JP2020537480A - 非線形負荷を有するデジタル電力分配システム - Google Patents

Abstract

デジタル電力分配システムは、ソース端子間の電圧を示す信号を含むフィードバックを提供するように構成されたソースセンサと、ソースセンサからフィードバックを受け取り、電源とソース端子との間のインピーダンスを実質的に増減させる制御信号を生成するように構成されたソース制御部と、非線形負荷が負荷端子から引き出す電流が、非ゼロ電圧閾値未満で少なくとも１桁低下するように構成された非線形負荷と、電荷を蓄積しサンプル期間中にその電荷を放電するための、負荷側の削減された静電容量であって、削減された静電容量は、電圧閾値未満で非線形負荷によって引き出される少なくとも１桁低い電流を提供するためのレベルまで削減される、削減された静電容量と、ソース制御部からの制御信号に応答するソース切断デバイスとを含む。

Description

デジタル電力、又はデジタル電気は、電力が離散的な制御可能なエネルギーのユニットで分配される、任意の電力形式と位置付けることができる。パケットエネルギー転送（ＰＥＴ）は、米国特許第８，０６８，９３７号明細書、米国特許第８，７８１，６３７号明細書（Ｅａｖｅｓ２０１２）及び米国特許第９，４１９，４３６号明細書（Ｅａｖｅｓレシーバ特許）に開示された新しいタイプのデジタル電力プロトコルである。

従来のアナログ電力システムと比較した、デジタル電力伝送システムにおける主要な識別要因は、電気エネルギーが離散的なユニットに分けられ、エネルギーの個々のユニットは、安全性、効率性、回復力、制御又は経路指定を最適化する目的で使用され得るアナログ及び／又はデジタル情報と関連付けることができるということである。ＰＥＴシステムにおけるエネルギーは、離散的な数量、又は量子として転送されるので、それは「デジタル電力」又は「デジタル電気」と呼ぶことができる。

Ｅａｖｅｓ２０１２によって説明されるように、ソース制御部及び負荷制御部は、送電線によって接続される。Ｅａｖｅｓ２０１２のソース制御部は、電源から送電線を周期的に絶縁し（接続を切り）、線路が絶縁される直前及び直後にソース制御部端子に存在する電圧特性を、少なくとも、分析する。電力線が絶縁される期間は、Ｅａｖｅｓ２０１２によって「サンプル期間」と呼ばれており、ソースが接続される期間は、「転送期間」と呼ばれる。サンプル期間の前、間及び後の線路上の電圧の上昇及び減衰の速度は、送電線上に障害状態が存在しているかどうか明らかにする。測定可能な障害は、短絡、高い線路抵抗又は線路と不適切に接触した個人の存在を含むが、これらに限定されない。

米国特許出願公開第２０１６／０１３４３３１号明細書（Ｅａｖｅｓ電力要素）は、デジタル電力トランスミッタと呼ばれるデバイスへの、さまざまな構成でのＥａｖｅｓ２０１２のソース側構成要素のパッケージ化について説明している。

米国特許第９，４１９，４３６号明細書（Ｅａｖｅｓレシーバ特許）は、デジタル電力レシーバと呼ばれるデバイスへのＥａｖｅｓ２０１２の負荷側構成要素のさまざまな構成のパッケージ化について説明している。レシーバは、デジタル電気形式を従来のアナログＤＣ形式に戻して変換する。

米国特許出願公開第２０１７／０２１４２３６Ａ１号明細書は、多数のデジタル電力レシーバを単一伝送線路に並列取り付けで配置し、したがって各レシーバに配分されるトランスミッタハードウェアの量を削減するための方法及び装置について説明している。

ＬＥＤ照明などの、非線形負荷に給電するためのデジタル電気システムを構成するための方法及び装置が本明細書に説明され、方法及び装置を行うための装置のさまざまな実施形態は、以下に説明される要素、機構及びステップの一部又はすべてを含み得る。

デジタル電力分配システムは、ソース端子間の電圧を示す信号を含むフィードバックを提供するように構成されたソースセンサと、ソースセンサからフィードバックを受け取り、電源とソース端子との間のインピーダンスを実質的に増減させる制御信号を生成するように構成されたソース制御部と、非線形負荷が負荷端子から引き出す電流が、非ゼロ電圧閾値未満で少なくとも１桁低下するように構成された非線形負荷と、電荷を蓄積しサンプル期間中にその電荷を放電するための、負荷側の削減された静電容量（すなわち、負荷が線形であった場合に必要とされることになる静電容量から削減された静電容量）であって、削減された静電容量は、電圧閾値未満で非線形負荷によって引き出される少なくとも１桁低い電流を提供するためのレベルまで削減される、削減された静電容量と、ソース制御部からの制御信号に応答するソース切断デバイスとを含む。ソース制御部は、サンプル期間中にソース切断デバイスを開くことによって非線形負荷への電力の供給を周期的に遮断するように構成されて、遮断中に少なくともソース端子電圧を測定することを可能にする。論理デバイスが少なくともソース制御部に実装され、ソース切断デバイスを開き、ソース切断デバイスが開かれたとき少なくとも１つのソース端子電圧測定を行うように構成される。ソース端子電圧測定は、ソース端子間のインピーダンス及びソース端子間の静電容量の対応する放電速度を表し、ソース端子電圧測定が所定の上限及び下限から外れるかどうか決定することになっている。所定の上限及び下限外にあるソース端子電圧測定は、ソース若しくは負荷端子と、又は伝送線路と接触している異物又は個人が存在すること、又はデジタル電力分配システムに故障が存在することを示す。論理デバイスは、電圧測定が所定の上限及び下限の範囲に入る場合ソース切断デバイスを閉じる信号を生成する。

本明細書に説明される方法及び装置の実施形態は、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はダイオードのような特性を有する（例えば、暖房又は太陽電池のためのダイオードなどの）他の負荷のための新規のデジタル電気構成に着目することによってＥａｖｅｓ２０１２及びＥａｖｅｓレシーバ特許の初期の研究に立脚する。ダイオードは、それに印加される電圧に非線形に比例する電流引き出しを有する非線形負荷である。ダイオードは閾値電圧を有し、その点において、ダイオードは、本質的に電流を引き出さない状態から、ソースから実質的な電流を引き出す状態へ遷移する。デジタル電気システムが非線形負荷に給電している場合、単純化された、より低コストのレシーバを使うことができる。非線形負荷の特定の特性を活用するための方法及び装置が同様に本明細書に説明される。

デジタル電気に固有のパケットエネルギー転送（ＰＥＴ）プロトコルを実行する際に、全エネルギーパケット期間の一部分がソースから負荷へのエネルギーの転送のために配分される。パケット期間のこの部分は、転送期間と呼ばれる。パケット期間の残りの時間は、障害を検出しデータを転送するために配分される。パケット期間のこの部分は、サンプル期間と呼ばれる。１つの実施形態で、システムのソース側の制御部は、サンプル期間中に伝送線路電圧の減衰を監視する。減衰速度の変化は、短絡又は伝送線路導体との人間の接触を含む、さまざまな障害状態を示し得る。

システムの負荷側で、レシーバと呼ばれるデバイスが、デジタル電力形式を従来のアナログＤＣ形式に戻して変換する。レシーバには、通常、電流がソースから負荷に給電する方向にのみ流れることを可能にする、負荷側切断スイッチが含まれる。その最も単純な形態で、負荷切断スイッチはダイオードである。電流は、切断スイッチを通ってレシーバのＤＣリンクセクションに流れる。レシーバの以前の形態では、ＤＣリンクは、電流がレシーバに対して遮断されるエネルギーパケット期間のサンプル期間中にエネルギーを蓄積するために、通常コンデンサを含む。リンクコンデンサによって提供されるエネルギー蓄積なしで、ＤＣリンク電圧は、任意の感知可能な負荷がレシーバから引き出されるサンプル期間中にゼロに降下することになる。この降下は、今度は、各サンプル期間に負荷への電力を遮断することになり、それは、ほとんどの場合、ほとんどの負荷デバイスにとって許容できない条件である。そのうえ、新しいパケット期間が始まるたびに、デジタル電力トランスミッタは、負荷デバイスを再起動する必要があることになる。多くの負荷デバイスは、それらの定常電流よりもずっと高い起動電流を引き出すので、絶え間ない負荷の再起動は、トランスミッタからの電流にスパイクを引き起こすことになり、それにより短絡障害に起因してトランスミッタが線路を遮断する可能性がある。

負荷切断スイッチが単純なダイオードであり、且つＤＣリンクコンデンサが存在しない場合、サンプル期間中のＤＣリンクの両端の電圧の降下は、トランスミッタからレシーバまで延びるデジタル送電線における電圧の損失を同様にもたらすことになる。伝送線路電圧は、指定されたダイオード構成のＤＣリンクよりも著しく高くなり得ないので、この電圧損失が起こる。トランスミッタアルゴリズムは、電圧降下を線間短絡又は伝送線路との人間の接触によって引き起こされた障害と解釈することになるので、伝送線路電圧降下は、トランスミッタによって障害状態として認知されることになる。

ストリングをパルス幅変調（ＰＷＭ）モードで動作させることができる場合に周期的遮断を許容可能とすることができるので、ＬＥＤ光ストリング（又は他のダイオードのような負荷）は、ユニークな応用例である。このモードで、所定の期間にわたる「オン」時間対「オフ」時間の比率は、発せられる光の強度を調節するように調整され得る。期間が十分に短く、且つ十分に高周波数で繰り返される場合、オン／オフ遷移は、人間の目に識別できなくなり、単により低い又はより高い光強度として見られる。

この性質により、レシーバからＤＣリンクコンデンサを除去する機会が与えられ、加えて、負荷切断スイッチ、又はダイオードをレシーバ回路から除去することが可能になる。より詳細に示すように、ダイオードは非線形負荷特性を呈する。ＬＥＤの直列接続ストリングの場合、非線形負荷関係は、入力電圧が上昇するときＬＥＤアレイに電流が流入し始める所定の電圧閾値が存在することを意味する。ＬＥＤストリングに印加される電圧がこの閾値よりも低いとき、微量の電流だけがＬＥＤストリングに流入し、又はＬＥＤストリングから流出することになる（例えば、閾値よりも上でＬＥＤストリングを通って流れる電流の１／１０未満）。特性は、デジタル電気システムに取り付けられた損傷した又は不適合のＬＥＤストリングが存在するかどうか検出することができるという新規の利益を提供する、トランスミッタ障害検出アルゴリズムに組み込まれ得る。ＬＥＤ照明のために説明された応用特有の設計を使用するとき、全体としてより安全で、より信頼性が高く、より低コストのデジタル電力システムが構築され得る。

安全な電力分配システムの一実施形態のブロック図である。 ソース制御部の一実施形態のより詳細なブロック図である。 負荷が直列接続されたＬＥＤストリングである、電力分配システムの略図である。 ＬＥＤストリングに給電するときの伝送線路電圧特性の略図である。 ＬＥＤストリングが単純化された負荷回路を可能にする、電力分配システムの略図である。 負荷が、直列電流調整器を装備した直列接続されたＬＥＤストリングである、電力分配システムの略図である。

本発明のさまざまな実施態様の前述及び他の特徴及び利点は、以下の、本発明のより広い範囲内のさまざまな概念及び具体的な実施形態のより具体的な説明から明らかになる。主題は、いずれの特定の実装方式にも限定されないので、上で提起され、以下でより詳細に論じられる、主題のさまざまな実施態様は、多数の方法のいずれで実装されてもよい。具体的な実装及び応用の実施例は、主として例示的な目的で提供される。

別途本明細書で定義され、使用され、又は位置付けられない限り、（技術的及び科学的用語を含む）本明細書で使用される用語は、関連技術の文脈におけるそれらの通義と矛盾しない意味を有すると解釈するべきであり、本明細書で明確にそのように定義されない限り、理想化された、又は過度に形式的な語義で解釈するべきではない。

本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態を説明することを目的としており、例示的な実施形態を限定するものであるように意図されない。本明細書で使用される、「１つの」（“ａ”）及び「１つの」（“ａｎ”）などの、単数形は、文脈がそうでないことを示さない限り、同様に複数形を含むように意図される。加えて、用語、「含む」、「含んでいる」、「備える」及び「備えている」は、述べられた要素又はステップの存在を指定するが、１つ又は複数の他の要素又はステップの存在又は追加を妨げない。

デジタル電力、又はデジタル電気は、電力が離散的な制御可能なエネルギーのユニットで分配される、任意の電力形式と位置付けることができる。デジタル電気システムは、トランスミッタ及びレシーバ要素の両方から電気伝送線路を周期的に絶縁して、起こり得る障害又は伝送配線との人間の接触を反映するアナログ線路特性を分析する。

電力分配システム安全保護デバイスは、電気的障害又は安全上の問題が発生した場合、特に個人が露出した導体と接触した場合に、電力を検出して切断するための電子監視を有する電力分配システムを含み得る。より具体的には、電力分配システムは、ＬＥＤ照明のために使用され得る。

Ｅａｖｅｓ２０１２で当初説明された、代表的なデジタル電力システムが図１に示される。システムは、ソース端子４４、４４’を有するソース１、並びに少なくとも１つの負荷２及び負荷端子４６、４６’を備え、端子は、ソース１と負荷２との間の電気的結合を提供する。ＰＥＴプロトコルは、送電線からソースを周期的に切断するためにスイッチ手段（Ｓ_１）３を操作することによって始められる。スイッチが開（非導電）状態であるとき、線路は同様に、分離ダイオード（Ｄ_１）４の阻止作用によって、負荷に存在し得る任意の蓄積エネルギーから絶縁される。

Ｅａｖｅｓ２０１２は、Ｄ_１に取って代わり得るいくつかのバージョンの代替スイッチを提案したが、すべてのバージョンは、本発明に関連して同様の結果を有することになる。コンデンサ（Ｃ_３）５は、回路の負荷側のエネルギー蓄積素子を表す。

伝送線路は、固有の線間抵抗（Ｒ_４）６及び静電容量（Ｃ_１）７を有する。ＰＥＴシステムアーキテクチャは、Ｅａｖｅｓ２０１２によって説明されるように、追加の線間抵抗（Ｒ_３）８及び静電容量（Ｃ_２）９を加える。スイッチ（Ｓ_１）３が開かれる瞬間に、コンデンサ（Ｃ_１）７及び（Ｃ_２）９は、抵抗器（Ｒ_４）６及び（Ｒ_３）８の相加値に反比例する速度で減衰する電荷を蓄積している。コンデンサ（Ｃ_３）５は、ダイオード（Ｄ_１）４の逆阻止作用に起因して、抵抗器（Ｒ_３）８及び（Ｒ_４）６を通じて放電しない。コンデンサ（Ｃ_１）７及び（Ｃ_２）９に含まれる電荷の量は、それらの両端の電圧に比例し、ソース制御部１１によって、点１０において測定され得る。

Ｅａｖｅｓ２０１２で説明されるように、コンデンサ（Ｃ_１）７及び（Ｃ_２）９に蓄積されたエネルギーの減衰速度の変化は、伝送線路上のクロスライン障害の存在を示し得る。正常動作と障害との差は、Ｅａｖｅｓ２０１２によって提示されたように、図２に例示される。

図１を再び参照すると、スイッチ（Ｓ_１）３、ソース制御部１１、及び抵抗器（Ｒ_３）８の組み合わせは、トランスミッタ２０と呼ぶことができる。ダイオード（Ｄ_１）４、コンデンサ（Ｃ_２）９、及びコンデンサ（Ｃ_３）５の組み合わせは、レシーバ２１と呼ぶことができる。

伝送線路は、固有の線間抵抗（Ｒ_４）６及び静電容量（Ｃ_１）７を有する。ＰＥＴシステムアーキテクチャは、Ｅａｖｅｓ２０１２によって説明されるように、追加の線間抵抗（Ｒ_３）８及び静電容量（Ｃ_２）９を加える。スイッチ（Ｓ_１）３が開かれる瞬間に、コンデンサ（Ｃ_１）７及び（Ｃ_２）９は、抵抗（Ｒ_４）６及び（Ｒ_３）８の相加値に反比例する速度で減衰する電荷を蓄積している。コンデンサ（Ｃ_３）５は、分離ダイオード（Ｄ_１）４の逆阻止作用に起因して、抵抗器（Ｒ_３）８及び（Ｒ_４）６を通じて放電しない。コンデンサ（Ｃ_１）７及び（Ｃ_２）９に含まれる電荷の量は、それらの両端の電圧に比例し、ソース制御部１１によって、点１０において測定され得る。

Ｅａｖｅｓ２０１２で説明されるように、コンデンサ（Ｃ_１）７及び（Ｃ_２）９に蓄積されたエネルギーの減衰速度の変化は、伝送線路上にクロスライン障害があることを示し得る。正常動作２５とクロスライン障害２６中の電圧減衰との電圧減衰の差は、図２に例示される。

ＬＥＤストリングを有するデジタル電力システムを動作させるための本明細書に説明される方法における差別化要因は、ＬＥＤの非線形負荷特性を活用して、図１のコンデンサ（Ｃ_３）５に対する小さい又は無視できる静電容量値を利用する単純化されたレシーバ設計を実装し、したがって、トランスミッタからのパルス幅変調（ＰＷＭ）調光の利益、並びにコンデンサ（Ｃ_３）５のコスト及び信頼性の懸念の排除を可能にすることに見いだされる。１つの実施形態で、ＬＥＤは、負荷切断（Ｄ_１）４の代わりに機能して、ただコンデンサ（Ｃ_２）９を必要とするだけであるように、レシーバをさらに単純化することができる。ソース制御部１１によって実行されるアルゴリズムは、線間障害に起因する、閾値電圧を下回る伝送線路電圧のより速い減衰を検出し、スイッチ（Ｓ_１）３を開くことによって電力を遮断する。

図３で、ＬＥＤ光について典型的であるように、負荷２は、ＬＥＤ３０、３０’、３０’’、３０’’’の直列ストリングを備える。コンデンサ（Ｃ_３）５の静電容量が、サンプル期間中にＬＥＤストリングによって引き出されるエネルギーと比較して小さい場合、コンデンサ（Ｃ_３）５の両端の電圧は、急速に降下することになり、ダイオード（Ｄ_１）４を順方向にバイアスし続けることになる。コンデンサ（Ｃ_３）５の両端のこの電圧降下は、今度は、図４に例示されるように、伝送線路の両端の電圧を急速に降下させることになる。電圧降下は、スイッチ（Ｓ_１）３が開かれる直前の点３４における電圧とスイッチ（Ｓ_１）３が開かれた直後の点３６における電圧との差として例示される。点３６から点３８までの減衰速度の急激な減少は、電流を乗じた伝送線路の直列抵抗に比例する電圧降下であり、伝送線路ＩＲ降下とも呼ばれる。次の遷移は点３６から３８までである。ＬＥＤストリングは、切断スイッチ（Ｓ_１）３の開放後に電力を引き出し続けるので、この遷移は、図３のコンデンサ（Ｃ_２）９及び（Ｃ_３）５のドレインに起因する緩やかな電圧の減衰である。図４を参照すると、最も遅い速度の電圧減衰は、点３８と４０との間で起こる。この期間中、電圧は、ＬＥＤストリングのターンオン閾値電圧未満に減衰しており、ＬＥＤは、ほとんど又はまったく電力を引き出していない。この時点で、ダイオード（Ｄ_１）４は、逆方向にバイアスされるようになって、コンデンサ（Ｃ_３）５の放電を停止することになり、伝送線路電圧減衰は、抵抗器（Ｒ_３）８及び（Ｒ_４）６を通じたコンデンサ（Ｃ_１）７及び（Ｃ_２）９の放電に起因することになる。伝送線路上にクロスライン障害がある場合、前に説明され図２に例示されたように、減衰速度は増加することになる。

コンデンサ（Ｃ_３）５の値を削減することに特有の利点がある。コンデンサ（Ｃ_３）５が大きいとき、それはレシーバにおけるかなりの費用と容量を提示する。ＬＥＤ照明応用で、ＬＥＤは、コンデンサに結合され得る熱を生成する。この熱伝達は、コンデンサの寿命を減少させる。ＬＥＤ電源で使用されるコンデンサは、歴史的に主たる破損点であった。コンデンサ（Ｃ_３）５を小さくすることの別の利点は、エネルギーパケットの転送時間とサンプル時間との比率を調光のために変化させることを可能にすること、又はＬＥＤ光の強度を変化させることを可能にすることである。

オフ時間に対するオン時間の比率を変化させることは、一般に、パルス幅変調（ＰＷＭ）として業界に知られている。ＰＷＭ調光を可能にするために、コンデンサ（Ｃ_３）５上の電圧は、ＬＥＤストリングに流入する電流を削減するために、各サンプル期間中に速やかに減衰しなければならない。

大きいＣ_３静電容量で低いオン時間比率においてＰＷＭを実装しようと試みることは、ＰＷＭサイクルのオン時間部分の始めにコンデンサ（Ｃ_３）５を再充電する必要があるたびに、非常に高いピーク電流をもたらすことになる。この性質は再び、ＬＥＤストリングのＰＷＭ調光を可能にすることが望ましいとき、コンデンサ（Ｃ_３）５に小さい、さらには無視できる、静電容量値を実装することの利点につながる。

Ｅａｖｅｓ２０１２及びＥａｖｅｓレシーバ特許におけるような、デジタル電力レシーバの以前の表現で、図３のダイオード（Ｄ_１）４は、負荷切断デバイスの一実施形態であり、デジタル電力システムの負荷側の一部として説明された。しかしながら、ＰＷＭ調光が実装されることになっている事例では、図３のコンデンサ（Ｃ_３）５を除去することができ、ダイオードデバイスであるＬＥＤは、負荷切断デバイスとして機能することができる。この構成は、図５に描写され、そこではＬＥＤ３０、３０’、３０’’、３０’’’の１つ又は複数が図３のレシーバ２１のダイオード（Ｄ_１）４の代わりに機能する。コンデンサ（Ｃ_３）５の不在で、図５のレシーバ２１は、コンデンサ（Ｃ_２）９だけに削減される。ＬＥＤは、エネルギーパケットのサンプル期間全体を通して電力を引き出し続けないので、コンデンサ（Ｃ_３）５を除去した後にパケットエネルギー転送を可能にするのは、ＬＥＤストリングの非線形負荷特性である。以前説明したように、図４を参照すると、点３８と４０との間で、伝送線路電圧は、ＬＥＤストリングのターンオン閾値電圧未満に減衰しており、ＬＥＤは、ほとんど又はまったく電力を引き出していない。ＬＥＤストリングが線形負荷特性を有し、それによって（例えば抵抗器と同じように）最小のターンオン閾値を有さない場合、伝送線路は、急速にゼロに減衰することになり、伝送線路障害を示す電圧減衰を検出することを不可能にし、ひいてはパケットエネルギー転送を実装することを不可能にする。

図５のソース制御部１１は、制御アルゴリズムを実行して、ＰＷＭデューティサイクルを変化させて、必要とされる強度、効率及び有効寿命を最適化するＬＥＤへの平均動作電流を維持することができる。ＰＷＭは、ソース切断スイッチ（Ｓ_１）３の「オン時間」対「オフ時間」を変化させるソース制御部１１によって実装される。ＬＥＤ照明設計の当業者によって広く知られているように、ＬＥＤ閾値電圧が、ＬＥＤ温度に反比例しており、最適な動作条件を決定しデューティサイクルを調節して平均ＬＥＤストリング電流を変化させるためにトランスミッタ制御部によって使用され得ることは、注目に値する。

コンデンサ（Ｃ_３）５なしで、又はコンデンサ（Ｃ_３）５に対する非常に小さい静電容量値でパケットエネルギー転送を実装することの困難の１つの領域は、図４に点３４と３６との間の遷移で明らかにされる伝送線路ＩＲ降下間の差を検出すること、及び図４に点３６と３８との間で描写されるように、ストリングの最小閾値電圧に到達する前にＬＥＤストリングの電力引き出しに起因する伝送線路の電圧減衰を検出することが困難になることである。Ｅａｖｅｓ２０１２で説明されたように、伝送線路におけるＩＲ降下を検出することは、インライン障害の検出の重要な部分である。インライン障害の実施例は、伝送線路の抵抗を大幅に増加させる接続不良又は損傷ケーブルであり、それにより、かなりの量の障害エネルギーが異常な領域で散逸し、それによってケーブルを過熱し、場合によっては火災を引き起こすことになる。ＩＲ降下が検出可能でない本開示の方法で、インライン障害検出の第２の方法は、ＬＥＤストリングに上下の電力制限を割り当てる。ストリングによる正常よりも高い電力引き出しは、ＬＥＤストリング外で散逸する過剰なエネルギーに起因して、障害状態を示すことになる。低すぎる電力引き出しは、同様に、接続不良、損傷したＬＥＤストリング又は不適合のＬＥＤストリングによって生じることになる。

図５を参照すると、インライン障害を検出するための第３の方法は、所定のＬＥＤ閾値電圧とソース１の電位との差を計算する。所定の閾値電圧は、図４に例示されるように、例示された点３８と４０との間で伝送線路電圧を測定することによって、各エネルギーパケット中にソース制御部１１によって検証される。それから方程式［Ｉ_ｍａｘ＝Ｐ_ｍａｘ／ｄＶ］に基づいて最大電流を計算することができ、式中Ｉ_ｍａｘは、Ｐ_ｍａｘの最大複合インライン電力散逸を保証するために許される最大電流である。ｄＶは、ソース制御部１１によって測定された、ソース１の電位と閾値電圧との電圧の差である。ｄＶは、ＬＥＤ電力消費に起因する直列線路電圧降下の成分を含むので、最大電力制限は、複合制限と呼ばれる。ＬＥＤストリングが給電されるとき、ｄＶは、以下の３つの成分、すなわち、ａ）正常なＬＥＤ負荷電流に起因する、伝送線路における任意の直列電圧降下、ｂ）ＬＥＤに給電することに起因する、それらのターンオン閾値を上回るＬＥＤストリング電圧の上昇、及びｃ）障害に起因する伝送線路における異常な抵抗に起因する、任意の追加の直列電圧降下を含むことになる。インライン障害に起因する電圧降下の絶対測定ではないが、本方法は、ＬＥＤストリング外の伝送線路で散逸されるインライン電力がＰ_ｍａｘ未満であることを保証する。ＬＥＤストリングへの最大電力送配のために、図５に示されるように、ソース１の値にできる限り近い値のＬＥＤ閾値電圧を有して、ｄＶをより小さい値とし、Ｉｍａｘをそれに応じてより大きい値とすることが有利である。インライン電力散逸を限定するこの第３の方法の利点は、ＬＥＤストリングの電力定格を前もって決定する必要がないことである。方法を容易にするために、ＬＥＤストリングは、ターンオン閾値電圧に対する所定の範囲指定に従う。

インライン電力散逸を測定するために使用されるすべての方法論で、図５に示されるように、切断スイッチ（Ｓ_１）３を開くように作用し、伝送線路への電力を遮断するソース制御部１１によって、所定の制限が越えられる場合、電力はＬＥＤストリングに対して遮断されることになる。

図３のコンデンサ（Ｃ_３）５が除去される、図５の構成の有益な面は、伝送線路上だけではなく、ＬＥＤストリングの内部回路内にあるクロスライン障害が、パケットエネルギー転送の正常な部分として検出され得ることである。この能力は、図４を参照することによってさらに例示される。点３８と４０との間の期間は、伝送線路電圧がＬＥＤストリングの閾値電圧未満に落ちている、遅い減衰領域である。図５を参照すると、ストリングの回路内の抵抗器（Ｒ_５）３２を介して障害抵抗がもたらされる場合、ストリング内のいくつかのＬＥＤを迂回する抵抗器（Ｒ_５）３２の作用によって表されるように、所定の予想される閾値電圧が下がることになる。変化は、図５のソース制御部１１によって検出可能であり、ソース制御部１１は、スイッチ（Ｓ_１）３を開くように作用し、したがって伝送線路への電力を遮断することになる。

説明された装置及び方法は、１つの伝送線路上に並列に多数のレシーバを配置する方法と互換性がある。これは、多数のＬＥＤ光ストリングが１つの伝送線路を共有することを可能にして、伝送システムのコストを削減することになる。方法論は、Ｅａｖｅｓによって米国特許出願公開第２０１７／０２１４２３６Ａ１号明細書でさらに説明された。

ＬＥＤは、それらの順方向電圧に対して負温度係数を有すると業界の人々に知られている。この負温度係数は、より温かいＬＥＤのストリングに、それが並列に接続されるより冷たいストリングよりも多くの電流を引き出させる効果を有する。より高い電流は、より温かいストリングをさらに高い温度に到達させ、それによってさらに高い電流などを引き出す。図６を参照すると、ここで負荷２は、直列電流調整器４２とともに直列ＬＥＤストリング３０、３０’、３０’’、３０’’’を備える。電流調整器は、パワーエレクトロニクスの当業者に周知であり、さまざまな製造業者から線形且つ能動的なスイッチングバージョンで入手可能である。電流調整器は、ある範囲の入力電圧にわたって一定のＬＥＤ電流を維持する。電流調整器を装備した、多数のＬＥＤストリングをレシーバ２１の出力において並列に配置することができ、ＬＥＤストリングは、適切な所定のＬＥＤ電流を維持することになる。代わりに、電流調整器を有する１つのＬＥＤストリングのためにそれぞれ機能する、多数のレシーバを共通のＰＥＴ伝送線路上に並列に配置することができ、それらは、適切な所定のＬＥＤ電流を維持することになる。

派生効果
ソース制御部１１は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラマブル論理デバイス又は制御アルゴリズムを実行するための他の適当なデジタル回路などの、論理デバイスを含み得る。制御部１１は、コンピューティングデバイスとすることができ、本開示のシステム及び方法は、コンピューティングシステム環境に実装することができる。システム及び方法とともに使用するのに適し得る、周知のコンピューティングシステム環境及びその構成要素の実施例は、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ、ハンドヘルド又はラップトップデバイス、タブレットデバイス、スマートフォン、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースのシステム、セットトップボックス、プログラム可能な家電製品、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、上記のシステム又はデバイスのいずれかを含む分散コンピューティング環境などを含むが、これらに限定されない。典型的な計算システム環境並びにそれらの動作及び構成要素については、多くの既存の特許（例えば、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｃｏｒｐ．が所有する米国特許第７，１９１，４６７号明細書）で説明される。

方法は、プログラムモジュールなどの、非一時的コンピュータ実行可能命令を介して遂行され得る。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを行うか、又は特定のタイプのデータを実装する、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。方法は、通信ネットワークを通してリンクされる遠隔処理デバイスによってタスクが行われる、分散コンピューティング環境で同様に実践され得る。分散コンピューティング環境で、プログラムモジュールは、メモリ記憶デバイスを含むローカルコンピュータ記憶媒体及び遠隔コンピュータ記憶媒体の両方に位置し得る。

本明細書に説明されるプロセス及び機能は、コンピュータにソフトウェア命令の形で非一時的に格納され得る。コンピュータの構成要素は、コンピュータプロセッサ、メモリとして機能するコンピュータ記憶媒体、及びメモリを含むさまざまなシステム構成要素をコンピュータプロセッサに結合するシステムバスを含み得るが、これらに限定されない。システムバスは、メモリバス又はメモリコントローラ、周辺バス、及びさまざまなバスアーキテクチャのいずれかを使用するローカルバスを含む、いくつかのタイプのバス構造のうちのいずれかとすることができる。

コンピュータは、通常、プロセッサによってアクセス可能であり、揮発性及び不揮発性の媒体並びに取り外し可能及び取り外し不可能な媒体の両方を含む、１つ又は複数のさまざまなコンピュータ可読媒体を含む。例として、コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体及び通信媒体を備え得る。

コンピュータ記憶媒体は、非一時的状態でソフトウェア及びデータを格納することができ、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール又は他のデータなどの、ソフトウェア及びデータの記憶のための任意の方法又は技術で実装された揮発性及び不揮発性、取り外し可能及び取り外し不可能な媒体の両方を含む。コンピュータ記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ若しくは他のメモリ技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）若しくは他の光ディスク記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置若しくは他の磁気記憶デバイス、又は所望の情報を格納するために使用することができ、プロセッサによってアクセスし実行することができるその他の媒体を含むが、これらに限定されない。

メモリは、リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）及びランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）などの、揮発性及び／又は不揮発性メモリの形のコンピュータ記憶媒体を含む。起動中などに、コンピュータ内の要素間で情報を転送するのを助ける基本ルーチンが含まれる、基本入出力システム（ＢＩＯＳ）は、通常、ＲＯＭに格納される。ＲＡＭには、通常、プロセッサによって直ちにアクセス可能であり、且つ／又は現在操作されている、データ及び／又はプログラムモジュールが含まれる。

コンピュータは、（ａ）取り外し不可能な不揮発性磁気媒体から読み出し、又はこれに書き込むハードディスク駆動装置、（ｂ）取り外し可能な不揮発性磁気ディスクから読み出し、又はこれに書き込む磁気ディスク駆動装置、及び（ｃ）ＣＤ ＲＯＭ又は他の光媒体などの取り外し可能な不揮発性光ディスクから読み出し、又はこれに書き込む光ディスク駆動装置などの、他の取り外し可能／取り外し不可能な、揮発性／不揮発性コンピュータ記憶媒体を同様に含み得る。コンピュータ記憶媒体は、通信インタフェースによってシステムバスと結合することができ、インタフェースは、例えば、構成要素間でデジタル又は光信号を伝送するための導電配線及び／又は光ファイバ経路を含み得る。例示的な動作環境で使用され得る他の取り外し可能／取り外し不可能な、揮発性／不揮発性コンピュータ記憶媒体は、磁気テープカセット、フラッシュ・メモリ・カード、デジタル多用途ディスク、デジタル・ビデオ・テープ、ソリッドステートＲＡＭ、ソリッドステートＲＯＭなどを含む。

駆動装置及びそれらの関連コンピュータ記憶媒体は、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール及びコンピュータ用の他のデータの記憶を提供する。例えば、コンピュータの内部又は外部のハードディスク駆動装置は、オペレーティングシステム、アプリケーションプログラム、及びプログラムデータを格納し得る。

本明細書に説明される非線形負荷の主要な実施例はＬＥＤアレイであるが、他の可能な応用例がある。例えば、ダイオードの直列アレイから発熱体が構築され得る。ダイオードは、電流が順方向にバイアスされた方向にそれらを通過するとき、熱を発生する。発熱体の１つの用途は、ヘアドライヤにある。ヘアドライヤは、ヘアドライヤに供給する伝送線路でも、又はヘアドライヤ内部のどこでも電気的障害を検出するシステムの能力のため、水に浸かったときでも電気的に安全なことになる。

本教示と矛盾しない追加の実施例は、以下の番号付き条項で開示される。
１． 電源及び電源と電気的に結合されたソース端子を含むソース側から負荷端子を含む負荷側へのエネルギーの転送を調整するためのデジタル電力分配システムであって、電力分配システムは、
ａ）少なくともソース端子間の電圧を示す信号を含むフィードバックを提供するように構成されたソースセンサと、
ｂ）ソースセンサからのフィードバックを受け取るように構成され、フィードバックに応答して、電源とソース端子との間のインピーダンスを実質的に増減させる制御信号を生成するように構成された、電力分配システムのソース側のソース制御部と、
ｃ）負荷側にあり負荷端子から電流を引き出すために負荷端子と電気的に結合された非線形負荷であって、非線形負荷は、それが負荷端子から引き出す電流が、印加電圧が非ゼロ電圧閾値未満に降下したときに少なくとも１桁低下するように構成される、非線形負荷と、
ｄ）電荷を蓄積しサンプル期間中にその電荷を放電するための、負荷側の削減された静電容量であって、削減された静電容量は、電圧閾値未満で非線形負荷によって引き出される少なくとも１桁低い電流を提供するためのレベルまで削減される、削減された静電容量と、
ｅ）ソース制御部からの制御信号に応答するソース切断デバイスであって、ソース制御部は、サンプル期間中にソース切断デバイスを開くことによって非線形負荷への電力の供給を周期的に遮断するように構成されて、遮断中に少なくともソース端子電圧を測定することを可能にする、ソース切断デバイスと、
ｆ）少なくともソース制御部に実装され、ソース切断デバイスを開き、ソース切断デバイスが開かれたとき少なくとも１つのソース端子電圧測定を行うように構成された論理デバイスであって、ソース端子電圧測定は、ソース端子間のインピーダンス及びソース端子間の静電容量の対応する放電速度を表し、ソース端子電圧測定が所定の上限及び下限から外れるかどうか決定することになっており、所定の上限及び下限外にあるソース端子電圧測定は、ソース若しくは負荷端子と、又は伝送線路と接触している異物又は個人が存在すること、又はデジタル電力分配システムに故障が存在することを示し、電圧測定が所定の上限及び下限の範囲に入る場合ソース切断デバイスを閉じる、論理デバイスと、
を備える、デジタル電力分配システム。
２． ソース制御部は、電源から非線形負荷への電力が変化するように、ソース切断スイッチが開かれる時間をそれが閉じられる時間に対する比率で変化させるように構成される、条項１に記載のデジタル電力分配システム。
３． 非線形負荷は、並列動作下で、又は変化する伝送線路電圧で、非線形負荷を通る電流の調整を可能にする電流調整器を装備する、条項１又は２に記載のデジタル電力分配システム。
４． 非線形負荷は、負荷部品の温度を示す電圧を有するように構成され、それによって、負荷に熱的損傷を与え得る条件を推定し、ソース電流を調節して負荷の寿命又は性能を最適化する能力を加える、条項１〜３のいずれか一項に記載のデジタル電力分配システム。
５． デジタル電力分配システムのソース側の電源からデジタル電力分配システムの負荷側へのエネルギーの転送を調整するための方法であって、方法は、
ａ）ソース側のソース端子間の電圧を測定し、ソースセンサを使用して、少なくとも電圧を示す信号を含むフィードバックを生成するステップと、
ｂ）ソース制御部においてフィードバックを受け取り、フィードバックに応答して制御信号を生成するステップであって、制御信号は、電源とソース端子との間のインピーダンスを実質的に増減させる、ステップと、
ｃ）電源から負荷側の非線形負荷へ電流を供給するステップであって、非線形負荷によって引き出される電流は、印加電圧が非ゼロ電圧閾値未満に降下したときに少なくとも１桁減少する、ステップと、
ｄ）負荷側の削減された静電容量を使用して電荷を蓄積し、その電荷を放電して、非線形負荷に印加される電圧閾値未満の電圧で、サンプル期間中に少なくとも１桁低い電流を非線形負荷に提供するステップと、
ｅ）削減された静電容量から電荷を放電するサンプル期間中にソース切断デバイスを開くことによって非線形負荷への電力の供給を周期的に遮断し、遮断中にソース端子電圧を測定するステップと、
ｆ）少なくともソース制御部で論理デバイスを使用して、ソース切断デバイスを開き、ソース切断デバイスが開かれたとき少なくとも１つのソース端子電圧測定を行うステップであって、ソース端子電圧測定は、ソース端子間のインピーダンス及びソース端子間の静電容量の対応する放電速度を表し、ソース端子電圧測定が所定の上限及び下限から外れるかどうか決定し、所定の上限及び下限外にあるソース端子電圧測定は、ソース若しくは負荷端子と、又は伝送線路と接触している異物又は個人が存在すること、又はデジタル電力分配システムに故障が存在することを示し、電圧測定が所定の上限及び下限の範囲に入る場合ソース切断デバイスを閉じる、ステップと、
を含む、方法。
６． ソース制御部を使用して、電源から非線形負荷への電力を変化させるように、ソース切断スイッチが開かれる時間をそれが閉じられる時間に対する比率で変化させるステップをさらに含む、条項５に記載の方法。
７． 非線形負荷は、電流調整器を装備し、方法は、電流調整器を使用して、並列動作下で、又は変化する伝送線路電圧で、非線形負荷を通る電流を調整するステップをさらに含む、条項５又は６に記載の方法。
８． 非線形負荷は、負荷部品の温度を示す電圧を有するように構成され、方法は、負荷に熱的損傷を与え得る条件を推定し、ソース電流を調節して負荷の寿命又は性能を最適化するステップをさらに含む、条項５〜７のいずれか一項に記載の方法。

したがって、開示される発明の範囲は、与えられた実施例よりむしろ、添付の特許請求の範囲及びそれらの法的均等物によって決定されるべきである。本発明の実施形態を説明する際に、明確化のために具体的な専門用語が使用されている。説明の目的で、具体的な用語は、同様の結果を達成するために同様の方法で動作する技術的及び機能的均等物を少なくとも含むように意図される。加えて、本発明の特定の実施形態が複数のシステム要素又は方法ステップを含むいくつかの事例で、それらの要素又はステップは、単一要素又はステップで置き換えることができ、同じく、単一要素又はステップは、同じ目的を果たす複数の要素又はステップで置き換えることができる。そのうえ、本発明はその特定の実施形態を参照して示され説明されたが、当業者は、形態及び詳細におけるさまざまな代用及び変更が本発明の範囲から逸脱することなくそこでなされ得ることを理解することになる。さらにまた、他の実施態様、機能及び利点は、同様に本発明の範囲内であり、本発明のすべての実施形態は、必ずしも利点のすべてを達成する又は上述の特性のすべてを持つ必要はない。加えて、１つの実施形態に関連して本明細書に論じたステップ、要素及び特徴は、同じく、他の実施形態とともに使用され得る。さらに、「背景技術」節で識別された構成要素、ステップ及び特徴は、本開示に不可欠であり、本発明の範囲内で本開示の他の場所で説明された構成要素及びステップとともに、又はそれらの代わりに使用され得る。段階が特定の順序で列挙される方法特許請求項で、−参照を容易にするために加えられた順序付き前置文字の有無にかかわらず−段階は、用語及び語法によって別途指定又は暗示されない限り、それらが列挙される順序に時間的に限定されると解釈するべきではない。

Claims (8)

1. 電源及び前記電源と電気的に結合されたソース端子を含むソース側から負荷端子を含む負荷側へのエネルギーの転送を調整するためのデジタル電力分配システムであって、前記電力分配システムは、
   ａ）少なくとも前記ソース端子間の電圧を示す信号を含むフィードバックを提供するように構成されたソースセンサと、
   ｂ）前記ソースセンサからの前記フィードバックを受け取るように構成され、前記フィードバックに応答して、前記電源と前記ソース端子との間のインピーダンスを実質的に増減させる制御信号を生成するように構成された、前記電力分配システムの前記ソース側のソース制御部と、
   ｃ）前記負荷側にあり前記負荷端子から電流を引き出すために前記負荷端子と電気的に結合された非線形負荷であって、前記非線形負荷は、前記非線形負荷が前記負荷端子から引き出す前記電流が、印加電圧が非ゼロ電圧閾値未満に降下したときに少なくとも１桁低下するように構成される、非線形負荷と、
   ｄ）電荷を蓄積しサンプル期間中に前記電荷を放電するための、前記負荷側の削減された静電容量であって、前記削減された静電容量は、前記電圧閾値未満で前記非線形負荷によって引き出される前記少なくとも１桁低い電流を提供するためのレベルまで削減される、削減された静電容量と、
   ｅ）前記ソース制御部からの前記制御信号に応答するソース切断デバイスであって、前記ソース制御部は、前記サンプル期間中に前記ソース切断デバイスを開くことによって前記非線形負荷への電力の供給を周期的に遮断するように構成されて、前記遮断中に少なくとも前記ソース端子電圧を測定することを可能にする、ソース切断デバイスと、
   ｆ）少なくとも前記ソース制御部に実装され、前記ソース切断デバイスを開き、前記ソース切断デバイスが開かれたとき少なくとも１つのソース端子電圧測定を行うように構成された論理デバイスであって、前記ソース端子電圧測定は、前記ソース端子間のインピーダンス及び前記ソース端子間の静電容量の対応する放電速度を表し、前記ソース端子電圧測定が所定の上限及び下限から外れるかどうか決定することになっており、前記所定の上限及び下限外にある前記ソース端子電圧測定は、前記ソース若しくは負荷端子と、又は伝送線路と接触している異物又は個人が存在すること、又は前記デジタル電力分配システムに故障が存在することを示し、前記電圧測定が前記所定の上限及び下限の範囲に入る場合前記ソース切断デバイスを閉じる、論理デバイスと、
   を備える、デジタル電力分配システム。
2. 前記ソース制御部は、前記電源から前記非線形負荷への前記電力が変化するように、ソース切断スイッチが開かれる時間を前記ソース切断スイッチが閉じられる時間に対する比率で変化させるように構成される、請求項１に記載のデジタル電力分配システム。
3. 前記非線形負荷は、並列動作下で、又は変化する伝送線路電圧で、前記非線形負荷を通る電流の調整を可能にする電流調整器を装備する、請求項１に記載のデジタル電力分配システム。
4. 前記非線形負荷は、負荷部品の温度を示す電圧を有するように構成され、それによって、前記負荷に熱的損傷を与え得る条件を推定し、ソース電流を調節して負荷の寿命又は性能を最適化する能力を加える、請求項１に記載のデジタル電力分配システム。
5. デジタル電力分配システムのソース側の電源から前記デジタル電力分配システムの負荷側へのエネルギーの転送を調整するための方法であって、前記方法は、
   ａ）前記ソース側のソース端子間の電圧を測定し、ソースセンサを使用して、少なくとも前記電圧を示す信号を含むフィードバックを生成するステップと、
   ｂ）ソース制御部において前記フィードバックを受け取り、前記フィードバックに応答して制御信号を生成するステップであって、前記制御信号は、前記電源と前記ソース端子との間のインピーダンスを実質的に増減させる、ステップと、
   ｃ）前記電源から前記負荷側の非線形負荷へ電流を供給するステップであって、前記非線形負荷によって引き出される前記電流は、印加電圧が非ゼロ電圧閾値未満に降下したときに少なくとも１桁減少する、ステップと、
   ｄ）前記負荷側の削減された静電容量を使用して電荷を蓄積し、前記電荷を放電して、前記非線形負荷に印加される前記電圧閾値未満の電圧で、サンプル期間中に少なくとも１桁低い電流を前記非線形負荷に提供するステップと、
   ｅ）前記削減された静電容量から電荷を放電する前記サンプル期間中にソース切断デバイスを開くことによって前記非線形負荷への電力の前記供給を周期的に遮断し、前記遮断中に前記ソース端子電圧を測定するステップと、
   ｆ）少なくとも前記ソース制御部で論理デバイスを使用して、前記ソース切断デバイスを開き、前記ソース切断デバイスが開かれたとき少なくとも１つのソース端子電圧測定を行うステップであって、前記ソース端子電圧測定は、前記ソース端子間のインピーダンス及び前記ソース端子間の静電容量の対応する放電速度を表し、前記ソース端子電圧測定が所定の上限及び下限から外れるかどうか決定し、前記所定の上限及び下限外にある前記ソース端子電圧測定は、前記ソース若しくは負荷端子と、又は伝送線路と接触している異物又は個人が存在すること、又は前記デジタル電力分配システムに故障が存在することを示し、前記電圧測定が前記所定の上限及び下限の範囲に入る場合前記ソース切断デバイスを閉じる、ステップと、
   を含む、方法。
6. 前記ソース制御部を使用して、前記電源から前記非線形負荷への前記電力を変化させるように、ソース切断スイッチが開かれる時間を前記ソース切断スイッチが閉じられる時間に対する比率で変化させるステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記非線形負荷は、電流調整器を装備し、前記方法は、前記電流調整器を使用して、並列動作下で、又は変化する伝送線路電圧で、前記非線形負荷を通る電流を調整するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
8. 前記非線形負荷は、負荷部品の温度を示す電圧を有するように構成され、前記方法は、前記負荷に熱的損傷を与え得る条件を推定し、ソース電流を調節して負荷の寿命又は性能を最適化するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。

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