JP6741880B2 - 可逆的極性配線システム - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、2017年1月3日に出願された米国特許仮出願第62/441,880号(「AMBI−POLAR WIRING」);および2018年1月3日に出願された米国特許出願第15/861,637号に対する優先権を主張するものであり、先述の優先出願は、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
LED照明器具などの照明器具に使用される照明制御システムは、配線部品を相互接続する場合に、極性の正しい一致に基づく設置および組み立てを必要とする。極性を一致させる必要性は、そのような相互接続を非可換性にし、ならびに、結果として操作上の不具合を生じるような不一致の可能性を高める。
両極性電力制御モジュールの実施例を示す。 例えば、図1において説明されるような、両極性電力制御モジュールでの使用のための調光器回路の実施例を示す。 デュアルチャンネルゼロ交差検出回路の実施例を示す。 両極性電力制御モジュールを用いるデバイスのためのマイクロコントローラおよびアナログフロントエンドの実施例を示す。 負荷デバイスを制御するための電子デバイスの実施例を示す。
本発明は、プロセス、機器、システム、組成物、コンピュータ可読性媒体、例えば、コンピュータ可読性記憶媒体など、またはプログラム命令が光通信リンクまたは電子通信リンクによって送信されるコンピュータネットワークを含む、多くの方法において実践することができる。本明細書において、これらの実践形態、または本発明の実施例が取り得る任意の他の形態は、技術とも呼ばれ得る。概して、開示されるプロセスのステップの順序は、本発明の範囲内において変更してもよい。
本発明の1つまたは複数の実施形態の詳細な説明を以下に提供する。本発明は、そのような実施形態に関連して説明されるが、本発明は、いずれの実施形態にも限定されない。本発明の範囲は、これらの実施形態によって制限されず、ならびに本発明は、多数の代替手段、変更、および同等物を包含する。本発明の完全な理解を提供するために、以下の説明において、多くの特定の詳細について詳しく説明する。これらの詳細は、例示目的のために提供され、本発明は、これらの特定の詳細のいくつかまたは全てなしでも実施することができる。明瞭化のために、本発明に関連する技術分野において既知である技術的材料については、本発明が不必要にあいまいにならないように、詳細には説明していない。
実施例は、例えば、照明部品または部品のセットなど、電気負荷を引き込むデバイスを制御するためのシステムを含む。当該システムは、接続線、電力制御モジュール、および負荷インタフェース部品のセットを含み得る。当該電力制御モジュールは、第一接続線または第二接続線の一方に接続された交流源に応答して、調整電圧信号出力を提供する。負荷インタフェース部品は、当該調整電圧信号出力を受け取って、当該負荷デバイスを制御する。
一例として、当該負荷デバイスは、照明部品またはデバイスに対応し得、負荷インタフェースデバイスは、スイッチおよび/または調光器として実践され得る。
さらに、いくつかの実施例は、電力供給モジュールに接続された入力線への第一入力と、当該入力線に接続され、当該電力供給モジュールによって電気的に動かされる調光制御回路と、当該調光制御回路に接続された負荷線への第二入力と、当該負荷線に接続されたAC照明負荷とを有する可逆的極性照明制御システムを含み、この場合、当該第一および第二入力は、当該AC照明負荷の調光を実施するために、交換可能である。
他の有益性の中でも、説明されるいくつかの実施例は、例えば、照明器具のために使用されるような、照明制御システムの設置を可能にし、その場合、相互接続(例えば、線および負荷配線)は、極性に関係なく、交換可能である。そのため、説明されるような実施例は、操作上の故障の発生を減らすような方法での設置を可能にする。
両極性コントローラシステムの実践のために利用可能なデバイスの多様性は、開示において全ての可能性について説明することを非現実的にしている。両極性コントローラシステムは、本開示の範囲内の電流および/または電圧センシングの任意の組み合わせを含み得る。安全隔離障壁にブリッジする手段として光分離が示されているが、分離の他の形態、例えば、磁気など、も可能である。電力ダイオードのいくつかの群は、2ダイオードアレイまたは4ダイオードブリッジ整流器で置き換えられ得る。一例として、電圧および電流(電力)測定能力を備える単一チャンネルの調光コントローラが提供される。関連技術分野の当業者は、本開示の一般性を理解するであろうし、様々な実践形態がどのように設計され得るかを知っているであろう。そのようなもの全ては、本開示および特許請求の範囲の範囲内である。
図1は、1つまたは複数の実施例による、電気デバイスのための両極性電力制御モジュールの実施例を示している。電力制御モジュール100は、2つ(またはそれ以上)の接続線151、152のどちらかの1つによって提供されるAC電力供給(例えば、幹線給電)に応答し得る。したがって、図1において、電力は、ニュートラル線153ならびに接続線151または152によって表される配線によって供給される。電力ダイオード101から106は、整流された交流信号をバルクバイパスコンデンサ110に提供するために、幹線−接続線151または152に提供される入力交流(AC)を整流する。このように、当該電力ダイオード101から106は、接続線151または152のどちらか1つによって線間電圧が供給されることを可能にする2つの追加のダイオードによって、通常のブリッジ整流器の機能を実施する。
オフラインスイッチングコントローラIC120として示されるスイッチング部品は、出力がレール131、132上において提供されるフライバックトランス130を駆動する。いくつかの実施例において、コントローラIC120に対して、バイアス巻線が提供され得る。ダイオード143およびバイアスコンデンサ145は、個々の第一および第二レール131、133のそれぞれにおいて信号を調整する(例えば、12Vに)。第一レール131は、トランス130によって発生された第一出力信号を送る第一出力線156を含むことができる。第一レール131は、レギュレータ121(例えば、線形レギュレータ)によって後調整される第二出力信号を送る第二出力線157も含み得る。実施例において、第一レール131は、例えば、調光器などに電力を供給するために、第一出力線156において12Vを送り、調光器コントローラに電力を供給するために、第二出力線157において5Vを送る。第二レール133は、例えば、グラフィック・ユーザ・インタフェースのフロントパネル(図示されず)などに電力を供給するように、第三出力信号159を拡張することができる。第一および第二レール131、133のそれぞれは、個々の出力信号156/157および159のための個々のグランド158、160を含むことができる。
図2は、図1によって説明されるような、両極性電力制御モジュールによる使用のための調光器回路の実施例を示している。図2において、FETベースの調光器回路200は、nチャンネル電力FET201、202を含む。FET201、202は、所定の基準に一致する、電圧、電流、およびオン抵抗定格を含み得る。調光器FET201、202のための電源は、接続線151または152によって提供される電源−電流経路に配置された小さい値の電流センス抵抗器211につなぐことができる。電流センス抵抗器211のどちらかの側は、以下において説明されるように、調光器制御および電力測定回路のためのグランド基準として使用することができる。実施例により、接続線151、152によって表される2つの「ライン」配線のどちらか一方は任意に幹線に接続され得るが、これは、接続線151、152のどちらが幹線に接続されているかに応じて、電流センス抵抗器211の電圧が線間電圧に対して逆にすることができることを意味している。図4の実施例によって以下において説明されるように、電力測定ファームウェアは、例えば、位相外れの電流を検出して、測定の符号をプログラム的に逆転させることによって、線151、152の逆の接続を補うように構成され得る。
図2の実施例をさらに参照すると、電流センス抵抗器211の片端は、接地され得る(例えば、グランド158として)。電流の極性は、外部配線(接続線151、152によって表される)がどのように接続されるかに基づいて任意であるため、電流センス抵抗器211のどちらの端を接地するかの選択も任意である。実施例の図2において、グランド158は、多くの場合、ACニュートラル電圧につながれるため、出力グランドから分離され得る。実施例において、各FET201、202のドレインは、一緒につながれ、FETゲートドライバ221によって駆動される。ドライバー221は、低電流、低電圧の信号251から高電流、12VのFETゲート−ドライブ信号へと、レベルシフトおよび電流ブーストする。抵抗器211の両端は、図4において説明されるであろう増幅器にケルビン接続される。図示されるように、信号線252および253は、抵抗器211において電気的に一緒につながれるが、グランドループ誘導電圧エラーを最小限に抑えるために、別々にルートされる。
図3は、デュアルチャンネルゼロ交差検出回路の実施例を示している。説明されるように、デュアルチャンネルゼロ交差検出回路300は、調光FET201/202のためのゼロ交差タイミングを提供するために使用され得る。当該ゼロ交差タイミングは、調光FET201/202を、幹線−接続線151または152のACサイクルに対して正しいタイミング(例えば、正しい位相角)においてONおよびOFFに切り替えることを可能にする。回路300のこの態様は、厳密なタイミング要件のデバイス、例えば、LED照明器具など、のサポートを可能にする。2つの配線のどちらか(接続線151または152によって表される)は、AC幹線に接続され得る(他方は負荷に接続され得る)ため、実施例は、個々の調光FET201/202および個々の接続線151/152のそれぞれに対して別々のゼロ交差検出器回路を含む。ゼロ交差検出器回路のそれぞれは、幹線のAC電流のサイクルに対して同相において、対応するFET201/202をONおよびOFFに切り替えることを可能にする個々のゼロ交差信号を発生させることができる。
接続線151および152は、ニュートラル線153に対して別々に比較され得、グランド信号158を基準とする個々のデジタル信号351および352に変換され得る。電圧比較器331および332ならびにオプトカプラ321および322のLEDに電力を供給するために、低電流(約1mA)電力供給が必要である。実施例において、当該電力供給は、ダイオード301および302、分巻調整器341、バルク蓄積コンデンサ321、および抵抗器311によって提供される。
コンデンサ343はバルク蓄積であり、分巻調整器341は、供給電圧350(名目上、5V)を調整する。分巻調整器341は、集積回路またはゼナーダイオードのどちらかとして実践することができる。当業者は、この低電流供給を作製するための他の可能な手段、例えば、抵抗器の代わりにコンデンサ電流供給を使用することによって、または図1のフライバックトランス130上の追加の巻線によって、などについて留意するであろう。
図3の実施例において、比較器331および332は、CMOSシュミットトリガーインバータを使用することによって実践することができる。変形例において、他のタイプの比較器、例えば、アナログ比較器など、を使用することができる。抵抗器312および313(1〜2メガオーム)は、比較器331、332およびダイオード303から306への入力電流を制限するように実践することができる。クランプダイオード303から306を使用することにより、電圧を調整して、比較器入力に対する電圧損傷を防ぐことができる。抵抗器314および315を使用することにより、オプトカプラのLED電流を所定の閾値(例えば、それぞれ500μアンペア)に調整することができる。当該オプトカプラは、低電流用途(例えば、低LED電流)のために、製造元の仕様で特徴付けられ得る。オプトカプラの出力は、前に言及したように、「グランド」信号158を基準にする。シュミットトリガー回路インバータ333および334は、オプトカプラの出力もバッファし得る。
余分なゼロ交差回路を用いることにより、実施例は、調光器がOFFのときでさえ少なくとも1つのゼロ交差回路がAC線に接続されることを確保している。起動の際、マイクロコントローラは、両方の信号351および352を調べて、調光器がOFFのときにどちらが正しいタイミングを有するか特定することができる。それ以降、当該マイクロコントローラは、他の信号は信頼性の低い負荷側ゼロ交差を報告しているため、それらを無視するであろう。
図4は、両極性電力制御モジュールを用いるデバイスのためのマイクロコントローラおよびアナログフロントエンドの実施例を示している。マイクロコントローラ420は、AC入力線151または152のどちらかを使用して幹線から電力を供給されるデバイスに対して、例えば、インテリジェンスおよび機能性を提供し得る。当該マイクロコントローラ420は、様々なタイプのうちのいずれか1つであり得る(例えば、Atmel ATmega168PB−AU)。いくつかの変形例において、当該マイクロコントローラ420は、電圧および電流を測定するために、内部アナログ−デジタルコンバータ(ADC)を含み得る。変形例において、外部ADCを使用してもよい。この明細書全体を通して、用語「マイクロコントローラ」は、単数のマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサ(例えば、ARMマイクロプロセッサ、これは、いくつかの実施形態において、Linuxなどのオペレーティングシステムを実行し得る)を意味するために使用され得、あるいは、いくつかの実施形態において、タンデム式に作動する複数のマイクロコントローラおよび/またはマイクロプロセッサを意味し得る。例えば、一実施形態において、マイクロコントローラは、接触情報を捕捉してそれをマイクロプロセッサに送り得、当該マイクロプロセッサは、ジェスチャー認識を実施し、認識されたジェスチャーに従ってアクションを実施し得、その一方で、別の実施形態では、マイクロコントローラは、接触情報を捕捉してジェスチャー認識を実施し、当該認識されたジェスチャーをマイクロプロセッサに送り得、当該マイクロプロセッサは、認識されたジェスチャーに従ってアクションを実施し得る。
図4の実施例に示されるように、IC部品421は、低ノイズでしっかりと調整された電圧基準信号450(例えば、4.096V)を提供する。変形例において、選択された電圧信号がよく調整されノイズが少ない限り、マイクロコントローラの電力供給を含めて、他の電圧基準信号を使用することができる。
計装用増幅器422は、電流センス抵抗器からの低電圧信号252/253を、最大負荷レベルにおいて、ADCへのフルスケールに近い信号452へとブーストし得る。増幅の必要性は、設計依存性であり得、最大負荷、ADC範囲、負荷センス抵抗値などの因子に基づき得る。実施例において、抵抗器211は、5ミリオームであり、計装用増幅器の利得は16であり、これは、ADCにおける信号をアンペアあたり80mVに等しくする。
抵抗分割器(resistor divider)413/414を提供することにより、線間電圧をADC可読範囲まで減衰させることができる。当該電圧は、調光器FET201/202がONの場合のみ、正確であり得る。調光器FET201および202がONの場合、「グランド」基準158は、幹線−接続線151または152につながれ得、信号線451の基準電圧は、個々のAC線より高い2.048Vである(すなわち、基準電圧451は、+2.048VのオフセットにおいてAC線電圧に追随する)。分割器413/414の片端は信号線451(調光器がONの場合、AC線+2.048V)につながれ、他方の端は153(ACニュートラル)につながれ、ライン453の信号は、ACライン電圧ピーク・ツー・ピークに一貫して比例するピーク・ツー・ピーク電圧振幅を有することができる。図4の実施例において、抵抗器413/414は、10k/990kオームのそれぞれの値を使用して、100の分割比を提供する。そのような実施例において、マイクロコントローラ420のADC428に提供される電圧は、100で割られ、20.48mV(2.048Vを100で割ったもの)でオフセットされる、AC電圧に基づき得る。ADC428へ供給される電圧は、調光器FET201/202がONであり、能動負荷が存在する場合にのみ、読み込み可能であり得る。
図5は、負荷デバイスを制御するための電子デバイスの実施例を示している。説明されるように、電子デバイス500は、両極性電力制御モジュール510、負荷インタフェース部品520、および負荷デバイス530を含む。一例として、デバイス500は、光スイッチデバイスに対応し得、負荷インタフェース部品は、調光器部品に対応し得、負荷デバイスは、照明部品、照明部品のセット、または照明システムに対応し得る。したがって、光スイッチデバイスとして、デバイス500は、住居の照明を制御するためにスイッチとして作動するように、住居の電気コンセントに統合および電気的に接続し得る。そのような実施例において、光スイッチデバイスおよび照明部品は、電力を受け取るための共通回路パネルに接続され得る。光スイッチデバイスとして、デバイス500は、標準的電気スイッチをサポートするコンセントでの使用にとって好適な形状因子に適合するハウジングを含み得る。
実施例において、当該両極性電力制御モジュール510は、例えば、図1の実施例によって説明されるような、電力制御モジュール100を使用することにより実践され得る。負荷インタフェース部品520は、例えば、図2の実施例によって説明されるような、調光器回路200を使用することにより実践され得る。同様に、当該負荷インタフェース部品520は、例えば、図3の実施例によって説明されるような、ゼロ交差検出回路300も利用し得る。追加例または変形例として、当該デバイス500は、ユーザーインタフェースなどの機能を可能にするためにマイクロコントローラを利用し得る。
電力制御モジュール510は、調整された電圧信号出力を提供し得、負荷インタフェース部品520は、負荷デバイス530の制御においてそれを利用し得る。他の実施例で説明されるように、電力制御モジュール510は、どちらかの極性においてAC電流線から入力を受け取ることができる。他の有益性の中でも、当該デバイス500は、設置を容易にすることができ、設置ミスの傾向を減らすことができ(例えば、設置の際にラインおよび負荷を逆にする)、これは、特に、敏感な部品を伴うスイッチデバイスに有害であり得る。
先述の実施形態は、理解の明瞭さの目的のためにいくらか詳細に説明されているが、本発明は、提供される当該詳細に限定されない。本発明を実践する多くの代替の方法が存在する。開示された実施形態は、例示であって、制限ではない。
100、510 電力制御モジュール
101〜106 電力ダイオード
110 バルクバイパスコンデンサ
120 コントローラIC
121 レギュレータ
130 フライバックトランス
131 第一レール
132 レール
133 第二レール
143 ダイオード
145 バイアスコンデンサ
151、152 接続線
153 ニュートラル線
156 第一出力線
157 第二出力線
158、160 グランド
159 第三出力信号
200 調光器回路
201、202 FET
211 抵抗器
221 FETゲートドライバ
251、351、352 信号
252、253 信号線
300 ゼロ交差検出回路
301、302 ダイオード
303〜306 クランプダイオード
311、312、313、314、315 抵抗器
321 オプトカプラ、バルク蓄積コンデンサ
322 オプトカプラ
331、332 電圧比較器
333、334 シュミットトリガー回路インバータ
341 分巻調整器
343 コンデンサ
350 供給電圧
413、414 抵抗分割器
420 マイクロコントローラ
421 IC部品
422 計装用増幅器
428 ADC
450 電圧基準信号
451、453 信号線
500 電子デバイス
520 負荷インタフェース部品
530 負荷デバイス

Claims (20)

  1. 電気デバイスを制御するシステムであって、
    第一接続線および第二接続線を含む、接続線のセットであって、該第一接続線および該第二接続線の両方が、交流電源に接続可能である、接続線のセットと、
    該第一接続線および該第二接続線のいずれか一方に接続された該交流電源に応答して、調整電圧信号出力を提供する、電力制御モジュールと、
    該調整電圧信号出力を受け取るための負荷インタフェース部品であって、該電気デバイスを制御するように作動可能である、負荷インタフェース部品と
    を含む、システム。
  2. 前記第一接続線および前記第二接続線が、接続される場合、逆の極性を有する、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記負荷インタフェース部品が、調光器回路を含み、前記電気デバイスが、該調光器回路によって調光可能な照明である、請求項2に記載のシステム。
  4. 前記負荷インタフェース部品が、前記照明を制御する出力を伴うゼロ交差タイミングを提供する、請求項3に記載のシステム。
  5. 照明スイッチとして実践される、請求項1に記載のシステム。
  6. さらに、前記照明スイッチのためのプログラマブルユーザーインタフェースを提供するためのマイクロコントローラを含む、請求項に記載のシステム。
  7. 前記マイクロコントローラが、前記負荷インタフェース部品を駆動する、請求項6に記載のシステム。
  8. 前記マイクロコントローラが、前記負荷インタフェース部品のための回路電力測定を実施する、請求項6に記載のシステム。
  9. 前記電力制御モジュールが、前記第一または第二接続線の一方に供給される前記交流電源を整流する、請求項1に記載のシステム。
  10. 前記電力制御モジュールが、1つまたは複数のレールへの出力信号を発生させるためにフライバックトランスを含む、請求項9に記載のシステム。
  11. 前記電力制御モジュールが、
    前記第一接続線および前記第二接続線のそれぞれのためのダイオードブリッジと、
    バルクコンデンサと、
    スイッチング部品と、
    フライバックトランスと
    を含み、
    該バルクコンデンサおよび該スイッチング部品が、該第一または第二接続線の該ダイオードブリッジの出力を受け取るように接続され、該スイッチング部品が、前記調整電圧出力を提供するように該フライバックトランスを駆動する、請求項1に記載のシステム。
  12. 前記負荷インタフェース部品が、第一電界効果トランジスタ(FET)および第二FETを含み、該第一FETの電源が、前記第一接続線に接続され、該第二FETの電源が、前記第二接続線に接続され、該第一および第二FETのそれぞれのドレインが一緒につながれ、ゲートドライバによって駆動される、請求項1に記載のシステム。
  13. 前記第一FETおよび前記第二FETのゲートドライバのそれぞれが、対応するゼロ交差検出器回路にも接続されるマイクロコントローラによって駆動され、該対応するゼロ交差検出器回路のそれぞれが、該マイクロコントローラによる、前記交流電源のサイクルに対して同相において該対応する第一または第二FETのONおよびOFFの切り替えを可能にする、個々のゼロ交差信号を発生させる、請求項12に記載のシステム。
  14. 電気デバイスへの電力を制御するための電力制御システムであって、
    第一接続線および第二接続線を含む、接続線のセットであって、該第一接続線および該第二接続線の両方が、交流電源に接続可能である、接続線のセットと、
    該第一接続線および該第二接続線のいずれか一方に接続された該交流電源に応答して、前記電気デバイスの負荷インタフェース部品のための調整電圧信号出力を提供する、電力制御モジュールと、
    を含む、電力制御システム。
  15. 前記第一接続線および前記第二接続線が、接続されている場合、逆の極性を有する、請求項14に記載の電力制御システム。
  16. 前記電力制御モジュールが、前記第一または第二接続線の一方に供給される前記交流電源を整流する、請求項14に記載の電力制御システム。
  17. 前記電力制御モジュールが、1つまたは複数のレールへの出力信号を発生させるためにフライバックトランスを含む、請求項16に記載の電力制御システム。
  18. 前記電力制御モジュールが、
    前記第一接続線および前記第二接続線のそれぞれのためのダイオードブリッジと、
    バルクコンデンサと、
    スイッチング部品と、
    フライバックトランスと
    を含み、
    該バルクコンデンサおよび該スイッチング部品が、該第一または第二接続線の該ダイオードブリッジの出力を受け取るように接続され、該スイッチング部品が、前記調整電圧出力を提供するように、該フライバックトランスを駆動する、
    請求項17に記載の電力制御システム。
  19. 前記負荷インタフェース部品が、第一電界効果トランジスタ(FET)および第二FETを含み、該第一FETの電源が、前記第一接続線に接続され、該第二FETの電源が、前記第二接続線に接続され、該第一および第二FETのそれぞれのドレインが一緒につながれ、ゲートドライバによって駆動される、請求項17に記載の電力制御システム。
  20. 前記第一FETおよび前記第二FETのゲートドライバのそれぞれが、対応するゼロ交差検出器回路にも接続されるマイクロコントローラによって駆動され、該対応するゼロ交差検出器回路のそれぞれが、該マイクロコントローラによる、前記交流電源のサイクルに対して同相において該対応する第一または第二FETのONおよびOFFの切り替えを可能にする、個々のゼロ交差信号を発生させる、請求項19に記載の電力制御システム。
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