位相調光について知りたいことすべて、でも聞くのが怖かったこと。
1 はじめに
この記事では、位相調光の仕組みについて説明し、最新の LED ランプと LED ドライバーを使用した位相調光の実際的な効果をいくつか紹介します。
1.1 背景と歴史
位相調光は、位相カット調光、または位相制御調光とも呼ばれます。
位相調光は、白熱電球の調光を行う最も簡単な方法の 1 つです。白熱電球の位相調光により、熱く光る電線に供給される電力量を簡単に変更して、便利な明るさ制御を実現できます。
LED 照明が発明されて以来、位相調光は今でも広く使用されています。LED ランプ ドライバーは、熱線を光らせる代わりに、位相調光波形と電圧を解釈して、LED の調光信号を作成する必要があります。これは通常、LED 電流の減少という形で行われます。
LED は白熱電球とはまったく異なる方法で光を作り出すため、LED ランプの調光、およびその結果生じるランプと位相調光器の動作には大きな課題が伴います。
位相調光の基本原理
2.1 リーディングエッジ
(リーディングエッジ位相調光は、ライジングエッジまたはフォワード位相カットとも呼ばれます)
リーディング エッジ位相調光は、通常、サイリスタ (シリコン制御整流器またはトライアック) を使用して実行されます。これは、主電源電圧の 0 交差を検出し、少し遅延させてから、主電源の半サイクルの残りの間オンに切り替えます。
次の図は以下を示しています。
- 位相調光器がない場合にランプに適用される電圧。
- リーディング エッジ調光と高輝度設定で適用される電圧。主電源電圧の大部分が負荷に適用されます。
- リーディング エッジ調光と低輝度設定で適用される電圧。負荷には主電源電圧のわずかな量のみが適用します。
2.2 トレーリングエッジ
（後縁位相調光は、下縁または逆位相カットとも呼ばれます）
トレーリング エッジ位相調光は、通常、MOSFET を使用して実行されます。これは、各半サイクルの 0 クロスから始めて、主電源電圧を負荷に渡し、半サイクルの途中で主電源の伝導をオフにすることで機能します。
通常、トレーリングエッジ調光は LED 照明負荷に適しています。また、トレーリングエッジ調光器の作成はより複雑です。
次の図は以下を示しています。
- 位相調光器がない場合にランプに適用される電圧。
- トレーリング エッジ調光と高輝度設定で適用される電圧。主電源電圧の大部分が負荷に適用されます。
- トレーリング エッジ調光と低輝度設定で適用される電圧。負荷には主電源電圧のわずかな量のみが適用します。
2.3 リーディングエッジタイプとトレーリングエッジタイプの明らかな違い
リーディング エッジ調光では、ゼロ交差後に遅延が発生し、その後、主電源の半サイクル中にオンになります。
トレーリング エッジ調光はゼロ交差で開始され、その後、主電源の半サイクル中にオフになります。
3 位相調光使用時の負荷への影響
3.1 電力供給
リーディングエッジ位相調光とトレーリングエッジ位相調光はどちらも、主電源電圧をパルスの形で負荷に供給します。パルスは、波形の一部が削除された正弦波の形状になります。
白熱電球の場合、熱線には熱反応時間（「熱慣性」）があり、パルスは目に見えません。その結果、電球に供給される平均電力は少なくなります。
LED ランプの場合、電力パルスによって供給される電力も少なくなりますが、LED ランプの定格電力は低いため、ランプとそのドライバは次のことを行う必要があります。
- 供給される電力パルスを使用してランプを点灯します。また、
- 電力パルスを解釈して明るさのレベルを計算します。
3.2 ランプ（ドライバ）の反応
白熱電球
白熱電球は、供給される平均電力を抵抗線に通して発光させるだけです。発光した線は光と熱を生成します。
電圧の一部が除去される（オフになる）ため供給される電力が少なくなると、抵抗線に供給されるエネルギーが少なくなり、発光が少なくなります。発光が少なくなると、発生する光と熱が少なくなります。
LEDランプ
それに比べて、LED ランプは、位相調光器が提供する短い電圧パルスから必要な電力をすべて抽出できます。そのため、LED ランプは追加の電気回路を使用して、パルス幅とパルス間の時間を測定します。その情報から調光レベルを算出し、LED に供給する電力量を調整します。
LED ランプ (または LED ドライバー) のメーカーによって、位相調光パルスに対する反応が異なります。
これは、次の特性の一部またはすべてにおいて (ランプ供給元ごとに) 違いとして現れることがあります。
- 調光範囲の上限におけるデッドバンド。
- 調光範囲の下限におけるデッドバンド。
- 利用可能な最小の明るさ。
3.3 デッドバンド
デッドバンドとは、反応がない（生成される光の量に変化がない）明るさ調整の範囲です。
これは、ダイヤルを回しても明るさが変化しないロータリー調光器で見られることがあります。これは、調光範囲の下限 (デッドバンドの下限) または上限 (デッドバンドの上限) で発生する可能性があります。
トレーリングエッジを参照して示される典型的なデッドバンドの動作:
3.4 位相調光器とランプの一般的な動作: 50 Hz 電源システム
50 Hz 電力システムでは、ライン周波数は 50 Hz なので、主電源の正弦波の周期は 20 ミリ秒です。各半サイクルの持続時間は 10 ミリ秒です。
伝導時間
上の図に示すように、位相調光器が導通しているときの主電源の半サイクルの期間は、「導通角」または「導通時間」と呼ばれます。これは通常、ミリ秒単位で測定されます。
位相調光器
50 Hz システムでは、伝導時間は次の理論上の制限の範囲内で変化する可能性があります。
- 最小0ms（伝導なし）
- 最大10ms（半サイクル全体の伝導）。
一般的な位相調光器には次のような制限があります。
- 最小: 2～4 ミリ秒
- 最大: 6 ～ 8 ミリ秒。
Ozuno が設計したような高品質の位相調光器には限界があります。
- 最小: 1 ミリ秒;
- 最大: 8 ミリ秒。
位相調光器を比較する場合、伝導時間の範囲が広いほど、位相調光可能なランプへの制御入力の範囲が最大になります。
位相調光可能な LED ドライバー
位相調光対応 LED ドライバのパフォーマンスは、ドライバの設計によって決まります。ほとんどの位相調光対応 LED ドライバは、次の範囲の導通時間を受け入れることができます。
- 最小値: 1～4 ミリ秒
- 最大: 6 ～ 8 ミリ秒。
位相調光器が、ドライバが動作する最小値を下回る伝導時間を生成する場合、次の問題が発生する可能性があります。
- 低輝度でのデッドバンド（低レベルは影響なし）
- ちらつき/点滅; または
- ランプが消えている可能性があります。
位相調光器が、ドライバが動作する最大値よりも長い伝導時間を生成する場合、高輝度でデッドバンドが生成され、調光器の輝度設定を上げても効果がありません。
3.5 位相調光器の導通時間と明るさの関係
ほとんどの DALI LED ドライバーには調整可能な範囲が指定されており、これは「5% ～ 100%」などと記載されることがよくあります。ほとんどの LED ドライバーでは、その範囲が電力消費なのか明るさなのかは明確に示されていません。
位相調光可能な LED や位相調光可能な LED ドライバーでは、調光範囲が指定されていないことが多いため、動作にはより多くの推測が必要になる場合があります。
Ozuno による測定に基づくと、位相調光可能な LED ランプと位相調光可能な LED ドライバーは、一般的に次のように分類できます。
| 品質 | 光出力範囲 | 伝導時間範囲 |
|---|---|---|
| 高い | 1%（またはそれ以下）から100% | 2 ミリ秒～8 ミリ秒 |
| 中くらい | 5%から100% | 3 ミリ秒～7 ミリ秒 |
| 低い | 10%から100% | 4 ミリ秒から 6 ミリ秒 |
位相調光可能なドライバーを検討する場合:
- 同じドライバーと異なるランプを使用して比較すると、異なる結果になります。
（LEDランプとドライバーは相互に作用します。）
- 位相調光器が異なると、結果も異なる可能性があります。
(位相調光器によって導通時間の範囲が異なるため、ドライバの動作範囲が異なったり、デッドバンドが異なったりする場合があります。)
- 複数の位相調光可能な LED ドライバを単相調光器で使用する場合、それらすべてが同じ応答を示すことを期待しますが、そうならないこともあります。
(位相ドライバは同じ伝導時間に対して異なる反応を示す可能性があるため)
3.6 DALI位相調光器と位相調光可能なLEDランプ
DALI 位相調光器と DALI ドライバーを検討する場合、DALI 規格では、位相調光器 + ドライバー + LED ランプの完全なシステムが、明るさの範囲が 0.1% ～ 100% の DALI 調光曲線に準拠する必要があることが規定されています。
多くの位相調光器/ドライバ/ランプの組み合わせでは、この範囲全体を満たすことは困難または不可能です。要件への準拠は、次の方法で達成されます。
- すべてのテストで同じランプとランプ ドライバーを使用します。
- DALI の最小レベルを設定すると、位相調光器は、選択した位相調光ドライバおよびランプと互換性のある伝導時間を生成でき、DALI で要求されるものに準拠した (またはそれに近い) 調光範囲と曲線を実証できます。
この影響により、多くの DALI 位相調光器は、DALI 調光数の狭い範囲でしか動作しない可能性があります。たとえば、次のようになります。
| DALIレベル | 必要な光レベル （最大値のルクス％） |
|---|---|
| 86 | 1 |
| 111 | 2 |
| 145 | 5 |
| 170 | 10 |
| 196 | 20 |
| 229 | 50 |
| 254 | 100 |
この表は、光出力を 10% までしか調光できない DALI 位相調光器の DALI レベルは 170 であり、非常に大きな下限デッド バンドが存在することを示しています。DALI レベルをその制限より低く設定しても、位相調光可能なランプには影響がありません。
Ozuno RAPIX DALI -2位相調光コントローラー (適切なランプとドライバーと併用する場合) は、0.1% ～ 100% の光出力に相当する 0 ～ 254 の DALI 範囲全体で位相調光を行うことができます。
DALI調光範囲の縮小による影響の補正
最小レベルが設定されると調光範囲を再調整する一部の照明制御システムとは異なり、DALI システムは制限を設定することで最小レベルを適用し、この制限を下回る調整は効果がありません。これにより、下端のデッド バンドが作成され、一部の DALI 位相調光器および LED ランプではこれが重要になる可能性があります。
DALI 直線曲線タイプの選択
一部の DALI 位相調光器では、DALI 「Logarithmic 対数曲線」の代わりに「Linear 直線」曲線を選択できます。
一般的に言えば、「Linear 直線」 曲線は別の問題を引き起こします。制御範囲が下端で「束ねられる」のです。これは人間の目の反応が対数的であるためで、たとえば、測定された光量 (ルクス レベル) を元の値の 10% に減らすと、人間のユーザーには約 50% の明るさの低下として認識されます。
「Linear 直線」曲線タイプを使用するのが有益なのは、すでに対数応答を含む位相調光可能な LED ランプのサブセットの場合のみです。これを判断する唯一の方法は、試行錯誤することかもしれません。
「Linear 直線」を選択することは便利な解決策のように思えますが、その結果は通常、ユーザー エクスペリエンスが悪くなります。
DALI位相調光システムでレベルを表示するための4つの推奨方法
レベルを数値やパーセンテージで表示することは避けてください。
理由: レベルをパーセンテージで表示すると、正確さと精度に関して誤解を招く印象を与えます。たとえば、露出計で測定した場合、「1%」は最大レベルの約 1% である必要があります。同様に、10% は最大値の 10% として測定する必要があります。
LED ランプ、ドライバ、および位相調光システムにおけるそれらの動作には大きなばらつきがあるため、パーセンテージ レベルで示される精度を保証することはできません。
さらに、位相調光範囲の上限と下限のデッド バンドは、位相ドライバ、ランプ、またはその両方の組み合わせによって発生する可能性があります。デッド バンドはランプごとに異なりますが、デッド バンドがある場合にパーセンテージ レベルを使用すると、ユーザー エクスペリエンスが低下します。
より良いユーザーエクスペリエンスのための提案:
シンプルな視覚的なスライダー表現を使用する
（オプション：OFF / MAXIMUMでマーク）
数字のない棒グラフを使用する
円形ディスプレイを使用する
数字を表示しないことが常に最善です。
視覚化ソフトやプレゼンテーション ソフトは、LED ドライバーの最小レベルを補正するように設定し (たとえば、0 = OFF から [例] 145 = 最小レベルへの移行を行う)、最大レベルと最小レベルの間に適切なステップを設ける必要があります。
視覚化では数字の使用を避ける必要があります。数字を使用すると、数字の意味やデッドバンドが存在する理由についてユーザーが混乱するだけです。通常は、別の表示方法の方が適しています。
Ozuno の DALI -2位相調光コントローラーの実際の経験では、タッチスクリーンや類似のデバイスを使用して照明レベルを調整する場合、優れたユーザー エクスペリエンスを実現するには約 40 ステップで十分です。
5 DALI位相調光製品
RAPIX DALI-2 位相調光コントローラーは、 DALI システム向けの最先端の位相調光ソリューションです。
この製品は DALI-2 に準拠しており、DALI の調光範囲は 0.1% ～ 100%* です。この DALI 位相調光コントローラーは、デッドバンドが最小限で位相調光伝導角の範囲が広い、高品質位相調光器としてここで紹介した特性を備えています。
※調光範囲は使用する位相調光LEDランプにより異なります。