(実施形態1)
(1)概要
以下、実施形態1に係る照明制御システムについて図面を参照して説明する。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。
実施形態1に係る照明制御システム10は、図1に示すように、調光装置1と、スイッチ装置100と、を備えている。スイッチ装置100は、照明負荷8と交流電源9との間において、調光装置1と電気的に直列に接続され、オン/オフを切替可能な装置である。調光装置1及びスイッチ装置100は、例えば、互いに隣接した状態で住宅の壁等に取り付けられる。照明負荷8は、例えば、LED(Light Emitting Diode)を有する光源と、光源を点灯させる点灯回路とを備える照明装置である。この照明負荷8では、交流電源9からの電力供給時に光源が点灯する。交流電源9は、例えば、単相100〔V〕、60〔Hz〕の商用電源である。
スイッチ装置100は、スイッチハンドルの操作に応じてオン/オフが切り替わる接点部101と、接点部101に対して電気的に並列に接続された表示灯102と、を有する。表示灯102は、スイッチ装置100がオフのとき、つまり接点部101がオフのときに点灯する。要するに、接点部101がオフであれば、交流電源9から照明負荷8への電力供給は行われずに照明負荷8が消灯し、スイッチ装置100の表示灯102が点灯する。そのため、表示灯102は、例えば、照明負荷8が消灯した状態でのスイッチ装置100の位置の確認に用いられる。
調光装置1は、2線式の調光装置であって、交流電源9に対して照明負荷8と電気的に直列に接続された状態で使用される。調光装置1は、照明負荷8と交流電源9との間に電気的に接続される一対の入力端子11,12と、一対の入力端子11,12間に電気的に接続された開閉素子2とを備えている。開閉素子2は、例えば、双方向サイリスタ及びトランジスタ等の半導体スイッチからなる。調光装置1は、開閉素子2をオン/オフさせることにより、一対の入力端子11,12間の導通/非導通を切り替える。ここで、調光装置1は、交流電源9の交流電圧の半周期毎に開閉素子2をオンする時間(オン時間)の長さを、調光レベルに応じて変化させる。そのため、交流電圧の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決定されることになる。すなわち、照明負荷8の光出力を小さくする場合にはオン時間は短く、照明負荷8の光出力を大きくする場合にはオン時間は長くなる。
上述した構成の照明制御システム10の基本的な動作として、スイッチ装置100がオフの状態では照明負荷8は消灯し、スイッチ装置100がオンの状態では照明負荷8は点灯する。そして、スイッチ装置100がオンの状態においては、調光装置1にて、調光レベルに従ってオン時間の長さが決定され、これにより照明負荷8の光出力が変化する。つまり、調光レベルに応じて、照明負荷8の光出力の大きさを変化させることが可能である。
(2)詳細
(2.1)調光装置の構成
以下、実施形態1に係る調光装置1の構成について、図1を参照して説明する。
本実施形態に係る調光装置1は、図1に示すように、一対の入力端子11,12と、開閉素子2と、検出部3と、入力部4と、開閉制御部51と、モード切替部52と、を備えている。さらに、調光装置1は、周波数特定部53と、電源部6と、駆動部7と、ダイオードD1,D2と、を備えている。開閉制御部51、モード切替部52、及び周波数特定部53は、制御回路5に設けられている。
一対の入力端子11,12は、照明負荷8と交流電源9との間に電気的に接続される。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。
開閉素子2は、一対の入力端子11,12間に電気的に接続され、オン/オフを切替可能である。ここでは、開閉素子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。開閉素子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2つのMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)からなる。2つのMOSFETの各々は、例えば、エンハンスメント形のnチャネルMOSFETである。2つのMOSFETは、ソース端子同士が互いに接続される、つまり、いわゆる逆直列に接続されることにより、双方向の電流の遮断/通過を切り替える。
検出部3は、一対の入力端子11,12間に印加される電圧値を検出し、上記電圧値が閾値以上か否かによって第1値と第2値との二値が切り替わる検出信号ZC1,ZC2を出力する。本実施形態では、一例として、第1値がLレベル(Low level)、第2値がHレベル(High level)である。以下では、一対の入力端子11,12間に印加される電圧を「入力電圧Vin」という。入力電圧Vinは交流電源9から印加される交流電圧であるので、一対の入力端子11,12に対する入力電圧Vinの極性は変化する。以下の説明において、入力端子11が正極となるときの入力電圧Vinの極性を「正極性」といい、入力端子12が正極となるときの入力電圧Vinの極性を「負極性」という。
本実施形態では、検出部3は、入力電圧Vinの大きさ(絶対値)と閾値とを比較し、比較結果を表す検出信号ZC1,ZC2を制御回路5に出力する。具体的には、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、入力電圧Vinの正極性の半周期において、入力電圧Vinの電圧値が閾値以上か否かを検出し、検出信号ZC1を出力する。第2検出部32は、入力電圧Vinの負極性の半周期において、入力電圧Vinの電圧値が閾値以上か否かを検出し、検出信号ZC2を出力する。第1検出部31及び第2検出部32の詳細については、「(2.2)検出部の構成」の欄で説明する。
さらに、閾値は0〔V〕付近に設定された値(絶対値)であり、例えば、数〔V〕程度である。そのため、検出部3は、交流電源9の交流電圧のゼロクロス点(0〔V〕)を検出するゼロクロス検出部としても機能する。つまり、第1検出部31は、交流電源9の交流電圧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。また、第2検出部32は、交流電源9の交流電圧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。ただし、検出部3でのゼロクロスの検出点は、厳密には交流電圧のゼロクロス点から少し時間が遅れる。検出信号ZC1,ZC2の信号レベルは、入力電圧Vinの絶対値が閾値以上のときにLレベル(第1値)、入力電圧Vinの絶対値が閾値未満のときにHレベル(第2値)となる。
入力部4は、照明負荷8の光出力の大きさを指定する調光レベルが入力される。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、制御回路5に調光信号として出力する。本実施形態では一例として、調光レベルは5〔%〕〜97〔%〕の範囲で指定されると仮定する。調光レベルが大きい程、照明負荷8の光出力が大きくなる。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、照明負荷8の光出力の大きさを指定する数値等であって、照明負荷8を消灯状態とする「OFFレベル」を含む場合もある。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、ロータリスイッチ、タッチパネル、リモートコントローラ、又はスマートフォン等の通信端末などである。
制御回路5は、例えば、マイクロコンピュータを主構成として備えている。マイクロコンピュータは、マイクロコンピュータ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、開閉制御部51、モード切替部52、及び周波数特定部53としての機能を実現する。プログラムは、予めマイクロコンピュータ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、マイクロコンピュータを、開閉制御部51、モード切替部52、及び周波数特定部53として機能させるためのプログラムである。
開閉制御部51は、調光レベルに応じて開閉素子2を制御する。さらに、開閉制御部51は、検出部3からの検出信号ZC1,ZC2に基づいて開閉素子2を制御する。開閉制御部51は、開閉素子2をオン又はオフするための制御信号S1を生成し、制御信号S1を駆動部7に出力する。これにより、開閉制御部51は、開閉素子2のオン/オフを切り替えるように、開閉素子2を制御する。
より詳細には、開閉制御部51は、入力部4から調光信号を受けると、調光信号から調光レベルに相当する情報を抽出する。ここでは、調光信号は、照明負荷8の光出力の大きさを指定する数値等を含んでいるため、この数値等の情報が調光レベルに相当する。制御回路5のメモリには、調光レベルとオン時間との対応関係を表すテーブルが記憶されている。開閉制御部51は、このテーブルを用いて、調光信号から抽出した調光レベルに対応するオン時間を求める。開閉制御部51は、交流電源9の交流電圧の半周期ごとに、オン時間分だけ開閉素子2がオンするように、開閉素子2を制御する。
本実施形態に係る調光装置1は、交流電源9の交流電圧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、逆位相制御方式(トレーリングエッジ方式)で動作する。そのため、開閉制御部51は、検出部3からの検出信号ZC1,ZC2に基づいて、交流電源9の交流電圧のゼロクロスの検出点から、オン時間にわたって開閉素子2をオンする。
ただし、オン時間は、規定範囲内で設定されるため、入力部4に入力された調光レベルに応じてオン時間が設定されない場合もある。例えば、照明負荷8の光出力を最大にするようにユーザが操作部を操作しても、オン時間は規定範囲内に制限され、入力部4からの調光信号の通りにはオン時間が設定されないことがある。このときのオン時間は、規定範囲の上限値となる。
ここで、開閉制御部51の動作モードには、少なくとも通常モードと、停止モードとの2つの動作モードがある。動作モードが通常モードであれば、開閉制御部51は、上述したように調光レベルに応じて開閉素子2を制御する。一方、動作モードが停止モードであれば、開閉制御部51は、開閉素子2をオフに維持するように構成されている。つまり、停止モードにおいては、開閉制御部51は、制御信号S1の出力を停止し、開閉素子2をオフに維持した状態で開閉素子2の制御を停止する。
モード切替部52は、検出信号ZC1,ZC2の1周期において検出信号ZC1,ZC2の信号レベルがLレベル(第1値)にある特定期間の長さに基づいて、開閉制御部51の動作モードを切り替える。つまり、Lレベル及びHレベルの二値が周期的に切り替わる検出信号ZC1,ZC2においては、1周期を、信号レベルがLレベルの期間と、信号レベルがHレベルの期間とに二分することができる。このうち、信号レベルがLレベルの期間が特定期間となる。
ここで、開閉制御部51の動作モードの切り替えが、結果的に、特定期間の長さに基づいてなされていればよく、モード切替部52が、特定期間の長さを求めることは必須ではない。例えば、検出信号ZC1,ZC2の1周期において検出信号ZC1,ZC2の信号レベルがHレベル(第2値)にある期間の長さに基づいて、又は、検出信号ZC1,ZC2のデューティ比に基づいて、開閉制御部51の動作モードが切り替えられてもよい。ここでいう「デューティ比」は、検出信号ZC1,ZC2のLレベル(又はHレベル)の期間が検出信号ZC1,ZC2の1周期に占める割合である。すなわち、特定期間の長さに基づいて開閉制御部51の動作モードを切り替える構成には、信号レベルがHレベル(第2値)にある期間の長さ、又は検出信号ZC1,ZC2のデューティ比に基づいて、開閉制御部51の動作モードを切り替える構成も含まれる。
本実施形態では、検出信号ZC1,ZC2の信号レベルであるLレベル及びHレベルのうちのLレベル(第1値)は、入力電圧Vinの電圧値が閾値以上であるときの検出信号ZC1,ZC2の信号レベルである。そして、モード切替部52は、特定期間の長さが規定値以下であると判断すると、開閉制御部51の動作モードを停止モードに切り替えるように構成されている。つまり、検出信号ZC1,ZC2の1周期に占めるLレベルの期間の長さが規定値以下になると、モード切替部52は開閉制御部51の動作モードを停止モードに切り替える。反対に、特定期間の長さが規定値を超えたと判断すると、モード切替部52は、開閉制御部51の動作モードを通常モードに切り替える。
周波数特定部53は、検出信号ZC1,ZC2の周波数から、交流電源9の交流電圧の周波数を求めるように構成されている。すなわち、検出部3は、上述したようにゼロクロス検出部としても機能するので、周波数特定部53は、検出部3にて交流電源9の交流電圧のゼロクロス点が検出される周期から、交流電源9の交流電圧の周波数を求めることができる。例えば、第1検出部31から出力される検出信号ZC1においては、HレベルからLレベルに切り替わる点が、交流電源9の交流電圧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の検出点になる。そこで、周波数特定部53は、検出信号ZC1の周波数を、交流電源9の交流電圧の周波数とみなすことで、交流電源9の交流電圧の周波数を求めることができる。
電源部6は、制御電源を生成する制御電源部61と、駆動電源を生成する駆動電源部62と、を有している。さらに、電源部6は、コンデンサC1を有している。制御電源は、制御回路5の動作用の電源である。駆動電源は、駆動部7の駆動用の電源である。制御電源部61は、駆動電源部62から供給された駆動電源を降圧して制御電源を生成し、コンデンサC1に出力する。電源部6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。これにより、開閉素子2がオフのときに、電源部6には、ダイオードD1,D2にて整流された入力電圧Vinが印加されることになる。
駆動部7は、制御回路5(開閉制御部51)から制御信号S1を受けて、開閉素子2に駆動電圧を印加し開閉素子2を駆動(オン/オフ)する。
また、本実施形態の調光装置1においては、制御回路5に、マスク部としての機能が備わっている。マスク部は、検出部3からの検出信号ZC1,ZC2を、マスク期間にわたって無効にする。詳しくは、「(2.4.2)調光動作」の欄で説明するが、マスク部にて検出信号ZC1,ZC2が無効化されると、制御回路5から見た検出信号ZC1,ZC2は信号レベルがLレベルに固定される。
(2.2)検出部の構成
図2は、第1検出部31の具体的な回路構成例を示す。第2検出部32は、第1検出部31と同様の構成であるので、ここでは説明を省略する。
図2の例では、第1検出部31は、抵抗R1,R2,R3と、コンデンサC2と、トランジスタQ1と、を有している。抵抗R1,R2は、ダイオードD31のカソード端子と、電源部6のグランドとの間において電気的に直列に接続されている。コンデンサC2は、抵抗R1,R2のうち低電位側となる抵抗R2に対して電気的に並列に接続されている。トランジスタQ1は、npn型のバイポーラトランジスタからなる。トランジスタQ1のベース端子及びエミッタ端子間には、コンデンサC2が電気的に接続されている。抵抗R3はトランジスタQ1と電気的に直列に接続され、抵抗R3及びトランジスタQ1の直列回路には制御電源が印加される。
この構成により、第1検出部31は、抵抗R3とトランジスタQ1のコレクタ端子との接続点から、検出信号ZC1を出力する。つまり、入力電圧Vinの電圧値が閾値未満であれば、トランジスタQ1がオフすることによって、検出信号ZC1の信号レベルはHレベルになる。一方、入力電圧Vinの電圧値が閾値以上になると、コンデンサC2が充電されトランジスタQ1がオンすることで、検出信号ZC1の信号レベルはLレベルになる。
(2.3)スイッチ装置の構成
図1の例では、スイッチ装置100は、2本の配線を接続可能な、いわゆる片切スイッチである。スイッチ装置100は、交流電源9に対して、照明負荷8及び調光装置1と電気的に直列に接続されている。
スイッチ装置100は、上述したように接点部101と、接点部101に対して電気的に並列に接続された表示灯102と、を有している。表示灯102は、接点部101がオンのときには消灯し、接点部101がオフのときに点灯する。表示灯102は、例えばLEDを用いて構成される。
このようなスイッチ装置100であれば、接点部101がオフの状態であっても、表示灯102を通して電流が流れることになる。ただし、表示灯102を流れる電流は、接点部101がオンのときにスイッチ装置100に流れる電流に比べれば極端に小さな電流である。そのため、スイッチ装置100がオフ、つまり接点部101がオフであれば、交流電源9から照明負荷8への電力供給は行われずに照明負荷8は消灯する。
(2.4)動作
(2.4.1)起動動作
まず、調光装置1の通電開始時、つまりスイッチ装置100がオンした直後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、スイッチ装置100(接点部101)がオンし、入力端子11,12間に照明負荷8を介して交流電源9が接続されると、交流電源9から入力端子11,12間に交流電圧が印加され、制御回路5が起動する。
制御回路5が起動すると、周波数特定部53は、検出部3の検出信号ZC1,ZC2を基に交流電源9の周波数の特定を行う。そして、制御回路5は、特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。それから、調光装置1は調光動作を開始する。ここにおいて、開閉制御部51の動作モードとしては、デフォルトで通常モードが選択される。
(2.4.2)調光動作
次に、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、上から順に、入力電圧「Vin」、検出信号「ZC1,ZC2」、制御信号「S1」を示している。
図3では、第1検出部31から出力される検出信号ZC1と第2検出部32から出力される検出信号ZC2とを、まとめて1つの検出信号として表している。そのため、図3の例では、入力電圧Vinの極性に関わらず、検出信号ZC1,ZC2の信号レベルは、入力電圧Vinの絶対値が閾値Vzc以上のときにLレベル、入力電圧Vinの絶対値が閾値Vzc未満のときにHレベルである。また、開閉素子2がオンの期間においては、一対の入力端子11,12間が短絡するので、実際には入力電圧Vinは0〔V〕になる。ただし、図3では、入力電圧Vinに関しては開閉素子2のオン/オフによる変動がないこと(つまり、開閉素子2が常にオフであること)と仮定して、入力電圧Vinを表している。つまり、図3に示す入力電圧Vinは、実際に一対の入力端子11,12間に印加されている入力電圧Vinとは異なる。また、図3の例においては、開閉素子2をオンするときの制御信号S1の信号レベルを「ON」で表し、開閉素子2をオフするときの制御信号S1の信号レベルを「OFF」で表している。
まず、入力電圧Vin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入力電圧Vinのゼロクロス点を検出部3で検出する。入力電圧Vin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、入力電圧Vinが正極性の閾値「Vzc」に達したことをもって、検出信号ZC1,ZC2の信号レベルがHレベルからLレベルに切り替わる。検出信号ZC1,ZC2の信号レベルがHレベルからLレベルに切り替わる点が、検出部3でのゼロクロスの検出点である。検出信号ZC1,ZC2の信号レベルがHレベルからLレベルに切り替わると、開閉制御部51は、制御信号S1の信号レベルを「ON」にする。そして、開閉制御部51は、制御信号S1の信号レベルを「ON」にしてからオン時間が経過すると、制御信号S1の信号レベルを「OFF」にする。これにより、検出部3でのゼロクロスの検出点からオン時間にわたって、開閉素子2がオンになる。このとき、交流電源9から開閉素子2を介して照明負荷8へ電力が供給され、照明負荷8が点灯する。
また、入力電圧Vinの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。つまり、負極性の半周期において、入力電圧Vinが負極性の閾値「−Vzc」に達したことをもって、検出部3がゼロクロスを検出し、検出信号ZC1,ZC2の信号レベルがHレベルからLレベルに切り替わる。検出信号ZC1,ZC2の信号レベルがHレベルからLレベルに切り替わると、開閉制御部51は、検出部3でのゼロクロスの検出点からオン時間にわたって制御信号S1の信号レベルを「ON」にする。これにより、交流電源9から開閉素子2を介して照明負荷8へ電力が供給され、照明負荷8が点灯する。
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入力電圧Vinの半周期ごとに交互に繰り返すことで、照明負荷8の調光を行う。ここで、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決定されることになる。照明負荷8の光出力を小さくする場合にはオン時間は短く、照明負荷8の光出力を大きくする場合にはオン時間は長くなる。
ところで、本実施形態の調光装置1は、マスク部を備え、検出信号ZC1,ZC2を、マスク期間にわたって無効にするマスク処理を行っている。マスク期間は、検出信号ZC1,ZC2の信号レベルがHレベルからLレベルに切り替わった時点、つまり検出部3でのゼロクロスの検出点から、少なくともオン時間にかけて設定される。マスク期間の長さは、入力電圧Vinの半周期を基準にして設定され、例えば、半周期よりもやや短い時間に設定される。したがって、開閉素子2のオン/オフによっては検出信号ZC1,ZC2の信号レベルは切り替わらず、少なくとも開閉素子2がオンの期間には、検出信号ZC1,ZC2の信号レベルはLレベルに固定される。
図3において、「T1」は、検出信号ZC1,ZC2の1周期において検出信号ZC1,ZC2の信号レベルがLレベル(第1値)にある特定期間を示している。つまり、特定期間T1は、入力電圧Vinの絶対値が閾値Vzcに達してから、次に入力電圧Vinの絶対値が閾値Vzcを下回るまでの期間である。特定期間T1の長さは、規定値を超えている。
また、照明負荷8の種類によっては、照明負荷8の起動時(通電開始時)において、照明負荷8内のインピーダンスの状態が不安定になることがある。このような照明負荷8であれば、照明負荷8の起動時には、特定期間の長さが不安定になる可能性がある。そこで、モード切替部52は、例えば、照明負荷8の起動時における複数回(一例として10回)分の特定期間については、特定期間の長さを規定値と比較しなくてもよい。
なお、照明負荷8の点灯回路は、調光装置1で位相制御された交流電圧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の開閉素子2がオフとなる期間においても、照明負荷8に電流を流すことが可能である。
(2.4.3)消灯動作
次に、調光装置1の通電終了時、つまりスイッチ装置100がオフした直後の消灯動作について図4を参照して説明する。図4は、図3と同様に、上から順に、入力電圧「Vin」、検出信号「ZC1,ZC2」、制御信号「S1」を示している。
図4においても、図3と同様に、検出信号ZC1,ZC2をまとめて1つの検出信号として表し、入力電圧Vinに関しては開閉素子2のオン/オフによる変動がないことと仮定して、入力電圧Vinを表している。さらに、開閉素子2をオンするときの制御信号S1の信号レベルを「ON」で表し、開閉素子2をオフするときの制御信号S1の信号レベルを「OFF」で表している。
スイッチ装置100(接点部101)がオフすると、交流電源9から照明負荷8への電力供給が停止するため、照明負荷8は消灯する。このとき、交流電源9からの電流は、僅かながら、表示灯102を通して、調光装置1及び照明負荷8に流れることになる。そのため、調光装置1は、スイッチ装置100がオフした後であっても、制御電源及び駆動電源を確保でき、制御回路5は動作を継続する。
ところで、スイッチ装置100がオフした状態では、交流電源9の交流電圧は、スイッチ装置100(表示灯102)、調光装置1、及び照明負荷8の三者にて分圧される。この状態では、スイッチ装置100(接点部101)がオンの状態に比べて、スイッチ装置100のインピーダンスが大きくなるので、調光装置1に印加される電圧が小さくなる。つまり、調光装置1における一対の入力端子11,12間に印加される入力電圧Vinの振幅は、図4に実線で示すように小さくなる。図4においては、スイッチ装置100がオンのときの入力電圧Vin、つまり図3と同じ入力電圧Vinを破線で示している。
入力電圧Vinの振幅が小さくなると、入力電圧Vinの電圧値の変化が緩やかになるため、入力電圧Vinが閾値Vzcに達するタイミングが遅れる。そのため、図4に示すように、検出部3でのゼロクロスの検出点が遅れ、検出信号ZC1,ZC2の信号レベルがHレベルからLレベルに切り替わるタイミングが遅れる。さらに、入力電圧Vinが閾値Vzcを下回るタイミングは早まるので、図4に示すように、検出信号ZC1,ZC2の信号レベルがLレベルからHレベルに切り替わるタイミングが早まる。そのため、検出信号ZC1,ZC2の1周期において検出信号ZC1,ZC2の信号レベルがLレベル(第1値)にある特定期間T2は、図3における特定期間T1に比べて短くなる(T2<T1)。
このとき、特定期間T2の長さが規定値以下であれば、モード切替部52は、開閉制御部51の動作モードを停止モードに切り替える。ただし、本実施形態では、モード切替部52は、特定期間T2の長さが規定値以下であることを一度検知しただけでは動作モードの切り替えを行わず、特定期間T2の長さが規定値以下であることを複数回連続して検知した場合に、動作モードの切り替えを行う。すなわち、例えば、特定期間T2の長さが複数回連続して規定値以下になって初めて、モード切替部52は、特定期間T2の長さが規定値以下であると判断し、開閉制御部51の動作モードが停止モードに切り替わる。図4の例では、特定期間T2の長さが規定値以下であることを複数回(ここでは3回)連続して検知した時点t1にて、モード切替部52は、開閉制御部51の動作モードを停止モードに切り替える。
そのため、時点t1以前は、開閉制御部51の動作モードは通常モードであって、調光動作と同様に、開閉制御部51は、検出部3でのゼロクロスの検出点からオン時間にわたって制御信号S1の信号レベルを「ON」にする。これにより、入力電圧Vinの半周期ごとに開閉素子2がオン/オフを繰り返すことになる。開閉素子2がオンの状態では、開閉素子2がオフの状態に比べて、調光装置1のインピーダンスが小さくなるので、表示灯102に印加される電圧が大きくなる。したがって、開閉素子2のオン/オフを繰り返していると、表示灯102に流れる電流の大きさが変化し、表示灯102の光出力の大きさが変化する可能性がある。その結果、表示灯102のちらつきが生じる可能性がある。
一方、時点t1以降は、開閉制御部51の動作モードは停止モードであって、開閉制御部51は、制御信号S1の出力を停止し、制御信号S1の信号レベルを「OFF」に維持する。これにより、開閉素子2がオフに固定され、調光装置1のインピーダンスが一定になるので、スイッチ装置100に印加される電圧も一定になる。したがって、表示灯102に流れる電流の大きさが安定し、表示灯102の光出力の大きさの変化が抑制され、表示灯102のちらつきが抑制される。
(3)利点
本実施形態の調光装置1は、一対の入力端子11,12と、開閉素子2と、検出部3と、入力部4と、開閉制御部51と、モード切替部52と、を備えている。一対の入力端子11,12は、照明負荷8と交流電源9との間に電気的に接続される。開閉素子2は、一対の入力端子11,12間に電気的に接続され、オン/オフを切替可能である。検出部3は、一対の入力端子11,12間に印加される電圧値を検出し、上記電圧値が閾値以上か否かに応じて第1値(Lレベル)と第2値(Hレベル)とが切り替わる検出信号ZC1,ZC2を出力する。入力部4は、照明負荷8の光出力の大きさを指定する調光レベルが入力される。開閉制御部51は、上記調光レベルに応じて開閉素子2を制御する。モード切替部52は、検出信号ZC1,ZC2の1周期において検出信号ZC1,ZC2の信号レベルが上記第1値にある特定期間T1(又はT2)の長さに基づいて、開閉制御部51の動作モードを切り替える。
この構成によれば、例えば、種々の照明負荷8、及び表示灯102付きのスイッチ装置100など、様々な機器が調光装置1と電気的に直列に接続されるとしても、調光装置1又は調光装置1に接続された機器の異常動作を抑制可能である。つまり、調光装置1と直列に接続される機器によっては、例えば、開閉素子2がオン/オフを繰り返す調光装置1の動作によって、調光装置1と機器にかかる電圧が変化し、調光装置1又は機器の異常動作に繋がる可能性がある。一例として、本実施形態のように、表示灯102付きのスイッチ装置100が調光装置1に直列に接続されている場合には、スイッチ装置100のオフ時において、開閉素子2がオン/オフを繰り返すことで表示灯102のちらつきを生じる可能性がある。本実施形態の調光装置1では、特定期間T1(又はT2)の長さに基づいて、一対の入力端子11,12間に印加される電圧(入力電圧Vin)の振幅を検出し、間接的に、調光装置1に直列に接続された機器の状態を検出することができる。例えば、表示灯102付きのスイッチ装置100が調光装置1に接続されている状態においては、調光装置1は、スイッチ装置100がオフであることを検出して開閉制御部51の動作モードを切り替えることにより、表示灯102のちらつきを抑制できる。その結果、本実施形態の調光装置1によれば、より多くの使用態様に対応可能になる、という利点がある。
また、本実施形態のように、上記第1値(Lレベル)は、上記電圧値が上記閾値以上であるときの検出信号ZC1,ZC2の信号レベルであることが好ましい。この場合、モード切替部52は、特定期間の長さが規定値以下であると判断すると、開閉制御部51の動作モードを停止モードに切り替えるように構成されていることが好ましい。この場合、開閉制御部51は、停止モードにおいては、開閉素子2をオフに維持するように構成されていることが好ましい。この構成によれば、一対の入力端子11,12間に印加される電圧(入力電圧Vin)の振幅が小さくなったときに、開閉素子2をオフに維持することができる。したがって、例えば、表示灯102付きのスイッチ装置100が調光装置1に接続されている状態において、調光装置1は、スイッチ装置100がオフであることを検出して開閉素子2をオフに維持し、表示灯102のちらつきを抑制できる。ただし、特定期間の長さが規定値以下であると判断すると、モード切替部52が開閉制御部51の動作モードを停止モードに切り替えることは調光装置1に必須の構成ではない。例えば、モード切替部52は、特定期間の長さが規定値を超えたと判断すると、開閉制御部51の動作モードを停止モードに切り替える構成であってもよい。
また、本実施形態のように、調光装置1は、検出信号ZC1,ZC2の周波数から、交流電源9の交流電圧の周波数を求めるように構成された周波数特定部53を、更に備えることが好ましい。この構成によれば、検出部3を、モード切替部52だけでなく、周波数特定部53での交流電源9の交流電圧の周波数の特定にも利用することができる。ただし、周波数特定部53は調光装置1に必須の構成ではなく、周波数特定部53は省略されていてもよい。
また、本実施形態に係る照明制御システム10は、調光装置1と、照明負荷8と交流電源9との間において、調光装置1と電気的に直列に接続され、オン/オフを切替可能なスイッチ装置100と、を備えている。ここで、スイッチ装置100は、スイッチ装置100がオフのときに点灯する表示灯102を有することが好ましい。この構成によれば、調光装置1は、スイッチ装置100がオフであることを検出して開閉制御部51の動作モードを切り替えることにより、表示灯102のちらつきを抑制できる。その結果、本実施形態の照明制御システム10によれば、より多くの使用態様に対応可能になる、という利点がある。
ところで、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素子を備えた照明負荷8に、ゼロクロス点付近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照明負荷8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)からやや遅れた時点(検出部3でのゼロクロスの検出点)にて照明負荷8に電力供給を開始している。そのため、厳密なゼロクロス点にて照明負荷8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、検出部3でのゼロクロスの検出点における入力電圧Vin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。
(4)変形例
(4.1)変形例1
図5は、実施形態1の変形例1に係る調光装置1を示している。変形例1においては、調光装置1は、スイッチ装置100(図1参照)と組み合わされるのではなく単独で使用されている。すなわち、変形例1では、調光装置1及び照明負荷8の直列回路が、スイッチ装置100を介さずに、交流電源9に対して直接的に接続されている。
ここで、例えば、照明負荷8の起動時(通電開始時)において、照明負荷8内のインピーダンスの状態が不安定になることがある。このような照明負荷8であれば、照明負荷8の起動時には、特定期間の長さが不安定になる可能性がある。変形例1に係る調光装置1は、このような不安定な状態を、特定期間の長さから検出することで、例えば、照明負荷8の起動時に、開閉制御部51を停止モードで動作させて、照明負荷8の異常動作を抑制することができる。したがって、変形例1の調光装置1によれば、より多くの使用態様に対応可能になる、という利点がある。
(4.2)変形例2
図6は、実施形態1の変形例2に係る照明制御システム10Aを示している。変形例2においては、調光装置1は、2つのスイッチ装置100A,100Bと共に、照明制御システム10Aを構成する。変形例2においては、スイッチ装置100A,100Bは、いずれも3本の配線を接続可能な、いわゆる三路スイッチである。そのため、2つのスイッチ装置100A,100Bを組み合わせた照明制御システム10Aでは、照明負荷8への通電状態を、2箇所で切り替えることが可能である。例えば、2つのスイッチ装置100A,100Bが、建物における階段の上階部分と下階部分とにそれぞれ設置されている場合、建物における階段の上階部分と下階部分との2箇所で、照明負荷8への通電状態を切り替えることが可能である。
スイッチ装置100A,100Bの各々は、3つの端子と、これら3つの端子間の接続関係を切り替える接点部101A,101Bと、を備えている。スイッチ装置100A,100Bの各々において、表示灯102A,102Bは、3つの端子のうち共通端子を除く2つの端子間に電気的に接続されている。これにより、スイッチ装置100A,100Bがオフの状態、つまり交流電源9から照明負荷8へ電力供給されていない状態において、スイッチ装置100A,100Bの両方の表示灯102A,102Bが点灯する。
照明制御システム10Aにおいては、2つのスイッチ装置100A,100Bが調光装置1に対して直列に接続されるため、スイッチ装置が1つの場合に比べて、開閉素子2がオン/オフを繰り返すことによる表示灯102A,102Bのちらつきが生じやすい。したがって、照明制御システム10Aでは、表示灯102A,102Bのちらつきを抑制できる効果が、より顕著になる。
(4.3)変形例3
図7は、実施形態1の変形例3に係る照明制御システム10Bを示している。変形例3においては、調光装置1は、3つのスイッチ装置100A,100B,100Cと共に、照明制御システム10Bを構成する。変形例3においては、スイッチ装置100A,100Bは、変形例2と同様に、いずれも3本の配線を接続可能な、いわゆる三路スイッチである。一方、スイッチ装置100Cは、4本の配線を接続可能な、いわゆる四路スイッチである。そのため、3つのスイッチ装置100A,100B,100Cを組み合わせた照明制御システム10Bでは、照明負荷8への通電状態を、3箇所で切り替えることが可能である。
スイッチ装置100Cは、4つの端子と、これら4つの端子間の接続関係を切り替える接点部101Cと、を備えている。スイッチ装置100Cにおいて、表示灯102Cは、4つの端子のうちスイッチ装置100Bに接続される2つの端子間に電気的に接続されている。これにより、スイッチ装置100A,100B,100Cがオフの状態、つまり交流電源9から照明負荷8へ電力供給されていない状態において、スイッチ装置100A,100B,100Cの全ての表示灯102A,102B,102Cが点灯する。
照明制御システム10Bでは、3つのスイッチ装置100A,100B,100Cが調光装置1に接続されるため、スイッチ装置が1つの場合に比べて、開閉素子2がオン/オフを繰り返すことによる表示灯102A,102B,102Cのちらつきが生じやすい。したがって、照明制御システム10Bでは、表示灯102A,102B,102Cのちらつきを抑制できる効果が、より顕著になる。
(4.4)その他の変形例
以下、上述した変形例1〜3以外の実施形態1の変形例を列挙する。
上述した実施形態1及び変形例1〜3の調光装置は、光源としてLED素子を用いた照明負荷8に限らず、有機EL(Electroluminescence)素子や放電灯など、様々な光源の照明負荷8に適用可能である。
また、開閉素子2は、MOSFETに限らず、例えば、逆直列に接続された2つのIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などで構成されていてもよい。さらにまた、開閉素子2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ってもよい。この構成によれば、開閉素子2の導通損失の低減を図ることができる。
また、開閉制御部51による開閉素子2の制御方式は、上述した例に限らず、例えば、交流電源9の交流電圧と同じ周期で、開閉素子2を構成する2つのMOSFETを交互にオンする方式であってもよい。この場合、2つのMOSFETのうち、入力電圧Vinの高電位側となるMOSFETがオンしている期間に、開閉素子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、制御信号S1と入力電圧Vinとの位相差を調節することで、開閉素子2のオン時間を調節することができる。
さらに、制御方式として、逆位相制御方式に限らず、交流電圧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、正位相制御方式が、採用されてもよい。この場合、開閉素子2は、例えば、3端子の双方向サイリスタ(トライアック)にて構成され、開閉制御部51は、交流電圧の半周期の途中で開閉素子2をオンする。双方向サイリスタからなる開閉素子2は、交流電源9の交流電圧のゼロクロス点(0〔V〕)付近で非導通となる。
また、開閉制御部51の動作モードは、通常モード及び停止モードに限らず、例えば、オン時間を長く又は短くする制限モード、及び開閉素子2をオンに維持する強制オンモードなどを含んでいてもよい。
また、検出信号ZC1,ZC2の信号レベルである第1値及び第2値のうちの第1値(Lレベル)は、入力電圧Vinの電圧値が閾値未満であるときの検出信号ZC1,ZC2の信号レベルであってもよい。さらに、実施形態1では、第1値がLレベル、第2値がHレベルであるが、この関係に限らず、第1値がHレベル、第2値がLレベルであってもよい。
また、モード切替部52は、特定期間の長さが規定値以下であることを一度検知しただけで、特定期間の長さが規定値以下であると判断し、動作モードの切り替えを行うように構成されていてもよい。又は、モード切替部52は、特定期間の長さが規定値以下であることを、所定値以上の頻度で検知した場合に、特定期間の長さが規定値以下であると判断し、動作モードの切り替えを行うように構成されていてもよい。
また、検出部3は、全波整流後の入力電圧Vinの電圧値を検出する構成であってもよい。さらに、検出部3は、ゼロクロス検出部と兼用される構成に限らず、ゼロクロス検出部とは別に検出部3が設けられていてもよい。さらにまた、検出部3の具体回路は、図2に示す回路に限らず、適宜変更が可能である。
また、駆動部7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。駆動部7が省略される場合、制御回路5が直接的に開閉素子2を駆動する。駆動部7が省略される場合には、駆動電源部62が省略される。
また、開閉素子2がオンするタイミングは、検出部3でのゼロクロスの検出点に限らず、例えば検出点から一定の遅延時間(例えば300〔μs〕)が経過した時点であってもよい。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。
なお、実施形態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、電圧値及び閾値等の二値間の比較において、「以上」としているところは、二値が等しい場合、及び二値の一方が他方を超えている場合との両方を含む。ただし、これに限らず、ここでいう「以上」は、二値の一方が他方を超えている場合のみを含む「より大きい」と同義であってもよい。つまり、二値が等しい場合を含むか否かは、閾値等の設定次第で任意に変更できるので、「以上」か「より大きい」かに技術上の差異はない。同様に、「未満」においても「以下」と同義であってもよい。
(実施形態2)
本実施形態の調光装置1は、モード切替部52が、時間経過に伴う特定期間の長さの変動の大きさに応じて、開閉制御部51の動作モードを切り替えるように構成されている点で、実施形態1の調光装置1と相違する。調光装置1の回路構成は、実施形態1の調光装置1と同じである。以下、実施形態1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。
すなわち、本実施形態では、モード切替部52は、特定期間の長さが規定値以下であるか否かではなく、特定期間の長さがどの程度変動しているかによって、開閉制御部51の動作モードを切り替える。具体的には、モード切替部52は、連続する複数回(例えば10回)分の特定期間の長さを求め、これら複数回分の特定期間における長さの変動の大きさを算出して、基準値と比較する。ここでいう変動の大きさは、例えば、連続する2回分の特定期間における差分若しくは変化率、又は長さのばらつきの度合い(分散)などである。そして、モード切替部52は、変動の大きさが基準値以上になると、例えば、開閉制御部51の動作モードを停止モードに切り替える。
ここで、例えば、照明負荷8の起動時(通電開始時)において、照明負荷8内のインピーダンスの状態が不安定になることがある。このような照明負荷8であれば、照明負荷8の起動時には、特定期間の長さが不安定になる可能性がある。本実施形態に係る調光装置1は、このような不安定な状態を、特定期間の長さの変動の大きさから検出することで、例えば、照明負荷8の起動時に、開閉制御部51を停止モードで動作させて、照明負荷8の異常動作を抑制することができる。したがって、本実施形態の調光装置1によれば、より多くの使用態様に対応可能になる、という利点がある。
実施形態2の構成は、実施形態1(変形例を含む)で説明した各構成と組み合わせて適用可能である。