JP2013535071A

JP2013535071A - 直流駆動の吊り下げ天井システム内で照明装置の自動極性保護と緊急バックアップとを行える高効率な直流安定器の配置構造

Info

Publication number: JP2013535071A
Application number: JP2013509072A
Authority: JP
Inventors: マンギアラシーナ、アンソニー
Original assignee: ネクステックパワーシステムズインコーポレイテッド
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2013-09-09
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: CA2782739A1; CN102884694B; EP2517325A4; TW201214910A; CA2782739C; JP5714099B2; WO2011139421A1; KR20130079994A; EP2517325A1; TWI450464B; CN102884694A; US8274227B2; US20110273018A1

Abstract

照明装置のための高効率な安定器の配置構造は、直流電源を有する直流駆動の吊り下げ天井システム内で装置が取り付けられる向きにかかわらず一定の極性の出力直流電圧を供給するための自動極性保護回路を有している。メイン直流安定器回路は、通常動作の期間に、保護回路からもたらされる出力直流電圧によって駆動されるメイン直流安定器を含み、装置のランプを点灯可能とする。緊急バックアップ直流安定器回路は、通常の動作の期間に出力直流電圧によって充電直流電圧となるまで充電されるバッテリーと、バッテリーからもたらされる充電直流電圧によって駆動される緊急直流安定器とを含み、直流電源の停止に伴う緊急動作の期間に装置のランプを点灯可能とする。

Description

建造物内の従来の吊り下げ（suspended）または下がり（drop）天井システムは、互いに直交して縦および横にのびるフレーム要素からなるグリッドフレームワーク（grid framework）を含む。フレーム要素は、天井面内にあって交差しており、複数の多角形の開口、特に、四角形の開口を形成している。この開口に、照明装置（lighting fixtures）、天井タイル、エアダクト、拡声器、および天井部材がはめ込まれて支持される。天井システムは、スプリンクラー管、水管、空調用ダクト付属品（air conditioning duct work）、電線用導管、電気ケーブル、電話ケーブル、コンピュータのネットワークケーブル、ケーブルトレイ、配電盤等のインフラ構築設備の他に、建造物の実際の天井と吊り下げられたフレームワークとの間にある天井プレナム（overhead plenum）またはスペース内に通常取り付けられる機械的および電気的な設備に対して、特に、視覚的なバリア、そしてしばしば音響的なバリアの役割を果たす。

オフィスまたは家庭環境における様々な電気機器に直流（ＤＣ）電圧を供給することが望まれており、それ故、例えば米国特許第７，６６１，２２９では、導電体または電線をフレーム要素の中および該フレーム要素に沿って組み込んで支持することによって、直流電源を天井システムに組み入れた技術が提案されている。電線は、直流電源の正端子および負端子に接続されている。電気タップは、電気機器の入力端子に対して正および負の電源端子を接続するために使用されている。

照明装置、例えば、直流安定器（a DC ballast）を有する蛍光照明装置に対して、上述した直流駆動の天井システムから電力を供給することがさらに望ましい。照明装置は、複数の開口のうちのいくつか選ばれた開口に取り付けられ、例えば、新規の設備または既存の設備における選ばれた開口に直接的に取り付けられる。新規の照明装置は、同一の開口において別の照明装置に交換され、または、既存の照明装置は、異なる照明条件に適合するように、ある開口から別の開口に移動されることもある。照明装置は、意図的にまたは不注意に（inadvertently）、選ばれた開口において異なる向きで取り付けられることもある。すなわち、照明装置は、縦にのびるフレーム要素に沿った縦方向に取り付けられることも、９０度向きを変えて横にのびるフレーム要素に沿った横方向に取り付けられることもある。

しかしながら、これらの異なる向きは、直流安定器に対する直流の極性の問題（a DC polarity problem）を生じさせる。なぜなら、照明装置は、ある向きで直流電源によって正常に駆動されるだけであり、他の向きでは直流電源によって正常に駆動されないからである。より詳細には、安定器は、直流電源の正端子に接続される１つの直流入力正端子と、直流電源の負端子に接続されるもう１つの直流入力負端子とを有する。これらの適切な電気的な接続は、照明装置のある向きにおいては行われるが、照明装置の別の向きにおいては行われない。照明装置は、当然のことながら、不適切な電気的な接続では正常に動作しないし、実際には、ダメージを受けて、その結果、修理および／または交換が必要になる可能性もある。

本発明の１つの特徴は、要約すれば、好ましくは１つまたは複数の蛍光ランプと安定器とを有し、天井面内にあって複数の開口を形成するように交差して縦および横にのびるフレーム要素からなるグリッドフレームワークを有する吊り下げ天井システム内に取り付けられる、照明装置のための安定器の配置構造（arrangement）に属する。天井システムは、直流駆動されるものであり、オフィスまたは家庭環境における照明装置のような電気機器を駆動する直流（ＤＣ）電源を有する。照明装置は、複数の開口のうちのいくつかの選ばれた開口に取り付けられ、意図的にまたは不注意に、選ばれた開口の異なる向きに配置することが可能（positionable）となる。すなわち、この装置は、縦のフレーム要素に沿った縦方向に取り付けられることも、または、９０度向きを変えて横のフレーム要素に沿った横方向に取り付けられることもできる。

上述したように、これらの異なる向きは、直流の極性の問題を生じさせる。なぜなら、従来技術の照明装置の安定器は、ある向きで直流電源によって正常に駆動されるだけであり、別の向きでは直流電源によって正常に駆動されないからである。より詳細には、従来技術の安定器は、直流電源の正端子に接続される１つの直流入力正端子と、直流電源の負端子に接続されるもう１つの直流入力負端子とを有している。

本発明の一側面によれば、本発明の安定器の配置構造は、自動極性保護回路（an automatic polarity protection circuit）を有する。自動極性保護回路は、一対の直流入力端子に接続されており、装置が取り付けられる向きにかかわらず一定の極性の出力直流電圧を供給する。したがって、直流電源の正端子または負端子が安定器の配置構造の入力端子のいずれに接続されていても何の問題もなく、出力直流電圧は、常に、同一極性に、例えば、正極性に生成される。それ故、選ばれた開口における照明装置の位置決め（positioning）は、従来技術ほど深刻な問題ではなくなる。

好ましい実施形態では、保護回路は、高効率のＤＣ−ＤＣブリッジからなり、第１分岐回路と第２分岐回路とを含む。第１分岐回路は、逆の型（opposite type）の第１の一対の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を有する。第２分岐回路は、逆の型の第２の一対のＭＯＳＦＥＴを有する。これらの分岐回路は、第１の一対のＭＯＳＦＥＴと第２の一対のＭＯＳＦＥＴとの間でブリッジされ（bridged）ている。保護回路は、また、複数のツェナーダイオードを含む。ツェナーダイオードは、ＭＯＳＦＥＴのゲートにおいてバイアス電圧を安定した値に保持する。保護回路からもたらされる出力直流電圧と直流電源からもたらされる供給直流電圧との差は、ＭＯＳＦＥＴの低い挿入損失（insertion loss）のおかげで０．１Ｖ以下となっている。これは、非常に高い挿入損失を有するが故に低効率な従来のダイオードブリッジ（diode-based bridges）と対比して、利点がある。

安定器の配置構造は、メイン直流安定器回路（a main DC ballast circuit）と、緊急バックアップ直流安定器回路（an emergency back-up DC ballast circuit）とを含む。メイン直流安定器回路は、通常動作（normal operation）の期間に、装置のランプを点灯可能とするために、保護回路からもたらされる出力直流電圧によって駆動されるメイン直流安定器を含む。緊急バックアップ直流安定器回路は、直流電源の停止（failure）による緊急動作（emergency operation）の期間に、装置のランプを点灯可能とする。検出回路は、直流電源の停止を効果的に（advantageously）検出して、このような停止が検出された時に緊急バックアップ直流安定器回路を動作可能とする。緊急バックアップ直流安定器回路は、バッテリーと、緊急直流安定器とを含む。バッテリーは、通常動作の期間に、出力直流電圧によって充電直流電圧（a charged DC voltage）となるまで充電される。緊急直流安定器は、バッテリーからもたらされる充電直流電圧によって駆動され、緊急動作の期間に、装置のランプを点灯可能とする。

安定器の配置構造は、さらに、高効率のＤＣ−ＤＣコンバータを含む。高効率のＤＣ−ＤＣコンバータは、保護回路と緊急バックアップ直流安定器回路との間に設けられ、出力直流電圧を減少直流電圧（a reduced DC voltage）に減圧変換して安定器回路を駆動する。ＤＣ−ＤＣコンバータは、アクティブな集積回路制御チップを有し、挿入損失が低い。これは、非常に高い挿入損失を有するが故に低効率な例えば抵抗等の受動素子を有する従来のコンバータと対比して、利点がある。

本発明の別の側面によれば、直流電源を有する直流駆動の吊り下げ天井システム内のグリッドフレームワークのフレーム要素によって形成された選ばれた開口において、異なる向きで照明装置を取り付け可能にして動作させる方法は、装置のある向きにおいては所定の極性で、装置の別の向きにおいては逆の極性で、一対の直流入力端子を直流電源に接続し、装置が取り付けられる向きにかかわらず一定の極性の出力直流電圧を供給するために、自動極性保護回路を直流入力端子に接続し、通常動作の期間に、装置のランプを点灯可能とするために、保護回路からもたらされる出力直流電圧によって、メイン直流安定器を含むメイン直流安定器回路を駆動し、通常動作の期間にバッテリーを出力直流電圧によって充電直流電圧となるまで充電して、緊急動作の期間に装置のランプを点灯可能とするためにバッテリーの充電直流電圧によって緊急直流安定器を駆動することで、直流電源の停止に伴う緊急動作の期間に、緊急バックアップ直流安定器回路によって装置のランプを点灯可能とすること、からなる。

本発明に係る安定器の配置構造を示す電気回路図である。

図１は、照明装置のための安定器の配置構造を示す電気回路図である。照明装置は、好ましくは1つあるいはそれ以上の蛍光ランプを有する。照明装置は、互いに直交して縦および横にのびるフレーム要素によって形成されて選ばれた開口に、取り付けおよび支持されている。フレーム要素は、天井面内にあって交差しており、米国特許第７，６６１，２２９に開示されたタイプの直流駆動される吊り下げまたは下がり天井システムのグリッドフレームワーク内で複数の多角形の開口、特に、四角形の開口を形成する。この米国特許第７，６６１，２２９の開示全体が本明細書に参照として組み込まれる。直流電源は、導電体または電線をフレーム要素の中および該フレーム要素に沿って組み込んで支持することによって、天井システムに組み入れられている。電線は、直流電源の正端子および負端子に接続されている。

この装置は、その支持開口（supporting opening）に対して相補的な外形を有する。この開口は、好ましくは、四角形状であり、一般的には、２フィート×２フィート、または４フィート×４フィートの大きさである。照明装置は、意図的にまたは不注意に、選ばれた開口において異なる向きで取り付けられることができる。すなわち、照明装置は、縦にのびるフレーム要素に沿った縦方向に取り付けられることも、９０度向きを変えて横にのびるフレーム要素に沿った横方向に取り付けられることもできる。フレーム要素は、好ましくは、シート状の金属の単片を例えば折り曲げ（folding）および打ち抜き加工すること（stamping）によって形成される。各フレーム要素は、一般的に、水平なフランジ部と、垂直なウェブ部とを有する。フランジ部の上には、装置がその周囲を取り巻くように支持されている。照明装置以外の、例えばエアダクト、拡声器等の天井部材も、それぞれの開口に支持されている。天井システムは、ねじられたロッド（threaded rods）または天井ワイヤー（ceiling wire）によって、建造物の実際の天井から吊り下げられている。

上述したように、装置のこれらの異なる向きは、直流の極性の問題を生じさせる。なぜなら、従来技術の照明装置の安定器は、ある向きで直流電源によって正常に駆動されるだけであり、別の向きでは直流電源によって正常に駆動されないからである。さらに詳細には、従来技術である安定器は、直流電源の正端子に接続される１つの直流入力正端子と、直流電源の負端子に接続されるもう１つの直流入力負端子とを有している。この照明装置は、勿論、不適切な電気的な接続では、正常に動作しない。

本発明の一側面によれば、安定器の配置構造は、一対の直流入力端子１２、１４（図１参照）を有している。一対の直流入力端子１２、１４は、装置のある向きにおいては所定の極性で、装置の別の向きにおいては逆の極性で、例えば２４ＶＤＣの直流電源の正端子および負端子に接続される。自動極性保護回路２０は、直流入力端子１２、１４に接続され、装置が取り付けられる向きにかかわらず出力１６に一定の極性の出力直流電圧を供給する。それ故、直流電源の正端子または負端子が安定器の配置構造の入力端子１２または入力端子１４のいずれに接続されても何の問題もなく、出力１６における出力直流電圧は常に同じ極性に生成される。例えば、負または正の電圧が入力端子１２または入力端子１４に入力されたとしても、出力直流電圧は常に正電圧となる。したがって、選ばれた開口における照明装置の位置決めは、従来技術ほど深刻な問題ではなくなる。

好ましい実施形態では、保護回路２０は、高効率のＤＣ−ＤＣブリッジからなり、第１分岐回路と、第２分岐回路とを含む。第１分岐回路は、それぞれ逆の関係にあるｐ型およびｎ型の第１の一対の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）Ｑ１、Ｑ３を有する。第２分岐回路は、それぞれ逆の関係にあるｎ型およびｐ型の第２の一対のＭＯＳＦＥＴＱ２、Ｑ４を有する。これらの分岐回路は、第１の一対のＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ３と第２の一対のＭＯＳＦＥＴＱ２、Ｑ４との間でブリッジされている。保護回路は、また、複数のツェナーダイオードＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４を含んでいる。ツェナーダイオードＺ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４は、ＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のゲートのバイアス電圧を安定した値に保持するためのものである。保護回路２０からもたらされる出力１６における出力直流電圧と直流電源からもたらされる例えば２４ＶＤＣの供給直流電圧との差は、ＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の低い挿入損失のおかげで０．１Ｖ以下となっている。これは、非常に高い挿入損失を有しているが故に低効率な従来のダイオードブリッジと対比して、利点がある。

動作中、正の直流電圧が入力端子１２に入力されると、Ｑ１がターンオフし、Ｑ２がターンオンし、Ｑ３がターンオンし、Ｑ４がターンオフし、出力１６における出力直流電圧は正となる。負の直流電圧が入力端子１２に入力されても、Ｑ１がターンオンし、Ｑ２がターンオフし、Ｑ３がターンオフし、Ｑ４がターンオンし、出力１６における出力直流電圧は依然として正のままである。

安定器の配置構造は、さらに、高効率のＤＣ−ＤＣコンバータ３０を含む。ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、保護回路２０に接続され、出力１６における出力直流電圧を、出力１８で例えば約５ＶＤＣの減少直流電圧となるまで減圧変換する。ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、アクティブな集積回路制御チップ２２を有し、挿入損失が低い。これは、非常に高い挿入損失を有しているが故に低効率な抵抗等の受動素子を有する従来のコンバータと対比して、利点がある。

安定器の配置構造は、さらに、メイン直流安定器回路を含む。メイン直流安定器回路は、メイン直流安定器２４を含む。メイン直流安定器２４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０からもたらされた減少直流電圧でリレー（ＲＥ１）２６を介して駆動され、通常動作の期間に、装置のランプを点灯可能とする。出力１８における減少直流電圧は、リレー２６のコイル２８に印加され、リレー２６が通常クローズ（ＮＣ）状態から通常オープン（ＮＯ）状態に切り替わる。端子１２、１４における直流供給電圧は、メイン直流安定器２４の入力リード線（input leads）に入力され、それによって、通常動作の期間にランプを点灯可能とする。

安定器の配置構造は、さらに、以下に詳細に説明するように、検出回路３２と、緊急バックアップ直流安定器回路とを含んでいる。検出回路３２は、直流電源の停止を検出するためのものである。緊急バックアップ直流安定器回路は、検出回路３２によって直流電源の停止が検出された緊急動作の期間に、ランプを点灯可能とする。緊急バックアップ直流安定器回路は、充電式のバッテリー４０と緊急直流安定器とを含む。充電式のバッテリー４０は、通常動作の期間に、出力１８における減少直流電圧によって、コイル２８を通じてバッテリー４０の端子３４で充電直流電圧となるまで充電される。緊急直流安定器は、バッテリーの端子３４での充電直流電圧によって駆動され、緊急動作の期間に装置のランプを点灯可能とする。

緊急直流安定器は、プッシュプル発振器（a push-pull oscillator）を含む。プッシュプル発振器は、２０ｋＨｚから６０ｋＨｚの間の共振周波数で共振するように設けられた一対のトランジスタＱ５、Ｑ６を有している。発振器は、トランスＴ１の第１の１次コイル（a first primary coil）４２に接続されている。トランスＴ１の２次コイル４４はランプ５０に接続されている。バッテリーの端子３４における充電直流電圧は、１次コイル４２の中間タップに入力され、それによってトランスＴ１に電圧を印加し、緊急動作の期間に、ランプ５０を点灯させる。

出荷時に、２つのエネイブルコネクタ（enable connectors）３６、３８は互いに独立しているが、安定器の配置構造の取り付けの時には、エネイブルコネクタ３６、３８は相互接続され、その結果、通常動作の期間に、出力１８における減少直流電圧が、コイル２８および相互接続されたコネクタ３６、３８を通ってトランジスタＱ７のエミッタに入力される。トランジスタＱ７のベースには、検出回路３２を経由して、出力１６における出力直流正電圧が入力されている。トランジスタＱ７のコレクタは、トランスＴ１の第２の１次コイル（a second primary coil）４３の中間タップに接続されている。第２の１次コイル４３およびその端子４５、４７は、図中の電気的な接続を簡略化するために、図１に２つ描かれている。通常動作の期間に、Ｑ７はバイアスオフ（biased off）され、その結果、プッシュプル発振器の発振が防止される。しかしながら、緊急の期間には、直流電源が停止し、出力直流電圧がもはや出力１６において存在しなくなる。この緊急状態（emergency）は、検出回路３２によって検出され、Ｑ７は、その時バイアスオン（biased on）され、プッシュプル発振器は、発振を開始してトランスの第２の１次コイル４３を動作させ、２次コイル４４を順に動作させる。

リレー（ＲＥ２）４６およびリレー（ＲＥ３）４８は、“瞬時起動（instant start）”モードまたは“急速起動（rapid start）”モードの動作の場合に、安定器の配置構造に対するダメージを防止するように設けられている。各リレー４６、４８は通常クローズ（ＮＣ）状態から通常オープン（ＮＯ）状態に切り替えられ、安定器からのびる一方または両方の出力リード線（output leads）は切り離される（disconnected）。

本発明の安定器の配置構造は、９０％を超えるオーダの効率を実現している。これは、６０％〜７０％のオーダの効率を有する従来の安定器の配置構造と対照的である。

新規なものとしてクレームされ、特許証によって保護されることを望む内容は、添付の特許請求の範囲に記載されている。

Claims

直流電源を有する吊り下げ天井システム内で異なる向きに取り付け可能な照明装置のための安定器の配置構造であって、前記配置構造は、通常動作の期間に前記装置のランプを点灯可能とするメイン直流安定器回路と、前記直流電源の停止に伴う緊急動作の期間に前記装置の前記ランプを点灯可能とする緊急バックアップ直流安定器回路と、前記装置のある向きにおいては所定の極性で、前記装置の別の向きにおいては逆の極性で、前記直流電源に接続される一対の直流入力端子とを有し、
自動極性保護回路が、前記直流入力端子に接続され、前記装置が取り付けられる前記向きにかかわらず一定の極性の出力直流電圧を供給し、
前記メイン直流安定器回路が、前記通常動作の期間に前記装置の前記ランプを点灯可能とするために前記保護回路からもたらされる前記出力直流電圧によって駆動されるメイン直流安定器を含み、
前記緊急バックアップ直流安定器回路が、前記通常動作の期間に前記出力直流電圧によって充電直流電圧となるまで充電されるバッテリーと、前記緊急動作の期間に前記装置の前記ランプを点灯可能とするために前記バッテリーからもたらされる前記充電直流電圧によって駆動される緊急直流安定器とを含むことを特徴とする安定器の配置構造。
前記保護回路は、高効率のＤＣ−ＤＣブリッジであり、逆の型の第１の一対の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタであるＭＯＳＦＥＴを有する第１分岐回路と、逆の型の第２の一対のＭＯＳＦＥＴを有する第２分岐回路とを含み、前記第１分岐回路および前記第２分岐回路が、前記第１の一対のＭＯＳＦＥＴと前記第２の一対のＭＯＳＦＥＴとの間でブリッジされていることを特徴とする請求項１に記載の安定器の配置構造。
前記保護回路は、前記ＭＯＳＦＥＴのゲートにおいてバイアス電圧を安定した値に保持するための複数のツェナーダイオードを含むことを特徴とする請求項２に記載の安定器の配置構造。
前記保護回路からもたらされる前記出力直流電圧と前記直流電源からもたらされる供給直流電圧との差は、前記高効率のＤＣ−ＤＣブリッジの前記ＭＯＳＦＥＴの低い挿入損失のおかげで０．１Ｖ以下となっていることを特徴とする請求項２に記載の安定器の配置構造。
前記保護回路と前記緊急バックアップ直流安定器回路との間に設けられた、前記出力直流電圧を、前記安定器回路を駆動するための減少直流電圧に減圧変換するための高効率のＤＣ−ＤＣコンバータを有していることを特徴とする請求項１に記載の安定器の配置構造。
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、アクティブな集積回路制御チップを有し、挿入損失が低いものであることを特徴とする請求項５に記載の安定器の配置構造。
前記直流電源の停止を検出し、かつ、該停止の検出時に前記緊急バックアップ直流安定器回路を駆動可能とするための検出回路を有していることを特徴とする請求項１に記載の安定器の配置構造。
前記吊り下げ天井システムのフレームワークにおける開口において前記向きのいずれかで前記安定器の配置構造を支持するためのハウジングを有していることを特徴とする請求項１に記載の安定器の配置構造。
前記ランプは、蛍光のランプであって、前記蛍光の装置は、前記吊り下げ天井システムのグリッドフレームワークのフレーム要素によって形成された開口において異なる向きで取り付け可能となっていること特徴とする請求項１に記載の安定器の配置構造。