JP2019503639A - 交流電流を遮断するための回路 - Google Patents

交流電流を遮断するための回路 Download PDF

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Abstract

本発明は、交流電流を遮断するための回路(100)に関し、本回路(100)は、交流電流(AC)を受電するように拵えられた入力端(102)と、交流電流(AC)を少なくとも1つの電気負荷体(200n)に供給するように拵えられた出力端(104)と、入力端(102)と出力端(104)との間に連結された少なくとも1つの制御可能スイッチ(106;108)と、入力端(102)と出力端(104)との間に連結されたインピーダンスネットワーク(Z)と、コントローラ(110)と少なくとも1つの制御可能スイッチ(106;108)とに共通な基準接地(112)に連結された該コントローラ(110)であって、コントローラ(110)は、インピーダンスネットワーク(Z)のノードと基準接地(112)との間で少なくとも1つの測定電圧(V1;V2)を計測し、計測された少なくとも1つの測定電圧(V1;V2)の値に基づいて、少なくとも1つの電気負荷体(200n)に供給される交流電流(AC)の遮断を制御するために、該少なくとも1つの制御可能スイッチ(106;108)を制御するように拵えられる、該コントローラ(110)と、
を含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、交流電流を遮断するための回路に関する。
当該技術分野では、交流電流(AC)を遮断するための諸回路が知られている。
1つの対処策は、印加電流が公称値よりも大きいすなわち過電流の場合に電流を遮断する周知のヒューズである。印加電流は、ヒューズの金属ワイヤまたはストリップが過電流により融解して遮断される。
当該技術分野で知られる別の対処策は、電気負荷体を含め、電気回路を過電流に起因する損傷から保護するように拵えられたサーキットブレーカである。ヒューズと違って、サーキットブレーカは、正常な動作に復帰するため、手動でまたは自動でリセットすることができる。
本発明の諸実施形態の目的は、従来技術の欠点および問題を軽減または解決する対処策を提供することである。
前述のおよびさらなる目的は、独立請求項の主題によって達成される。本発明のさらなる有利な実装形態が従属請求項および他の諸実施形態によって定義される。
本発明の或る態様によれば、前述のおよび他の目的は、交流電流を遮断するための回路によって達成され、該回路は、
交流電流を受電するように拵えられた入力端と、
少なくとも1つの電気負荷体に交流電流を供給するように拵えられた出力端と、
入力端と出力端との間に連結された少なくとも1つの制御可能スイッチと、
入力端と出力端との間に連結されたインピーダンスネットワークと、
コントローラと該少なくとも1つの制御可能スイッチとに共通な基準接地に連結された該コントローラであって、該コントローラは、インピーダンスネットワークのノードと基準接地との間で少なくとも1つの測定電圧を計測し、計測された少なくとも1つの測定電圧の値に基づいて少なくとも1つの電気負荷体に供給される交流電流の遮断を制御するために、少なくとも1つの制御可能スイッチを制御するように拵えられる、該コントローラと、
を含む。
少なくとも1つの制御可能スイッチおよびインピーダンスネットワークは、入力端と出力端との間に直列に連結される。インピーダンスネットワークにおいて測定電圧を計測することによって、コントローラは、過電流および/または短絡を検出することが可能で、したがって、回路および少なくとも1つの電気負荷体への損傷を回避するために少なくとも1つの制御可能スイッチを開放することができる。
ACを遮断するための回路の第一態様の一実施形態において、本回路は、コントローラと少なくとも1つの制御可能スイッチとの間に連結された駆動回路をさらに含み、該駆動回路は、少なくとも1つの制御可能スイッチを制御するためにコントローラによって使用される制御信号を増幅するように拵えられる。
コントローラからの制御信号は、多くの場合、低すぎる電圧または電流を有し、このことは、少なくとも1つのスイッチが所望通りに開または閉にならないことを意味する。駆動回路は、コントローラによって送信される制御信号を増幅することによってこの問題を解決する。
ACを遮断するための回路の前述の態様の別の実施形態において、本回路は、相互に直列に連結され入力端と出力端との間に配置された第一制御可能スイッチおよび第二制御可能スイッチを含む。
ACを遮断するための回路の前述の態様のさらに別の実施形態において、インピーダンスネットワークが、第一制御可能スイッチと第二制御可能スイッチとの間に連結される。
ACを遮断するための回路の前述の態様のさらに別の実施形態において、コントローラは、インピーダンスネットワークの第一ノードと基準接地との間の第一測定電圧、およびインピーダンスネットワークの第二ノードと基準接地との間の第二測定電圧を計測し、該第一計測測定電圧および第二計測測定電圧の値に基づいて、少なくとも1つの制御可能スイッチを制御するようにさらに拵えられる。第一ノードと第二ノードとは、インピーダンスネットワークの相異なるノードである。
この第一および第二測定電圧の両方を使うことによって、コントローラは、短絡(第一測定電圧)および過電流(第二定電圧)の両方を検出することができる。これにより、改良された検出が可能である。さらに、この第一および第二測定電圧は、少なくとも1つの負荷体の電力消費パターンを判断し、および/または該少なくとも1つの電気負荷体の種類を判断するために用いることができる。
ACを遮断するための回路の前述の態様のさらに別の実施形態において、インピーダンスネットワークは、第一制御可能スイッチと第二制御可能スイッチとの間に連結されたリミッタ/遅延回路を含み、このリミッタ/遅延回路は、交流電流の変化の速度を制限/遅延するように拵えられる。
このリミッタ/遅延回路によって、過電流を検出し、該リミッタ/遅延回路が過電流を制限/遅延するので、電流が損傷レベルに達する前に少なくとも1つの制御可能スイッチを開放することが可能である。
ACを遮断するための回路の前述の態様のさらに別の実施形態において、このリミッタ/遅延回路はインダクタを含む。或る実施形態によれば、このリミッタ/遅延はチョークコイルである。
ACを遮断するための回路の前述の態様のさらに別の実施形態において、少なくとも1つの制御可能スイッチは、電界効果トランジスタ、FETである。
ACを遮断するための回路の前述の態様のさらに別の実施形態において、第一制御可能スイッチおよび第二制御可能スイッチとは、入力端と出力端との間に相反対に連結される。
第一FETと第二FETが相反対向きに連結されるので、交流電流は双方向に阻止される。
ACを遮断するための回路の前述の態様のさらに別の実施形態において、この基準接地は、該少なくとも1つの電気負荷体に対する接地とは異なる。
負荷体に対する接地とは異なる基準接地を有することによって、前述の電気部品は230または110ボルトなどの高い電圧に適応する必要がないので、より小型でより低廉な電気部品を使用することが可能である。さらに、交流電流を遮断するための本回路は、従来型のサーキットブレーカに連結しその中に搭載することもできる。
ACを遮断するための回路の前述の態様のさらに別の実施形態において、コントローラは、
少なくとも1つの電気負荷体の電力消費パターンをモニタし、
該少なくとも1つの電気負荷体のモニタされた電力消費パターンに基づいて、少なくとも1つの制御可能スイッチを制御する、
ようにさらに拵えられる。
ACを遮断するための回路の前述の態様のさらに別の実施形態において、コントローラは、
モニタされた電力消費パターンに基づいて、少なくとも1つの電気負荷体の種類を判断する、
ようにさらに拵えられる。
ACを遮断するための回路の前述の態様のさらに別の実施形態において、コントローラは、
少なくとも1つの電気負荷体の判断された種類に基づいて、少なくとも1つの制御可能スイッチを制御する、
ようにさらに拵えられる。
ACを遮断するための回路の前述の態様のさらに別の実施形態において、コントローラは、
少なくとも1つの負荷体に対しモニタされた電力消費パターンおよび判断された種類の何れかを別のコントローラまたはシステムに送信する、
ようにさらに拵えられる。
ACを遮断するための回路の前述の態様のさらに別の実施形態において、コントローラは、
少なくとも1つの電気負荷体に関連する少なくとも1つの情報要素および少なくとも1つの命令の何れかを受信し、
該少なくとも1つの情報要素および少なくとも1つの命令の何れかに基づいて、少なくとも1つの制御可能スイッチを制御する、
ようにさらに拵えられる。
ACを遮断するための回路の前述の態様のさらに別の実施形態において、コントローラは、少なくとも1つの情報要素および少なくとも1つの命令要素の何れかの表示を含む通信信号を受信するように拵えられた、ワイヤレス受信手段および有線受信手段の何れかを含む。このことは、コントローラが、ワイヤレス受信手段だけを、有線受信手段を、またはワイヤレスおよび有線受信手段を、含んでよいことを意味する。
ACを遮断するための回路の前述の態様のさらに別の実施形態において、少なくとも1つの電気負荷体は、家庭用電気機器または電気ヒータの何れかである。該電気負荷体は、ACを遮断する回路の出力端に接続され、ACを供給されるように構成された任意の電気デバイスであってよい。
本発明のさらなる応用および利点は以下の詳細な説明から明らかとなろう。
添付の図面は、本発明の各種の実施形態を明らかにし説明するように意図されている。
本発明の或る実施形態による回路を示す。 本発明の或る実施形態による回路を示す。 本発明の或る実施形態による回路を示す。 本発明の或る実施形態による回路を示す。 本発明の或る実施形態による回路を示す。 本発明の或る実施形態による回路を示す。 本発明の或る実施形態によるコントローラを示す。 本発明の或る実施形態によるインピーダンスネットワークを示す。 本発明の或る実施形態による回路を示す。 本発明の或る実施形態によるトランジスタネットワークを示す。 本発明の或る実施形態によるトランジスタネットワークを示す。 本発明の或る実施形態による結合回路を示す。 本発明の或る実施形態による装置を示す。 図12a〜cいくつかの環境発電の方法を示す。
図1は、本発明の或る実施形態による、交流電流を遮断するための回路100を概略的に示す。回路100は、1つ以上の電気負荷体200a、200b、・・・、200N(インデックスn=a、b、・・・、Nを有する)に連結される。交流電流(AC)が回路100の入力端102に供給され、回路100の出力端104を介して負荷体200a、200b、・・・200Nに転送される。一実施形態において、この電流はいわゆる幹線交流電流である。したがって、負荷体200a、200b、・・・200Nは、家庭用電気機器および/または電気ヒータおよび/または他の家庭用電子機器であってよい。
図2は、本発明による、交流電流を遮断するための回路100の別の実施形態を示す。回路100は、電流を受電するように拵えられた入力端102、および少なくとも1つの電気負荷体200nに電流を供給するように拵えられた出力端104を含む。回路100は、入力端102と出力端104との間に連結された少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108をさらに含む。さらに、回路100は、コントローラ110と少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108とに共通な基準接地112に連結された該コントローラ110を含む。コントローラ110は、出力端104を介して少なくとも1つの電気負荷体200nに供給される電流の遮断を制御するために、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を制御するように拵えられる。基準接地112は、本回路ブレーカ100中の1つ以上の電圧差異を測定するための基準電位として用いられそう機能する。
少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108は、リレー、サイリスタ、トライアック、ゲートターンオフサイリスタ、トランジスタ、およびシリコン制御整流器の任意の他の型、を含む群中の何れであってもよい。
少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108の制御は、図2に示されるように、コントローラ110と該少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108との間に連結された制御手段130を使って行うことができる。制御手段130は、例えば、1つ以上の相異なる制御電圧または電流など、該少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を開閉するためのいろいろなレベルを有し得る制御信号を搬送することが可能である。過電流が検出されると、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108は開にスイッチされこれにより印加電流を遮断する。
図3は、本発明による、交流電流を遮断するための回路100のさらに別の実施形態を示す。この実施形態における回路100は、2つの制御可能スイッチ、すなわち、第一制御可能スイッチ106および第二御可能スイッチ108を含み、これらは、図3に示されるように、相互に直列に連結され入力端102と出力端104との間に配置されている。一実施形態において、スイッチ106、108は、入力端102と出力端104との間に直列に相反対に連結された電界効果トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)である。FETは一方向の電流を阻止し、しかしてこの実施形態における2つのFETは、電流の方向に対して相反対向きに連結されている。これらのFETは、高速なスイッチング時間(スイッチを開閉するための時間間隔)を有し、これは、過電流が検出されたとき、FETを通る電流が極めて迅速に遮断でき、これにより、回路および出力端104に連結された負荷体への損傷を限定または排除できることを意味する。好ましくは、一実施形態において、これら2つのFETは、共通のゲート電圧を用いる同じ制御手段によって制御され、これによりアーキテクチャが簡素化される。図3中の例は、コントローラ110が、別々の制御手段130を介してスイッチ106、108を制御することを示している。但し、コントローラ110は、前述のように、共通の制御手段130を介してこれらのスイッチ106、108を制御することも可能である。
一実施形態において、回路100は、コントローラ110と制御可能スイッチ106、108との間に連結された少なくとも1つの駆動回路114を含む。この駆動回路114は、制御手段130を介してスイッチ106、108を制御するためコントローラ110によって使用される制御信号を増幅するように拵えられる。これは、例えば、制御可能スイッチに送信される制御電圧および電流の何れかを上昇しなければならないときに必要になり得る。例えば、駆動回路114は、10〜15ボルトの供給を受け、その電圧をFETのゲート側に送電するように拵えることができる。
また、図3において、基準接地112は、図3中で300として示されている、少なくとも1つの電気負荷体200nに対する接地とは異なることに留意する。該少なくとも1つの電気負荷体200nは、多くの場合共通の接地を有し、本対処策において、この共通の接地は基準接地112とは異なる。
図4aは、交流電流を遮断するための回路100のさらに別の実施形態を示し、この例では、これは少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108と入力端102との間に連結されたインピーダンスネットワークZを含む。コントローラ110は、インピーダンスネットワークZにおいて少なくとも1つの測定電圧V1;V2を計測し、該少なくとも1つの計測測定電圧V1;V2の値に基づいて、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を制御するように拵えられる。言い換えれば、コントローラ110は、計測された少なくとも1つの測定電圧V1;V2の値に基づいて、少なくとも1つの電気負荷体200nに供給される交流電流ACの遮断を制御する。該少なくとも1つの計測測定電圧V1;V2は、インピーダンスネットワークZのノードと基準接地112との間の電位の差異として計測される。少なくとも1つの計測測定電圧V1;V2は、短絡および/または過電流を検出するためコントローラ110によって使用することができる。したがって、該少なくとも1つの測定電圧V1;V2を使って、少なくとも1つの電気負荷体200nおよび回路を保護することができる。
インピーダンスネットワークZは、インピーダンスネットワークZにおいて少なくとも1つの測定電圧V1;V2が計測/検出/取得できるように構成することができる。1つの対処策は、抵抗素子をまたいで測定電圧が計測される該測定抵抗素子(図4aには示さず)を置くことである。この測定抵抗素子の抵抗に対する基準値は、例えば110または230ボルトのAC幹線に対し約0.01オーム以下としてよい。この測定電圧は、コンパレータ(図4aには示さず)中の閾値電圧と比較することが可能で、該測定電圧が閾値電圧を超える場合、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108は、過電流が回路/コンポーネントおよび/または出力端104に連結された少なくとも1つの電気負荷体を損傷するのを防止すべく、開位置を取るように制御される。しかして、過電流を検出するために少なくとも1つの測定電圧V1;V2が用いられる。
図4aに示された実施形態において、コントローラ110は、基準接地112とインピーダンスネットワークZの第一ノードとの間の電圧差異である第一測定電圧V1を計測し、基準接地112とインピーダンスネットワークZの第二ノードとの間の電圧差異である第二測定電圧V2を計測するようにさらに拵えることが可能である。第一測定電圧V1および第二測定電圧V2の例が図6に示されている。
コントローラ110は、第一計測測定電圧V1の値および第二計測測定電圧V2の値に基づいて、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を制御するように構成される。第一計測測定電圧V1は、出力端104に連結された負荷体の変化に関連付けることが可能で、これにより短絡を示すことができる。第二計測測定電圧V2は、本回路100を流通する電流に直接比例させることが可能で、これにより過電流を示すことができる。
図4aに示された回路100の実施形態において、インピーダンスネットワークZは、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108と入力端102との間に連結される。但し、いくつかの実施形態において、インピーダンスネットワークZは、代わりに少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108と出力端104との間に連結してもよい。1つのかかる実施形態による回路100が図4b中に示されている。図4b中に示された実施形態中のコントローラ110は、図4aに示されたのと同様にして、インピーダンスネットワークZのノードと基準接地112との間で少なくとも1つの測定電圧V1;V2を計測し、該計測された少なくとも1つの測定電圧V1;V2の値に基づいて、少なくとも1つの電気負荷体200nに供給される交流電流ACの遮断を制御するために、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を制御するように拵えられる。
図4b中に示されたインピーダンスネットワークZは、図4aを参照して前述したように、インピーダンスネットワークZで1つ以上の測定電圧V1;V2が計測可能なように構成される必要がある。しかして、図4b中に示されたコントローラ110は、第一測定電圧V1、第二測定電圧V2、または第一測定電圧V1および第二測定電圧V2の両方を計測するように拵えることが可能であり、コントローラ110は、第一計測測定電圧V1の値および/または第二計測測定電圧V2の値に基づいて、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を制御することができる。図4aを参照して前述したように、第一計測測定電圧V1は、例えば、短絡を示すことができ、第二計測測定電圧V2は、例えば、過電流を示すことができる。
図4cは、交流電流を遮断するための回路100のさらに別の実施形態を示し、この特定の例では、本回路は、2つの制御可能スイッチ106、108を、第一制御可能スイッチ106と第二制御可能スイッチ108との間に連結されたインピーダンスネットワークZとともに含む。これにより、コントローラ110は、インピーダンスネットワークZで少なくとも1つの測定電圧V1;V2を計測し、該計測測定電圧V1;V2の値に基づいて、第一制御可能スイッチ106および第二制御可能スイッチ108を制御するように拵えられる。該少なくとも1つの計測測定電圧V1;V2は、インピーダンスネットワークZのノードと基準接地112との間の電位の差異として計測される。この少なくとも1つの計測測定電圧V1;V2は、短絡および/または過電流を検出するためにコントローラ110が使用することができる。これにより、少なくとも1つの計測測定電圧V1;V2を使って、少なくとも1つの電気負荷体200nおよび回路を保護することができる。
図4aを参照して前述したように、インピーダンスネットワークZは、1つ以上の測定電圧V1;V2がインピーダンスネットワークZで計測できるように構成される必要がある。しかして、図4c中に示されたコントローラ110は、第一測定電圧V1、第二測定電圧V2、または第一測定電圧V1および第二測定電圧V2の両方を計測するように拵えることが可能であり、コントローラ110は、第一計測測定電圧V1の値および/または第二計測測定電圧V2の値に基づいて、第一制御可能スイッチ106および第二制御可能スイッチ108を制御することができる。図4aを参照して前述したように、第一計測測定電圧V1は、例えば短絡を示すことができ、第二計測測定電圧V2は、例えば過電流を示すことができる。
1つのさらなる実施形態において、説明された実施形態の何れかによって配置されたインピーダンスネットワークZは、リミッタ/遅延回路を含む(図6参照)。このリミッタ/遅延回路は、例えば過電流など、電流の変化の速度を制限/遅延するように拵えられる。この制限/遅延は、好ましくは、過電流が回路、または出力端104に接続された少なくとも1つの電気負荷体に達する前に、コントローラ110が、過電流を検出し、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を介して該電流を遮断するための時間が持てるオーダーである。過負荷としても知られるこの過電流は、多くの場合、短絡、電気負荷体の過負荷、電気負荷のミスマッチ、および電気デバイスの故障に起因する。
リミッタ/遅延回路を設けるためのいくつかの異なる対処策がある。1つの対処策において、リミッタ/遅延回路は、図6中にL1として示されるインダクタを含む。
図6は、入力端102と出力端104との間に、電流に対して相反対向きに直列に連結された、第一FET106および第二FET108を含む実施形態を示す。これら2つのFETは、同じ制御電圧をゲート電圧として使用する同一の制御手段130によって制御される。この回路100は、これらFETの間に連結され、第一測定電圧V1および第二測定電圧V2が計測される箇所であるインピーダンスネットワークZをさらに含む。
或る実施形態によれば、インピーダンスネットワークZは、インダクタL1と並列に連結された第一抵抗素子R1を含む。第一抵抗素子R1およびインダクタL1は一緒に、第二抵抗素子R2に直列に連結されてよい。いくつかの実施形態によれば、第二抵抗素子R2は省略されてもよい。第一電圧V1は、第一ノードと基準接地112との電位の間で(電位差として)採取可能で/測定され/検出される。この第一ノードは、第一制御可能スイッチ106と、第一抵抗素子R1およびインダクタL1の並列連結との間に配置される。この基準接地112は、少なくとも1つの電気負荷体200nに対する基準電圧とは異なっており、この基準電圧は、少なくとも1つの負荷体200nが接続されているネットワークの、ゼロ/中性電圧であっても、アース/接地された中性電圧であっても、保護アース/接地電圧であっても、別の位相および/または別の適切な基準電位であってもよい。第一電圧V1は、出力端104に連結された負荷体の変化に関連しており、しかして短絡を示す。
第二電圧V2は、第二ノードと基準接地112との間で(電位差として)採取可能であり/測定される。基準112は、前述したように、少なくとも1つの電気負荷体200nに対する基準電圧とは異なる。第二ノードは、第二抵抗素子R2と、第一抵抗素子R1およびインダクタL1の並列連結との間に配置される。これにより、第二抵抗素子R2をまたいで第二電圧V2が得られ、これは第二抵抗素子R2を通り流れ、しかして交流電流遮断回路100を通る電流に直接比例し、過電流を示す。したがって、第二電圧V2は、該少なくとも1つの負荷体200nの電力消費をモニタするのにも適しており、電力消費パターンを判断するのに使用することが可能である。さらに、低周波において、交流電流ACはインダクタL1と第二抵抗素子R2とを通り、このときL1は基本的に短絡路であり、この場合、第一電圧と第二電圧とは等しい、すなわちV1=V2の関係となる。出力端104に連結された1つ以上の負荷体が急速に変化した場合(これは高周波信号として見ることができる)、インダクタL1は高いインピーダンスを有し、電流のブレーキまたはストッパとして機能する。インダクタL1をまたいだ電圧は、しかして周波数に相関し、したがって周波数の増大とともにインピーダンスも増大するので、非常に高くなり得る。この場合、第一抵抗素子R1は、電圧が過剰に高くなるのを防止する電流シャントとして機能する。或る実施形態によれば、例えば、ツェナー機能を有する少なくとも1つのダイオードを含む、少なくとも1つの保護回路が、インダクタL1および第一抵抗素子R1と並列に連結される。
本発明のさらなる応用は、少なくとも1つの電気負荷体の電力消費および該少なくとも1つの電気負荷体を制御することに関し得る。
一実施形態において、コントローラ110は、少なくとも1つの電気負荷体200nの電力消費パターンをモニタし、該少なくとも1つの電気負荷体200nのモニタされた電力消費パターンに基づいて、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を制御するように拵えられる。この電力消費パターンは、前述の、測定され/検出され/取得された少なくとも1つの電圧V1;V2を用い、解析することによってモニタすることができる。これにより、コントローラ110は、負荷体の種類に応じ、例えば、安全のため負荷体をシャットダウンしまたはより高いもしくは低い電流量を供給するなど、該負荷体に供給される電流を調節することが可能である。また、コントローラ110は、電力消費パターンが異常な場合、すなわち、例えば、過渡事象、段差、または他の突然の変化を含め、電力消費パターンに予期されないおよび/または不都合が見られる場合、交流電流ACの遮断が遂行されるように、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を制御するように拵えることが可能である。
この点に関し、コントローラ110は、モニタされた電力消費パターンに基づいて、少なくとも1つの負荷体200nの種類を判断するようにさらに拵えられてよい。負荷体のそれぞれの種類は、識別が可能なそれ自体の電力消費パターンを有する。前述のように、測定され/検出され/取得された少なくとも1つの電圧V1;V2を用い解析することによって、少なくとも1つの負荷体200nの種類を判断することが可能である。しかして、この対処策において、コントローラ110は、負荷体の種類を判断または識別する能力をさらに有し、このことは、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108が、該判断されまたは識別された負荷体の種類に基づいて制御できることを意味する。
さらに別の実施形態において、コントローラ110は、少なくとも1つの電気負荷体200nに関連する少なくとも1つの情報要素IEおよび少なくとも1つの命令Iの何れかを受信するように拵えられる。コントローラ110が、これら少なくとも1つの情報要素IEおよび少なくとも1つの命令Iの何れかに基づいて、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を制御するようにさらに拵えられた、1つのかかる実施形態が図5に示されている。このため、コントローラ110は、少なくとも1つの情報要素IEおよび少なくとも1つの命令Iの少なくとも何れかの表示を含む通信信号を受信するように拵えられた、ワイヤレス受信手段304aおよび有線受信手段304bの何れかを含む。前述の命令Iは、例えば、コントローラ110に対する作業モードおよび/または作業定数もしくは変数などを定義する、内部元来の機能および/または外部入力命令であってよい。情報要素IEおよび命令Iは、既知の通信プロトコルの制御シグナリングで送信することができる。この点では、例えば、3GPP、WiFiまたはITU規格を使えばよい。
また、コントローラ110は、少なくとも1つの電気負荷体を制御するため、該少なくとも1つの電気負荷体200nのモニタされた電力消費パターンおよび該少なくとも1つの電気負荷体の判断された種類の何れかを使って情報要素IEと命令Iとを組み合わせるように拵えることができる。
コントローラ110は、少なくとも1つの電気負荷体200nのモニタされた電力消費パターンおよび/または該少なくとも1つの電気負荷体200nの判断された種類を、さらなる処理のため他のコントローラまたは制御デバイスに送信するための送信用有線/ワイヤレス通信手段をさらに含むことが可能である。
コントローラ110は、図5に示されたようなスタンドアローンデバイスであってもよいが、別の実施形態では、例えば、コントローラ110の各種機能が空間的に相異なる場所に配置される、分散システムの一部であってもよい。例えば、コントローラ110は、マスタコントローラと複数のスレーブコントローラ(図面には示されていない)を含んでいてよい。インテリジェンスはマスタコントローラに置かれ、該コントローラが、ワイヤレスおよび/または有線の適切な通信手段を介して、スレーブコントローラを言わば制御する。
コントローラ110は、マイクロコントローラであってよく、通信を管理し、少なくとも1つの制御可能スイッチおよび/またはスレーブコントローラを制御するための少なくとも1つのプロセッサ含むことができる。さらに、当業者なら認識しているように、本コントローラ110は、本対処策を実施するため必要な他の能力を、例えば、機能、手段、ユニット、素子などの形で含むことが可能である。他のかかる手段、ユニット、素子、および機能の諸例には、プロセッサ、メモリ、バッファ、制御ロジック、トランスミッタ、レシーバ、エンコーダ、デコーダ、レートマッチャ、デレートマッチャ、マッピングユニット、マルチプライヤ、判定ユニット、選択ユニット、スイッチ、インターリーバ、デインターリーバ、モジュレータ、デモジュレータ、入力端、出力端、アンテナ、アンプ、レシーバユニット、トランスミッタユニット、DSP、TCMデコーダ、電源ユニット、給電線、通信インターフェース、通信プロトコルなどがあり、これらは、本対処策を実施するために一緒に適切に配置される。
なかんずく、本コントローラ110のプロセッサまたはプロセッサ群は、例えば、中央処理装置(CPU:Central Processing Unit)、処理ユニット、処理回路、プロセッサ、特定用途向け集積回路(ASIC:Application Specific Integrated Circuit)、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、または命令を解釈して実行することが可能な他の処理ロジックの1つ以上のインスタンスを含んでよい。「プロセッサ」との表現は、しかして、例えば、前述したインスタンスの何れか、その一部、もしくは全部、または別の周知のプロセッサなど、複数の処理回路を含む処理回路系を表し得る。この処理回路系は、呼び出し処理制御、ユーザインターフェース制御、または類似の制御など、データバッファリングおよびデバイス制御機能を含め、データの入力、出力、および処理に対するデータ処理機能をさらに実行することが可能である。
いくつかの実施形態において、回路100にトランジスタネットワーク120を加えることができ、これはコントローラ110と一緒になって、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108の複合制御を提供する。図7は、かかる実施形態による回路100を示し、この回路では、該少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を制御するために、コントローラ110およびトランジスタネットワーク120の両方が用いられる。この実施形態の回路100は、本明細書に記載の諸実施形態の何れか1つによるコントローラ110を含む。また、この回路は少なくとも1つのトランジスタTTN1;TTN2を包含するトランジスタネットワーク120も含む。トランジスタネットワーク120は、インピーダンスネットワークZの少なくとも1つのノードの少なくとも1つの電圧V1;V2の値に基づいて、少なくとも1つの電気負荷体200nに供給される交流電流ACの遮断を制御するため、該少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を制御するように拵えられる。この回路100は、コントローラ110とトランジスタネットワーク120とを用い、該少なくとも1つの電圧V1;V2の値に基づいて、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108の複合制御を提供するように拵えられた結合回路150をさらに含む。これにより、コントローラ110およびトランジスタネットワーク120の両方を用いる、該少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108の複合制御が提供される。トランジスタネットワーク120は、コントローラ110と同じ基準接地112に連結されてよい。
トランジスタネットワーク120は、交流電流の遮断が非常に迅速に遂行できるように、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を制御するように拵えることが可能である。これによって、スイッチングをトリガした電流による、負荷体200nおよび/または回路100自体の損傷に対するリスクは極めて低くなる。トランジスタネットワーク120によって提供される、該少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108の制御は、例えば、コントローラ110など、プロセッサを含む制御回路によって提供される制御よりも、格段に迅速なスイッチング、例えば100〜1000倍も速いスイッチングをもたらし得る。他方で、コントローラ110は、交流電流ACの遮断が、例えば、制御がトランジスタネットワーク120だけによって提供されるときに、交流電流ACの遮断をトリガするであろう電力消費よりも低い電力消費など、少なくとも1つの電気負荷体200nのより低い電力消費に対してトリガされるように、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を制御するように拵えることが可能である。しかして、該少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108の、トランジスタネットワーク120とコントローラ110との両方を用いる複合制御によって、交流電流ACの遮断は、極めて迅速且つ最早非常に低い電力消費の双方で遂行が可能である。
図8および9は、いくつかの実施形態に対する、トランジスタネットワーク120のさらなる詳細を概略的に示す。図8中に示された実施形態は、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を含み、一方、図9中に示された実施形態は、2つの制御可能スイッチ106、108を含む。上記で説明したように、図8および9中に示された実施形態のトランジスタネットワーク120は、交流電流ACの遮断が、インピーダンスネットワークZの少なくとも1つのノードの少なくとも1つの電圧V1;V2に基づいて制御されるように、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を制御するように拵えられた2つのトランジスタTTN1;TTN2を含む。
いくつかの実施形態において、トランジスタネットワーク120は、自律的ネットワークとして機能し得る。自律的ネットワークは、少なくとも1つの電圧V1;V2だけに基づいて、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を自主的に制御するように拵えられる。しかして、トランジスタネットワーク120それ自体は制御される必要はなく、また、いくつかの実施形態によれば、該少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108の制御を行うために外部から電圧の供給を受ける必要はない。
また、いくつかの実施形態によれば、本明細書に記載のトランジスタネットワーク120は、電圧コンパレータ回路として、すなわち、少なくとも1つの電圧比較に基づいて少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108を制御する回路として機能するように拵えられてよい。
トランジスタネットワーク120は、少なくとも1つのトランジスタTTN1;TTN2の制御入力端に直列に連結された少なくとも1つの抵抗素子RTN1;RTN2を含んでよい。図8および9に示されるように、トランジスタネットワーク120は、1つずつの抵抗素子が2つのトランジスタTTN1、TTN2の各1つの制御入力端に直列に連結された、2つの抵抗素子RTN1;RTN2を含むことができる。
さらに詳しくは、図8に示されるように、第一抵抗素子RTN1は、インピーダンスネットワークZと少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108との間に配置された基準接地112ノードと、第一トランジスタTTN1の制御入力端との間に連結されてよい。図9中に示された、2つの制御可能スイッチ106、108を有する実施形態に対して、第一抵抗素子RTN1は、インピーダンスネットワークZと第二制御可能スイッチ108との間に配置された基準接地112ノードと、第一トランジスタTTN1の制御入力端との間に連結されてよい。さらに、第一トランジスタTTN1のエミッタ/ソースは、少なくとも1つの電圧V1;V2に対応する電位を有する、インピーダンスネットワークZの少なくとも1つのノードに連結される。第一トランジスタTTN1のコレクタ/ドレインは、できれば直接に、または駆動および/またはロジック回路を介して間接的に、該少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108に連結される。
第二抵抗素子RTN2は、図8および9に示されるように、例えば、少なくとも1つの電圧V1;V2を提供する第一ノードなどのインピーダンスネットワークZのノードと、第二トランジスタTTN2の制御入力端との間に連結することが可能である。さらに、第二トランジスタTTN2のエミッタ/ソースは、インピーダンスネットワークZと、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108との間に配置された基準接地112ノードに連結される。図9中に示された、2つの制御可能スイッチ106、108を有する実施形態に対して、第二トランジスタTTN2のエミッタ/ソースは、インピーダンスネットワークZと第二制御可能スイッチ108との間に配置された基準接地112ノードに連結される。第二トランジスタTTN2のコレクタ/ドレインは、できれば直接に、または駆動および/またはロジック回路を介して間接的に、該少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108に連結される。
本明細書に記載の1つ以上のトランジスタTTN1;TTN2は、制御入力端としてベースピンを有するバイポーラ接合トランジスタ(BJT:bipolar junction transistor)、または制御入力端としてゲートピンを有する電界効果トランジスタ(FET)であってよい。さらに、バイポーラ接合トランジスタも同様にエミッタピンおよびコレクタピンを含み、一方、電界トランジスタもまたソースピンおよびドレインピンを含む。
少なくとも1つの抵抗素子RTN1;RTN2は、少なくとも1つのトランジスタTTN1;TTN2が過電流に対し保護されるのに十分な大きさの値を持つ抵抗を有することができる。また、該少なくとも1つの抵抗素子RTN1;RTN2は、少なくとも1つのトランジスタTTN1;TTN2がそのリニア域/モードにおいて作動する間の時間間隔を短縮するのに十分な低さの値を持つ抵抗を有することが可能である。
図10は、結合回路150の或る実施形態をさらに詳しく示す。或る実施形態によれば、結合回路150は、トランジスタネットワーク120およびコントローラ110のそれぞれから、制御信号を受信する第一INおよび第二IN入力端を含んでよい。結合回路150は、第一IN入力端と第二IN入力端との間に、それぞれ直列に連結された第一RIN1および第二RIN2抵抗素子、ならびに第一RIN1抵抗素子と第二RIN2抵抗素子との間のノードに連結された出力端を含んでよい。これにより、図7中に示されるように、結合回路150の出力端によって、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108に複合制御信号が供給される。少なくとも1つの駆動回路114が、結合回路150と制御可能スイッチ106、108(図7に示さず)との間に連結されてよい。前述のように、この駆動回路114は、制御手段130を介して、スイッチ106、108を制御するため使用される制御信号を増幅するように拵えられる。
また、前述のように、インピーダンスネットワークZは、少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108と出力端104との間に連結されてもよい。しかして、図7〜9に示されたものに対応し、前述された、だがインピーダンスネットワークZが、代わりに少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108と出力端104との間に連結された実施形態も、同様に本発明の範囲内に含まれる。これらの実施形態は、インピーダンスネットワークZが、異なる配置、すなわち該少なくとも1つの制御可能スイッチ106;108と出力端104との間に配置されていることの違いはあるが、図7〜9中に示された各それぞれの実施形態に対して前述された内容に相応して機能する。
図11は、本発明の或る態様による、交流電流AC遮断装置500を概略的に示す。交流電流AC遮断装置500は、本明細書に記載の実施形態の何れかによる入力端102、出力端104、および交流電流遮断回路100を含む。1つ以上の電気負荷体200nが出力端104に連結される。さらに、交流電流AC遮断装置500は、環境発電を実施し交流電流遮断回路100を駆動するための電力を供給するように拵えられた電源回路400を含む。基本的には、電源回路400は、交流電流ACから電力を抽出する/引き出すように拵えられ、次いで、抽出された電力を、電源を必要とする回路および/またはデバイスに供給するように拵えられる。例えば、交流電流遮断回路100は、本例では該交流電流遮断回路100中に含まれるコンポーネントを駆動するためにこの抽出された電力の供給を受けることができる。例えば、いくつかの実施形態において、回路100中に含まれたコントローラ110は作動するために電力を必要とする。
図11に示されるように、電源回路400は、交流電流ACから第一寄生電圧Vpar1を抽出するように拵えられた第一寄生装置410を含み、これは高電力負荷寄生電圧装置と称されることもある。第一寄生装置410は、交流電流ACから第一寄生電圧Vpar1を生成するように拵えられたトランス411を含むことが可能である。トランス411は、基本的には、例えば鉄コアおよび少なくとも1つのコイルを含み、交流電流の周りに生成される誘導および磁界を用いて、第一寄生電圧Vpar1を生成するのに適した、任意の種類の磁気トランスであってよい。トランス411は、交流電流がそのコアおよび/またはその一次コイル巻き線を通流するように配置することができる。例えば、このトランスは、交流電流ACを搬送する導電体の周りに配置された、少なくとも部分的にリング形状のユニット/コア/巻き線として拵えられてよい。
また、電源回路400は、交流電流ACから第二寄生電圧Vpar2を抽出するように拵えられている第二寄生装置420を含み、これは低電力負荷寄生電圧装置と称されることもある。第二寄生装置420は、(図12a〜bに概略的に示されるように)交流電流ACに対応する電圧の振幅の一部を抽出することによって、および/または(図12cに概略的に示されるように)交流電流ACに対応する電圧のサイクルの或る持続時間部分を抽出することによって、第二寄生電圧Vpar2を抽出するように拵えることが可能である。図12a〜cでは、電圧信号から抽出された部分に斜線が付されている。当業者ならよく理解しているように、環境発電のために電圧信号の部分を抽出するため使用可能ないくつかの他の方法がある。請求対象の電源回路400は、これらの可能な方法の1つ以上によって諸部分を抽出するように構成することが可能である。
また、電源回路400は、第一寄生電圧Vpar1と第二寄生電圧Vpar2とを結合するように拵えられている電圧コンバイナ430も含む。このため、電圧コンバイナ430は、その入力端を、それぞれ第一寄生装置410および第二寄生装置420に連結され、第一寄生電圧Vpar1および第二寄生電圧Vpar2の供給を受ける、2つの整流ダイオード431;432を含んでよい。2つの整流ダイオード431;432の出力は一緒に結合され、複合寄生電圧Vpar_combを形成し、これが交流電流遮断回路100に供給される。
或る実施形態によれば、第一寄生装置410と第二寄生装置420とは、該第一寄生装置410および第二寄生装置420のうちの一方がマスターユニットと見なされて、第一寄生装置410および第二寄生装置420のうちの他方を制御するように拵えられ、このときその他方はスレーブユニットと見なされるようにして、単信モードまたは全二重モードで相互に通信する440ように拵えることが可能である。また、交流電流遮断回路100のコントローラ110に情報を通信する440ことができる。コントローラ110に提供される情報は、例えば、電力消費および/または負荷体情報を含んでよい。次いで、コントローラ110は、この情報を利用して、該コントローラ110に対し、アクティブとスタンバイモードとの間での切り換えを行うことが可能である。
第一寄生装置410と第二寄生装置420との組み合わせ利用は、これらが相互に非常にうまく補足し合うので極めて有利である。第一寄生装置410は、トランス411が強い電流の期間に第一寄生電圧Vpar1を生成するのによく適しているので、より高い電力すなわちより強いAC電流に対してうまく機能する。但し、第二寄生装置420は、該第二寄生装置420によって使われている電圧抽出方法が、第二寄生装置420への加熱を引き起こし得、および/または、フィルタする必要のある、電流/電圧の過渡事象および/または段差を引き起こし得るので、強い電流に対しての機能は不十分である。現在のところ、かかる強い電流をろ波するには、かさばったフィルタが必要で、通常、これは交流電流ブレーカ中には納まらない。第二寄生装置420は、より低い電力、すなわちより弱い電流に対してうまく機能する。他方、第一寄生装置410は、多くの場合、電力が十分に強くなければ交流電流ACから有用な電圧を抽出できない。
或る実施形態によれば、第一寄生装置410は、主として、より強い電流の期間において第一寄生電圧Vpar1を抽出するために用いられ、第二寄生装置420は、主として、より弱い電流の期間において第二寄生電圧Vpar2を抽出するために用いられる。しかして、本実施形態によって行われているように、これら2つの抽出方法を組み合わせれば、基本的には、1つ以上の負荷体200nが電力を消費するときのあらゆる条件の下で、交流電流AC遮断回路100への電源として、信頼でき且つ有用な複合寄生電圧Vpar_combを供給することが可能である。
第一寄生電圧Vpar1および第二寄生電圧Vpar2は、1つ以上の負荷体に直列の交流電流ACから抽出されるので、電源回路400は、電流が1つ以上の作動中の負荷体に供給されているときは、交流電流遮断回路100に常に電力を供給することが可能なことになる。また、これら1つ以上の負荷体が不活性のときにあっても、漏洩電流lleakが負荷体の接地/アースに流れており、多くの場合、これは第一寄生電圧Vpar1を生成するのに十分である。しかして、信頼でき且つ有用な複合寄生電圧Vpar_combは、1つ以上の負荷体200nが電力を消費していないときにあっても、基本的には、あらゆる条件の下で交流電流AC遮断回路100への電源として供給することが可能である。

Claims (15)

  1. 交流電流を遮断するための回路(100)であって、前記回路(100)は、
    交流電流(AC)を受電するようされた入力端(102)と、
    前記交流電流(AC)を少なくとも1つの電気負荷体(200n)に供給するようにされた出力端(104)と、
    前記入力端(102)と前記出力端(104)との間に連結された少なくとも1つの制御可能スイッチ(106;108)と、
    前記入力端(102)と前記出力端(104)との間に連結されたインピーダンスネットワーク(Z)と、
    前記少なくとも1つの制御可能スイッチ(106;108)と共通な基準接地(112)に連結されたコントローラ(110)であって、前記コントローラ(110)は、前記インピーダンスネットワーク(Z)のノードと前記基準接地(112)との間で少なくとも1つの測定電圧(V1;V2)を計測し、前記計測された少なくとも1つの測定電圧(V1;V2)の値に基づいて、前記少なくとも1つの電気負荷体(200n)に供給される前記交流電流(AC)の前記遮断を制御するために、前記少なくとも1つの制御可能スイッチ(106;108)を制御するようにされている前記コントローラ(110)と、
    を含む、回路(100)。
  2. 前記コントローラ(110)と前記少なくとも1つの制御可能スイッチ(106;108)との間に連結された駆動回路(114)をさらに含み、前記駆動回路(114)は、前記少なくとも1つの制御可能スイッチ(106;108)を制御するため前記コントローラ(110)によって使用される制御信号を増幅するようにされている、請求項1に記載の回路(100)。
  3. 相互に直列に連結され、前記入力端(102)と前記出力端(104)との間に配置された第一制御可能スイッチ(106)および第二制御可能スイッチ(108)を含む、請求項1または2に記載の回路(100)。
  4. 前記インピーダンスネットワーク(Z)が、前記第一制御可能スイッチ(106)と前記第二制御可能スイッチ(108)との間に連結される、請求項3に記載の回路(100)。
  5. 前記コントローラ(110)が、前記インピーダンスネットワーク(Z)の第一ノードと前記基準接地(112)との間の第一測定電圧(V1)および前記インピーダンスネットワーク(Z)の第二ノードと前記基準接地(112)との間の第二測定電圧(V2)を計測し、前記第一計測測定電圧(V1)および前記第二計測測定電圧(V2)の前記値に基づいて、前記少なくとも1つの制御可能スイッチ(106;108)を制御するようにされている、請求項1〜4の何れか一項に記載の回路(100)。
  6. 前記インピーダンスネットワーク(Z)が、前記第一制御可能スイッチ(106)と前記第二制御可能スイッチ(108)との間に連結されたリミッタ/遅延回路を含み、前記リミッタ/遅延回路は、前記交流電流(AC)の変化の速度を制限/遅延するようにされている、請求項3〜5の何れか一項に記載の回路(100)。
  7. 前記リミッタ/遅延回路(116)がインダクタを含む、請求項6に記載の回路(100)。
  8. 前記少なくとも1つの制御可能スイッチ(106;108)が電界効果トランジスタ、すなわちFETである、
    請求項1〜7の何れか一項に記載の回路(100)。
  9. 前記第一制御可能スイッチ(106)と前記第二制御可能スイッチ(108)とが、前記入力端(102)と前記出力端(104)との間に相反対に連結される、請求項3〜8の何れか一項に従属する場合の請求項8に記載の回路(100)。
  10. 前記基準接地(112)が、前記少なくとも1つの電気負荷体(200n)に対する接地とは異なる、請求項1〜9の何れか一項に記載の回路(100)。
  11. 前記コントローラ(110)が、
    前記少なくとも1つの電気負荷体(200n)の前記電力消費パターンをモニタし、
    前記少なくとも1つの電気負荷体(200n)の前記モニタされた電力消費パターンに基づいて、前記少なくとも1つの制御可能スイッチ(106;108)を制御するようにされている、請求項1〜10の何れか一項に記載の回路(100)。
  12. 前記コントローラ(110)が、前記モニタされた電力消費パターン基づいて、前記少なくとも1つの電気負荷体(200n)の種類を判断するようにされている、請求項11に記載の回路(100)。
  13. 前記コントローラ(110)が、前記判断された種類に基づいて、前記少なくとも1つの制御可能スイッチ(106;108)を制御するようにされている、請求項12に記載の回路(100)。
  14. 前記コントローラ(110)が、
    前記少なくとも1つの電気負荷体(200n)に関連する少なくとも1つの情報要素(IE)および少なくとも1つの命令(I)の何れかを受信し、
    前記少なくとも1つの情報要素(IE)および前記少なくとも1つの命令(I)の何れかに基づいて、前記少なくとも1つの制御可能スイッチ(106;108)を制御するようにされている、請求項1〜13の何れか一項に記載の回路(100)。
  15. 前記コントローラ(110)が、前記少なくとも1つの情報要素(IE)および前記少なくとも1つの命令要素「(I)の少なくとも何れかの表示を含む通信信号を受信するようにされた、ワイヤレス受信手段(304a)および有線受信手段(304b)の何れかを含む、請求項14に記載の回路(100)。
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