JPH0775194B2 - 電力制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、照明器具の光量を調
節する調光装置等の電力制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば照明器具の光量制御のように電力
を無段階的に制御する電力制御装置は、従来よりスイッ
チング素子の位相角を制御する回路から構成されてい
る。このような従来の電力制御装置の最も典型的な回路
は、可変抵抗とコンデンサによりＣＲ位相調整回路を構
成し、サイリスタ（トライアック等）のゲートと位相制
御回路間にトリガ素子を設け、可変抵抗の抵抗値によっ
てトリガ素子がブレイクオーバーする位相を制御し、こ
のことによりサイリスタの導通角を定めるようにしてい
る。その結果ランプ等の負荷には図３に示すような電圧
が印加されることになる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、サイリスタ
の導通角を位相制御する従来の調光装置においては、負
荷に印加される電圧波形は商用交流電源電圧波形の各半
サイクル毎に連続する非導通角が存在するため、比較的
低次の高調波成分が高い含有率で電力系統に重畳される
という特性を備えている。このため電力系統に接続され
ている変圧器や調相回路における電力損を増大させると
いう問題があった。

【０００４】近年の位相制御による電力制御装置の多用
によって上述の問題は深刻化しつつあり、機器から電力
系統に重畳される高調波成分の含有率を制限するための
規格や規制が提案されている。

【０００５】また従来の位相制御による電力制御装置は
位相調整用コンデンサの初期条件の違いによりヒステリ
シスが生じること、商用交流電源周波数の違いにより特
性が変化すること、更には電源電圧の変動によって導通
角も変化して供給電力が大きく変動すること等の問題も
あった。

【０００６】この発明の目的は、高調波による電力系統
に及ぼす影響を低減するとともに上述の問題を解消した
電力制御装置を提供することにある。

【０００７】またこの発明の他の目的は、可変抵抗器の
調整によって供給電力を広範囲にわたって安定して設定
できるようにした電力制御装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
る電力制御装置は、商用交流電源を電源とする負荷に直
列に接続される装置であって、入力端子間に流れる電流
を一方向に整流する第１のダイオードと、これとは反対
方向に整流する第２のダイオードと、デューティー比制
御用可変抵抗を備え、高周波発振する非安定マルチバイ
ブレータと、第１のダイオードに直列接続され、上記非
安定マルチバイブレータの出力によりオン／オフする第
１のスイッチングトランジスタと、第２のダイオードに
直列接続され、上記非安定マルチバイブレータの出力に
よりオン／オフする第２のスイッチングトランジスタと
から構成したことを特徴とする。

【０００９】また請求項２に係る電力制御装置は、商用
交流電源を電源とする負荷に直列に接続される装置であ
って、入力端子間に流れる電流を整流する整流回路と、
デューティー比制御用可変抵抗を備え、高周波発振する
非安定マルチバイブレータと、上記整流回路に接続さ
れ、上記非安定マルチバイブレータの出力によりオン／
オフするスイッチングトランジスタとを備えるととも
に、上記整流回路の出力電圧を抵抗を介して充電するコ
ンデンサと、このコンデンサの充電電圧が一定値を超え
た時オンして上記マルチバイブレータにトリガパルスを
与えるトリガ素子からなるトリガ回路を設けたことを特
徴とする。

【００１０】

【作用】この発明の請求項１に係る電力制御装置では、
第１のダイオードは入力端子間に流れる電流を一方向に
整流し、第２のダイオードはそれとは反対方向に整流す
る。非安定マルチバイブレータは、可変抵抗の状態で定
まるデューティー比のパルスを発生する。そして第１の
スイッチングトランジスタは非安定マルチバイブレータ
の出力によりオン／オフして第１のダイオードに流れる
電流を断続し、また第２のスイッチングトランジスタは
非安定マルチバイブレータの出力によりオン／オフして
第２のダイオードに流れる電流を断続する。非安定マル
チバイブレータの繰り返し周期は商用交流電源の周期よ
り十分に短いため、負荷に流れる電流は非安定マルチバ
イブレータの発生する矩形波信号に応じて交流電源の１
サイクル内で複数回断続される。負荷供給電力は第１・
第２のスイッチングトランジスタのオンデューティー比
で定まり、非安定マルチバイブレータのデューティー比
制御用可変抵抗を調節することによって負荷供給電力を
調節することができる。

【００１１】このようにして商用交流電源電圧の半サイ
クル中に負荷供給電流が連続的に遮断されることなく、
全周期にわたって一定デューティー比で負荷供給電流が
断続されるため、電力系統に重畳される低次高調波成分
の含有率は低い。もちろん非安定マルチバイブレータの
繰り返し周期に対応する周波数成分が高次高調波成分と
して生じるが、これは電力系統のインダクタンスで減衰
され、また比較的低インダクタンスのコイルでフィルタ
リングすることができ、他の機器に悪影響を与えない。

【００１２】なお、電源電圧の例えば正の半サイクルで
第１のダイオードおよび第１のスイッチングトランジス
タを通して負荷電流が流れ、負の半サイクルで第２のダ
イオードおよび第２のスイッチングトランジスタを通し
て負荷電流が流れる。したがって、負荷電流路には１段
の整流用ダイオードが介在するだけであり、例えばダイ
オードブリッジを用いて整流する場合に比較して整流ダ
イオードによる電力損失は半分になり電力制御装置全体
の電力損失が低減する。

【００１３】請求項２に係る電力制御装置では、整流回
路が入力端子間に流れる電流を整流し、非安定マルチバ
イブレータが可変抵抗の状態で定まるデューティー比の
パルスを発生する。スイッチングトランジスタは非安定
マルチバイブレータの出力によりオン／オフして整流回
路に流れる電流を導通／遮断する。そしてトリガ回路内
のコンデンサは整流回路の出力電圧を抵抗を介して充電
し、このコンデンサの充電電圧が一定値を超えた時トリ
ガ素子がオンして非安定マルチバイブレータにトリガパ
ルスを与える。上記コンデンサの充電電圧は電源周波数
の一周期（整流回路が半波整流である場合）または半サ
イクル（整流回路が全波整流である場合）毎に上昇し、
それに応じて非安定マルチバイブレータにトリガパルス
が与えられる。

【００１４】可変抵抗器の設定によってマルチバイブレ
ータのデューティー比が極端に大きくなる場合や極端に
小さくなる場合には、マルチバイブレータを構成する２
つのトランジスタがともにオンする状態が生じてその発
振動作が不安定となるが、このように一定周期毎にマル
チバイブレータにトリガパルスが与えられることによっ
て、非常に大きなデューティー比または非常に小さなデ
ューティー比であっても発振動作を継続させることがで
きる。このことにより供給電力を広範囲にわたって設定
できるようになる。

【００１５】

【実施例】この発明の実施例である調光装置の回路を図
１に示す。図１においてＬは負荷としてのランプであ
り、このランプＬとともに端子Ｔ１，Ｔ２を介して商用
交流電源ＡＣに直列接続される回路が調光回路である。
コンデンサＣ９，チョークコイルＣＨは高調波（特に後
述する非安定マルチバイブレータの発振周波数）成分を
除去するフィルター回路を構成する。Ｄ１０はチョーク
コイルＣＨを介して入力端子Ｔ１，Ｔ２間に流れる電流
を一方向に整流する第１の整流ダイオード、Ｄ１１はそ
れとは反対方向に整流する第２の整流ダイオードであ
る。Ｑ１０は第１の整流ダイオードＤ１０に流れる電流
を断続する第１のスイッチングトランジスタ、Ｑ１１は
第２の整流ダイオードＤ１１に流れる電流を断続する第
２のスイッチングトランジスタである。Ｄ５，Ｄ６はそ
れぞれ逆流防止ダイオードである。

【００１６】抵抗Ｒ７、コンデンサＣ７，Ｃ８、トラン
ジスタＱ８、ツェナーダイオードＺＤ１は直流電圧安定
化回路を構成する。同様にコンデンサＣ１１，Ｃ１３、
抵抗Ｒ１０、トランジスタＱ９、ツェナーダイオードＺ
Ｄ２は直流電圧安定化回路を構成する。トランジスタＱ
１，Ｑ２、コンデンサＣ１，Ｃ２、抵抗Ｒ１，Ｒ２，可
変抵抗ＶＲ，トランジスタＱ３，Ｑ４、抵抗Ｒ３，Ｒ
４、ダイオードＤ１，Ｄ２は非安定マルチバイブレータ
（以下単にマルチバイブレータという。）を構成する。
このマルチバイブレータの出力信号は抵抗Ｒ８およびス
ピードアップコンデンサＣ６を介してスイッチングトラ
ンジスタＱ１０のゲートに与えられる。また、同時に抵
抗Ｒ５およびスピードアップコンデンサＣ３を介してト
ランジスタＱ５に与えられる。このトランジスタＱ５と
それぞれに接続されているダイオードＤ３，Ｄ４、抵抗
Ｒ１３，Ｒ１２，Ｒ１１、コンデンサＣ１２、ＬＥＤ、
トランジスタＱ６，Ｑ７はスイッチングトランジスタＱ
１１のゲート制御用トランジスタ回路を構成する。この
トランジスタ回路の出力は抵抗Ｒ９およびスピードアッ
プコンデンサＣ１０を介してＱ１１のゲートに与えられ
る。なお、ダイオードＤ７，Ｄ８はそれぞれＱ１０，Ｑ
１１のゲートの０レベルを接地電位に保つ。抵抗Ｒ６、
コンデンサＣ４，Ｃ５およびトリガ素子ＳＢＳは非安定
マルチバイブレータに対しトリガパルスを与えるトリガ
回路を構成する。

【００１７】図１に示した回路の動作は次の通りであ
る。まず、負荷Ｌを通して商用交流電源ＡＣが供給され
るとＤ６の出力に整流電圧が現れ、その電圧がＣ１１に
よって平滑される。そしてＱ９はＺＤ２のツェナー電圧
＋Ｑ９のベース・エミッタ間電圧にほぼ等しい安定化直
流電圧を出力する。Ｃ１３はその電圧を平滑する。一
方、Ｄ５の出力電圧はＣ７によって平滑され、Ｑ８はＺ
Ｄ１のツェナー電圧＋Ｑ８のベース・エミッタ間電圧に
ほぼ等しい安定化直流電圧を出力する。Ｃ８はその電圧
を平滑する。

【００１８】このようにしてＱ１１のゲート制御用トラ
ンジスタ回路およびマルチバイブレータにそれぞれ電源
電圧が与えられる。また、これとは別にＣＨ→Ｒ６→Ｃ
４→Ｑ２の経路でＱ２にベース電流が流れ、Ｑ２がオン
する。これによりＱ１のベース電位が低くなってＱ１は
オフ状態となる。そのためＱ３のベース電位が上昇し、
Ｑ３がオンする。その結果Ｑ１０のゲート電位はＱ３を
介して高電位になりＡ点（ＣＨの一端）が正電位の時Ｑ
１０はオンする。このときＱ１０とＤ１０を介してラン
プＬに負荷電流が流れる。

【００１９】一方、Ｑ２のオンによりＶＲ→Ｃ２→Ｄ２
→Ｑ２の経路でＣ２に充電電流が流れる。Ｃ２の充電電
圧がＱ１のＶ_BEを超えるとＱ１がオンする。これによっ
てＶＲ→Ｒ１→Ｃ１→Ｄ１→Ｑ１の経路でＣ１に充電電
流が流れる。同時にＱ２のベース電位が負となってＱ２
はオフ状態となる。これによりＱ４のベース電位が高く
なり、Ｑ４がオンしてＱ１のベース電位を更に高める。
Ｑ１のオンによりＱ３がオフし、この時のスイッチング
トランジスタＱ１０のゲート電位はＤ１とＱ１の順方向
降下電圧にほぼ等しい低電位となってＱ１０はオフす
る。このときランプＬには負荷電流が流れない。

【００２０】次に非安定マルチバイブレータの動作に伴
うＱ１１のゲート制御用トランジスタ回路およびＱ１１
の動作について述べる。

【００２１】Ｑ１がオフ、Ｑ３がオン状態となれば、Ｑ
５のベース電位は高くなりＱ５もオン状態となる。その
ためＱ７のベースはＲ１２→Ｄ３→Ｑ５を介して低電位
となりＱ７がオンする。また、Ｑ６のベースも低電位と
なるためＱ６はオフ状態となる。したがって第２のスイ
ッチングトランジスタＱ１１のゲートにはＱ７を介して
高電位が与えられる。Ａ点（ＣＨの一端）が負電位であ
る時Ｄ１１→Ｑ１１→ＣＨの経路でランプＬに電流が流
れる。逆に、マルチバイブレータのＱ１がオン状態とな
ればＱ５のベース電位は低電位となりＱ５はオフ状態と
なる。そのためＱ７およびＱ６のベースはともに高電位
となる。その結果Ｑ７がオフ、Ｑ６がオンする。Ｑ１１
のゲートはＱ６を介して低電位となるためＡ点の電位に
関わらずＱ１１はオフ状態となる。

【００２２】以上のようにして２つのスイッチングトラ
ンジスタＱ１０とＱ１１のゲートにはマルチバイブレー
タの出力に基づく同極性の矩形波信号が与えられる。こ
れによりＡ点が正電位となる半サイクルではＱ１０によ
り負荷電流が断続され、Ａ点が負電位となる半サイクル
ではＱ１１により負荷電流が断続されることになる。

【００２３】図２にランプＬに供給される電圧・電流の
波形例を示す。

【００２４】なお、Ｑ５がオン状態の時Ｒ１１とＬＥＤ
との接続点の電位は（Ｄ４のＶ_F ＋Ｑ５のＶ_CE＋Ｄ９の
Ｖ_F ）の電位となるが、この時Ｑ６のベース電位をＶ_BE
より低くするためにＲ１１とＱ６のベース間にＬＥＤを
挿入している。すなわちＬＥＤはそのＶ_F を利用するた
めに挿入している。

【００２５】スイッチングトランジスタＱ１０，Ｑ１１
のオン時間はＱ２のオン時間に等しく、これはＶＲ，Ｒ
２，Ｃ２の時定数で定まる。Ｑ２のオフ時間（＝Ｑ１の
オン時間）はＶＲ，Ｒ１，Ｃ１の時定数で定まる。した
がってＶＲの位置によってＱ２のオン時間／オフ時間が
ともに変化する。Ｃ１＝Ｃ２であればＱ２のオン時間＋
オフ時間は一定となり、ＶＲの位置によってそのオンデ
ューティー比が定まる。

【００２６】以上にようにしてマルチバイブレータの発
振動作によりランプＬを断続するとともにＶＲの調整に
よってそのオンデューティー比を制御して供給電力を制
御することができる。

【００２７】ところで電源投入直後Ａ点が正電位である
時ＣＨ→Ｒ６→Ｃ５→Ｄ１０の経路でＣ５に充電電流が
流れる。Ｃ５の充電電圧がトリガ素子ＳＢＳのブレイク
オーバー電圧を超える時ＳＢＳがターンオンしてＣ５が
放電されるとともに、Ｃ４に充電されていた電圧がＱ２
のベースに対し負電圧として印加される。即ちＱ２に対
し負のトリガパルスが与えられる。Ｒ６，Ｃ５の時定数
は遅くとも電源周波数の１／４サイクル以内でＳＢＳが
ターンオンするように設定されている。したがって１サ
イクル毎にＱ２に対しトリガパルスが与えられる。その
ため、ＶＲの調節によってマルチバイブレータのデュー
ティー比が非常に大きくなる場合や非常に小さくなる場
合にも発振動作が継続される。このことはＶＲの調節に
よる調節可能なデューティー比の変化幅が広がることを
意味する。

【００２８】

【発明の効果】この発明によれば、商用交流電源周波数
より高周波で負荷供給電流を断続するとともにそのオン
デューティー比を可変としたため、比較的低次の高調波
成分が抑えられ、電力系統に与える悪影響を防止するこ
とができる。また、位相制御による方法ではないためヒ
ステリシス現象、商用交流電源周波数による特性変化、
更には電源電圧の変動による問題のない特性の安定した
電力制御装置が得られる。

【００２９】特に請求項１に係る電力制御装置では、常
に単一のダイオードとスイッチングトランジスタを介し
て負荷電流が流れるため、整流ダイオードの順方向降下
電圧による電力損失は少なく、装置全体の電力損失を抑
えることができる。

【００３０】また請求項２に係る電力制御装置では、デ
ューティー比制御用可変抵抗の調整範囲を広くしてもマ
ルチバイブレータとして安定な発振動作を継続すること
ができるため、広範囲にわたって負荷供給電力を制御す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例である調光装置の回路図であ
る。

【図２】同装置の負荷供給電圧・電流波形図である。

【図３】従来の位相制御による電力制御装置の負荷供給
電圧・電流波形図である。

【符号の説明】

Ｄ１０−第１のダイオード Ｄ１１−第２のダイオード Ｑ１０−第１のスイッチングトランジスタ Ｑ１１−第２のスイッチングトランジスタ ＳＢＳ−トリガ素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】商用交流電源を電源とする負荷に直列に接
   続される装置であって、入力端子間に流れる電流を一方
   向に整流する第１のダイオードと、これとは反対方向に
   整流する第２のダイオードと、デューティー比制御用可
   変抵抗を備え、高周波発振する非安定マルチバイブレー
   タと、第１のダイオードに直列接続され、上記非安定マ
   ルチバイブレータの出力によりオン／オフする第１のス
   イッチングトランジスタと、第２のダイオードに直列接
   続され、上記非安定マルチバイブレータの出力によりオ
   ン／オフする第２のスイッチングトランジスタとからな
   る電力制御装置。
2. 【請求項２】商用交流電源を電源とする負荷に直列に接
   続される装置であって、入力端子間に流れる電流を整流
   する整流回路と、デューティー比制御用可変抵抗を備
   え、高周波発振する非安定マルチバイブレータと、上記
   整流回路に接続され、上記非安定マルチバイブレータの
   出力によりオン／オフするスイッチングトランジスタと
   を備えるとともに、上記整流回路の出力電圧を抵抗を介
   して充電するコンデンサと、このコンデンサの充電電圧
   が一定値を超えた時オンして上記非安定マルチバイブレ
   ータにトリガパルスを与えるトリガ素子からなるトリガ
   回路を設けたことを特徴とする電力制御装置。