(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷である白熱灯に供給する電力を調光のために制御する電力制御部を有する白熱灯調光器において、
前記白熱灯のフィラメント断線に伴うアーク放電による過大電流を検出する電流検出器を備え、
該電流検出器による検出をもとに前記電力制御部による電力供給を一時的に遮断し、次いで一定時間経過後に前記電力供給を復帰させるものであり、前記一定時間が、アーク放電による過大電流を前記電流検出器で検出して電力供給を遮断した後に、前記白熱灯のアーク放電に伴う封入ガスのイオン化が消滅する程度の時間としたものであることを特徴とする白熱灯調光器における電力制御方法。
【請求項２】
負荷である白熱灯に供給する電力を調光のために制御する電力制御部を有する白熱灯調光器において、
前記白熱灯のフィラメント断線に伴うアーク放電による過大電流を検出する電流検出器を備え、
該電流検出器による検出をもとに前記電力制御部による電力供給を一時的に遮断し、次いで一定時間経過後電力を自動的に復帰させた時、なお過大電流が持続する場合には、前記電力供給を再度遮断し、過大電流の原因を除去した後、手動介入により前記電力供給を復帰させることを特徴とする白熱灯調光器における電力制御方法。
【請求項３】
前記電流検出器からの検出結果としきい値設定器で設定したしきい値とを比較する比較器を備え、
該比較器の出力でタイマーを動作させ、電力制御部に供給する制御信号を制御することにより、電力制御部の動作を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の白熱灯調光器における電力制御方法。
【請求項４】
交流電源が入力され負荷として白熱灯が接続される調光器において、調光のために負荷へ供給する電力を制御する電力制御部と、
前記白熱灯に流れる電流の大きさを検出する電流検出器と、
前記白熱灯のフィラメント断線に伴うアーク放電の際の過大電流の検出しきい値を設定するしきい値設定器と、
該しきい値設定器に設定された検出しきい値と前記白熱灯に流れる電流値を比較し、該電流値が前記検出しきい値よりも大きくなったことを検出して電力遮断のためのセット信号を送出する比較器と、
該比較器からのセット信号を受け前記負荷へ供給する前記電力制御部による電力を遮断した後に、前記白熱灯のアーク放電に伴う封入ガスのイオン化が消滅する程度の時間経過後に再び前記負荷に前記電力制御部による電力を供給するための信号を送出するタイマーと、
外部からの調光制御信号に基づき前記電力制御部に電力の増減を制御する信号を発生する制御信号発生器と、
前記タイマーから送出される信号に基づき、前記制御信号発生器からの信号を一定期間ＯＦＦにする制御スイッチを備えたことを特徴とする白熱灯調光器。
【請求項５】
前記比較器と、
前記タイマーと、
前記制御スイッチと、
前記制御信号発生器とをワンチップマイクロコンピュータで構成したことを特徴とする請求項４記載の白熱灯調光器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、劇場やＴＶスタジオ等で使用される白熱灯調光器の過大電流対策に関するもので、詳しくは、調光器の負荷として接続される白熱灯（白熱電球）の寿命末期において電球のフィラメントが断線してアーク放電が発生した場合、速やかにアーク放電を停止させ、アーク放電に伴う各種の障害を防止する機能を有する白熱灯調光器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、白熱灯の調光器としては、例えば図４に示すような電力制御素子としてサイリスタ３、４を用いて電力制御をするものがあった。
【０００３】
図４において、１は照明用交流電源、２は過電流遮断器、３および４は逆並列に接続されたサイリスタ素子、５はリアクタ、７はサイリスタ素子の点弧位相角制御回路、８は白熱灯照明器具、９は外部操作器、１０は調光器本体を示す。
【０００４】
しかしながら、図４に示すサイリスタ調光器は、負荷にハロゲン電球などの白熱灯を使用した場合、電球の寿命末期において電球のフィラメントが断線すると、下記に詳しく記述するような不具合を生じる可能性がある。図６は、この場合の挙動の一例で、調光器の出力電圧と白熱灯に流れる電流（以下、「ランプ電流」という。）の波形を示したものである。簡単のため、調光器の出力電圧は調光度100％に近い場合としている。
【０００５】
図６において時刻Ｔ１にフィラメントが寿命末期に断線したとすると、フィラメントの微小間隔でアーク放電が開始され局部的に非常に高温となってフィラメントが蒸発して、その間でアーク放電が成長する。図６は、アーク放電の成長に伴ってランプ電流が増加して行く様子を示している。
【０００６】
時刻Ｔ２ではアーク放電が電球の導入線間まで成長し、ランプ電流は殆ど配電線路のインピーダンスで決まる値まで増加する。時刻Ｔ３では電球内に封入されているヒューズが過大電流により溶断するため、ランプ電流は遮断されアーク放電は停止する。  時刻Ｔ１からＴ３に至るまでの過大電流が流れている時間は0.1秒から0.2秒と短いため、図４の過電流遮断器２は動作しないが、サイリスタ３、４やリアクタ５の過電流耐量は比較的大きいため、一般には調光器に損傷を与えることなく、電球が消灯するだけである。しかし、電球内に封入されたヒューズの選定が不適切の場合や溶断特性のバラツキによっては、サイリスタ３，４などに非常に大きな電流が流れることになる。
【０００７】
特に時刻Ｔ２からＴ３の時間が長くなった場合には、アーク放電によって電球のバルブ内部圧力が急激に上昇し、電球が破裂に至る場合がある。  劇場の舞台やＴＶスタジオにおいて、公演中に電球が破裂した場合には、電球の破片が飛散するばかりでなく、電球の破裂音によって公演に大きな支障を来たすことになり、避けなければならない事象といえる。
【０００８】
上記のようにサイリスタ３、４は過電流耐量が大きいという特徴があるが、負荷の端子電圧及び電流が鋸歯状波になり音響設備などに障害を与えることから、近年、ＩＧＢＴ（Insulated gate bipolar transistor）を電力制御素子として用いた正弦波調光器が用いられるようになってきた。 図５に示した調光器はＩＧＢＴ素子を用いた降圧形チョッパを使用した調光器である。
【０００９】
図５において、１は照明用交流電源、２は過電流遮断器、８は白熱灯照明器具、１２は降圧チョッパの動作に伴う高周波電流が電源側に流出するのを低減するためのフィルタ回路、１３は降圧チョッパ調光回路で、出力側にはチョークコイルとコンデンサからなる交流用平滑回路３３を含んでいる。１４は、外部操作卓９の調光信号によってメインＩＧＢＴ３１にＰＷＭ信号を送出し、また、フライホイールＩＧＢＴ３２を制御する機能を持った制御回路である。１１はそれらを包含した調光器本体を示す。
【００１０】
この場合も、サイリスタ調光器と同様に、電球のアーク放電に起因するＩＧＢＴ素子の破損や電球の破裂事故発生の危険性を孕んでいる。特に、ＩＧＢＴ素子は、サイリスタに比較し、過電流耐量が低く、保護の要請がより強くなる。
【００１１】
一方、従来技術として、電力制御素子としてＩＧＢＴを用いるものであって、その保護のため、負荷に流れる電流を電流検出器で検出し、負荷短絡などが生じたときに過大電流を遮断する技術がある（特許文献１、２参照）。
【００１２】
しかしながら、この技術は、いったん負荷に流れる電流を遮断すると、遮断状態を継続するだけであるので、これを調光器に用いると、出力に接続された照明が複数台あった場合それらはすべて消灯してしまい、劇場などでは、公演に大きな支障が出ることになる。したがって、調光器の保護としては足りるのであるが、調光器本来の働きを失わせてしまう点で、改良の余地がある。
【００１３】
【特許文献１】ＵＳ特許第５７１４８４７号
【特許文献２】ＵＳ特許第５５００５７５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記の従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、調光器の保護のため電球のフィラメント断線に伴うアーク放電で過大電流が流れようとしたときにこれを一定値で止めるとともに、電球が断線した白熱灯以外の白熱灯は、継続して照明ができる調光装置を提供することにある。
【００１５】
すなわち、劇場の舞台やＴＶスタジオの照明システムにおいて使用される白熱灯照明器具で電球の寿命末期にフィラメントが断線し、この際にアーク放電を生じると過大な電流が流れて電球の破裂や調光器の電力制御素子に障害を発生させる危険性があることに対し、電球がアーク放電を開始した場合、速やかに過大電流を検出し、アーク放電を停止させて電球の破裂や調光器の電力制御素子を保護するとともに、調光器の出力に接続されている他の照明器具については視覚に認められない程度の極小時間は消灯するが、継続して照明できる調光装置を提供することが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、第１の発明では、負荷である白熱灯に供給する電力を調光のために制御する電力制御部を有する白熱灯調光器において、前記白熱灯のフィラメント断線に伴うアーク放電による過大電流を検出する電流検出器を備え、該電流検出器による検出をもとに前記電力制御部による電力供給を一時的に遮断し、次いで一定時間経過後に前記電力供給を復帰させるものであり、前記一定時間が、アーク放電による過大電流を前記電流検出器で検出して電力供給を遮断した後に、前記白熱灯のアーク放電に伴う封入ガスのイオン化が消滅する程度の時間としたものであることを特徴とする。
【００１７】
ここで、「電力制御部」は、調光のために交流電源が提供され、それを電力制御することにより、出力電圧を制御するものであればよい。電力制御素子としては、サイリスタ素子を用いてもよいし、ＩＧＢＴ素子を用いてもよい。
「電流検出器」は、通常ＣＴと呼ばれる変流器をいい、低抵抗器やホール素子を用いて電流を検出するものも含まれる。
【００１８】
「一時的に遮断し、次いで一定時間後に復帰する」とは、アーク放電による過大電流を電流検出器で検出して出力に流れる電流を遮断した後に、アーク放電を起こしていた電極の温度が低下しアーク放電に伴う封入ガスのイオン化が消滅する程度の極小時間が経過した後に、遮断を解除し、出力を復帰させることを意味する。アーク放電を再開させないために必要な遮断時間は、電球の容量、種類、導入線間の距離、封入ガスの種類とガス圧などによって異なるが、一般に舞台やＴＶスタジオで多く使われている１ｋＷハロゲン電球では0.02秒から0.04秒（50Ｈｚ地区で1〜2サイクル間）である。
【００１９】
また、第２の発明では、負荷である白熱灯に供給する電力を調光のために制御する電力制御部を有する白熱灯調光器において、前記白熱灯のフィラメント断線に伴うアーク放電による過大電流状態を検出する電流検出器を備え、該電流検出器による検出をもとに前記電力制御部による電力供給を一時的に遮断し、次いで一定時間経過後、電源が自動的に復帰した時、なお過大電流状態が持続する場合には、前記電力供給を再度遮断し、過大電流の原因を除去した後、手動介入により前記電力供給を復帰させることを特徴とする。
【００２０】
「手動介入により出力を復帰させる」とは、手動介入により出力を復帰させる手段として、たとえば、押ボタン式のリセットスイッチなどを設け、これを人手を介してＯＮ信号を電力制御部に与えることにより、出力を復帰させることを意味する。この場合、リセットスイッチの出力をタイマーあるいは電力のＯＮ、ＯＦＦを制御する制御スイッチに間接的に与え、最終的に電力制御部にその信号が伝わるものであればよい。
【００２１】
また、第３の発明では、前記電流検出器からの検出結果としきい値設定器で設定したしきい値とを比較する比較器を備え、該比較器の出力でタイマーを動作させ、電力制御部に供給する制御信号を制御することにより、電力制御部の動作を制御することを特徴とする。
【００２２】
「しきい値設定器」とは、たとえば、ポテンショメーターのようなアナログ値を設定できるものでもよいし、マイクロコンピュータを用いて実現するならば、デジタル値を入力できるものでもよい。
【００２３】
なお、電流検出器のしきい値の設定には、白熱灯照明器具の電源投入時の突入電流に配慮する必要がある。これは、白熱電球が消灯している場合のフィラメント抵抗は非常に低く、電力制御部の出力が急激に上昇する操作を行なった場合には、瞬時的に電球の定格電流の約１０倍の突入電流が流入する。したがって、電流検出器のしきい値の設定は、電球の突入電流値以上でアーク電流の電流値以下とする必要がある。
【００２４】
「比較器」とは、たとえば、オペアンプ等で構成するコンパレータであってもよいし、マイクロコンピュータを用いて実現してもよい。
「タイマー」は、カウント開始によりセット信号を出力して調光器出力を遮断し、カウント終了により出力を復帰させるものである。アナログ素子で実現してもよいし、マイクロコンピュータを用いて実現させてもよい。
【００２６】
また、第４の発明では、交流電源が入力され負荷として白熱灯が接続される調光器において、調光のために負荷へ供給する電力を制御する電力制御部と、前記白熱灯に流れる電流の大きさを検出する電流検出器と、前記白熱灯のフィラメント断線に伴うアーク放電の際の過大電流の検出しきい値を設定するしきい値設定器と、該しきい値設定器に設定された検出しきい値と前記白熱灯に流れる電流値を比較し、該電流値が前記検出しきい値よりも大きくなったことを検出して電力遮断のためのセット信号を送出する比較器と、該比較器からのセット信号を受け前記負荷へ供給する前記電力制御部による電力を遮断した後に、前記白熱灯のアーク放電に伴う封入ガスのイオン化が消滅する程度の時間経過後に再び前記負荷に前記電力制御部による電力を供給するための信号を送出するタイマーと、外部からの調光制御信号に基づき前記電力制御部に電力の増減を制御する信号を発生する制御信号発生器と、前記タイマーから送出される信号に基づき、前記制御信号発生器からの信号を一定期間ＯＦＦにする制御スイッチを備えたことを特徴とする。
【００２７】
「外部からの調光制御信号」は、通常、外部にある操作卓から送られるディマー信号をいう。この制御信号はアナログ信号でもＤＭＸと呼ばれるデジタル信号でもよい。
マイクロコンピュータを使用することによって、比較器、タイマー、制御信号発生器、制御スイッチを実現することができる。
「制御信号発生器」は、外部からの調光制御信号を受けて、制御スイッチを介して、電力の増減を制御する信号を発生するものである。
「制御スイッチ」は、電力制御部に送られる制御信号発生器の信号をタイマーからのＯＮ、ＯＦＦ信号に基づき、電力制御部の出力をＯＮ、ＯＦＦするために設けられているものである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、以上説明したように、白熱灯用調光器の出力側に電流検出器を有し、この電流検出器で電球の寿命末期に生じるアーク放電を検出し、タイマーを用いて電力制御部の制御信号を短時間遮断して調光器出力を遮断することによって、電球のアーク放電を停止させて、電球の破裂事故を防止できる。また、調光器における電力制御素子の過大電流による破損を防止できる。さらに、調光器出力の遮断時間をアーク放電の再発しない範囲で最短時間とすることにより、同一調光器に接続されたアーク放電をした以外の照明灯の明かりの変化を最小限とすることができるなど、多くの効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明に係る白熱灯用調光器の構成の一例を図１に示す。  図１において、１は交流電源で通常、照明電源と呼ばれる。２１は電力制御部で図４に示すサイリスタ調光器本体１０または図５に示すＩＧＢＴ調光器本体１１が該当する。６は電流検出器、１５は比較器、１６は過電流検出のしきい値の設定器、１７はタイマーで過電流が検出された時、一定期間ＯＦＦ信号を１８の制御スイッチに送る。  １９は制御信号発生器で、１８の制御スイッチはタイマー１７の信号によって１９の制御信号をＯＮ，ＯＦＦする。
なお、図１、図４、図５において同一番号を付した部分は同一の作用効果を有するものであり、図４に示すサイリスタ調光器本体１０及び図５に示すＩＧＢＴ調光器本体１１の構成は、前述の通りである。
【００３０】
図１の６は電流検出器で通常ＣＴと呼ばれる変流器や低抵抗器、あるいはホール素子を使用した電流検出器である。  図１の８は負荷照明灯で光源には白熱電球が使用される。９は外部操作卓で照明灯の明るさを制御する遠隔操作器であり、一般には調光操作卓と呼ばれ、その出力の調光制御信号は調光器の制御入力端子を介し、制御信号発生器１９に接続される。
【００３１】
１９は２１の電力制御部に制御信号を供給する制御信号発生器で、電力制御部２１が図４に示すサイリスタ調光器１０の場合にはサイリスタの点弧位相角信号である。電力制御部２１が図５に示すＩＧＢＴ調光器の場合にはメインＩＧＢＴ３１に供給するＰＷＭ信号を調光制御信号に対応して発生する。  １８は制御スイッチで電力制御部２１に供給する電力制御信号を高速で開閉する電子制御スイッチでこの制御スイッチ１８がＯＮの時は正常に調光動作が行われ、ＯＦＦの時電力制御部２１の出力は遮断される。  １５の比較器は電流検出器６の出力としきい値設定器１６の出力とを比較し、電流検出器６の出力がしきい値設定器１６の出力を超えた場合、タイマー１７に信号を送り、タイマー１７は一定期間中、ＯＦＦ信号を制御スイッチ１８に送る。
【００３２】
以上の構成になる本例の白熱灯調光器において、調光器負荷の照明灯８でフィラメントの断線に伴うアーク放電が生じ、過大電流が調光器の出力に流れると、この電流は電流検出器６で検出され、比較器１５でしきい値設定器１６で設定されたしきい値と比較される。電流検出器６で検出した電流値がしきい値を超えるとタイマー１７にセット信号が供給され、一定時間、制御スイッチ１８がＯＦＦとなり、電力制御部２１の出力が遮断され、タイマー１７の設定で決まる一定時間後、制御スイッチはＯＮとなって電力制御部２１の出力は自動的に復帰する。
【００３３】
電力制御素子がサイリスタである場合（電力制御部２１がサイリスタ調光器１０である場合）の調光器出力電圧とランプ電流の挙動を図２に示す。白熱電球には100Ｖ750Ｗを使用し、しきい値設定器１６のしきい値を150Ａに設定した場合である。図２において時刻 Ｔ１で電球のフィラメントが断線し、アーク放電が開始し、ランプ電流が増大して行く。  時刻Ｔ２でアーク放電は導入線間まで達する。時刻Ｔ２の直後にしきい値の150Ａを超えて過大電流が流れると、制御信号により負荷の電源は遮断されるが、電力制御素子がサイリスタであるため当該半サイクル間はアーク放電が持続し、電力制御部の出力は時刻Ｔ４で調光器出力が遮断され、時刻Ｔ５まで0.03秒間、遮断状態が継続する。
【００３４】
0.03秒間経過し時刻Ｔ５で電力制御部２１の出力が自動的に復帰しても、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５の遮断期間中にアーク放電を起していた電極の温度が低下しアーク放電に伴う封入ガスのイオン化が消滅するので、時刻Ｔ５で電力制御部の出力が復帰してもアーク放電を再開することはない。
【００３５】
アーク放電を再開させないために必要な遮断時間は電球の容量、種類、導入線間の距離、封入ガスの種類とガス圧などによって異なるが、一般に舞台やＴＶスタジオで多く使われている１ｋＷハロゲン電球では0.02秒から0.04秒（50Ｈｚ地区で1〜2サイクル間）である。
【００３６】
アーク放電が再開しないと、電球は破裂することはなく、また、アーク放電のピーク値は280Ａに達するが、継続時間が0.01秒と短いこととサイリスタ素子の過電流耐量が大きいことから、サイリスタ素子も保護される。この場合、調光器の電源側に接続されている過電流遮断器２も動作しない。また、この間、調光器の出力が遮断されても当該調光器に接続された他の照明灯（８´）の明かりは、電球のフィラメントの熱慣性によって目に見えるような変化は認められない。
【００３７】
このようにしてフィラメントの断線に伴うアーク放電を短時間で安全に停止させて電球の破裂事故を防ぐことができ、電力制御素子の過大電流の継続による障害も回避できる。更に当該調光器に接続された他の照明灯への影響も殆どない調光器を提供することができる。
【００３８】
また、図３は電力制御素子としてＩＧＢＴ素子による降圧チョッパを使った場合（電力制御部が２１がＩＧＢＴ調光器１１である場合）の動作例であり、電球には上記と同様に750Ｗを使用し、しきい値設定器１６のしきい値も150Ａに設定した場合である。この場合にはアーク電流がしきい値の150Ａに達し、ＩＧＢＴ素子に供給される制御信号が遮断されると同時に調光器の出力も遮断され、アーク放電のピーク値は150Ａに制限されるので、過電流耐量の低いＩＧＢＴ素子でも過大電流から保護される。また、アーク電流のピーク値が低く継続時間も短い所から時刻Ｔ４から時刻Ｔ５の調光器出力の遮断期間を短く設定しても、アーク放電は再発せず遮断期間を0.01秒まで短縮することができた。このように本発明は電力制御素子としてＩＧＢＴ素子による降圧チョッパを使用した場合、特に有効である。
【００３９】
調光器の電力制御素子に損傷を与えるような過電流の発生原因としては、ここで記した電球のアーク放電の他に、調光器の負荷として定格容量以上の照明灯を接続した場合や、負荷への電線路において短絡障害を起し、短絡電流が発生した場合が考えられる。  このような場合においては、単純に電力制御部２１の出力を自動的に復帰させると、再び過大電流を検出しタイマー１７の動作で短時間後に電源が復帰し、調光器２２の出力がＯＦＦ，ＯＮを繰り返す可能性がある。この為に、上記タイマー１７の動作を１回ないし２回に制限し、電力制御部２１の出力を自動的に復帰させた時、なお過大電流が検出される場合は、制御スイッチ１８をＯＦＦ状態で止めるように構成し、過大電流の原因を取り去った後、手動でリセットスイッチ３４によりＯＦＦ状態を解除し、電力制御部２１の出力遮断を手動で回復できるように構成することが望ましい。
【００４０】
また、上記したように、比較器１５、タイマー１７、制御スイッチ１８、制御信号発生器１９はワンチップマイクロコンピュータにより実現してもよい。ワンチップマイクロコンピュータにより構成することにより、調光器全体が経済的となり、また、省スペース化が実現できコンパクトな装置になる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る白熱灯用調光器の一例である。
【図２】本発明に係る電力制御素子にサイリスタを用いた白熱灯調光器の動作例で、調光器の出力電圧とランプ電流の挙動を示す。
【図３】本発明に係る電力制御素子にＩＧＢＴによる降圧チョッパを使用した白熱灯調光器の動作例で、調光器の出力電圧とランプ電流の挙動を示す。
【図４】電力制御素子にサイリスタを用いた従来の調光器である。
【図５】電力制御素子にＩＧＢＴによる降圧チョッパを使った従来の調光器である。
【図６】サイリスタを電力制御素子として用いた従来の白熱灯調光器が、電球の寿命末期にフィラメントが断線して電球内でアーク放電が発生した場合の調光器の出力電圧とランプ電流の挙動を示す。
【符号の説明】
【００４２】
１：入力電源
６：電流検出器
８：白熱灯
９：外部操作卓
１５：比較器
１６：しきい値設定器
１７：タイマー
１８：制御スイッチ
１９：制御信号発生器
２１：電力制御部
２２：調光器
３４：リセットスイッチ
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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