JP6191956B2

JP6191956B2 - 調光器及び照明装置

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Publication number: JP6191956B2
Application number: JP2013193246A
Authority: JP
Inventors: 村上　善宣; 善宣村上; 光治中川原
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: JP2015060700A

Description

本発明は、調光器、及びその調光器と照明器具からなる照明装置に関する。

従来例として、特許文献１に記載されている位相制御式の調光器を例示する。位相制御式の調光器は、双方向に電流を流す自己保持型の半導体スイッチング素子、例えば、双方向３端子サイリスタ(トライアック)をターンオンするタイミングを調整し、交流電源から照明器具に印加される交流電圧(電源電圧)の導通期間(位相)を制御する。

照明器具の光源が白熱ランプの場合、調光器で位相制御された電源電圧が印加されることで白熱ランプを直接調光することができる。また、照明器具の光源が蛍光ランプやＬＥＤ光源の場合、照明器具に搭載される点灯装置が、位相制御された電源電圧の導通期間から調光レベルを読み取り、読み取った調光レベルに対応して光源を調光する。

また、特許文献１記載の従来例では、導通期間中にトライアックのゲート端子にトリガ信号を印加し続ける、いわゆるＤＣトリガ方式が採用されている。つまり、ＤＣトリガ方式の調光器は、電源電圧が所定のしきい値を超えているときにハイレベルとなる同期信号を生成し、同期信号の立ち上がりを起点として導通期間を決定し、当該導通期間内にトリガ信号を出力するように構成されている。

ところで、ＤＣトリガ方式の調光器では、交流電源に概ね１秒未満の瞬間的な停電(瞬時停電)が生じた場合に同期信号の立ち上がりが正常時からずれてしまうため、任意の調光レベルに対するトリガ信号の出力期間が正常時と異なってしまうことがある。そして、正常時と異なるトリガ信号の出力期間が電源電圧のゼロクロスを跨いでいると、トリガ信号の出力を停止しても、次のゼロクロスまでトライアックがオンし続けてしまい、光源の光量が大きく変動してちらつきが生じる虞がある。

そこで、特許文献１記載の従来例では、同期信号の立ち上がりの間隔を計測し、当該間隔が基準範囲(電源電圧の１周期にほぼ等しい範囲)から外れた場合にトリガ信号の出力を停止することで光源のちらつきを抑制している。また、特許文献１記載の従来例は、前記間隔が基準範囲から外れた後も当該間隔を計測し、前記間隔が基準範囲内に収まれば、トリガ信号の出力を直ちに再開するように構成されている。

特開２０１３−２０８３９号公報

しかしながら、瞬時停電が発生するタイミングによっては、前記間隔が基準範囲内に収まった直後においても同期信号がずれてしまい、光源にちらつきが発生する可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、瞬時停電直後における光源のちらつき発生を抑制することを目的とする。

本発明の調光器は、正弦波の交流電圧を出力する電源の出力端間に照明器具と直列接続されるスイッチング素子と、前記交流電圧が所定のしきい値を超えている期間を検出し、前記期間と同期した同期信号を出力する同期信号出力部と、前記同期信号の立ち上がりを起点として前記スイッチング素子をオンさせる期間を決定し、且つ前記オン期間に前記スイッチング素子をオンさせるためのトリガ信号を出力する制御部とを備え、前記制御部は、前記同期信号の立ち上がりの間隔が所定の基準範囲内に収まるか否かを判定し、前記間隔が前記基準範囲内に収まると判定したときに前記トリガ信号を出力し、前記間隔が前記基準範囲を外れると判定したときに前記トリガ信号の出力を停止し、さらに、前記トリガ信号の出力停止後に前記交流電圧が前記しきい値を超えて前記同期信号が立ち上がる時点を起点とした前記同期信号の立ち上がりの間隔が前記基準範囲内に収まると判定した場合、前記判定直後の少なくとも１周期目の前記同期信号に対しては前記トリガ信号を出力せず、前記判定直後の２周期目以降の前記同期信号に対して前記トリガ信号を出力するように構成されることを特徴とする。

この調光器において、前記制御部は、前記トリガ信号の出力停止後に前記交流電圧が前記しきい値を超えて前記同期信号が立ち上がる時点を起点とした前記同期信号の立ち上がりの間隔が前記基準範囲内に収まると判定した回数が２以上の所定回数に達した場合に前記トリガ信号の出力を再開するように構成されることが好ましい。

本発明の調光器は、正弦波の交流電圧を出力する電源の出力端間に照明器具と直列接続されるスイッチング素子と、前記交流電圧が所定のしきい値を超えている期間を検出し、前記期間と同期した同期信号を出力する同期信号出力部と、前記同期信号の立ち上がりを起点として前記スイッチング素子をオンさせる期間を決定し、且つ前記オン期間に前記スイッチング素子をオンさせるためのトリガ信号を出力する制御部とを備え、前記制御部は、前記同期信号の立ち上がりの間隔が所定の基準範囲内に収まるか否かを判定し、前記間隔が前記基準範囲内に収まると判定したときに前記トリガ信号を出力し、前記間隔が前記基準範囲を外れると判定した場合、前記判定直後の１周期目の前記同期信号に対しては前記トリガ信号を出力せず、前記判定直後の２周期目以降の前記同期信号に対して前記トリガ信号を出力するように構成されることを特徴とする。

本発明の照明装置は、前記何れかの調光器と、前記調光器とともに前記電源の出力端間に直列接続される照明器具とを有することを特徴とする。

この照明装置において、前記照明器具は、光源として固体発光素子を備えることが好ましい。

本発明の調光器及び照明装置は、瞬時停電直後における光源のちらつき発生を抑制することができるという効果がある。

本発明に係る調光器の実施形態の動作を説明するためのタイムチャートである。本発明に係る照明装置の実施形態を示す構成図、並びに調光器の実施形態を示す回路構成図である。同上における照明器具の回路構成図である。本発明に係る調光器の他の実施形態の動作を説明するためのタイムチャートである。

以下、本発明に係る調光器、及びその調光器と照明器具とを有する照明装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本実施形態の調光器２は、特許文献１記載の従来例と同じくＤＣトリガ方式の調光器である。また、本実施形態の照明装置は、図２に示すように調光器２と、調光器２とともに交流電源３の出力端間に直列接続される照明器具１とで構成される。

照明器具１は、図３に示すように光源10と、スイッチ11と、整流回路12と、平滑回路13と、分圧回路14と、調光制御部15とを備える。

光源10は、複数個(図示例では２個)の固体発光素子(例えば、発光ダイオード100)と限流抵抗R1の直列回路で構成される。スイッチ11は電界効果トランジスタであり、ドレインが光源10に接続され、ソースが整流回路12の低電位側の出力端に接続される。

整流回路12はダイオードブリッジで構成され、一方の入力端が交流電源３の正極に接続され、他方の入力端が調光器２に接続される。平滑回路13は、ダイオードD1と平滑コンデンサC1で構成される。ダイオードD1は、整流回路12の高電位側の出力端にアノードが接続され、光源10の一端にカソードが接続される。また、平滑コンデンサC1は、高電位側の端子がダイオードD1のカソードに接続され、低電位側の端子が整流回路12の低電位側の出力端に接続される。

分圧回路14は、２つの分圧抵抗R2，R3の直列回路からなり、整流回路12の出力端間に接続される。そして、分圧回路14は、整流回路12で全波整流された交流電源３の電源電圧(脈流電圧)を分圧抵抗R2、R3の抵抗比(分圧比)で分圧した電圧(以下、検出電圧と呼ぶ。)を調光制御部15に出力する。なお、検出電圧は、調光器２によって位相制御されている。

調光制御部15は、検出電圧を基準電圧と比較することで方形波のパルス信号に変換し、当該パルス信号をスイッチ11のゲート端子に出力することでスイッチ11をオンさせる。つまり、スイッチ11がオンしているときにのみ光源10に電流が流れるので、調光制御部15は、位相制御された検出電圧のオンデューティ比に対応して、単位時間当たりに供給する電力を増減して光源10を調光することができる。

一方、調光器２は、図２に示すようにスイッチング素子Q1、電源回路20、同期信号出力部21、制御部22、一対の接続端子23，24などを備え、一方の接続端子23に照明器具１の一端が接続され、他方の接続端子24に交流電源３の負極が接続される。

接続端子23，24には雑音防止用のフィルタを介してスイッチング素子Q1が接続されている。このフィルタは、接続端子23，24間に接続されるコンデンサC2と、コンデンサC2の一端とスイッチング素子Q1との間に接続されるインダクタL1とで構成される。

スイッチング素子Q1は、自己保持型の半導体スイッチング素子、例えば、双方向３端子サイリスタ(トライアック)からなり、一端が接続端子23に接続され、他端がインダクタL1を介して接続端子24と接続される。また、スイッチング素子Q1のゲート端子は、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタからなるスイッチ素子Q2のコレクタに接続されている。このスイッチ素子Q2は、エミッタがグランドに接続され、ベースが制御部22に接続されている。

電源回路20は、スイッチング素子と当該スイッチング素子をスイッチング制御する制御回路とが集積化された集積回路であり、ダイオードD2で半波整流され且つ平滑コンデンサC3で平滑された入力電圧(直流電圧)を所望の定電圧に安定化して出力する。

電源回路20の出力端に、インダクタL2、コンデンサC4、ダイオードD4が接続され、前記集積回路のスイッチング素子、インダクタL2、コンデンサC4、ダイオードD4で昇降圧チョッパ回路が構成される。インダクタL2は、一端が電源回路20の出力端と接続され、他端が電解コンデンサからなるコンデンサC4の高電位側の端子に接続される。このコンデンサC4は、高電位側の端子が平滑コンデンサC3の低電位側の端子に接続され、低電位側の端子がグランドに接続されている。また、ダイオードD4は、アノードがグランドに接続され、カソードが電源回路20の出力端子接続されている。つまり、この昇降圧チョッパ回路は、インダクタL2を介してコンデンサC4を充電し、コンデンサC4の充電電圧を動作電圧(制御電圧)として制御部22に供給している。

同期信号出力部21には、接続端子23，24間に印加される電源電圧(交流電圧)がダイオードD5で半波整流されて入力される。そして、同期信号出力部21は、入力電圧(半波整流された電源電圧)を所定のしきい値Vfと比較し、入力電圧がしきい値Vfを上回っているときにハイレベルとなり、入力電圧がしきい値Vfを下回っているときにローレベルとなる同期信号を生成する(図１参照)。なお、同期信号出力部21は、ダイオードD5で半波整流された電源電圧が入力されるので、交流電源３の電源電圧の周期(以下、電源周期と呼ぶ。)の正の半周期毎に１回ずつ同期信号を生成して制御部22へ出力している。

図示は省略しているが、制御部22にはポテンショメータで分圧された電圧が入力される。このポテンショメータは、例えばダイヤル式の操作つまみの回転に対応してしゅう動接点がしゅう動するように構成されている。つまり、制御部22に入力される前記電圧は、ポテンショメータが操作つまみの操作位置に対応した分圧比で分圧した電圧となる。したがって、制御部22は、前記電圧から操作つまみの操作位置、すなわち、調光レベルを読み取ることができる。そして、制御部22は、読み取った調光レベルと、同期信号出力部21から出力される同期信号に基づいて、スイッチング素子Q1をオンするためのトリガ信号を生成する。

すなわち、制御部22は、同期信号の立ち上がりを起点としてスイッチング素子Q1をオンさせる期間(オン期間)を決定し、且つオン期間にハイレベルとなる方形波のトリガ信号を生成してスイッチ素子Q2のベースに出力する。スイッチ素子Q2は、トリガ信号が出力されているときにオンする。スイッチ素子Q2がオンすると、スイッチング素子Q1のゲート端子がコンデンサC4の充電電圧によって負電位にバイアスされるため、スイッチング素子Q1がオンする。そして、制御部22がトリガ信号を停止すれば、スイッチ素子Q2がオフとなり、スイッチング素子Q1のゲート端子が負電位にバイアスされなくなる。しかしながら、スイッチング素子Q1は、一定以上の保持電流が流れている間は導通状態を維持するため、トリガ信号の停止(立ち下がり)後も暫くは照明器具１に交流電源３の電源電圧が印加され続ける。そして、交流電源３の電源電圧がゼロクロスすると、スイッチング素子Q1を流れる保持電流が一定以下となり、スイッチング素子Q1がオフする。

ここで、前記オン期間は、同期信号の立ち上がりからトリガ信号の立ち上がりまでの時間(遅延時間)によって変化する。故に、制御部22は、調光レベルが高い(光源10の光量が多い)ほど前記遅延時間を短くしてオン期間を長くするように構成される。また、制御部22は、電源電圧の半周期に１回の割合でスイッチング素子Q1をオンさせるため、オン期間に対応した２つの遅延時間T1，T1+(1/2)×T0(T0は電源周期)毎にトリガ信号を出力する(図１参照)。つまり、制御部22は、電源周期T0毎に、１つの同期信号から２つのトリガ信号を生成して出力するように構成されている。

また、制御部22は、同期信号出力部21から出力される同期信号の立ち上がりの間隔を監視している。同期信号の立ち上がりの間隔とは、前回の同期信号の立ち上がりから今回の同期信号の立ち上がりまでに要する時間である。瞬時停電などの異常が発生しなければ、同期信号の立ち上がりの間隔(以下、同期間隔と呼ぶ。)は、電源周期T0に一致するはずである。したがって、制御部22は、同期間隔がT0±ΔT0の範囲(基準範囲)内に収まるか否かを判定し、収まると判定した場合、同期信号の立ち上がりを起点として遅延時間T1，T1+(1/2)×T0毎にトリガ信号を出力する。また、制御部22は、同期間隔が基準範囲内に収まらなかったと判定した場合、トリガ信号の生成及び出力を停止する。なお、電源周波数が50ヘルツの場合、電源周期T0は20ミリ秒となるから、20ミリ秒±0.8ミリ秒程度を基準範囲とすることが好ましい。

次に、本実施形態の調光器２の動作について、図１のタイムチャートを参照して詳細に説明する。同期信号出力部21は、接続端子23，24間に印加される電源電圧から同期信号を生成して制御部22に出力する。制御部22は、調光レベルに対応したオン期間(遅延時間T1，T1+(1/2)×T0)を決定してトリガ信号を出力する。また、制御部22は、トリガ信号の出力開始(立ち上がり)から、調光レベルに対応したオン期間が経過した時点でトリガ信号を停止する(立ち下げる)。トリガ信号が停止するとスイッチ素子Q2がオフするため、電源電圧がゼロクロスするとスイッチング素子Q1がオフする。したがって、スイッチング素子Q1は、トリガ信号が出力されている期間よりも若干長い期間(オン期間)だけオンとなり、このオン期間においてのみ、交流電源３から照明器具１に電源電圧が印加される。

照明器具１の調光制御部15は、調光器２で位相制御された電源電圧を分圧回路14で分圧した検出電圧を基準電圧と比較することにより、検出電圧が基準電圧を上回っているときにハイレベルとなる方形波のパルス信号を生成する。そして、このパルス信号がゲート端子に印加されることでスイッチ11がオンし、スイッチ11のオン期間が調光レベルに対応して伸縮されることにより、光源10が調光される。

ここで、図１に示すように調光器２の接続端子23，24間に印加される電源電圧が極めて短い期間Txにゼロボルトになった、すなわち、瞬時停電が発生したと仮定する。瞬時停電が発生すると、同期信号出力部21は、本来のタイミングではなく、接続端子23、24間への電源電圧の印加が再開した(復電した)時点で同期信号を立ち上げる。したがって、瞬時停電が発生した後の同期間隔は、瞬時停電が発生する前(通常時)における同期間隔からずれてしまう。

制御部22は、通常時の同期信号の立ち上がりを起点として基準範囲を繰り返し計時(カウント)している。したがって、上述のように瞬時停電が発生して同期信号の立ち上がりのタイミングが通常時からずれると、同期間隔が基準範囲(実際は基準範囲の整数倍)内に収まらない。制御部22は、同期間隔が基準範囲内に収まらないと判定した場合、その同期信号(復電した電源周期における同期信号)に対応したトリガ信号(図１に破線で示したTG1とTG2)の出力を停止する。トリガ信号が出力されないとスイッチング素子Q1がオンせず、照明器具１に電源電圧が印加されないために光源10が消灯する。

そして、復電した電源周期の次の電源周期では、同期信号が通常のタイミングで立ち上がるので、制御部22は、同期間隔が基準範囲(基準範囲の整数倍)内に収まると判定する。しかしながら、制御部22は、同期間隔が基準範囲内に収まると判定しても直ちにトリガ信号(図１におけるTG3とTG4)を出力せず、その次の同期信号に対応したトリガ信号(図１におけるTG5とTG6)から出力する。そして、照明器具１は、位相制御された電源電圧が印加されると調光を再開する。

而して、特許文献１記載の従来例のように、同期間隔が基準範囲内に収まったと判定された直後にトリガ信号を出力する場合、瞬時停電の発生タイミングによっては、同期信号がずれてしまい、光源にちらつきが発生する可能性がある。

これに対して本実施形態における制御部22は、同期間隔が基準範囲内に収まると判定しても直ちにトリガ信号TG3，TG4を出力せず、その次の同期信号に対応したトリガ信号TG5，TG6から出力する。その結果、本実施形態では、特許文献１記載の従来例と比較して、瞬時停電直後における光源10のちらつき発生を抑制することができる。

上述のように本実施形態の調光器２は、正弦波の交流電圧を出力する電源３の出力端間に照明器具１と直列接続されるスイッチング素子Q1と、交流電圧が所定のしきい値Vfを超えている期間を検出し、前記期間と同期した同期信号を出力する同期信号出力部21とを備える。また、調光器２は、同期信号の立ち上がりを起点としてスイッチング素子Q1をオンさせる期間を決定し、且つ前記オン期間にスイッチング素子Q1をオンさせるためのトリガ信号を出力する制御部22を備える。制御部22は、同期信号の立ち上がりの間隔が所定の基準範囲内に収まるか否かを判定し、前記間隔が基準範囲内に収まると判定したときにトリガ信号を出力し、前記間隔が基準範囲を外れると判定したときにトリガ信号の出力を停止する。制御部22は、トリガ信号の出力停止後に前記間隔(同期間隔)が基準範囲内に収まると判定した場合、判定直後の少なくとも１周期目の同期信号に対してはトリガ信号を出力せず、判定直後の２周期目以降の同期信号に対してトリガ信号を出力するように構成される。

本実施形態の調光器２は上述のように構成されるので、瞬時停電の発生タイミングによらず、特許文献１記載の従来例と比較して、瞬時停電直後における光源10のちらつき発生を抑制することができる。

ここで、制御部22は、トリガ信号の出力停止後に同期間隔が基準範囲内に収まると判定した回数が２以上の所定回数に達した場合にトリガ信号の出力を再開するように構成されても構わない。つまり、交流電源３が不安定である場合、例えば、交流電源３が太陽電池とパワーコンディショナで構成される場合でも、制御部22が、電源電圧が安定するまで待機してからトリガ信号の出力を再開するので、照明器具１が異常動作する可能性の低減が図られる。

一方、瞬時停電の発生からトリガ信号の出力再開までの時間(トリガ信号の停止期間)が長くなるほど、照明器具１の光源10が消灯している時間(消灯期間)も長くなる。

そこで、制御部22は、同期間隔が基準範囲を外れると判定した場合、判定直後の１周期目の同期信号に対してはトリガ信号TG1，TG2を出力せず、判定直後の２周期目以降の同期信号に対してトリガ信号TG3，TG4を出力するように構成されてもよい(図４参照)。制御部22が上述のように構成されれば、瞬時停電直後における光源10のちらつき発生を抑制しつつ、照明器具１の消灯期間の短縮を図ることができる。

また、本実施形態ではトリガ信号が１周期でも欠落すると照明器具１が消灯する場合を例示したが、照明器具１にてトリガ信号の読み取りを平均化すれば、わずかなトリガ信号の欠落が光出力に与える影響を低減することもできる。

１照明器具
２調光器
３交流電源(電源)
21 同期信号出力部
22 制御部

Claims

正弦波の交流電圧を出力する電源の出力端間に照明器具と直列接続されるスイッチング素子と、前記交流電圧が所定のしきい値を超えている期間を検出し、前記期間と同期した同期信号を出力する同期信号出力部と、前記同期信号の立ち上がりを起点として前記スイッチング素子をオンさせる期間を決定し、且つ前記オン期間に前記スイッチング素子をオンさせるためのトリガ信号を出力する制御部とを備え、
前記制御部は、前記同期信号の立ち上がりの間隔が所定の基準範囲内に収まるか否かを判定し、前記間隔が前記基準範囲内に収まると判定したときに前記トリガ信号を出力し、前記間隔が前記基準範囲を外れると判定したときに前記トリガ信号の出力を停止し、さらに、前記トリガ信号の出力停止後に前記交流電圧が前記しきい値を超えて前記同期信号が立ち上がる時点を起点とした前記同期信号の立ち上がりの間隔が前記基準範囲内に収まると判定した場合、前記判定直後の少なくとも１周期目の前記同期信号に対しては前記トリガ信号を出力せず、前記判定直後の２周期目以降の前記同期信号に対して前記トリガ信号を出力するように構成されることを特徴とする調光器。
前記制御部は、前記トリガ信号の出力停止後に前記交流電圧が前記しきい値を超えて前記同期信号が立ち上がる時点を起点とした前記同期信号の立ち上がりの間隔が前記基準範囲内に収まると判定した回数が２以上の所定回数に達した場合に前記トリガ信号の出力を再開するように構成されることを特徴とする請求項１記載の調光器。
正弦波の交流電圧を出力する電源の出力端間に照明器具と直列接続されるスイッチング素子と、前記交流電圧が所定のしきい値を超えている期間を検出し、前記期間と同期した同期信号を出力する同期信号出力部と、前記同期信号の立ち上がりを起点として前記スイッチング素子をオンさせる期間を決定し、且つ前記オン期間に前記スイッチング素子をオンさせるためのトリガ信号を出力する制御部とを備え、
前記制御部は、前記同期信号の立ち上がりの間隔が所定の基準範囲内に収まるか否かを判定し、前記間隔が前記基準範囲内に収まると判定したときに前記トリガ信号を出力し、前記間隔が前記基準範囲を外れると判定した場合、前記判定直後の１周期目の前記同期信号に対しては前記トリガ信号を出力せず、前記判定直後の２周期目以降の前記同期信号に対して前記トリガ信号を出力するように構成されることを特徴とする調光器。
請求項１〜３の何れかの調光器と、前記調光器とともに前記電源の出力端間に直列接続される照明器具とを有することを特徴とする照明装置。
前記照明器具は、光源として固体発光素子を備えることを特徴とする請求項４記載の照明装置。