調光器

調光器は照明器具に接続され、光の明るさを下げるために使用される装置です。ランプに適用される電圧波形を変更することで、光出力の強度を下げることができます。可変電圧装置はさまざまな目的で使用されますが、調光器という用語は通常、抵抗性白熱灯、ハロゲン、および（最近では）コンパクト蛍光灯（CFL）および発光ダイオード（LED ）からの光出力を制御することを目的とした装置を指します。蛍光灯、水銀灯、固体、およびその他のアーク照明を 調光するには、より特殊な装置が必要です。

調光器のサイズは、家庭用の照明スイッチほどの小型ユニットから、大規模な劇場や建築照明設備で使用される高出力ユニットまでさまざまです。小型の家庭用調光器は、リモート コントロール システム ( X10など) も利用できますが、通常は直接制御されます。最新の業務用調光器は、通常、 DMXやDALIなどのデジタル コントロール システムによって制御されます。新しいシステムでは、これらのプロトコルは多くの場合、イーサネットと組み合わせて使用​​されます。

プロの照明業界では、明るさの変化は「フェード」と呼ばれ、「フェード アップ」または「フェード ダウン」になります。直接手動で制御する調光器では、変化できる速度に制限がありましたが、この問題は最新のデジタル ユニットでほぼ解消されています (ただし、ランプの寿命などの他の理由により、明るさの非常に急速な変化は回避できる場合があります)。

現代の調光器は、効率が高いため、可変抵抗器ではなく半導体で作られています。可変抵抗器は電力を熱として消散させ、電圧分割器として機能します。半導体またはソリッドステート調光器は、低抵抗の「オン」状態と高抵抗の「オフ」状態の間をすばやく切り替えるため、制御される負荷と比較して電力の消散は非常に少なくなります。

最近では、ソフトウェア プログラム可能な内部調光器が、照明のオン/オフを切り替えるスイッチと同じスイッチからの信号を使用して調光を制御することができます。専用の外部調光器は必要ありません。Blink'n'Dim などのシンプルな通信プロトコルが、電力線を介して調光コマンドを送信します。ネットワーク スイッチを介してコンピューター制御が可能になりますが、コンピューターは必要ありません。コストは、LED 電球、器具、またはドライバーで置き換えられる古い「調光機能」回路とほぼ同じです。

初期の調光器は、大きな調光パネルを手動で操作して直接制御されていました。このため、すべての電力を照明制御場所から供給する必要があり、舞台照明などに使用される大型または高出力のシステムでは不便で非効率的であり、潜在的に危険でした。

1896年、グランヴィル・ウッズは「安全調光器」の特許を取得しました。これは、不要なエネルギーを燃やすのではなく、必要な需要に合わせて生成されるエネルギーの量を減らすことで、エネルギーの無駄を大幅に削減しました。^[1]

1959年、 1961年にルートロン・エレクトロニクス社を設立することになるジョエル・S・スピラは、シリコン制御整流器（SCR）と呼ばれる当時の新しい固体スイッチングデバイスをベースにした調光器を発明しました。この小型デバイスにより、調光器を標準的な電気壁ボックスに取り付けることができ、エネルギーを節約できました。^{[2] [3]}

1966年、ユージン・アレッシオはトライアックを使用して単一の電球の光量を調整する電球ソケットアダプタの特許を取得しました。この装置を収納するために、彼は一方の端を電球ソケットにねじ込み、もう一方の端に電球を取り付けることができる2インチの円形装置を採用しました。^[4]

ソリッドステート調光器が使用されるようになると、アナログのリモート コントロール システム ( 0 ～ 10 V 照明制御システムなど) が実現可能になりました。制御システムの配線は、以前の照明システムの太い電源ケーブルよりもはるかに細くなり (電流が少なく、危険性も低くなります)、調光器ごとに独自の制御配線が備わっていたため、照明制御場所から多くの配線が出ていました。

DMX512、DALIなどの最近のデジタル制御プロトコル、またはArt-Net、ETCnet、sACN、Pathport、ShowNet、KiNET ^[5]などの多くのイーサネットベースのプロトコルのいずれかを使用すると、1本のケーブルで多数の調光器（およびその他のステージ機器）を制御できます。

可変抵抗器をベースとした調光器は、負荷の定格電力のかなりの部分を熱として放散するため、効率が悪かったです。大型で、大量の冷却空気が必要でした。調光効果は各可変抵抗器にかかる総負荷に大きく左右されるため、負荷を可変抵抗器の定格電力にかなり慎重に合わせる必要がありました。最後に、機械的な制御に依存しているため、速度が遅く、一度に多くのチャンネルを変更するのは困難でした。

レオスタット調光器の初期の例には、液体レオスタットの一種である塩水調光器があります。可動接点と固定接点の間の液体が可変抵抗を提供します。接点が互いに近いほど、照明に利用できる電圧が大きくなります。塩水調光器は、腐食のために定期的な水の補給とメンテナンスが必要でした。露出した部品は動作中に通電され、感電の危険がありました。^{[6] [信頼できない情報源? ]}

コイル回転変圧器は、固定位置の電磁石コイルと可変位置のコイルを組み合わせて使用​​し、2 つのコイルの配置を変えることでラインの電圧を変化させます。90 度回転すると、2 次コイルは 1 次コイルからの 2 つの等しいが反対方向の磁場の影響を受け、効果的に互いに打ち消し合って 2 次コイルに電圧は発生しません。

これらのコイルは、電気モーターで使用される標準的なローターとステーターに似ていますが、ローターはブレーキを使用して回転しないように保持され、高トルクギアを使用して特定の位置に移動します。ローターは完全に 1 回転することはないため、整流子は必要なく、代わりに長いフレキシブル ケーブルをローターに使用できます。

その後、可変オートトランス（商品名「バリアク」）が導入されました。可変オートトランスは、よく似たレオスタット調光器とほぼ同じ大きさですが、比較的効率的なデバイスです。電圧出力、つまり調光効果は、適用される負荷にほとんど依存しないため、オートトランスの各チャネルに接続する照明の設計がはるかに容易になりました。調光器のリモート コントロールはまだ実用的ではありませんでしたが、一部の調光器には、接続されたランプの明るさをゆっくりと着実に下げたり上げたりできるモーター ドライブが装備されていました。オートトランスは照明には使用されなくなりましたが、他の用途には使用されています。

ただし、オートトランスフォーマーが依然として望ましいソリューションとなる照明シナリオがいくつかあります (2021 年現在)。たとえば、オーディオ録音スタジオのコントロール ルームでは、電磁干渉に対して非常に厳しい制限が求められる場合があります。ソリッド ステート調光器と比較すると、オートトランスフォーマーによって生成される伝導放出は実質的にゼロです。^{[引用が必要]}

これらの問題のいくつかを解決するために、ソリッドステート（半導体）調光器が導入されました。半導体調光器は、各交流電流の半サイクルの開始後、調整可能な時間（位相角）でオンになり、それによってランプに適用される電圧波形が変更され、そのRMS実効値が変更されます。供給される電圧の一部を吸収するのではなく切り替えるため、電力の無駄はほとんどありません。調光はほぼ瞬時に行うことができ、リモート電子機器によって簡単に制御できます。この開発により、調光器を通常の家庭用照明スイッチの 代わりに（パッド内で）使用できるほど小型にすることも可能になりました。

スイッチはスイッチング時に熱を発生し、無線周波数干渉を引き起こすこともあります。^[7] この干渉を抑制するために、インダクタまたはチョークが回路の一部として使用されています。調光器の電力が 50% のとき、スイッチは最高電圧(ヨーロッパでは 325 V 以上) を切り替えており、突然の電力サージによってインダクタのコイルが動き、一部の調光器に特有のブザー音が発生します。これと同じ効果が白熱灯のフィラメントで「歌うような」音として聞こえます。抑制回路では、照明負荷と主電源を共有する敏感なオーディオ機器や無線機器でブザー音が聞こえるのを防ぐのに不十分な場合があります。この場合、この干渉を防止するために特別な手順を踏む必要があります。^{[8]欧州の調光器は、関連する}EMC法規制の要件 に準拠している必要があります。これには、上記の放射を EN55104 で説明されている制限まで抑制することが含まれます。

示されている電気回路図では、シリコン制御整流器(SCR) に基づく一般的な調光器が位相角制御によって照明を調光します。このユニットは負荷と直列に配線されています。ダイオード (D2、D3、D4、および D5) はブリッジを形成し、パルス DC を生成します。R1 と C1 は時定数を持つ回路を形成します。電圧がゼロから増加すると (各半波の開始時)、C1 が充電されます。C1 がツェナー ダイオードD6 を導通させて SCR に電流を注入できると、SCR が作動します。SCR が導通すると、D1 は SCR を通じて C1 を放電します。電流がゼロに低下すると SCR はシャット オフし、半サイクルの終わりに電源電圧が低下して、回路が次の半サイクルで動作を開始できるようにします。この回路は、リーディング エッジ調光器または順位相調光と呼ばれます。

絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ(IGBT) をベースにした調光器は、正弦波の下降側を切り落とすことで、 TRIACに存在するノイズのほとんどを除去します。これらの回路は、トレーリング エッジ調光器または逆位相調光器と呼ばれます。

さらに新しいが、依然として高価な技術は正弦波調光であり、これは高出力スイッチング電源とそれに続くフィルタとして実装される。^{[9] [10]}

家庭用以外の調光器は通常、さまざまなプロトコルを使用してリモート制御されます。アナログ調光器では通常、調光チャンネルごとに0 ～ 10 Vの電圧を伝送する個別の配線が必要です。一部のアナログ回路は、この配線とスイッチの主電源から制御信号を抽出します。システムにチャンネルが追加されるほど、照明コントローラーと調光器の間に必要な配線が増えます。

1970 年代後半には、シリアル アナログ プロトコルが開発されました。これらは、複合ビデオ信号 (384 個の調光器を扱う Strand Lighting のヨーロッパD54規格の場合) または個別のクロック信号 (米国規格AMX192の場合) に類似した埋め込みクロック信号を使用して、一連のアナログ レベルを 1 本のワイヤに多重化しました。

1980 年代後半から、DMX512などのデジタル プロトコルが解決策であることが証明されています。初期の実装では、デジタル信号がコントローラから調光器の隣にあるデマルチプレクサに送信されていました。これにより、デジタル信号が 0 ～ +10 V または 0 ～ -10 V の信号の集合に変換され、個々のアナログ制御回路に接続できるようになりました。

最新の調光器設計では、マイクロプロセッサを使用してデジタル信号を直接スイッチの制御信号に変換します。これにより、調光をより細かく制御できるようになり、診断フィードバックをデジタル形式で照明コントローラに送り返すことができるなど、多くの利点があります。

住宅用途の調光器の中には、無線受信機が装備されており、無線送信機で遠隔操作できる無線照明スイッチとして使用されるものもあります。 ^[11]

パッチングとは、制御の目的で回路またはチャネルに物理的 (「ハード パッチ」) または仮想的 (「ソフト パッチ」) に割り当てることです。

調光器は通常、ラック内にまとめて配置され、簡単にアクセスでき、制御対象の機器に電力が供給されます。建築設備では、電気は調光器から照明まで常設配線 (これを回路と呼びます)を介して直接供給されます。これらは固定配線であり、変更できません。

しかし、劇場などの会場では、より高い柔軟性が求められます。各ショーごと、また時にはショーの最中に変更ができるように、劇場では劇場中のソケットに恒久的に配線される回路を設置することがあります。これらの回路は調光器に直接接続されるのではなく、パッチ ベイに接続されます。パッチ ベイは通常、調光器の隣にあり、パッチ ケーブルを介して調光器を特定の回路に接続できるようにします。パッチ ベイでは、多くの回路を 1 つの調光器に接続したり、低電圧ランプを直列接続したりすることもできます。また、劇場によっては、個別のケーブルがライトから調光器に直接配線されています。回路 (パッチ ベイまたは個別のケーブルの形式) と調光器の間に割り当てられた接続は、メインまたはハード パッチと呼ばれます。これは、古い劇場や、ツアー会社が調光器を持ち込むツアーで最も一般的です。

最近の固定設備のほとんどにはパッチ ベイがありません。代わりに、回路ごとに調光器があり、コンピューター制御コンソールのソフト パッチを使用して調光器をチャネルにパッチします。

ほとんどのアナログ調光器の設計では、調光器の出力は入力に直接比例しません。代わりに、操作者がフェーダーを上げると、調光器は最初はゆっくりと暗くなり、次に中間で急速に暗くなり、最後に上部でゆっくりと暗くなります。曲線の形状は、正弦波の 3 分の 1 に似ています。調光器が異なれば調光曲線も異なり、アプリケーションが異なれば通常、応答も異なります。

テレビでは、曲線の上部をより細かく制御できる「2乗法則」曲線がよく使用されます。これは、照明の色温度を正確に調整するために不可欠です。劇場の調光器では、より柔らかい「S」字曲線または線形曲線が使用される傾向があります。デジタル調光器は、メーカーが望む曲線にすることができます。線形関係とさまざまな曲線の選択を選択できるため、古いアナログ調光器と組み合わせることができます。高度なシステムでは、ユーザーがプログラム可能な曲線または非標準の曲線が提供され、非標準の曲線の一般的な使用法は、調光器を「非調光」にして、ユーザーが定義した制御レベルでオンにすることです。

高輝度白熱（フィラメント）ランプを冷たい状態から最大出力に切り替えると、大きな突入電流が発生するため、ランプの寿命が劇的に短くなることがあります。ランプのフィラメントへのストレスを軽減するために、調光器には予熱機能が付いている場合があります。これは、通常 5% から 10% の間の最小レベルを設定し、オフになっているように見えますが、ランプが過度に冷却されるのを防ぎます。また、これにより、突然の電力バーストに対するランプの反応が速まり、ロックンロール スタイルのショーのオペレーターは喜びます。この機能の反対は、トップセットと呼ばれることがあります。これは、ランプに供給される最大電力を制限し、これもまたランプの寿命を延ばす可能性があります。

あまり高度でないシステムでは、イベントやパフォーマンスの前に文字通り球体を予熱 (温める) することで、同じ効果が得られます。これは通常、30 分から 1 時間かけてライトを徐々に最大 (または通常は 90 ～ 95%) の電力まで上げることで実現されます。これは、内蔵の予熱機能と同じくらい効果的です。

最新のデジタル デスクは、予熱カーブと調光カーブをエミュレートし、メモリ内でソフト パッチを実行できます。複雑な設定を転送せずに調光ラックを別のラックに交換できるため、この方法が好まれることがよくあります。さまざまなカーブまたはプロファイルをプログラムして、さまざまなチャネルで使用できます。

リーディング エッジ ディマーの品質を測る 1 つの基準は、「立ち上がり時間」です。ここでの立ち上がり時間は、波形のカット部分がゼロから瞬間出力電圧に達するまでの時間です。上の波形では、赤いトレースのほぼ垂直なエッジの傾斜の測定値です。通常、これは数十から数百マイクロ秒で測定されます。立ち上がり時間が長いほど、調光器とランプのノイズが減り、ランプの寿命が延びます。立ち上がり時間が長いほど、調光器によって生成される電磁干渉も減ります。当然ですが、立ち上がり時間が長いほど、短い場合よりも実装コストが高くなります。これは、チョークのサイズを大きくする必要があるためです。新しい調光方法は、このような問題を最小限に抑えるのに役立ちます。

• Bellman, Wilard F. (2001)。「4. コントロール コンソール」。舞台照明。アートと実践(PDF) (第 3 版)。ケンタッキー州ルイビル: Broadway Press。ISBN 0-911747-40-0。
• ヴァン・ゲーテム、クリス（2019）。消えゆく光。歴史的文脈における劇場照明の変遷。Die Vierte Wand。ベルリン劇場博物館イニシアチブ機関。009/2019、p. 128–139（インターネットアーカイブでオンライン）
• sound.whsites.net 2017-03-09 にWayback Machineでアーカイブされました

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