JPH0689784A - 低騒音調光器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 白熱灯への供給電圧波形を滑らかにした、電
磁サージ騒音の少ない調光器を提供する。 【構成】 定量的ターンオン制御可のパワースイッチ素
子を順方向と逆方向で主回路に直列に接続し、これらの
素子をマイクロコンピューターを用いて、出力電圧の立
上げ立下げ曲線を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は照明灯へ供給する位相
制御された電力の立上り立下り曲線を制御することによ
り照明装置からの騒音の発生を防止する低騒音調光器に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電力調整装置としては、オートト
ランスを用いた電圧振幅制御方式の装置（オートトラン
ス方式）や一般サイリスタ（ゲートターンオフサイリス
タ（ＧＴＯｈ）など自己消弧能力を持っているものを除
く）を用いた位相制御方式の装置（一般サイリスタ方
式）などが知られている。

【０００３】オートトランス方式では出力電圧のカーブ
が滑らかなサインカーブであるので、負荷に電磁力サー
ジたとえば白熱灯におけるいわゆるハム騒音などが発生
しないという利点がある。しかし、オートトランスの寸
法が大きいことや遠隔操作がむずかしいため現在ではほ
とんど使用されていない。

【０００４】一般サイリスタ方式は小型で遠隔操作性に
優れまた省エネルギーにも役立つので最近の電力調整装
置の主流となっている。一般サイリスタ方式とは、主回
路のパワースイッチ素子に一般のサイリスタを用い、出
力電力の位相制御を行うことにより出力電圧を調整する
方式である。図１にこの方式の回路例を示す。

【０００５】この方式の制御特性を図２を参照しつつ説
明する。なお負荷は全抵抗負荷の場合を考える。

【０００６】最上段は入力電圧を示す。２段目はゼロク
ロス信号を示す。入力電圧のゼロクロスを検出し、その
時点からタイムカウントし、ある位相角に相当する時間
となった時点でサイリスタのゲートを駆動してサイリス
タをターンオンさせる。３段目はこのゲート駆動信号を
示す。ターンオンさせると、最下段に示すようにサイリ
スタの出力電圧は急速に立上り入力電圧にほぼ等しい値
にまで達する。その後は出力は入力電圧波形に相当する
波形を描いて次のゼロクロス点に達する。このゼロクロ
ス点でサイリスタは自動的にターンオフする。

【０００７】ターンオン中の電圧を演算した実効出力電
圧が出力の指標となる値である。この値を制御するに
は、サイリスタのターンオン位相角を制御することにな
る。所定の出力目標に対して、計算によりターンオン位
相角を求め、その角に対応する遅延時間（１回目のゼロ
クロスからターンオンまでの時間）後にサイリスタをタ
ーンオンさせることにより、この制御を行う。

【０００８】ところが、この一般サイリスタ方式の調光
器には重大な問題点がある。すなわち、サイリスタター
ンオン時の出力電圧は急速に立上るので、回路には急峻
なdi/dt の電流が流れることになり、その結果照明ラン
プのフィランメントが電磁力ショックにより振動して騒
音ノイズ（いわゆるハム音）が発生するのである。この
聴音ノイズは、音楽ホール、劇場、テレビスタジオ、オ
ーディオルーム等ではきわめて好ましくない。

【０００９】この騒音対策として従来の一般式サイリス
タ調光器では、主回路に直列にリアクターを入れて立上
り波形をなまらせている。しかし、このリアクターを設
けることに伴い以下の問題が発生する。

【００１０】 十分な騒音低減効果を得るには大きい
リアクターを必要とする。例えば３０Ａの調光器の場合
リアクターは弁当箱程度の寸法となる。この大きさは調
光器本体の約半分と無視しえないものである。 リアクターが発熱するのでエネルギー損失が生じ
る。またその熱を取り去るために強制風冷冷却装置が必
要となる。 必然的にコスト高になる。リアクターのコストはお
おむね本体の半分近いものとなる。

【００１１】 リアクターそのものが騒音源となる。
出力の立上り立下り時に電磁力ショックによる騒音が発
生することはリアクターも巻線コイルであるため避けら
れない。騒音対策のため、照明現場とは別の防音された
調光ラック室を設けて、そこに調光器を置く必要が生ず
る。調光ラック室の面積は被照明スペースの５〜１０％
にも達するので、土地高騰の昨今では経済的な負担が大
きくなっている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】白熱灯への供給電圧の
立上り立下り波形を適切なこう配を持ったなめらかなも
のにすることにより、白熱灯のハム騒音や調光器そのも
の騒音を低減した調光器を提供することを、この発明は
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の調光器は以下の構成を有することとし
た。 （ａ）主回路が、 小消費電力で主電流をターンオンおよび意図的ター
ンオフすることができかつ、少なくともターンオフ時に
素子開閉度合の定量コントロールが可能なパワースイッ
チ素子を順方向に少なくとも１個（３１１）と逆方向に
少なくとも１個（３１２）を直列に接続した素子対と、 各々の該素子と並列に、各々の該素子方向に逆向き
で接続したダイオード（３１３、３１４）と、 出力電力を検出する要素（３１５）とを有し、 （ｂ）制御部が、 各々の上記素子を駆動する回路（３２１、３２２）
と、 該駆動回路の駆動信号をデジタル／アナログ変換す
る変換器と、 入力として上記出力電力検出信号と目標実効出力電
圧値とを受けて、上記駆動回路に駆動指令を出力するマ
イクロコンピューター（３２５）とを有し、 （ｃ）制御動作は、 入力電圧の負から正へのゼロクロッシングより前の
時点で順方向パワースイッチ素子の駆動信号をオンに、
逆方向パワースイッチ素子の駆動信号をオフにしてお
き、 あるインターバルで出力電力値をマイクロコンピュ
ーターが読み取り所定の演算式によりリアルタイム実績
実効出力電圧を算出し、 与えられた実効出力電圧目標値と実効出力電圧実績
値とを比較照合し実績値が目標値に近づいた時点で、順
方向パワースイッチ素子の駆動信号を定量的にオフ方向
に制御することにより、出力電圧の立下がり時間を瞬時
カットオフ時間よりも長いある一定値に制御し、 順方向パワースイッチ素子のオフと同時に逆方向パ
ワースイッチ素子の駆動信号をオンし、 引き続き上記を行い、 与えられた実効出力電圧目標値と実効出力電圧実績
値とを比較照合し実績値が目標値に近づいた時点で、逆
方向パワースイッチ素子の駆動信号を定量的にオフ方向
に制御することにより、出力電圧の立下がり時間を瞬時
カットオフ時間よりも長いある一定値に制御し、 逆方向パワースイッチ素子のオフと同時に順方向パ
ワースイッチ素子の駆動信号をオンし、 以後、からを繰り返す。

【００１４】発明の構成を図３を参照しつつ説明する。

【００１５】この発明の電源（３０１）には、一般商用
交流電源（単相、三相）や自家発電機で発生させた交流
電源など各種の交流電源を使用しうる。

【００１６】小消費電力で主電流をターンオンおよび意
図的ターンオフできるパワースイッチ素子（３１１、３
１２）とは、駆動動力が比較的小さくてターンオン時の
電力損失が少ない主回路開閉素子であって、電源電圧の
状況のいかんにかかわらず素子の開閉を意図的に行える
ものの意味である。たとえばＭＯＳＦＥＴ（電界効果形
トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトラ
ンジスタ）のように電圧駆動できる素子や、効率のよい
ＢＰＴ（バイポーラトランジスタ）、ＧＴＯＴｈ（ゲー
トターンオフサイリスタ）、光ゲートターンオフサイリ
スタなどがこの部類に含まれる。

【００１７】これらの素子は、少なくともターンオフ時
に素子開閉度合の定量的コントロールが可能でなければ
ならない。ターンオフ時の出力電圧を定量的に制御する
ためである。

【００１８】パワースイッチを順方向に１個と逆方向に
１個直列に接続することの意味については後述の作用の
欄で説明する。

【００１９】該素子と並列に該素子方向と反対方向でダ
イオードを設けることの意味についても後述の作用の欄
で説明する。ここでダイオードとは一方向通電・他方向
遮断の特性を持つ素子の総称である。

【００２０】出力電力を検出する要素とは、電流式や電
圧式などの出力電力を測定する要素を意味する。電流式
の場合、例えば、抵抗式、カレントトランス式、電流ホ
ール素子式などの電流計である。電圧式の場合は負荷の
電圧降下を検出する電圧計である。検出した電力値はマ
イクロコンピューターに入力できるデジタル値で出力す
る。必要により、ＡＤ変換器を随伴してよい。

【００２１】次に制御部の構成について説明する。制御
部のパワースイッチ駆動回路とはパワースイッチをター
ンオン、ターンオフさせる駆動信号を適切にパワースイ
ッチに供給する回路である。たとえば、ＭＯＳＦＥＴや
ＩＧＢＴについては、それらのゲート等に信号電圧を印
加させる回路である。

【００２２】パワースイッチをＢＰＴとする場合は、駆
動回路はＢＰＴのベース電流を制御する電流回路とな
る。パワースイッチを光ゲートターンオフ型のサイリス
タとする場合は制御部は光回路となる。

【００２３】マイクロコンピューター（３３１）につい
て説明する。入力は、少なくとも、上記出力電力検出要
素からの出力電力検出信号と目標実効出力とである。後
者はマニュアル、ホストコンピューターよりの指令、Ｒ
ＯＭ記憶等により与えられる。処理速度、記憶容量は制
御周期や制御精度によって適切に選択しうる。出力は、
少なくとも、パワースイッチ素子への駆動指令である。

【００２４】次に制御動作について図４と図５を参照し
ながら説明する。図４はこの発明の調光器の制御特性全
体を示す図であり、図５はそのうち特に立下がり部を拡
大して示す図である。

【００２５】図４において最上段の曲線はパワースイッ
チへの入力電圧変化を示す。上から２段目は順方向素子
の、３段目は逆方向素子の、それぞれ駆動信号の状態を
示す。最下段の曲線は出力電圧変化を示す。これらはす
べて本発明の調光装置の制御動作の一例である。

【００２６】入力電圧の曲線は基本的にはサインカーブ
である。しかし不規則な変動（電圧ドロップなど）やサ
インカーブの歪を伴っている。図４左端Ａの時点の状態
は負電圧から１回目のゼロクロスに移りかけているとこ
ろである。

【００２７】Ａの時点で順方向素子（３１１）の駆動信
号をオンする。しかし、この時点では入力電圧はマイナ
スで順方向素子には逆バイアスがかかっているため順方
向素子は通電しない。また順方向素子に並列に逆方向で
接続されているダイオード（３１３）にも逆電圧がかか
っているのでダイオードも通電しない。結局主回路は不
導通で出力は０である。

【００２８】次に１回目のゼロクロスが生じるＢ時点通
過後は事情が異なる。ターンオンしている順方向素子に
正電圧がかかり素子が導通し、基本的に入力と同じ（素
子抵抗の分だけ電圧降下）電圧が出力される。図４最下
段のＢからＣまでの曲線がそれを示している。

【００２９】出力電圧の関数である例えば出力電流は一
定周期毎に測定される。一定周期を具体的にいくらとす
るかは、入力電源の周波数や要求されるリアルタイム制
御の度合いによって異なる。たとえば東日本地区商用交
流の５０Ｈｚの場合だと、周期２０ｍsec の１／１０か
ら１／１０００つまり２０μsec から２ｍsec が一般的
である。

【００３０】出力電圧を主回路電流からの換算で求める
こともできる。この場合の実効電圧計算の方法は次のと
おりである。まず式１によって実効電流を計算する。

【００３１】

【数１】

【００３２】次に得られた実効電流値に想定される負荷
抵抗を乗じて実効電圧値を計算する。パワースイッチ素
子の通電時間の経過とともに実効出力電力実績値は上昇
する。一方、マイクロコンピューターには制御目標の実
効電圧値が与えられており実績値が目標値に近づいた時
点で次の動作に移行する。

【００３３】図５はこの発明の調光器の出力立下げ部を
示す図である。Ｊの時点は立下げ動作に入る時点であり
実効出力電圧の測定値が実効出力電圧の目標値に近づい
た時点である。立下げ動作に入るのは、立下げ動作中の
実効出力電圧の増加分を予測し、実効出力電圧目標値か
ら立下げ中の増加分を差し引いた直に実効出力電圧の測
定値が到達した時点である。この時点の電圧ｖと電圧こ
う配dv/dt を読み取り次の動作を行う。

【００３４】Ｊ−Ｋ間はdv/dt を徐々に下げている部分
である。Ｋ−Ｌ間はほぼ一定のdv/dt で出力電圧を降下
させている部分である。Ｌ−Ｍ間はdv/dt を徐々に上げ
て出力カーブをなめらかに時間軸（Ｖ＝０のライン）に
合流させている部分である。

【００３５】Ｊ−Ｋ間やＬ−Ｍ間のような緩和部分を設
ける目的は、出力変動をできるだけスムースにして白熱
灯フィラメント部分での電磁ショックを低減し、それに
よってハム音を低減することである。

【００３６】使用する環境（白熱灯の防ハム性、回路内
のリアクタ要素等）によっては、このような緩和部分を
設けることなく、制御曲線をＫ−Ｌ部分のみとしてもよ
い。

【００３７】ＪからＭまでの時間すなわち立下げ時間
は、一般の白熱灯負荷の場合で３００〜８００μsec と
することが好ましい。３００μsec 以下ではハム音を有
効に低減することができない。また、８００μsec 以上
としてもさらなるハム音低減効果は期待しにくいし、パ
ワースイッチ素子通電損失が増加することとなる。

【００３８】立下げ制御方法のもっとも簡単な方法は、
パワースイッチ素子の駆動信号を一定時間内に一定量ず
つ徐々に下げていくことである。パワースイッチ素子の
駆動信号と出力とのリニアリティー特性等は適当な実験
により確認することができる。

【００３９】立下げカーブは好ましくは図６に示すよう
な余弦曲線とすることができる。立下り開始時の出力電
力をＶｍとする立下がりカーブはＶ＝Ｖｍ（cosKωt ＋
１）／２で表すことができる。ここでＫは定数、ωは角
速度ｔは立下げ開始後の時間である。

【００４０】Ｋは所要の立下げ時間等を考慮して適宜定
めることができる。例えばＫ＝２０の場合で立下げ開始
時の位相角が９０°の場合立下げに必要な位相角は９°
となる。この位相角は電源周波数５０Hzの場合は５００
μsec に相当し、適当な立下げ時間の範囲となる。

【００４１】この余弦波カーブでは出力０となる立下げ
最終点でカーブが時間軸となめらかに接続するので電磁
ショックの少ない出力が得られる。

【００４２】

【実施例】この発明の一実施例を図７の回路図に示す。
回路中の構成要素を具体的に以下に示す。 電源（５０１）：１００Ｖ、５０Ｈｚ商用交流電源 パワースイッチ素子（５１１、５１２）：ＩＧＢＴ、三
菱電気製（ＣＭ３０Ｅ３Ｙ−１２ ダイオード（５１３、５１４）：上記ＩＧＢＴに内蔵 抵抗（５１５）：シャント型抵抗 ＡＤ変換器（５１６）：アナログデバイス社製ＡＤ５７
９ ＤＡ変換器（５１７、５１８）：アナログデバイス社製
ＤＡＣ０８ ゲート回路（５１２、５２２）：−１５Ｖ〜＋１５Ｖの
電圧回路 マイクロコンピューター（５２５）：１６ビットマイコ
ン、インテル社製８０２８６ 送受信ＳＩＯ（５２６）：ＮＥＣ製Ｄ７２０１ 光アイソレータ（５２７）：東芝製ＴＬＰ５５０ 負荷（５３１）：白熱灯（１００Ｖ、１ＫＷＨ）

【００４３】この実施例では、目標実効電圧値を光通信
装置を介してホストコンピュータより与えることとして
いる。複雑な出力制御にも対応しうるためである。演算
のインターバルは２０μsec とした。

【００４４】

【発明の効果】この発明の調光器は以下の効果を有す
る。 出力の立上り部が電源の波形（サインカーブ）と同
一の滑らかな波形であるので、負荷の白熱灯に電磁サー
ジがかからない。そのため出力立上り部でハム音が発生
しない。 出力の立下り部で出力波形を適切な勾配を持ったな
めらかな波形となるよ制御しているので、出力立下げ部
でもハム音発生を防止できる。

【００４５】 電磁サージ低減のために設置する必要
のあったリアクターが不要となる。その一義的効果とし
て、調光器の小型軽量化、冷却装置の省略、調光器コス
トの低減、省エネが可能となる。 リアクターが不要となるため、リアクターの騒音を
考慮する必要からくる従来の種々の技術制約が解除され
る。すなわち、調光器を照明灯のすぐ近くに設置するこ
とができるので、ケーブル抵抗による電圧効果の影響を
調光システムから排除できる。また調光ラック室が不要
となり、省スペースに役立つとともに、スタジオ・舞台
設計の自由度が増す。

【００４６】 従来のリアクター方式は、負荷の大小
によってライズタイム（立上り時間）が変化するため、
ノイズ軽減効果にバラツキがあった。この発明の調光器
は、負荷（白熱灯の容量）の大小にかかわらず立下り時
間は制御された一定直であるので、その時々の照明演出
の要請によって種々の白熱灯を取替えて運転する照明現
場においても、安定した低騒音照明を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の一般サイリスタ方式の調光装置を示す回
路図である。

【図２】従来の一般サイリスタ方式の制御特性を示す図
である。

【図３】この発明の調光装置を示す回路図である。

【図４】この発明の調光装置の制御特性全体を示す図で
ある。

【図５】上記制御特性の立下り部を拡大して示す図であ
る。

【図６】立下り曲線を余弦曲線とした制御特性を示す図
である。

【図７】この発明の調光装置の一実施例を示す回路図で
ある。

【符号の説明】

１０１、３０１、５０１ 電源 １１１、１１２ サイリスタ ３１１ 順方向パワースイ
ッチ素子 ３１２ 逆方向パワースイ
ッチ素子 ５１１ 順方向ＩＧＢＴ ５１２ 逆方向ＩＧＢＴ ３１３、３１４、５１３、５１４ ダイオード ３１５ 出力電力検出要素 ５１５ 抵抗 ５１６ ＡＤ変換器 ５１７、５１８ ＤＡ変換器 １２１、５２１、５２２ ゲート回路 １２２ 制御回路 ３２１ 順方向パワースイ
ッチ素子駆動回路 ３２２ 逆方向パワースイ
ッチ素子駆動回路 ３２５ マイクロコンピュ
ーター ５２６ 送受信ＳＩＯ ５２７、５２８ 光アイソレータ １３１、３３１、５３１ 白熱灯

フロントページの続き (72)発明者 ゴードン ダブリュ パールマン アメリカ合衆国 オレゴン ポートランド エヌ ダブリュ ルレイ テラス 3004 (72)発明者 スチーブン ビー カールソン アメリカ合衆国 オレゴン ポートランド エヌ ダブリュ オールド ケリィ ロ ード 11929 (72)発明者 関根 信明 埼玉県入間郡大井町武蔵野1285 アールデ ィエス株式会社 埼玉工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源（３０１）と負荷（３３１）と
   の間に接続される、以下の構成を有する低騒音調光器； （ａ）主回路が、 小消費電力で主電流をターンオンおよび意図的ター
   ンオフすることができかつ、少なくともターンオフ時に
   素子開閉度合の定量コントロールが可能なパワースイッ
   チ素子を順方向に少なくとも１個（３１１）と逆方向に
   少なくとも１個（３１２）を直列に接続した素子対と、 各々の該素子と並列に、各々の該素子方向に逆向き
   で接続したダイオード（３１３、３１４）と、 出力電力を検出する要素（３１５）とを有し、 （ｂ）制御部が、 各々の上記素子を駆動する回路（３２１、３２２）
   と、 該駆動回路の駆動信号をデジタル／アナログ変換す
   る変換器と、 入力として上記出力電力検出信号と目標実効出力電
   圧値とを受けて、上記駆動回路に駆動指令を出力するマ
   イクロコンピューター（３２５）とを有し、 （ｃ）制御動作は、 入力電圧の負から正へのゼロクロッシングより前の
   時点で順方向パワースイッチ素子の駆動信号をオンに、
   逆方向パワースイッチ素子の駆動信号をオフにしてお
   き、 あるインターバルで出力電力値をマイクロコンピュ
   ーターが読み取り所定の演算式によりリアルタイム実績
   実効出力電圧を算出し、 与えられた実効出力電圧目標値と実効出力電圧実績
   値とを比較照合し実績値が目標値に近づいた時点で、順
   方向パワースイッチ素子の駆動信号を定量的にオフ方向
   に制御することにより、出力電圧の立下がり時間を瞬時
   カットオフ時間よりも長いある一定値に制御し、 順方向パワースイッチ素子のオフと同時に逆方向パ
   ワースイッチ素子の駆動信号をオンし、 引き続き上記を行い、 与えられた実効出力電圧目標値と実効出力電圧実績
   値とを比較照合し実績値が目標値に近づいた時点で、逆
   方向パワースイッチ素子の駆動信号を定量的にオフ方向
   に制御することにより、出力電圧の立下がり時間を瞬時
   カットオフ時間よりも長いある一定値に制御し、 逆方向パワースイッチ素子のオフと同時に順方向パ
   ワースイッチ素子の駆動信号をオンし、 以後、からを繰り返す。
2. 【請求項２】 請求項１の（ｃ）および「出力電圧
   の立下り時間をある一定値に制御する」かわりに「出力
   電圧の立下り曲線をなめらかな形状に制御する」ことと
   する請求項１の調光器
3. 【請求項３】 請求項２の「なめらかな形状」が余弦波
   曲線である請求項２の調光器。