JP2010520526A - 電力供給システム、ランプシステム及び光度制御方法 - Google Patents

Abstract

例えばランプ等の複数の負荷（１２）は、夫々のスイッチ（１４）を通して電力を受け取る。スイッチは制御回路（１６）により制御される。制御回路（１６）は、スイッチ（１４）に、ＡＣサイクルの正の各半サイクルの間に１又はそれ以上の選択可能な位相点（３０ａ，ｂ）で複数の負荷（１２）のうち第１の半数にあたる負荷への電流をオン又はオフに切り替えさせることによって、負荷（１２）へ供給されるエネルギを制御する。制御回路（１６）は、第１の半数の負荷の中の対応する負荷と位相がずれたＡＣサイクルの半サイクルで、複数の負荷（１２）のうち第２の半数にあたる負荷への電流を切り替える。本発明で、少なくとも４つの負荷（１２）が用いられ、制御回路（１６）は、互いに対して時間オフセットを有する２つの位相点（２３０ａ，ｂ）で、第１の半数に含まれる負荷をオンに切り替える。

Description

本発明は、電力供給システム、制御可能な光度を有する電気ランプシステム、及び光度の制御方法に関する。

位相角カッティング（cutting）を用いて電気ランプの光度の制御を実現することが知られている。この技術によれば、電気ランプへのＡＣ本線供給電流は、周期的に遮断され、本線供給のＡＣサイクルと同期して再びオンに切り替えられる。供給電流が遮断される位相角は、所望の光度に依存して選択される。

例えばＩＲ光加熱ランプ等の高電力ランプの場合に、この技術は、ＡＣ信号の強い高調波を発生させるという欠点を有する。このような高調波は、ＡＣ本線供給に接続されている他の装置の動作に干渉しうる。

位相角カッティングによって発生する高調波を減らす１つの既知の方法は、ＡＣ電流遮断が行われる周期をＡＣサイクル周期の整数倍に増大させることである。しかし、電気ランプに関しては、これは通常許容されない。なぜなら、このような長い周期は、ヒトにとって可視的なランプのフリッカを引き起こすからである。

米国特許第６，０２８，４２１号明細書（特許文献１）は、２つのランプを有するランプシステムについて記載する。異なるランプは異なる基本サイクルでオン及びオフを切り替えられ、１つのランプは、ＡＣ本線サイクルの半サイクルの間電流を受け取る。このように、光度は、強い高調波を発生させることなく制御される。しかし、フリッカにより、システムは、光が個々に見られうるランプには適さない。

米国特許第６，０２８，４２１号明細書

特に、本発明は、発生する高調波が強くなく且つＡＣサイクル周波数を下回るサブハーモニック周波数を有する電力変動が回避される、制御可能な電力伝送を有する電力供給システムを提供することを目的とする。

特に、本発明は、発生する高調波が強くなく且つ可視的なフリッカが最小限とされる、制御可能な光度を有するランプシステムを提供することを目的とする。

請求項１に従う電力供給システムが提供される。ここで、例えばランプ等の複数の負荷のうち第１の半数にあたる負荷は、各ＡＣサイクルの正の半サイクルにおいて選択可能な位相点でオン又はオフを切り替えられ、第２の半数にあたる負荷は、後の半サイクルの負の半サイクルで同じように切り替えられる。選択可能な位相点は、所望の光度に依存して選択されてよい。このようにして、高調波の発生は、最小限のフリッカを有して低減される。

実施例で、システムは少なくとも４つの負荷を有し、第１の半数の負荷の中の第１及び第２のサブセットがオン又はオフに切り替えられるところの選択された位相点の間には時間オフセットが存在する。これは、干渉規制により求められる高調波のレベルを実現することを可能にすることが分かっている。

ランプシステムを示す。 ランプシステムにおけるランプ電流を示す。 更なるランプシステムにおけるランプ電流を示す。 複合電流を示す。 制御回路の実施例を示す。

本発明のこれら及び他の目的及び利点は、添付の図面を用いて、実施例の記載から明らかになるであろう。

図１は、電力供給システムを示す。一例としてランプシステムは示されており、ＡＣ電力供給接続の端子１０及び１１と、ランプ１２と、スイッチ１４と、制御回路１６と、電力制御インターフェース１８とを有する。ランプ１２及びスイッチ１４は夫々直列配置で配置されており、各直列配置は、ＡＣ電力供給接続の端子１０及び１１の間に直列に電気的に接続されているランプ１２及びスイッチ１４を有する。電力制御インターフェース１８は、電力選択スイッチや遠隔制御ユニット等であってよい。電力制御インターフェース１８は、制御回路１６へ結合された出力部を有する。制御回路１６は、例えば、プログラムドマイクロコントローラ回路又は専用の電力制御回路を有してよい。制御回路１６は、ＡＣ電力供給接続の端子１０及び１１へ結合された入力部と、スイッチ１４の制御入力へ結合された出力部とを有する。スイッチ１４は、例えば、２方向性ＭＯＳＦＥＴやトライアック等として実施されてよい。

動作において、制御回路１６は、スイッチ１４のオン／オフ切替を制御する。制御回路１６は、制御インターフェース１８から電力設定を受け取る。制御回路１６は、ＡＣ電力供給接続の端子１０及び１１にあるＡＣ電力供給電圧の所定の基準位相点を検出する。制御回路１６は、基準位相点から検出されるＡＣサイクルにおける選択された位相点でオン及びオフを切り替えるようスイッチ１４を制御する。制御回路１６は、制御インターフェース１８からの電力設定に依存して、選択される位相点を決定する。

図２は、第１のトレースでＡＣ電圧を、第２及び第３のトレースで夫々ランプ１２の２つから成る第１及び第２の組のランプ電流を示す。明らかなように、第１の組のランプ１２への電流は、ＡＣ本線サイクルの正の電流半サイクルの間、ＡＣ本線サイクルの正の電流半サイクルの夫々の開始時に遮断され、選択された位相点２０でスイッチバックされる。対照的に、第２の組のランプ１２への電流は、ＡＣ本線サイクルの負の電流半サイクルの間、ＡＣ本線サイクルの負の電流半サイクルの夫々の開始時に遮断され、選択された位相点２２でスイッチバックされる。

制御回路１６は、ＡＣ本線サイクルの正負の電流半サイクルの間の選択された位相点２０及び２２を互いに等しくする。ランプ１２は等しい抵抗値を有する。従って、正味ＤＣ電流は本線端子１０及び１１から流れない。ランプの一部しか各半サイクルの間にオンされないので、高調波の強さは、全てのランプが同時にオンされる場合に比べて低減される。全てのランプは各ＡＣ本線サイクルでオン及びオフを切り替えられるので、可視的なフリッカは観測され得ない。知られるように、このようなスイッチング手法は、偶数であればランプの数に関わらず適用され得、例えば、図１のシステムではランプは４つであったが、それに代えてランプの数は２つであってもよい。

図２に示される標準的な通常の家庭用本線グループ（１６アンペア）電流切替において可能である電流制限の範囲内の少なくとも最大値は、許容できないほど強い高調波を依然として発生させうることが分かっている。例えば、３０００ワットランプシステムでは、奇数の９次から１５次の高調波は、規制機関によって（例えば、ＩＥＣ６１０００−３−２規定で）課される最大値を超えうることが分かっている。

図３は、ランプが４つである場合について改善されたランプ電流を示す。図２では、第１及び第２のランプの組が用いられおり、第１及び第２の組のランプへの電流は、夫々、ＡＣ本線サイクルの正及び負の各半サイクルの時間間隔の間オフのままにされる。しかし、図３の時間間隔は、同じ組のランプがオンされる位相点３０ａ及びｂ並びに３２ａ及びｂが互いに対してオフセットされるので、図２の時間間隔とは区別される。オフセットのサイズを選択することによって、高調波の強さは制御され得ることが分かっている。これは、高調波の強さを許容可能なレベルまで低減することを可能にする。これはＩＥＣ６１０００−３−２規則によって課されるレベルを下回るレベルを実現するに足りることが分かっている。図３ａは、結果として得られる総電流、すなわち、異なる負荷を流れる電流の和を示す。

このような電力制御は、特に、例えば、ＩＲ（赤外線）ランプを備えるサンルームにとって有用である。かかるランプの光度が強いことは一定のユーザを不快にすることがあるので、光度を制御することが望まれる。同時に、異なるランプ間の知覚される光度差及びランプの可視的なフリッカは回避されるべきである。これは、表されるランプシステムにより達成され得る。

位相点はＡＣサイクルのどこへでも置かれ得ることに留意すべきである。図３は、位相点が９０度の位相に近い例を示すが、これは単なる例に過ぎず、他の位相点が用いられてもよい。トラアックがスイッチとして使用される場合に、各スイッチのスイッチオフは、示されるように、スイッチを通る零電流近くで発生すべきである。他のタイプのスイッチが使用される場合は、スイッチオフは如何なる位相でも起こり得、オフセットは異なるスイッチのスイッチオフの間で使用されてよい。

制御回路１６は、プログラムドマイクロコントローラを用いて実施されてよい。一実施例で、このマイクロコントローラは、１又はそれ以上のタイマ及び零交差検出器を設けられる。零交差検出器は、端子１０及び１１にある本線入力で零交差を検出し、検出結果をマイクロコントローラへ信号により伝える。これに応じて、マイクロコントローラは、ランプ１２のうち第１の半数に対してスイッチ１４をオフするプログラム部分を実行し、零交差から第１の選択された位相点又は第２の選択された位相点までの選択された時間間隔をカウントすべくタイマを起動する。時間間隔は、所望の電力レベルに依存して選択される。代替的に、マイクロコントローラは多数の命令を実行してよく、命令の数は、所望の電力レベルに依存して選択される。

第１の位相点に達したことをタイマが信号により伝える場合に、マイクロコントローラは、図２ａ及びｂに示される実施例の場合には第１の半数のランプ１２に対して、又は図３に示される実施例の場合には第１の半数のランプ１２の更に半数に対して、スイッチ１４をオンするプログラム部分を実行する。図３の実施例では、次に、マイクロコントローラは、第１の半数のランプ１２のうち残り半数への電流についてスイッチングバックを行う前に、オフセットをカウントオフする命令を実行するか、あるいは、オフセットをカウントオフするよう再びタイマを起動するか、あるいは、第２のタイマからの信号を待つ。（逆極性の半サイクルへの）次の零交差の後、マイクロコントローラは第２の半数のランプについて同じことを行う。

図４は、ランプを制御するための専用の制御回路の実施例を示す。回路は、零交差検出器４０と、第１及び第２の制御レジスタ４２ａ及びｂ並びに４４ａ及びｂと、ＯＲゲート４５と、第１及び第２の遅延回路４６及び４８とを有する。零交差検出器４０は、ＡＣ本線供給の端子１０及び１１へ結合された入力部と、夫々の方向でのＡＣ電圧の零交差を信号により伝えるための第１及び第２の出力部とを有する。零交差検出器４０の第１の出力部は、第１の制御レジスタ４２ａ及びｂのリセット入力部へ結合されている。第２の出力部は、第２の制御レジスタ４４ａ及びｂのリセット入力部へ結合されている。第１及び第２の出力部は、更に、ＯＲゲート４５の入力部へ結合されている。ＯＲゲート４５は、第１の遅延回路４６の入力部へ結合された出力部を有する（ＯＲゲートは一例として示されており、代替の零交差検出器４０は、如何なる方向での交差も信号により伝えるための出力部を有してよい。）。

第１の遅延回路４６は、電力制御インターフェース１８へ結合された遅延制御入力部（図示せず。）を有する。第１の遅延回路４６の出力部は第２の遅延回路４８の入力部へ結合されている。遅延回路４６の出力部は、更に、第１の制御レジスタの１つ４２ａ及び第２の制御レジスタの１つ４４ａの設定入力部へ結合されている。第２の遅延回路４８の出力部は、第１の制御レジスタの他の１つ４２ｂ及び第２の制御レジスタ４４ｂの他の１つの設定入力部へ結合されている。制御レジスタ４２ａ及びｂ並びに４４ａ及びｂは、スイッチ１４（図示せず。）の夫々１つへ結合されている出力部を有する。

動作において、制御レジスタ４２ａ及びｂ並びに４４ａ及びｂは、設定される場合に、スイッチ（図示せず。）に、電流がランプ（図示せず。）を流れることを可能にさせる。零交差検出器４０は、１つの方向での零交差を検出する場合に、半数のランプへのＡＣ電流供給を中断するよう第１の制御レジスタ４２ａ及びｂをリセットする。第１の遅延回路４６により決定される遅延の後、第１の制御レジスタの第１レジスタ４２ａは、その半数に含まれるランプの１つへの電流を回復するよう設定される。また、第２の遅延回路４８により決定される付加的な遅延を有して、第１の制御レジスタの第２レジスタ４２ｂは、その半数に含まれるランプの他の１つへの電流を回復するよう設定される。第１の遅延回路４６は供給電力の制御を実施する。第２の遅延回路４８は、高調波を減らすために使用されるオフセットを実施する。零交差検出器４０が反対の方向での零交差を検出する場合にも、同様のことが残り半数のランプについて起こる。

オフセットは、高調波の最大許容レベルの順守をもたらす値が見つけられるまでオフセットを変化させることによって、及びその値をマイクロコントローラにプログラミングするか、又は対応する遅延回路を選択することによって、実験的に選択されてよい。原理上は、同じオフセットが全ての電力レベルに使用されてよいが、代替的に、オフセットは、ＡＣ供給電圧の零交差のより近くで電流がオンにスイッチバックされるのに十分であるオフセットを除いて、電力レベルの関数として変更されてよい。

４つのランプを有する実施例が示されてきたが、当然、より多くのランプが使用されてよく、望ましくは、その数は偶数である。この場合に、ランプは２つの組に分けられ、それらの組への電流は、夫々、本線ＡＣサイクルの正及び負の半サイクルにおける各時間間隔の間オフされる。高調波レベルが依然として低くあるべきならば、ランプの組は更に小さい組（「サブセット」と称する。）に分けられる。各サブセットに含まれるランプへの電流は、そのサブセットに対応する位相点でオンされる。異なるサブセットの位相点は互いに対するオフセットである。図３において見られるように、２つのサブセットが使用されてよい。図３では各サブセットは１つのランプしか有さないが、より多くのサブセットが用いられてよく、更に／あるいは、各サブセットはより多くのランプを有してよい。

例えば、６個のランプが使用されてよく、（正の半サイクルでの時間間隔の間オフされる）第１の組には３つのランプが含まれ、（正の半サイクルでの時間間隔の間オフされる）第２の組には３つのランプが含まれる。この場合に、各サブセットに含まれる夫々のランプへの電流は異なる位相点でオンされてよく、あるいは、或るひと組の２つのランプへの電流が１つの位相点でオンされ、その組の第３のランプへの電流は異なる位相点でオンされる。選択は、高調波の所望のレベルに依存して行われ得る。同様に、他の実施例では８個のランプが使用され、（正の半サイクルでの時間間隔の間オフされる）第１の組には４つのランプが含まれ、（正の半サイクルでの時間間隔の間オフされる）第２の組には４つのランプが含まれる。この場合に、各サブセットに含まれる夫々のランプへの電流は異なる位相点でオンされてよく、あるいは、或るひと組の２つのランプへの電流が１つの位相点でオンされ、その組の残りのランプへの電流は異なる位相点でオンされ、以下同様である。

零交差であって且つ所望の電力レベルに依存して選択される位相点でランプがオフされるところの実施例について記載してきたが、当然、代替の実施例では、第１の半数のランプは、所望の電力レベルに依存して選択される位相点で正極性の各半サイクルの間オフされ、次の零交差でオンされ得、第２の半数のランプは、負極性の半サイクルにおいて同様に動作することができる。この実施例では、オフセットは、上記の第１の半数に含まれる異なるランプのスイッチオフの間で、及び上記の第２の半数に含まれる異なるランプのスイッチオフの間で使用され得る。

夫々のランプごとのオン／オフ切替点の対の１つは零交差に一致するか、又はほぼ一致する（例えば、零交差から１０分の１ＡＣサイクル内にある）ことが望ましい。代替的に、如何なる位相点が選択されてもよいが、これは不必要に高調波を増大させる。

明らかなように、ランプシステムの制御範囲は、全てのランプがＡＣサイクルの少なくとも半周期の間に電流を受け取るので、半分の電力と全電力との間にある。この範囲が過度に大きい場合は、制御回路によってオン及びオフを切り替えられない付加的なランプが使用され得る。

本発明について図面及び本明細書で詳細に記載してきたが、かかる記載は限定ではなく例示として考えられるべきである。すなわち、本発明は、開示される実施例に限定されない。例はランプシステムを用いて与えられているが、当然、ランプは他の種類の負荷によって置き換えられてよく、ランプシステムは電力供給システムとして考えられうる。一例として、負荷は加熱素子であってよく、システムは、最小の干渉を有してＡＣ周波数を下回る周波数により制御加熱電力の熱変動を低減する。

開示される実施例に対する他の変形例は、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求される発明を実施する際に当業者によって理解及び達成をされ得る。特許請求の範囲で、語“有する（comprising）”は他の要素又はステップを除かず、不定冠詞“１つの（a又はan）”は複数個を除かない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、特許請求の範囲に挙げられている幾つかの項目に係る機能を満たしてよい。或る手段が相互に異なる従属請求項で挙げられているという単なる事実は、かかる手段の組合せが有利に使用され得ないことを示すわけではない。特許請求の範囲における如何なる参照符号も、適用範囲を限定するよう解されるべきではない。

Claims (11)

1. −周期的なＡＣサイクルでＡＣ電圧を受け取るＡＣ電力供給端子と；
   −複数の負荷と；
   −前記負荷と直列に前記電力供給端子間に結合されるスイッチと；
   −前記スイッチの制御入力へ結合される制御回路と
   を有し、
   前記制御回路は、前記スイッチに、前記ＡＣサイクルの正の各半サイクルの間に１又はそれ以上の選択可能な位相点で前記複数の負荷のうち第１の半数にあたる負荷への電流をオン又はオフに切り替えさせ、前記第１の半数の負荷の中の対応する負荷と位相がずれたＡＣサイクルの半サイクルで前記複数の負荷のうち第２の半数にあたる負荷への電流を切り替えさせることによって、前記複数の負荷へ供給されるエネルギを制御するよう構成される、電力供給システム。
2. 前記負荷はランプである、請求項１記載の電力供給システム。
3. 前記複数の負荷は少なくとも４つの負荷を有し、
   前記選択可能な位相点は、互いに対して時間オフセットを有する少なくとも２つの位相点を有し、
   前記制御回路は、前記少なくとも２つの位相点の夫々１つで前記第１の半数の負荷の各サブセットをオン又はオフに切り替えるよう構成される、
   請求項１記載の電力供給システム。
4. 前記制御回路は、夫々の正の半サイクルの開始時に前記複数の負荷の前記第１の半数の負荷への電流をオフに切り替え、夫々の正の半サイクルにおいて前記位相点の夫々１つで前記サブセットの夫々１つに含まれる負荷への電流をオンに切り替えるよう構成される、請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の電力供給システム。
5. 前記制御回路は、夫々の正の半サイクルにおいて前記位相点の夫々１つで前記サブセットの夫々１つに含まれる負荷への電流をオフに切り替え、夫々の正の半サイクルの終了時に前記複数の負荷の前記第１の半数の負荷への電流をオンに切り替えるよう構成される、請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の電力供給システム。
6. 各サブセットは１つの負荷を有する、請求項３記載の電力供給システム。
7. 前記複数のランプの光度を制御する方法であって、
   −周期的なＡＣサイクルでＡＣ電力供給電圧を供給するステップと；
   −前記ＡＣサイクルの正の各半サイクルの間に１又はそれ以上の選択可能な位相点で前記複数のランプのうち第１の半数にあたるランプへの電流をオン又はオフに切り替えるステップと；
   −前記第１の半数のランプの中の対応するランプと位相がずれたＡＣサイクルの半サイクルで前記複数のランプのうち第２の半数にあたるランプへの電流を切り替えるステップと
   を有する方法。
8. 前記複数のランプは少なくとも４つのランプを有し、
   前記選択可能な位相点は、互いに対して時間オフセットを有する少なくとも２つの位相点を有し、
   当該方法は、前記少なくとも２つの位相点の夫々１つで前記第１の半数のランプの各サブセットをオン又はオフに切り替えるステップを有する、
   請求項７記載の方法。
9. −夫々の正の半サイクルの開始時に前記複数のランプの前記第１の半数のランプへの電流をオフに切り替えるステップと；
   −夫々の正の半サイクルにおいて前記位相点の夫々１つで前記サブセットの夫々１つに含まれるランプへの電流をオンに切り替えるステップと
   を有する請求項８記載の方法。
10. −夫々の正の半サイクルにおいて前記位相点の夫々１つで前記サブセットの夫々１つに含まれるランプへの電流をオフに切り替えるステップと；
    −夫々の正の半サイクルの終了時に前記複数のランプの前記第１の半数のランプへの電流をオンに切り替えるステップと
    を有する請求項８記載の方法。
11. −周期的なＡＣサイクルでＡＣ電圧を受け取るＡＣ電力供給端子と；
    −複数のランプと；
    −前記ランプと直列に前記電力供給端子間に結合されるスイッチと；
    −前記スイッチの制御入力へ結合される制御回路と
    を有し、
    前記制御回路は、前記スイッチに、前記ＡＣサイクルの正の各半サイクルの間に１又はそれ以上の選択可能な位相点で前記複数のランプのうち第１の半数にあたるランプへの電流をオン又はオフに切り替えさせ、前記第１の半数のランプの中の対応するランプと位相がずれたＡＣサイクルの半サイクルで前記複数のランプのうち第２の半数にあたるランプへの電流を切り替えさせることによって、前記複数のランプの光度を制御するよう構成される、ランプシステム。

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