(57)【要約】【課題】照明用ランプを位相制御により調光させる際に、従来のような高い耐圧性能のスイッチ素子を使用する必要がなく、比較的低い耐圧性能のスイッチ素子を使用できる調光点灯装置を提供すること。【解決手段】交流電源１０とランプ１２との間に直列に接続されたチョークトランス３４の主巻線Ｌ１と、チョークトランスの副巻線Ｌ２に直列に接続されてループ回路を形成するトライアック３８と、副巻線Ｌ２およびトライアック３８を流れるループ電流ｉ２を入り切りすることで、主巻線Ｌ１の導通電流ｉ１＋ｉ２’を位相制御するトライアック３８に対してオン／オフ指令を与える位相制御回路４０と、を含んで構成され、位相制御回路４０は、外部入力信号に応じてトライアック３８のオンデューティーを変化させるように設けられている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源入力端とランプ電流出力端との間に直列に接続されたチョークトランスの主巻線と、
前記チョークトランスの副巻線に直列に接続されてループ回路を形成する半導体スイッチ素子と、
前記副巻線および前記半導体スイッチ素子を流れるループ電流を入り切りすることで、前記主巻線の導通電流を位相制御する前記半導体スイッチ素子に対してオン／オフ指令を与える位相制御回路と、
を含んで構成され、
前記位相制御回路は、外部入力信号に応じて半導体スイッチ素子のオンデューティーを変化させるように設けられることを特徴とする調光点灯装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、前記チョークトランスは三次巻線を有し、前記三次巻線に生じる誘導起電力に基づいて、ランプ電流またはランプ電圧を検出する検出回路を備えることを特徴とする調光点灯装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の装置において、前記ランプ電流出力端には放電灯が接続されていることを特徴とする調光点灯装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の装置において、前記ランプ電流出力端には交流‐直流変換回路を介してＬＥＤランプが接続されていることを特徴とする調光点灯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電灯やＬＥＤランプなどの照明用点灯装置に関し、特に、チョークトランスを備えた調光点灯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
約３０年前より以前の銅鉄式の安定器で無段階調光を実現するためには、ボルトスライダーによる可変電圧入力が必要であり、そのような調光点灯装置が主流であった。しかし、調光を行う安定器のＶＡ以上のボルトスライダーが必要になり、非常に大がかりなシステムであった。
【０００３】
この課題に対し、位相制御を応用した図４（Ｃ）の連続調光点灯装置が提案されている（例えば、特許文献１）。まず、ベースとなる放電灯点灯装置について図４（Ａ）を用いて説明する。図４（Ａ）の点灯装置は、電源１０（例えば２２００Ｖ）に対して直列接続されたランプ１２およびメインチョーク１４を有し、交流で点灯するランプに流れる電流を制限する。メインチョーク１４は、単独で最大出力（例えば９ｋＷ）を発揮するコイルである。また、チョーク１４を用いた場合、電源電圧に対してランプ電流が遅れ位相になり一次力率が低下するため、ランプ１２に並列接続された力率改善用コンデンサ１６により力率改善が行われる。ここで、「チョーク」はチョークコイルを指す。
【０００４】
これに対して、図４（Ｂ）の２段階調光点灯装置は、放電灯１２に直列接続されたメインチョーク１４および追加チョーク１８を有し、追加チョーク１８に並列接続されたバイパス用のスイッチ２０を有する。スイッチ２０をＯＮさせた状態で点灯動作させれば、８．１Ａの電流が、スイッチ２０→メインチョーク１４を介して流れ、ランプ１２には定格ランプ電力（１３００Ｖ、９ｋＷ）が供給される。また、スイッチ２０がＯＦＦの状態で点灯動作すれば、５．７Ａの電流が、追加チョーク１８→メインチョーク１４を介して流れ、ランプ１２には定格の例えば２／３倍のランプ電力（１２４０Ｖ、６ｋＷ）が供給される。このようにメインチョークに直列にインピーダンスを足すことで２段階調光が可能となり、一般照明の回路では非常にポピュラーな構成として知られている。
【０００５】
図４（Ｃ）の連続調光点灯装置は、上記の２段階調光の構成に位相制御を組み合わせたものと言える。つまり、連続調光点灯装置では、スイッチ２０に代えて、トライアック（三端子半導体スイッチ素子）２２が追加チョーク１８に並列接続される。図５の波形図を使って調光動作について説明する。点灯中、トライアック２２が常時ＯＦＦであれば、２つのチョークのインピーダンスの作用により、波形ｉ１の最小電流（５．７Ａ）が流れ、ランプ電力は６ｋＷ（最小調光状態）になる。また、トライアック２２が常時ＯＮであれば、メインチョークのインピーダンスのみが作用するので、波形ｉ２の最大電流（８．１Ａ）になり、ランプ１２には定格ランプ電力（９ｋＷ）が供給される。
【０００６】
そして、図４（Ｃ）の位相制御回路２３によって、交流電源の０Ｖ位相（ゼロクロス）に同期してトライアック２２がＯＦＦされ、その半周期の間にＯＮされるという動作を繰り返すことで、追加チョーク１８の通電時間が制御（位相制御）される。図５にて、ＯＦＦ期間には波形ｉ１の電流が流れ、ＯＮ期間には波形ｉ２の電流が流れる。ＯＮデューティー（位相角（π−φ））を可変にすることで、追加チョーク１８に流れる電流量が調整されて、ランプ電流を実効値的に最大電流から最小電流まで変化させることができ、定格ランプ電力の１倍〜２／３倍の間での調光が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０５‐１３１８９号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図４（Ｃ）の調光点灯装置において、トライアック２２が開閉する電圧は、調光用の追加チョーク１８のインピーダンス電圧であり、この追加チョーク１８は、高いインピーダンス電圧と比較的大きなインダクタンスとを示す。このような追加チョーク１８の入り切りをトライアック２２が行えば、スイッチＯＦＦ時のサージ電圧が高くなってしまい、その結果、耐圧性の高い高価なトライアックを使用しなければならなかった。例えば、８ｋＷ型のＵＶランプ用電源装置（定格９ｋＷ）を想定すると、交流電源２２００Ｖに対して、追加チョークのインピーダンス電圧は４７０Ｖ程度に分圧される。トライアックの耐圧性能については、ＯＦＦ時のサージ電圧を考慮すると、６００Ｖ耐圧品では足らず、その上位の耐圧性能を有するトライアックを使わざるを得なかった。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、照明用ランプを位相制御により調光させる際に、従来のような高い耐圧性能のスイッチ素子を使用する必要がなく、比較的低い耐圧性能のスイッチ素子を使用できる調光点灯装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者は、従来型の位相制御方式の派生タイプとして、まず、図６（Ａ）および（Ｂ）に示す調光点灯装置について検討した。図６（Ａ）の調光点灯装置には、メインチョーク２４に対して、追加チョーク２８およびスイッチ３０の直列回路が、並列に接続されている。スイッチ３０をＯＦＦさせた状態で点灯動作させれば、５．７Ａの電流がメインチョーク２４を流れ、ランプ１２には定格の２／３倍のランプ電力（１２４０Ｖ、６ｋＷ）が供給される。また、スイッチ３０がＯＮの場合は、メインチョーク２４に５．７Ａの電流が流れるとともに、追加チョーク２８に２．４Ａの電流が流れるので、ランプ１２にはこれらを合算した８．１Ａの電流が流れて、定格ランプ電力（１３００Ｖ、９ｋＷ）が供給される。このように、２つのチョークを流れる電流を足し合わすことで、ランプを増光させて、２段階調光が可能となる。
【００１１】
図６（Ｂ）の連続調光点灯装置は、スイッチ３０に代えて、トライアック３２が追加チョーク２８に直列接続されている。図６（Ｃ）の波形図を用いると、点灯中、位相制御回路３３によってトライアック３２が常時ＯＦＦであれば、メインチョーク２４のインピーダンスだけの作用により、波形ｉ１の最小電流（５．７Ａ）が流れ、ランプ電力は６ｋＷ（最小調光状態）になる。また、トライアック３２が常時ＯＮであれば、２つのチョークのインピーダンスの作用によって、波形ｉ１および波形ｉ２を重ね合せた波形ｉ１＋ｉ２の最大電流（８．１Ａ）が得られ、ランプ１２には定格ランプ電力（９ｋＷ）が供給される。
【００１２】
そして、トライアック３２を動作させて、追加チョーク２８の通電時間を制御（位相制御）すると、トライアック３２のＯＮデューティー（位相角（π−φ））に応じて、図６（Ｃ）のように、ＯＦＦ期間には波形ｉ１の電流が流れ、ＯＮ期間には波形ｉ１＋ｉ２の電流が流れる。従って、ＯＮデューティーを可変にすることで、ランプ電流を実効値的に最大電流から最小電流まで変化させることができ、定格ランプ電力の１倍〜２／３倍の間での調光が可能になる。
【００１３】
しかし、図６（Ｂ）の調光点灯装置では、交流電源２２００Ｖに対して、メインチョーク２４のインピーダンス電圧が１５００Ｖ程度の分圧であり、このような高いインピーダンス電圧が、トライアック３２にも印加されることになる。従って、このような２つのチョークを並列に接続するような調光点灯装置は、従来においても採用されることは無かったものと考えられる。
【００１４】
ここで、発明者は、図６（Ｂ）の位相制御方式のような、メインチョークの電流に、位相制御によって追加の電流を足し合わせる技術に着目した。そして、メインチョークをトランスの主巻線で構成し、磁気的に結合している副巻線のループ電流をスイッチ素子で入り切りするという構成にすれば、スイッチＯＮ期間中だけ、メインチョークの電流にトランスの相互インダクタンスによる追加電流を足し合わせることができて、位相制御による調光動作が実現することを見出した。この結果、スイッチ素子を高圧であるメインチョークの回路上に配置せずに済み、低いインピーダンス電圧と小さなインダクタンスを有するチョークで構成された副巻線をスイッチング対象にできる。そうすれば、スイッチＯＦＦ時のサージ電圧も小さくなり、低い耐圧性能のスイッチ素子を利用することができる。
【００１５】
すなわち、本発明に係る調光点灯装置は、
図２のように交流電源入力端（Ｐ１）とランプ電流出力端（Ｐ２）との間に直列に接続されたチョークトランス（３４）の主巻線（Ｌ１）と、
前記チョークトランス（３４）の副巻線（Ｌ２）に直列に接続されてループ回路を形成する半導体スイッチ素子（３８）と、
前記副巻線（Ｌ２）および前記半導体スイッチ素子（３８）を流れるループ電流（ｉ２）を入り切りすることで、前記主巻線（Ｌ１）の導通電流（ｉ１＋ｉ２’）を位相制御する前記半導体スイッチ素子（３８）に対してオン／オフ指令を与える位相制御回路（４０）と、
を含んで構成され、
前記位相制御回路（４０）は、外部入力信号に応じて半導体スイッチ素子（３８）のオンデューティーを変化させるように設けられることを特徴とする。
【００１６】
ここで、前記チョークトランス（３４）は三次巻線（Ｌ３）を有し、前記三次巻線（Ｌ３）に生じる誘導起電力に基づいて、ランプ電流またはランプ電圧を検出する検出回路（４４）を備えることが好ましい。
前記ランプ電流出力端（Ｐ２）には放電灯（１２）が接続されていることを特徴とする。または、図３において前記ランプ電流出力端（Ｐ２）には交流‐直流変換回路（６２）を介してＬＥＤランプ（６４）が接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上の構成によれば、位相制御の際、半導体スイッチ素子は、低いインピーダンス電圧と小さなインダクタンスを示すチョークトランスの副巻線を入り切りすることになり、スイッチＯＦＦ時のサージ電圧を小さく抑えられるので、低圧大電流の半導体スイッチ素子による位相制御方式の調光点灯装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第一実施形態の調光点灯装置を示す概略構成図および動作波形図。
【図２】前記調光点灯装置の具体的な回路構成を示す図である。
【図３】本発明の第二実施形態の調光点灯装置を示す概略構成図である。
【図４】直列接続されたチョークトランスを含む従来の調光点灯装置の説明図。
【図５】図４の装置における調光動作と電流波形の関係を示す説明図。
【図６】並列接続されたチョークトランスを含む従来の調光点灯装置の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態に係る放電灯用の調光点灯装置の回路構成および回路動作について図面を参照して説明する。
図１（Ａ）の調光用点灯装置は、交流電源１０（例えば２２００Ｖ）に対して直列接続されたチョークトランス３４の主巻線（メインチョーク）Ｌ１およびランプ１２を有し、交流で点灯するランプ１２に流れる電流を制限する。主巻線Ｌ１は、最小調光時（後述するトライアックが常時ＯＦＦ）に単独で例えば６ｋＷ出力になるように設計されたメインチョークである。チョークトランス３４には、副巻線Ｌ２の分の窓枠（巻く余裕）を有し、必要に応じて三次巻線の分の窓枠を有していてもよい。また、主巻線Ｌ１およびランプ１２の直列回路に対して、力率改善用コンデンサ３６が並列に接続されている。なお、電源１０から主巻線Ｌ１までの間にあるコンデンサ３６の接続点Ｐ１は交流電源入力端子を示し、主巻線Ｌ１とランプ１２との接続点Ｐ２はランプ電流出力端子を示す。
【００２０】
チョークトランス３４の副巻線Ｌ２には、半導体スイッチ素子であるトライアック３８が直列に接続されており、副巻線Ｌ２およびトライアック３８によりループ回路が形成されている。主巻線Ｌ１に対する副巻線Ｌ２の巻線比率（Ｎ２／Ｎ１）は、主巻線Ｌ１のインピーダンス電圧に対して副巻線Ｌ２に生じる電圧を、選定したトライアック３８の耐圧まで落とすことができるように、概ね１／５〜１／１０の範囲内に設定されている。トライアック３８へは、位相制御回路４０からのオン／オフ指令が与えられ、副巻線Ｌ２およびトライアック３８を流れるループ電流ｉ２を入り切りする。
【００２１】
図１（Ｂ）を使って回路動作を説明する。トライアック３８をＯＦＦさせた状態で点灯動作させれば、５．７Ａの電流ｉ１が主巻線Ｌ１を流れて、ランプ１２の点灯電力が６ｋＷになる。主巻線Ｌ１に流れる電流ｉ１が交流波形であることから、トライアック３８をＯＮさせた状態で点灯動作させると、副巻線Ｌ２には相互誘導によりループ電流ｉ２が流れる。そして、チョークトランス３４の相互インダクタンスによって、単独で６ｋＷ出力の主巻線Ｌ１に、巻数比（Ｎ２／Ｎ１）に比例した２．４Ａの電流ｉ２’が追加される。その結果、主巻線Ｌ１には８．１Ａ（＝ｉ１＋ｉ２’＝５．７Ａ＋２．４Ａ）の電流が流れる。この電流値は、ランプ１２の最大出力９ｋＷに相当する電流である。このようにチョークトランス３４の副巻線Ｌ２に設けたトライアックをＯＮまたはＯＦＦするだけで、ランプ１２を２段階に調光することが可能となる。なお、図１（Ｂ）では、主巻線Ｌ１に流れる電流に対して、副巻線Ｌ２に流れる電流は桁が異なるため、別グラフとして示している。図的には図５の波形と似ているが、概念的には図６（Ｃ）の派生回路の動作と似ていて、トライアックＯＮによって主巻線Ｌ１の電流波形ｉ１に電流波形ｉ２’の足し算が行われている。
【００２２】
さらに、図１（Ｂ）の波形図を使って位相制御の動作を説明する。上記の２段階調光の構成にトライアック３８による位相制御を組み合わせれば、ランプ１２の連続調光制御が可能になる。点灯中、トライアック３８が常時ＯＦＦであれば、主巻線Ｌ１のインピーダンスの作用により、波形ｉ１の最小電流（５．７Ａ）が流れ、ランプ電力は６ｋＷ（最小調光状態）になる。また、トライアック３８が常時ＯＮであれば、チョークトランス３４の相互インダクタンスが作用して、波形ｉ１＋ｉ２’の最大電流（８．１Ａ）が流れて、ランプ１２には定格ランプ電力（９ｋＷ）が供給される。
【００２３】
そして、図１（Ａ）の位相制御回路４０によって、交流電源の０Ｖ位相（ゼロクロス）に同期してトライアック３４がＯＦＦされ、その半周期の間にＯＮされるという動作を繰り返すことで、相互インダクタンスによる追加電流ｉ２’の通電時間が制御（位相制御）される。図１（Ｂ）にて、ＯＦＦ期間には波形ｉ１の電流が流れ、ＯＮ期間には波形ｉ１＋ｉ２’の電流が流れる。ＯＮデューティー（位相角（π−φ））を可変にすることで、主巻線Ｌ１に流れる電流量が調整されて、ランプ電流を実効値的に最大電流から最小電流まで変化させることができ、定格ランプ電力の１倍〜２／３倍の間での調光が可能になる。
【００２４】
ここで、例えば、耐圧６００Ｖ、３０Ａのトライアックを選定したい場合、副巻線Ｌ２については１８０〜２００Ｖ程度を目安として起電圧が発生するような巻数Ｎ２に設定すると良い。巻数Ｎ２を少なくすればトライアック３８への印加電圧は小さくなるが、インピーダンスが小さくなるため電流ｉ２は大きくなる。電流ｉ２がちょうど数十Ａ程度流れるという設計にするのが良い。詳細は、チョークトランスの結合状態にもよるため、カット＆トライで実用的な巻数Ｎ２などに詰めていくと良い。
【００２５】
図２は、本実施形態の調光点灯装置の具体的な回路構成図である。
点灯装置は、交流電源１０側から、昇圧トランス５０、力率改善用コンデンサ３６、チョークトランス式トライアック回路５２、始動回路５４、および、ランプ１２の順に接続されている。
【００２６】
位相制御回路４０は、調光ボリューム４６からの外部入力信号に応じてトライアック３８のオンデューティーを変化させるように構成されている。また、位相制御回路４０は、交流電源の電源電圧を検出する検出回路４２、および、ランプ電圧・電流検出回路４４を含んでいる。検出回路４４は、チョークトランス３４に設けられた三次巻線Ｌ３に生じる誘導起電力に基づいて、ランプ電圧・ランプ電流をフィードバックする。位相制御は、電源電圧、ランプ電圧およびランプ電流の中から選択された検出値に基づいて切換タイミングを決定してもよい。また、ランプ１２の過電流や過電圧を検出することも可能である。例えば、ランプの整流現象が発生した場合に、位相制御を最小調光状態に切り替えることが可能となり、整流現象を抑制することができる。
【００２７】
トライアック回路５２は、チョークトランス３４の副巻線Ｌ２およびトライアック３８によるループ回路を含み、本実施形態では、トライアック３８に対して、抵抗およびコンデンサの直列回路が並列に接続されている。また、位相制御回路４０の出力端子ＧＴから発せられる指令信号は、抵抗を介してトライアック３８のゲートに印加される。
調光ボリューム４６は、単なる調光指示のボリュームである。本実施形態では、調光ボリューム４６を可変抵抗ＶＲで構成しており、この可変抵抗ＶＲは、トライアック３８のゲートのトリガー素子をＯＮさせるための素子である。可変抵抗ＶＲを操作すると、副巻線Ｌ２とトライアック３８の接続部の電位が変化して、トライアック３８のゲートのトリガー素子のオン電圧を調整することができ、位相制御のオンデューティーが変更されるようになっている。
【００２８】
＜本実施形態の効果＞
本実施形態の調光点灯装置では、交流電源２２００Ｖに対して、チョークトランスの主巻線Ｌ１のインピーダンス電圧が１５００Ｖ程度の分圧になるものの、副巻線Ｌ２のインダクタンスを小さく選定できることから、その副巻線Ｌ２に発生する誘導電圧を１８０〜２００Ｖ程度に小さく設定することが容易になり、トライアック３２には比較的低いインピーダンス電圧が印加されることになる。副巻線Ｌ２に生じる逆起電圧によるサージ電圧も小さくなる。このように、トライアック３８をメインの回路内に配置するのではなく、磁気的に結合したチョークトランスを利用して、その副巻線Ｌ２内に配置することで、位相制御の際にトライアック３８に印加される電圧をトライアック３８の定格（耐圧性能など）に合わせることが可能となった。従って、位相制御回路４０において、低圧・大電流のトライアックの利用が可能になった。
【００２９】
スイッチＯＦＦ時には、主巻線Ｌ１に流れる電流ｉ２’は無くなるが、電流ｉ１は引き続いて流れるので、主巻線Ｌ１に生じるサージ電圧は少ない。
【００３０】
図３は、本発明の第二実施形態に係るＬＥＤランプ用の調光点灯装置の回路構成である。電源１０からの交流電力は、チョークトランス式トライアック調光器６０を介して電源ユニット６２に供給される。電源ユニット６２では、入力電力に対して交流‐直流変換が実行され、ＬＥＤランプ６４へ所定の直流電流が供給されるようになっている。
【００３１】
図３のチョークトランス式トライアック調光器６０は、第一実施形態のトライアック回路と同様に、チョークトランスの主巻線、および、その副巻線とトライアックからなるループ回路を含み、外部からの調光信号に応じて主巻線の導通電流が位相制御されるように構成されている。
【００３２】
以上の各実施形態では、図１のように、チョークトランスの副巻線Ｌ２にトライアック３８を直列接続してなるループ回路を具体例として説明した。そして、図２の例のように、位相調整用の可変抵抗ＶＲからなる調光ボリューム４６を用いる場合を述べた。この可変抵抗ＶＲは、トライアック３８のゲートのトリガー素子をＯＮさせる電圧を調整するための素子である。
しかしながら、他の実施形態として、トライアックに代えてＦＥＴ等の半導体スイッチ素子を用いて、ＦＥＴ等をＩＣやマイコンで制御するように構成することもできる。例えばマイコンへ調光用の電圧信号をアナログ入力する場合、調光ボリュームによって、そのアナログ電圧値を調整するとよい。
【符号の説明】
【００３３】
１０  交流電源
１２  ランプ（放電灯）
３４  チョークトランス
３６  力率改善用コンデンサ
３８  トライアック（半導体スイッチ素子）
４０  位相制御回路
４２  電源電圧検出回路
４４  ランプ電圧・電流検出回路
４６  調光ボリューム
５０  昇圧トランス
５２  チョークトランス式トライアック回路
５４  始動回路
６０  チョークトランス式トライアック調光器
６２  電源ユニット（交流‐直流変換回路）
６４  ＬＥＤ発光素子（ＬＥＤランプ）
ｉ２  ループ電流
ｉ１＋ｉ２’  導通電流
Ｌ１  主巻線
Ｌ２  副巻線
Ｌ３  三次巻線
Ｐ１  交流電源入力端
Ｐ２  ランプ電流出力端
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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