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JP5779821B2 - 電子負荷用の調光回路 - Google Patents

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JP5779821B2
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    • Y02B20/30Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Description

特定の実施形態は、全般的に、電子デバイスの調光に関する。
[関連出願の相互参照]
本開示は、2010年2月12日に出願された、発明のタイトル「TRIAC調光器駆動方法および回路」の米国仮出願第61/303,835号の優先権を主張し、当該出願の全体を、あらゆる目的において、参照として本明細書に組み込むものとする。
本明細書において特段の断りがない限り、本項目に記載される手法は、本願の特許請求の範囲の先行技術ではなく、本項目に含めたことによって先行技術と自認するものではない。
交流用の三極管(TRIAC)を含む調光器が、白熱灯の調光に使用されている。調光器は、順方向もしくは逆方向の相制御を用いることがある。どちらの相制御法も、半正弦波形の始まりにおいて(順方向相制御)、または半正弦波形の終わりにおいて(逆方向相制御)、交流(AC)線間電圧をチョップする。これにより、非導電角とよばれる正弦波形の調整可能/制御可能な部分では、白熱灯に送達される電力が止められる。導電部と全波形との比によって、調光レベルが規定される。
上記のような調光では、TRIACの特性を活用する。たとえば、TRIACは、制御された瞬間にオンにすることができ、その後は、TRIACは、TRIACを流れる電流がいずれかの方向において持続レベル(sustaining level)を下回るまで、完全導電状態にあり続ける。たとえば、正弦波形がゼロに交差したとき、電流は持続レベルを下回り、TRIACはオフされる。本質として抵抗値である白熱灯の場合、TRIACがオンしている間は、通過電流は持続レベルよりも高い。したがって、TRIACを流れる電流が持続レベルを下回ることに関する問題は、TRIACが白熱灯に接続されている場合には、ほぼ生じない。
図1は、調光回路100の例を示す。相制御回路106を用いて、制御された瞬間にTRIAC104をオンする相制御信号を供給する。相制御回路106を動作させるべく、可変抵抗R1及びキャパシタC1が、白熱灯102と直列に搭載されている。白熱灯102は、抵抗負荷として機能し、TRIACがオフしたときに、可変抵抗R1及びキャパシタC1に電流が流れるようにする連続路(continuous path)108をグラウンドまで設ける。これにより、電流が連続的に流れることが可能となり、可変抵抗R1により設定される所望の時間量だけ、キャパシタがこの電流により充電される。時間量は、所望の導電角に基づいて設定される。
発光ダイオード(LED)もしくは蛍光灯等の電子負荷によって、白熱灯が取って代わられている。これらの電子負荷では、TRIACを用いる調光器にとって理想的な条件は提供されない。たとえば、電子負荷は、電流をグラウンドまで流れるようにする抵抗負荷ではないので、本質的に、電子負荷によっては、相制御回路がキャパシタを充電するための連続路がグラウンドまで設けられない。また、TRIACをオン状態に維持する十分な持続電流が供給されないかもしれない。
一例では、電子負荷に欠けている条件を補って、TRIACが正常に機能することができるようにするダミー負荷が使用される。たとえば、ダミー負荷を付加して、電流がグラウンドまで連続路を流れることができるようにする。しかし、ダミー負荷を用いることで、余計にエネルギーが消費され、システムに追加的な部品が必要となり、コストが増える。
一実施形態では、調光回路は、電子負荷に連結され、交流(AC)信号を受信する。相制御回路は、AC信号の第1の部分の間において、調光回路をオンさせて、電子負荷をオンさせる。調光回路は、AC信号の第2の部分の間はオフすることで、電子負荷をオフさせる。スイッチが相制御回路に連結される。スイッチは、調光回路がオフしているとき、相制御回路をグラウンドに結合するよう制御され、スイッチは電子負荷に電力を供給する電源の一部である。
一実施形態では、スイッチは、電源に含まれたトランジスタを含む。
一実施形態では、調光回路がオフしているときに、トランジスタをオンさせる駆動信号でトランジスタが駆動されることで、グラウンドまでのパスが設けられる。
一実施形態では、電子負荷は、発光ダイオード(LED)または蛍光灯を含む。
一実施形態では、方法は、AC信号の第1の部分の間、調光回路をオフさせる段階を備える。調光回路がオフしているとき、電子負荷はオフされる。方法は、調光回路がオフしているとき、相制御回路を介してAC信号をグラウンドに結合するようスイッチを制御する段階をさらに備える。スイッチは、電子負荷に電力を供給する電源の一部である。方法は、次に、AC信号の第2の部分の間、相制御回路を用いて調光回路をオンさせることで、電子負荷をオンさせる段階を備える。
以下の詳細な記載、および添付の図面によって、本発明の特性および利点のより詳細な理解が得られる。
調光回路の例を示す。
一実施形態に係る電子負荷を駆動するシステムの例を示す。
一実施形態に係るシステムのより詳細な例を示す。
一実施形態に係る導電角を示すグラフである。
一実施形態に係る電子負荷を調光する方法の簡略的なフローチャートを示す。
本明細書に記載するのは、調光器の技術である。以下の記載において、説明目的において、本発明の実施形態の完全な理解を促すべく、数多くの例および特定的詳細事項を述べる。特許請求の範囲に定義される特定の実施形態は、これらの例だけにおける特性のいくつかもしくは全てを含み、または以下に記載されるその他の特性と組み合わせて、これらの例における特性のいくつかもしくは全てを含み、本明細書に記載される特性および概念の変更および均等物をも含む。
図2は、一実施形態に係る電子負荷202を駆動するシステム200の例を示す。交流(AC)源は、電子負荷202を駆動するために用いられるAC信号を供給する。電子負荷202は、制御可能な電子負荷であってよい。たとえば、電子負荷202は、スイッチモード電源(SMPS)であってよい。一実施形態では、電子負荷202は、負荷205、トランス206、スイッチ210、及び抵抗負荷214を有する。電子負荷202の異なる構成を用いてよい。たとえば、図2に示す構成は、フライバックコンバータであるが、バックコンバータもしくはブーストコンバータを用いてもよい。
負荷205は、トランス206により駆動される電子回路であってよい。たとえば、負荷205は、LED回路または蛍光灯回路を含む。負荷205は、グラウンドまで連続路を設けるのに十分な抵抗値を持たなくてもよい。負荷205に十分な電圧が印加されると、負荷205はオンして発光する。
電子負荷202を調光するべく調光回路204が用いられる。調光回路204は、導電もしくはオン状態と、非導電もしくはオフ状態と、の2つの状態を持つ。一実施形態では、調光回路204は、TRIAC(交流用の三極管)を含む。調光回路204は、たとえばAC源により、調光回路204に正電圧または負電圧を印加することにより、制御された瞬間にオンするようトリガされることができる。調光回路204がオンすると、調光回路204は、調光回路204を流れる電流が所定の閾値を下回るまで、導電状態であり続ける。たとえば、AC信号がゼロを交差すると、調光回路204はオフに切り替わる。
スイッチ210は、スイッチモード電源(SMPS)の一部であってよい。たとえば、スイッチ210は、SMPSで用いられる電力用金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)であってよい。一例では、MOSFETは、力率補正システムにおいて用いてよい。また、SMPSは、力率補正機能を保持しても、しなくてもよい。
調光回路204がオンすると、持続電流が調光回路204を流れ、トランス206を介して電子負荷202に電圧が供給される。これにより、トランス206の一次コイルにエネルギーが蓄積され、トランス206の二次コイルから負荷205に電荷が移送される。移送された電荷によって、負荷205がオンされる。調光回路204は、調光回路204を流れる持続電流が所定レベルを上回っている限り、オン状態であり続ける。調光回路204は、調光回路204を流れる持続電流が所定レベルを下回ると、オフする。これにより、電子負荷202に移送される電圧が、電子負荷202をオンさせておくのに十分でなくなるので、電子負荷202はオフされる。したがって、この間は、負荷205をオンさせるエネルギー(電荷)は、一次コイルから二次コイルに移送されない。
調光回路204は、電荷を導入されて調光回路204がオンできるようになるまでは、オフ状態であり続ける。相制御回路208を用いて、調光回路204をオンしてよい。以下により詳細に記載するように、相制御回路208は、所定レベルまで充電されると、その電荷を調光回路204に放出して、調光回路204をオンさせるキャパシタ(不図示)を含んでよい。調光回路204がオフしている間、キャパシタを充電するべく、電流を相制御回路208に流す必要がある。
調光回路204がオフしているときに、相制御回路208に直流(continuous current)を流せるようにするべく、スイッチ210が設けられている。調光回路204がオフしているとき、スイッチ210を閉止してよい。本質的に、電子負荷202によって抵抗負荷が設けられる。たとえば、トランス206の一次巻線の抵抗成分と、スイッチ210内のトランジスタ(不図示)のオン時のドレイン−ソース抵抗とによって、パス212に示されるように、相制御回路208、トランス206、スイッチ210、及び抵抗負荷214を通過してグラウンドまで電流を流すことができる抵抗が提供される。図示されるような抵抗負荷214を含めてもよいが、必須ではない。これによって、相制御回路208のキャパシタが充電される。
調光回路204がオフしているとき、調光回路204内のキャパシタが充電されている最中であるので、電子負荷202に流れる電流は最小である。したがって、電子負荷202をオンさせる十分な電圧は、移送されていない。したがって、この間は、一次コイルから二次コイルに負荷205をオンさせるエネルギーは移送されておらず、したがって、電子負荷205は効果的にオフされている。調光回路204がオンすると、負荷205をオンさせる電圧が電子負荷202に移送される。上記したように、エネルギーがトランス206の一次コイルに蓄積され、二次コイルを介して負荷205に移送される。オン状態とオフ状態との切り替えによって、調光が行われる。
スイッチ210を制御するべく駆動信号が用いられる。以下により詳細に記載するように、調光回路204がオフしているときに、駆動信号を用いてトランジスタ(不図示)をオンして、トランジスタが完全導電状態となるか、トランジスタM1が完全導電状態に近い状態となるように制御されたデューティサイクルで駆動されるようにする。しかし、調光回路204を流れる電流が所定レベルより高くなると、駆動信号は、パルス幅変調(PWM)信号となり、スイッチ210のトランジスタは間欠的にオン状態およびオフ状態にされる。これによって電流が制限されることで、回路が保護され、かつ負荷205へのエネルギー移送が行われる。PWM信号のデューティサイクルによっても、負荷205に移送されるエネルギー量を変化させる調光が提供される。
図3は、一実施形態に係るシステム200のより詳細な例を示す。相制御回路208は、キャパシタC2および可変抵抗R2を含む。本実施形態では、調光回路204は、TRIAC302を含む。抵抗R2の抵抗値は、相制御回路208によってTRIAC302が所望の導電角でオンされるように、設定される。
トランジスタM1を様々な状態にするべく、駆動信号が使用される。たとえば、TRIAC302がオフしているとき、駆動信号は、トランジスタM1が完全に導電状態となるようにトランジスタM1をオンさせる電圧レベルである。この時点では、キャパシタC2は、抵抗R2、キャパシタC2、トランス206、トランジスタM1、及び抵抗負荷214(つまり、パス212)を流れる電流を介して充電される。キャパシタC2は、所定の電荷に達すると、電荷をTRIAC302のゲートに放出するので、TRIAC302はオンされる。TRIAC302がオンされている時間は、抵抗R2を所望の導電角に基づいて調整することにより、選択することができる。たとえば、導電角は、TRIAC302がオンされている時間量である。
いくつかの例では、抵抗R2及びキャパシタC2を用いた導電角の制御は、TRIAC302がオフしているときに、デューティサイクルが非常に小さい駆動信号を用いて調整してよい。デューティサイクルを小さくして、キャパシタの充電を、所望の時間内で行うよう試みてよい。したがって、デューティサイクルを用いて、相制御回路208の導電角を、所望の導電時間に可能な限り近い状態に維持し得る。
TRIAC302は、AC信号が持続電流レベルを下回るまでは、オン状態にある。たとえば、TRIAC302は、AC信号がゼロに交差するまでは、オンされている。この時点において、TRIAC302はオフする。TRIAC302がオンしている間、トランジスタM1を完全に導電状態になるように駆動してよい。しかし、閾値を設定して、トランジスタM1から検出される電流と比較してよい。TRIAC302がオンしている間、トランジスタM1を流れる電流は、所定レベルを超えないことが望ましい。電流が閾値を上回った場合、駆動信号を変化させて電流を制限してよい。たとえば、駆動信号は、所定のデューティサイクルを持ったPWM信号であってよい。PWM信号によってトランジスタM1はオン状態かつオフ状態にされて、所望のエネルギーが負荷205に移送され、かつ調光回路204を流れる電流が制限される。また、使用するデューティサイクルは、駆動サイクルの多様な段階ごとに変化させてよい。たとえば、TRIAC302の導電時間の初期においては、起動電流(startup current)を制限するべく、デューティサイクルを小さくしてよい。その後、デューティサイクルを変化させて、トランス206において所望されるエネルギー移送レベルおよび所望の調光特性を得ることができる。
したがって、トランジスタM1は、トランジスタM1を流れる電流が閾値未満である限り、完全導電状態に維持される。測定される電流は、AC信号の瞬時値に比例し得る。一例では、閾値は、TRIAC302の持続電流の最大値を僅かに上回る値であってよい。また、値は、TRIAC302を通過後のAC信号の形状に基づいて、AC信号の瞬時値ごとに算出してよい。トランジスタM1から検知される電流が閾値を上回ったときだけ、駆動信号は切り替わり始める。
サイクルが継続され、AC信号がゼロに交差したとき、TRIAC302はオフされる。この時点において、駆動信号がPWM信号であるなら、駆動信号を変化させてトランジスタM1を完全導電状態にする。次に、上記の過程が継続され、キャパシタC2が再び充電される。上記のサイクルは、順方向相制御スキームであり、当業者には、本明細書における教示および開示に基づいて、逆方向相制御スキームを実施する方法が理解されるであろう。
212で示すグラウンドまでの連続路は、いずれもSMPS給電電子負荷(SMPS powering electronic load)202で用いられる部品であるトランジスタM1及び抵抗負荷214を再使用することにより、設けられる。これにより、グラウンドまでの連続路を設けるためにダミー負荷を付加する必要がなくなるので、集積回路チップ上での電力及び領域の節約となる。
図4は、一実施形態に係る導電角を示すグラフ400である。導電時間は、シェーディングを掛けた領域に示される。この間においては、電力が電子負荷202に供給されている。電力はAC信号の全サイクルにわたっては供給されず、したがって負荷205の調光が生じる。
402では、駆動信号は、トランジスタM1を完全導電させている状態にある。これが、TRIAC302がオフされるタイミングである。この間、キャパシタC2は充電されている。
404では、キャパシタC2はその電荷をTRIAC302に放出してTRIAC302をオンさせる。この時点では、駆動信号は、トランジスタM1を完全導電させ続けている。電流がTRIAC302を介して電子負荷202に流れる。
406では、TRIAC302を流れる電流は閾値を交差する。この時点において、駆動信号は、所定のデューティサイクルを持つPWM信号に変えられる。このデューティサイクルは、AC信号の半期間のうちの残りの期間にわたって変化させてよい。閾値は、TRIAC302がオンするときに近くなるよう設定してよい。いくつかの場合、PWM信号は、小さいデューティサイクルで駆動して、電子負荷202への突入電流を制限してよい。そして、PWM信号は、所望の調光特性のためのエネルギー移送が達成されるデューティサイクルに変えられる。次に、AC信号がゼロに交差すると、駆動信号は、トランジスタM1を完全導電させるよう変えられる。この過程は、AC信号の第2の半期間において繰り返される。
図5は、一実施形態に係る電子負荷202を調光するため方法の簡略的なフローチャート500を示す。502では、TRIAC302は、非導電状態にされている。
504では、トランジスタM1は、完全導電状態にオンされるか、またはトランジスタM1が完全導電状態に近くなるような制御されたデューティサイクルで駆動される。506では、TRIAC302は、導電状態にされる。
508では、電流が閾値を上回っているかが判断される。たとえば、閾値は、AC信号のピークにおいて、キャパシタC2と直列になっている抵抗R2に流れることが望ましい最大電流より僅かに高い値に設定してよい。
510で電流が閾値を上回っていない場合、トランジスタM1は、完全導電状態に駆動されるか、トランジスタM1が完全導電状態に近くなるような制御されたデューティサイクルで駆動される。たとえば、トランジスタM1が完全導電するような電圧がトランジスタM1に印加される。この駆動信号は、電流が閾値を上回るまで継続される。
512で電流が閾値を上回ると、トランジスタM1はPWM信号で駆動される。デューティサイクルは、トランジスタM1を流れる電流に基づいて変化させてよい。トランジスタM1をPWM信号で駆動することにより、電流は所望のレベルに維持される。TRIAC302が非導電状態になると、トランジスタM1は、完全導電状態に駆動されるか、トランジスタM1が完全導電に近くなるような制御されたデューティサイクルで駆動される。
したがって、特定の実施形態では、トランジスタM1のようなスイッチ210を使用して、グラウンドまでの連続路を設ける。スイッチ210は、電子負荷202に電力を供給するSMPSの一部であってよい。これにより、ブリーダー回路もしくはダミー負荷が必要でなくなるので、エネルギーが節約される。また、スイッチ210は、SMPSにおいて既に用いられているので、追加的な部品は不要である。
本明細書の記載および以下の特許請求の範囲で用いられる不定冠詞(「a」および「an」)並びに定冠詞(「the」)は、文脈によって明確に分かる場合以外は、複数を指す場合も含む。また、本明細書の記載および以下の特許請求の範囲で用いられる「おいて(in)」 の意味は、文脈によって明確に分かる場合以外は、「内に(in)」 および「上に(on)」を含む。
上記の記載は、本発明の多様な実施形態を、本発明の観点を実施する方法の例とともに示す。上記の例および実施形態は、唯一の実施形態であると見なされるべきでなく、以下の特許請求の範囲に定義される本発明の柔軟性および利点を例示するべく提示されたものである。上記の開示および以下の特許請求の範囲に基づいて、その他の構成、実施形態、実施例、および均等物を、特許請求の範囲に定義される発明の範囲から逸脱することなく、採用し得る。

Claims (20)

  1. 電子負荷に連結され、交流信号(AC信号)をAC源から受信する調光回路と、
    前記AC信号の第1の部分の間、前記調光回路をオンさせて、前記AC源から前記電子負荷にエネルギーを移送する相制御回路と、
    前記相制御回路に連結され、前記調光回路がオフしているとき、前記調光回路および前記相制御回路をグラウンドに連結するよう制御され、前記電子負荷に電力を供給する電源の一部であるスイッチと
    を備え、
    前記調光回路は、前記AC信号の第2の部分の間はオフして、前記AC源から前記電子負荷へ前記エネルギーを移送するのを停止する
    装置。
  2. 前記スイッチは、前記電源に含まれるトランジスタを含む請求項1に記載の装置。
  3. 前記調光回路がオフしているとき、前記トランジスタは駆動信号により駆動されて、前記トランジスタが実質的にオンされることで、グラウンドまでのパスが設けられる請求項2に記載の装置。
  4. 前記トランジスタは、前記調光回路がオフしているとき、パルス幅変調(PWM)信号により駆動されて、グラウンドまでの前記パスが設けられる請求項3に記載の装置。
  5. 前記トランジスタは、前記調光回路がオフしているとき駆動されて完全導電状態になり、グラウンドまでパスが設けられる請求項2から請求項4のいずれか1つに記載の装置。
  6. 前記調光回路は、オンのとき、導電状態であり、
    前記調光回路は、オフのとき、非導電状態である、請求項1から請求項5のいずれか1つに記載の装置。
  7. 前記相制御回路は、
    抵抗と、
    キャパシタと
    を有し、
    前記抵抗の抵抗値は、前記AC信号が電圧レベルに達したときにキャパシタ電圧を増加させる前記キャパシタへの電荷電流によって前記調光回路がオンされるように設定され、
    前記スイッチおよび抵抗負荷を含むグラウンドまでのパスを介して前記調光回路がオフしているとき、前記キャパシタは充電されない請求項1から請求項のいずれか1つに記載の装置。
  8. 前記調光回路がオフしている間に前記キャパシタ電圧が閾レベルに達するときに、前記調光回路はオンされる、請求項7に記載の装置。
  9. 前記電子負荷は、発光ダイオード(LED)または蛍光灯を含む請求項1から請求項8のいずれか1つに記載の装置。
  10. コイルをさらに備え、
    前記スイッチが前記コイルに連結されると、前記コイルにエネルギーが蓄積され、
    前記コイルは前記電子負荷内の負荷回路に連結され、前記負荷回路に前記エネルギーを移送する請求項1から請求項9のいずれか1つに記載の装置。
  11. 前記コイルは、トランスにおける第1コイルであり、
    前記エネルギーは前記第1コイルに蓄積され、
    前記エネルギーが前記第1コイルを介して前記負荷回路に移送される、請求項10に記載の装置。
  12. エネルギーの移送が前記スイッチにより制御されることで、前記負荷回路が調光される請求項10または請求項11に記載の装置。
  13. 前記コイルは、トランスにおける第1コイルであり、
    前記エネルギーは前記第1コイルに蓄積され、
    前記エネルギーが第2コイルに移送されることで、前記エネルギーが前記負荷回路に移送される請求項10に記載の装置。
  14. 前記スイッチがパルス幅変調信号(PWM信号)のデューティサイクルを用いてオンおよびオフされることで、エネルギーが前記負荷回路に移送され、
    エネルギーの移送が前記PWM信号の前記デューティサイクルにより制御されることで、前記負荷回路が調光される請求項10から請求項13のいずれか1つに記載の装置。
  15. 位相制御回路を用いてAC信号の第1の部分に対して、調光回路をオンして、AC源から電子負荷へエネルギーを移送する段階と、
    前記AC信号の第2の部分の間、前記調光回路をオフさせて、前記AC源から前記電子負荷への前記エネルギーの移送を停止する段階と、
    前記調光回路がオフしているとき、前記電子負荷に電力を供給する電源の一部であるスイッチを御して、前記調光回路および相制御回路を介して前記AC信号をグラウンドに結合させる段階
    を備える方法。
  16. 前記調光回路がオフしているとき、前記スイッチのトランジスタを駆動信号により駆動して前記トランジスタをオンさせて、前記調光回路および前記相制御回路を介してグラウンドまでパスを設ける段階を備える請求項15に記載の方法。
  17. 前記調光回路がオフされたとき、前記トランジスタをパルス幅変調(PWM)信号で駆動して、グラウンドまでの前記パスを提供する段階をさらに備える請求項16に記載の方法。
  18. 前記調光回路がオンしている間、前記電子負荷のコイルにエネルギーを蓄積する段階と、
    前記スイッチを駆動するパルス幅変調駆動信号(PWM駆動信号)のデューティサイクルに基づいて前記電子負荷の負荷回路にエネルギーを移送して、前記負荷回路を調光する段階と
    をさらに備える請求項15から請求項17のいずれか1つに記載の方法。
  19. 前記PWM駆動信号の前記デューティサイクルにより前記スイッチのオンおよびオフを制御することで、前記負荷回路の調光量が制御される請求項18に記載の方法。
  20. 前記電子負荷は、発光ダイオード(LED)または蛍光灯を含む請求項15から請求項19のいずれか1つに記載の方法。
JP2012552929A 2010-02-12 2011-02-08 電子負荷用の調光回路 Expired - Fee Related JP5779821B2 (ja)

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