２線式負荷制御装置
【課題】大電流が流れる負荷から、微少電流しか流れない負荷まで、様々な用途に対応しうる２線式負荷制御装置を提供する。
【解決手段】ラッチ式リレーなどの大電流負荷用の第１スイッチ素子１２と、トライアックなどの小電流負荷用の第２スイッチ素子３０と、負荷電流値検出部３４を備え、最初第２スイッチ素子３０を用いて負荷３をオンし、負荷電流値が所定の閾値以上になったときに、第１スイッチ素子１２に切り替えて負荷３をオンさせ続ける。
【解決手段】ラッチ式リレーなどの大電流負荷用の第１スイッチ素子１２と、トライアックなどの小電流負荷用の第２スイッチ素子３０と、負荷電流値検出部３４を備え、最初第２スイッチ素子３０を用いて負荷３をオンし、負荷電流値が所定の閾値以上になったときに、第１スイッチ素子１２に切り替えて負荷３をオンさせ続ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置などの負荷のオン及びオフを制御するための２線式負荷制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、照明装置などのオン及びオフを制御するために、トライアックなどの半導体スイッチ素子を用いた負荷制御装置が知られている。このような半導体スイッチ素子を用いた負荷制御装置のうち、２線式の負荷制御装置は、交流電源と負荷の間に直列に接続されるため、配線工事が簡単である。その反面、負荷がオフされているときでも半導体スイッチ素子や制御回路（ＣＰＵなど）を駆動するための電源を確保する必要がある。そのため、半導体スイッチ素子に並列に整流回路を接続し、負荷をオフするときでも、実際には負荷がオン又は誤動作しない程度の微弱電流を負荷に流し、整流された電流をバッファコンデンサに充電し、負荷がオフしているときの電源（オフ電源部）を確保している。一方、負荷をオンさせている場合であっても、半導体スイッチ素子が交流電源のゼロクロス点において自己消弧してから、交流電源の電圧が半導体スイッチ素子のゲート駆動電圧に達するまでの間は、半導体スイッチ素子の開閉部は導通していない。そのため、その間、交流電源から負荷に流れる電流は、整流回路に流れている。従って、整流された直流電力を上記バッファコンデンサに充電することによって、負荷がオンしているときの電源（オン電源部）を確保している（特許文献１参照）。
【０００３】
照明装置には、白熱電球を多数使用したシャンデリアタイプのもの、蛍光灯を用いたもの、ＬＥＤ電球を使用したものなど、様々な種類が存在する。トライアックなどの半導体スイッチ素子は、その導通及び非導通（スイッチング）を制御するために必要な電力は少なく、上記のようにバッファコンデンサに充電された電力によって半導体スイッチ素子を駆動することができる。その反面、半導体スイッチ素子は、その開閉部による電力損失が大きいため、大電流を必要とする負荷にはあまり適していない。一方、ラッチ式リレーなど、機械的に駆動される開閉接点を備えたスイッチ素子は、その開閉部による電力損失が小さく、大電流を必要とする負荷に適している。その反面、機械的な開閉接点を導通及び非導通させるには、例えば電磁石装置などを駆動する必要があり、高速でスイッチングすることができず、上記のようなスイッチ素子を一時的に非導通にさせてその間に電力を確保するようなオン電源部を利用することができない。そのため、電流変成器などを用いた電源が別途必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−９７５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、大電流が流れる負荷から、微少電流しか流れない負荷まで、様々な負荷のオン及びオフを制御しうる２線式負荷制御装置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】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明に係る２線式負荷制御装置は、
交流電源及び負荷にそれぞれ接続される２つの入力端子と、
前記２つの入力端子の間に接続された第１スイッチ素子と、
前記２つの入力端子の間に、前記第１スイッチ素子と並列に接続され、その許容しうる負荷電流が、前記第１スイッチ素子が許容しうる負荷電流よりも小さい第２スイッチ素子と、
前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子を共に導通させないときに、前記交流電源から前記負荷を介して流れる交流電流を用いて直流電力を確保するオフ電源部と、
前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子のいずれか一方を導通させるときに、前記交流電源から前記負荷を介して流れる交流電流を用いて直流電力を確保するオン電源部と、
前記オフ電源部及び前記オン電源部から出力される直流電力によって駆動され、外部から入力される操作情報に基づいて、前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子の導通及び非導通を制御すると共に、前記負荷をオンさせるときに、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子のいずれかを選択して導通させる制御部を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、前記制御部は、前記負荷がオンしているときに、前記交流電源から前記負荷に流れる負荷電流値を検出し、現在導通させているスイッチ素子が、検出した負荷電流値に対して適切か否かを判断し、現在導通させているスイッチ素子が、検出した負荷電流値に対して不適切と判断したときに、現在導通させているスイッチ素子を非導通とし、他方のスイッチ素子を導通させることが好ましい。
【０００８】
または、前記制御部は、前記操作情報に基づいて、前記負荷をオンさせるときに、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子のいずれかを選択することが好ましい。
【０００９】
また、前記第１スイッチ素子は、機械的に開閉される開閉接点を備えたリレー式スイッチ素子であり、
前記第２スイッチ素子は、機械的に開閉される開閉接点を備えていない半導体スイッチ素子であり、
前記第１スイッチ素子の開閉接点の一方と前記２つの入力端子の一方との間に電流変成器が接続され、
前記オン電源部は、
前記電流変成器の２次側に接続され、前記電流変成器の２次側に流れる交流電流を用いて直流電力を確保する第１オン電源部と、
前記第２スイッチ素子の開閉部に接続され、前記交流電源から前記負荷を介して流れる交流電流を用いて直流電力を確保する第２オン電源部を備えていることが好ましい。
【００１０】
また、前記オフ電源部又は前記オン電源部と前記制御部の間に設けられ、前記制御部に直流電力を供給する第１補助電源部と、前記第１スイッチ素子が非導通状態から導通状態に切り替えられる際に、前記第１スイッチ素子を駆動するための直流電力を供給する第２補助電源部をさらに備えたことが好ましい。
【００１１】
また、前記制御部は、駆動電圧の異なる複数の制御回路を備え、
前記オフ電源部及び前記オン電源部は、それぞれ前記複数の制御回路の駆動電圧に対応して、駆動電圧が異なる複数の電圧系統を有し、
前記第１補助電源部は、前記複数の電圧系統のうち、駆動電圧の高い電圧系統に設けられ、前記第２補助電源部は、前記複数の電圧系統のうち、駆動電圧の低い電圧系統に設けられていることが好ましい。
【００１２】
また、前記第１補助電源部及び前記第２補助電源部は、前記オフ電源部又は前記オン電源部から出力される直流電力によって受電される蓄電素子を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成によれば、例えば負荷がシャンデリアタイプの照明装置などのように、負荷のオン時に大電流が流れる場合、負荷電流許容量の大きな第１スイッチ素子を導通させ、また、負荷が蛍光灯やＬＥＤ電球などを用いた照明装置のように、負荷のオン時に流れる電流がさほど大きくない場合、負荷電流許容量の小さな第２スイッチ素子を導通させることができる。それによって、様々な種類の負荷に対して２線式負荷制御装置を適用させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る２線式負荷制御装置の基本構成を示すブロック図。
【図２】上記２線式負荷制御装置の具体的構成を示す回路図。
【図３】上記２線式負荷制御装置で小電流負荷を制御する場合の各部の電圧などの波形図。
【図４】上記２線式負荷制御装置で大電流負荷を制御する場合の各部の電圧などの波形図。
【図５】上記２線式負荷制御装置で小電流負荷を制御する場合のオフ電源部、第１オン電源部及び第２オン電源部の役割分担を示す波形図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施形態に係る２線式負荷制御装置について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る２線式負荷制御装置１（以下、単に負荷制御装置１とする）の基本的なブロック構成を示し、図２は具体的な回路構成を示す。この負荷制御装置１は、交流電源２及び負荷３にそれぞれ接続される２つの入力端子１１ａ，１１ｂと、２つの入力端子１１ａ，１１ｂの間に接続された第１スイッチ素子１２及び電流変成器１３の直列回路、第１スイッチ素子１２の開閉部にその開閉部が並列に接続された第２スイッチ素子３０を備えている。本実施形態においては、第１スイッチ素子１２は、ラッチ式リレーなどの機械的に駆動される開閉接点を備えたリレー式スイッチ素子であり、第２スイッチ素子３０はトライアックなどの半導体スイッチ素子である。
【００１６】
第２スイッチ素子３０の開閉部の両端子３０ａ，３０ｂには、交流電源２から負荷３を介して流れる交流電流を用いて、第１スイッチ素子１２及び第２スイッチ素子３０が共に非導通状態のときに直流電力を出力するオフ電源部１４が接続されている。より具体的には、第２スイッチ素子３０の開閉部の両端子３０ａ，３０ｂには、ダイオードブリッジなどで構成され、交流電源２から負荷３を介して流れる交流電流を直流電流（脈流）に変換する第１整流回路１５が並列に接続されている。第１整流回路１５には、例えば、電流を制限する抵抗と、電圧をクランプするツェナーダイオード（定電圧ダイオード）と、トランジスタなどで構成された定電圧回路（ブートストラップ回路）１６が接続されている。これら第１整流回路１５と、定電圧回路１６とでオフ電源部１４を構成する。図２に示す回路構成では、オフ電源部１４は、例えば駆動電圧が２４Vの高電圧系統と、駆動電圧が１２Vの低電圧系統の、２つの電圧系統を有している。
【００１７】
第１スイッチ素子１２及び第２スイッチ素子３０が共に非導通であり、負荷３がオフ状態であっても、第２スイッチ素子３０の開閉部の両端子３０ａ，３０ｂには、第１整流回路１５が接続されているので、交流電源２、負荷３、第１整流回路１５の直列回路には微弱な電流が流れる。このときの電流は、負荷３が誤動作しない程度の微小電流であり、オフ電源部１４のインピーダンスが高くなるように設定されている。第１整流回路１５から全波整流された脈流が入力されると、ツェナーダイオードのツェナー電圧により、オフ電源部１４からの出力の電圧波形は略台形状となる。オフ電源部１４から出力される電流の一部はレギュレータによって降圧され、第１制御部２１に供給される。それと平行して、ＣＰＵ動作用の補助電源部（第１補助電源部）２３のバッファコンデンサを充電する。第１整流回路１５により全波整流された脈流の電圧がツェナー電圧よりも低いときは、補助電源部２３のバッファコンデンサが電源となって、レギュレータを介して第１制御部２１に電力を供給する。そのため、負荷３がオフ状態のとき、補助電源部２３のバッファコンデンサは充放電を繰り返す。同様に、オフ電源部１４から出力される電流の一部は、第２制御部２２に供給されると共に、それと平行して、接点開閉用の補助電源部（第２補助電源部）２４のバッファコンデンサを充電する。
【００１８】
電流変成器１３の２次側には、電流変成器１３の２次側に流れる交流電流を用いて、第１スイッチ素子１２を用いて負荷３のオン／オフを制御する際に、直流電力を確保するための第１オン電源部１７が接続されている。より具体的には、ダイオードブリッジなどで構成され、交流電源２から負荷３を介して流れる交流電流を直流電流（脈流）に変換する第２整流回路１８が接続されている。第２整流回路１８には、コンデンサ及びツェナーダイオードなどで構成された定電圧回路１９が接続されている。第１オン電源部１７も、例えば駆動電圧が２４Vの高電圧系統と、駆動電圧が１２Vの低電圧系統の、２つの電圧系統を有している。オフ電源部１４の高電圧系統の出力端子とオン電源部１７の高電圧系統の出力端子は、それぞれ逆流防止用のダイオードを介して接続されている。同様に、オフ電源部１４の低電圧系統の出力端子とオン電源部１７の低電圧系統の出力端子は、それぞれ逆流防止用のダイオードを介して接続されている。
【００１９】
一方、第１整流回路１５には、第３スイッチ素子３２としてサイリスタが接続されている。また、第１整流回路１５には、トランジスタなどのスイッチ素子３５，３６及びツェナーダイオード３７などで構成された電源回路３３が接続されている。第１整流回路１５と電源回路３３は、第２スイッチ素子３０又は第３スイッチ素子３２を導通させて負荷３をオンさせる際に直流電力を確保するための第２オン電源部３１として機能する。図２において、サイリスタ３２のアノードは第１整流回路１５を構成するダイオードブリッジの一方の入力端子に接続され、サイリスタ３２のカソードは接地されている。なお、図２に示す構成例では、第２オン電源部３１は、低電圧系統の出力端子のみを有している。
【００２０】
上記のように、この負荷制御装置１は、主スイッチ素子として、機械的に駆動される開閉接点を備えたリレー式スイッチ素子である第１スイッチ素子１２と、トライアックなどの半導体スイッチ素子である第２スイッチ素子３０を備えている。リレー式スイッチ素子の開閉接点は、例えば電磁石などによって開閉され、許容しうる負荷電流値は大きい。すなわち、第１スイッチ素子１２が許容しうる負荷電流は大きく、大電流が流れる負荷のオン／オフを制御するのに適する。その反面、第１スイッチ素子１２の開閉接点を開閉するために大きな電力を必要とし、また、衝撃などによって開閉接点が不用意に開閉してしまう可能性がある。一方、トライアックも、比較的大きな電流を流すことができるが、機械的な開閉接点に比べると、許容しうる負荷電流値は小さい。また、トライアックに仕様範囲を超える電流が長時間流れると、異常発熱を起こしたり、故障したりする原因となる。その反面、トライアックには可動部分が存在しないため、衝撃などによって開閉接点が不用意に開閉することはない。従って、この負荷制御装置１では、負荷３に流れる電流値を検出して、第１スイッチ素子１２と第２スイッチ素子３０のいずれかを選択して負荷３のオン／オフを制御する。
【００２１】
第１オン電源部１７の高電圧系統の出力端子には、抵抗及びコンデンサなどで構成された負荷電流値検出部３４が接続されており、コンデンサの端子間電圧（閾値電圧よりもハイレベル又はローレベル）が第１制御部２１に入力される。第１スイッチ素子１２及び第２スイッチ素子３０の開閉部が非導通のときでも、オフ電源部１４の第１整流回路１５から電流変成器１３の１次側に電流が流れる。しかしながら、このときに流れる電流は負荷３を誤動作させない程度の微弱電流であり、電流変成器１３の２次側に流れる電流量はさらに少なく、ほとんど無視しうる程度である。一方、第１スイッチ素子１２又は第２スイッチ素子３０の開閉部が導通すると、すなわち、負荷３がオンすると、負荷３を駆動するために十分な電流が電流変成器１３の１次側に流れ、それに伴って電流変成器１３の２次側に流れる電流量も増加する。電流変成器１３の２次側に流れる電流は、第２整流回路１８によって全波整流され、第１オン電源部１７のコンデンサを充電する。第１制御部２１は、第１オン電源部１７のコンデンサの端子間電圧から、大まかな負荷電流値を検出する。そして、第１制御部２１は、検出した負荷電流値に基づいて、第１スイッチ素子１２と第２スイッチ素子３０のいずれを導通させるべきかを判断し、判断結果に応じた駆動信号を出力する。
【００２２】
制御部２０は、例えば壁面に設けられた操作ハンドルやリモコン装置などの入力部２５をユーザが操作したときに、その操作情報に応じて第１スイッチ素子１２の導通及び非導通を制御する。制御部２０は、例えばＣＰＵなどで構成され、低電圧（例えば３Ｖ）で駆動される第１制御部（駆動電圧の低い制御回路）２１と、高電圧（例えば２４Ｖ）で駆動される第２制御部（駆動電圧の高い制御回路）２２を備えている。第１制御部２１は、レギュレータを介して、オフ電源部１４及び第１オン電源部１７の低電圧系統の出力端子に接続されている。レギュレータは、低電圧系統の駆動電圧１２Ｖをさらに低電圧の例えば３Ｖ程度に降圧させるためのものである。第２制御部２２は、第１スイッチ素子１２を構成するラッチ式リレーの電磁石装置などを駆動するための大電力を出力する。
【００２３】
さらに、レギュレータを介して、オフ電源部１４及び第１オン電源部１７の低電圧系統の出力端子と第１制御部２１の間には、ＣＰＵ動作用の補助電源部２３が接続されている。また、オフ電源部１４及び第１オン電源部１７の高電圧系統の出力端子と第２制御部２２の間には、第１スイッチ素子１２の接点開閉用の補助電源部２４が接続されている。ＣＰＵ動作用の補助電源部２３及び接点開閉用の補助電源部２４は、いずれも、バッファコンデンサなどで構成されている。
【００２４】
次に、本実施形態に係る負荷制御装置１の動作について説明する。入力部２５から負荷３をオンさせる操作情報が入力されると、第１制御部２１は、最初に第２スイッチ素子３０を用いて負荷３をオンさせる。すなわち、第１制御部２１はゲート駆動信号を出力し、それによって第２オン電源部３１のスイッチ素子３５が導通し、さらにスイッチ素子３６が導通する。それによって、第１整流回路１５から出力された電流はスイッチ素子３６を介して流れ、補助電源部２３のバッファコンデンサを充電する。第１整流回路１５からの出力電圧がツェナーダイオード３７のツェナー電圧よりも高くなると、サイリスタである第３スイッチ素子３２が導通し、電流が負荷３に流れ始める。この電流はトライアックである第２スイッチ素子３０のゲートにも流れるので、電圧がトライアックのトリガ電圧よりも高くなると、トライアック、すなわち第２スイッチ素子３０が導通する。一旦、第２スイッチ素子３０が導通すると電流を流し続けるが、交流電源の電圧がゼロクロス点に達したときにトライアック及びサイリスタは自己消弧し、第２スイッチ素子３０及び第３スイッチ素子３２が非導通になる。第２スイッチ素子３０が非導通になると、第１整流回路１５から電源回路３３を経て補助電源部２３に電流が流れ、この負荷制御装置１の自己回路電源を確保する動作を行う。すなわち、交流の１／２周期ごとに、負荷制御装置１の自己回路電源確保、第３スイッチ素子３２の導通、第２スイッチ素子３０の導通、第２スイッチ素子３０及び第３スイッチ素子３２の自己消弧が繰り返される。
【００２５】
図３は、負荷電流値が所定の閾値よりも小さく、第２スイッチ素子３０及び第３スイッチ素子３２を用いて負荷３をオンさせるときの各部の電圧などの波形図を示す。この場合、負荷電流値検出部３４により検出される負荷電流値は所定の閾値以下であり、第１スイッチ素子１２は使用されないので、第１スイッチ素子１２は非導通のままである。負荷３がオフの状態では、第２スイッチ素子３０の開閉部の端子間には、交流電源の電圧がそのまま印加されている。第１制御部２１から電源回路３３のスイッチ素子３５にゲート駆動信号が出力されると（図３中、負荷オンのタイミング）、第１整流回路１５により全波整流された電流は、オフ電源部１４の定電圧回路１６から第２オン電源部３１の電源回路３３に転流する。そして、上記のように、若干遅れてサイリスタである第３スイッチ素子３２が導通し、さらに少し遅れてトライアックである第２スイッチ素子３０が導通する。サイリスタ及びトライアックは共に自己消弧型のスイッチ素子であるので、第２スイッチ素子３０及び第３スイッチ素子３２は交流電源のゼロクロス点で非導通となる。第２スイッチ素子３０が導通して負荷３に負荷電流が流れると、電流変成器１３の２次側に電流が流れ、負荷電流値検出部３４は、この負荷電流値を検出する。負荷電流値検出部３４により検出された負荷電流値が所定の閾値以上にならないかぎり、入力部２５から負荷３をオフするための操作情報が入力されるまで、第２スイッチ素子３０及び第３スイッチ素子３２の導通と非導通を繰り返す。
【００２６】
図４は、負荷電流値が所定の閾値よりも大きく、専ら第１スイッチ素子１２を用いて負荷３をオンさせるときの各部の電圧などの波形図を示す。この場合も、最初は上記と同様に、サイリスタである第３スイッチ素子３２及びトライアックである第２スイッチ素子３０を先に導通させる。第２スイッチ素子３０が導通して負荷３に負荷電流が流れると、負荷電流値検出部３４は、この電流値を検出する。この場合、負荷電流値検出部３４により検出された負荷電流値が所定の閾値以上であるので、第１制御部２１は、第２制御部２２に対して、第１スイッチ素子１２を導通させるための制御信号を出力する。第２制御部２２は、制御信号を受けて、第１スイッチ素子１２の開閉接点を非導通状態から導通状態に切り替えるために、例えば電磁石装置に対して駆動電力を出力する。この駆動電力は、補助電源部２４のバッファコンデンサを放電することによって賄われる。それによって、第１スイッチ素子１２の開閉接点が導通される。第１スイッチ素子１２の開閉接点が導通されると、その電気的抵抗は第２スイッチ素子３０の電気的抵抗よりも非常に小さいので、電流は専ら第１スイッチ素子１２を流れ、第２スイッチ素子３０にはほとんど流れない。それに伴って、第２オン電源部３１からは直流電力は出力されず、制御部２０の電力は第１オン電源部１７から供給される。
【００２７】
なお、図４における第１／第２スイッチ素子端子間電流の波形のうち、第１波は第２スイッチ素子３０によるものであり、第２波以降は第１スイッチ素子１２によるものである。また、図４において、負荷電流値と閾値の比較を交流電源の１／２周期以内に行うように描かれているが、これは作図上の便宜のためである。実際には、負荷３をオンしてから負荷電流が安定するには一定の時間（例えば数秒〜数十秒）かかるので、負荷電流値の検出及び検出した負荷電流値と所定の閾値との比較は、負荷電流が安定してから行われる。従って、トライアックである第２スイッチ素子３０及びサイリスタである第３スイッチ素子３２は、負荷電流が安定するまで、一定の時間導通と非導通を繰り返す。
【００２８】
図５は、上記図３の波形図に、オフ電源部１４、第１オン電源部１７及び第２オン電源部３１の役割分担を描き加えたものである。負荷３がオンされるまで、制御部２０の直流電力はオフ電源部１４が担っている。負荷３をオンさせるために第１制御部２１から電源回路３３のスイッチ素子３５にゲート駆動信号が出力されると、第２オン電源部３１は、交流電源のゼロクロス点（電圧０Ｖ）からトライアックである第２スイッチ素子３０が導通するまでの間だけ、直流電力を出力する。一方、第１オン電源部１７は、最初にトライアックである第２スイッチ素子３０が導通し、負荷３に負荷電流が流れ始めると、直流電力の出力を開始し、負荷３がオフされるまで直流電力を出力し続ける。
【００２９】
このように、負荷制御装置１は、機械的に駆動される開閉接点を備えたリレー式スイッチ素子である第１スイッチ素子１２と、トライアックなどの半導体スイッチ素子である第２スイッチ素子３０を備えている。前述のように、トライアックなどの半導体スイッチ素子は、その開閉部による電力損失が大きいため、大電流を必要とする負荷にはあまり適していない。一方、ラッチ式リレーなど、機械的に駆動される開閉接点を備えたスイッチ素子は、その開閉部による電力損失が小さく、大電流を必要とする負荷に適している。そのため、負荷電流値に応じて、第１スイッチ素子１２と第２スイッチ素子３０のいずれかを選択して使用することにより、様々な負荷のオン／オフ制御に対応することができる。また、機械的な開閉接点をスイッチングさせるには、例えば電磁石装置などを駆動する必要があり、高速でスイッチングさせることができず、スイッチ素子を一時的に非導通にさせてその間に電力を確保するような第２オン電源部３１を利用することができない。しかしながら、この負荷制御装置１は、電流変成器１３の２次側に接続された第１オン電源部１７を別に備えているので、第１スイッチ素子１２を用いて負荷３をオンさせる場合であっても、制御部２０の電源を確保することができる。さらに、負荷３に大電流が流れる場合、すなわち負荷電流値が大きい場合、電流変成器１３の一次側に大電流が流れるため、電流変成器１３の発熱やサイズなどの問題により、電流変成器１３の１次側のインピーダンスを高くすることができない。そのため、負荷に流れる電流（負荷電流値）が小さい場合、電流変成器の２次側に流れる電流値が小さく、十分な電力を確保できない可能性がある。しかしながら、負荷電流値が小さい場合、第２スイッチ素子３０を用いることにより、第２オン電源部３１により、制御部２０の電源を確保することができる。さらに、機械的に駆動される開閉接点を備えたスイッチ素子は、いわゆるゼロクロススイッチングができないため、開閉接点の開閉時のアークの発弧やそれに伴うノイズの発生などの問題を有している。しかしながら、第１スイッチ素子１２を用いて負荷３をオン／オフさせる場合であっても、第１スイッチ素子１２よりも先に第２スイッチ素子３０を導通させ、第１スイッチ素子１２よりも後に第２スイッチ素子３０を非導通させることにより、ゼロクロススイッチングさせることが可能である。
【００３０】
なお、上記実施形態の説明において、第１制御部２１は、負荷電流値検出部３４により検出された負荷電流値に基づいて、第１スイッチ素子１２と第２スイッチ素子３０のいずれかを選択するように構成した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。入力部２５から入力される操作情報に応じて、第１スイッチ素子１２と第２スイッチ素子３０のいずれかを選択するように、第１制御部２１を構成してもよい。例えば、入力部２５からの操作情報が照明装置の明るさ情報である場合、高輝度で照明装置を点灯させるときは第１スイッチ素子１２を選択し、低輝度で点灯させるときは第２スイッチ素子３０を選択するように構成することができる。
【００３１】
さらに、第２スイッチ素子３０を使用する場合であっても、第１オン電源部１７から直流電力が出力されるので、第２オン電源部３１を省略することも可能である。その場合、第１制御部２１からトライアックである第２スイッチ素子３０及びサイリスタである第３スイッチ素子３２にゲート駆動信号を直接出力する。また、第２スイッチ素子３０としてトライアックを例示したが、これに限定されるものではなく、その他の半導体スイッチ素子、例えば２つサイリスタの逆並列接続などであってもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１ ２線式負荷制御装置
２ 交流電源
３ 負荷
１１ａ，１１ｂ 入力端子
１２ 第１スイッチ素子（リレー式スイッチ素子）
１３ 電流変成器
１４ オフ電源部
１５ 第１整流回路
１６ 定電圧回路
１７ 第１オン電源部
１８ 第２整流回路
１９ 定電圧回路
２０ 制御部
２１ 第１制御部
２２ 第２制御部
２３ ＣＰＵ動作用の補助電源部（第１補助電源部）
２４ 接点開閉用の補助電源部（第２補助電源部）
２５ 入力部
３０ 第２スイッチ素子（トライアック又は半導体スイッチ素子）
３１ 第２オン電源部
３２ 第３スイッチ素子（サイリスタ）
３３ 電源回路
３４ 負荷電流値検出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置などの負荷のオン及びオフを制御するための２線式負荷制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、照明装置などのオン及びオフを制御するために、トライアックなどの半導体スイッチ素子を用いた負荷制御装置が知られている。このような半導体スイッチ素子を用いた負荷制御装置のうち、２線式の負荷制御装置は、交流電源と負荷の間に直列に接続されるため、配線工事が簡単である。その反面、負荷がオフされているときでも半導体スイッチ素子や制御回路（ＣＰＵなど）を駆動するための電源を確保する必要がある。そのため、半導体スイッチ素子に並列に整流回路を接続し、負荷をオフするときでも、実際には負荷がオン又は誤動作しない程度の微弱電流を負荷に流し、整流された電流をバッファコンデンサに充電し、負荷がオフしているときの電源（オフ電源部）を確保している。一方、負荷をオンさせている場合であっても、半導体スイッチ素子が交流電源のゼロクロス点において自己消弧してから、交流電源の電圧が半導体スイッチ素子のゲート駆動電圧に達するまでの間は、半導体スイッチ素子の開閉部は導通していない。そのため、その間、交流電源から負荷に流れる電流は、整流回路に流れている。従って、整流された直流電力を上記バッファコンデンサに充電することによって、負荷がオンしているときの電源（オン電源部）を確保している（特許文献１参照）。
【０００３】
照明装置には、白熱電球を多数使用したシャンデリアタイプのもの、蛍光灯を用いたもの、ＬＥＤ電球を使用したものなど、様々な種類が存在する。トライアックなどの半導体スイッチ素子は、その導通及び非導通（スイッチング）を制御するために必要な電力は少なく、上記のようにバッファコンデンサに充電された電力によって半導体スイッチ素子を駆動することができる。その反面、半導体スイッチ素子は、その開閉部による電力損失が大きいため、大電流を必要とする負荷にはあまり適していない。一方、ラッチ式リレーなど、機械的に駆動される開閉接点を備えたスイッチ素子は、その開閉部による電力損失が小さく、大電流を必要とする負荷に適している。その反面、機械的な開閉接点を導通及び非導通させるには、例えば電磁石装置などを駆動する必要があり、高速でスイッチングすることができず、上記のようなスイッチ素子を一時的に非導通にさせてその間に電力を確保するようなオン電源部を利用することができない。そのため、電流変成器などを用いた電源が別途必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−９７５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来例の問題を解決するためになされたものであり、大電流が流れる負荷から、微少電流しか流れない負荷まで、様々な負荷のオン及びオフを制御しうる２線式負荷制御装置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】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明に係る２線式負荷制御装置は、
交流電源及び負荷にそれぞれ接続される２つの入力端子と、
前記２つの入力端子の間に接続された第１スイッチ素子と、
前記２つの入力端子の間に、前記第１スイッチ素子と並列に接続され、その許容しうる負荷電流が、前記第１スイッチ素子が許容しうる負荷電流よりも小さい第２スイッチ素子と、
前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子を共に導通させないときに、前記交流電源から前記負荷を介して流れる交流電流を用いて直流電力を確保するオフ電源部と、
前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子のいずれか一方を導通させるときに、前記交流電源から前記負荷を介して流れる交流電流を用いて直流電力を確保するオン電源部と、
前記オフ電源部及び前記オン電源部から出力される直流電力によって駆動され、外部から入力される操作情報に基づいて、前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子の導通及び非導通を制御すると共に、前記負荷をオンさせるときに、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子のいずれかを選択して導通させる制御部を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、前記制御部は、前記負荷がオンしているときに、前記交流電源から前記負荷に流れる負荷電流値を検出し、現在導通させているスイッチ素子が、検出した負荷電流値に対して適切か否かを判断し、現在導通させているスイッチ素子が、検出した負荷電流値に対して不適切と判断したときに、現在導通させているスイッチ素子を非導通とし、他方のスイッチ素子を導通させることが好ましい。
【０００８】
または、前記制御部は、前記操作情報に基づいて、前記負荷をオンさせるときに、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子のいずれかを選択することが好ましい。
【０００９】
また、前記第１スイッチ素子は、機械的に開閉される開閉接点を備えたリレー式スイッチ素子であり、
前記第２スイッチ素子は、機械的に開閉される開閉接点を備えていない半導体スイッチ素子であり、
前記第１スイッチ素子の開閉接点の一方と前記２つの入力端子の一方との間に電流変成器が接続され、
前記オン電源部は、
前記電流変成器の２次側に接続され、前記電流変成器の２次側に流れる交流電流を用いて直流電力を確保する第１オン電源部と、
前記第２スイッチ素子の開閉部に接続され、前記交流電源から前記負荷を介して流れる交流電流を用いて直流電力を確保する第２オン電源部を備えていることが好ましい。
【００１０】
また、前記オフ電源部又は前記オン電源部と前記制御部の間に設けられ、前記制御部に直流電力を供給する第１補助電源部と、前記第１スイッチ素子が非導通状態から導通状態に切り替えられる際に、前記第１スイッチ素子を駆動するための直流電力を供給する第２補助電源部をさらに備えたことが好ましい。
【００１１】
また、前記制御部は、駆動電圧の異なる複数の制御回路を備え、
前記オフ電源部及び前記オン電源部は、それぞれ前記複数の制御回路の駆動電圧に対応して、駆動電圧が異なる複数の電圧系統を有し、
前記第１補助電源部は、前記複数の電圧系統のうち、駆動電圧の高い電圧系統に設けられ、前記第２補助電源部は、前記複数の電圧系統のうち、駆動電圧の低い電圧系統に設けられていることが好ましい。
【００１２】
また、前記第１補助電源部及び前記第２補助電源部は、前記オフ電源部又は前記オン電源部から出力される直流電力によって受電される蓄電素子を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成によれば、例えば負荷がシャンデリアタイプの照明装置などのように、負荷のオン時に大電流が流れる場合、負荷電流許容量の大きな第１スイッチ素子を導通させ、また、負荷が蛍光灯やＬＥＤ電球などを用いた照明装置のように、負荷のオン時に流れる電流がさほど大きくない場合、負荷電流許容量の小さな第２スイッチ素子を導通させることができる。それによって、様々な種類の負荷に対して２線式負荷制御装置を適用させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る２線式負荷制御装置の基本構成を示すブロック図。
【図２】上記２線式負荷制御装置の具体的構成を示す回路図。
【図３】上記２線式負荷制御装置で小電流負荷を制御する場合の各部の電圧などの波形図。
【図４】上記２線式負荷制御装置で大電流負荷を制御する場合の各部の電圧などの波形図。
【図５】上記２線式負荷制御装置で小電流負荷を制御する場合のオフ電源部、第１オン電源部及び第２オン電源部の役割分担を示す波形図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施形態に係る２線式負荷制御装置について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る２線式負荷制御装置１（以下、単に負荷制御装置１とする）の基本的なブロック構成を示し、図２は具体的な回路構成を示す。この負荷制御装置１は、交流電源２及び負荷３にそれぞれ接続される２つの入力端子１１ａ，１１ｂと、２つの入力端子１１ａ，１１ｂの間に接続された第１スイッチ素子１２及び電流変成器１３の直列回路、第１スイッチ素子１２の開閉部にその開閉部が並列に接続された第２スイッチ素子３０を備えている。本実施形態においては、第１スイッチ素子１２は、ラッチ式リレーなどの機械的に駆動される開閉接点を備えたリレー式スイッチ素子であり、第２スイッチ素子３０はトライアックなどの半導体スイッチ素子である。
【００１６】
第２スイッチ素子３０の開閉部の両端子３０ａ，３０ｂには、交流電源２から負荷３を介して流れる交流電流を用いて、第１スイッチ素子１２及び第２スイッチ素子３０が共に非導通状態のときに直流電力を出力するオフ電源部１４が接続されている。より具体的には、第２スイッチ素子３０の開閉部の両端子３０ａ，３０ｂには、ダイオードブリッジなどで構成され、交流電源２から負荷３を介して流れる交流電流を直流電流（脈流）に変換する第１整流回路１５が並列に接続されている。第１整流回路１５には、例えば、電流を制限する抵抗と、電圧をクランプするツェナーダイオード（定電圧ダイオード）と、トランジスタなどで構成された定電圧回路（ブートストラップ回路）１６が接続されている。これら第１整流回路１５と、定電圧回路１６とでオフ電源部１４を構成する。図２に示す回路構成では、オフ電源部１４は、例えば駆動電圧が２４Vの高電圧系統と、駆動電圧が１２Vの低電圧系統の、２つの電圧系統を有している。
【００１７】
第１スイッチ素子１２及び第２スイッチ素子３０が共に非導通であり、負荷３がオフ状態であっても、第２スイッチ素子３０の開閉部の両端子３０ａ，３０ｂには、第１整流回路１５が接続されているので、交流電源２、負荷３、第１整流回路１５の直列回路には微弱な電流が流れる。このときの電流は、負荷３が誤動作しない程度の微小電流であり、オフ電源部１４のインピーダンスが高くなるように設定されている。第１整流回路１５から全波整流された脈流が入力されると、ツェナーダイオードのツェナー電圧により、オフ電源部１４からの出力の電圧波形は略台形状となる。オフ電源部１４から出力される電流の一部はレギュレータによって降圧され、第１制御部２１に供給される。それと平行して、ＣＰＵ動作用の補助電源部（第１補助電源部）２３のバッファコンデンサを充電する。第１整流回路１５により全波整流された脈流の電圧がツェナー電圧よりも低いときは、補助電源部２３のバッファコンデンサが電源となって、レギュレータを介して第１制御部２１に電力を供給する。そのため、負荷３がオフ状態のとき、補助電源部２３のバッファコンデンサは充放電を繰り返す。同様に、オフ電源部１４から出力される電流の一部は、第２制御部２２に供給されると共に、それと平行して、接点開閉用の補助電源部（第２補助電源部）２４のバッファコンデンサを充電する。
【００１８】
電流変成器１３の２次側には、電流変成器１３の２次側に流れる交流電流を用いて、第１スイッチ素子１２を用いて負荷３のオン／オフを制御する際に、直流電力を確保するための第１オン電源部１７が接続されている。より具体的には、ダイオードブリッジなどで構成され、交流電源２から負荷３を介して流れる交流電流を直流電流（脈流）に変換する第２整流回路１８が接続されている。第２整流回路１８には、コンデンサ及びツェナーダイオードなどで構成された定電圧回路１９が接続されている。第１オン電源部１７も、例えば駆動電圧が２４Vの高電圧系統と、駆動電圧が１２Vの低電圧系統の、２つの電圧系統を有している。オフ電源部１４の高電圧系統の出力端子とオン電源部１７の高電圧系統の出力端子は、それぞれ逆流防止用のダイオードを介して接続されている。同様に、オフ電源部１４の低電圧系統の出力端子とオン電源部１７の低電圧系統の出力端子は、それぞれ逆流防止用のダイオードを介して接続されている。
【００１９】
一方、第１整流回路１５には、第３スイッチ素子３２としてサイリスタが接続されている。また、第１整流回路１５には、トランジスタなどのスイッチ素子３５，３６及びツェナーダイオード３７などで構成された電源回路３３が接続されている。第１整流回路１５と電源回路３３は、第２スイッチ素子３０又は第３スイッチ素子３２を導通させて負荷３をオンさせる際に直流電力を確保するための第２オン電源部３１として機能する。図２において、サイリスタ３２のアノードは第１整流回路１５を構成するダイオードブリッジの一方の入力端子に接続され、サイリスタ３２のカソードは接地されている。なお、図２に示す構成例では、第２オン電源部３１は、低電圧系統の出力端子のみを有している。
【００２０】
上記のように、この負荷制御装置１は、主スイッチ素子として、機械的に駆動される開閉接点を備えたリレー式スイッチ素子である第１スイッチ素子１２と、トライアックなどの半導体スイッチ素子である第２スイッチ素子３０を備えている。リレー式スイッチ素子の開閉接点は、例えば電磁石などによって開閉され、許容しうる負荷電流値は大きい。すなわち、第１スイッチ素子１２が許容しうる負荷電流は大きく、大電流が流れる負荷のオン／オフを制御するのに適する。その反面、第１スイッチ素子１２の開閉接点を開閉するために大きな電力を必要とし、また、衝撃などによって開閉接点が不用意に開閉してしまう可能性がある。一方、トライアックも、比較的大きな電流を流すことができるが、機械的な開閉接点に比べると、許容しうる負荷電流値は小さい。また、トライアックに仕様範囲を超える電流が長時間流れると、異常発熱を起こしたり、故障したりする原因となる。その反面、トライアックには可動部分が存在しないため、衝撃などによって開閉接点が不用意に開閉することはない。従って、この負荷制御装置１では、負荷３に流れる電流値を検出して、第１スイッチ素子１２と第２スイッチ素子３０のいずれかを選択して負荷３のオン／オフを制御する。
【００２１】
第１オン電源部１７の高電圧系統の出力端子には、抵抗及びコンデンサなどで構成された負荷電流値検出部３４が接続されており、コンデンサの端子間電圧（閾値電圧よりもハイレベル又はローレベル）が第１制御部２１に入力される。第１スイッチ素子１２及び第２スイッチ素子３０の開閉部が非導通のときでも、オフ電源部１４の第１整流回路１５から電流変成器１３の１次側に電流が流れる。しかしながら、このときに流れる電流は負荷３を誤動作させない程度の微弱電流であり、電流変成器１３の２次側に流れる電流量はさらに少なく、ほとんど無視しうる程度である。一方、第１スイッチ素子１２又は第２スイッチ素子３０の開閉部が導通すると、すなわち、負荷３がオンすると、負荷３を駆動するために十分な電流が電流変成器１３の１次側に流れ、それに伴って電流変成器１３の２次側に流れる電流量も増加する。電流変成器１３の２次側に流れる電流は、第２整流回路１８によって全波整流され、第１オン電源部１７のコンデンサを充電する。第１制御部２１は、第１オン電源部１７のコンデンサの端子間電圧から、大まかな負荷電流値を検出する。そして、第１制御部２１は、検出した負荷電流値に基づいて、第１スイッチ素子１２と第２スイッチ素子３０のいずれを導通させるべきかを判断し、判断結果に応じた駆動信号を出力する。
【００２２】
制御部２０は、例えば壁面に設けられた操作ハンドルやリモコン装置などの入力部２５をユーザが操作したときに、その操作情報に応じて第１スイッチ素子１２の導通及び非導通を制御する。制御部２０は、例えばＣＰＵなどで構成され、低電圧（例えば３Ｖ）で駆動される第１制御部（駆動電圧の低い制御回路）２１と、高電圧（例えば２４Ｖ）で駆動される第２制御部（駆動電圧の高い制御回路）２２を備えている。第１制御部２１は、レギュレータを介して、オフ電源部１４及び第１オン電源部１７の低電圧系統の出力端子に接続されている。レギュレータは、低電圧系統の駆動電圧１２Ｖをさらに低電圧の例えば３Ｖ程度に降圧させるためのものである。第２制御部２２は、第１スイッチ素子１２を構成するラッチ式リレーの電磁石装置などを駆動するための大電力を出力する。
【００２３】
さらに、レギュレータを介して、オフ電源部１４及び第１オン電源部１７の低電圧系統の出力端子と第１制御部２１の間には、ＣＰＵ動作用の補助電源部２３が接続されている。また、オフ電源部１４及び第１オン電源部１７の高電圧系統の出力端子と第２制御部２２の間には、第１スイッチ素子１２の接点開閉用の補助電源部２４が接続されている。ＣＰＵ動作用の補助電源部２３及び接点開閉用の補助電源部２４は、いずれも、バッファコンデンサなどで構成されている。
【００２４】
次に、本実施形態に係る負荷制御装置１の動作について説明する。入力部２５から負荷３をオンさせる操作情報が入力されると、第１制御部２１は、最初に第２スイッチ素子３０を用いて負荷３をオンさせる。すなわち、第１制御部２１はゲート駆動信号を出力し、それによって第２オン電源部３１のスイッチ素子３５が導通し、さらにスイッチ素子３６が導通する。それによって、第１整流回路１５から出力された電流はスイッチ素子３６を介して流れ、補助電源部２３のバッファコンデンサを充電する。第１整流回路１５からの出力電圧がツェナーダイオード３７のツェナー電圧よりも高くなると、サイリスタである第３スイッチ素子３２が導通し、電流が負荷３に流れ始める。この電流はトライアックである第２スイッチ素子３０のゲートにも流れるので、電圧がトライアックのトリガ電圧よりも高くなると、トライアック、すなわち第２スイッチ素子３０が導通する。一旦、第２スイッチ素子３０が導通すると電流を流し続けるが、交流電源の電圧がゼロクロス点に達したときにトライアック及びサイリスタは自己消弧し、第２スイッチ素子３０及び第３スイッチ素子３２が非導通になる。第２スイッチ素子３０が非導通になると、第１整流回路１５から電源回路３３を経て補助電源部２３に電流が流れ、この負荷制御装置１の自己回路電源を確保する動作を行う。すなわち、交流の１／２周期ごとに、負荷制御装置１の自己回路電源確保、第３スイッチ素子３２の導通、第２スイッチ素子３０の導通、第２スイッチ素子３０及び第３スイッチ素子３２の自己消弧が繰り返される。
【００２５】
図３は、負荷電流値が所定の閾値よりも小さく、第２スイッチ素子３０及び第３スイッチ素子３２を用いて負荷３をオンさせるときの各部の電圧などの波形図を示す。この場合、負荷電流値検出部３４により検出される負荷電流値は所定の閾値以下であり、第１スイッチ素子１２は使用されないので、第１スイッチ素子１２は非導通のままである。負荷３がオフの状態では、第２スイッチ素子３０の開閉部の端子間には、交流電源の電圧がそのまま印加されている。第１制御部２１から電源回路３３のスイッチ素子３５にゲート駆動信号が出力されると（図３中、負荷オンのタイミング）、第１整流回路１５により全波整流された電流は、オフ電源部１４の定電圧回路１６から第２オン電源部３１の電源回路３３に転流する。そして、上記のように、若干遅れてサイリスタである第３スイッチ素子３２が導通し、さらに少し遅れてトライアックである第２スイッチ素子３０が導通する。サイリスタ及びトライアックは共に自己消弧型のスイッチ素子であるので、第２スイッチ素子３０及び第３スイッチ素子３２は交流電源のゼロクロス点で非導通となる。第２スイッチ素子３０が導通して負荷３に負荷電流が流れると、電流変成器１３の２次側に電流が流れ、負荷電流値検出部３４は、この負荷電流値を検出する。負荷電流値検出部３４により検出された負荷電流値が所定の閾値以上にならないかぎり、入力部２５から負荷３をオフするための操作情報が入力されるまで、第２スイッチ素子３０及び第３スイッチ素子３２の導通と非導通を繰り返す。
【００２６】
図４は、負荷電流値が所定の閾値よりも大きく、専ら第１スイッチ素子１２を用いて負荷３をオンさせるときの各部の電圧などの波形図を示す。この場合も、最初は上記と同様に、サイリスタである第３スイッチ素子３２及びトライアックである第２スイッチ素子３０を先に導通させる。第２スイッチ素子３０が導通して負荷３に負荷電流が流れると、負荷電流値検出部３４は、この電流値を検出する。この場合、負荷電流値検出部３４により検出された負荷電流値が所定の閾値以上であるので、第１制御部２１は、第２制御部２２に対して、第１スイッチ素子１２を導通させるための制御信号を出力する。第２制御部２２は、制御信号を受けて、第１スイッチ素子１２の開閉接点を非導通状態から導通状態に切り替えるために、例えば電磁石装置に対して駆動電力を出力する。この駆動電力は、補助電源部２４のバッファコンデンサを放電することによって賄われる。それによって、第１スイッチ素子１２の開閉接点が導通される。第１スイッチ素子１２の開閉接点が導通されると、その電気的抵抗は第２スイッチ素子３０の電気的抵抗よりも非常に小さいので、電流は専ら第１スイッチ素子１２を流れ、第２スイッチ素子３０にはほとんど流れない。それに伴って、第２オン電源部３１からは直流電力は出力されず、制御部２０の電力は第１オン電源部１７から供給される。
【００２７】
なお、図４における第１／第２スイッチ素子端子間電流の波形のうち、第１波は第２スイッチ素子３０によるものであり、第２波以降は第１スイッチ素子１２によるものである。また、図４において、負荷電流値と閾値の比較を交流電源の１／２周期以内に行うように描かれているが、これは作図上の便宜のためである。実際には、負荷３をオンしてから負荷電流が安定するには一定の時間（例えば数秒〜数十秒）かかるので、負荷電流値の検出及び検出した負荷電流値と所定の閾値との比較は、負荷電流が安定してから行われる。従って、トライアックである第２スイッチ素子３０及びサイリスタである第３スイッチ素子３２は、負荷電流が安定するまで、一定の時間導通と非導通を繰り返す。
【００２８】
図５は、上記図３の波形図に、オフ電源部１４、第１オン電源部１７及び第２オン電源部３１の役割分担を描き加えたものである。負荷３がオンされるまで、制御部２０の直流電力はオフ電源部１４が担っている。負荷３をオンさせるために第１制御部２１から電源回路３３のスイッチ素子３５にゲート駆動信号が出力されると、第２オン電源部３１は、交流電源のゼロクロス点（電圧０Ｖ）からトライアックである第２スイッチ素子３０が導通するまでの間だけ、直流電力を出力する。一方、第１オン電源部１７は、最初にトライアックである第２スイッチ素子３０が導通し、負荷３に負荷電流が流れ始めると、直流電力の出力を開始し、負荷３がオフされるまで直流電力を出力し続ける。
【００２９】
このように、負荷制御装置１は、機械的に駆動される開閉接点を備えたリレー式スイッチ素子である第１スイッチ素子１２と、トライアックなどの半導体スイッチ素子である第２スイッチ素子３０を備えている。前述のように、トライアックなどの半導体スイッチ素子は、その開閉部による電力損失が大きいため、大電流を必要とする負荷にはあまり適していない。一方、ラッチ式リレーなど、機械的に駆動される開閉接点を備えたスイッチ素子は、その開閉部による電力損失が小さく、大電流を必要とする負荷に適している。そのため、負荷電流値に応じて、第１スイッチ素子１２と第２スイッチ素子３０のいずれかを選択して使用することにより、様々な負荷のオン／オフ制御に対応することができる。また、機械的な開閉接点をスイッチングさせるには、例えば電磁石装置などを駆動する必要があり、高速でスイッチングさせることができず、スイッチ素子を一時的に非導通にさせてその間に電力を確保するような第２オン電源部３１を利用することができない。しかしながら、この負荷制御装置１は、電流変成器１３の２次側に接続された第１オン電源部１７を別に備えているので、第１スイッチ素子１２を用いて負荷３をオンさせる場合であっても、制御部２０の電源を確保することができる。さらに、負荷３に大電流が流れる場合、すなわち負荷電流値が大きい場合、電流変成器１３の一次側に大電流が流れるため、電流変成器１３の発熱やサイズなどの問題により、電流変成器１３の１次側のインピーダンスを高くすることができない。そのため、負荷に流れる電流（負荷電流値）が小さい場合、電流変成器の２次側に流れる電流値が小さく、十分な電力を確保できない可能性がある。しかしながら、負荷電流値が小さい場合、第２スイッチ素子３０を用いることにより、第２オン電源部３１により、制御部２０の電源を確保することができる。さらに、機械的に駆動される開閉接点を備えたスイッチ素子は、いわゆるゼロクロススイッチングができないため、開閉接点の開閉時のアークの発弧やそれに伴うノイズの発生などの問題を有している。しかしながら、第１スイッチ素子１２を用いて負荷３をオン／オフさせる場合であっても、第１スイッチ素子１２よりも先に第２スイッチ素子３０を導通させ、第１スイッチ素子１２よりも後に第２スイッチ素子３０を非導通させることにより、ゼロクロススイッチングさせることが可能である。
【００３０】
なお、上記実施形態の説明において、第１制御部２１は、負荷電流値検出部３４により検出された負荷電流値に基づいて、第１スイッチ素子１２と第２スイッチ素子３０のいずれかを選択するように構成した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。入力部２５から入力される操作情報に応じて、第１スイッチ素子１２と第２スイッチ素子３０のいずれかを選択するように、第１制御部２１を構成してもよい。例えば、入力部２５からの操作情報が照明装置の明るさ情報である場合、高輝度で照明装置を点灯させるときは第１スイッチ素子１２を選択し、低輝度で点灯させるときは第２スイッチ素子３０を選択するように構成することができる。
【００３１】
さらに、第２スイッチ素子３０を使用する場合であっても、第１オン電源部１７から直流電力が出力されるので、第２オン電源部３１を省略することも可能である。その場合、第１制御部２１からトライアックである第２スイッチ素子３０及びサイリスタである第３スイッチ素子３２にゲート駆動信号を直接出力する。また、第２スイッチ素子３０としてトライアックを例示したが、これに限定されるものではなく、その他の半導体スイッチ素子、例えば２つサイリスタの逆並列接続などであってもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１ ２線式負荷制御装置
２ 交流電源
３ 負荷
１１ａ，１１ｂ 入力端子
１２ 第１スイッチ素子（リレー式スイッチ素子）
１３ 電流変成器
１４ オフ電源部
１５ 第１整流回路
１６ 定電圧回路
１７ 第１オン電源部
１８ 第２整流回路
１９ 定電圧回路
２０ 制御部
２１ 第１制御部
２２ 第２制御部
２３ ＣＰＵ動作用の補助電源部（第１補助電源部）
２４ 接点開閉用の補助電源部（第２補助電源部）
２５ 入力部
３０ 第２スイッチ素子（トライアック又は半導体スイッチ素子）
３１ 第２オン電源部
３２ 第３スイッチ素子（サイリスタ）
３３ 電源回路
３４ 負荷電流値検出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源及び負荷にそれぞれ接続される２つの入力端子と、
前記２つの入力端子の間に接続された第１スイッチ素子と、
前記２つの入力端子の間に、前記第１スイッチ素子と並列に接続され、その許容しうる負荷電流が、前記第１スイッチ素子が許容しうる負荷電流よりも小さい第２スイッチ素子と、
前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子を共に導通させないときに、前記交流電源から前記負荷を介して流れる交流電流を用いて直流電力を確保するオフ電源部と、
前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子のいずれか一方を導通させるときに、前記交流電源から前記負荷を介して流れる交流電流を用いて直流電力を確保するオン電源部と、
前記オフ電源部及び前記オン電源部から出力される直流電力によって駆動され、外部から入力される操作情報に基づいて、前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子の導通及び非導通を制御すると共に、前記負荷をオンさせるときに、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子のいずれかを選択して導通させる制御部を備えたことを特徴とする２線式負荷制御装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記負荷がオンしているときに、前記交流電源から前記負荷に流れる負荷電流値を検出し、現在導通させているスイッチ素子が、検出した負荷電流値に対して適切か否かを判断し、現在導通させているスイッチ素子が、検出した負荷電流値に対して不適切と判断したときに、現在導通させているスイッチ素子を非導通とし、他方のスイッチ素子を導通させることを特徴とする請求項１に記載の２線式負荷制御装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記操作情報に基づいて、前記負荷をオンさせるときに、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子のいずれかを選択することを特徴とする請求項１に記載の２線式負荷制御装置。
【請求項４】
前記第１スイッチ素子は、機械的に開閉される開閉接点を備えたリレー式スイッチ素子であり、
前記第２スイッチ素子は、機械的に開閉される開閉接点を備えていない半導体スイッチ素子であり、
前記第１スイッチ素子の開閉接点の一方と前記２つの入力端子の一方との間に電流変成器が接続され、
前記オン電源部は、
前記電流変成器の２次側に接続され、前記電流変成器の２次側に流れる交流電流を用いて直流電力を確保する第１オン電源部と、
前記第２スイッチ素子の開閉部に接続され、前記交流電源から前記負荷を介して流れる交流電流を用いて直流電力を確保する第２オン電源部を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の２線式負荷制御装置。
【請求項５】
前記オフ電源部又は前記オン電源部と前記制御部の間に設けられ、前記制御部に直流電力を供給する第１補助電源部と、前記第１スイッチ素子が非導通状態から導通状態に切り替えられる際に、前記第１スイッチ素子を駆動するための直流電力を供給する第２補助電源部をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の２線式負荷制御装置。
【請求項６】
前記制御部は、駆動電圧の異なる複数の制御回路を備え、
前記オフ電源部及び前記オン電源部は、それぞれ前記複数の制御回路の駆動電圧に対応して、駆動電圧が異なる複数の電圧系統を有し、
前記第１補助電源部は、前記複数の電圧系統のうち、駆動電圧の高い電圧系統に設けられ、前記第２補助電源部は、前記複数の電圧系統のうち、駆動電圧の低い電圧系統に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の２線式負荷制御装置。
【請求項７】
前記第１補助電源部及び前記第２補助電源部は、前記オフ電源部又は前記オン電源部から出力される直流電力によって受電される蓄電素子を有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の２線式負荷制御装置。
【請求項１】
交流電源及び負荷にそれぞれ接続される２つの入力端子と、
前記２つの入力端子の間に接続された第１スイッチ素子と、
前記２つの入力端子の間に、前記第１スイッチ素子と並列に接続され、その許容しうる負荷電流が、前記第１スイッチ素子が許容しうる負荷電流よりも小さい第２スイッチ素子と、
前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子を共に導通させないときに、前記交流電源から前記負荷を介して流れる交流電流を用いて直流電力を確保するオフ電源部と、
前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子のいずれか一方を導通させるときに、前記交流電源から前記負荷を介して流れる交流電流を用いて直流電力を確保するオン電源部と、
前記オフ電源部及び前記オン電源部から出力される直流電力によって駆動され、外部から入力される操作情報に基づいて、前記第１スイッチ素子及び前記第２スイッチ素子の導通及び非導通を制御すると共に、前記負荷をオンさせるときに、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子のいずれかを選択して導通させる制御部を備えたことを特徴とする２線式負荷制御装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記負荷がオンしているときに、前記交流電源から前記負荷に流れる負荷電流値を検出し、現在導通させているスイッチ素子が、検出した負荷電流値に対して適切か否かを判断し、現在導通させているスイッチ素子が、検出した負荷電流値に対して不適切と判断したときに、現在導通させているスイッチ素子を非導通とし、他方のスイッチ素子を導通させることを特徴とする請求項１に記載の２線式負荷制御装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記操作情報に基づいて、前記負荷をオンさせるときに、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子のいずれかを選択することを特徴とする請求項１に記載の２線式負荷制御装置。
【請求項４】
前記第１スイッチ素子は、機械的に開閉される開閉接点を備えたリレー式スイッチ素子であり、
前記第２スイッチ素子は、機械的に開閉される開閉接点を備えていない半導体スイッチ素子であり、
前記第１スイッチ素子の開閉接点の一方と前記２つの入力端子の一方との間に電流変成器が接続され、
前記オン電源部は、
前記電流変成器の２次側に接続され、前記電流変成器の２次側に流れる交流電流を用いて直流電力を確保する第１オン電源部と、
前記第２スイッチ素子の開閉部に接続され、前記交流電源から前記負荷を介して流れる交流電流を用いて直流電力を確保する第２オン電源部を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の２線式負荷制御装置。
【請求項５】
前記オフ電源部又は前記オン電源部と前記制御部の間に設けられ、前記制御部に直流電力を供給する第１補助電源部と、前記第１スイッチ素子が非導通状態から導通状態に切り替えられる際に、前記第１スイッチ素子を駆動するための直流電力を供給する第２補助電源部をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の２線式負荷制御装置。
【請求項６】
前記制御部は、駆動電圧の異なる複数の制御回路を備え、
前記オフ電源部及び前記オン電源部は、それぞれ前記複数の制御回路の駆動電圧に対応して、駆動電圧が異なる複数の電圧系統を有し、
前記第１補助電源部は、前記複数の電圧系統のうち、駆動電圧の高い電圧系統に設けられ、前記第２補助電源部は、前記複数の電圧系統のうち、駆動電圧の低い電圧系統に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の２線式負荷制御装置。
【請求項７】
前記第１補助電源部及び前記第２補助電源部は、前記オフ電源部又は前記オン電源部から出力される直流電力によって受電される蓄電素子を有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の２線式負荷制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１０９６４１（Ｐ２０１３−１０９６４１Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５５１９３（Ｐ２０１１−２５５１９３）
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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