JP2010538425A - 衝撃リスク防護回路 - Google Patents

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Abstract

ランプ安定器上のアースと接地の間に電圧がある場合に充電されるコンデンサを備える衝撃リスク(ROS)防護回路を開示する。コンデンサが所定の閾値電圧を超えると、コンデンサによりゲートは制御回路内の三次巻線から電流を分路し、それによって三次巻線により安定器回路内の一次及び二次巻線に反映されるインピーダンスが低減する。低減したインピーダンスにより安定器の動作周波数は上昇し、安定器のアースと接地の間の電圧は、人体が接触しても安全なレベルに低下する。このようにして、安定器に接続されたランプを交換する人は、ランプの交換前にランプ安定器への電流を遮断できなくても、衝撃から守られる。
【選択図】図3

Description

本発明は、電子安定器に関するものである。この電子安定器は、特に、1つ又は複数の蛍光ランプを動作させる共振インバータ回路に関して適用され、以下ではそれを参照して記載する。しかし、後述の記載は、高輝度放電(HID)ランプ等にも適用できることを理解されたい。
安定器は電灯等の負荷に電力を供給し、負荷に供給される電流を調整するために使用される電気装置である。安定器は、アークを維持し、成長させるのに十分なプラズマ(蒸気)を電離することによって、ランプを点灯させるための高電圧を供給する。アークが形成されると、安定器は適切に制御された電流の流れをランプに供給し、ランプが継続して点灯することが可能になる。
一般的には、電源からの交流(AC)電圧が整流され、適宜に調整された後、インバータはDC電圧をACに変換する。インバータは通常、駆動ゲート制御回路によって「オン」又は「オフ」に制御されるMOSFET等の、直列に接続された一対のスイッチを含む。
直管蛍光灯の安定器はUL安全規格に適合することが必要であり、衝撃リスク(ROS)の定量化を要求される。この規格を満たすには、直管蛍光灯(LFL)の一端をソケットから外した時に、人体モデル(HBM)を流れる電流の測定値がULの規定する制限値未満であることが求められる。上記の種類のインバータは、一般には変圧器の絶縁をせず、UL安全規格の基準を超えるROS電流を生成する可能性がある。このようなランプを交換する必要がある場合、交換する人が安全にランプを交換できるように、ランプへの電力を除去しなければならない。しかし実際には、電力を遮断する工程は省かれることが多い。更に危険なことに、作業員はランプのハウジングにソケットを入れたまま指を使ってランプ上にピンを並べることがよくある。作業員の身体部分が接地に接触すると、作業員の身体は回路を形成し、作業員の身体を高周波(例えば70kHz〜150kHz)の電流パルスが流れると致命的な衝撃にさらされる危険性がある。
米国特許公開第2005/218829A1号
以下の記載は、上記及びその他の問題点を克服する新規の方法及び装置を意図するものである。
一態様によれば、ランプの衝撃リスク(ROS)防護システムは、接地と安定器のアースの間に電圧がある時に充電されるコンデンサを有するROSセンサ回路と、1つ又は複数のランプと安定器のアースとに接続された安定器回路と、安定器回路とROS回路とに結合された制御回路とを備え、コンデンサが所定の閾値電圧レベルを超える電圧まで充電されると、接地と安定器のアースの間の電圧が低下する。
別の態様によれば、人体への衝撃リスクを低減する安定器回路は、フェライトコアに巻回された一次及び二次インダクタ巻線を有するインバータ回路と、インバータ回路と少なくとも1つのランプとに結合された共振回路と、インバータ回路と共振回路とに配線接続される制御回路であって、該制御回路をインバータ回路に誘導結合するためにフェライトコアに巻回された三次巻線を含む制御回路と、安定器の共振回路上のアースと接地の間に電圧がある時に充電されるコンデンサを有する、制御回路に配線接続されたROSセンサ回路とを備える。
更に別の態様によれば、衝撃リスク防護回路は、ランプ安定器の制御回路に接続された陰極と、第1の抵抗器と第1のコンデンサとに接続された陽極とを有する第1のダイオードと、第1のダイオード、第1のコンデンサ及び第1の抵抗器の陽極に接続された陰極と、第2のコンデンサに接続された陽極とを有する第2のダイオードと、第2のダイオードと第2のコンデンサの陽極に接続された陰極と、第1のコンデンサと第1の抵抗器とアースとに接続された陽極とを有する第3のダイオードとを備える。回路は更に、第2のコンデンサと接地とに結合された第2の抵抗器を含み、第1の抵抗器、第1のコンデンサ及び第3のダイオードは互いに並列に接続される。
衝撃リスク(ROS)があるか否かを検知し、ある場合は人体への危害を防止するためにインバータ電圧を安全レベルにフォールドバックする複数の構成部品を含む安定器回路の概略図である。 安定器回路と、安定器回路に結合された対応する制御回路、及び電流レベルが許容範囲のROS閾値レベルを超えているか否かを検知し、ROS状態がある場合はこれを緩和するためにインバータに供給される電圧をフォールドバックするROS防護回路の図である。 制御回路のより詳細な図である。 ROS回路を示す図である。
図1を参照すると、安定器回路6は、衝撃リスク(ROS)があるか否かを判定し、ある場合は人体への危害を防止するためにインバータ電圧を安全レベルにフォールドバックする複数の構成部品を含む。安定器は、直管蛍光ランプ等の1つ又は複数のランプ24、26...28に結合される。安定器回路6は、ユーザーがランプを交換する際に電力を遮断できない場合にROS状態を確実に緩和するため、ROS回路(図4)と共に使用される。
安定器回路6は、インバータ回路8と、共振回路又は回路網10と、クランプ回路12とを含む。正の電圧端子16から通じる電圧コンダクタ14と、アース又は共通端子20に接続された共通コンダクタ18とを介して、DC電圧がインバータ8に供給される。後述するように、高周波バス22が共振回路10によって生成される。加えて、高周波バス22は「+B」と記載されているノードに接続され、一方、ノードは後述のように制御回路108に接続される。第1、第2...第nのランプ24、26...28は、第1、第2...第nの安定器コンデンサ30、32...34を介して高周波バスに結合される。従って、1つのランプを取り外しても、他のランプは継続して動作する。高周波バス22には任意の数のランプを接続できるものと考えられる。例えば、各ランプ24、26...28は、関連する安定器コンデンサ30、32...34を介して高周波バス22に結合される。各ランプ24、26...28への電力は、それぞれのランプのコネクタ36、38を介して供給される。
インバータ8は、上下の、又は第1及び第2のアナログスイッチ40及び42、例えば共振回路10を励起するためにコンダクタ14と18の間に直列に接続された(図示の)2つのnチャネルMOSFETデバイスを含む。2つのPチャネルMOSFETを構成しても良い。高周波バス22はインバータ8と共振回路10とによって生成され、共振インダクタ44と、第1、第2及び第3のコンデンサ46、48、50と同等のコンデンサを含む等価共振コンデンサと、DC電流がランプ24、26...28を流れることを防止する安定器コンデンサ30、32...34とを含む。安定器コンデンサ30、32...34は、主に安定器コンデンサとして使用される。
スイッチ40と42は協働して、共振回路10を励起する矩形波を共通ノード又は第1のノード52に供給する。スイッチ40及び42から通じるゲート線又は制御線54及び56は、制御ノード又は第2のノード58に接続される。各制御線54、56は、それぞれの抵抗器60、62を含む。
引き続き図1を参照すると、全体として64、65で示される第1及び第2のゲート駆動回路は、ノード52と58の間に接続され、共振回路10内の瞬間電流変化率に比例する電圧を駆動インダクタ68、70に誘導するために、共振インダクタ44に相互に結合された二次巻線である第1及び第2の駆動インダクタ68、70を含む。第1及び第2の二次インダクタ72、74は、第1及び第2のそれぞれの駆動インダクタ68、70と、ゲート制御線54及び56に直列に接続する。
ゲート駆動回路64、66は、上部と下部のスイッチ40及び42のそれぞれの動作を制御するために使用される。より具体的には、ゲート駆動回路64、66は、第1の半周期では上部スイッチ40を「オン」状態に保ち、第2の半周期では下部スイッチ42を「オン」状態に保つ。ノード52で矩形波が生成され、共振回路10を励起するために使用される。第1及び第2の双方向電圧クランプ76、78は二次インダクタ72、74にそれぞれ並列に接続され、各二次インダクタは背面接続された一対のツェーナダイオードを含む。双方向電圧クランプ76、78は、ゲート・ソース間電圧の正と負の変動を、背面接続されたツェーナダイオードの電圧定格によって定められるそれぞれの限度にクランプする。各々の双方向電圧クランプ76、78は、第1又は第2の二次インダクタ72、74のそれぞれと協働して、共振回路10の両端間の電圧の基本周波数成分と、共振インダクタ44内のAC電流との位相角が、ランプの点灯中にゼロに近づくようにする。
直列に接続された抵抗器80、82は、共通ノード52と共通コンダクタ18の間に接続された抵抗器84と協働して、ゲート駆動回路64、66の回生動作を開始する。上部及び下部コンデンサ90、92は、第1及び第2の二次インダクタ72、74とそれぞれ直列に接続される。始動プロセスにおいて、コンデンサ90は抵抗器80、82、84を介して電圧端子16から充電される。コンデンサ92の充電を防止するため、抵抗器94はコンデンサ92を分路する。これにより、最初にスイッチ40と42が同時にオンになることが防止される。コンデンサ90の両端間の電圧は最初ゼロであり、始動プロセス中、直列に接続されたインダクタ68と72は、コンデンサ90の充電の時間定数が比較的長いため、本質的に短絡回路として作用する。コンデンサ90がスイッチ40のゲート・ソース間電圧の閾値電圧(例えば2〜3ボルト)まで充電されると、スイッチ40はオンになり、その結果、小さいバイアス電流がスイッチ40を流れる。生じた電流によって、共通ドレンのクラスA増幅器構成内のスイッチ40がバイアスされる。これにより十分な利得の増幅器が生成され、共振回路10とゲート駆動回路64との組み合わせが、コンデンサ90とインダクタ72を含む回路網の共振周波数に近いインバータの振動を開始させる回生作用を生じさせる。生成された周波数は共振回路10の共振周波数よりも高周波であり、それによってインバータ8は共振回路網10の共振周波数以上の周波数で動作することが可能になる。これにより共振電流が生成され、共振電流は、共通ノード52で生成される電圧の基本波を遅延させるので、インバータ8はランプを点灯する前にソフトスイッチングモードで動作することが可能になる。従って、インバータ8は線形モードで動作を開始し、クラスDスイッチモードに移行する。次いで、電流が共振回路10を通って蓄積されると、高周波バス22の電圧が上昇してランプを点灯させる一方で、ランプの点灯を経て導電アークモードへのソフトスイッチングモードが維持される。
安定器回路6の定常動作中、矩形波である共通ノード52での電圧は、正端子16の電圧の約半分である。コンデンサ90に一旦は存在したバイアス電圧は消滅する。動作周波数は、コンデンサ90とインダクタ72とを含む第1の回路網96と、コンデンサ92とインダクタ74とを含む第2の回路網98との誘導性が等価であるような周波数である。すなわち、動作周波数は同一の第1及び第2の回路網96、98の共振周波数よりも高い。その結果、ゲート回路の移相が適切なものになり、インダクタ44を流れる電流は共通ノード52で生成される電圧の基本周波数を遅延させることが可能になる。従って、定常動作中、インバータ8のソフトスイッチングは維持される。
引き続き図1を参照すると、ランプ24、26...28を始動するために生成される高電圧を制限するために、インバータ8の出力電圧は、直列に接続されたクランプ回路12のクランプダイオード100、102によってクランプされる。クランプ回路12は更に、本質的に互いに並列に接続された第2及び第3のコンデンサ48、50を含む。各々のクランプダイオード100、102は、関連する第2又は第3のコンデンサ48、50の両端に接続される。ランプの始動前は、各ランプ24、26...28のインピーダンスは極めて高いと見られるので、ランプの回路は開かれている。共振回路10は、コンデンサ30、32...34、46、48、50と、共振インダクタ44とから構成され、準共振駆動される。共通ノード52での出力電圧が上昇すると、クランプダイオード100、102はクランプを開始して、第2及び第3のコンデンサ48、50の両端間の電圧の正負が変化することを防止し、インバータ8の構成部品の過熱を引き起こさない程度に出力電圧を制限する。クランプダイオード100、102が第2及び第3のコンデンサ48、50をクランプすると、共振回路10はコンデンサ30、32...34、46、及び共振インダクタ44とから構成されるようになる。例えば、クランプダイオード100、102が非導電状態の場合に共振が達成される。ランプが点灯すると、インピーダンスは急速に低下する。それに従って共通ノード52における電圧が低下する。クランプダイオード100、102は、第2及び第3のコンデンサ48、50をクランプする動作を中断し、安定器6は定常動作に入る。コンデンサ30、32...34、46、48、50及び共振インダクタ44によって再び共振が指示される。
上述の方法で、インバータ8は、一方ではスイッチ40、42のソフトスイッチング状態を維持しつつ、共通ノード52に高周波バスを形成する。高周波バスには点灯可能な十分な電圧があるので、インバータ8は残りのランプの点灯時に単一のランプを始動させることができる。
図2及び図3を参照すると、三次回路108はインバータ回路8に結合される。より具体的には、三次巻線又はインダクタ110は第1及び第2の二次インダクタ72,74に互いに結合され、回路108はノード+Bを介して安定器回路6に配線接続される。共振回路10も、アースされると考えられるノード「−B」を含む。この実施形態では、第1及び第2の双方向電圧クランプ76、78は任意に省いても良い。第1及び第2のツェーナダイオード114、116を含む補助又は第3の電圧クランプ112は、三次インダクタ110に並列に接続される。三次インダクタ110は第1及び第2の二次インダクタ72、74に互いに結合されるので、補助電圧クランプ112は第1及び第2のゲート回路64、66を同時にクランプする。
電圧クランプ112のツェーナダイオード114、116の値が異なっていれば、安定器6が電流を変更して、ランプ24、26...28に供給される電力を変更できるようにするために有用である。周知のように、瞬間点灯式安定器ではランプ動作の初期モードはグローである。グローモードでは、ランプ電極の両端間の電圧は、例えば300Vの高電圧である。ランプを流れる電流は一般的に動作電流よりも低く、例えば180mAではなく40mA又は50mAである。電極は加熱し、熱電極になる。電極が熱電極になると、電極はプラズマ内に電子を放出し、ランプが点灯する。ランプが点灯すると、各安定器は定格電流とは異なる定格電流レベルで動作するため、各々の安定器に異なる量の電力が供給される必要がある。
例えば、ランプ24、26...28の点灯中、三次巻線110のクランプ電圧は上昇し、より大きいグロー電力が可能になる。ランプが始動した後、適正な定常状態電流が流れるように電圧をフォールドバックすることができる。この機能は、コントローラ120を介して実行可能である。
より具体的には、点灯前にコンデンサ122が放電され、MOSFET等のスイッチ124がオフ状態になる。インバータ8が発振を開始すると、線126、128を経てコンデンサ122が充電される。三次巻線110は、MOSFET124のドレン及びソースに結合された並列接続された第1及び第2のツェーナダイオード114、116によってクランプされる。コントローラ120内で高電力始動モードが利用されると、入力信号が高周波であるためコンデンサ122が充電され、ツェーナダイオード116がオンになり、それによりMOSFET124がオンになり、制御回路が制御を開始する。すなわち、コンデンサ122がMOSFET124の閾値電圧等の所定の電圧まで充電されると、MOSFET124はオンになり、電流はMOSFET124のソース端子に接続された第2のツェーナダイオード116から分路される。コンデンサ122は抵抗器140と直列に接続され、コンデンサ132はMOSFET124のゲート及びドレンに接続される。ダイオード150は、抵抗器140とコンデンサ122に並列接続される。従って、三次巻線110がより高電圧でクランプすることにより、ランプ24、26...28が始動するまでより大きいグロー電力を達成することができる。抵抗器148は、MOSFET124のゲートとツェーナダイオード116の陽極とに結合される。回路108は更に、ダイオード152と、抵抗器154と、コンデンサ156と、ノード+B(例えば安定器回路6の高周波バス22へのタイインポイント)に接続された抵抗器158とを含む。
例えば約0.5秒から約1.0秒等の時間を経た後、MOSFET124はオンになり、三次巻線110はより低い電圧でクランプされる。これにより、定常状態でのより低いランプ電力を達成できる。従って、ツェーナダイオード114、116を介した三次巻線110の電圧クランプのスイッチング等のクランプ電圧のスイッチングによって、グロー段階でランプ24、26...28に印加される電力が上昇するが、この電力はフォールドバックされ、ランプ24、26...28はランプ24、26...28の通常の所定の電力レベルで動作することが可能になる。回路108は更にノード「A」に結合することで、図4を参照して後述するROS回路200に結合することなる。
通常の瞬間始動機能、及び三次巻線110を制御することによる所定の定常状態電力制限の設定に加えて、安定器6は、安定器係数が異なる多様な用途でのプログラム始動、急速始動安定器又は瞬間始動安定器等として使用できる。
図4は、ノードAを介して制御回路108に結合されたROS防護回路200を示す図である。ROS回路200は、ノードAに接続されたダイオード202を備える。ダイオード202はダイオード204に並列に接続され、且つ互いに並列に接続された抵抗器208とコンデンサ210とに接続される。ダイオード206は、コンデンサ210及び抵抗器208にも並列に接続される。ダイオード204及びダイオード206は、抵抗器214に直列に接続されたコンデンサ212に接続される。抵抗器214は、接地216に直列に接続される。
一実施形態によれば、ROS防護回路は、安定器のアース(例えばノード−B)とROS回路200内の接地216の間の電位差を検知する。電圧がある場合は、コンデンサ210が充電される。コンデンサ210が所定の閾値電圧(例えばこの実施形態では約8V)を超えると、ノード−Bと接地の間の電圧は許容不可能な高電圧になり、負傷の重大なリスクが生ずる。このような場合には、ノードAの電圧が上昇し、MOSFET124は電流を巻線110から分路する度合いを高め、巻線110のインピーダンスを低減し、その結果インピーダンスはインバータ回路8内の巻線72及び74に反映される。これにより、インバータの動作周波数が上昇し、ノード−Bと接地の間の電圧は安全レベルまで低下する。従って、コンデンサ210が充電されると、ノード−Bと接地の間の電位差がフォールドバックされる。
前述の実施形態は例示目的であり、本発明の革新性は本明細書に記載の特定の数値又は範囲に限定されないことを理解されたい。逆に、本発明の革新性は、当業者には理解されるように、適当ないずれの数値又は数値範囲を利用しても良く、又はその他の態様で含んでも良い。
本発明を好適な実施形態を参照して説明してきた。上述の詳細な説明を読めば当然ながら修正や変更が想定されるであろう。本発明は、これらの修正や変更の全てを含むことを意図している。

Claims (20)

  1. ランプの衝撃リスク(ROS)防護システムであって、前記システムは、
    接地と安定器のアースの間に電圧がある時に充電されるコンデンサを有するROSセンサ回路と、
    1つ又は複数のランプと前記安定器のアースとに接続された安定器回路と、
    前記安定器回路と前記ROS回路とに結合された制御回路とを備え、
    前記コンデンサが所定の閾値電圧レベルを超える電圧まで充電されると、前記接地と前記安定器のアースの間の電圧が低下するシステム。
  2. 前記所定の閾値電圧レベルが約7Vから約9Vの範囲である、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記所定の閾値電圧レベルが約8Vである、請求項2に記載のシステム。
  4. 前記コンデンサの電圧が前記所定の閾値を超えると、前記制御回路内の三次巻線から電流を分路する、前記制御回路内のゲートを更に含む、請求項2に記載のシステム。
  5. 前記三次巻線は、前記制御回路を前記安定器回路に結合する結合変圧器のフェライトコアに巻回される、請求項4に記載のシステム。
  6. 前記安定器回路は、前記結合変圧器に巻回された一次及び二次巻線を更に備える、請求項5に記載のシステム。
  7. 前記三次巻線のインピーダンスは、前記ゲートによって電流が前記巻線から分路されると低減する、請求項6に記載のシステム。
  8. 前記安定器回路はインバータ回路を更に備え、前記三次巻線の前記低減したインピーダンスが前記一次及び二次巻線に反映されると、前記インバータ回路の動作周波数が増加する、請求項7に記載のシステム。
  9. 前記インバータの前記動作周波数が増加すると、前記接地と前記安定器のアースの間の電圧が人体に安全なレベルまで低下する、請求項8に記載のシステム。
  10. 前記ゲートはMOSFETである、請求項4に記載のシステム。
  11. 前記1つ又は複数のランプは直管蛍光ランプである、請求項1乃至10のいずれか1項に記載のシステム。
  12. 人体への衝撃リスクを低減する安定器回路であって、前記安定器回路は、
    フェライトコアに巻回された一次及び二次インダクタ巻線を有するインバータ回路と、
    前記インバータ回路と少なくとも1つのランプとに結合された共振回路と、
    前記インバータ回路と前記共振回路とに配線接続される制御回路であって、該制御回路を前記インバータ回路に誘導結合するために前記フェライトコアに巻回された三次巻線を含む制御回路と、
    前記安定器の前記共振回路上のアースと接地の間に電圧がある時に充電されるコンデンサを有する、前記制御回路に配線接続されたROSセンサ回路とを備える安定器回路。
  13. それを超えると前記安定器内の電圧が人体と接触しても安全なレベルにフォールドバックされる所定の閾値電圧レベルを更に含む、請求項12に記載の安定器。
  14. 前記コンデンサが所定の閾値レベルを超えると、前記制御回路内のゲートが前記三次巻線への電流レベルを低減するようにさせる、請求項13に記載の安定器。
  15. 前記三次巻線への前記低減された電流によって、前記一次及び二次巻線に反映されるインピーダンスが低減される、請求項14に記載の安定器。
  16. 前記共振回路の動作周波数は、前記一次及び二次巻線に反映されるインピーダンスの低減に応じて上昇する、請求項15に記載の安定器。
  17. 動作周波数が上昇すると、前記安定器のアースと前記接地の間の電圧が人体に接触しても安全なレベルまで低下する、請求項16に記載の安定器。
  18. 衝撃リスク防護回路であって、
    ランプ安定器の制御回路に接続された陰極と、第1の抵抗器と第1のコンデンサとに接続された陽極とを有する第1のダイオードと、
    前記第1のダイオード、前記第1のコンデンサ及び前記第1の抵抗器の陽極に接続された陰極と、第2のコンデンサに接続された陽極とを有する第2のダイオードと、
    第2のダイオードと第2のコンデンサの陽極に接続された陰極と、前記第1のコンデンサと前記第1の抵抗器とアースとに接続された陽極とを有する第3のダイオードと、
    前記第2のコンデンサと接地とに結合された第2の抵抗器とを備え、
    前記第1の抵抗器、前記第1のコンデンサ及び前記第3のダイオードは互いに並列に接続される衝撃リスク防護回路。
  19. 前記接地と前記ランプ安定器のアースの間に電圧がある場合に、前記第1のコンデンサが充電される、請求項18に記載のROS防護回路。
  20. 前記コンデンサは、事象のフィードバックループが開始されて、前記接地と前記ランプ安定器のアースの間の電圧を人体が接触しても安全なレベルに低下させる所定の閾値電圧レベルに達する、請求項19に記載のROS防護回路。
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