(57)【要約】【課題】白熱ランプを任意の光出力に調光することができ、かつ、スイッチング素子がオンする際のスイッチング損失およびノイズを低減させることができるようにする。【解決手段】制御手段２は、交流電源ＡＣの出力電圧における半周期の整数倍を単位時間として、単位時間ごとのスイッチング素子ＳＷがオンする時間とオフする時間との比率を調節することにより、単位時間に白熱ランプＬに供給される平均電力を変化させて白熱ランプＬの光出力を調節する。制御手段２は、交流電源ＡＣの出力電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部４と、単位時間におけるスイッチング素子ＳＷのオンオフの時系列のパターンが出力パターンとして規定されており、ゼロクロス検出部４で検出したゼロクロス点に同期するタイミングでスイッチング素子ＳＷのオンオフを出力パターンに従って制御するパターン制御部５とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と白熱ランプとの間に挿入され白熱ランプへの電力供給路を開閉するスイッチング素子と、交流電源の出力電圧における半周期の整数倍を単位時間として単位時間ごとのスイッチング素子がオンする時間とオフする時間との比率を調節することにより、単位時間に白熱ランプに供給される平均電力を変化させて白熱ランプの光出力を調節するようにスイッチング素子のオンオフを制御する制御手段とを備え、制御手段は、交流電源の出力電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部と、前記単位時間における各ゼロクロス点ごとのスイッチング素子のオンオフの時系列のパターンを出力パターンとして規定しており、ゼロクロス検出部で検出したゼロクロス点に同期するタイミングでスイッチング素子のオンオフを前記出力パターンに従って制御するパターン制御部とを有することを特徴とする調光器。
【請求項２】
前記パターン制御部では前記出力パターンが複数種類規定されており、前記制御手段は、当該複数種類の出力パターンのいずれかを選択する選択部を有し、前記パターン制御部は、選択部で選択された出力パターンに従って前記スイッチング素子のオンオフを制御することを特徴とする請求項１記載の調光器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の調光器と白熱ランプとを器具本体に備えていることを特徴とする調光器を用いた照明器具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源から白熱ランプへの供給電力を調節することにより白熱ランプを調光する調光器およびそれを用いた照明器具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、交流電源から白熱ランプへの供給電力を調節することにより白熱ランプを調光する調光器の技術として、白熱ランプに供給する交流電源を整流器で半波整流することによって、白熱ランプへの供給電力を全点灯時の１／２にし白熱ランプを調光する技術が知られている（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
ただし、白熱ランプに供給する交流電源を半波整流するだけでは、白熱ランプへの供給電力を全点灯時の１／２にする以外の設定ができないから、白熱ランプを任意の光出力に調光することはできない。
【０００４】
一方、白熱ランプを任意の光出力に調光可能な調光器として、３端子双方向サイリスタからなるスイッチング素子を交流電源と白熱ランプとの間に設け、スイッチング素子をオンする位相角を変化させることにより、図５に示すように、交流電源の出力電圧の半周期においてスイッチング素子がオンとなるオン時間の長さを調節する位相制御方式が知られている。
【特許文献１】特開２００３−２９７５８９号公報（第４−５頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の位相制御方式では、スイッチング素子の両端間に電圧がかかった状態でスイッチング素子がオンするので、スイッチング素子がオンする際にスイッチング損失が生じ、また電流波形が正弦波ではないから高調波成分を多く含んでおり、結果的に雑音端子電圧レベルが比較的大きい。したがって、スイッチング損失による無駄な電力消費が生じるとともに、雑音防止用のコイル等の部品が大型化するという問題がある。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、白熱ランプを任意の光出力に調光することができ、かつ、従来の位相制御方式に比べてスイッチング素子がオンする際のスイッチング損失およびノイズを低減させることができる調光器およびそれを用いた照明器具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】
【０００７】
請求項１の発明では、交流電源と白熱ランプとの間に挿入され白熱ランプへの電力供給路を開閉するスイッチング素子と、交流電源の出力電圧における半周期の整数倍を単位時間として単位時間ごとのスイッチング素子がオンする時間とオフする時間との比率を調節することにより、単位時間に白熱ランプに供給される平均電力を変化させて白熱ランプの光出力を調節するようにスイッチング素子のオンオフを制御する制御手段とを備え、制御手段は、交流電源の出力電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部と、前記単位時間における各ゼロクロス点ごとのスイッチング素子のオンオフの時系列のパターンを出力パターンとして規定しており、ゼロクロス検出部で検出したゼロクロス点に同期するタイミングでスイッチング素子のオンオフを前記出力パターンに従って制御するパターン制御部とを有することを特徴とする調光器。
【０００８】
この構成によれば、ゼロクロス検出部で検出した交流電源の出力電圧のゼロクロス点に同期するタイミングでスイッチング素子のオンオフを制御するので、スイッチング素子がオンオフする際にはスイッチング素子の両端間に電圧はほとんどかからない。したがって、スイッチング素子がオンする際にスイッチング損失およびノイズが生じにくいという利点がある。また、制御手段では、単位時間における各ゼロクロス点ごとのスイッチング素子のオンオフの時系列のパターンが出力パターンとして規定されており、スイッチング素子のオンオフを出力パターンに従って制御するので、出力パターンにおけるスイッチング素子のオンオフの比率を調節すれば、単位時間ごとのスイッチング素子がオンする時間とオフする時間との比率を調節することができる。したがって、出力パターンにおけるスイッチング素子のオンオフの比率を調節することにより、単位時間に白熱ランプに供給される平均電力を変化させて白熱ランプを任意の光出力に調光することができる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記パターン制御部では前記出力パターンが複数種類規定されており、前記制御手段は、当該複数種類の出力パターンのいずれかを選択する選択部を有し、前記パターン制御部は、選択部で選択された出力パターンに従って前記スイッチング素子のオンオフを制御することを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、複数種類の出力パターンのうち選択部で選択された出力パターンに従ってスイッチング素子のオンオフを制御するので、選択部で選択する出力パターンを切り替えることによって白熱ランプの光出力を切り替えることができる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の調光器と白熱ランプとを器具本体に備えていることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、調光器を用いた照明器具において、請求項１または請求項２の発明と同様に、白熱ランプを任意の光出力に調光することができ、かつ、従来の位相制御方式に比べてスイッチング素子がオンする際のスイッチング損失およびノイズを低減させることができるという効果を奏する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、制御手段が、ゼロクロス検出部で検出したゼロクロス点に同期するタイミングでスイッチング素子のオンオフを制御するパターン制御部を有するものであって、スイッチング素子がオンオフする際にはスイッチング素子の両端間に電圧はほとんどかからないから、スイッチング素子がオンする際に生じるスイッチング損失およびノイズを従来の位相制御方式に比べて低減させることができる。しかも、単位時間におけるスイッチング素子のオンオフの時系列のパターンを出力パターンとして規定しており、パターン制御部がスイッチング素子のオンオフを当該出力パターンに従って制御するので、出力パターンにおけるスイッチング素子のオンオフの比率を調節すれば、単位時間に白熱ランプに供給される平均電力を変化させることができ、白熱ランプを任意の光出力に調光することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本実施形態の調光器は、交流電源から白熱ランプへの供給電力を調節することにより白熱ランプを調光するものであって、たとえば住宅やホールや宴会場などにおいて空間を演出するための調光制御に用いられる。
【００１５】
調光器１は、図１に示すように交流電源ＡＣと白熱ランプＬとの間に挿入され交流電源ＡＣから白熱ランプＬへの電力供給路を開閉するスイッチング素子ＳＷと、スイッチング素子ＳＷのオンオフを制御する制御手段２と、白熱ランプＬの調光レベルを設定する入力手段３とを備えている。
【００１６】
入力手段３は、それぞれ白熱ランプＬの光出力の異なる複数段階の調光レベルから任意の調光レベルを選択するように操作されるセレクトスイッチ（ここではロータリスイッチ）を備えている。スイッチング素子ＳＷは、３端子双方向サイリスタ（ここではトライアック）であって、周知のように、ゲートに電圧が印加されることによりオンし、一旦オンすると印加電圧がゼロになるまでオン状態を維持する。制御手段２は、入力手段３で設定された調光レベルに応じて、後述する規定の単位時間Ｔにおいてスイッチング素子ＳＷがオンになるオン時間とオフになるオフ時間との比率を調節することにより、単位時間Ｔに白熱ランプＬに供給される平均電力を変化させて白熱ランプＬの光出力を調節する。
【００１７】
ところで、本実施形態では、制御手段２がスイッチング素子ＳＷをオンオフするタイミングを、交流電源ＡＣの出力電圧のゼロクロス点に限定している。すなわち、スイッチング素子ＳＷのオンオフが切り替わるタイミングは交流電源ＡＣの出力電圧が０Ｖ付近であるときに限られており、これによって、スイッチング素子ＳＷがオンオフする際にはスイッチング素子ＳＷの両端間に電圧はほとんどかからないので、スイッチング損失が生じにくく、また高調波電流や電源端子間に生じる雑音等のノイズも生じにくいという利点がある。このように交流電源ＡＣの出力電圧のゼロクロス点でのみスイッチング素子ＳＷをオンオフすれば、スイッチング素子ＳＷのオン時間およびオフ時間は交流電源ＡＣの出力電圧のゼロクロス点とゼロクロス点との間の半周期を最小単位として変化することになるので、単位時間Ｔにおけるオン時間とオフ時間との比率を調節可能とするように交流電源ＡＣの出力電圧の半周期の整数倍を前記単位時間Ｔとして規定する。
【００１８】
ゼロクロス点でのみスイッチング素子ＳＷをオンオフするための構成として、制御手段２には、交流電源ＡＣの出力電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出部４と、ゼロクロス検出部４で検出されたゼロクロス点のタイミングに同期してスイッチング素子ＳＷをオンオフ制御するパターン制御部５とが設けられている。ここではパターン制御部５はＭＰＵを用いて構成される。さらに、パターン制御部５では、単位時間Ｔにおけるゼロクロス点ごとのスイッチング素子ＳＷにおけるオンオフの時系列のパターンが出力パターンとして規定されており、この出力パターンに従ってスイッチング素子ＳＷをオンオフ制御する。
【００１９】
すなわち、スイッチング素子ＳＷは単位時間Ｔにおいて出力パターンのオンとオフとの配列順通りに時系列にオンオフすることになる。ここで、単位時間Ｔにおけるスイッチング素子ＳＷのオン時間とオフ時間との比率は、出力パターンにおけるオンとオフとの配列順には関係なく、出力パターンにおけるオンとオフとの比率によって決まる。したがって、出力パターンにおけるオンとオフとの比率を変化させれば、単位時間Ｔにおけるスイッチング素子ＳＷのオン時間とオフ時間との比率が変化し、白熱ランプＬの光出力が調節されることになる。ただし、スイッチング素子ＳＷのオフ時間が長く続くと、白熱ランプＬがちらついて見えることがあるので、単位時間Ｔにおいてスイッチング素子ＳＷのオフ時間が極力連続しないように、出力パターンにおけるオンとオフとの配列を設定することが望ましい。
【００２０】
本実施形態では、各ビットが２値（１、０）で表される複数ビットの数値を出力パターン（ＰＴＮ）として用い、各ビットの値”１”および”０”をスイッチング素子ＳＷのオンおよびオフにそれぞれ対応付けている。パターン制御部５は、ゼロクロス検出部４でゼロクロス点が検出されるごとに上記出力パターンを１ビットずつ順に用いて、スイッチング素子ＳＷをオンオフ制御する。ここにおいて、交流電源ＳＷの出力電圧の半周期ごとに出力パターンが１ビットずつ使用されるので、出力パターンのビット数は単位時間Ｔ内に含まれる半周期の回数に合わせて決めている。
【００２１】
また、本実施形態のように複数段階の調光レベルに調光可能とする場合には、各調光レベルにそれぞれ対応させて複数種類の出力パターンを用意する。パターン制御部５は当該複数種類の出力パターンの中から入力手段３で設定された調光レベルに対応する出力パターンを選択する選択部（図示せず）を備えており、選択部で選択された出力パターンに従ってスイッチング素子ＳＷをオンオフ制御する。
【００２２】
以下では、本実施形態の一例として、交流電源ＡＣの出力電圧における半周期の４倍である２周期を単位時間Ｔとして規定した例を示す。
【００２３】
この例では、単位時間Ｔ内に半周期を４回含んでいるので、４ビットの出力パターン（”１１１１”、”１１１０”、”１０１０”、”１０００”、”００００”）によって、単位時間Ｔにおけるスイッチング素子ＳＷのオン時間が占める割合を、４／４、３／４、２／４（＝１／２）、１／４、０／４の５段階で変化させることができる。その結果、全点灯と、全点灯時の３／４の平均電力で白熱ランプＬを点灯させる３／４調光と、全点灯時の１／２の平均電力で白熱ランプＬを点灯させる１／２調光と、全点灯時の１／４の平均電力で白熱ランプＬを点灯させる１／４調光と、全消灯との５段階の調光レベルを設定することができる。つまり、出力パターン”００００”、”１０００”、”１０１０”、”１１１０”、”１１１１”が、全消灯（調光レベルＬＶ＝０とする）、１／４調光（調光レベルＬＶ＝１とする）、１／２調光（調光レベルＬＶ＝２とする）、３／４調光（調光レベルＬＶ＝３とする）、全点灯（調光レベルＬＶ＝４とする）にそれぞれ対応する。なお、たとえば１／２調光に対応する出力パターンを“１１００”としてもオンオフの比率は変わらないから問題ないが、上述したように、単位時間Ｔにおいてスイッチング素子ＳＷのオフ時間が極力連続しないように出力パターンにおけるオンとオフとの配列を設定することが望ましい。
【００２４】
次に、制御手段２の動作を図２のフローチャートを参照して説明する。
【００２５】
制御手段２は、電源が投入されると、まず入力手段３より調光レベルを読み込み（Ｓ１）、読み込んだ調光レベルに対応した出力パターンを選択する（Ｓ２）。次に、ゼロクロス検出部４で交流電源ＡＣのゼロクロス点を検出し（Ｓ３）、ゼロクロス点が検出される度に（Ｓ３：Ｙｅｓ）、ステップＳ２で選択された出力パターンについて１ビットずつ値を読み出す（Ｓ５）。
【００２６】
そして、読み出した値が”１”であれば（Ｓ５：Ｙｅｓ）、スイッチング素子ＳＷのゲートにパルス電圧を印加してスイッチング素子ＳＷをオンする（Ｓ６）。これにより、スイッチング素子ＳＷは、ステップＳ３で交流電源ＡＣのゼロクロス点が検出されてから次のゼロクロス点までの半波についてはオン状態となる。一方、読み出した値が”０”であれば（Ｓ５：Ｎｏ）、スイッチング素子ＳＷのゲートにパルス電圧を印加しない（Ｓ７）。この場合には、スイッチング素子ＳＷは、ステップＳ３で交流電源ＡＣのゼロクロス点が検出されてから次のゼロクロス点までの半波についてはオフ状態となる。
【００２７】
以降、ゼロクロス点が検出されるごとに出力パターンについて１ビットずつ値を読み出してスイッチング素子ＳＷのオンオフを行い、出力パターンの４ビット目の読み出しが終了すると再び１ビット目の値を読み出すように上述した処理を繰り返す。ただし、制御手段２は、入力手段３が操作された場合には、操作後の調光レベルを入力手段３から改めて読み込むためにステップＳ１に移行するように構成されている。なお、４ビットの出力パターンを繰り返し用いるために、ここでは１〜４を繰り返しカウントするプログラム上のカウンタ（ＣＮＴ）を使用している（Ｓ４、Ｓ８、Ｓ９）。
【００２８】
以下、白熱ランプＬに印加される電圧波形を示す図３を参照して、上述の調光器１の動作を具体的に説明する。なお、図３においては、交流電源ＡＣの出力電圧波形を点線で示し、白熱ランプＬに印加される電圧波形を実線で示す。
【００２９】
入力手段３で調光レベルとして全点灯が設定された場合には、出力パターンは”１１１１”になるから、図３（ａ）に示すように白熱ランプＬは全期間に亘って交流電源ＡＣから電力供給を受けて全点灯する。
【００３０】
一方、入力手段３で３／４調光が設定された場合には、出力パターンは”１１１０”になるから、図３（ｂ）に示すように白熱ランプＬには交流電源ＡＣから全点灯時の７５％（＝３／４）の平均電力が供給され、白熱ランプＬは３／４調光で点灯する。入力手段３で１／２調光が設定された場合には、出力パターンは”１０１０”になるから、図３（ｃ）に示すように白熱ランプＬには交流電源ＡＣから全点灯時の５０％（＝１／２）の平均電力が供給され、白熱ランプＬは１／２調光で点灯する。また、入力手段３で１／４調光が設定された場合には、出力パターンは”１０００”になるから、図３（ｄ）に示すように白熱ランプＬには交流電源ＡＣから全点灯時の２５％（１／４）の平均電力が供給され、白熱ランプＬは１／４調光で点灯する。
【００３１】
入力手段３で全消灯が設定された場合には、出力パターンは”００００”になるから、図３（ｅ）に示すように白熱ランプＬには全期間に亘って電力が供給されず白熱ランプＬは消灯する。
【００３２】
また、図４には、上述した調光器１を用いた照明器具の概略構成を示す。この照明器具は、商用電源のコンセントに接続される電源プラグ６と白熱ランプＬと上述の調光器１とを器具本体７に備えている。調光器１は、電源プラグ６と白熱ランプＬとの間に接続される。このように本発明の調光器１を用いた照明器具では、スイッチング素子ＳＷがオンオフする際に、スイッチング損失およびノイズが生じにくいから、雑音防止用の部品を省略することができ、スイッチング素子ＳＷや雑音防止用の部品による無駄な電力消費を抑えるとともに、照明器具の小型化、低コスト化が可能になる。
【００３３】
上記実施形態では、消灯を含めて５段階の調光レベルを有した調光器１を実現するために、交流電源ＡＣの出力電圧における半周期の４倍である２周期を単位時間Ｔとして規定している例を示したが、本発明を用いてＮ（Ｎは任意の整数）段階の調光レベルを有した調光器１を実現するためには、交流電源ＡＣの出力電圧における半周期の（Ｎ−１）倍の時間を単位時間Ｔとして規定すればよい。このように本発明の技術思想を用いれば、複数段階の調光レベルを有した調光器１を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態の調光器を示すブロック図である。
【図２】同上の動作を示すフローチャートである。
【図３】同上の動作を示す波形図である。
【図４】同上の調光器を用いた照明器具を示すブロック図である。
【図５】従来例の動作を示す波形図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  調光器
２  制御手段
４  ゼロクロス検出部
５  パターン制御部
７  器具本体
ＡＣ  交流電源
Ｌ  白熱ランプ
ＳＷ  スイッチング素子
Ｔ  単位時間
【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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