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調光器とは、照明器具に接続して光の明るさを調節する装置です。ランプに印加する電圧波形を変化させることで、光出力の強度を下げることができます。可変電圧装置は様々な用途に使用されますが、一般的に「調光器」という用語は、抵抗式白熱灯、ハロゲンランプ、そして（近年では）コンパクト蛍光灯（CFL）や発光ダイオード（LED ）の光出力を制御することを目的とした装置に用いられます。蛍光灯、水銀灯、固体灯、その他のアーク灯を調光するには、より特殊な装置が必要です。
調光器のサイズは、家庭用照明スイッチほどの小型のものから、大規模な劇場や建築照明設備で使用される高出力のものまで多岐にわたります。小型の家庭用調光器は一般的に直接制御されますが、X10などのリモート制御システムも利用可能です。最新の業務用調光器は、 DMXやDALIなどのデジタル制御システムによって制御されるのが一般的です。新しいシステムでは、これらのプロトコルはイーサネットと組み合わせて使用されることがよくあります。
プロの照明業界では、明るさの変化を「フェード」と呼び、「フェードアップ」または「フェードダウン」があります。直接手動制御の調光器では、明るさを変化させる速度に制限がありましたが、最新のデジタルユニットではこの問題はほぼ解消されています（ただし、ランプ寿命などの他の理由から、明るさの急激な変化は避ける必要がある場合もあります）。
現代の調光器は、可変抵抗器ではなく半導体を用いて作られています。これは、半導体の方が効率が高いためです。可変抵抗器は熱として電力を消費し、分圧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」状態を高速で切り替えるため、制御対象の負荷に比べて消費電力が非常に少なくなります。
最近では、ソフトウェアでプログラム可能な内蔵調光器が登場し、照明のオン/オフを切り替えるスイッチと同じ信号を使って調光制御ができるようになりました。専用の外部調光器は不要です。Blink'n'Dimなどのシンプルな通信プロトコルが、電源線を介して調光コマンドを送信します。ネットワーク接続されたスイッチによるコンピュータ制御も可能ですが、必須ではありません。価格は、LED電球、照明器具、またはドライバに搭載されている従来の調光回路とほぼ同等です。
初期の調光器は、大型の調光パネルを手動で操作することで直接制御されていました。そのため、すべての電力が照明制御室を経由する必要があり、舞台照明などで使用されるような大型または高出力のシステムにとっては、不便で非効率的、そして潜在的に危険な場合がありました。
1896年、グランビル・ウッズは「安全調光器」の特許を取得した。これは、不要なエネルギーを燃焼させるのではなく、必要な需要に合わせて生成されるエネルギー量を減らすことで、エネルギーの無駄を大幅に削減するものである。[ 1 ]
1959年、後に1961年にルートロン・エレクトロニクス社を設立したジョエル・S・スピラは、当時新しかったシリコン制御整流器（SCR）と呼ばれる固体スイッチング素子をベースにした調光器を発明した。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、エネルギーを節約することができた。[ 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ための電球ソケットアダプタの特許を取得しました。このデバイスを収納するために、彼は片端を電球ソケットにねじ込むことができ、もう一方の端に電球を受け入れることができる2インチ（51mm）の円形デバイスを採用しました。[ 4 ]
ソリッドステート調光器が普及すると、アナログ遠隔制御システム（ 0～10V照明制御システムなど）が実用化されました。制御システム用の配線は、従来の照明システムの太い電源ケーブルに比べてはるかに細く（電流も少なく、危険性も低い）、各調光器に専用の制御線が備わっていたため、照明制御箇所から多くの配線が出ていました。
DMX512、DALI 、 Art-Net、ETCnet、sACN、Pathport、ShowNet、KiNET [ 5 ]などのイーサネットベースのプロトコルといった、より新しいデジタル制御プロトコルでは、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）を制御することができます。
レオスタットを用いた調光器は、負荷の定格電力のかなりの部分を熱として消費するため、効率が悪かった。また、大型で大量の冷却空気が必要だった。調光効果は各レオスタットに印加される総負荷に大きく依存するため、負荷をレオスタットの定格電力にかなり慎重に合わせる必要があった。さらに、機械的な制御に依存していたため、動作が遅く、一度に多くのチャンネルを変更するのが困難だった。
初期のレオスタット調光器の例としては、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した。接点同士が近づくほど、光に利用できる電圧が高くなりました。塩水調光器は腐食のため定期的な水の補充とメンテナンスが必要でした。露出した部分は動作中に通電するため、感電の危険性がありました。[ 6 ]
コイル回転式変圧器は、固定位置の電磁コイルと可変位置のコイルを組み合わせて、2つのコイルの向きを変えることで送電線の電圧を変化させる仕組みである。90度ずつ回転させた二次コイルは、一次コイルから発生する大きさが等しく方向が逆の2つの磁場の影響を受けるが、これらの磁場は互いに打ち消し合い、二次側には電圧が発生しない。
これらのコイルは、電気モーターで使用される標準的な回転子と固定子に似ていたが、回転子はブレーキによって回転が抑制され、高トルクのギアによって特定の位置に移動される点が異なっていた。回転子は完全な回転をしないため、整流子は不要であり、代わりに回転子に長くて柔軟なケーブルを使用することができた。
その後、可変オートトランス（商品名「Variac」）が導入されました。これらは、形状がよく似ているため、依然としてレオスタット調光器とほぼ同じ大きさですが、比較的効率の良い装置です。出力電圧、ひいては調光効果は、印加される負荷にほとんど依存しないため、各オートトランスのチャンネルに接続する照明器具の設計がはるかに容易になりました。調光器のリモート制御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増減できるモーター駆動装置が装備されていました。オートトランスは照明用途では使用されなくなりましたが、他の用途で使用されています。
しかしながら、2021年現在でも、オートトランスが依然として望ましい照明ソリューションとなる場面がいくつか存在する。例えば、オーディオ録音スタジオのコントロールルームでは、電磁干渉に関して極めて厳しい制限が求められる場合がある。ソリッドステート調光器と比較すると、オートトランスが発生させる伝導性電磁波は実質的にゼロである。
これらの問題の一部を解決するために、半導体調光器が導入されました。半導体調光器は、交流の半サイクル開始後、調整可能な時間（位相角）でオンになり、ランプに印加される電圧波形を変化させ、実効値（RMS値）を変化させます。供給された電圧の一部を吸収するのではなくスイッチングするため、電力の無駄がほとんどありません。調光はほぼ瞬時に行え、リモート電子機器で簡単に制御できます。この技術開発により、通常の家庭用照明スイッチの代わりに（配線盤内に）設置できるほど小型の調光器も実現しました。
スイッチはスイッチング中にいくらかの熱を発し、無線周波数干渉を引き起こすこともあります。[ 7 ]インダクタまたはチョークは、この干渉を抑制するために回路の一部として使用されます。調光器が50%の電力の場合、スイッチは最高電圧（ヨーロッパでは325V以上）をスイッチングし、急激な電力サージによりインダクタのコイルが動き、一部のタイプの調光器に関連するブザー音が発生します。この同じ効果は、白熱電球のフィラメントで「歌う」音として聞こえます。抑制回路は、照明負荷と主電源を共有する高感度オーディオ機器やラジオ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、この干渉を防ぐために特別な対策を講じる必要があります。[ 8 ]ヨーロッパの調光器は、関連するEMC法規制要件 に準拠する必要があります。これには、上記の放射をEN55104で規定されている制限まで抑制することが含まれます。
図に示す電気回路図では、シリコン制御整流器（SCR）を用いた一般的な調光器が、位相角制御によって光を調光します。このユニットは負荷と直列に接続されています。ダイオード（D2、D3、D4、D5）はブリッジ回路を形成し、パルス状の直流電流を生成します。抵抗R1とコンデンサC1は時定数を持つ回路を構成します。電圧がゼロから上昇するにつれて（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、SCRに電流を注入できるようになると、SCRがオンになります。SCRがオンになると、D1はSCRを通してC1を放電します。電流がゼロになり、半サイクルの終わりに電源電圧が低下すると、SCRはオフになり、次の半サイクルで回路が動作を開始する準備が整います。この回路は、位相制御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） を用いた調光器は、正弦波の立ち下がり部分を切り落とすことで、トライアックに存在するノイズの大部分を除去します。これらの回路は、後縁調光器または逆位相調光器と呼ばれます。
さらに新しい技術だが、依然として高価な正弦波調光は、高出力スイッチング電源とフィルタを組み合わせた方式で実現されている。[ 9 ] [ 10 ]
マルチボルトまたはmボルトランプは、通常120ボルトから277ボルトまでの複数の電圧でシームレスに動作します。 マルチボルトランプは、供給電圧に関係なく同じ量の光を生成します。[ 11 ] 調光は、別の0～10Vの照明制御調光信号によって行われます。[ 12 ]
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遠隔操作されます。アナログ調光器は通常、調光チャンネルごとに0～10Vの電圧を伝送する個別の配線が必要です。アナログ回路は、この信号とスイッチ用の主電源から制御信号を生成します。システムにチャンネルを追加すると、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、コンポジットビデオ信号と同様の埋め込みクロック信号（Strand Lighting社の欧州規格D54では384個の調光器を制御）または独立したクロック信号（米国規格AMX192）を用いて、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。
DMX512などのデジタルプロトコルは、1980年代後半からその解決策として有効であることが証明されてきました。初期の実装では、コントローラーから調光器の隣に設置されたデマルチプレクサにデジタル信号が送信されました。これにより、デジタル信号は0～+10Vまたは0～-10Vの信号群に変換され、個々のアナログ制御回路に接続されました。
最新の調光器は、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だけでなく、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信することも可能になるなど、多くの利点があります。
住宅用途の調光器の中には、無線送信機で遠隔操作できる無線照明スイッチとして使用できる無線受信機を備えているものもある。 [ 13 ]
パッチングとは、制御を目的として、回路またはチャネルに物理的（「ハードパッチ」）または仮想的に（「ソフトパッチ」）割り当てを行うことである。
調光器は通常、ラックにまとめて配置され、簡単にアクセスできるようになっています。そして、そこから制御対象の照明器具に電源が供給されます。建築照明設備では、調光器から照明器具へは、固定配線（これを回路と呼びます）を通して直接電気が供給されます。これらの配線は固定されており、変更することはできません。
しかし、劇場などの会場では、より柔軟な対応が求められます。各公演、そして公演中にも変更に対応できるよう、劇場では劇場内のコンセントに常時配線された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、調光器の隣に設置され、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、1つの調光器に複数の回路を接続したり、低電圧ランプの直列接続も可能です。また、一部の劇場では、照明から調光器まで個別のケーブルが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）と調光器間の接続は、主電源またはハードパッチと呼ばれます。これは、古い劇場や、ツアーカンパニーが調光器を持ち込むツアーで最もよく見られます。
現代の固定設備の大半にはパッチベイがなく、代わりに回路ごとに調光器が設置され、コンピュータ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ンネルにパッチ接続します。
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でした。代わりに、オペレーター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、中間では速く暗くなり、最後にはゆっくりと暗くなりました。その曲線の形状は、正弦波の3分の1に似ていました。調光器の種類によって調光曲線は異なり、用途によって求められる応答も通常異なっていました。
テレビでは、照明の色温度を正確に調整するために不可欠な、曲線の上部でより細かい制御を可能にする「二乗法則」曲線がよく使用されます。劇場用調光器は、より緩やかな「S」字型または直線的な曲線を使用する傾向があります。デジタル調光器は、メーカーが望むあらゆる曲線を持つように設計できます。直線的な関係とさまざまな曲線を選択できる場合があり、古いアナログ調光器と互換性を持た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や非標準曲線が提供され、非標準曲線の一般的な用途は、ユーザーが定義した制御レベルで点灯する「非調光」調光器として使用することです。
高輝度白熱灯（フィラメントランプ）を冷えた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、寿命が著しく短くなることがあります。ランプのフィラメントへの負担を軽減するため、調光器には予熱機能が搭載されている場合があります。この機能は、通常5%から10%の最小レベルを設定し、見た目には消灯しているように見えますが、ランプが過度に冷えるのを防ぎます。また、この機能は、ロックンロールスタイルのショーの運営者が好む、急激な電力増加に対するランプの反応速度を速めます。この機能の反対は、トップセットと呼ばれることもあります。これは、ランプに供給される最大電力を制限することで、ランプの寿命を延ばすことができます。
より高度なシステムでは、イベントやパフォーマンスの前に電球を文字通り予熱（温める）することで、同様の効果が得られます。これは通常、30分から1時間かけてライトを徐々に最大出力（または通常90～95%）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等の効果があります。
最新のデジタルミキサーは、予熱カーブや調光カーブをエミュレートでき、ソフトパッチをメモリに保存できます。これは、複雑な設定を転送することなく調光ラックを交換できるため、多くの場合好まれます。さまざまなカーブやプロファイルをプログラムして、異なるチャンネルで使用できます。
位相制御調光器の品質を測る指標の一つに「立ち上がり時間」があります。ここでいう立ち上がり時間とは、波形のカットオフ部分がゼロから瞬時出力電圧に達するまでの時間のことです。上の波形では、赤いトレースのほぼ垂直なエッジの傾斜を表しています。通常、立ち上がり時間は数十マイクロ秒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低減され、ランプの寿命も延びます。また、立ち上がり時間が長いほど、調光器によって発生する電磁干渉も低減されます。当然ながら、立ち上がり時間が長いほど、チョークコイルのサイズを大きくする必要があるため、立ち上がり時間が短い場合よりもコストが高くなります。最新の調光方式では、このような問題を最小限に抑えることができます。