JP5849216B2

JP5849216B2 - 負荷制御装置

Info

Publication number: JP5849216B2
Application number: JP2011064153A
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: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2016-01-27
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: JP2012198862A

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。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。

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、主開閉部を構成するトライアックのスイッチングノイズを低減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を備え、
前記主開閉部は、前記主スイッチ素子としてトライアックを用い、前記トライアックの端子電圧が低下したときに、電荷を放電してスイッチングノイズを低減させる補助電源部をさらに備える。

前記補助電源部は、前記商用電源によって充電されるキャパシタと、前記キャパシタの両端子と前記商用電源の両端子との間にそれぞれ接続され、前記キャパシタから電荷が放電される際の逆流防止用の２つのダイオードと、前記キャパシタの両端子と前記トライアックのＴ１端子及びＴ２端子の間に接続された第１スイッチ素子及び第２スイッチ素子と、前記商用電源の位相に応じて、前記トライアックの端子電圧が前記キャパシタの端子電圧よりも低下したときに、前記トライアックの端子電圧を補完するように前記キャパシタから電荷を放電させるように、前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子の導通及び非導通を制御するスイッチング回路を備えたことが好ましい。

前記補助電源部は、直流電源と、前記直流電源のプラス側と前記トライアックのＴ１端子及びＴ２端子の間に接続された第１スイッチ素子及び第２スイッチ素子と、前記直流電源のマイナス側と前記商用電源の両端子間に接続された第３スイッチ素子と及び第４スイッチ素子と、前記トライアックの端子電圧を補完するように前記キャパシタから電荷を放電させるように、前記第１スイッチ素子乃至前記第４スイッチ素子の導通及び非導通を制御するスイッチング回路を備えたことが好ましい。

本発明の構成によれば、トライアックが導通する際、トライアックの端子電圧が低下すると、補助電源部から電荷が放電され、トライアックの端子電圧が回復する。その結果、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。

本発明の一実施形態に係る負荷制御装置の基本概念を示す回路図。本発明に係る負荷制御装置における電圧波形図。上記負荷制御装置の具体的な第１構成例を示す回路図。上記負荷制御装置の具体的な第２構成例を示す回路図。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の基本概念について、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。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、例えばサイリスタ１７ａを備えており、サイリスタ１７ａはダイオードブリッジで構成された整流部１２の出力端子間に接続されている。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。

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。バッファキャパシタ１８が充電されると、電流は、ツェナーダイオード１６ａを介して補助開閉部１７のサイリスタ１７ａのゲートに流れ、それによってサイリスタ１７ａが導通する。サイリスタ１７ａは整流部１２の出力端子間に接続されているので、サイリスタ１７ａの導通により、整流部１２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。

この負荷制御装置１は、トライアック１１ａのスイッチングノイズを低減させる補助電源部１９をさらに備えている。図１は、本発明に係る負荷制御装置１の概念を説明するためのものであり、トライアック１１ａのＴ１端子及びＴ２端子と並列に補助電源部１９が設けられているように描かれているが、補助電源部１９はこの場所に限定されない。補助電源部１９は、トライアック１１ａの端子電圧が低下したときに、電荷を放電してスイッチングノイズを低減させるように機能する。そのため、図２に示すように、トライアック１１ａの端子電圧が変動したとしても、補助電源部１９から放電される電荷によって、トライアック１１ａの端子電圧の低下分が補充され、負荷３に供給される電力の電圧波形はなだらかになる。すなわち、トライアック１１ａの導通開始時のスイッチングノイズが低減される。

図３は、上記負荷制御装置１の具体的な第１構成例を示す。商用電源２及び負荷３に直列接続されるこの負荷制御装置１の両端子１ａ及び１ｂの間には、キャパシタ１９１と逆流防止用の２つのダイオード１９２及び１９３の直列回路が接続されている。また、トランジスタなど出構成された第１スイッチ素子（ＳＷ１）１９４及び第２スイッチ素子（ＳＷ２）１９５は、それぞれキャパシタ１９１の両端子とトライアック１１ａのＴ１端子及びＴ２端子の間に接続されている。第１スイッチ素子（ＳＷ１）１９４及び第２スイッチ素子（ＳＷ２）１９５は、スイッチング回路１９６によってオン（導通）及びオフ（非導通）が制御される。スイッチング回路１９６は、電圧検出回路１９７に接続されており、電圧検出回路１９７はサイリスタ１７ａの端子電圧を検出する。補助電源部１９は、これらキャパシタ１９１、ダイオード１９２及び１９３、第１スイッチ素子１９４及び第２スイッチ素子１９５、スイッチング回路１９６、第１電圧検出回路（電圧検出１）１９７、第２電圧検出回路（電圧検出２）１９８などで構成されている。

第１電圧検出回路１９７はサイリスタ１７ａの端子電圧をモニタし、及び第２電圧検出回路１９８は商用電源２の電圧をモニタする。スイッチング回路１９６は、第１電圧検出回路１９７及び第２電圧検出回路１９８の電圧検出結果の組み合わせに応じて、第１スイッチ素子（ＳＷ１）１９４及び第２スイッチ素子（ＳＷ２）１９５のオン及びオフのタイミングを制御する。図３に示す構成例では、スイッチング回路１９６と制御部１３は別のブロックとして描いてあるが、スイッチング回路１９６を制御部１３と一体化して、同一のＣＰＵなどによって構成してもよい。また、図３に示す構成例では、サイリスタ１７ａの端子電圧及び商用電源２の位相をモニタして、第１スイッチ素子１９４及び第２スイッチ素子１９５のオン及びオフのタイミングを制御するように構成しているが、これに限定されるものではない。例えば、サイリスタ１７ａの導通及び非導通を制御部１３からの制御信号で制御すると共に、その制御信号を元にして、第１スイッチ素子１９４及び第２スイッチ素子１９５のオン及びオフのタイミングを制御するように構成してもよい。

例えば、端子１ａが高電位であるときに、第１スイッチ素子１９４をオンし、第２スイッチ素子１９５をオフすることにより、キャパシタ１９１が充電される。逆の場合も同様である。このキャパシタ１９１への充電はトライアック１１ａが導通するまでに行われる。キャパシタ１９１への充電が完了すると、トライアック１１ａが導通するまでの間に、第１スイッチ素子１９４をオフし、第２スイッチ素子１９５をオンする。そうすると、キャパシタ１９１に受電された電荷を放電することが可能になる。整流部１２から出力される電圧がトライアック１１ａのゲート・トリガ電圧よりも高くなると、トライアック１１ａが導通し、負荷３に供給される電流はトライアック１１ａを介して流れる。トライアック１１ａが導通する際、図６に示すように、トライアック１１ａの端子電圧が変動する。トライアック１１ａの端子電圧がキャパシタ１９１の端子電圧よりも低下すると、キャパシタ１９１から電荷が放電され、トライアック１１ａの端子電圧の低下を補充しようとする。その結果、図２に示すように、負荷３に供給される電力の電圧波形はなだらかになり、トライアック１１ａの導通開始時のスイッチングノイズが低減される。

なお、図３に示す回路構成上、補助電源部１９は、負荷制御装置１の全体における商用電源２に近い側に設けられている。従って、キャパシタ１９１に充電された電荷は、整流部１２を通ってサイリスタ１７ａにも流れる。そのため、トライアック１１ａのスイッチングノイズが低減されると共に、サイリスタ１７ａのスイッチングノイズも低減され得る。

図４は、上記負荷制御装置１の具体的な第２構成例を示す。補助電源部１９は、例えば電池などの直流電源２００と、４つのスイッチ素子（ＳＷ１〜ＳＷ４）２０１〜２０４と、上記スイッチング回路１９６及び電圧検出回路１９７などで構成されている。第１スイッチ素子（ＳＷ１）２０１及び第２スイッチ素子（ＳＷ２）２０２は、直流電源２００のプラス側とトライアック１１ａのＴ１端子及びＴ２端子の間に接続されている。また、第３スイッチ素子（ＳＷ３）２０３と及び第４スイッチ素子（ＳＷ４）２０４は、直流電源２００のマイナス側と商用電源２の両端子間に接続されている。第１スイッチ素子２０１と第３スイッチ素子２０３を一組とし、第２スイッチ素子２０２と第４スイッチ素子２０４を他の一組として、同時にオン（導通）及びオフ（非導通）される。スイッチング回路１９６は、サイリスタ１７ａの端子電圧及び商用電源２の位相をモニタし、これら２組のスイッチ素子のオン及びオフを制御する。トライアック１１ａの端子電圧が直流電源２００の電圧よりも低下すると、直流電源２００から電荷が放電され、トライアック１１ａの端子電圧の低下を補充しようとする。その結果、このような構成によっても同様の効果が得られる。

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
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
１９補助電源部
１９１キャパシタ
１９２、１９３ダイオード
１９４、１９５、２０１〜２０４スイッチ素子
１９６スイッチング回路
１９７電圧検出回路
２００直流電源

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を備えた負荷制御装置であって、
前記主開閉部は、前記主スイッチ素子としてトライアックを用い、前記トライアックの端子電圧が低下したときに、電荷を放電してスイッチングノイズを低減させる補助電源部をさらに備え、
前記補助電源部は、
前記商用電源によって充電されるキャパシタと、
前記キャパシタの両端子と前記商用電源の両端子との間にそれぞれ接続され、前記キャパシタから電荷が放電される際の逆流防止用の２つのダイオードと、
前記キャパシタの両端子と前記トライアックのＴ１端子及びＴ２端子の間に接続された第１スイッチ素子及び第２スイッチ素子と、前記商用電源の位相に応じて、前記トライアックの端子電圧が前記キャパシタの端子電圧よりも低下したときに、前記トライアックの端子電圧を補完するように前記キャパシタから電荷を放電させるように、前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子の導通及び非導通を制御するスイッチング回路を備えたことを特徴とする負荷制御装置。
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を備えた負荷制御装置であって、
前記主開閉部は、前記主スイッチ素子としてトライアックを用い、前記トライアックの端子電圧が低下したときに、電荷を放電してスイッチングノイズを低減させる補助電源部をさらに備え、
前記補助電源部は、
直流電源と、
前記直流電源のプラス側と前記トライアックのＴ１端子及びＴ２端子の間に接続された第１スイッチ素子及び第２スイッチ素子と、
前記直流電源のマイナス側と前記商用電源の両端子間に接続された第３スイッチ素子と及び第４スイッチ素子と、
前記トライアックの端子電圧を補完するように前記キャパシタから電荷を放電させるように、前記第１スイッチ素子乃至前記第４スイッチ素子の導通及び非導通を制御するスイッチング回路を備えたことを特徴とする負荷制御装置。