JP2012198661A - 負荷制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主開閉部としてトライアックを。補助開閉部としてサイリスタを用いた負荷制御装置において、サイリスタのスイッチングノイズを低減する。
【解決手段】商用電源２と負荷３の間に直列に接続され、負荷３に通電する際、先に導通する補助開閉部１７と、補助開閉部１７が導通した後、補助開閉部１７よりも負荷３に近い側で、より安定した電力を供給する主開閉部１１を備え、補助開閉部１７は、スイッチ素子としてサイリスタ１７ａを用い、サイリスタのスイッチングノイズを低減させる補助電源部１９をさらに備える。補助電源部１９は、例えばダイオード１９１とキャパシタ１９２で構成されたスナバ回路である。
【選択図】図３

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７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８（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８（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８（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、補助開閉部を構成するサイリスタ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、商用電源と負荷の間に直列に接続され、負荷に通電する際、先に導通する補助開閉部と、補助開閉部が導通した後、前記補助開閉部よりも前記負荷に近い側で、より安定した電力を供給する主開閉部を備え、前記補助開閉部は、スイッチ素子としてサイリスタを用い、前記サイリスタの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たことを特徴とする。

また、本発明の他の一態様に係る負荷制御装置は、商用電源と負荷の間に直列に接続され、主スイッチ素子の主電極が前記商用電源及び前記負荷に対し直列に接続され、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、
前記補助開閉部は、スイッチ素子としてサイリスタを用い、前記サイリスタ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たことを特徴とする。

前記補助電源部は、ダイオードとキャパシタを備えたスナバ回路であることが好ましい。

前記スナバ回路は、前記整流部の高電位側出力端子にアノードが接続され、前記サイリスタのアノードにカソードが接続されたダイオードと、前記サイリスタのアノードとカソードの間に並列に接続されたキャパシタで構成されていることが好ましい。

前記補助電源部は、前記第３電源部から前記第１電源部への電源を供給しているときにのみ作動するバイパス回路であることが好ましい。

前記バイパス回路は、前記第３電源部を導通させるスイッチ素子の高電位側と前記サイリスタのアノードに接続されたキャパシタと、カソードが前記キャパシタに接続され、アノードが接地されたダイオードで構成されていることが好ましい。

前記バイパス回路は、一端が前記第３電源部が導通した時に高電位側となる点に接続され、他端が接地されたキャパシタと、前記高電位側となる点アノードが接続され、カソードが前記サイリスタのアノードに接続されたダイオードで構成されていることが好ましい。

前記補助電源部は、直流電源とスイッチング回路で構成されていることが好ましい。

本発明の構成によれば、サイリスタが導通する際、サイリスタ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、サイリスタ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。 上記負荷制御装置の具体的な第３構成例を示す回路図。 上記負荷制御装置の具体的な第４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。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、サイリスタ１７ａ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、サイリスタ１７ａ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。補助開閉部１９は、サイリスタ１７ａ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、サイリスタ１７ａ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、サイリスタ１７ａ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、サイリスタ１７ａ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。補助電源部１９は、ダイオード１９１とキャパシタ１０２を備えたスナバ回路で構成されている。ダイオード１９１のアノードが整流部１２の高電位側出力端子に接続され、カソードがサイリスタ１７ａのアノードに接続されている。また、キャパシタ１９２は、サイリスタ１７ａのアノードとカソードの間に並列に接続されている。サイリスタ１７ａが非導通の時でも、整流部１２からの出力電流がダイオード１０９を介してキャパシタ１９２に流れ、キャパシタ１９２が充電される。サイリスタ１７ａが導通し、その端子電圧がキャパシタ１９２の端子電圧よりも低下すると、キャパシタ１９２から電荷が放電され、サイリスタ１７ａの端子間電圧の低下を補完する。キャパシタ９２から放電された電荷は、ダイオード１９１の作用によってサイリスタ１７ａの順方向にのみ流れる。このスナバ回路は、サイリスタ１７ａと直列にダイオード１９１を挿入し、並列にキャパシタ１９２を配列するだけであるので、構造が比較的簡単であるが、ダイオード１９１及びキャパシタ１９２に商用電源２のピーク電圧が印加される。従って、ダイオード１９１及びキャパシタ１９２として高耐電圧特性が要求される。

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、第３電源部１６から第１電源部１４への電源を供給しているときにのみ作動するバイパス回路である。このバイパス回路は、第３電源部１６を導通させるスイッチ素子１６ｃの高電位側とサイリスタ１７ａのアノードに接続されたキャパシタ１９３と、カソードがキャパシタ１９３に接続され、アノードが接地されたダイオード１９４で構成されている。キャパシタ１９３の一端は、スイッチ素子（トランジスタ）１６ｃのコレクタに接続されており、スイッチ素子１６ｃが導通しているときだけキャパシタ１９３からサイリスタ１７ａに対して電荷を放電することができる。この場合、キャパシタ１９３とダイオード１９４はスナバ回路として機能し、ダイオード１９４のインピーダンスを高くすることによって、キャパシタ１９３の耐電圧を低くすることができる。

図５は、上記負荷制御装置１の具体的な第３構成例を示す。補助電源部１９は、第３電源部１６が導通した時に高電位側となるスイッチ素子１６ｂのエミッタとグランドの間に接続されたキャパシタ１９５と、このエミッタとサイリスタ１７ａのアノードの間に接続されたダイオード１８６で構成されている。スイッチ素子１６ｂが導通されると、キャパシタ１９５が充電されると共に、キャパシタ１９５からダイオード１９６を介して、電荷がサイリスタ１７ａに放電される。図４に示す第２構成例では、キャパシタ１９３とダイオード１９４が直列接続されているが、この第３構成例では、キャパシタ１９５とダイオード１９６が並列接続されている。このような構成によっても同様の効果が得られる。

図６は、上記負荷制御装置１の具体的な第４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１９７とスイッチング回路（ＳＷ回路）１９８で構成されている。スイッチング回路１９８は、サイリスタ１７ａの端子電圧をモニタし、直流電源１９７の電圧よりも低下したときに、直流電源１９７を導通させればよい。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、１９４、１９６ ダイオード
１９２、１９３、１９５ キャパシタ
１９７ 直流電源（電池）
１９８ スイッチング回路

Claims (8)

1. 商用電源と負荷の間に直列に接続され、負荷に通電する際、先に導通する補助開閉部と、補助開閉部が導通した後、前記補助開閉部よりも前記負荷に近い側で、より安定した電力を供給する主開閉部を備え、前記補助開閉部は、スイッチ素子としてサイリスタを用い、前記サイリスタの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たことを特徴とする負荷制御装置。
2. 商用電源と負荷の間に直列に接続され、主スイッチ素子の主電極が前記商用電源及び前記負荷に対し直列に接続され、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、
   前記補助開閉部は、スイッチ素子としてサイリスタを用い、前記サイリスタ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たことを特徴とする負荷制御装置。
3. 前記補助電源部は、ダイオードとキャパシタを備えたスナバ回路であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の負荷制御装置。
4. 前記スナバ回路は、前記整流部の高電位側出力端子にアノードが接続され、前記サイリスタのアノードにカソードが接続されたダイオードと、前記サイリスタのアノードとカソードの間に並列に接続されたキャパシタで構成されていることを特徴とする請求項３に記載の負荷制御装置。
5. 前記補助電源部は、前記第３電源部から前記第１電源部への電源を供給しているときにのみ作動するバイパス回路であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の負荷制御装置。
6. 前記バイパス回路は、前記第３電源部を導通させるスイッチ素子の高電位側と前記サイリスタのアノードに接続されたキャパシタと、カソードが前記キャパシタに接続され、アノードが接地されたダイオードで構成されていることを特徴とする請求項５に記載の負荷制御装置。
7. 前記バイパス回路は、一端が前記第３電源部が導通した時に高電位側となる点に接続され、他端が接地されたキャパシタと、前記高電位側となる点アノードが接続され、カソードが前記サイリスタのアノードに接続されたダイオードで構成されていることを特徴とする請求項５に記載の負荷制御装置。
8. 前記補助電源部は、直流電源とスイッチング回路で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の負荷制御装置。

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