JP6534102B2 - 調光装置 - Google Patents

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Description

本発明は、照明負荷を調光する調光装置に関する。
従来、照明負荷を調光する調光装置が知られている(例えば、特許文献1)。
特許文献1に記載された調光装置は、一対の端子と、制御回路部と、制御回路部に制御電源を供給する制御電源部と、照明負荷の調光レベルを設定する調光操作部とを備えている。
一対の端子間には、制御回路部及び制御電源部それぞれが並列に接続されている。また、一対の端子間には、交流電源と照明負荷との直列回路が接続される。照明負荷は、複数のLED(Light Emitting Diode)素子と、各LED素子を点灯させる電源回路とを備えている。電源回路は、ダイオードと電解コンデンサとの平滑回路を備えている。
制御回路部は、照明負荷に供給する交流電圧を位相制御するスイッチ部と、スイッチ部を駆動するスイッチドライブ部と、スイッチドライブ部及び制御電源部を制御する制御部と、を備えている。
制御電源部は、スイッチ部に並列に接続されている。制御電源部は、交流電源の交流電圧を制御電源に変換する。制御電源部は、制御電源を蓄積する電解コンデンサを備えている。
制御部は、制御電源部から電解コンデンサを通じて制御電源が供給される。制御部は、マイクロコンピュータ(以下、「マイコン」)を備えている。マイコンは、調光操作部で設定された調光レベルに応じて、交流電圧の半サイクルごとの期間途中で、照明負荷への給電を遮断する逆位相制御を行う。
特開2013−149498号公報
本発明は、より多くの種類の照明負荷に対応可能な調光装置を提供することを目的とする。
本発明の調光装置は、照明負荷と交流電源との間に電気的に接続される一対の入力端子と、前記一対の入力端子間において、双方向の電流の遮断・通過を切り替えるように構成されている双方向スイッチと、前記照明負荷の光出力の大きさを指定する調光レベルを表す信号が入力される入力部と、電荷を蓄えることで制御電源を生成する蓄電部と、前記蓄電部から制御電源の供給を受けて動作し、前記照明負荷を点灯させる点灯モードでは、前記交流電源の交流電圧の半周期ごとに、前記調光レベルに応じた長さのオン時間に、前記双方向スイッチをオン状態に制御する制御部と、前記一対の入力端子から前記蓄電部に電流を流す第1充電部と、前記一対の入力端子から見たインピーダンスが前記第1充電部よりも低インピーダンスとなるように構成され、前記一対の入力端子から前記蓄電部に電流を流す第2充電部と、前記一対の入力端子から前記蓄電部に電流を流す充電部として、前記照明負荷が消灯する消灯モードでは前記第1充電部を選択し、前記点灯モードでは前記第2充電部を選択するように、前記第1充電部と前記第2充電部とを切り替える切替制御部と、を備える。
また、本発明の一態様の調光装置は、照明負荷と交流電源との間に電気的に接続される一対の入力端子と、前記一対の入力端子間において、双方向の電流の遮断・通過を切り替えるように構成されている双方向スイッチと、前記照明負荷の光出力の大きさを指定する調光レベルを表す信号が入力される入力部と、電荷を蓄えることで制御電源を生成する蓄電部と、前記蓄電部から制御電源の供給を受けて動作し、前記照明負荷を点灯させる点灯モードでは、前記交流電源の交流電圧の半周期ごとに、前記調光レベルに応じた長さのオン時間に、前記双方向スイッチをオン状態に制御する制御部と、前記一対の入力端子から前記蓄電部に電流を流す充電部とを備え、前記充電部は、前記蓄電部にそれぞれ充電電流を流す第1充電部と第2充電部とを有し、前記第2充電部のインピーダンスが前記第1充電部のインピーダンスよりも小さく、前記点灯モードにおいて前記蓄電部に電流を流す場合の前記充電部のインピーダンスが、前記照明負荷が消灯する消灯モードにおいて前記蓄電部に電流を流す場合の前記充電部のインピーダンスよりも小さい。
本発明は、より多くの種類の照明負荷に対応可能になる、という利点がある。
実施形態に係る調光装置の構成を示す概略回路図である。 実施形態に係る調光装置の電源部の回路図である。 実施形態に係る調光装置の動作を示すタイミングチャートである。 実施形態の変形例に係る調光装置の構成を示す概略回路図である。
(実施形態)
(1.1)構成
本実施形態の調光装置1は、図1及び図2に示すように、一対の入力端子11,12と、双方向スイッチ2と、入力部4と、電源部5(蓄電部50、第1充電部51、第2充電部52)と、制御部6と、切替制御部61と、を備えている。
一対の入力端子11,12は、照明負荷(以下、単に「負荷」という)7と交流電源8との間に電気的に接続される。双方向スイッチ2は、一対の入力端子11,12間において、双方向の電流の遮断・導通を切り替えるように構成されている。入力部4は、負荷7の光出力の大きさを指定する調光レベルが入力される。蓄電部50は電荷を蓄えることで制御電源を生成する。制御部6は、蓄電部50から制御電源の供給を受けて動作し、負荷7を点灯させる点灯モードでは、交流電源8の交流電圧Vacの半周期ごとに、調光レベルに応じた長さのオン時間に、双方向スイッチ2をオン状態に制御する。第1充電部51及び第2充電部52のそれぞれは、一対の入力端子11,12から蓄電部50に電流を流す。第2充電部52は、一対の入力端子11,12から見たインピーダンスが第1充電部51よりも低インピーダンスとなるように構成されている。切替制御部61は、一対の入力端子11,12から蓄電部50に電流を流す充電部として、負荷7が消灯する消灯モードでは第1充電部51を選択し、点灯モードでは第2充電部52を選択するように、第1充電部51と第2充電部52とを切り替える。
ここでいう「消灯モード」とは負荷7を消灯させるモードであり、消灯モードでは双方向スイッチ2は常にオフ状態となる。また、「点灯モード」とは負荷7を点灯させるモードであり、点灯モードでは、制御部6が、交流電圧Vacの半周期ごとに、調光レベルに応じた長さのオン時間に双方向スイッチ2がオン状態になるように双方向スイッチ2を制御する。また、ここでいう「入力端子」は、電線等を接続するための部品(端子)として実体を有しなくてもよく、例えば電子部品のリードや、回路基板に含まれる導体の一部であってもよい。
以下に説明する構成は、本発明の一例に過ぎず、本発明は、下記実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。本実施形態の調光装置1は、図1及び図2に示すように、入力端子11,12、双方向スイッチ2、位相検出部3、入力部4、電源部5、制御部6、スイッチ駆動部9、ダイオードD1,D2、停止部13、及び電圧検出部62を備えている。なお、電源部5は、蓄電部50、第1充電部51、第2充電部52を含み、制御部6に切替制御部61が設けられている。
調光装置1は、2線式の調光装置であって、交流電源8に対して負荷7と電気的に直列に接続された状態で使用される。負荷7は通電時に点灯する。負荷7は、光源としてのLED素子と、LED素子を点灯させる点灯回路と、を備えている。交流電源8は、例えば単相100〔V〕、60〔Hz〕の商用電源である。調光装置1は、一例として壁スイッチ等に適用可能である。
双方向スイッチ2は、入力端子11,12間において、双方向の電流の遮断・通過を切り替えるように構成されている。双方向スイッチ2は、例えば、入力端子11,12間に電気的に直列に接続されたスイッチ素子Q1,Q2の2個の素子からなる。例えば、スイッチ素子Q1,Q2の各々は、エンハンスメント形のnチャネルMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)からなる半導体スイッチ素子である。
スイッチ素子Q1,Q2は、入力端子11,12間において、いわゆる逆直列に接続されている。つまり、スイッチ素子Q1,Q2はソース同士が互いに接続されている。スイッチ素子Q1のドレインは入力端子11に接続され、スイッチ素子Q2のドレインは入力端子12に接続されている。両スイッチ素子Q1,Q2のソースは、電源部5のグランドに接続されている。なお、電源部5のグランドは、調光装置1の内部回路にとって基準電位となる。
双方向スイッチ2は、スイッチ素子Q1,Q2のオン、オフの組み合わせにより、4つの状態を切替可能である。4つの状態には、両スイッチ素子Q1,Q2が共にオフである双方向オフ状態と、両スイッチ素子Q1,Q2が共にオンである双方向オン状態と、スイッチ素子Q1,Q2の一方のみがオンである2種類の一方向オン状態とがある。一方向オン状態では、スイッチ素子Q1,Q2のうち、オンの方のスイッチ素子から、オフの方のスイッチ素子の寄生ダイオードを通して入力端子11,12間が一方向に導通することになる。例えば、スイッチ素子Q1がオン、スイッチ素子Q2がオフの状態では、入力端子11から入力端子12に向けて電流を流す第1の一方向オン状態となる。また、スイッチ素子Q2がオン、スイッチ素子Q1がオフの状態では、入力端子12から入力端子11に向けて電流を流す第2の一方向オン状態となる。そのため、入力端子11,12間に交流電源8から交流電圧Vacが印加される場合、交流電圧Vacの正極性の半周期においては、第1の一方向オン状態が「順方向オン状態」、第2の一方向オン状態が「逆方向オン状態」となる。一方、交流電圧Vacの負極性の半周期においては、第2の一方向オン状態が「順方向オン状態」、第1の一方向オン状態が「逆方向オン状態」となる。
ここで、双方向スイッチ2は、「双方向オン状態」及び「順方向オン状態」の両状態がオン状態であり、「双方向オフ状態」及び「逆方向オン状態」の両状態がオフ状態である。
位相検出部3は、入力端子11,12間に印加される交流電圧Vacの位相を検出する。ここでいう「位相」には、交流電圧Vacのゼロクロス点、交流電圧Vacの極性(正極性、負極性)を含んでいる。位相検出部3は、交流電圧Vacのゼロクロス点を検出すると検出信号を制御部6に出力するように構成されている。位相検出部3は、ダイオードD31と、第1検出部31と、ダイオードD32と、第2検出部32と、を有している。第1検出部31は、ダイオードD31を介して入力端子11に電気的に接続されている。第2検出部32は、ダイオードD32を介して入力端子12に電気的に接続されている。第1検出部31は、交流電圧Vacが負極性の半周期から正極性の半周期に移行する際のゼロクロス点を検出する。第2検出部32は、交流電圧Vacが正極性の半周期から負極性の半周期に移行する際のゼロクロス点を検出する。
すなわち、第1検出部31は、入力端子11を正極とする電圧が規定値未満の状態から規定値以上の状態に移行したことを検出すると、ゼロクロス点と判断し、第1検出信号Zc1を制御部6に出力する。同様に、第2検出部32は、入力端子12を正極とする電圧が規定値未満の状態から規定値以上の状態に移行したことを検出すると、ゼロクロス点と判断し、第2検出信号Zc2を制御部6に出力する。規定値は0〔V〕付近に設定された値(絶対値)である。例えば、第1検出部31の規定値は、+数〔V〕程度であり、第2検出部32の規定値は、−数〔V〕程度である。したがって、第1検出部31及び第2検出部32で検出されるゼロクロス点の検出点は、厳密な意味でのゼロクロス点(0〔V〕)から少し時間がずれる可能性がある。
入力部4は、ユーザによって操作される操作部から、調光レベルを表す信号を受け付け、制御部6に調光信号として出力する。入力部4は、調光信号を出力するのに際して、受け付けた信号を加工してもよいし、しなくてもよい。調光信号とは、負荷7の光出力の大きさを指定する数値等であって、負荷7を消灯状態とする「OFFレベル」を含む場合もある。なお、操作部は、ユーザの操作を受けて入力部4に調光レベルを表す信号を出力する構成であればよく、例えば可変抵抗器やロータリスイッチ、タッチパネル、リモートコントローラ、あるいはスマートフォン等の通信端末などである。
制御部6は、位相検出部3からの検出信号及び入力部4からの調光信号に基づいて双方向スイッチ2を制御する。制御部6は、スイッチ素子Q1,Q2の各々を別々に制御する。具体的には、制御部6は、第1制御信号Sb1にてスイッチ素子Q1を制御し、第2制御信号Sb2にてスイッチ素子Q2を制御する。また、制御部6は切替制御部61を有し、切替制御部61が第2充電部52に切替信号Sa1を出力している。この切替信号Sa1により第2充電部52を介して蓄電部50に流れる電流の遮断・通過が切り替えられることで、蓄電部50に充電電流を流す充電部として、消灯モードでは第1充電部51が選択され、点灯モードでは第2充電部52が選択される。
制御部6は、例えばマイコン(マイクロコンピュータ)を主構成として備えている。マイコンは、マイコンのメモリに記録されているプログラムをCPU(Central Processing Unit)で実行することにより、制御部6としての機能を実現する。プログラムは、予めマイコンのメモリに記録されていてもよいし、メモリカードのような記録媒体に記録されて提供されたり、電気通信回線を通して提供されたりしてもよい。言い換えれば、上記プログラムは、コンピュータ(ここではマイコン)を、制御部6として機能させるためのプログラムである。
スイッチ駆動部9は、スイッチ素子Q1を駆動(オン/オフ制御)する第1駆動部91と、スイッチ素子Q2を駆動(オン/オフ制御)する第2駆動部92と、を有している。第1駆動部91は、制御部6から第1制御信号Sb1を受けて、スイッチ素子Q1にゲート電圧を印加する。これにより、第1駆動部91はスイッチ素子Q1をオン/オフ制御する。同様に、第2駆動部92は、制御部6から第2制御信号Sb2を受けて、スイッチ素子Q2にゲート電圧を印加する。これにより、第2駆動部92はスイッチ素子Q2をオン/オフ制御する。第1駆動部91は、スイッチ素子Q1のソースの電位を基準にしてゲート電圧を生成する。第2駆動部92も同様である。
停止部13は、点灯モードにおいて、第2充電部52が蓄電部50に電流を流している状態で、電圧検出部62で検出される電圧Vc1が所定の閾値Vth1に達すると、蓄電部50での制御電源の生成を停止させる。本実施形態では、停止部13は、一対の入力端子11,12の少なくとも一方と電源部5との間を電気的に遮断することにより、蓄電部50での制御電源の生成を停止させる。停止部13は電源部5と直列回路を構成し、停止部13と電源部5との直列回路は、入力端子11,12間において双方向スイッチ2と、電気的に並列に接続される。具体的には、停止部13は、一対のダイオードD1,D2の接続点と、電源部5との間に電気的に接続されたスイッチであって、制御部6からの停止信号Ss1を受けてオフし、入力端子11,12から電源部5を電気的に切り離す。
電源部5は、蓄電部50と、第1充電部51と、第2充電部52と、を有している。電源部5は、ダイオードD1を介して入力端子11に電気的に接続され、ダイオードD2を介して入力端子12に電気的に接続されている。また、電源部5のグランドは、2個のスイッチ素子Q1,Q2の各々が備える寄生ダイオードの接続点に電気的に接続されている。これにより、2個のダイオードD1,D2と、2個のスイッチ素子Q1,Q2の各々が備える寄生ダイオードとで構成されるダイオードブリッジにて、入力端子11,12間に印加される交流電圧Vacが全波整流されて、電源部5に供給される。したがって、双方向スイッチ2がオフ状態にある場合、電源部5には、全波整流された交流電圧Vac(ダイオードブリッジから出力される脈流電圧)が印加されることになる。
蓄電部50はコンデンサC1を有し、蓄電部50が制御部6及びスイッチ駆動部9の電源となる。コンデンサC1の両端電圧は例えば3〔V〕以上の一定電圧であるが、スイッチ駆動部9にはコンデンサC1の両端電圧を昇圧した電圧を印加してもよい。
第1充電部51は、消灯モードにおいて、入力端子11,12からコンデンサC1(蓄電部50)に電流を流す。第1充電部51は、図2に示すように、抵抗R1,R2と、スイッチ素子Q3と、ツェナーダイオードZD1とを用いたシリーズ・レギュレータ回路である。停止部13とコンデンサC1との間に抵抗R1とスイッチ素子Q3とが直列に接続されている。スイッチ素子Q3は例えばnpn形のバイポーラトランジスタであり、スイッチ素子Q3のコレクタは抵抗R1に接続され、スイッチ素子Q3のエミッタはコンデンサC1に接続されている。停止部13とスイッチ素子Q3のベースとの間には抵抗R2が接続されている。スイッチ素子Q3のベースにはツェナーダイオードZD1のカソードが接続され、ツェナーダイオードZD1のアノードは電源部5のグランドに接続されている。消灯モードにおいて、ダイオードD1,D2を介して脈流電圧(交流電圧Vacを全波整流した電圧)が入力されると、第1充電部51によって入力電圧が一定の直流電圧に変換され、インピーダンス要素である抵抗R1を介してコンデンサC1に充電電流が流れる。消灯モードでは入力電圧の最大値は140V程度になり、入力電流を数mAとするために、抵抗R1の抵抗値は数百kΩに設定されている。
第2充電部52は、負荷7の点灯モードにおいて、入力端子11,12からコンデンサC1(蓄電部50)に電流を流す回路である。第2充電部52はスイッチ素子Q4,Q5と抵抗R3,R4とダイオードD11とを備えている。停止部13とコンデンサC1との間にスイッチ素子Q4とダイオードD11とが直列に接続されている。スイッチ素子Q4は例えばpnp形のバイポーラトランジスタであり、スイッチ素子Q4のエミッタが停止部13に接続され、スイッチ素子Q4のコレクタはダイオードD11を介してコンデンサC1に接続されている。スイッチ素子Q4のベース・エミッタ間には抵抗R3が接続され、スイッチ素子Q4のベースは抵抗R4とスイッチ素子Q5とを介して電源部5のグランドに接続されている。スイッチ素子Q5は例えばnpn形のバイポーラトランジスタであり、スイッチ素子Q5のコレクタが抵抗R4に接続され、スイッチ素子Q5のエミッタは電源部5のグランドに接続されている。スイッチ素子Q5のベースは制御部6に接続されており、制御部6(切替制御部61)からスイッチ素子Q5のベースに切替信号Sa1が入力される。切替信号Sa1が「ON」信号であれば、スイッチ素子Q5がオン、スイッチ素子Q4がオンになり、第2充電部52を介して電流が流れる状態となる。切替信号Sa1が「OFF」信号であれば、スイッチ素子Q5がオフ、スイッチ素子Q4がオフになり、第2充電部52を介して電流が流れない状態となる。第2充電部52では、スイッチ素子Q4とダイオードD11とを介してコンデンサC1に充電電流が流れるため、入力端子11,12から見たインピーダンスが第1充電部51に比べて低インピーダンスとなっている。
なお、第1充電部51及び第2充電部52は上記の回路構成に限定されず、入力端子11,12から見たインピーダンスが第1充電部51に比べて第2充電部52の方が大きくなるような回路構成であれば適宜変更が可能である。
また、本実施形態では電圧検出部62が、コンデンサC1の両端電圧Vc1を検出しており、両端電圧Vc1の検出値を制御部6に出力する(図2参照)。なお、電圧検出部62は、両端電圧Vc1のそのままの値を検出してもよいし、分圧抵抗で分圧した電圧を検出してもよい。
制御部6は、切替時点(双方向スイッチ2がオン状態からオフ状態に切り替わる時点)から交流電圧Vacの半周期の終点までのオフ期間で、電圧検出部62の検出値(電圧Vc1)が閾値Vth1に達すると、停止信号Ss1を「ON」信号から「OFF」信号に切り替える。ここで、閾値Vth1は、少なくとも次の切替時点まで制御部6の動作を確保できる程度に、コンデンサC1が充電されたときのコンデンサC1の充電電圧とする。具体的には、調光レベルによらず、コンデンサC1の電圧Vc1が最小値Vmin(図3参照)を下回らないように、最小値Vminに所定のマージンを加えた値が閾値Vth1として設定される。ここでいう、「最小値Vmin」は制御部6などが正常に動作するために必要な電圧Vc1の最小値である。
停止部13は、制御部6から入力される停止信号Ss1が「OFF」信号である間は、蓄電部50で制御電源を生成する動作を停止させる。本実施形態では、停止部13は、一対の入力端子11,12の少なくとも一方と電源部5との間を電気的に遮断することによって、蓄電部50での制御電源の生成を停止させる。停止部13は電源部5と直列回路を構成する。停止部13と電源部5との直列回路は、上記ダイオードブリッジを介して、一対の入力端子11,12間において双方向スイッチ2と、電気的に並列に接続される。
具体的には、停止部13は、ダイオードD1,D2の接続点と、電源部5との間に電気的に接続されたスイッチであって、制御部6からの停止信号Ss1を受けてオン/オフする。停止部13は、停止信号Ss1が「ON」信号であればオンになり、入力端子11,12に電源部5を電気的に接続する。停止部13は、停止信号Ss1が「OFF」信号であればオフになり、入力端子11,12から電源部5を電気的に切り離す。
なお、負荷7の点灯回路は、調光装置1で位相制御された交流電圧Vacの波形から調光レベルを読み取り、LED素子の光出力の大きさを変化させる。ここで、点灯回路は、一例としてブリーダ回路などの電流確保用の回路を有している。そのため、調光装置1の双方向スイッチ2が非導通となる期間においても、負荷7に電流を流すことが可能である。
(1.2)動作
(1.2.1)起動動作
まず、本実施形態の調光装置1の通電開始時の起動動作について説明する。
上述した構成の調光装置1によれば、入力端子11,12間に負荷7を介して交流電源8が接続されると、交流電源8から入力端子11,12間に印加される交流電圧Vacが整流されて電源部5に供給される。このとき、第1充電部51を介してコンデンサC1が充電され、コンデンサC1の両端電圧が最小値Vminを超えると、制御部6が起動する。
制御部6が起動すると、制御部6は、位相検出部3の検出信号を基に交流電源8の周波数の判定を行う。そして、制御部6は、判定した周波数に応じて、予めメモリに記憶されている数値テーブルを参照し、各種の時間などのパラメータの設定を行う。ここで、入力部4に入力された調光レベルが「OFFレベル」であれば、制御部6は、双方向スイッチ2を双方向オフ状態に維持することで、入力端子11,12間のインピーダンスをハイインピーダンス状態に維持する。これにより、負荷7は消灯状態を維持する。
(1.2.2)調光動作
次に、本実施形態の調光装置1の調光動作について、図3を参照して説明する。図3では、交流電圧Vac、第1検出信号Zc1、第2検出信号Zc2、第1制御信号Sb1、第2制御信号Sb2、コンデンサC1の電圧Vc1、及び停止信号Ss1を示している。
なお、本実施形態では、第1検出信号Zc1が「H」レベルから「L」レベルに変化することをもって、第1検出信号Zc1が発生したこととする。また、第2検出信号Zc2が「H」レベルから「L」レベルに変化することをもって、第2検出信号Zc2が発生したこととする。つまり、第1検出信号Zc1及び第2検出信号Zc2は、ゼロクロス点の検出時に「H」レベルから「L」レベルに変化する信号である。コンデンサC1の電圧Vc1、及び停止信号Ss1については、「(1.2.3)制御電源の生成動作」の欄で説明する。また、以下の説明において、「時点Aから」という表現は、時点Aを含む意味とする。例えば「第1時点から」は、第1時点を含む意味である。一方、「時点Aまで」という表現は、時点Aは含まず、時点Aの直前までを意味する。例えば「半周期の終点まで」は、半周期の終点は含まず、半周期の終点の直前までを意味する。
まず、交流電圧Vacが正極性の半周期における調光装置1の動作について説明する。調光装置1は、位相制御の基準となる交流電圧Vacのゼロクロス点を位相検出部3で検出する。交流電圧Vacが負極性の半周期から正極性の半周期に移行する際には、交流電圧Vacが正極性の規定値「Vzc」に達すると、第1検出部31が第1検出信号Zc1を出力する。本実施形態では、第1検出信号Zc1の発生時点を第1時点t1とし、正極性の半周期の始点(ゼロクロス点)t0から第1時点t1までの期間を、第一の期間T1とする。半周期の始点t0から第1時点t1までの第一の期間T1では、制御部6は、第1制御信号Sb1及び第2制御信号Sb2を「OFF」信号にする。これにより、第一の期間T1では、2個のスイッチ素子Q1,Q2がいずれもオフになり、双方向スイッチ2が双方向オフ状態となる。第1時点t1において、制御部6は、第1制御信号Sb1及び第2制御信号Sb2を「ON」信号にする。
第2時点t2は、第1時点t1から調光信号に応じた長さのオン時間が経過した時点である。第2時点t2においては、制御部6は、第2制御信号Sb2を「ON」信号に維持したまま、第1制御信号Sb1を「OFF」信号にする。これにより、第1時点t1から第2時点t2までの第二の期間T2には、2個のスイッチ素子Q1,Q2がいずれもオンになり、双方向スイッチ2が双方向オン状態となる。そのため、第二の期間T2には、交流電源8から双方向スイッチ2を介して負荷7へ電力が供給され、負荷7が点灯する。
第3時点t3は、半周期の終点(ゼロクロス点)t4よりも一定時間(例えば300〔μs〕)だけ手前の時間である。第3時点t3においては、制御部6は、第1制御信号Sb1及び第2制御信号Sb2を「OFF」信号にする。これにより、第2時点t2から第3時点t3までの第三の期間T3には、2個のスイッチ素子Q1,Q2のうちスイッチ素子Q1のみがオフし、双方向スイッチ2が逆方向オン状態となる。そのため、第三の期間T3には、交流電源8から負荷7への電力供給が絶たれる。
第3時点t3から半周期の終点(ゼロクロス点)t4までの第四の期間T4には、2個のスイッチ素子Q1,Q2がいずれもオフになり、双方向スイッチ2が双方向オフ状態となる。
また、交流電圧Vacが負極性の半周期における調光装置1の動作は、正極性の半周期と基本的に同様の動作となる。
負極性の半周期において、交流電圧Vacが負極性の規定値「−Vzc」に達すると、第2検出部32が第2検出信号Zc2を出力する。本実施形態では、負極性の半周期の始点t0(t4)から第2検出信号Zc2の発生時点である第1時点t1までの期間を第一の期間T1とする。また、第2時点t2は、第1時点t1から調光信号に応じた長さのオン時間が経過した時点であり、第3時点t3は、半周期の終点t4(t0)よりも一定時間(例えば300〔μs〕)だけ手前の時間である。
第一の期間T1では、制御部6は、第1制御信号Sb1及び第2制御信号Sb2を「OFF」信号にする。これにより、第一の期間T1には双方向スイッチ2が双方向オフ状態となる。そして、第1時点t1において、制御部6は、第1制御信号Sb1及び第2制御信号Sb2を「ON」信号にする。これにより、第1時点t1から第2時点t2までの第二の期間T2には、2個のスイッチ素子Q1,Q2がいずれもオンになり、双方向スイッチ2が双方向オン状態となる。そのため、第二の期間T2には、交流電源8から双方向スイッチ2を介して負荷7へ電力が供給され、負荷7が点灯する。
第2時点t2においては、制御部6は、第1制御信号Sb1を「ON」信号に維持したまま、第2制御信号Sb2を「OFF」信号にする。第3時点t3においては、制御部6は、第1制御信号Sb1及び第2制御信号Sb2を「OFF」信号にする。これにより、第2時点t2から第3時点t3までの第三の期間T3には、2個のスイッチ素子Q1,Q2のうちスイッチ素子Q2のみがオフし、双方向スイッチ2が逆方向オン状態となる。そのため、第三の期間T3には、交流電源8から負荷7への電力供給が絶たれる。第3時点t3から半周期の終点t4までの第四の期間T4には、2個のスイッチ素子Q1,Q2がいずれもオフになり、双方向スイッチ2が双方向オフ状態となる。
本実施形態の調光装置1は、以上説明した正極性の半周期の動作と負極性の半周期の動作とを交流電圧Vacの半周期ごとに交互に繰り返すことで、負荷7の調光を行う。ここで、「双方向オン状態」はオン状態であり、「逆方向オン状態」はオフ状態であるから、双方向スイッチ2が双方向オン状態から逆方向オン状態に切り替わる時点、つまり第2時点t2は「切替時点」に相当する。そして、第1時点t1から切替時点(第2時点t2)までの時間(オン時間)は、入力部4に入力された調光レベルに応じた時間であるので、半周期において入力端子11,12間が導通する時間は、調光レベルに従って規定されることになる。さらに、正極性の規定値「Vzc」及び負極性の規定値「−Vzc」が固定値であれば、半周期の始点t0から第1時点(第1検出信号Zc1又は第2検出信号Zc2の発生時点)t1までの時間は、略固定長の時間になる。
そのため、半周期の始点t0から切替時点(第2時点t2)までの時間(第一の期間T1)と、調光レベルに応じて長さが変化するオン時間(第二の期間T2)とを合計した時間である「可変時間」は、調光レベルに応じて長さが変化することになる。言い換えれば、可変時間は可変長の時間であって、交流電圧Vacに対する切替時点(第2時点t2)の位相は調光レベルに応じて変化する。すなわち、負荷7の光出力を小さくする場合には可変時間は短く、負荷7の光出力を大きくする場合には可変時間は長く規定される。そのため、入力部4に入力される調光レベルに応じて、負荷7の光出力の大きさを変えることが可能である。
また、交流電圧Vacの半周期の後半、具体的には切替時点(第2時点t2)から半周期の終点t4までの期間(第三の期間T3及び第四の期間T4)には、双方向スイッチ2がオフ状態(逆方向オン状態又は双方向オフ状態)となる。本実施形態では、第三の期間T3及び第四の期間T4を合計した期間が「オフ期間」に相当する。調光装置1は、このオフ期間を用いて交流電源8から電源部5への電力供給を確保できる。電源部5の動作について詳しくは、「(1.2.3)制御電源の生成動作」の欄で説明する。
なお、交流電源8から電源部5への電力供給の確保を優先してオフ期間を設定してもよく、その場合には、入力部4に入力された調光レベルに応じて負荷7へ電力を供給する第二の期間T2が調光レベルの設定に比べて短くなる場合がある。例えば、ユーザが操作部を負荷7の光出力を最大にするように操作しても、オフ期間(第三期間T3及び第四の期間T4)の設定が優先され、入力部からの調光信号の通りには第二の期間T2が設定されないことがある。
(1.2.3)制御電源の生成動作
制御部6の切替制御部61は、蓄電部50に充電電流を流す充電部として、消灯モードでは第1充電部51を選択し、点灯モードでは第2充電部52を選択する。
消灯モードでは切替制御部61は切替信号Sa1を「OFF」信号に切り替える。切替信号Sa1が「OFF」信号になれば、スイッチ素子Q5,Q4が共にオフになり、第2充電部52からはコンデンサC1に充電電流が流れず、第1充電部51を介してコンデンサC1に充電電流が流れる状態となる。すなわち、消灯モードでは、蓄電部50に充電電流を流す充電部として第1充電部51が選択される。なお、スイッチ素子Q4とコンデンサC1との間にはダイオードD11が接続されているので、第1充電部51からコンデンサC1に流れる電流が第2充電部52に流れ込むことはない。
消灯モードでは、双方向スイッチ2がオフ状態となり、交流電圧Vacをダイオードブリッジで全波整流した脈流電圧が電源部5に入力される。このとき、電源部5では第1充電部51を介してコンデンサC1に充電電流が流れるから、第2充電部52を介してコンデンサC1に電流が流れる場合に比べて充電電流が抑制され、回路部品に加わるストレスを低減できる。したがって、コンデンサC1に流れる充電電流を抑制しつつ、コンデンサC1に制御部6及びスイッチ駆動部9の動作に必要な電力が確保される。
次に、点灯モードにおける電源部5の動作について図3を参照して説明する。
点灯モードにおいて双方向スイッチ2がオン状態となるオン時間(第二の期間T2)では、入力端子11,12間に発生する電圧は非常に小さくなり、電源部5では蓄電部50を充電できない。すなわち、電源部5は双方向スイッチ2のオフ時間(第一の期間T1、第三の期間T3、第四の期間T4)でしか蓄電部50を充電できず、本実施形態の電源部5は第三の期間T3及び第四の期間T4において蓄電部50を充電する。
また、点灯モードにおいて、調光レベルが大きくなって調光レベルの上限値に近づくと、第二の期間T2が長くなって蓄電部50を充電可能な時間(第三の期間T3及び第四の期間T4の合計時間)が短くなる。また、第三の期間T3及び第四の期間T4において入力端子11,12に印加される交流電圧Vacの電圧値も小さくなる。そのため、電源部5は、交流電圧Vacが低電圧であっても、短時間で蓄電部50を充電する必要がある。
そこで、点灯モードにおいて、切替制御部61は、交流電圧Vacの半周期ごとに第2時点t2から半周期の終点t4まで切替信号Sa1を「ON」信号に切り替える。切替信号Sa1が「ON」信号になれば、スイッチ素子Q5がオンになって、スイッチ素子Q4がオンになり、第2充電部52を介してコンデンサC1に充電電流が流れる状態となる。また、制御部6は、オフ時間の始点である切替時点(第2時点t2)においては、停止部13へ出力する停止信号Ss1を「ON」信号にしており、電源部5を入力端子11,12に電気的に接続している。
よって、第2時点t2から半周期の終点t4までのオフ時間(第三の期間T3及び第四の期間T4)において、第2充電部52が交流電源8から電力供給を受けて蓄電部50に充電電流を流し、制御電源を生成する。そのため、第2時点t2からコンデンサC1の充電が開始され、コンデンサC1の電圧Vc1が徐々に大きくなる。なお、第2充電部52は、入力端子11,12から見たインピーダンスが第1充電部51に比べて低インピーダンスであるから、コンデンサC1に流れる充電電流が大きくなり、コンデンサC1がより短い時間で充電される。
また、制御部6は、オフ時間(蓄電部50を充電する期間)において、コンデンサC1の電圧Vc1と閾値Vth1とを比較し、電圧Vc1が閾値Vth1に達すると、停止信号Ss1を「ON」信号から「OFF」信号に切り替える。停止信号Ss1を「OFF」信号に切り替えた後、制御部6は、少なくとも次の第1時点(第1検出信号Zc1又は第2検出信号Zc2の発生時点)t1までは、停止信号Ss1を「OFF」信号に維持する。
停止信号Ss1が「OFF」信号である間、停止部13は、入力端子11,12から電源部5を電気的に切り離すことで、蓄電部50での制御電源の生成を停止させる。そのため、オフ時間であっても、常に第2充電部52からコンデンサC1に充電電流が流れるのではなく、コンデンサC1が充電されてコンデンサC1の電圧Vc1が閾値Vth1に達した以降は、コンデンサC1の充電が停止される。コンデンサC1の充電が停止すると、コンデンサC1に蓄積された電荷が制御部6で消費されることにより、コンデンサC1の電圧Vc1は徐々に小さくなる。
本実施形態では、制御部6は、第1時点(第1検出信号Zc1又は第2検出信号Zc2の発生時点)t1において、停止信号Ss1が「OFF」信号であれば、停止信号Ss1を「ON」信号に切り替える。第1時点t1において停止信号Ss1が「ON」信号であれば、制御部6は、停止信号Ss1を「ON」信号に維持する。これにより、停止部13は、オフ期間において電源部5での制御電源の生成を停止させた場合、位相検出部3にて交流電圧Vacの位相(ゼロクロス点)が検出された直後に、電源部5での制御電源の生成を再開させることになる。ただし、第1時点t1から第2時点(切替時点)t2までの第二の期間T2においては、双方向スイッチ2がオン状態(双方向オン状態)にあって、そもそも交流電源8から電源部5への電力供給を確保できないため、電源部5での制御電源の生成は行われない。なお、交流電圧Vacの半周期の始点t0から第1時点t0までの期間は双方向スイッチ2がオフ状態であるから、この期間に第2充電部52が蓄電部50に充電電流を流す充電動作を行ってもよい。
(1.4)利点
本実施形態の調光装置1では、切替制御部61が点灯モードにおいて蓄電部50に充電電流を流す充電部を第2充電部52に切り替えている。したがって、調光レベルが大きくなり、蓄電部50に電流が流れる充電期間が短くなった場合でも、第2充電部52から蓄電部50に流れる充電電流を大きくすることで、蓄電部50を短時間で充電することが可能になる。負荷の種類によっては、交流電圧Vacの半周期におけるオン時間の割合が高くなり、それに伴い、蓄電部50に電流が流れる充電期間が短くなる可能性があるが、本実施形態の調光装置1によれば、第2充電部52によって蓄電部50を急速に充電できる。したがって、蓄電部50に、制御部6などを動作させるのに必要な電力を蓄積できるようになり、より多くの種類の負荷に対応可能になる、という利点がある。
また、本実施形態のように、第2充電部52は、切替制御部61から入力される切替信号Sa1に応じて、一対の入力端子11,12から蓄電部50に流れる電流の遮断・通過を切り替えるスイッチ素子Q4を有してもよい。スイッチ素子Q4がオン状態になることで、入力端子11,12から見たインピーダンスが第1充電部51に比べて小さくでき、第1充電部51に比べて大きな電流を蓄電部50に流すことができるから、蓄電部50を短時間で充電できる。
また、本実施形態のように、調光装置1は、交流電圧Vacの位相を検出する位相検出部3を、更に備えてもよい。制御部6は、点灯モードにおいて位相検出部3からの検出信号に基づき交流電圧Vacの半周期の始点から、オン時間を含めた可変時間が経過するまで、双方向スイッチ2をオン状態に制御すればよい。
調光装置の制御方式には、逆位相制御方式(トレーリングエッジ方式)の他、交流電圧Vacの半周期の途中からゼロクロス点までの期間に一対の入力端子11,12間が導通する、正位相制御方式(リーディングエッジ方式)がある。逆位相制御方式は、光源としてのLED素子を備えた負荷7に、ゼロクロス点から電力供給を開始するため、電力供給開始時の電流波形歪みを小さく抑えることができる。これにより、調光装置に接続可能な負荷7の数(灯数)が増えたり、うなり音の発生を抑制できたりする利点がある。
なお、本実施形態の調光装置1は、基本的に逆位相制御方式を採用しつつも、半周期の始点(ゼロクロス点)t0からやや遅れた第1時点(第1検出信号Zc1又は第2検出信号Zc2の発生時点)t1にて負荷7に電力供給を開始している。そのため、ゼロクロス点にて負荷7への電力供給を開始する逆位相制御方式よりも電流波形歪みは大きくなる可能性がある。ただし、第1時点t1での交流電圧Vacの絶対値はそれほど大きくはないため、電流波形歪みの影響は無視できるほど小さい。
また、本実施形態のように、調光装置1は、蓄電部50の電圧Vc1を検出する電圧検出部62と、一対の入力端子11,12から第2充電部52に流れる電流の遮断・通過を切り替える停止部13と、を更に備えてもよい。制御部5は、点灯モードにおいて、第2充電部52が蓄電部50に電流を流している状態で、電圧検出部62が検出した電圧Vc1が所定の閾値Vth1に達すると、一対の入力端子11,12から第2充電部52に流れる電流を遮断する状態に停止部13を切り替えてもよい。
蓄電部50の電圧Vc1が閾値Vth1に達すると、第2充電部52による充電動作が停止されるから、停止部13がない場合に比べて入力端子11,12間に印加される電圧と交流電圧Vacとの間にずれが生じにくくなる。したがって、位相検出部3で交流電圧Vacの位相をより正確に検出でき、位相制御の制御性が向上する、という利点がある。
(1.5)変形例
(1.5.1)変形例1
上記実施形態の変形例1に係る調光装置1Aは、図4に示すように、双方向スイッチ2に相当する部分が、上記実施形態の調光装置1と相違する。以下、上記実施形態と同様の構成については共通の符号を付して適宜説明を省略する。
本変形例では、双方向スイッチ2Aが、ダブルゲート構造のスイッチ素子Q6を含む。スイッチ素子Q6は、例えばGaN(窒化ガリウム)などのワイドバンドギャップの半導体材料を用いたダブルゲート(デュアルゲート)構造の半導体素子である。さらに、双方向スイッチ2Aは、入力端子11,12間において、いわゆる逆直列に接続された一対のダイオードD3,D4を含んでいる。ダイオードD3のカソードは入力端子11に接続され、ダイオードD4のカソードは入力端子12に接続されている。両ダイオードD3,D4のアノードは、電源部5のグランドに電気的に接続されている。なお、本変形例では、一対のダイオードD3,D4が、一対のダイオードD1,D2と共にダイオードブリッジを構成する。
本変形例の構成によれば、双方向スイッチ2Aは、双方向スイッチ2に比較して導通損失のさらなる低減を図ることができる。
(1.5.2)その他の変形例
以下、上述した変形例1以外の実施形態の変形例を列挙する。
上述した実施形態及び変形例1の調光装置は、光源としてLED素子を用いた負荷7に限らず、有機EL(Electroluminescence)素子や放電灯など、様々な光源の負荷7に適用可能である。
制御部6による双方向スイッチ2の制御方式は、上述した例に限らず、例えば、交流電圧Vacと同じ周期で第1制御信号Sb1と第2制御信号Sb2とを交互に「ON」信号とする方式であってもよい。この場合、2個のスイッチ素子Q1,Q2のうち、交流電圧Vacの高電位側となるスイッチ素子がオンしている期間に、双方向スイッチ2が導通することになる。つまり、この変形例では、交流電圧Vacのゼロクロス点から半周期の途中までの期間に一対の入力端子11,12間が導通する、いわゆる逆位相制御が実現される。この場合、第1制御信号Sb1及び第2制御信号Sb2と交流電圧Vacとの位相差を調節することで、双方向スイッチ2の導通時間を調節することができる。
また、双方向スイッチ2の制御方式は、逆位相制御方式(トレーリングエッジ方式)に限らず、交流電圧Vacの半周期の途中からゼロクロス点までの期間に一対の入力端子11,12間が導通する、正位相制御方式(リーディングエッジ方式)でもよい。
また、スイッチ駆動部9は、調光装置1に必須の構成ではなく、適宜省略されていてもよい。スイッチ駆動部9が省略される場合、制御部6が直接的に双方向スイッチ2を駆動する。
また、双方向スイッチ2を構成する2個のスイッチ素子Q1,Q2の各々は、エンハンスメント形のnチャネルMOSFETに限らず、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などであってもよい。さらに、双方向スイッチ2において、一方向オン状態を実現するための整流素子(ダイオード)は、スイッチ素子Q1,Q2の寄生ダイオードに限らず、変形例1のように外付けのダイオードであってもよい。ダイオードは、スイッチ素子Q1,Q2の各々と同一パッケージに内蔵されていてもよい。また、上述した実施形態及び変形例1でのダイオードD1,D2は調光装置1に必須の構成ではなく、ダイオードD1,D2は適宜省略されていてもよい。
また、第一の期間T1は一定長さの時間であればよく、その長さは適宜設定可能である。例えば、半周期の始点(ゼロクロス点)t0から検出点までの期間と、検出点から一定の遅延時間が経過するまでの期間の合計が第一の期間T1である場合、遅延時間は300〔μs〕に限らず、0〔μs〕〜500〔μs〕の範囲で適宜設定される。
また、第3時点t3は半周期の終点(ゼロクロス点)t4の手前にあればよく、第3時点t3から半周期の終点t4までの長さは適宜設定可能である。例えば、検出点から第3時点t3までの時間長さが、半周期よりも一定の規定時間だけ短い場合、規定時間は300〔μs〕に限らず、100〔μs〕〜500〔μs〕の範囲で適宜設定される。
また、停止部13は、点灯モードにおいて電圧検出部62で検出される電圧Vc1が閾値Vth1に達すると、蓄電部50での制御電源の生成を停止させる構成であればよく、制御部6からの停止信号Ss1にて停止部13が制御されることは必須の構成ではない。例えば、電圧検出部62の検出値を閾値Vth1と比較する機能が停止部13に付加され、この比較結果により、停止部13が蓄電部50での制御電源の生成を停止させてもよい。また、電圧検出部62は制御部6に設けられていてもよい。この場合、例えば制御部6のA/D変換入力端子にコンデンサC1が接続されていれば、コンデンサC1の電圧Vc1がアナログ値として制御部6に入力される。
また、停止部13は、一対の入力端子11,12の少なくとも一方と電源部5との間を電気的に遮断する構成に限定されない。例えば、停止部13は、電源部5の出力(制御電源の出力)を停止することで電源部5の入力インピーダンスを高くし、電源部5での制御電源の生成を停止させる構成であってもよい。
(その他の実施形態)
上述の実施形態(変形例を含む)では、上述した第2時点t2から第3時点t3までの第三の期間T3において、交流電源8から電源部5への電力供給を確保しているが、これに限られない。
上述した第2時点t2から交流電圧Vacの半周期の終点t4(ゼロクロス点)までの期間(第三の期間T3、第四の期間T4)に亘って、交流電源8から電源部5への電力供給を確保してもよい。また、交流電圧Vacの半周期の始点(ゼロクロス点)t0の後(第1の期間T1)のみ、一定時間の間、交流電源8から電源部5への電力供給を確保してもよい。交流電圧Vacの半周期の始点(ゼロクロス点)t0の前後(第三の期間T3、第四の期間T4、第一の期間T1)に亘って、交流電源8から電源部5への電力供給を確保してもよい。
双方向スイッチ2のオフ期間において、交流電源8から電源部5への電力供給を行うことで、制御部6を安定動作させることができる。
1,1A 調光装置
2,2A 双方向スイッチ
3 位相検出部
4 入力部
6 制御部
7 照明負荷
8 交流電源
11,12 入力端子
13 停止部
50 蓄電部
51 第1充電部
52 第2充電部
61 切替制御部
Q4 スイッチ素子
Sa1 切替信号
Vc1 蓄電部の電圧
Vth1 閾値

Claims (5)

  1. 照明負荷と交流電源との間に電気的に接続される一対の入力端子と、
    前記一対の入力端子間において、双方向の電流の遮断・通過を切り替えるように構成されている双方向スイッチと、
    前記照明負荷の光出力の大きさを指定する調光レベルを表す信号が入力される入力部と、
    電荷を蓄えることで制御電源を生成する蓄電部と、
    前記蓄電部から制御電源の供給を受けて動作し、前記照明負荷を点灯させる点灯モードでは、前記交流電源の交流電圧の半周期ごとに、前記調光レベルに応じた長さのオン時間に、前記双方向スイッチをオン状態に制御する制御部と、
    前記一対の入力端子から前記蓄電部に電流を流す第1充電部と、
    前記一対の入力端子から見たインピーダンスが前記第1充電部よりも低インピーダンスとなるように構成され、前記一対の入力端子から前記蓄電部に電流を流す第2充電部と、
    前記一対の入力端子から前記蓄電部に電流を流す充電部として、前記照明負荷が消灯する消灯モードでは前記第1充電部を選択し、前記点灯モードでは前記第2充電部を選択するように、前記第1充電部と前記第2充電部とを切り替える切替制御部と、
    を備える調光装置。
  2. 照明負荷と交流電源との間に電気的に接続される一対の入力端子と、
    前記一対の入力端子間において、双方向の電流の遮断・通過を切り替えるように構成されている双方向スイッチと、
    前記照明負荷の光出力の大きさを指定する調光レベルを表す信号が入力される入力部と、
    電荷を蓄えることで制御電源を生成する蓄電部と、
    前記蓄電部から制御電源の供給を受けて動作し、前記照明負荷を点灯させる点灯モードでは、前記交流電源の交流電圧の半周期ごとに、前記調光レベルに応じた長さのオン時間に、前記双方向スイッチをオン状態に制御する制御部と、
    前記一対の入力端子から前記蓄電部に電流を流す充電部とを備え、
    前記充電部は、前記蓄電部にそれぞれ充電電流を流す第1充電部と第2充電部とを有し、
    前記第2充電部のインピーダンスが前記第1充電部のインピーダンスよりも小さく、
    前記点灯モードにおいて前記蓄電部に電流を流す場合の前記充電部のインピーダンスが、前記照明負荷が消灯する消灯モードにおいて前記蓄電部に電流を流す場合の前記充電部のインピーダンスよりも小さい、
    調光装置。
  3. 前記第2充電部は、前記切替制御部から入力される切替信号に応じて、前記一対の入力端子から前記蓄電部に流れる電流の遮断・通過を切り替えるスイッチ素子を有する
    請求項1又は2に記載の調光装置。
  4. 前記交流電圧の位相を検出する位相検出部を、更に備え、
    前記制御部は、前記点灯モードにおいて前記位相検出部からの検出信号に基づき前記交流電圧の半周期の始点から、前記オン時間を含めた可変時間が経過するまで、前記双方向スイッチをオン状態に制御するように構成されている
    請求項1〜3のいずれか1項に記載の調光装置。
  5. 前記蓄電部の電圧を検出する電圧検出部と、
    前記点灯モードにおいて、前記第2充電部が前記蓄電部に電流を流している状態で、前記電圧検出部で検出される電圧が所定の閾値に達すると、前記蓄電部での前記制御電源の生成を停止させる停止部とを、更に備える
    請求項1〜4のいずれか1項に記載の調光装置。
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