(57)【要約】【課題】位相制御装置によって、負荷の出力を最大〜最小に制御した場合でも、電力調整手段の制御手段に十分な電力を供給可能にして電力調整手段を安定に動作できるようにすること。【解決手段】位相制御手段２が、まず、半サイクルの全期間より短い期間内（位相制御期間）において位相制御電圧を出力し、電力制御手段１０はこの位相制御電圧から位相制御信号を検出する。位相制御手段１０は前記位相制御期間以外の残余の期間にも導通して電力制御手段１０に電力を供給する。このため、電力制御手段１０の制御手段１２は電力調整手段１１を安定に作動させるのに十分な出力を供給される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源電圧を位相制御するものであって、交流電源電圧の各半サイクルの全期間の内、予め設定された前記全期間より短い期間内を位相制御期間とし、残余の期間を導通期間とする位相制御手段と；
位相制御手段の出力電圧を供給されて位相制御電圧に応じた電力を負荷に出力するものであって、出力電力を変化可能な電力調整手段及び電力調整手段の出力電力を変化させる制御手段を含んでなる電力制御手段と； 
を具備していることを特徴とする負荷制御装置。
【請求項２】
交流電源電圧を位相制御するものであって、交流電源電圧の各半サイクルの全期間の内、予め設定された前記全期間より短い期間内で最小出力から最大出力までを示す位相制御電圧を出力し、残余の期間には導通する位相制御手段と；
位相制御手段の出力電圧を供給され負荷に対して出力するとともに出力電力を変化可能な電力調整手段、電力調整手段の出力電力を制御信号に応じて変化させる制御手段及び位相制御手段からの出力から制御手段用の電源を形成する制御用電源手段を含んでなる電力制御手段と；
を具備していることを特徴とする負荷制御装置。
【請求項３】
前記位相制御手段は、交流電源電圧の各半サイクルの全期間の内、０〜π／２またはπ／２〜πのいずれかの期間内で最小出力から最大出力までを示す位相制御した制御電圧を出力し、残余の期間には導通するものであることを特徴とする請求項１または２記載の負荷制御装置
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一に記載の負荷制御装置と；
負荷制御装置の負荷としての半導体発光素子と；
半導体発光素子を装着している照明器具本体と；
を具備していることを特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源電圧を位相制御した位相制御電圧を供給して負荷の出力や作動を制御するいわゆる位相制御式の負荷制御装置およびこの負荷制御装置を用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、トライアックやサイリスタ等の位相制御素子を用いて交流電源電圧の導通位相を制御し、この位相制御された電圧にて負荷を付勢するものが知られている。すなわち、前記位相制御された電圧を供給することにより、負荷の交流電圧の半サイクルにおける作動期間を制御したり、負荷への供給電力（実効値）を制御したりして負荷の出力や作動を制御するものである。このような負荷制御装置のうち、負荷が直流負荷のような場合には位相制御電圧を所望の直流電圧に変換するために、整流装置と、チョッパやインバータとからなる電力調整手段を用いることがあり、これらチョッパやインバータのスイッチング素子を駆動するための制御部が設けられる。また、負荷への供給電力を一定化したり、異常時に保護したりするためにフィードバック制御することがあり、この場合にも制御部が設けられる。
【０００３】
このような負荷制御装置の一例として、光源例えば発光ダイオードを負荷とするものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１のものは、位相制御された交流電圧を全波整流した後、直流電源回路にて所要の直流電圧に変換し、この直流電圧を発光ダイオードに供給可能にするとともに、供給経路にスイッチング素子を設けている。また、位相制御された電圧から位相制御素子のオン期間を検出し、この検出信号に応じて供給経路のスイッチング素子を位相制御素子のオン期間にはオン、オフ期間にはオフするように制御する。この特許文献１の記載によれば、発光ダイオードに対して、位相制御素子がオンしている全期間にわたって、発光ダイオードのオン電圧以上の直流電圧を供給できるために、発光ダイオードを安定的に調光できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１９９５６７号公報（図６〜図８、（００３７）〜（００４７））
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のように、直流電源回路を用いる場合や、負荷の出力一定化や安全化のために供給電力に何らかの制御（例えばフィードバック制御）が必要な場合などでは、制御部の動作電圧が不安定になり、制御が不安定になることがある。
【０００７】
すなわち、図６に示すように、交流電源電圧の相対的に早い位相（Ａ）で導通開始する位相制御電圧を供給される場合には、直流電源回路の制御部も十分な動作電力を供給される。しかしながら、図６の（Ｂ）で示すような遅い位相で導通開始する位相制御電圧を供給される場合には、直流電源回路の制御部の動作電圧が不十分になって、制御部が所定の制御を行えないことがある。この場合には、安定した負荷の動作を得られなくなる。
【０００８】
特許文献１のものでは、図６の（Ｂ）に示すような、位相制御出力を最小付近にまで絞って位相制御装置の出力電圧が小さくなると、直流電源回路４を構成するＩＰＤ４ａを駆動するドライブ回路の動作電圧が不足し、発光ダイオードの光出力にちらつきを生じるといったようなことがある。
【０００９】
したがって、本発明は、位相制御装置によって、負荷の出力を最大〜最小に制御した場合でも、電力調整手段の制御部に十分な電源を供給可能にして電力調整手段を安定に動作でき、また、負荷への制御電力をフィードバック制御するような場合でも制御部の動作を安定にして、負荷を所望に制御できる負荷制御装置およびこの負荷制御装置を用いた照明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】
請求項１記載の負荷制御装置は、交流電源電圧を位相制御するものであって、交流電源電圧の各半サイクルの全期間の内、予め設定された前記全期間より短い期間内を位相制御期間とし、残余の期間を導通期間とする位相制御手段と；位相制御手段の出力電圧を供給されて位相制御電圧に応じた電力を負荷に出力するものであって、出力電力を変化可能な電力調整手段及び電力調整手段の出力電力を変化させる制御手段を含んでなる電力制御手段と；を具備していることを特徴とする。
【００１１】
本発明および以下の発明において、特に説明が無い限り各用語の意味ないしは定義はつぎのとおりである。
【００１２】
位相制御手段は、トライアックやサイリスタ等の自己保持形のスイッチング素子を用いて構成することが比較的安価に提供できるので好適であるが、トランジスタ、電界効果トランジスタ、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ等他のスイッチング素子を用いて構成することも可能である。位相制御方式としては、交流電圧の半サイクルの初期から導通して所定位相で非導通になることによって位相制御するもの、半サイクルの所定位相までは非導通で所定位相から終期まで導通することによって位相制御するもののいずれでもよい。さらには、交流電圧の半サイクル中の任意の位相でオン、オフするものであってもよい。これらのいずれも、当業者であれば、上述したようなあるいはその他任意のスイッチング素子を用いて必要に応じて構成し得るものである。
【００１３】
また、本発明において、「交流電源電圧の各半サイクルの全期間の内、予め設定された前記全期間より短い期間」とは、正弦波電圧を例にあげて説明すると、各半サイクルの位相０〜πよりも短い期間を意味している。例えば、０〜π／２またはπ／２〜πの期間とすることができる。さらに、構成が若干複雑になるが、半サイクルの０位相付近およびπ位相部分を除いた中間部分とすることもできる。
【００１４】
さらに、位相制御装置は、半サイクルの全期間より短い期間内において位相制御電圧を出力し、残余の期間は導通するものであるが、残余の期間全てにおいて導通することを必須とするものではない。負荷の容量、必要とする制御部の電源容量等に応じて導通期間を加減してもよい。
【００１５】
電力制御手段は、出力電力を変化可能な電力調整手段及び電力調整手段の出力電力を変化させる制御手段を含んでいるが、必要に応じてその他の手段を含んでいてもよい。例えば、特許文献１のように、整流手段や平滑コンデンサ、出力電圧を検知するフィードバック手段等を含んでいてもよい。あるいは、本発明においては、整流手段、平滑コンデンサ、出力電圧を検知するフィードバック手段等を含んで電力調整手段を構成するようにしてもよい。すなわち、電力調整手段は、負荷に応じて、また、必要とする制御機能に応じて任意に構成することが可能である。
【００１６】
制御手段は、位相制御手段の導通位相を検知して電力調整手段の出力電圧を制御するもの、さらに、これに加えて負荷状態を監視し負荷状態に応じて出力電圧を制御するもの、人感センサや照度センサに応じて出力電圧を制御するもの等、制御の基となる制御信号の種類は限定されない。
【００１７】
また、制御手段はディスクリート部品で構成することも可能であるが、マイコンやデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）等で構成することも可能であり、マイコンやＤＳＰ等デジタル処理を行うものを用いる場合には、小形化が可能であり、特許文献１のように構造上スイッチング素子等と一体化できる点で有効である。また、位相制御期間の記憶、検知等もタイマ手段の使用や波形検知等から比較的容易に実現できる点でも有効である。
【００１８】
負荷は、限定されるものではなく、交流負荷でも直流負荷でもよく、例示すると光源、電動機、充電器等であるが、それ以外のものでもよい。
【００１９】
請求項１記載の負荷制御装置は、位相制御手段が、まず、半サイクルの全期間より短い期間内（位相制御期間）において位相制御電圧を出力し、電力制御手段に供給する。また、位相制御手段は前記位相制御期間以外の残余の期間には導通して電力制御手段に電力を供給する。これにより電力制御手段の電力調整手段および／または制御手段は、前記位相制御電圧から位相制御信号を検出し、この位相制御信号に応じて負荷への供給電力を制御する。また、電力制御手段の制御部は、少なくとも、前記位相制御期間以外の残余の期間にも位相制御手段から電力を供給されるから、自らが安定に動作可能であり、電力調整手段を所望に制御して負荷を安定に作動させることが可能になる。
【００２０】
請求項２記載の負荷制御装置は、交流電源電圧を位相制御するものであって、交流電源電圧の各半サイクルの全期間の内、予め設定された前記全期間より短い期間内で最小出力から最大出力までを示す位相制御電圧を出力し、残余の期間には導通する位相制御手段と；位相制御手段の出力電圧を供給され負荷に対して出力するとともに出力電力を変化可能な電力調整手段、電力調整手段の出力電力を制御信号に応じて変化させる制御手段及び位相制御手段からの出力から制御手段用の電源を形成する制御用電源手段を含んでなる電力制御手段と；を具備していることを特徴とする。
【００２１】
請求項２記載の発明は、電力制御手段を具体化している以外は請求項１記載の発明と実質的に同じである。
【００２２】
請求項３記載の負荷制御装置は、請求項１または２記載の発明において、前記位相制御手段は、交流電源電圧の各半サイクルの全期間の内、０〜π／２またはπ／２〜πのいずれかの期間（位相制御期間）内で最小出力から最大出力までを示す位相制御した制御電圧を出力し、残余の期間には導通するものであることを特徴とする。
【００２３】
請求項３記載の発明は、交流電源電圧の半サイクル毎に少なくともピーク値あるいはその付近を含む位相制御電圧（残余期間の電圧）を電力制御手段に供給し、制御手段の動作電力を確実なものとする。
【００２４】
請求項４記載の照明装置は、請求項１ないし３のいずれか一に記載の負荷制御装置と；負荷制御装置の負荷としての半導体発光素子と；半導体発光素子を装着している照明器具本体と；を具備していることを特徴とする。
【００２５】
請求項４記載の照明装置は、半導体発光素子が例えば発光ダイオードのように固有のオン電圧を有するものであって、位相制御手段が最小出力を示す位相制御電圧を出力している場合でも、半導体発光素子を安定に点灯制御する。
【００２６】
従来（図６のような制御）においては、固有のオン電圧を有する発光素子は供給される電圧がオン電圧近傍にまで低下すると、自己のオン電圧との関係でオン状態（点灯状態）が不安定になることがある。すなわち、従来の図６のＢのように最小出力付近にまで位相制御電圧を絞った場合には、電力調整手段および制御手段への供給電圧が減少するため、制御手段が作動電力不足により出力電力を制御不能になり、結局、電力制御手段は単に電力を出力可能な状態にあるだけとなり、前述のオン電圧との関係により制御下限が特定されず、発光素子がちらつく等の問題があった。
【００２７】
これに対し請求項４記載の発明は、位相制御手段が最小出力付近まで位相制御電圧を絞っている期間でも、位相制御期間以外の期間に制御手段に十分な動作電力を供給するから、制御手段は位相制御信号に応じて電力調整手段の出力電力を確実に制御可能となる。これにより、電力制御手段側で制御下限を特定でき、発光素子のちらつき等の問題を解消ないしは軽減する。
【発明の効果】
【００２８】
請求項１記載の発明によれば、電力制御手段が制御手段の作動用の電力を十分に供給されるから、電力調整手段を安定に動作し、負荷を所望に制御することができる。
【００２９】
請求項２記載の発明によれば、請求項１の発明と同様の効果を奏する。
【００３０】
請求項３記載の発明によれば、制御手段への供給電力をより確実にして電力調整手段を安定に動作し、負荷を所望に制御することができる。
【００３１】
請求項４記載の発明によれば、半導体発光素子のちらつき等の問題を解消ないしは軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す回路図。
【図２】同じく作用を示す波形図。
【図３】同じく位相制御手段の一例を示す回路図。
【図４】同じく電力制御手段の一例を示す回路図。
【図５】同じく位相制御手段の導通期間を検出する一例を示す回路図。
【図６】従来の位相制御装置の出力の一例を示す波形図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００３４】
図１は本発明の第１の実施形態を示す回路図、図２は同じく作用を示す波形図、図３は同じく位相制御手段の一例を示す回路図、図４は同じく電力制御手段の一例を示す回路図、図５は同じく位相制御手段の導通期間を検出する一例を示す回路図である。
【００３５】
交流電源１には位相制御手段２が接続されている。位相制御手段２はトライアック３およびトライアック３の導通制御手段４を有している。また、この位相制御手段２は、図２（ａ）に示すように、例えば交流電源１の出力電圧の毎半サイクルの０（π）からπ／２（３／２π）の間で導通位相を制御された位相制御電圧を出力し、π／２（３／２π）からπ（２π）の間は位相制御されない電圧を出力する。なお、本発明および本実施形態において、前記０、π／２、π、３／２πおよび２π等の位相とは厳格な意味ではなく、若干の位相差を許容するものである。
【００３６】
すなわち、本実施形態では、位相制御手段２は、図２（ｂ）に模式的に示すように、０（π）からπ／２（３／２π）の期間を位相制御期間として、この期間内で負荷に対する電力供給を０％から１００％まで制御する位相制御電圧を出力するものである。また、π／２（３／２π）からπ（２π）の期間を導通期間として、この期間内では全導通するものである。
【００３７】
位相制御手段２から上記のような電圧を出力するために、導通制御手段４を図３のように構成することができる。すなわち、交流電源１の出力間に可変抵抗５、抵抗６および抵抗７の直列回路を設けるとともに、抵抗６および抵抗７の中間とトライアック３のゲート極との間に、ダイアック等のトリガ素子８を設けている。また、抵抗７と並列にコンデンサ９を設けている。
【００３８】
このような回路構成において、前記可変抵抗５の抵抗値を壁面等に設置される図示しない調光器の操作部（ボリューム等と称される。）によって変化されるようにする。一方、可変抵抗５、抵抗６および抵抗７の定数設定により、可変抵抗５の抵抗値を最小（調光器の操作部による出力設定を最大）にした場合に、トリガ素子８が０位相でオンするようになされている。同じく、可変抵抗５の抵抗値を最大（調光器の操作部による出力設定を最小）にした場合に、トリガ素子８がπ／２位相でオンするようになされている。
【００３９】
トライアック３はトリガ素子８のオンに応じてゲート信号を与えられて導通し、自己保持電流が減少するまで導通を保持する。したがって、位相制御手段２は、位相制御信号（本実施形態においては調光器の操作部の操作によって与えられる調光信号）に係わらず、常に導通位相がπ／２〜πの間の電圧を含む位相制御電圧を出力することができる。
【００４０】
なお、図３のトライアック３と直列接続されたインダクタｌ、これらと並列的に接続されたコンデンサｃは、ノイズ防止や過渡的な電流変化を緩和するため等の目的に用いられている。
【００４１】
このような位相制御手段２の出力側に電力制御手段１０が設けられている。電力制御手段１０は、位相制御手段２から電力の供給を受け、半導体発光素子例えば発光ダイオードのような負荷Ｌに対して出力するものであって、出力電力を変化可能な電力調整手段１１と、電力調整手段１１の出力電力を制御信号に応じて変化させる制御手段１２とを有している。
【００４２】
負荷Ｌは、１個または複数個が、直列または直並列接続され、図示しないが、周知あるいは任意の照明器具本体に装着される。
【００４３】
この電力制御手段１０の一例を図４を参照して説明する。本実施形態の電力調整手段１１は、位相制御手段２の出力をヒューズ機能を兼ねる抵抗１３およびダンピング用のインダクタ１４を介して全波整流手段１５に入力する。そして、全波整流手段１５の出力電圧を整流器１６、コンデンサ１７およびインダクタ１８を介して平滑コンデンサ１９にて平滑する。この平滑コンデンサ１９の出力側には降圧チョッパ２０が設けられている。
【００４４】
降圧チョッパ２０は、平滑コンデンサ１９の両端子間に平滑コンデンサ２１、インダクタ２２およびスイッチング素子２３の直列回路が接続されている。また、前記平滑コンデンサ２１およびインダクタ２２の直列回路に対して、インダクタ２４およびダイオード２５の直列回路が並列的関係となるように接続されている。
【００４５】
このような降圧チョッパ２０は、スイッチング素子２３のオン期間を制御されることにより、平滑コンデンサ２１の充電電圧が変化され、負荷Ｌへの供給電力を変化可能にしている。
【００４６】
制御手段１２は、位相制御手段２からの出力電圧を全波整流した電圧を抵抗３０〜３２にて分圧し、コンデンサ３３にて平滑して制御用電源を形成している。定電圧素子３４は電圧一定化用のために用いられている。３５は前記制御用電源を供給されて作動し、チョッパ回路２０のスイッチング素子２３のオン期間を制御する信号を出力するものである。このような制御手段３５としてはマイコン等で構成することができる。
【００４７】
なお、前記分圧抵抗３１および３２の中間の出力は制御手段３５に入力され、制御手段３５にて所定期間における平均値を検出するようになっている。制御手段３５は、この平均値の大きさに応じて、スイッチング素子２３のオン期間を決定するものである。すなわち、平均値が相対的に大きいということは、位相制御手段２が相対的に早い位相で導通して負荷に対して大きい電力を供給しようとしている場合であるから、スイッチング素子２３のオン期間を大きくする。また、平均値が相対的に小さいということは、位相制御手段２が相対的に遅い位相で導通して負荷に対して小さい電力を供給しようとしている場合であるから、スイッチング素子２３のオン期間を小さくする。
【００４８】
位相制御手段２の位相制御期間における導通期間を検出する他の実施形態を図５を参照して説明する。図５において抵抗４０および４１は図４の全波整流手段１５の出力端間に接続される。そしてこれら抵抗４０および４１の中間にトリガ素子４２の一端を接続している。トリガ素子４２の他端は、図示しないが例えばマイコン等の導通検出手段に直接あるいは間接的に接続される。この場合、マイコン等は位相制御手段２の位相制御期間を予め記憶しているものとする。
【００４９】
このような回路構成によれば、位相制御手段２から位相制御電圧が出力されることによりトリガ素子４２がオンするので、このトリガ素子４２を介してマイコン等は導通期間を検出することができる。位相制御期間以外の残余の期間の導通は位相制御信号としとは意味を持たず、単に電力供給用として作用する。
【００５０】
したがって、この場合も、導通期間に応じて電力調整手段の出力電力を制御することにより、負荷への供給電力を制御することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１…交流電源、２…位相制御手段、３…トライアック、４…導通制御手段、１０…電力制御手段、１１…電力調整手段、１２…制御手段、Ｌ…負荷。
【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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