調光装置
【課題】ＬＥＤ照明器具を位相制御方式により調光制御する調光装置において、自動的に調光テーブルを選択可能とし、設定の手間を省力化すると共に、照明器具内のＬＥＤ合成順電圧に応じて最適な調光制御を可能とする。
【解決手段】自己保持機能を有する双方向スイッチング素子Ｑ１と、ＬＥＤを用いた照明器具２と、交流電源Ｖｓとを直列に接続して閉回路を構成し、双方向スイッチング素子Ｑ１のオン期間を可変とすることで照明器具２への実効電力を可変とする位相制御回路を備える調光装置において、入力電圧のゼロクロスと双方向スイッチング素子Ｑ１に流れる電流のゼロクロスとの時間差を計測し、計測された時間差に基づいて調光レベルと双方向スイッチング素子Ｑ１のオン期間の関係である調光テーブルを選択する。
【解決手段】自己保持機能を有する双方向スイッチング素子Ｑ１と、ＬＥＤを用いた照明器具２と、交流電源Ｖｓとを直列に接続して閉回路を構成し、双方向スイッチング素子Ｑ１のオン期間を可変とすることで照明器具２への実効電力を可変とする位相制御回路を備える調光装置において、入力電圧のゼロクロスと双方向スイッチング素子Ｑ１に流れる電流のゼロクロスとの時間差を計測し、計測された時間差に基づいて調光レベルと双方向スイッチング素子Ｑ１のオン期間の関係である調光テーブルを選択する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は位相制御方式のＬＥＤ照明用調光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、白熱灯を調光する手段としてトライアック等の双方向スイッチを用いた位相制御方式がよく用いられている。位相制御方式は、一般的に商用交流電源と白熱灯負荷との間に直列に接続された双方向スイッチング素子のＯＮする位相角（点弧位相角）を制御することにより、白熱灯負荷に供給する商用交流電圧の実効値を可変させて白熱灯負荷を調光制御する方式である。
【０００３】
位相制御方式を用いた最も簡単でよく知られている回路は、図７に示すように、双方向スイッチング素子であるトライアックＱ１と、トライアックＱ１をトリガするダイアックのようなトリガ素子Ｑｔと、可変抵抗ＶＲ１とコンデンサＣｔで構成できる。この回路では調光装置の“つまみ”を手で回すことによって、つまみに接続された可変抵抗ＶＲ１の抵抗値が変化して、コンデンサＣｔが充電され、トリガ素子Ｑｔの動作電圧以上の電圧が印加されると、トリガ素子Ｑｔが動作（パルスをトライアックＱ１に出力）してトライアックＱ１が導通（オン）する。その導通時の商用交流電源Ｖｓの電圧、すなわち交流電源Ｖｓのゼロクロスのタイミングからの時間（導通位相角）を可変抵抗ＶＲ１の抵抗値により制御できる。
【０００４】
トライアックＱ１が導通すると、トリガ素子Ｑｔに印加されていた電圧が略ゼロになり、トリガ素子Ｑｔの動作は止まるが、トライアックＱ１には保持電流以上の電流が負荷Ｌａを介して流れているため、導通状態を保持する。負荷Ｌａが白熱灯の場合は、交流電源Ｖｓからの入力電圧と負荷電流は同位相のため、電源電圧のゼロクロスポイントで負荷電流もゼロとなり、トライアック電流が保持電流以下となり、トライアックＱ１がターンオフする。以上の動作を商用交流電源の半周期毎に繰り返す。
【０００５】
図７の回路構成では、つまみを回した角度（可変抵抗ＶＲ１の抵抗値）と白熱灯負荷Ｌａに供給する商用交流電圧の実効値（あるいは白熱灯の光出力）の関係は、構成する部品の定数によって決まり、つまみを動かしても光出力があまり変わらない領域や、少しつまみを動かしただけで光出力が急激に変化する領域があり、操作感が悪い。
【０００６】
そこで、図８に示すように、マイコンを利用したデジタル信号処理でトライアックＱ１を制御する調光装置が存在する。調光装置１の入力端には交流電源Ｖｓが接続され、出力端には負荷（照明器具２）が接続されている。調光装置１の内部には、入力側の交流電源Ｖｓと出力側の負荷（照明器具２）の間に直列的に接続されたトライアックＱ１と、交流電源Ｖｓのゼロクロスタイミングを検出するゼロクロス電圧検出手段１１と、調光レベルを調整する調光レベル設定手段１２と、負荷の種類別に調光レベルとトライアックＱ１の導通時間の関係（調光テーブル）を記憶した記憶手段１３と、トライアックＱ１を駆動する駆動手段１４と、上記調光レベル設定手段１２で設定した調光レベルに対応した導通時間にわたり駆動手段１４をオン／オフ制御する制御回路１５と、トライアックＱ１から発生するノイズを低減するためのノイズフィルター回路１６（コンデンサＣ１、チョークＬ１）を備えている。なお、ノイズ低減用に負荷（照明器具２）に並列にコンデンサＣ２を接続することもある。記憶手段１３はＲＯＭ等で構成するが、制御回路１５がワンチップマイコン等で構成される場合は、制御回路１５に内蔵される。図８では、制御電源回路やマイコンのクロック回路などは図示を省略している。
【０００７】
図８の調光装置の動作について説明すると、ゼロクロス電圧検出手段１１で検出した交流電源Ｖｓのゼロクロスタイミングを基点に、記憶手段１３に記憶した調光テーブルに基づいて、トライアックＱ１のスイッチングのタイミングを変化させることにより負荷に印加される実効電圧を変化させて負荷の出力を調整する。ここで、トライアックＱ１のトリガ信号（駆動手段１４の出力信号）は、図７の調光装置のトリガ信号とは異なり、外部ノイズによる誤動作を防止する目的でパルストリガではなく、ＤＣトリガ信号にすることが多い。パルストリガの場合、ノイズによってトライアック電流が保持電流以下になると、トライアックＱ１がオフする誤動作の可能性がある。図８の調光装置を用いて、白熱灯負荷を調光制御する場合の各部波形を図１０（ａ）に示す。
【０００８】
ところで、近年では、照明分野においてＬＥＤ（発光ダイオード）を光源として利用する用途が増えている。ＬＥＤ照明器具を白熱灯の代替光源として使う場合、図８で説明したような調光装置に接続して調光制御するニーズがある。ところで、一般的なＬＥＤ照明器具では、商用交流電源をダイオードで整流した後、電解コンデンサで平滑した直流電圧を電源とするが、基本的に平滑した電源では位相制御調光はできない。なぜなら、整流平滑方式の照明器具では、商用交流電源の山部の期間のみ入力電流が流れるからである。したがって、図９に示すように、ダイオードブリッジＤＢで全波整流した脈流電源に複数のＬＥＤと電流制限用の抵抗Ｒ０の直列回路を接続した構成にする必要がある。なお、ノイズ低減のためにダイオードブリッジＤＢの入力側にコンデンサＣ０を接続する場合があるが、このコンデンサＣ０は比較的小容量である。
【０００９】
一方、図８のコンデンサＣ２や図９のコンデンサＣ０のように、負荷に並列的にコンデンサが接続されている構成で、ＤＣトリガ方式でトライアックを駆動する場合は、コンデンサの容量性によって誤動作することがある。この誤動作について、図１１〜図１３を用いて説明する。
【００１０】
図１１において、Ｖｓは交流電源、１は位相制御式調光装置、２は照明器具である。この構成では、双方向スイッチであるトライアックＱｘとフィルタチョークＬｘの直列接続にフィルタコンデンサＣｘが並列に接続され、更に照明器具２側の雑音防止用コンデンサＣｙが直列接続される構成となるため、トライアックＱｘに流れる電流は商用周波数で使用する場合、容量性要素の影響で電源電圧の位相に対し進相となる場合がある。
【００１１】
図１２は回路動作を示す。ここでは、位相制御信号として、ターンオン時にのみゲート電圧を与えるパルストリガ方式ではなく、ターンオン期間中はゲート電圧を与え続けるＤＣトリガ方式（ベタトリガ方式ともいう）を用いている。トライアックＱｘは位相制御信号がオフとなった後、保持電流以下の電流となるとオフする素子であるが、上述の進相電流の影響で位相制御信号がオフとなるタイミングで既にトライアックＱｘに流れる電流がゼロクロスポイントをまたいで転流しており、位相制御信号がオフの瞬間、保持電流以上の電流が流れていた場合、トライアックＱｘをオフできないので、交流電源の次の半周期にわたり、電流がゼロになるまでトライアックＱｘはオン状態を維持してしまう。
【００１２】
そこで従来、この問題を解決するために、図１３に示すように設計の段階でトライアックに流れる電流がゼロクロスポイントをまたぐ手前で位相制御信号をオフするように時間設定することで進相電流による調光動作の不具合を回避していた。図中、ｔ１のタイミングで位相制御信号がオフしてもトライアックＱ１はオフできないが、ｔ２のタイミングで位相制御信号がオフすることでトライアックＱ１はオフすることができる。
【００１３】
なお、特許文献１には、照明器具の種類に応じた調光特性テーブルを切替スイッチにより選択可能とする点が開示されており、特許文献２には、設定照度と出力電圧の対応関係を設定したテーブルを持つ調光装置が開示されているが、ＬＥＤ照明器具や進相電流による調光不具合を解決できない。
【特許文献１】特開２００１−２９７８８６号公報
【特許文献２】特開平１１−６７４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
図８に示した位相制御式の調光装置にＬＥＤ照明器具を接続した場合、図１０（ａ）に各部波形を示した白熱灯負荷と異なり、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）に示すように調光可能な範囲が狭くなる。これはＬＥＤ照明器具では、構成するＬＥＤ素子と電流制限用抵抗の直列回路に印加する電圧が、ＬＥＤの順電圧Ｖｆの合成電圧以上でなければＬＥＤに電流が流れないからである。すなわち、順電圧Ｖｆの合成電圧未満では点灯しないことが原因である。この順電圧Ｖｆの合成電圧は、照明器具によって構成するＬＥＤ素子の種類や直列に接続するＬＥＤ素子の数が異なるので、器具ごとに異なる。したがって、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）に示すように、ＬＥＤ照明器具でも調光可能な範囲に差が生じる。
【００１５】
このように、調光可能な範囲の異なる複数種類のＬＥＤ照明器具と白熱灯照明器具を、同一の調光テーブルに基づいて調光制御すると、ＬＥＤ照明器具ではつまみを回しても調光レベルが変化しない範囲が生じる。また、マイコンで制御する場合、調光レベルを例えば８ビットの分解能で制御するのであれば、白熱灯に対しては２５６階調に調光レベルの設定が可能であるが、ＬＥＤ照明器具の場合は調光可能な範囲が狭いために、実際的に有効な調光レベルは２５６階調より大幅に粗くなる。
【００１６】
その不具合を解決するために白熱灯用やＬＥＤ照明器具の種類毎にそれぞれ調光テーブルを記憶回路に保存して、手動でスイッチを切り替えることによって調光テーブルを選択する方式は考えられるが、白熱灯とＬＥＤの２種類程度であれば使用者が切り替えることも可能であるが、ＬＥＤ照明器具も複数種類になると手動で切り替える方式は現実的ではない。
【００１７】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ照明器具を位相制御方式により調光制御する調光装置において、自動的に調光テーブルを選択できるようにすることによって、設定の手間を省力化すると共に、照明器具内のＬＥＤ合成順電圧に応じて最適な調光制御を可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明によれば、上記の課題を解決するために、図１に示すように、自己保持機能を有する双方向スイッチング素子Ｑ１と、ＬＥＤを用いた照明負荷（照明器具２）と、交流電源Ｖｓとを直列に接続して閉回路を構成し、双方向スイッチング素子Ｑ１のオン期間を可変とすることで照明負荷への実効電力を可変とする位相制御回路を備える調光装置であって、前記位相制御回路は、調光レベルを設定するための調光レベル設定手段１２と、双方向スイッチング素子Ｑ１に流れる電流のゼロクロスを検出する第１のゼロクロス検出手段１７と、交流電源Ｖｓからの入力電圧のゼロクロスを検出する第２のゼロクロス検出手段１１と、入力電圧のゼロクロスと双方向スイッチング素子に流れる電流のゼロクロスとの時間差を計測する手段と、計測された時間差に基づいて調光レベルと双方向スイッチング素子のオン期間の関係である調光テーブルを選択する手段とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明により、双方向スイッチング素子の電流が略ゼロになるタイミングに応じて調光テーブルを選択することによって、照明器具内のＬＥＤ合成順電圧に応じて最適な調光制御が可能になる。さらに自動的に調光テーブルを選択できることで設定の手間が省ける。
請求項２の発明によれば、負荷の容量性によって進相電流が流れる場合に、ＯＮタイミングではゼロ電流を検出できないことがあるが、ＯＦＦタイミングであればゼロ電流を検出できる。また、ＯＦＦタイミングを検出する方式はパルストリガで駆動する場合も有効であり、設計の自由度を増す効果がある。
請求項３の発明によれば、双方向スイッチング素子に流れる電流が導通状態から略ゼロになったＯＦＦタイミングだけでなく、電流が導通開始したＯＮタイミングを併用して、調光テーブルを選択するものであるから、ＯＦＦタイミングだけを用いる場合に比べてパラメータが増えることにより、調光テーブル選択の精度を向上できる。
【００２０】
請求項４の発明によれば、通常動作時は調光テーブルの選択処理が不要であるから、制御にマイコンを用いた場合の処理を簡略化できる。
請求項５の発明によれば、カレントトランスやトライアックに直列接続した抵抗を用いて電流検出する方式と比較して、負荷容量に関わらず電流検出ができ、電力ロスや温度上昇も少なく、部品サイズの小型化やコスト低減の面でも有利である。
請求項６の発明によれば、負荷検出モードの有無に関わらず、請求項５と同様の効果が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（基本構成）
図１に本発明の基本構成図を示す。図１に示す回路は、マイコンを利用したデジタル信号処理でトライアックＱ１を制御する調光装置である。調光装置１の入力端には交流電源Ｖｓが接続され、出力端には負荷（照明器具２）が接続されている。調光装置１の内部には、入力側の交流電源Ｖｓと出力側の負荷（照明器具２）の間に直列的に接続されたトライアックＱ１と、交流電源Ｖｓのゼロクロスタイミングを検出するゼロクロス電圧検出手段１１と、調光レベルを調整する調光レベル設定手段１２と、負荷の種類別に調光レベルとトライアックＱ１の導通時間の関係（調光テーブル）を記憶した記憶手段１３と、トライアックＱ１を駆動する駆動手段１４と、上記調光レベル設定手段１２で設定した調光レベルに対応した導通時間にわたり駆動手段１４をオン／オフ制御する制御回路１５と、トライアックＱ１に流れる電流が略ゼロになるタイミングを検出する電流検出手段１７とを備えている。なお、ノイズ低減用に負荷（照明器具）に並列にコンデンサＣ２を接続することもある。制御電源回路やマイコンのクロック回路などは図示を省略している。
【００２２】
トライアックＱ１は自己保持機能を有する双方向スイッチング素子であり、２個の逆阻止３端子サイリスタ（ＳＣＲ）を逆並列接続して用いても良い。調光レベル設定手段１２は、つまみやフェーダで調光レベルを設定し、制御回路１５に入力する可変抵抗などで構成される。記憶手段１３はＲＯＭ等で構成するが、制御回路１５がワンチップマイコン等で構成される場合は、制御回路１５に内蔵される。トライアックＱ１のトリガ信号（駆動手段１４の出力信号）は、図７の調光装置のトリガ信号と異なり、外部ノイズによる誤動作を防止する目的で、パルストリガではなく、ＤＣトリガ信号にすることが多い。パルストリガの場合、ノイズによってトライアックＱ１の電流が保持電流以下になると、トライアックＱ１がオフする誤動作の可能性がある。
【００２３】
動作を説明すると、ゼロクロス電圧検出手段１１で検出した交流電源Ｖｓのゼロクロスタイミングを基点に、記憶手段１３に記憶した調光テーブルに基づいて、トライアックＱ１のスイッチングのタイミングを変化させることにより負荷に印加される実効電圧を変化させて負荷の出力を調整する。ここで調光テーブルについて説明する。
【表１】
【００２４】
表１は調光テーブルの一例である。上記調光レベル設定手段１２で調光レベルを変更したとき、制御回路１５ではＡ／Ｄ変換等によって設定したい調光レベルをデジタル値に変換する。例えばＡ／Ｄ変換が８ビットの分解能であれば、０から２５５までのデジタル値になる。これが表１の調光ステップである。その調光ステップに対応する調光比を実現するために、トライアックＱ１の導通時間が調光テーブルに記録されている。ここで、調光ステップと調光比の関係をグラフ化したものが図２である。
【００２５】
制御回路１５は記憶手段１３を参照して、調光ステップに対応する導通時間を読み出し、ゼロクロス電圧検出手段１１で検出した交流電源Ｖｓのゼロクロスタイミングから、（交流電源半周期−導通時間）後にトライアックＱ１の駆動を開始する。トライアックＱ１の駆動電圧は、遅くとも次のゼロクロスタイミングまでにＯＦＦさせる。なお、交流電源半周期は５０Ｈｚの商用電源の場合、０．０１秒になる。
【００２６】
また、負荷によって、電流検出手段１７が検出した負荷電流が略ゼロとなるタイミングに応じて、記憶手段１３に保存された調光テーブルを選択する。そのために、記憶手段１３には、異なる負荷の種別毎に、あらかじめ調光レベルと双方向スイッチング素子Ｑ１の導通時間の関係（調光テーブル）を複数通り記憶してあり、そのなかから負荷に適合した調光テーブルを選択する。具体的には、例えば、表１の調光ステップを下位８ビットのアドレスとして、ＲＯＭ上に導通時間のデータがデジタル値として格納されており、ＲＯＭの読出アドレスの上位複数ビットを切り替えることで、異なる調光テーブルを読み出せるようにしている。
【００２７】
（実施形態１）
本発明の具体的な実施形態１を図３を用いて説明する。調光装置の負荷端子ａ，ｂには照明器具２が接続されている。商用の交流電源Ｖｓは調光装置の電源端子ｃ，ｄに接続されている。電源端子ｃ，ｄに接続されたコンデンサＣ１とチョークＬ１はノイズ低減用のフィルター回路を構成している。
【００２８】
Ｑ１はトライアックである。コンデンサＣ３と抵抗Ｒ１はトライアックＱ１のゲート信号を安定化するための部品である。ダイオードＤ１、ＰＮＰトランジスタＱ２、抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ７は、トライアックＱ１の駆動手段であり、ワンチップマイコンＩＣ２のＯＵＴ端子が“Ｌ”出力になると、ＰＮＰトランジスタＱ２がＯＮしてトライアックＱ１のゲート電流が流れ、トライアックＱ１が導通を開始する。
【００２９】
ダイオードＤ３、電解コンデンサＣ４、ＩＣ１、チョークコイルＬ２、電解コンデンサＣ６は、制御電源用の非絶縁スイッチング電源回路を構成している。ＩＣ１はスイッチング電源ユニットであり、例えば松下電器製ＭＩＰ９Ａ０１である。ダイオードＤ３で半波整流、電解コンデンサＣ４で平滑した直流電源がＤＲＩＮ端子に入力されると、電解コンデンサＣ６の両端に５Ｖが出力される。これがマイコンＩＣ２の電源電圧Ｖｃｃとなる。
【００３０】
ここで、電解コンデンサＣ６のプラス側がトライアックＱ１のＴ１端子と同電位であり、制御電源電圧Ｖｃｃのグランド（電解コンデンサＣ６のマイナス側）はトライアックＱ１のＴ１端子に対して−５Ｖとなる。従って、交流電源Ｖｓの極性に関わらず、ＰＮＰトランジスタＱ２がＯＮすれば、トライアックＱ１にゲート電流が流れる。つまり、電解コンデンサＣ６のプラス側→トライアックＱ１のＴ１端子→Ｇ端子→ダイオードＤ１→ＰＮＰトランジスタＱ２→抵抗Ｒ３→電解コンデンサＣ６のマイナス側の経路でゲート電流が流れる。
【００３１】
ダイオードＤ２、Ｄ４〜Ｄ７、抵抗Ｒ４〜Ｒ１１、ＰＮＰトランジスタＱ３、ツェナーダイオードＺＤ１、コンデンサＣ５、ＮＰＮトランジスタＱ４、コンデンサＣ７がゼロクロス電圧検出手段を構成している。交流電源Ｖｓの端子ｃ側の電圧が端子ｄ側より高い場合は、ダイオードＤ２がＯＮして抵抗Ｒ４とＲ５の中点に電圧が発生してダイオードＤ５もＯＮする。交流電源Ｖｓの端子ｄ側の電圧が端子ｃ側よりも高い場合は、ダイオードＤ４がＯＮしてＰＮＰトランジスタＱ３がＯＮする。その結果、ダイオードＤ７がＯＮする。ダイオードＤ５とＤ７はダイオードＯＲ構成であり、どちらか一方がＯＮすればトランジスタＱ４がＯＮする。従って、交流電源Ｖｓがゼロクロスの時だけトランジスタＱ４がＯＦＦしてマイコンＩＣ２のＶＺＥＲＯ端子が“Ｈ”レベルになる。それ以外の場合はＶＺＥＲＯ端子が“Ｌ”レベルになる。
【００３２】
ＶＲ１は調光装置の“つまみ”に接続された可変抵抗であり、調光レベル設定手段を構成し、マイコンＩＣ２のＡ／Ｄ変換端子ＶＲにアナログ電圧が入力される。カレントトランスＣＴ、抵抗Ｒ１２、ダイオードブリッジＤＢ１、抵抗Ｒ１３、ＰＮＰトランジスタＱ５、ダイオードＤ８、抵抗Ｒ１４、抵抗Ｒ１５は電流検出手段を構成している。照明器具電流（トライアックＱ１の電流）が流れていれば、抵抗Ｒ１２、ダイオードブリッジＤＢ１を介して抵抗Ｒ１３に電流が流れてＰＮＰトランジスタＱ５がＯＮする。その結果、抵抗Ｒ１５の両端に電圧が発生してマイコンＩＣ２のＩＺＥＲＯ端子が“Ｈ”レベルになる。逆にカレントトランスＣＴに所定以上の電流が流れなければ、トランジスタＱ５がＯＦＦしてＩＺＥＲＯ端子が“Ｌ”レベルになる。ダイオードＤ８は保護用であり、ＰＮＰトランジスタＱ５のＯＮ時の抵抗Ｒ１５の電圧が制御電源電圧Ｖｃｃを超えて上昇しようとすると、ダイオードＤ８が導通して電圧をクランプする。
【００３３】
以上をまとめると、トライアックＱ１に所定以上の電流が流れていればＩＺＥＲＯ端子は“Ｈ”レベル、そうでなければＩＺＥＲＯ端子は“Ｌ”レベルとなる。また、交流電源Ｖｓからの入力電圧がゼロクロスの時だけＶＺＥＲＯ端子が“Ｈ”レベルになり、それ以外の場合はＶＺＥＲＯ端子は“Ｌ”レベルになる。可変抵抗ＶＲ１の設定値はＶＲ端子から読み込まれる。そして、マイコンＩＣ２は、ＩＺＥＲＯ端子の状態、ＶＺＥＲＯ端子の状態、及びＶＲ端子のアナログ値を読み込むことにより、ＯＵＴ端子から位相制御信号を出力し、トライアックＱ１を制御している。
【００３４】
その制御の内容について説明する。電源投入後の最初の交流半周期にわたり、調光比１００％で点灯させる。すなわち、交流半周期の間、トライアックＱ１に駆動信号を与え続ける。具体的には、交流半周期の間、マイコンＩＣ２のＯＵＴ端子を“Ｌ”レベルに維持し、ＰＮＰトランジスタＱ２をＯＮとし、トライアックＱ１のゲート電流を流し続ける。
【００３５】
負荷がＬＥＤ照明器具である場合には、図１０（ｂ）や図１０（ｃ）に示すように、照明器具内のＬＥＤ合成順電圧に応じてトライアックＱ１の電流が略ゼロになるタイミングがある。このタイミングはマイコンＩＣ２のＩＺＥＲＯ端子が“Ｈ”→“Ｌ”に変化するタイミングとして検出できる。電源電圧ゼロクロスのタイミングから、トライアックＱ１の電流が略ゼロになるまでの時間は、照明器具内のＬＥＤ合成順電圧によって異なるので、マイコンＩＣ２はその時間を計時して、その計時結果よりマイコンＩＣ２のＲＯＭ（記憶手段）内の調光テーブルを選択する。
【００３６】
選択された調光テーブルに基づいて次回以降の半周期では、調光装置の“つまみ”で設定したＶＲ端子の電圧に応じた時間、すなわち調光ステップに対応する導通時間を読み出して、ゼロクロス電圧検出手段で検出した交流電源のゼロクロスタイミングから、（交流電源半周期−導通時間）後にトライアックＱ１の駆動信号をＯＮする。そして、次の電流ゼロクロスのタイミングまでに、トライアックＱ１の駆動信号をＯＦＦする。このようにして所定の調光レベルで調光制御できる。
【００３７】
上述のように、トライアックＱ１の電流が略ゼロになるタイミングに応じて調光テーブルを選択することによって、照明器具内のＬＥＤ合成順電圧に応じて最適な調光制御が可能になる。さらに自動的に調光テーブルを選択できることで設定の手間が省ける。
【００３８】
また、トライアックＱ１の電流が導通状態から略ゼロになったタイミング（ＯＦＦタイミング）だけでなく、トライアックＱ１の電流が導通開始したタイミング（ＯＮタイミング）と、トライアックＱ１の電流が導通状態から略ゼロになったタイミング（ＯＦＦタイミング）とに応じて、調光テーブルを選択してもよい。ＯＦＦタイミングだけに基づいて調光テーブルを選択する場合に比べると、パラメータが増えることにより、調光テーブル選択の精度を向上できる。
【００３９】
なお、カレントトランスＣＴの代わりにトライアックＱ１に直列接続した抵抗の両端電圧によって、トライアックＱ１の電流検出を行っても良い。
【００４０】
（実施形態２）
本発明の第２の実施形態を図４で説明する。図３との構成上の違いは、電流検出手段としてカレントトランスＣＴを用いずトライアックＱ１の両端電圧によって検出する構成とした点である。すなわち、交流電源Ｖｓがゼロクロス以外でトライアックＱ１がＯＦＦ（非導通）のときには、トライアックＱ１の両端電圧に一定以上の電圧（負荷のインピーダンスによって値は変化する）が発生する。そのときトライアックＱ１のＴ２端子側に接続した抵抗Ｒ１２、ダイオードブリッジＤＢ１を介して抵抗Ｒ１３に電流が流れてＰＮＰトランジスタＱ５がＯＮする。その結果、ＩＺＥＲＯ端子が“Ｈ”レベルになる。逆にトライアックＱ１がＯＮのときには、ＰＮＰトランジスタＱ５がＯＦＦとなり、ＩＺＥＲＯ端子は“Ｌ”レベルになる。なお、トライアックＱ１がＯＦＦのときに、負荷側に電流の流れる経路が全くなければ、ＰＮＰトランジスタＱ５がＯＮできないので、負荷（照明器具）に並列に抵抗Ｒ１６を接続する。照明器具内に抵抗Ｒ１６に相当する電流の経路があれば、抵抗Ｒ１６は省略できる。なお、抵抗Ｒ１６はトライアックＱ１の保持電流を考慮して設計する必要がある。
【００４１】
次に動作について説明する。実施形態１と異なるのは、電源投入直後に特別な負荷検出モードを設けて、そのモード中（電源半周期）はトライアックＱ１をパルストリガで駆動する。そのトリガは、図５の駆動信号のように、電源電圧の山部すなわちゼロクロス電圧タイミングより約１／４周期（位相角略９０°）で行う。電源電圧山部で駆動することによって照明器具のＬＥＤ合成順電圧Ｖｆに関わらずトライアックＱ１がＯＮできる（パルストリガのため、ＬＥＤ合成順電圧より低い電源電圧では駆動してもトライアックＱ１がＯＮしない）。
【００４２】
ＤＣトリガの場合は、図１２に示したように、負荷の容量性によって進相電流が流れ、ＬＥＤに流れる照明器具の電流が無くなっても逆向きの電流が流れるため、トライアックＱ１は一瞬ＯＦＦしても逆向きに電流が流れることがあるが、ここではパルストリガのため、電流ゼロクロス時点でトライアックＱ１の電流が保持電流以下となり、必ずＯＦＦする。このため確実に電流ゼロタイミングが検出できる。この負荷検出モードにおいて調光テーブルの選択ができれば、その後の通常モードでは照明器具に対応した調光テーブルに基づいて調光制御できる。
【００４３】
実施形態１のように、カレントトランスＣＴやトライアックＱ１に直列接続した抵抗を用いて電流検出する方式では、それらの部品に負荷電流が流れる構成のため、電流容量の大きい部品を選択しなければならず、サイズやコスト面で問題がある。また、その部品での電力ロスもあり、温度上昇も高い。さらに、負荷電流の幅が大きい（小負荷から大負荷まで対応する）調光装置であれば、ダイナミックレンジの大きい電流検出手段でなければならないが、本実施形態では、トライアックＱ１の両端電圧で電流検出する方式のため、負荷容量に関わらず電流検出ができ、電力ロスも少なく、部品サイズやコスト面でも有利である。
【００４４】
（実施形態３）
本発明の実施形態３を図６を用いて説明する。実施形態１と同じ部分はブロック図で示す。実施形態１との違いは、駆動回路として、フォトトライアックＰＴ１でトライアックＱ１を駆動する回路であることと、電流検出手段の構成が異なる。
【００４５】
駆動回路については、フォトトライアックＰＴ１の２次側と抵抗Ｒ１７、抵抗Ｒ１の直列回路がトライアックＱ１と並列的に接続されている。マイコンＩＣ２の駆動信号によりＰＮＰトランジスタＱ２がＯＮすると、フォトトライアックＰＴ１の１次側の発光ダイオードをＯＮする。その結果、フォトトライアックＰＴ１の２次側がＯＮして抵抗Ｒ１の両端に電圧が発生してトライアックＱ１を駆動する。
【００４６】
電流検出手段については、トライアックＱ１の保持電流とフォトトライアックＰＴ１の保持電流の差を利用している。トライアックＱ１は負荷電流を流す関係から比較的電流定格の大きい部品を選択する。フォトトライアックＰＴ１はトライアックＱ１を駆動することが目的であるから両者の保持電流は、（トライアックＱ１の保持電流）＞（フォトトライアックＰＴ１の保持電流）という関係がある。そのため、マイコンＩＣ２から駆動信号が出ていて、かつ照明器具のＬＥＤ合成順電圧以下に負荷電圧が下がったとき、トライアックＱ１がＯＦＦしても短い時間であるが、フォトトライアックＰＴ１がＯＮしている期間がある。このとき、抵抗Ｒ１７とＲ１には電流が流れているため、両端に電圧が発生する。そこで、この電圧を検出する手段を設け、電流検出手段１７としている。
【００４７】
抵抗Ｒ１７とＲ１の両端電圧は、トライアックＱ１がＯＮしているときは、フォトトライアックＰＴ１、抵抗Ｒ１７、Ｒ１の直列回路の両端電圧は略０Ｖであるから、抵抗の両端電圧も略０Ｖである。トライアックＱ１がＯＦＦでフォトトライアックＰＴ１がＯＮ状態に移行すると電圧が発生する。この抵抗Ｒ１７とＲ１の両端電圧を所定の閾値電圧と比較することで、トライアックＱ１の電流ＯＦＦタイミングが検出できる。このタイミングによって、調光テーブルを最適に選択できる。
【００４８】
本実施形態では、以上のような電流検出手段１７を採用したことによって、実施形態１のようなカレントトランスＣＴなどの部品を使う必要がなく、また、実施形態２に示したような、特別の負荷検出モードを設けなくてもよいため、設計の自由度が高い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の基本構成を示すブロック回路図である。
【図２】本発明に用いる調光テーブルの一例を示す調光特性図である。
【図３】本発明の実施形態１の構成を示す回路図である。
【図４】本発明の実施形態２の構成を示す回路図である。
【図５】本発明の実施形態２の動作説明のための波形図である。
【図６】本発明の実施形態３の構成を示す回路図である。
【図７】従来例１の調光装置の回路図である。
【図８】従来例２の調光装置の回路図である。
【図９】従来のＬＥＤ照明器具の回路図である。
【図１０】従来例２の動作説明のための波形図である。
【図１１】従来例２の課題を説明するための回路図である。
【図１２】従来例２の課題を説明するための波形図である。
【図１３】従来例２の課題解決手段を説明するための波形図である。
【符号の説明】
【００５０】
Ｑ１ トライアック
Ｖｓ 交流電源
１ 位相制御式調光装置
２ 照明負荷（ＬＥＤ照明器具）
１１ ゼロクロス電圧検出手段
１７ ゼロクロス電流検出手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は位相制御方式のＬＥＤ照明用調光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、白熱灯を調光する手段としてトライアック等の双方向スイッチを用いた位相制御方式がよく用いられている。位相制御方式は、一般的に商用交流電源と白熱灯負荷との間に直列に接続された双方向スイッチング素子のＯＮする位相角（点弧位相角）を制御することにより、白熱灯負荷に供給する商用交流電圧の実効値を可変させて白熱灯負荷を調光制御する方式である。
【０００３】
位相制御方式を用いた最も簡単でよく知られている回路は、図７に示すように、双方向スイッチング素子であるトライアックＱ１と、トライアックＱ１をトリガするダイアックのようなトリガ素子Ｑｔと、可変抵抗ＶＲ１とコンデンサＣｔで構成できる。この回路では調光装置の“つまみ”を手で回すことによって、つまみに接続された可変抵抗ＶＲ１の抵抗値が変化して、コンデンサＣｔが充電され、トリガ素子Ｑｔの動作電圧以上の電圧が印加されると、トリガ素子Ｑｔが動作（パルスをトライアックＱ１に出力）してトライアックＱ１が導通（オン）する。その導通時の商用交流電源Ｖｓの電圧、すなわち交流電源Ｖｓのゼロクロスのタイミングからの時間（導通位相角）を可変抵抗ＶＲ１の抵抗値により制御できる。
【０００４】
トライアックＱ１が導通すると、トリガ素子Ｑｔに印加されていた電圧が略ゼロになり、トリガ素子Ｑｔの動作は止まるが、トライアックＱ１には保持電流以上の電流が負荷Ｌａを介して流れているため、導通状態を保持する。負荷Ｌａが白熱灯の場合は、交流電源Ｖｓからの入力電圧と負荷電流は同位相のため、電源電圧のゼロクロスポイントで負荷電流もゼロとなり、トライアック電流が保持電流以下となり、トライアックＱ１がターンオフする。以上の動作を商用交流電源の半周期毎に繰り返す。
【０００５】
図７の回路構成では、つまみを回した角度（可変抵抗ＶＲ１の抵抗値）と白熱灯負荷Ｌａに供給する商用交流電圧の実効値（あるいは白熱灯の光出力）の関係は、構成する部品の定数によって決まり、つまみを動かしても光出力があまり変わらない領域や、少しつまみを動かしただけで光出力が急激に変化する領域があり、操作感が悪い。
【０００６】
そこで、図８に示すように、マイコンを利用したデジタル信号処理でトライアックＱ１を制御する調光装置が存在する。調光装置１の入力端には交流電源Ｖｓが接続され、出力端には負荷（照明器具２）が接続されている。調光装置１の内部には、入力側の交流電源Ｖｓと出力側の負荷（照明器具２）の間に直列的に接続されたトライアックＱ１と、交流電源Ｖｓのゼロクロスタイミングを検出するゼロクロス電圧検出手段１１と、調光レベルを調整する調光レベル設定手段１２と、負荷の種類別に調光レベルとトライアックＱ１の導通時間の関係（調光テーブル）を記憶した記憶手段１３と、トライアックＱ１を駆動する駆動手段１４と、上記調光レベル設定手段１２で設定した調光レベルに対応した導通時間にわたり駆動手段１４をオン／オフ制御する制御回路１５と、トライアックＱ１から発生するノイズを低減するためのノイズフィルター回路１６（コンデンサＣ１、チョークＬ１）を備えている。なお、ノイズ低減用に負荷（照明器具２）に並列にコンデンサＣ２を接続することもある。記憶手段１３はＲＯＭ等で構成するが、制御回路１５がワンチップマイコン等で構成される場合は、制御回路１５に内蔵される。図８では、制御電源回路やマイコンのクロック回路などは図示を省略している。
【０００７】
図８の調光装置の動作について説明すると、ゼロクロス電圧検出手段１１で検出した交流電源Ｖｓのゼロクロスタイミングを基点に、記憶手段１３に記憶した調光テーブルに基づいて、トライアックＱ１のスイッチングのタイミングを変化させることにより負荷に印加される実効電圧を変化させて負荷の出力を調整する。ここで、トライアックＱ１のトリガ信号（駆動手段１４の出力信号）は、図７の調光装置のトリガ信号とは異なり、外部ノイズによる誤動作を防止する目的でパルストリガではなく、ＤＣトリガ信号にすることが多い。パルストリガの場合、ノイズによってトライアック電流が保持電流以下になると、トライアックＱ１がオフする誤動作の可能性がある。図８の調光装置を用いて、白熱灯負荷を調光制御する場合の各部波形を図１０（ａ）に示す。
【０００８】
ところで、近年では、照明分野においてＬＥＤ（発光ダイオード）を光源として利用する用途が増えている。ＬＥＤ照明器具を白熱灯の代替光源として使う場合、図８で説明したような調光装置に接続して調光制御するニーズがある。ところで、一般的なＬＥＤ照明器具では、商用交流電源をダイオードで整流した後、電解コンデンサで平滑した直流電圧を電源とするが、基本的に平滑した電源では位相制御調光はできない。なぜなら、整流平滑方式の照明器具では、商用交流電源の山部の期間のみ入力電流が流れるからである。したがって、図９に示すように、ダイオードブリッジＤＢで全波整流した脈流電源に複数のＬＥＤと電流制限用の抵抗Ｒ０の直列回路を接続した構成にする必要がある。なお、ノイズ低減のためにダイオードブリッジＤＢの入力側にコンデンサＣ０を接続する場合があるが、このコンデンサＣ０は比較的小容量である。
【０００９】
一方、図８のコンデンサＣ２や図９のコンデンサＣ０のように、負荷に並列的にコンデンサが接続されている構成で、ＤＣトリガ方式でトライアックを駆動する場合は、コンデンサの容量性によって誤動作することがある。この誤動作について、図１１〜図１３を用いて説明する。
【００１０】
図１１において、Ｖｓは交流電源、１は位相制御式調光装置、２は照明器具である。この構成では、双方向スイッチであるトライアックＱｘとフィルタチョークＬｘの直列接続にフィルタコンデンサＣｘが並列に接続され、更に照明器具２側の雑音防止用コンデンサＣｙが直列接続される構成となるため、トライアックＱｘに流れる電流は商用周波数で使用する場合、容量性要素の影響で電源電圧の位相に対し進相となる場合がある。
【００１１】
図１２は回路動作を示す。ここでは、位相制御信号として、ターンオン時にのみゲート電圧を与えるパルストリガ方式ではなく、ターンオン期間中はゲート電圧を与え続けるＤＣトリガ方式（ベタトリガ方式ともいう）を用いている。トライアックＱｘは位相制御信号がオフとなった後、保持電流以下の電流となるとオフする素子であるが、上述の進相電流の影響で位相制御信号がオフとなるタイミングで既にトライアックＱｘに流れる電流がゼロクロスポイントをまたいで転流しており、位相制御信号がオフの瞬間、保持電流以上の電流が流れていた場合、トライアックＱｘをオフできないので、交流電源の次の半周期にわたり、電流がゼロになるまでトライアックＱｘはオン状態を維持してしまう。
【００１２】
そこで従来、この問題を解決するために、図１３に示すように設計の段階でトライアックに流れる電流がゼロクロスポイントをまたぐ手前で位相制御信号をオフするように時間設定することで進相電流による調光動作の不具合を回避していた。図中、ｔ１のタイミングで位相制御信号がオフしてもトライアックＱ１はオフできないが、ｔ２のタイミングで位相制御信号がオフすることでトライアックＱ１はオフすることができる。
【００１３】
なお、特許文献１には、照明器具の種類に応じた調光特性テーブルを切替スイッチにより選択可能とする点が開示されており、特許文献２には、設定照度と出力電圧の対応関係を設定したテーブルを持つ調光装置が開示されているが、ＬＥＤ照明器具や進相電流による調光不具合を解決できない。
【特許文献１】特開２００１−２９７８８６号公報
【特許文献２】特開平１１−６７４７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
図８に示した位相制御式の調光装置にＬＥＤ照明器具を接続した場合、図１０（ａ）に各部波形を示した白熱灯負荷と異なり、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）に示すように調光可能な範囲が狭くなる。これはＬＥＤ照明器具では、構成するＬＥＤ素子と電流制限用抵抗の直列回路に印加する電圧が、ＬＥＤの順電圧Ｖｆの合成電圧以上でなければＬＥＤに電流が流れないからである。すなわち、順電圧Ｖｆの合成電圧未満では点灯しないことが原因である。この順電圧Ｖｆの合成電圧は、照明器具によって構成するＬＥＤ素子の種類や直列に接続するＬＥＤ素子の数が異なるので、器具ごとに異なる。したがって、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）に示すように、ＬＥＤ照明器具でも調光可能な範囲に差が生じる。
【００１５】
このように、調光可能な範囲の異なる複数種類のＬＥＤ照明器具と白熱灯照明器具を、同一の調光テーブルに基づいて調光制御すると、ＬＥＤ照明器具ではつまみを回しても調光レベルが変化しない範囲が生じる。また、マイコンで制御する場合、調光レベルを例えば８ビットの分解能で制御するのであれば、白熱灯に対しては２５６階調に調光レベルの設定が可能であるが、ＬＥＤ照明器具の場合は調光可能な範囲が狭いために、実際的に有効な調光レベルは２５６階調より大幅に粗くなる。
【００１６】
その不具合を解決するために白熱灯用やＬＥＤ照明器具の種類毎にそれぞれ調光テーブルを記憶回路に保存して、手動でスイッチを切り替えることによって調光テーブルを選択する方式は考えられるが、白熱灯とＬＥＤの２種類程度であれば使用者が切り替えることも可能であるが、ＬＥＤ照明器具も複数種類になると手動で切り替える方式は現実的ではない。
【００１７】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ照明器具を位相制御方式により調光制御する調光装置において、自動的に調光テーブルを選択できるようにすることによって、設定の手間を省力化すると共に、照明器具内のＬＥＤ合成順電圧に応じて最適な調光制御を可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明によれば、上記の課題を解決するために、図１に示すように、自己保持機能を有する双方向スイッチング素子Ｑ１と、ＬＥＤを用いた照明負荷（照明器具２）と、交流電源Ｖｓとを直列に接続して閉回路を構成し、双方向スイッチング素子Ｑ１のオン期間を可変とすることで照明負荷への実効電力を可変とする位相制御回路を備える調光装置であって、前記位相制御回路は、調光レベルを設定するための調光レベル設定手段１２と、双方向スイッチング素子Ｑ１に流れる電流のゼロクロスを検出する第１のゼロクロス検出手段１７と、交流電源Ｖｓからの入力電圧のゼロクロスを検出する第２のゼロクロス検出手段１１と、入力電圧のゼロクロスと双方向スイッチング素子に流れる電流のゼロクロスとの時間差を計測する手段と、計測された時間差に基づいて調光レベルと双方向スイッチング素子のオン期間の関係である調光テーブルを選択する手段とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明により、双方向スイッチング素子の電流が略ゼロになるタイミングに応じて調光テーブルを選択することによって、照明器具内のＬＥＤ合成順電圧に応じて最適な調光制御が可能になる。さらに自動的に調光テーブルを選択できることで設定の手間が省ける。
請求項２の発明によれば、負荷の容量性によって進相電流が流れる場合に、ＯＮタイミングではゼロ電流を検出できないことがあるが、ＯＦＦタイミングであればゼロ電流を検出できる。また、ＯＦＦタイミングを検出する方式はパルストリガで駆動する場合も有効であり、設計の自由度を増す効果がある。
請求項３の発明によれば、双方向スイッチング素子に流れる電流が導通状態から略ゼロになったＯＦＦタイミングだけでなく、電流が導通開始したＯＮタイミングを併用して、調光テーブルを選択するものであるから、ＯＦＦタイミングだけを用いる場合に比べてパラメータが増えることにより、調光テーブル選択の精度を向上できる。
【００２０】
請求項４の発明によれば、通常動作時は調光テーブルの選択処理が不要であるから、制御にマイコンを用いた場合の処理を簡略化できる。
請求項５の発明によれば、カレントトランスやトライアックに直列接続した抵抗を用いて電流検出する方式と比較して、負荷容量に関わらず電流検出ができ、電力ロスや温度上昇も少なく、部品サイズの小型化やコスト低減の面でも有利である。
請求項６の発明によれば、負荷検出モードの有無に関わらず、請求項５と同様の効果が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
（基本構成）
図１に本発明の基本構成図を示す。図１に示す回路は、マイコンを利用したデジタル信号処理でトライアックＱ１を制御する調光装置である。調光装置１の入力端には交流電源Ｖｓが接続され、出力端には負荷（照明器具２）が接続されている。調光装置１の内部には、入力側の交流電源Ｖｓと出力側の負荷（照明器具２）の間に直列的に接続されたトライアックＱ１と、交流電源Ｖｓのゼロクロスタイミングを検出するゼロクロス電圧検出手段１１と、調光レベルを調整する調光レベル設定手段１２と、負荷の種類別に調光レベルとトライアックＱ１の導通時間の関係（調光テーブル）を記憶した記憶手段１３と、トライアックＱ１を駆動する駆動手段１４と、上記調光レベル設定手段１２で設定した調光レベルに対応した導通時間にわたり駆動手段１４をオン／オフ制御する制御回路１５と、トライアックＱ１に流れる電流が略ゼロになるタイミングを検出する電流検出手段１７とを備えている。なお、ノイズ低減用に負荷（照明器具）に並列にコンデンサＣ２を接続することもある。制御電源回路やマイコンのクロック回路などは図示を省略している。
【００２２】
トライアックＱ１は自己保持機能を有する双方向スイッチング素子であり、２個の逆阻止３端子サイリスタ（ＳＣＲ）を逆並列接続して用いても良い。調光レベル設定手段１２は、つまみやフェーダで調光レベルを設定し、制御回路１５に入力する可変抵抗などで構成される。記憶手段１３はＲＯＭ等で構成するが、制御回路１５がワンチップマイコン等で構成される場合は、制御回路１５に内蔵される。トライアックＱ１のトリガ信号（駆動手段１４の出力信号）は、図７の調光装置のトリガ信号と異なり、外部ノイズによる誤動作を防止する目的で、パルストリガではなく、ＤＣトリガ信号にすることが多い。パルストリガの場合、ノイズによってトライアックＱ１の電流が保持電流以下になると、トライアックＱ１がオフする誤動作の可能性がある。
【００２３】
動作を説明すると、ゼロクロス電圧検出手段１１で検出した交流電源Ｖｓのゼロクロスタイミングを基点に、記憶手段１３に記憶した調光テーブルに基づいて、トライアックＱ１のスイッチングのタイミングを変化させることにより負荷に印加される実効電圧を変化させて負荷の出力を調整する。ここで調光テーブルについて説明する。
【表１】
【００２４】
表１は調光テーブルの一例である。上記調光レベル設定手段１２で調光レベルを変更したとき、制御回路１５ではＡ／Ｄ変換等によって設定したい調光レベルをデジタル値に変換する。例えばＡ／Ｄ変換が８ビットの分解能であれば、０から２５５までのデジタル値になる。これが表１の調光ステップである。その調光ステップに対応する調光比を実現するために、トライアックＱ１の導通時間が調光テーブルに記録されている。ここで、調光ステップと調光比の関係をグラフ化したものが図２である。
【００２５】
制御回路１５は記憶手段１３を参照して、調光ステップに対応する導通時間を読み出し、ゼロクロス電圧検出手段１１で検出した交流電源Ｖｓのゼロクロスタイミングから、（交流電源半周期−導通時間）後にトライアックＱ１の駆動を開始する。トライアックＱ１の駆動電圧は、遅くとも次のゼロクロスタイミングまでにＯＦＦさせる。なお、交流電源半周期は５０Ｈｚの商用電源の場合、０．０１秒になる。
【００２６】
また、負荷によって、電流検出手段１７が検出した負荷電流が略ゼロとなるタイミングに応じて、記憶手段１３に保存された調光テーブルを選択する。そのために、記憶手段１３には、異なる負荷の種別毎に、あらかじめ調光レベルと双方向スイッチング素子Ｑ１の導通時間の関係（調光テーブル）を複数通り記憶してあり、そのなかから負荷に適合した調光テーブルを選択する。具体的には、例えば、表１の調光ステップを下位８ビットのアドレスとして、ＲＯＭ上に導通時間のデータがデジタル値として格納されており、ＲＯＭの読出アドレスの上位複数ビットを切り替えることで、異なる調光テーブルを読み出せるようにしている。
【００２７】
（実施形態１）
本発明の具体的な実施形態１を図３を用いて説明する。調光装置の負荷端子ａ，ｂには照明器具２が接続されている。商用の交流電源Ｖｓは調光装置の電源端子ｃ，ｄに接続されている。電源端子ｃ，ｄに接続されたコンデンサＣ１とチョークＬ１はノイズ低減用のフィルター回路を構成している。
【００２８】
Ｑ１はトライアックである。コンデンサＣ３と抵抗Ｒ１はトライアックＱ１のゲート信号を安定化するための部品である。ダイオードＤ１、ＰＮＰトランジスタＱ２、抵抗Ｒ２、Ｒ３、Ｒ７は、トライアックＱ１の駆動手段であり、ワンチップマイコンＩＣ２のＯＵＴ端子が“Ｌ”出力になると、ＰＮＰトランジスタＱ２がＯＮしてトライアックＱ１のゲート電流が流れ、トライアックＱ１が導通を開始する。
【００２９】
ダイオードＤ３、電解コンデンサＣ４、ＩＣ１、チョークコイルＬ２、電解コンデンサＣ６は、制御電源用の非絶縁スイッチング電源回路を構成している。ＩＣ１はスイッチング電源ユニットであり、例えば松下電器製ＭＩＰ９Ａ０１である。ダイオードＤ３で半波整流、電解コンデンサＣ４で平滑した直流電源がＤＲＩＮ端子に入力されると、電解コンデンサＣ６の両端に５Ｖが出力される。これがマイコンＩＣ２の電源電圧Ｖｃｃとなる。
【００３０】
ここで、電解コンデンサＣ６のプラス側がトライアックＱ１のＴ１端子と同電位であり、制御電源電圧Ｖｃｃのグランド（電解コンデンサＣ６のマイナス側）はトライアックＱ１のＴ１端子に対して−５Ｖとなる。従って、交流電源Ｖｓの極性に関わらず、ＰＮＰトランジスタＱ２がＯＮすれば、トライアックＱ１にゲート電流が流れる。つまり、電解コンデンサＣ６のプラス側→トライアックＱ１のＴ１端子→Ｇ端子→ダイオードＤ１→ＰＮＰトランジスタＱ２→抵抗Ｒ３→電解コンデンサＣ６のマイナス側の経路でゲート電流が流れる。
【００３１】
ダイオードＤ２、Ｄ４〜Ｄ７、抵抗Ｒ４〜Ｒ１１、ＰＮＰトランジスタＱ３、ツェナーダイオードＺＤ１、コンデンサＣ５、ＮＰＮトランジスタＱ４、コンデンサＣ７がゼロクロス電圧検出手段を構成している。交流電源Ｖｓの端子ｃ側の電圧が端子ｄ側より高い場合は、ダイオードＤ２がＯＮして抵抗Ｒ４とＲ５の中点に電圧が発生してダイオードＤ５もＯＮする。交流電源Ｖｓの端子ｄ側の電圧が端子ｃ側よりも高い場合は、ダイオードＤ４がＯＮしてＰＮＰトランジスタＱ３がＯＮする。その結果、ダイオードＤ７がＯＮする。ダイオードＤ５とＤ７はダイオードＯＲ構成であり、どちらか一方がＯＮすればトランジスタＱ４がＯＮする。従って、交流電源Ｖｓがゼロクロスの時だけトランジスタＱ４がＯＦＦしてマイコンＩＣ２のＶＺＥＲＯ端子が“Ｈ”レベルになる。それ以外の場合はＶＺＥＲＯ端子が“Ｌ”レベルになる。
【００３２】
ＶＲ１は調光装置の“つまみ”に接続された可変抵抗であり、調光レベル設定手段を構成し、マイコンＩＣ２のＡ／Ｄ変換端子ＶＲにアナログ電圧が入力される。カレントトランスＣＴ、抵抗Ｒ１２、ダイオードブリッジＤＢ１、抵抗Ｒ１３、ＰＮＰトランジスタＱ５、ダイオードＤ８、抵抗Ｒ１４、抵抗Ｒ１５は電流検出手段を構成している。照明器具電流（トライアックＱ１の電流）が流れていれば、抵抗Ｒ１２、ダイオードブリッジＤＢ１を介して抵抗Ｒ１３に電流が流れてＰＮＰトランジスタＱ５がＯＮする。その結果、抵抗Ｒ１５の両端に電圧が発生してマイコンＩＣ２のＩＺＥＲＯ端子が“Ｈ”レベルになる。逆にカレントトランスＣＴに所定以上の電流が流れなければ、トランジスタＱ５がＯＦＦしてＩＺＥＲＯ端子が“Ｌ”レベルになる。ダイオードＤ８は保護用であり、ＰＮＰトランジスタＱ５のＯＮ時の抵抗Ｒ１５の電圧が制御電源電圧Ｖｃｃを超えて上昇しようとすると、ダイオードＤ８が導通して電圧をクランプする。
【００３３】
以上をまとめると、トライアックＱ１に所定以上の電流が流れていればＩＺＥＲＯ端子は“Ｈ”レベル、そうでなければＩＺＥＲＯ端子は“Ｌ”レベルとなる。また、交流電源Ｖｓからの入力電圧がゼロクロスの時だけＶＺＥＲＯ端子が“Ｈ”レベルになり、それ以外の場合はＶＺＥＲＯ端子は“Ｌ”レベルになる。可変抵抗ＶＲ１の設定値はＶＲ端子から読み込まれる。そして、マイコンＩＣ２は、ＩＺＥＲＯ端子の状態、ＶＺＥＲＯ端子の状態、及びＶＲ端子のアナログ値を読み込むことにより、ＯＵＴ端子から位相制御信号を出力し、トライアックＱ１を制御している。
【００３４】
その制御の内容について説明する。電源投入後の最初の交流半周期にわたり、調光比１００％で点灯させる。すなわち、交流半周期の間、トライアックＱ１に駆動信号を与え続ける。具体的には、交流半周期の間、マイコンＩＣ２のＯＵＴ端子を“Ｌ”レベルに維持し、ＰＮＰトランジスタＱ２をＯＮとし、トライアックＱ１のゲート電流を流し続ける。
【００３５】
負荷がＬＥＤ照明器具である場合には、図１０（ｂ）や図１０（ｃ）に示すように、照明器具内のＬＥＤ合成順電圧に応じてトライアックＱ１の電流が略ゼロになるタイミングがある。このタイミングはマイコンＩＣ２のＩＺＥＲＯ端子が“Ｈ”→“Ｌ”に変化するタイミングとして検出できる。電源電圧ゼロクロスのタイミングから、トライアックＱ１の電流が略ゼロになるまでの時間は、照明器具内のＬＥＤ合成順電圧によって異なるので、マイコンＩＣ２はその時間を計時して、その計時結果よりマイコンＩＣ２のＲＯＭ（記憶手段）内の調光テーブルを選択する。
【００３６】
選択された調光テーブルに基づいて次回以降の半周期では、調光装置の“つまみ”で設定したＶＲ端子の電圧に応じた時間、すなわち調光ステップに対応する導通時間を読み出して、ゼロクロス電圧検出手段で検出した交流電源のゼロクロスタイミングから、（交流電源半周期−導通時間）後にトライアックＱ１の駆動信号をＯＮする。そして、次の電流ゼロクロスのタイミングまでに、トライアックＱ１の駆動信号をＯＦＦする。このようにして所定の調光レベルで調光制御できる。
【００３７】
上述のように、トライアックＱ１の電流が略ゼロになるタイミングに応じて調光テーブルを選択することによって、照明器具内のＬＥＤ合成順電圧に応じて最適な調光制御が可能になる。さらに自動的に調光テーブルを選択できることで設定の手間が省ける。
【００３８】
また、トライアックＱ１の電流が導通状態から略ゼロになったタイミング（ＯＦＦタイミング）だけでなく、トライアックＱ１の電流が導通開始したタイミング（ＯＮタイミング）と、トライアックＱ１の電流が導通状態から略ゼロになったタイミング（ＯＦＦタイミング）とに応じて、調光テーブルを選択してもよい。ＯＦＦタイミングだけに基づいて調光テーブルを選択する場合に比べると、パラメータが増えることにより、調光テーブル選択の精度を向上できる。
【００３９】
なお、カレントトランスＣＴの代わりにトライアックＱ１に直列接続した抵抗の両端電圧によって、トライアックＱ１の電流検出を行っても良い。
【００４０】
（実施形態２）
本発明の第２の実施形態を図４で説明する。図３との構成上の違いは、電流検出手段としてカレントトランスＣＴを用いずトライアックＱ１の両端電圧によって検出する構成とした点である。すなわち、交流電源Ｖｓがゼロクロス以外でトライアックＱ１がＯＦＦ（非導通）のときには、トライアックＱ１の両端電圧に一定以上の電圧（負荷のインピーダンスによって値は変化する）が発生する。そのときトライアックＱ１のＴ２端子側に接続した抵抗Ｒ１２、ダイオードブリッジＤＢ１を介して抵抗Ｒ１３に電流が流れてＰＮＰトランジスタＱ５がＯＮする。その結果、ＩＺＥＲＯ端子が“Ｈ”レベルになる。逆にトライアックＱ１がＯＮのときには、ＰＮＰトランジスタＱ５がＯＦＦとなり、ＩＺＥＲＯ端子は“Ｌ”レベルになる。なお、トライアックＱ１がＯＦＦのときに、負荷側に電流の流れる経路が全くなければ、ＰＮＰトランジスタＱ５がＯＮできないので、負荷（照明器具）に並列に抵抗Ｒ１６を接続する。照明器具内に抵抗Ｒ１６に相当する電流の経路があれば、抵抗Ｒ１６は省略できる。なお、抵抗Ｒ１６はトライアックＱ１の保持電流を考慮して設計する必要がある。
【００４１】
次に動作について説明する。実施形態１と異なるのは、電源投入直後に特別な負荷検出モードを設けて、そのモード中（電源半周期）はトライアックＱ１をパルストリガで駆動する。そのトリガは、図５の駆動信号のように、電源電圧の山部すなわちゼロクロス電圧タイミングより約１／４周期（位相角略９０°）で行う。電源電圧山部で駆動することによって照明器具のＬＥＤ合成順電圧Ｖｆに関わらずトライアックＱ１がＯＮできる（パルストリガのため、ＬＥＤ合成順電圧より低い電源電圧では駆動してもトライアックＱ１がＯＮしない）。
【００４２】
ＤＣトリガの場合は、図１２に示したように、負荷の容量性によって進相電流が流れ、ＬＥＤに流れる照明器具の電流が無くなっても逆向きの電流が流れるため、トライアックＱ１は一瞬ＯＦＦしても逆向きに電流が流れることがあるが、ここではパルストリガのため、電流ゼロクロス時点でトライアックＱ１の電流が保持電流以下となり、必ずＯＦＦする。このため確実に電流ゼロタイミングが検出できる。この負荷検出モードにおいて調光テーブルの選択ができれば、その後の通常モードでは照明器具に対応した調光テーブルに基づいて調光制御できる。
【００４３】
実施形態１のように、カレントトランスＣＴやトライアックＱ１に直列接続した抵抗を用いて電流検出する方式では、それらの部品に負荷電流が流れる構成のため、電流容量の大きい部品を選択しなければならず、サイズやコスト面で問題がある。また、その部品での電力ロスもあり、温度上昇も高い。さらに、負荷電流の幅が大きい（小負荷から大負荷まで対応する）調光装置であれば、ダイナミックレンジの大きい電流検出手段でなければならないが、本実施形態では、トライアックＱ１の両端電圧で電流検出する方式のため、負荷容量に関わらず電流検出ができ、電力ロスも少なく、部品サイズやコスト面でも有利である。
【００４４】
（実施形態３）
本発明の実施形態３を図６を用いて説明する。実施形態１と同じ部分はブロック図で示す。実施形態１との違いは、駆動回路として、フォトトライアックＰＴ１でトライアックＱ１を駆動する回路であることと、電流検出手段の構成が異なる。
【００４５】
駆動回路については、フォトトライアックＰＴ１の２次側と抵抗Ｒ１７、抵抗Ｒ１の直列回路がトライアックＱ１と並列的に接続されている。マイコンＩＣ２の駆動信号によりＰＮＰトランジスタＱ２がＯＮすると、フォトトライアックＰＴ１の１次側の発光ダイオードをＯＮする。その結果、フォトトライアックＰＴ１の２次側がＯＮして抵抗Ｒ１の両端に電圧が発生してトライアックＱ１を駆動する。
【００４６】
電流検出手段については、トライアックＱ１の保持電流とフォトトライアックＰＴ１の保持電流の差を利用している。トライアックＱ１は負荷電流を流す関係から比較的電流定格の大きい部品を選択する。フォトトライアックＰＴ１はトライアックＱ１を駆動することが目的であるから両者の保持電流は、（トライアックＱ１の保持電流）＞（フォトトライアックＰＴ１の保持電流）という関係がある。そのため、マイコンＩＣ２から駆動信号が出ていて、かつ照明器具のＬＥＤ合成順電圧以下に負荷電圧が下がったとき、トライアックＱ１がＯＦＦしても短い時間であるが、フォトトライアックＰＴ１がＯＮしている期間がある。このとき、抵抗Ｒ１７とＲ１には電流が流れているため、両端に電圧が発生する。そこで、この電圧を検出する手段を設け、電流検出手段１７としている。
【００４７】
抵抗Ｒ１７とＲ１の両端電圧は、トライアックＱ１がＯＮしているときは、フォトトライアックＰＴ１、抵抗Ｒ１７、Ｒ１の直列回路の両端電圧は略０Ｖであるから、抵抗の両端電圧も略０Ｖである。トライアックＱ１がＯＦＦでフォトトライアックＰＴ１がＯＮ状態に移行すると電圧が発生する。この抵抗Ｒ１７とＲ１の両端電圧を所定の閾値電圧と比較することで、トライアックＱ１の電流ＯＦＦタイミングが検出できる。このタイミングによって、調光テーブルを最適に選択できる。
【００４８】
本実施形態では、以上のような電流検出手段１７を採用したことによって、実施形態１のようなカレントトランスＣＴなどの部品を使う必要がなく、また、実施形態２に示したような、特別の負荷検出モードを設けなくてもよいため、設計の自由度が高い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の基本構成を示すブロック回路図である。
【図２】本発明に用いる調光テーブルの一例を示す調光特性図である。
【図３】本発明の実施形態１の構成を示す回路図である。
【図４】本発明の実施形態２の構成を示す回路図である。
【図５】本発明の実施形態２の動作説明のための波形図である。
【図６】本発明の実施形態３の構成を示す回路図である。
【図７】従来例１の調光装置の回路図である。
【図８】従来例２の調光装置の回路図である。
【図９】従来のＬＥＤ照明器具の回路図である。
【図１０】従来例２の動作説明のための波形図である。
【図１１】従来例２の課題を説明するための回路図である。
【図１２】従来例２の課題を説明するための波形図である。
【図１３】従来例２の課題解決手段を説明するための波形図である。
【符号の説明】
【００５０】
Ｑ１ トライアック
Ｖｓ 交流電源
１ 位相制御式調光装置
２ 照明負荷（ＬＥＤ照明器具）
１１ ゼロクロス電圧検出手段
１７ ゼロクロス電流検出手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己保持機能を有する双方向スイッチング素子と、ＬＥＤを用いた照明負荷と、交流電源とを直列に接続して閉回路を構成し、双方向スイッチング素子のオン期間を可変とすることで照明負荷への実効電力を可変とする位相制御回路を備える調光装置であって、前記位相制御回路は、調光レベルを設定するための調光レベル設定手段と、双方向スイッチング素子に流れる電流のゼロクロスを検出する第１のゼロクロス検出手段と、交流電源からの入力電圧のゼロクロスを検出する第２のゼロクロス検出手段と、入力電圧のゼロクロスと双方向スイッチング素子に流れる電流のゼロクロスとの時間差を計測する手段と、計測された時間差に基づいて調光レベルと双方向スイッチング素子のオン期間の関係である調光テーブルを選択する手段とを備えることを特徴とする調光装置。
【請求項２】
双方向スイッチング素子に流れる電流が導通状態から略ゼロになったタイミングに応じて調光テーブルを選択することを特徴とする請求項１記載の調光装置。
【請求項３】
双方向スイッチング素子に電流が流れ始めたタイミングと、双方向スイッチング素子に流れる電流が導通状態から略ゼロになったタイミングとに応じて調光テーブルを選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の調光装置。
【請求項４】
電源投入直後に設けた負荷判別モードにおいて、調光テーブルを選択し、その後の通常モードでは選択した調光テーブルに応じて調光制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の調光装置。
【請求項５】
双方向スイッチング素子をパルストリガして導通させた後、双方向スイッチング素子の両端電圧が上昇した時点を検出することで、双方向スイッチング素子に流れる電流が導通状態から略ゼロになったタイミングを検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の調光装置。
【請求項６】
前記双方向スイッチング素子よりも保持電流が小さく、前記双方向スイッチング素子を駆動するための補助双方向スイッチング素子と抵抗の直列回路を前記双方向スイッチング素子に並列的に接続し、前記抵抗の両端電圧を検出することによって、双方向スイッチング素子に流れる電流が導通状態から略ゼロになったタイミングを検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の調光装置。
【請求項１】
自己保持機能を有する双方向スイッチング素子と、ＬＥＤを用いた照明負荷と、交流電源とを直列に接続して閉回路を構成し、双方向スイッチング素子のオン期間を可変とすることで照明負荷への実効電力を可変とする位相制御回路を備える調光装置であって、前記位相制御回路は、調光レベルを設定するための調光レベル設定手段と、双方向スイッチング素子に流れる電流のゼロクロスを検出する第１のゼロクロス検出手段と、交流電源からの入力電圧のゼロクロスを検出する第２のゼロクロス検出手段と、入力電圧のゼロクロスと双方向スイッチング素子に流れる電流のゼロクロスとの時間差を計測する手段と、計測された時間差に基づいて調光レベルと双方向スイッチング素子のオン期間の関係である調光テーブルを選択する手段とを備えることを特徴とする調光装置。
【請求項２】
双方向スイッチング素子に流れる電流が導通状態から略ゼロになったタイミングに応じて調光テーブルを選択することを特徴とする請求項１記載の調光装置。
【請求項３】
双方向スイッチング素子に電流が流れ始めたタイミングと、双方向スイッチング素子に流れる電流が導通状態から略ゼロになったタイミングとに応じて調光テーブルを選択することを特徴とする請求項１又は２に記載の調光装置。
【請求項４】
電源投入直後に設けた負荷判別モードにおいて、調光テーブルを選択し、その後の通常モードでは選択した調光テーブルに応じて調光制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の調光装置。
【請求項５】
双方向スイッチング素子をパルストリガして導通させた後、双方向スイッチング素子の両端電圧が上昇した時点を検出することで、双方向スイッチング素子に流れる電流が導通状態から略ゼロになったタイミングを検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の調光装置。
【請求項６】
前記双方向スイッチング素子よりも保持電流が小さく、前記双方向スイッチング素子を駆動するための補助双方向スイッチング素子と抵抗の直列回路を前記双方向スイッチング素子に並列的に接続し、前記抵抗の両端電圧を検出することによって、双方向スイッチング素子に流れる電流が導通状態から略ゼロになったタイミングを検出することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の調光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−３２０３３（Ｐ２００６−３２０３３Ａ）
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０６７４４（Ｐ２００４−２０６７４４）
【出願日】平成１６年７月１４日（２００４．７．１４）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月１４日（２００４．７．１４）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]