモコン装置などの入力部２５をユーザが操作したときに、その操作情報に応じてスイッチ素子１２の導通及び非導通を制御する。制御部２０は、例えばＣＰＵなどで構成され、低電圧（例えば３Ｖ）で駆動される第１制御部２１と、高電圧（例えば２４Ｖ）で駆動される第２制御部２２を備えている。第１制御部２１は、レギュレータを介して、オフ電源部１４及びオン電源部１７の低電圧系統の出力端子に接続されている。レギュレータは、低電圧系統の駆動電圧１２Ｖをさらに低電圧の３Ｖに降圧させるためのものである。第２制御部２２は、スイッチ素子１２が、例えばラッチ式リレーである場合に、電磁石装置などを駆動するための大電力を出力する。

さらに、レギュレータを介して、オフ電源部１４及びオン電源部１７の低電圧系統の出力端子と第１制御部２１の間には、ＣＰＵ動作用の補助電源部２３が接続されている。また、オフ電源部１４及びオン電源部１７の高電圧系統の出力端子と第２制御部２２の間には、スイッチ素子１２の接点開閉用の補助電源部２４が接続されている。ＣＰＵ動作用の補助電源部２３及び接点開閉用の補助電源部２４は、いずれも、バッファコンデンサなどで構成されている。

次に、本実施形態に係る負荷制御装置１の動作について説明する。はじめに、スイッチ素子１２が非導通であり、負荷３はオフ状態であるとする。スイッチ素子１２の開閉部の両端子１２ａ，１２ｂには、第１整流回路１５が接続されているので、スイッチ素子１２が非導通であったとしても、交流電源２、負荷３、第１整流回路１５の直列回路には微弱な電流が流れる。このときの電流は、負荷３が誤動作しない程度の微小電流であり、オフ電源部１４のインピーダンスが高くなるように設定されている。第１整流回路１５から全波整流された脈流が入力されると、ツェナーダイオードのツェナー電圧により、オフ電源部１４からの出力の電圧波形は略台形状となる。オフ電源部１４から出力される電流の一部はレギュレータによって降圧され、第１制御部２１に供給される。それと平行して、補助電源部２３のバッファコンデンサを充電する。第１整流回路１５により全波整流された脈流の電圧がツェナー電圧よりも低いときは、補助電源部２３のバッファコンデンサが電源となって、レギュレータを介して第１制御部２１に電力を供給する。そのため、負荷３がオフ状態のとき、補助電源部２３のバッファコンデンサは充放電を繰り返す。同様に、オフ電源部１４から出力される電流の一部は、第２制御部２２に供給されると共に、それと平行して、補助電源部２４のバッファコンデンサを充電する。

入力部２５から負荷３をオンさせる操作情報が入力されると、第２制御部２２は、スイッチ素子１２を非導通状態から導通状態に切り替えるために、駆動電力を出力する。この駆動電力は、例えば補助電源部２４のバッファコンデンサを放電することによって賄われる。

図３は、スイッチ素子１２を非導通状態から導通状態に切り替えるときの、各部の電圧波形を示す。図３に示すように、交流電源２からは、正弦波が連続して出力されているものとする。スイッチ素子１２が非導通状態のとき、スイッチ素子１２の開閉部の両端子１２ａ，１２ｂの間の電圧は、交流電源２の電圧と同様に正弦波状に変化する。一方、スイッチ素子１２が導通すると、スイッチ素子１２の開閉部の両端子１２ａ，１２ｂの間が短絡され、その電圧は０Ｖになる。スイッチ素子１２の開閉部の両端子１２ａ，１２ｂの間が短絡されると、第１整流回路１５には電流が流れなくなるので、オフ電源部１４からの出力電力はほぼ０になる。スイッチ素子１２の開閉部の両端子１２ａ，１２ｂの間のインピーダンスは、オフ電源部１４のインピーダンスよりも遙かに小さいので、負荷３には、オフ状態で流れていた微弱電流よりも十分に大きな電流が流れ始める。

負荷３に負荷電流が流れ始めると、電流変成器１３の２次側に流れる電流も増加し、第２整流回路１８により整流され、コンデンサ及びツェナーダイオードによって平滑化された直流電力が、オン電源部１７から出力される。ところが、前述のように、蛍光灯照明装置などの場合、負荷３をオンしても、負荷電流が安定するまでに一定のタイムラグが必要である。そのため、このタイムラグの間、オン電源部１７から出力される直流電力は不安定であり、特にスイッチ素子１２が導通した直後は、オン電源部１７から出力される直流電力が第１制御部２１のＣＰＵを駆動するのに十分でない場合もあり得る。しかしながら、本実施形態の構成によれば、オフ電源部１４から直流電力が出力されなくなると、補助電源部２３のバッファコンデンサに充電された電荷が放電され、オン電源部１７から出力される直流電力の不足分を補う（図３の第２制御部入力電力におけるハッチング部分参照）。そのため、第１制御部２１に供給される直流電力が安定し、第１制御部２１のＣＰＵの誤動作は生じない。

なお、本発明は上記実施形態の説明に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。図４は、本実施形態に係る２線式負荷制御装置１の変形例の構成を示す。例えば、第１制御部２１がリモコン装置からの信号を受信するための無線信号受信回路を含んでいるとすると、無線信号受信回路は、負荷３オン又はオフに拘わらず、常時リモコン装置からの無線信号を受信する態勢にある。このように、低電圧系統側に接続された回路での消費電力が大きい場合、補助電源部２３のバッファコンデンサからの放電が速く、且つ、補助電源部２３のバッファコンデンサへの充電が遅くなり、直流電力が不安定になる。

図２と図４を比較して、図４に示す変形例では、駆動電圧が２４Ｖの高電圧系統と駆動電圧が１２Ｖの低電圧系統の間にツェナーダイオード２６をバイパス回路として接続し、低電圧系統側に接続された補助電源部２３のバッファコンデンサを高電圧系統側から充電可能にしている。このように、高電圧系統から低電圧系統の補助電源部２３のバッファコンデンサへ充電することにより、バッファコンデンサの充電速度を速くして、直流電力を安定させることができる。

また、上記実施形態では、スイッチ素子１２としてラッチ式リレーを例示したが、スイッチ素子１２はこれに限定されるものではなく、トライアックなどの半導体スイッチ素子であってもよい。例えば、スイッチ素子１２の入力側に交流電源２の電圧の位相を検出する回路を設け、交流電源２の電圧が０Ｖになった時点でスイッチ素子１２を導通させるようにしてもよい（ゼロクロススイッチング）。半導体スイッチ素子をゼロクロススイッチングすることにより、半導体スイッチ素子が導通／非導通を繰り返すことにより発生するノイズを抑制することができる。また、ラッチ式リレー及びゼロクロススイッチングされた半導体スイッチ素子は、いずれも非導通状態から導通状態に切り替えられる際に、開閉部の端子間電圧がほぼ０Ｖである。

また、上記実施形態では、補助電源部２３としてバッファコンデンサ（蓄電素子）を用いたが、補助電源部はこれに限定されるものではなく、充電可能な二次電池を用いてもよい。その場合、バッファコンデンサを用いた場合と同様に、電池の交換が不要になる。

１ ２線式負荷制御装置
２ 交流電源
３ 負荷
１１ａ，１１ｂ 入力端子
１２ スイッチ素子
１３ 電流変成器
１４ オフ電源部
１５ 第１整流回路
１６ 定電圧回路
１７ オン電源部
１８ 第２整流回路
１９ 定電圧回路
２０ 制御部
２１ 第１制御部
２２ 第２制御部
２３ ＣＰＵ動作用の補助電源部
２４ 接点開閉用の補助電源部

Claims (5)

1. 交流電源及び負荷にそれぞれ接続される２つの入力端子と、
   前記２つの入力端子の間に接続されたスイッチ素子及び電流変成器の直列回路と、
   前記スイッチ素子の開閉部の両端に並列に接続され、前記交流電源から前記負荷を介して流れる交流電流を用いて、前記スイッチ素子が非導通状態のときの直流電力を出力するオフ電源部と、
   前記電流変成器の２次側に接続され、前記電流変成器の２次側に流れる交流電流を用いて、前記スイッチ素子が導通状態のときの直流電力を出力するオン電源部と、
   前記オフ電源部及び前記オン電源部から出力される直流電力によって駆動され、外部から入力される操作情報に基づいて、前記スイッチ素子の導通及び非導通を制御する制御部と、
   前記オフ電源部又は前記オン電源部と前記制御部の間に設けられ、前記スイッチ素子が非導通状態から導通状態に切り替えられる際に、前記制御部に直流電力を供給する補助電源部を備えたことを特徴とする２線式負荷制御装置。
2. 前記スイッチ素子は、非導通状態から導通状態に切り替えられる際に、前記開閉部の端子間電圧がほぼ０Ｖであることを特徴とする請求項１に記載の２線式負荷制御装置。
3. 前記制御部は、駆動電圧の異なる複数の制御回路を備え、
   前記オフ電源部及び前記オン電源部は、それぞれ前記複数の制御回路の駆動電圧に対応する複数の電圧系統を有し、
   前記補助電源部は、前記複数の電圧系統のうち、少なくとも１つに設けることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の２線式負荷制御装置。
4. 前記複数の電圧系統のうち、駆動電圧の高い方の電圧系統から低い方の電圧系統に電力を供給するためのバイパス回路を設けたことを特徴とする請求項３に記載の２線式負荷制御装置。
5. 前記補助電源部は、前記オフ電源部又は前記オン電源部から出力される直流電力によって受電される蓄電素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の２線式負荷制御装置。

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