(57)【要約】【課題】本発明の目的は、過電流耐量の心配なく、サイリスタによる主スイッチ回路側を通して過渡期にも十分な電力を白熱灯に供給することができ、光束立上りに遅れを生じないようにすることのできる白熱灯調光装置を提供すること。【解決手段】白熱灯１２に対する交流電源ライン１１上に接続されて毎半サイクル位相制御されるサイリスタ１３，１４による主スイッチ回路１５と；この主スイッチ回路１５と並列に接続されたスイッチング素子１９を含む補助スイッチ回路２０と；サイリスタ１３，１４が点弧する直前の区間で補助スイッチ回路２０のスイッチング素子１９をリニア動作させる補助スイッチ回路制御手段２６と；白熱灯１２に対する出力電流を監視する監視手段３５と；交流電源に同期して主スイッチ回路１５中のサイリスタ１３，１４を点弧させるタイミング信号を生成出力すると共に、スイッチング素子１９のリニア動作で一定値以上の出力電流が流れたときにタイミング信号を繰上げ出力させるタイミング信号発生手段２２と；を備えていることを特徴とする。【選択図】　図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　白熱灯に対する交流電源ライン上に接続されて毎半サイクル位相制御されるサイリスタによる主スイッチ回路と；
　この主スイッチ回路と並列に接続されたスイッチング素子を含む補助スイッチ回路と；
　サイリスタが点弧する直前の区間で前記補助スイッチ回路のスイッチング素子をリニア動作させる補助スイッチ回路制御手段と；
　白熱灯に対する出力電流を監視する監視手段と；
　交流電源に同期して前記主スイッチ回路中のサイリスタを点弧させるタイミング信号を生成出力すると共に、スイッチング素子のリニア動作で一定値以上の出力電流が流れたときにタイミング信号を繰上げ出力させるタイミング信号発生手段と；
を備えていることを特徴とする白熱灯調光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、例えばスタジオ、劇場、舞台等の照明に適した白熱灯調光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
　一般に、この種の舞台照明等においては演出効果を高める等の目的から、調光照明は欠かせない。ここに、照明に白熱灯を用いたものでは、この白熱灯に供給する電力を調光レベルに応じて可変させるために、例えば、図１３（ａ）に示すように交流電源１のライン上に一対のサイリスタ２，３を逆並列接続して設け、毎半サイクルでゼロクロス検出後に調光信号レベルに応じたタイミングでこれらのサイリスタ２，３を点弧させる位相制御を行い、同図（ｂ）に示すような波形の電力を白熱灯４に供給することにより実現している。
【０００３】
　このようなサイリスタ２，３の位相制御では、電流が急峻に変化するため、点弧時のｄｉ／ｄｔが大きいので、高周波ノイズ（ＲＦノイズ）が発生する。また、負荷である白熱灯４のフィラメント部分では音響ノイズが発生するという不具合がある。
【０００４】
　このようなことから、実際的には、図１４（ａ）に示すように、サイリスタ２，３に直列にリアクタＬを挿入し、このリアクタＬにより同図（ｂ）に示すように、電流の立上り（サイリスタ２，３の点弧時）をゆるやかにする方式が採られている。しかし、リアクタＬが大型となり、高価である上に、このリアクタＬ自体が音響ノイズとなる唸りを発生し、静粛な環境を阻害し、スタジオ、舞台等の照明として不向きなものとなる。
【０００５】
　このようなことから、ノイズを軽減させるための方式として、電流の立上り及び立下りの傾斜制御を行うようにしたものが、特許文献１及び特許文献２に示されている。具体的には、サイリスタに代えて、トランジスタ、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）、ＩＧＢＴ（ゲート絶縁型バイポーラトランジスタ）等のスイッチ素子を用いて傾斜制御を行えるようにしたものである。
【特許文献１】米国特許第４，９７５，６２９号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８２３，０６９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
　ところが、これらの傾斜制御に用いられるスイッチ素子は、高価であり、オン抵抗が大きいため、発熱が大きいという欠点がある。また、これらのスイッチ素子は、過電流耐量がサイリスタよりも小さいため、電源投入時の低抵抗状態下では過電流により破壊する可能性がある。即ち、白熱灯負荷の場合、電源投入時のようにフィラメントが冷えている時には、抵抗値が低く、定格電流の数倍〜１０倍程度の電流が数サイクル分流れるが、上記のようなスイッチ素子はこのような突入電流に耐えないものである。かといって、これらのスイッチ素子の破壊を防止するため、供給電流を制限すると、白熱灯に十分電力を供給できず、白熱灯の立上りが遅れてしまう。これでは、舞台照明等として演出効果を自由に発揮させることができず、不適なものとなってしまう。
【０００７】
　また、この種の装置では、出力短絡時の保護が必要であるが、従来にあっては、入力側に過電流保護用のブレーカを設けているに過ぎないものである。
【０００８】
　本発明の目的は、過電流耐量の心配なく、サイリスタによる主スイッチ回路側を通して過渡期にも十分な電力を白熱灯に供給することができ、光束立上りに遅れを生じないようにすることのできる白熱灯調光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
　本発明の白熱灯調光装置は、白熱灯に対する交流電源ライン上に接続されて毎半サイクル位相制御されるサイリスタによる主スイッチ回路と；この主スイッチ回路と並列に接続されたスイッチング素子を含む補助スイッチ回路と；サイリスタが点弧する直前の区間で前記補助スイッチ回路のスイッチング素子をリニア動作させる補助スイッチ回路制御手段と；白熱灯に対する出力電流を監視する監視手段と；交流電源に同期して前記主スイッチ回路中のサイリスタを点弧させるタイミング信号を生成出力すると共に、スイッチング素子のリニア動作で一定値以上の出力電流が流れたときにタイミング信号を繰上げ出力させるタイミング信号発生手段と；を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
　本発明によれば、毎半サイクルのオン区間の大半はオン抵抗の小さいサイリスタによる主スイッチ回路が受持つため、発熱の少ないものとなり、かつ、その急峻な立上り部分については補助スイッチ回路制御手段によってリニア動作する補助スイッチ回路のスイッチング素子が受持つため、傾斜状態で立上ってサイリスタのオン区間に移行することとなり、唸りによる音響ノイズが発生するといった問題も解決する。
【００１１】
　さらに、電源投入時等の白熱電球のフィラメント抵抗が小さいときには、出力電流が大きくなるため、監視手段により、一定値以上の電流が監視されたときには、タイミング信号発生手段がタイミング信号を繰上げ出力させるため、スイッチング素子のリニア動作に代えて、サイリスタの点弧が早められる。したがって、過電流耐量の心配なく、サイリスタによる主スイッチ回路側を通して過渡期にも十分な電力を白熱灯に供給することができ、光束立上りに遅れを生じないものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
　まず本発明で前提とする構成について図１ないし図４に基づいて説明する。
【００１３】
　交流電源１１と白熱灯１２との間には２つのサイリスタ１３，１４を逆並列接続した主スイッチ回路１５が接続されている。各サイリスタ１３，１４のゲートに対してはフォトカプラの一方を構成するフォトサイリスタＰＴＨ1 ，ＰＴＨ2 を含み、分圧抵抗Ｒ11，Ｒ12，Ｒ21，Ｒ22で形成された分圧トリガ回路１６，１７が接続されている（もっとも、抵抗Ｒ11，Ｒ12は必須ではなく、以下の実施例中で図示するように省略し、或いは、他の素子に代えてもよい）。また、この主スイッチ回路１５に並列に全波整流回路１８とスイッチング素子、例えばＩＧＢＴ１９とによる補助スイッチ回路２０が接続されている。
【００１４】
　さらに、前記交流電源１１に対して入力電圧監視用の電源トランス２１が接続され、この電源トランス２１の出力に基づき毎半サイクルでゼロクロスを検出し、かつ、伝送線を介して入力される調光信号のレベルに応じたタイミングでサイリスタ１３，１４の位相制御を行うためのタイミング信号を生成出力するタイミング発生部（タイミング信号発生手段）２２が設けられている。このタイミング発生部２２は前記フォトカプラを構成するフォトサイリスタＰＴＨ1 ，ＰＴＨ2に対応する発光ダイオードＬＥＤ1 ，ＬＥＤ2 を通してサイリスタ１３，１４の位相制御、従って、点弧制御を行うものである。このタイミング発生部２２は、より具体的には、図２に示すように、ゼロクロス検出回路２３と、そのゼロクロス検出後の経過時間を計数するカウンタ２４とにより構成されている。
【００１５】
　また、前記白熱灯１２に対する出力電圧を監視するために監視トランス（監視手段）２５が設けられ、この監視トランス２５により監視されている出力電圧の帰還を受けながら、前記補助スイッチ回路２０のＩＧＢＴ１９の動作を制御する傾斜制御部（補助スイッチ回路制御手段）２６が設けられている。この傾斜制御部２６は図３に示すように、前記タイミング発生部２２からの信号が入力される傾斜関数発生部２７と、この傾斜関数発生部２７の出力と前記監視トランス２５から帰還される出力電圧とが入力される比較制御部２８とにより構成され、ＩＧＢＴ１９のベースに適正なベース電圧を適宜タイミングで入力して１次関数的な電圧変化率で電圧が増加するようにアナログ的にリニア動作させるものである。
【００１６】
　このような構成において、図４に示すタイミングチャートを参照して動作を説明する。まず、電源トランス２１の出力がタイミング発生部２２に入力され、ゼロクロス検出回路２３でゼロクロス点が検出される。カウンタ２４ではゼロクロス点が検出される毎に、調光信号のレベルに対応する時間を計測し、後段の傾斜制御部２６に出力するとともに、所定時間後にサイリスタ１３，１４に対して図４（ｃ）に示すようなサイリスタ点弧パルスを交互或いは同時に出力する。この出力は、フォトカプラを通して行われる。傾斜制御部２６ではこのタイミング発生部２２からの出力信号に基づき、傾斜関数発生部２７でランプ関数波形を出力し、比較制御部２８で出力電圧と比較し、一致するようなベース信号をＩＧＢＴ１９のベースに出力する。このようなＩＧＢＴ１９に対するベース信号は、図４（ｂ）に示すようにこのＩＧＢＴ１９をリニア動作させるものであり、かつ。サイリスタ点弧直前の区間でのみ動作させるものである。この結果、白熱灯１２に対する出力電圧は、図４（ａ）に示すように、ＩＧＢＴ１９のリニア動作による電圧とサイリスタ１３，１４の交互点弧による電圧とを合わせたものとなる。
【００１７】
　よって、毎半サイクル中のオン区間の大半は、オン抵抗の小さいサイリスタ１３，１４が受持つため、発熱の小さいものとなり、小型構成が可能となる。また、このようなサイリスタ１３，１４の急峻な立上り部分のみ、ＩＧＢＴ１９のリニア動作が受持ち、出力電圧が適正に傾斜した状態で立上るため、唸りの発生がなく、音響ノイズの心配のない調光が可能となり、舞台等の調光照明として適したものとなる。ちなみに、ＩＧＢＴ１９をリニア動作させる区間Ｔとしては、ランプのノイズ音を発生させない時間として、４００μｓ程度がよい。また、このＩＧＢＴ１９をリニア動作させる制御に関して、監視トランス２５により検出されている出力電圧の帰還に基づくため、電流に基づく場合のように負荷（白熱灯１２）によって変動するようなことがなく、安定かつ適正な制御が可能となる。
【００１８】
　なお、上記構成では主スイッチ回路１５を逆並列接続させた２つのサイリスタ１３，１４により構成したが、双方向性の１つのサイリスタ（トライアック）により構成するようにしてもよく、また、補助スイッチ回路２０のスイッチング素子としてもＩＧＢＴ１９に限らず、通常のトランジスタやＦＥＴ等であってもよい。また、タイミング発生部（タイミング信号発生手段）２２がサイリスタ１３，１４に点弧パルスを出力するタイミングと、傾斜制御部（補助スイッチ回路制御手段）２６がＩＧＢＴ（スイッチング素子）１９にゲート信号を出力するタイミングとは、上述した関係にあることが必要であるが、このようなタイミングを得るための構成は種々変形可能である。例えば、補助スイッチ回路制御手段からタイミング信号発生手段にゲート信号の停止とタイミングをとって信号を出力するようにしてもよい。このような手段としては、特に、マイコンを用いて構成されることが多く、当業者にとって適宜設計可能なものである。これらの点は、以下でも同様である。
【００１９】
　つづいて、上記構成の変形例を図５ないし図８により説明する。上述の構成で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示す（以下でも同様とする）。この構成では、前述の構成に加え、短絡対策として、白熱灯１２に対する出力電流の時間変化を検出巻線２９を通して検出する微分回路（監視手段）３０を設け、この微分回路３０の出力によってタイミング発生部２２、従って、サイリスタ１３，１４の動作制御を行うようにしたものである。他は、前述の構成と同様の構成とされている。
【００２０】
　このような構成において、ＩＧＢＴ１９のリニア動作時の出力電流の時間変化、即ち、微分回路３０により検出されるｄｉ／ｄｔの値は、図６（ｂ）中に破線で示す正常負荷時には同図（ａ）中に破線で示すように比較的小さな値となるが、同図（ｂ）中に実線で示す短絡時には同図（ａ）中に実線で示すようにｄｉ／ｄｔの値は大きなものとなり、閾値ｄTHを用いることにより両者を区別し得る。
【００２１】
　したがって、前記構成の場合と同様に制御されている状況下で、短絡が発生した場合には、図７中に示すように、ＩＧＢＴ１９のリニア動作時において閾値ｄTH以上の微分出力が微分回路３０から出力された場合には、タイミング発生部２２では短絡と判断し、その後のサイリスタ点弧パルスの出力を停止させる。よって、サイリスタ１３，１４が導通することがなく、短絡に伴う危険が回避される。この場合、短絡による異常発生の旨が伝送線を介して操作者に知らされ、動作停止の原因が明確化される。
【００２２】
　このように、この構成によれば、ＩＧＢＴ１９がリニア動作している区間であって、出力電圧が低く短絡電流も比較的少ない段階で、確実に短絡発生を検知でき、確実な保護ができる。特に、短絡発生時にサイリスタ１３又は１４を点弧させてしまうことなく、短絡に対処でき、安全性の高いものとなる。
【００２３】
　このようにしてブレーカ不要で短絡対策を行えるため、照明システムを構築する際に、図８に示すように、各白熱灯１２毎に上記のような構成を持つ調光器３１を分散配置させ、電力線３２と伝送線３３とで操作卓３４に接続する構成が可能となり、自由度の増すものとなる。
【００２４】
　次に、本発明の実施例を図９ないし図１１により説明する。本実施例は、上述で前提とした構成と同様であるが、始動性を高めるために、白熱灯１２に対する出力電流を監視する検出巻線３５を監視手段として設け、検出される出力電流の値に応じてタイミング発生部２２の動作、従って、サイリスタ１３，１４の点弧動作を制御するようにしたものである。
【００２５】
　このような本発明の構成において、白熱灯１２が温まり安定した後の定常時であれば、先に説明した場合と同様に、図１０に示すようなタイミングチャートの下、動作制御され、音響ノイズがなく発熱量の少ない調光点灯が行われる。
【００２６】
　しかして、白熱灯１２が冷えている状態から点灯させるような場合を考える。このような状況下では白熱灯１２のフィラメント抵抗が低いため、図１１（ｄ）に示すように定常時の数倍〜数十倍の出力電流が流れる。ここに、ＩＧＢＴ１９の定格電流等から定めた一定値以上の出力電流が検出巻線３５により検出されると、タイミング発生部２２では、図１１（ｃ）に示すように定常時よりもタイミングを早めた点弧パルスをサイリスタ１３，１４に出力し、早めにサイリスタ１３，１４を点弧導通させる。ここに、サイリスタ１３，１４は過電流耐量が大きいため、このような過渡的な大電流で破壊されることはなく、白熱灯１２に十分な電力が供給される。これにより、低温状況下でも白熱灯１２の光量は早く立上るものとなり、演出効果等を発揮させる上で好ましいものとなる。また、過電流耐量の小さいＩＧＢＴ１９はその定格以上の電流が流れる前に、サイリスタ１３，１４の導通により保護されるので、定常状態に移行した後で音響ノイズ防止効果を十分に発揮させることができる。
【００２７】
　さらに、変形例を図１を参照しつつ図１２により説明する。この構成は、負荷（白熱灯１２）が非常に小さな場合の不都合を回避するようにしたものである。まず、図１に示したような構成において、負荷が非常に小さい場合を考える。このような場合、サイリスタ１３，１４が点弧するに十分なトリガ電流が流れず、サイリスタ１３，１４が点弧しない場合がある。この場合、負荷への電流は抵抗Ｒ11→フォトサイリスタＰＴＨ1 →抵抗Ｒ12（又は、抵抗Ｒ21→フォトサイリスタＰＴＨ2 →抵抗Ｒ22）なる分圧トリガ回路１６（又は、１７）を流れる。ここに、これらの抵抗Ｒ11，Ｒ12，Ｒ21，Ｒ22、フォトサイリスタＰＴＨ1 ，ＰＴＨ2 は分圧トリガ回路１６，１７を形成するので、通常、小電流しか流れないため、小電力定格の回路部品が用いられていることから、定格を超えてしまうことがある。定格以上の電流が流れるのを防ぐために、これらの抵抗Ｒ11，Ｒ12，Ｒ21，Ｒ22、フォトサイリスタＰＴＨ1 ，ＰＴＨ2 等として十分大きな定格部品を用いればよいが、これでは大型化するとともに高価な構成となってしまう。さらに、図１中に破線で示すように負荷（白熱灯１２）に並列にダミー抵抗Ｒ3 を挿入することも考えられるが、これではダミー抵抗Ｒ3 が常に無駄な電力を消費する上に発熱することとなり、好ましくない。
【００２８】
　そこで、本例では、図１に示した回路構成を変更することなく、傾斜制御部２６によるＩＧＢＴ１９の動作制御を工夫するだけで、負荷が非常に小さな場合にも対処できるようにしたものである。このため、前述したように、サイリスタ１３，１４が点弧する直前の区間で補助スイッチ回路２０のＩＧＢＴ１９をリニア動作させるが、さらに、サイリスタ１３，１４が点弧するのに十分な時間経過後にこのＩＧＢＴ１９を再度オンさせることを基本とする。
【００２９】
　この点を図１２に示すタイミングチャートを参照して説明する。まず、前述した実施例の場合と同様に、サイリスタ点弧直前の区間になると傾斜制御部２６によりＩＧＢＴ１９をリニア動作させるベース信号が与えられる。これにより、ＩＧＢＴ１９は順次オン動作していき、飽和状態になった時点で、タイミング発生部２２による制御で分圧トリガ回路１６又は１７によってサイリスタ１３又は１４にトリガを与え、点弧動作させる。同時に、ＩＧＢＴ１９をオフさせていく。そして、サイリスタ１３又は１４の点弧タイミングからこれらのサイリスタ１３，１４が点弧するのに十分な時間ｔ1 が経過した時点で、傾斜制御部２６によってＩＧＢＴ１９を再びオンさせるようにベース電流を与える。
【００３０】
　このような制御方式によれば、負荷が非常に小さい等の原因により、万が一、サイリスタ１３又は１４が点弧しなかったような場合には、再びオンしたＩＧＢＴ１９を通して負荷側に電流が流れることになる。よって、抵抗Ｒ11→フォトサイリスタＰＴＨ1 →抵抗Ｒ12（又は、抵抗Ｒ21→フォトサイリスタＰＴＨ2 →抵抗Ｒ22）なる分圧トリガ回路１６（又は、１７）に過大な電流が流れることがなくなる。よって、これらの抵抗Ｒ11，Ｒ12，Ｒ21，Ｒ22、フォトサイリスタＰＴＨ1 ，ＰＴＨ2 等として特別定格の大きなものを用いる必要がなく、ダミー抵抗を用いる必要もないものとなる。また、負荷が大きな場合を考えると、サイリスタ１３又は１４の点弧が確実に行われ、ＩＧＢＴ１９に比してサイリスタ１３，１４のオン抵抗のほうが低いので、ＩＧＢＴ１９が再度オンしても負荷に対する電流は本来のサイリスタ１３又は１４側を流れることになる。よって、負荷が大きな場合には、過電流耐量の小さいＩＧＢＴ１９はその定格以上の電流が流れる前に、サイリスタ１３，１４の導通により保護されるので、ＩＧＢＴ１９の過電流耐量の低さは問題とはならない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明で前提とする構成を例示する回路図である。
【図２】タイミング信号発生部のブロック図である。
【図３】傾斜制御部のブロック図である。
【図４】動作を示すタイミングチャートである。
【図５】他の例を示す回路図である。
【図６】短絡時の様子を示す説明図である。
【図７】動作を示すタイミングチャートである。
【図８】分散配置例を示す結線図である。
【図９】本発明の実施例を示す回路図である。
【図１０】定常時の動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】低温過渡期の動作を示すタイミングチャートである。
【図１２】他の例を示すタイミングチャートである。
【図１３】従来例を示し、（ａ）は回路図、（ｂ）は波形図である。
【図１４】別の従来例を示し、（ａ）は回路図、（ｂ）は波形図である。
【図１５】システム構成時を示す結線図である。
【符号の説明】
【００３２】
１１ 交流電源
１２ 白熱灯
１３，１４ サイリスタ
１５ 主スイッチ回路
１９ スイッチング素子
２０ 補助スイッチ回路
２２ タイミング信号発生手段
２５ 監視手段
２６ 補助スイッチ回路制御手段
３０ 監視手段
３５ 監視手段
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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