JP2009199547A - 可変振幅のライン間電圧／電流のゼロクロス検出 - Google Patents

Abstract

【課題】 ゼロクロス検出に関する。
【解決手段】 可変振幅を有する電力ライン信号のゼロクロス又は所望の位相角を検出するための方法及び装置は、電力ライン信号の可変振幅型が所望の位相角又はゼロクロスにある時期を検出するため、電力ライン信号の既知の振幅型の所望の位相角で電力ライン信号のピーク振幅と電力ライン信号の振幅間の比率を使用している。位相角の検出はノッチが電力ライン信号に存在するかどうかを決定するために使用される。実質的に一定幅のパルスは電力ライン電圧又は電流の振幅にかかわらずノッチが検出されると発生する。本発明はバラストに電力供給するために使用される電力ライン全体で電力ライン通信制御器から一連の電子バラストに情報を伝送するために使用されるパルスを発生し且つ検出するための照明システムにおいて特に有益である。
【選択図】 図５

Description

本発明は一般的に可変振幅を有する入力交流電力ライン信号で検出されたノッチに基いて実質的に一定幅のパルスを発生するための回路に関する。特に、本発明はノッチを検出し、一連のバラストに調光情報を伝送するため電力ライン信号にノッチを使用するバラスト通信システムで一定幅のパルスを発生するために使用できる。

交流電力信号で検出されたノッチに基いてパルスを発生する回路は従来技術で記載されている。例えば、米国特許第６，５８０，２３０号は気中放電装置に印加される電圧と電流間の位相差をモニタする位相検出器を有する調光回路を教示している。電源電圧と電流間の位相角の変化は受信電圧を電源として使用する複数のバラストに情報を転送するために使用されるパルスを発生するために使用される。‘２３０特許の回路は電圧と電流間の位相角差を決定するためにゼロクロスのような一定基準点を使用している。このデータ伝送方法を使用すると、ゼロクロスに基いて生成されたパルス幅は入力電圧の変化で大幅に変化する。このように、パルスがライン間電圧と電流間の検出された位相差に基いて生成されると、パルス幅は１０８ボルトのような低入力ライン電圧と３０５ボルトのような高入力ライン電圧間で変化する。このことは多くの現代の電子装置が＋１０％又は−１０％の許容範囲を有する１２０Ｖ又は２７７Ｖ入力ライン電圧で使用されるように設計されている事実により重要である。従来技術によるゼロクロス検出回路を使用する主な欠点は発生したパルス幅が入力電圧の変化により変化する場合に発生したパルスの検出はより困難になり、検出回路の出力の解読が困難である。これはデータの伝送及び受信を複雑にし且つ信頼性の欠如になる。

従って、入力ライン間電圧にかかわりなく一定の出力パルス幅を発生する入力電力電圧のノッチにより示されるデータビットを検出するための受信回路が必要とされる。

本発明の実施例は既知の波形を有するが可変振幅である周期的なライン間電圧又は電流の所定の位相角を検出する方法に向けられている。この方法によれば、ライン電圧又は電流の所定の位相角に相当するライン電圧又は電流値に対するライン電圧又は電流のピーク値の比率が決定される。もし電圧又は電流が正弦曲線であると、比率は所定位相角の正弦である。周期的ライン電圧又は電流のピーク値が決定される。キャパシタは電圧又は電流のピーク値を検出し且つ蓄積するために使用される。ライン電圧又は電流のピーク値は比率で分割され基準振幅を発生する。抵抗分割器（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ ｄｉｖｉｄｅｒ）はピーク値を比率で分割するため且つ基準振幅を発生するために使用される。基準振幅はライン電圧又は電流が所定の位相角である時期を決定するために検出される。パルスは基準振幅が検出される時期に発生する。このパルスは好ましくは電力ライン通信制御器から照明システムの電子バラストに情報を伝達するために使用される。この情報は照明システムの光を薄暗くするために使用される。

本発明の他の実施例は既知の波形を有するが可変振幅である受信された周期的信号の所定位相角を検出するための装置に向けられる。本装置は信号のピーク値を検出するためのピーク値検出器を有する。このピーク値検出器は受信された信号のピーク信号値を蓄積するキャパシタである。抵抗分割器は所定の位相角に相当する既知の振幅信号の信号の値に対する既知の振幅信号の信号のピーク値の比率で分割し、基準振幅を発生する。抵抗分割器は信号を分割し且つ基準振幅を発生するために使用できる。代案として、受信された信号の平均値を検出する平均値検出器が使用でき、且つ平均値は基準振幅を計算するために使用できる。基準振幅検出器は周期的信号振幅がほぼ基準振幅に等しい時期を検出する。パルスは検出された信号振幅が基準振幅以下である時期に発生する。本装置は雑音耐性に役立てるためにヒステリシスを検出器に加えるための手段を有する。パルスは電力ライン通信制御器から照明システムの電子バラストへ情報を伝達するために使用される。

本発明の更なる他の実施例は可変振幅を有する周期的信号の所定位相角を検出するための装置に向けられる。本装置は周期的な信号の最新ピーク振幅を検出するための、キャパシタのような、手段と、基準振幅を発生するため、周期的な信号の最新ピーク値を、周期的な信号の所定位相角に相当する既知の振幅型の振幅に対する周期的信号の既知の振幅型のピーク振幅の比率で分割するための、抵抗分割器のような、手段を含んでいる。本装置は基準振幅を検出するための手段を有する。パルスは検出された信号振幅が基準振幅以下に降下する時期に発生する。このパルスは電力ライン通信制御器から照明システムの電子バラストに情報を伝達するために使用される。

本発明による着想はパルスを発生し又は検出する開始点又は終止点として使用するためのライン電圧と無関係な正弦波電源信号の所定の位相角を検出することである。正弦波電力信号のピークはピーク電圧Ｖｐと称する。Ｖｘは正弦波の所定位相角に相当する正弦波のピーク電圧の一部として規定される。分数Ｖｘ／Ｖｐの逆正弦はパルスの開始及び終止が発生し又は検出される角度を与える。

θ_{ｓｔａｒｔ}＝１８０−ｓｉｎ^−１（Ｖｘ／Ｖｐ）

θ_ｅｎｄ＝ｓｉｎ^−１（Ｖｘ／Ｖｐ）

理論的には、θ_{ｓｔａｒｔ}はパルスの開始に関して９０度と１８０度間にあり、θ_ｅｎｄは０度と９０度間にある。本回路は更に電圧の代わりに変流器からの入力を受けるように適合される。これは電流のゼロクロスを検出するために役立ち且つ異なる電流レベルで実質的に一定幅であるゼロクロスパルスを発生する。

本発明の実施例はユーザ規定光量バラストのためのバラスト調光制御又は光量設定制御を行う電子バラストのエネルギー管理のための電力ライン通信（ＰＬＣ）システムにおいて特に有益である。しかしながら、本発明の実施例は所定の周期的信号の一致基準点を検出するために望ましい回路に利用可能である。更に、本発明は要求された回路を簡単化でき、最小労力で既存の設備に本発明を容易に後付けできる。特に、本発明の実施例は照明システムの調光又は制御可能なバラストで要求される受信器回路を簡単化する。ＰＬＣ制御照明システムのコストのほとんどはバラストであるので、受信回路の単純化はこのようなシステムの全コスト及び複雑さを大幅に減少を可能にする。これは複数のバラストが単一ＰＬＣ制御器で制御される事実による。受信器に採用される同一回路設計はノッチを発生するための送信器に使用できる。本発明の実施例に従って構成された回路により発生するパルスの開始はノッチの発生を開始するために使用できる。これはハードウエアにおけるノッチ発生機能性を実施するのに有利であり、他のタスクで使用するための処理電力を解放する。

図１を参照すると、入力電源電圧信号に誘起されたノッチを検出するための従来技術概念が示されている。所定の電圧レベルを示す基準電圧レベル２は選択される。整流された高ライン電源電圧４が基準電圧レベル２以下で通過すると、整流された高ライン電圧４が基準電圧レベル２以上に上昇するまで継続するパルス６が発生する。高ライン電圧４が全電力を伝達すると、ライン６で示される幅を有するパルス６が発生する。しかしながら、もし高ライン電圧８が最小電力を伝達していると、わずかに小さい幅のパルス１０が同一基準電圧レベル２を使用して生成される。特に、バラストが異なる基準入力電力電圧を使用して動作するように設計されると、全電力での低ライン電力電圧１２はバラストが高ライン電源電圧４及び８により電力供給される時に生成されるパルス幅６及び１０より実質的に広いパルス幅１４を発生する。ここでより詳細に述べられるように、ゼロクロスパルス６、１０及び１４の幅の変化はゼロクロスの近傍の電力ライン信号で誘起されるノッチの存在の検出を困難にする。

検出されたパルスの幅の変化に起因する困難さは図２を参照してより理解できる。図２はノッチ１９が整流された電力信号のゼロクロスで誘起されると高ライン電力電圧４及び８及び低ライン電力電圧１２で作られるパルス幅１６、１８及び２０を示すグラフである。図２に示されるように、ノッチ１９を有する高ライン電力入力信号４又は８で発生したパルス幅１６及び１８は低ライン最大電力パルス幅２０と比較して比較的小さい。更に重要なことは、図１に示されるように、ノッチの無い低ライン電力信号のためのパルス幅１４は図２に示されるように高ライン電力信号４のパルス幅１８よりより大である。このように、ゼロクロスパルスの幅はもし電源ライン電圧が大幅に変化するとノッチの存在を正確に決定するために使用できない。

図３を参照すると、本発明に従った電力ライン信号に誘起されたノッチを検出するための方式が示される。本発明は高ライン電力信号２６又は２８のための第１基準電圧２４及び低ライン電力信号３２のための第２基準電圧３０を利用している。図３に示されるように、誘起されたノッチを持たない高ライン電力信号２６又は２８及び低ライン電力信号３２のためのこの方式を使用して形成されたパルス幅３４、３６及び３８はほぼ同一幅である。特に、図４に示すように、誘起されたノッチ３３を有する低及び高ライン電圧のために生成された全てのパルス幅４０、４２及び４４はほぼ均等であり、ノッチ３３が存在しない場合に発生したパルス幅より大きい。本発明の実施例により生成されたパルス幅は高ライン電力電圧又は低ライン電力電圧がバラストを電力供給するために使用されるかどうかに関係なくノッチの存在を正確に検出するために使用できる。図３及び図４のグラフは２つの基準電圧を使用しているが、本発明の実施例は実際には以下に詳細に述べられるように入力電圧に依存して変化する基準電圧を生成する。

図５を参照すると、本発明によるゼロクロス検出方式を実施するための回路５０が示されている。本回路５０は整流されたライン電圧５１を適当なレベル以下に分割するため第１及び第２抵抗器５２及び５４を使用する抵抗分圧器を含んでいる。キャパシタ５６は抵抗器５２と５４間の電圧信号を濾波するために使用される。第２抵抗器５４の電圧は単一ピーク検出器として構成される演算増幅器５８に入力される。キャパシタ６０は演算増幅器５８の非反転入力部にピーク入力信号まで充電するように選択される容量を有する。抵抗器６２及び６４はピーク電圧を所望の基準レベル以下に分割するために使用される。ピーク電圧に比例する電圧はキャパシタ６０と抵抗器６２と６４の直列構成間で得られる。抵抗器６２及び６４間の電圧６６は抵抗器７０を介して第２演算増幅器６８の非反転入力部に供給される。分割降下電流整流電圧７２は抵抗器７４を介して演算増幅器６８の反転入力部に供給される。演算増幅器６８の出力は非反転入力部に印加された現在の電流が反転入力部に印加されている基準電圧以下である場合に形成されるパルスである。基準電圧は動的に決定されるピーク電圧に比例するので、ピーク入力電圧の変化は基準電圧の対応する変化になる。回路５０は入力電力電圧の変化に対して調整する。図５の回路５０により得られた波形は図３及び図４に示される。これらの図で理解されるように、得られたパルス幅は変化する入力電圧に対してほぼ一定である。基準電圧レベルは低ライン電力の低基準電圧から高ライン電力の高基準電圧へ自動的に変化する。これによりゼロクロスのパルス幅がほぼ一定に維持される。

図６を参照すると、本発明の他の実施例が示されている。図６の回路８０は第１基準信号を発生するために平均検出器を使用している。この平均値回路は図５のダイオード８１を抵抗器８２に置換することにより得られる。キャパシタ６０に発生した電圧は信号７２の平均値である。平均値は０．６３６Ｖｐである（２／π）Ｖｐであるので、０．６３６の逆正弦は電流がパルスを発生する最大角度であるほぼ４０度である。

図５及び図６の回路は電圧のゼロクロスで対称でないが位相ずれを有するパルスを発生するために使用できる。キャパシタ５６の値を増加させることにより、パルスの開始の発生を遅延できる。そのため、実際のゼロクロスに非常に近いパルスを開始させることが可能である。

抵抗器７６はもし望めば信号に対して少量のヒステリシスを与えないために使用できる。抵抗器７６で少量のヒステリシスを加えることは回路の雑音耐性に関して役立つ。しかしながら、抵抗器７６の値を減少させることによりヒステリシス量を増加させるとパルス幅をライン電圧で変化させる効果を有する。この効果は図７に示される送信器又は受信器でのライン電圧の検出に使用できる。パルス９０、９２及び９４の立下りはライン電圧に依存する。このように、パルス幅はライン電圧又は電流を決定するために使用できる。

「可変振幅のライン間電圧／電流のゼロクロス検出」に関する新規で有益な方法及び装置の本発明の特有の実施例が記載されたが、このような参照が特許請求の範囲に規定されている場合を除いて本発明の範囲を限定するように解釈することを意図していない。

図１は電力信号に存在するノッチを持たないゼロクロスのための従来技術検出回路で発生するゼロクロスパルス幅のグラフである。 図２は電力信号に存在するノッチを有するゼロクロスのための従来技術検出回路で発生するゼロクロスパルス幅のグラフである。 図３は電力信号に存在するノッチを持たない本発明の実施例に従って構成された回路で発生するゼロクロスパルス幅のグラフである。 図４は電力信号に存在するノッチを有する本発明の実施例に従って構成された回路で発生するゼロクロスパルス幅のグラフである。 図５は本発明の実施例を実施するための回路の概略図である。 図６は本発明の他の実施例を実行するための回路の概略図である。 図７は入力電圧がパルス幅に基いて決定できるように電力電圧での誘起ヒステリシスを有する本発明の実施例に従って構成された回路により検出されるパルス幅のグラフである。

符号の説明

２ 基準電圧レベル
４ 整流高ライン電圧
６、１０、１４ ゼロクロスパルス
１９、３３ ノッチ
５０ ゼロクロス検出回路
５２、５４、６２、６４、７０、７６ 抵抗器
５８ 演算増幅器
６０ キャパシタ
８１ ダイオード

Claims (22)

1. 既知の波形を有するが可変振幅である周期的ライン電圧又は電流の所定の位相角を決定するための方法において、
   既知の振幅ライン電圧又は電流のための周期的ライン電圧又は電流の所定位相角に相当する前記周期的電圧又は電流の値に対する周期的ライン電圧又は電流のピーク値の比率を決定する工程と；
   前記周期的ライン電圧又は電流のピーク値を検出する工程と；
   基準振幅を発生するために前記周期的電圧又は電流の前記ピーク値を前記比率により分割する工程と；
   前記基準振幅を検出する工程と；
   を具備していることを特徴とする方法。
2. 前記比率が前記所定位相角の正弦であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記周期的電圧又は電流のピーク値を検出する工程が前記電圧又は電流のピーク値を蓄積するためにキャパシタを使用する工程であることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 前記比率により前記ピーク値を分割し且つ前記基準振幅を発生するため抵抗分割器を使用する工程を更に具備することを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 前記周期的電圧又は電流の前記検出された振幅が前記基準振幅以下に降下するとパルスを発生する工程を更に具備することを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記パルスは情報を電力ライン通信制御器から照明システムの少なくとも１つの電子バラストへ伝達するために使用されることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記情報は前記照明システムの少なくとも１つの光を減光するために使用されることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 整流された交流電力信号を受信し且つ前記整流された交流電力信号に比例する入力電圧を発生する第１分圧器と；
   前記入力電圧のピーク振幅値を検出するピーク値検出器と；
   前記ピーク値検出器からの前記入力電圧の前記ピーク振幅電圧を受信し、前記入力電圧の前記ピーク振幅値に比例する基準電圧を発生する第２分圧器と；
   前記入力電圧の振幅を前記基準電圧の振幅と比較し、前記入力電圧振幅が前記基準電圧振幅以上又は以下である場合実質的に一定幅のパルスを発生するコンパレータと；
   を具備することを特徴とする回路。
9. 前記第２分圧器が前記パルスの発生開始が望まれる前記交流電力信号の所定の位相角の正弦に相当する比率だけ前記ピーク入力電圧に比例する基準電圧を発生することを特徴とする請求項８記載の回路。
10. 前記ピーク値検出器が更に前記入力電圧の前記ピーク値を蓄積するためのキャパシタと、前記ピーク電圧を前記入力電圧から分離するバッファとを具備することを特徴とする請求項８記載の回路。
11. 前記第１分圧器が更に抵抗分割器を具備することを特徴とする請求項８記載の回路。
12. パルスは前記入力電圧の振幅が前記基準電圧の振幅以下であるときに発生することを特徴とする請求項８記載の回路。
13. 前記パルスは情報を電力ライン通信制御器から照明システムの少なくとも１つの電子バラストに伝達するために使用されることを特徴とする請求項１２記載の回路。
14. 前記コンパレータにヒステリシスを加えるための抵抗器を更に具備することを特徴とする請求項１２記載の回路。
15. パルス幅が前記整流された交流電力信号の振幅に比例することを特徴とする請求項１４記載の回路。
16. 前記ピーク値検出器が前記入力電圧の平均値を検出する平均値検出器であり、前記平均値は前記基準振幅を発生するために使用されることを特徴とする請求項８記載の回路。
17. 可変振幅を有する周期的信号の所定の位相角を検出するための装置において、
    前記周期信号の最新のピーク値振幅を検出するための手段と；
    基準振幅を発生するため、前記周期的信号の前記最新ピーク値振幅を前記周期的信号の前記所定位相角に相当する既知の振幅型の振幅に対する前記周期的信号の前記既知振幅型のピーク振幅の比率で分割するための手段と；
    前記基準振幅を検出するための手段と；
    を具備することを特徴とする装置。
18. 前記比率は前記所定位相角の正弦であることを特徴とする請求項１７記載の装置。
19. キャパシタが前記最新ピーク値を検出するために使用されることを特徴とする請求項１７記載の装置。
20. 前記分割手段は更に抵抗分割器を具備していることを特徴とする請求項１７記載の装置。
21. 前記実質的一定幅のパルスは前記信号の前記検出振幅が前記基準振幅以下であるときに発生することを特徴とする請求項１７記載の装置。
22. 前記パルスは情報を電力ライン通信制御器から照明システムの少なくとも１つの電子バラストへ伝達するために使用されることを特徴とする請求項２１記載の装置。

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