【発明の詳細な説明】
フィラメント分路を有する直列接続光源ストリング
関連出願
本出願は、本出願人により1995年6月26日に提出された同時継続出願第08/494,
725号の一部継続出願であるJohn L．Janningにより1995年11月17日に提出された
同時継続出願第08/560,472号の一部継続出願である。
発明の分野
光源ストリングの最も一般的な用途の一つは、特にクリスマスやその他の休日
の装飾やディスプレーであり、更に特にクリスマスツリーなどの装飾用である。
現在市販され、しかも広く使用されている最も人気のある光源セットは、それぞ
れが50個の小型電球から成る１つまたはそれ以上のストリングから成り、各電球
は一般には2.5ボルトの定格動作電圧であり、これらの電球のフィラメントは電
気的な直列回路配置に接続されている。50個以上の電球からなる総合的なセット
が必要であるならば、その一般に行われている方法は、電気的に直列に接続され
ている50個の小型電球のストリングを複数用意して、その複数のストリングを並
列回路配置に接続することである。各ストリングでは各々の電球は直列に接続さ
れているので、１個の電球が何らかの理由により点灯しない時には、ストリング
全体が発光しなくなり、欠陥のある電球を突き止めて取り換えることは非常に困
難で時間のかかる仕事である。普通、点灯しなくなつた電球を見つけ出すには多
くの電球をチェックしなければならない。実際、多くの場合には、その困難で時
間の掛かる仕事は非常に大変なので、修理せずにそのストリングを捨てて新しい
ストリングと交換することが多い。例えば、１つ又はそれ以上の電球に欠陥があ
る場合、１つ又はそれ以上のソケットの接続が不安定な場合、或いは、１つ又は
それ以上の電球が物理的にソケットから落ちている場合などの、幾つもの理由で
多数の電球が同時に点灯しなくなると、問題は更に複雑になる。
発明の背景
電球をソケットから物理的に取外した後で個々の電球を電気的に試験するいろ
いろな装置や器具が現在市販されている。試験したい電球に交流電流電源電圧セ
ンサーを物理的に近接させることでクリスマスツリーの電球を試験する器具も市
販されている。しかし、そのような装置は単なる電磁界強度検知デバイスに過ぎ
ないので、クリスマスツリーの試験したい電球がクリスマスツリー上の他の電球
と物理的に近接しているときは常にオンの状態になる。
実際に、電球製造業者は、各電球のフィラメントが何らかの理由で切れた時に
はいつでもそのフィラメントが短絡して、切れた電球のソケットに開放回路状態
が存在しないようにストリングの各電球を設計することで、不良電球検出の問題
を解決しようと試みた。しかし、実際には、電球の中のそのような回路短絡機能
は必ずしも意図したようには働かず、一個の電球が切れた時には何時でもストリ
ング全体が消えることがわかった。
「クリスマスツリー光源セットの回路試験機」と言う名称で、本出願と同一出
願人によって1994年11月7日に提出された同時係属出願第08/335,506号には、ソ
ケットから電球を取外す必要なしにストリングの各電球を試験することができて
、ストリング全体の電球が消える原因となった切れた電球を容易に突き止めるこ
とが可能な新規な手持ち型の電池式装置が開示されている。
前記の技術はそれぞれある限られた成功を収めたけれども、そのような装置や
技術のどれも、ソケットに欠陥がある場合、電球が適正にソケットに入っていな
い場合、電球の線が切れていたり曲がっている場合、或いは、電球が故意にソケ
ットから取外されたり、取扱い中に又は特に風やその他の気候条件を受けやすい
戸外に据付けておいたためにクリスマスツリーに張って飾った後で動かされたこ
とより電球がソケットから抜けた場合の直接の結果として、光源ストリング全体
が消えると言う別の問題をも解決することはできなかった。
特許第4,450,382号では、トラツクやその他の乗り物、特に軍用のトレーラー
で使用される直列接続された直流電球に並列にツェナーダイオードを接続して、
何らかの理由で１つ又はそれ以上の電球が切れた時に残りの電球が切れるのを保
護している。そこには、一個または複数の並列接続ツェナーダイオードの使用に
より、通常の電流による通常の故障に対しては電球を保護できないが、電球の破
損に関係した過大なサージ電流による故障に対しては保護できると述べられてい
る。そこには、出願人が非常に簡単で経済的な方法で首尾よく解決した問題の解
を提供する装置または技術については何等の示唆も見られない。
各電球のフィラメントと並列にいろいろなタイプの分路を設けて、電球が切れ
たり開放回路状態になったりした時いつでもストリングが点灯し続けるようにす
るために、その他のいろいろの試みがなされてきた。しかし、出願人の知る限り
、こうした配置のいずれもが商業的には利用できないものであった。
そのような装置の代表的なものは、米国特許第RE34,717号、第1,024,495号、第
2,072,337号、第2,760,120号、第3,639,805号、第3,912,966号、第4,450,382号、第4
,682,079号、第4,727,449号、第5,379,214号、第5,006,724号、英国特許第12,398号、
スイス特許第427,021号、フランス特許第884,370号に見られる。
前記の先行技術特許の中で、フレックの米国特許第4,727,449号明細書、ハー
ンデンの米国特許第3,912,966号明細書、及びスイス特許第427,021号明細書は一
見したところでは、先行技術の中で最も見込みがあるように思われる。ここでは
、フィラメント分路回路及び／又は多結晶材料から、粉末、そして金属酸化物バ
リスター等におよぶ種々のタイプのデバイスを利用してストリングに高い又は低
いレベルで連続した電流を流して、ストリングの中の欠陥のある電球を指示する
。この理由は、各先行技術の分路の両端間に生じる電圧降下が正常動作している
時の白熱電球の両端の電圧降下の値とは実質的に違った値であるからである。こ
れらの先行技術の分路のあるものにおいては、フィラメントの開放、欠陥のある
電球又は欠陥のあるソケットに起因して、又は、単に電球がソケットに正しく取
付けられていないか又はソケットから完全に取外されてたり落ちたりしたために
電球が点灯しなくなったとき、分路の両端間に生じる電圧降下が余りにも大きい
ため、直列ストリングを流れる電流が減少する。しかし、ある分路デバイスでは
、望ましくない電流増により、反対の効果が生じることもある。例えば、ソケッ
トの両端間の電圧降下が減少するとき、一層大きな電圧がストリングの残りの電
球全てに印加され、この高い電圧により一層大きな電流が流れるようになり、ス
トリングの残りの電球の平均余命を短縮する結果になる。更にまた、このような
高い電圧によってストリングの残りの全ての電球の光出力は強くなるので、ある
場合には望ましくない。しかし、あるソケットの両端間の電圧降下が大きくなる
時
には、直列接続のストリングの残りの電球全てに印加される電圧は低くなる。こ
のため、電流は減少し、それに応じてストリングの残りの各電球の光出力は減少
する。このような望ましくない効果は、一見したところでは最も有望な技術と考
えられる先行技術、特にフレックの米国特許第4,727,449号明細書の双方向スイ
ッチと直列にダイオードを使用する提案、または前記のハーンデンの米国特許第
3,912,966号明細書の金属酸化物バリスターの使用の提案、またはスイス特許第4
27,021号明細書で提案された逆接続した整流器の使用を含む全ての先行技術の試
みで起こる。
例えば、上記のフレックの米国特許第4,727,449号明細書に提案されている装
置では、最小動作定格電圧が12ボルトである１０個のハロゲン電球が直列回路の
形で使われている。電球の中にハロゲンガスが存在することで、フィラメントに
大きな電流が流れることが可能になり、その結果、小さな電球でずっと明るい光
が得られる。通常、10個のハロゲン電球が直列ストリングに接続されている時に
、一個の電球が故障すると、ストリング全体が暗くなり、どの電球が点灯しなく
なったのかが分からない。この望ましくない結果を改善するために、フレックは
ダイオードと直列接続したシリコン双方向電圧トリガースイッチから成るバイパ
ス回路を各ハロゲン電球の両端間に設け、ダイオードにより交流（即ち、A.C.）
供給電圧を整流して、半分の時間だけ即ち交流供給電圧の半サイクル毎にだけ双
方向スイッチを通して電流が流れるようにした。フレックは、一個の電球が切れ
ると、ダイオードによって一方向の流れを阻止し、それと逆方向にだけ電流を通
すので、実効電圧は約半分になり、そのため残りの電球の光出力は減少すると述
べている。このような実質的な光出力の減少により、残りの電球の寿命を短くす
るような大きな電圧の印加が避けられるだけてなく、切れた電球に明らかに注意
が促される。しかし、実際には、明るさが著しく落ちるのが観察される。即ち、
電球が一個点灯しなくなると、約314ルックスから約15ルックスに落ちる。更に
、切れた電球を交換するための前手順は、スイッチを開放して電球を取り換えた
後で正常な動作を回復するため電源の印加を中断することを含むと特許権者は述
べている。(第2欄、19〜22行参照)。更に、そのような装置は二個以上の電球が
同時に消えることを許容しないので、例えば「明滅」などのようなある種の付加
的
な望ましい特殊な効果は得られない。
ハーンデンの米国特許第3,912,966号明細書に提案されている装置では、金属
酸化物バリスターは連続電流を扱うようには設計されていないと言う周知の事実
があるにも拘わらず、分路デバイスとして多結晶金属酸化物バリスターを使用す
ることが提案されている。したがって、それは保護目的用の所謂「ワンショット
」デバイスに過ぎない。即ち、高周波又は急峻な電圧スパイクを吸収して、その
ような電圧スパイクによって関連回路が損傷を受けることがないようにするため
の過渡電圧抑制装置である。金属酸化物バリスターはスパイク吸収体用に設計さ
れ、電圧調整器として又は定常状態電流消費回路として機能するようには設計さ
れない。金属酸化物バリスターは、ある場合には背中合わせのツェナーダイオー
ドに似ているように見えるが、それらは置き換えることのできるものではなく、
その特定の用途にしたがって非常に異なった機能をする。実際に、ハーンデンの
米国特許第3,912,966号の譲受人は、以前にはGeneral Electric Corporationで
あり、現在は Harris Semiconductor．Inc.であるが、出願記録第9311号の中で
、「それらは過渡的な電圧スパイクを消費することでは優れているが、連続的な
小さな電力を消費することは出来ない」と述べている。実際に、彼らは、更に、
金属酸化物バリスターの機能は非線型インピーダンス・デバイスとして使用する
ことであるから金属酸化バリスターを電圧調整器として使用することは出来ない
と述べている。金属酸化物バリスターと背中合わせツェナーダイオードとから引
き出すことのできる唯一の類似点は両方とも双方向性であると言うことである。
その他に類似点はない。更に、ハーンデンは、バリスターの定格は電球の定格の
125％であることが望ましく、このような定格によって、直列ストリングの残り
の電球の両端に加わる「ストレスは減少する」と述べている。正しく説明すると
、この所謂ストレスの減少により、残りの電球の明るさが失われることになる。
例えば、120ボルトの交流で動作している50個の電球のストリングでは、各電球
には実効値(二乗平方根)で2.4ボルト即ちピーク値で3.39ボルトの平均電圧が加
わる。バリスターはピーク電圧に対して応答するので、125％のバリスターの定
格は4.24ボルトとなり、実効値で3.0ボルトに等しい。たった一個の電球の故障
に対して2.4ボルトと3.0ボルトの差は非常に大きく、特に、戸外の植込みなどに
張
り巡らされて、風やその他の動きを受けやすい例えば50個の直列接続の電球のス
トリングにおいては、他の電球の引き続く故障は重大な影響を持ち、従って、出
願人の意図する目的には全体的に適していない。
スイス特許第427,021号明細書で、ディレは、降伏電圧を越えた時にその抵抗
が１オーム以下に下がる降伏電圧定格を有する双方向分路デバイスを開示してい
る。この小さな抵抗値によつて、前述の理由のどれかにより電球が一個だけ点灯
しない時でも、残りの電球に加わる電圧は実質的に増加する。従って、多数の電
球が点灯しない時には、なお一層大きな電圧が残りの電球に加わるようになり、
このために更に明るさは実質的に増し、結果的には、その平均余命を実質的に短
くすることになる。
対照的に、出願人の提案するタイプの分路を利用することによつて、50個の電
球のストリングの実質的に全ての電球が前述のどれか又は全ての理由により点灯
しないときでも、残りの電球の照明強度はほんの最小限の減少をするだけである
。これは、前述の分路のどれによっても可能ではない。
更に、これは特に重要なことであるが、スイス特許第427,021号明細書の教示
は現在まで30年以上も当業者にとっては利用できるものであったし、更にハーン
デンの米国特許第3,912,966号明細書は20年以上利用可能であったし、フレック
の来国特許第4,727,449号明細書の教示は8年以上利用可能であったが、どの教示
も、単独で又は組み合わして商業的に利用されるには至っていない。実際に、小
型のクリスマスツリー用電球は、現在、点灯しなくなると短絡することになって
いる特別に設計された電球にもっぱら頼っている。明らかに、このような手法は
必ずしも有効ではなく、特に、電球がソケットから取去られたり、または取り扱
いにおいて損傷した時などには効果的でない。絶対に電球がソケットから落ちな
いようにするために他の人々の行った極端な試みは、電球のベースユニットのベ
ースに形成された隆起部と一致するようにソケットの内側周囲に形成された固定
溝を使用することを含む。この特定の固定技術は電球がソケットから落ちないよ
うにするには非常に効果的であるが、普通の使用者が欠陥のある電球を取り換え
ることは、電球のベースユニット又はソケットを実際に壊すこともある機械的な
把持器具を用いないでは、時には不可能ではないとしても、極めて困難である。
発明の概要
本発明によれば、フィラメントの開放、１つ又はそれ以上の欠陥のある電球或
いは１つ又はそれ以上の欠陥のあるソケットに起因して、或いは、１つ又はそれ
以上の電球が夫々のソケツトに正しく取付けられていなかったり、ソケットから
完全に取外されているか落ちているため、ストリングの１つ又はそれ以上の電球
が点灯しない時に、主として電球ストリング全体を流れるある種の電流を維持す
るようにだけ設計された先行装置のこれまでの問題を非常に簡単で経済的な方法
で完全に克服する、白熱電球の直列接続ストリングと関連して使用される新規な
フィラメント分路回路が提供される。
本発明によって、各白熱電球の両端間には、前記電球に正常に印加されている
電圧よりも大きな所定のスイッチング電圧値を有するシリコン型分路デバイスが
接続されており、その分路は、ストリングの電球が、フィラメントの開放、欠陥
のある又は故障した電球、欠陥のあるソケット、電球がソケットに正しく取付け
られていなかったり、ソケットから完全に取去られているか又は落ちていること
のいずれか一つ又は二以上或いは全てによって点灯しなくなった時に発生してそ
の両端間に印加されるピーク電圧が前記所定のスイッチング電圧値を越える時の
み完全に導通し、更に、その分路回路装置は、例え前記のいろいろな理由のどれ
かの組み合せによりストリングの全電球の相当数が同時に点灯しなくなっても、
ストリングの残りの電球全てを流れる定格電流の流れを持続してストリングの残
りの点灯しているどの電球の光出力照度も実質的に変化しないようになされてい
る白熱電球の直列ストリングが提供される。
したがって、本発明の主な目的は、複数の直列接続された電球の各々に対して
、簡単で経済的なシリコン型のフィラメント分路即ちバイパスを提供することで
あり、前記フィラメント分路は前記電球の定格電圧よりもほんの僅かだけ大きな
所定の導通スイッチング値を有し、更にその分路は前記の理由のいずれかにより
発生するその両端間に印加されるピーク電圧が前記所定のスイッチング電圧値を
越えると導通し、ストリングの残りの各電球を流れる定格電流の持続した中断す
ることのない流れを供給し、それらの光出力の照度を実質的に変らないようにす
る。
本発明の他の目的は、上記の望ましい特徴を有し、それにも拘わらず非常に簡
単で経済的な構成であり、比較的安価に量産できて、市場での最終製品の全体コ
ストを最小にし、更に、現在市場にある実質的に全てのストリングのように切れ
た時に短絡回路を与えるよう特別に設計されたいかなるタイプの電球をも必要と
しない新しい改善された直列接続電球ストリングを提供することである。
本発明の更に他の目的は、上記の全ての特徴を有し、各電球から放出される光
が随意に出現し、消滅し、そして独自にストリング全体に沿って連続的に再出現
し、これによって非常に優れた、新規な、普通ではない明滅効果を作り出す直列
接続電球ストリングを提供することである。
図面の簡単な説明
図１は、本発明の第１の実施の形態によって構成される新規な光源ストリング
の電気的な概略図である。
図２は、本発明の他の実施の形態によって構成された新規な光源ストリングの
電気的な概略図である。
図３は、本発明の更に他の実施の形態によって構成された新規な光源ストリン
グの電気的な概略図である。
図４は、本発明の更に別の実施の形態によって構成された新規な光源ストリン
グの電気的な概略図である。
好ましい実施の形態の説明
図１の概略図において、本発明の第1の実施の形態によって構成される新規な
光源ストリングは、一般の家庭または会社に通常見られる交流110／120ボルトの
適当な電源に接続されるようになっている入力端子10、11を備えている。端子10
は普通第1電球12が動作するように差し込まれる第1ソケツトの第1端子に通常は
固定的に接続される。第1ソケツトの隣接する端子は第2電球13が動作するように
差し込まれる第2ソケットの隣接する端子に接続されており、以下同様にして、
ストリング全体の各々の電球は(図に示すように全部で10個であろうと、または
一般によくあることだが全部で50個であろうと)、最終的には入力端子10と11の
間に
直列電気回路で動作するように接続される。第1ソケットの両電気端子間、した
がって第1電球12の両電気端子間に電気的に並列に、後で詳しく説明する方法で
第1電圧調整装置として有効に機能し且つ象徴的に指示された第1電圧感知スイッ
チ22が動作するように接続される。同様に、第2ソケットの両電気端子間、した
がって第2電球13の両電気端子間に電気的に並列に、同じ様に電圧調整装置とし
て有効に働く第2電圧感知スイッチ23が接続される。以下同様にして、残りのソ
ケットの各々、従って直列になっている残りの電球14〜21の各々に電圧感知スイ
ッチ24〜31の対応する一個が両端間に並列に動作するように接続される。
実際上は、全ての電圧応答スイッチ22〜31が同一の構成のものであり、そして
理想的には、導通即ち「オン」又は「閉」の状態にある時に、そのインピーダン
スは対応する電球のフィラメントのインピーダンスに等しい値であり、非導通す
なわち「オフ」又は「開」の状態にある時には、そのインピーダンスの値は無限
大に等しくなるような特性を持つことが好ましい。
ツェナーダイオードとして公知の半導体デバイス２個を背中合わせに接続(逆
向きで電気的に直列接続)した時に、これは本発明にしたがって電圧調整デバイ
スとして本質的に機能する優れた電圧応答スイッチの望ましい特性が得られるこ
とが分かった。何故ならば、特にそのような背中合わせのツェナーダイオードは
市場で比較的安価に入手可能であり、更に比較的大量に購入する時は一層安価に
、容易に入手可能であるからである。図１の実施の形態の動作モードは次の様で
ある：
光源ストリングは電気的に直列に接続された50個の電球を含む一般的な50光源
ストリングであり、各電球の定格電圧が2.4ボルトであると想定すると、ストリ
ング全体の実効的な定格電圧は2.4ボルトに50を掛けることで求められ、その積
は120ボルトとなる。各電球の両端間に、各々の定格電圧が3.3ボルトのツェナー
ダイオード2個を背中合わせで逆直列接続で接続することによって(ツェナーダイ
オード２個をソケット自体の中に組み込んでもよい)、それぞれの電球の両端間
の電圧は、200ミリアンペアの電流が流れている状態で、約4.5ボルトを越えるこ
とは出来ない。ストリングの中の一つの電球が点灯（すなわちオン）した時、そ
の時の印加されている電源電圧の値に依存して、その電球の両端間の電圧は約
2.4ボルト（即ち、ピーク値で約3.4ボルト）である。各々が3.3ボルトの定格電
圧を持つ２個のツェナーダイオードが背中合わせの構成で各電球の両端間に接続
された状態では、いずれのツェナーダイオードにも実質的には電流が流れず、実
質的に全ての電流は直列接続された各々の電球を流れる。一つの電球がソケット
から取外されたり、切れたり等して、電球に短絡機構がない時には、その電球の
両端間の電圧は印加されている電源電圧の値に向かって上昇し始める。しかし、
その電球の両端間には背中合わせに接続された２個の3.3ボルトのツェナーダイ
オードがあるので、その電球に加わる電圧が約4.5ボルトまで上がると、二つの
ツェナーダイオードは導通し始める。この電圧は、その対応する電球が導通して
いた時のソケットの両端間の電圧降下よりも（ピークで）約1.1ボルト高いに過
ぎない。ストリングの残りの電球は、ツェナーダイオード回路で生じる（ピーク
）で1.1ボルトの余計な電圧降下の影響を殆ど受けない。ストリングの各々の残
りの電球に加わる電圧は（ピークで）ほんの約23ミリボルトだけ小さくなるに過
ぎない。このように、分路機構には、必要になるまで実質的に電流が流れること
はない。
先行技術の光源ストリングに優る前記の実施の形態の普通では得られない望ま
しい特徴は、ストリングの１つ又はそれ以上の電球が切れたり、そのソケットか
ら落ちたり、ソケットの中で緩んでいたり、ソケットに曲がって入ったりしてい
るのと無関係に、ストリングが点灯した状態を持続すると言うことである。スト
リングの１つ又はそれ以上の電球に何が起ころうと、ストリングは点灯状態を続
ける。したがって、背中合わせのツェナーダイオードによつて、両端間に分路が
形成されている特定の電球に起こることと無関係に、直列配線回路の中を電流は
確実に流れ続ける。しかし、通常行われているように、ソケットの一つに標準の
「点滅」電球を取付けて、点滅電球が状態を変えるたびに光源ストリング全体を
オン、オフさせることが望ましいならば、一つのソケット、好ましくは交流プラ
グに一番近いソケットに並列に入っているツェナーダイオードの対を外して、そ
のソケットに点滅電球を嵌めることが必要である。その後は、ストリングは通常
のようにオン、オフして点滅する。
正しく認識し理解しなければならないことだが、各ツェナーダイオードの定格
が3.3ボルトであると述べたとき、これは特定のツェナーダイオードの両端間の
電圧が最初に3.3ボルトに達した時はいつでもツェナーダイオードは逆方向で導
通し始めることを意味している。逆に、ツェナーダイオードが順方向で導通して
いる時には、そのツェナーダイオードの両端間には約0.7ボルトの電圧降下があ
る。したがって、このような二つのツェナーダイオードが背中合わせの構成で電
気的に接続されている時には、その組合せの中の一つのツェナーダイオードは順
方向で導通し、他のツェナーダイオードは逆方向で導通するから、その組合せの
実効降伏電圧定格（以後、「実効定格電圧」と呼ぶ）は約4.0ボルトとなる(即ち
、3.3ボルトと0.7ボルトとの合計)。従って、その組合せは極対称であり、即ち
、両方の方向で同じである。この4.0ボルトの電圧値は背中合わせの組み合わせ
を流れる電流が増すにつれて大きくなり、遂には、約200ミリアンペアの電流、
即ち、50個の電球のストリングの平均電流が流れるようになるが、このとき、二
個の3.3ボルト定格の背中合わせのツェナーダイオードの両端間の電圧降下は約4
.4ボルトになる。このような背中合わせのツェナーダイオードはITT Semiconduc
tor CompanyからDZ89 Series「dual Zeners」として市販されている。いろいろ
の定格電圧のものが入手可能で有り、その定格は通常はピーク電圧値で、時には
交流の定格で表されている。
背中合わせのツェナーダイオードの各ペア、即ちdual Zenersは、ストリング
の直列接続されている残りの電球の全抵抗値がストリングを流れる電流の大きさ
を決める電流制限効果によって、公知の「電流暴走」状態の結果としての自己破
壊が起こらないようになっている。例えば、全ての電球をストリングから取除く
と、120ボルト(交流)、即ち170ボルト(ピーク)の供給電圧が50個の分路の両端間
に現れる。背中合わせのツェナーダイオードの各分路の実効定格は4.0ボルト(ピ
ーク)であり、3.4ボルト(ピーク)しか各分路の両端間に現れないので、ストリン
グには殆どまたは全く電流が流れない。
別の好ましいデバイスは双方向シリコン・トリガースイッチ(STS)、HSシリー
ズであり、これはTeccor Electronics，Inc.，a Siebe Company、から現在入手で
きるが、背中合わせのツェナー型スイッチよりも現在僅かに高価である。背中合
わせツェナー型スイッチと同じように、所謂「STS,HSシリーズ」型スイッチは降
伏電圧が低く、経済的なパッケージDO-35にマウントされ、ガラス・パシベーシ
ョン接合を施して信頼性を高めている。「HS」デバイスは、どちらの極性でも、
印加電圧が降伏電圧を越えると阻止モードから導通モードに切り換わり、双方向
性であるだけでなく、背中合わせのツェナーダイオードと同じ様に、非常に対称
性がよく、交流での応用に適している。図２に概要を示すように、上記の双方向
シリコン・トリガースイッチ22'〜31'は、前に図１に示したのと同じ様に、夫々直
列接続された電球12〜21の対応する一つと並列に接続されている。
図２に示すシリコン・トリガースイッチの実施の形態の動作モードは、図１に
示す背中合わせのツェナーダイオードの実施の形態のそれと実質的には同じであ
る。しかし、約10ボルトでトリガーする定格の分路としてTeccor Model HS-10型シ
リコン・トリガースイッチを使用するSTSの実施の形態では、STSが導通している
時にはいつでも、やはり約2.4ボルトの実質的に同じ電圧降下が50個の小型電球
のストリングの各電球ソケットの両端間に現れる。STSデバイスが各ソケットの
両端間の分路を作っている時には、電球が切れるか、ソケットから取外されるま
で、STSデバイスは導通しない。これが起きると、電圧は上昇し始めて約10ボル
トにまで達し、その時にSTSデバイスは「オフ」状態から「オン」状態に切り換
わる。「オン」状態においては、大抵の50個光源のストリングが動作する200ミ
リアンペアでは、50個光源のストリングのSTSデバイスの両端間の電圧は約2.4ボ
ルトとなり、これは、電球がソケットの中に有り点灯していた時と同じである。
したがって、各電球の両端間の電圧降下は、ストリングの残りの電球の１つ又は
それ以上が点灯している、いないに拘わらず、実質的に変らない。STSの実施の
形態のもう一つの優れている点は、所望の「明滅」動作か「明滅−閃光」動作か
のいずれかを得るために一つのソケットの分路を取外す必要がないことである。
しかし、ストリングが「オン」、「オフ」する標準的な点滅動作を行うためには
、一つのソケット、好ましくは交流ソケットに一番近いソケットからSTS分路を
取外すことが必要である。
例えば、STS分路は鋭い閾値を持つために、第１ソケットに点滅しない電球を
置き(STS分路デバイスなしで)、他のソケット全てに点滅電球を入れることで、
ストリングは明滅しながら閃光を発する。明滅するストリングの閃光動作は、少
な
くとも12〜13個の電球が全て同時に「オフ」状態になる時に起こる。これは、ST
Sデバイスの両端間の電圧が約10ボルトに達するとき、STSデバイスが導通状態に
切り換わるためである。従って、120ボルト供給電源では、12〜13個の電球が「
オフ」状態になったときに、ストリングは消える。点滅電球が通常の導通状熊に
戻った時に、ストリングは再び点灯し、12〜13個の電球が再度同時に「オフ」状
態になるまで明滅する。この閃光の「オフ」と「オン」の周期性は点滅電球の作
用による。点滅電球が大抵の時間は点灯していて短い時間だけ「オフ」であれば
、12〜13個が同時に「オフ」となるのは稀になり、閃光動作期間は短くなり、明
滅期間は長くなる。
図３の実施の形態は前の実施の形態と実質的に同じように動作する回路配置を
示しているが、ただ異なる点は、動作電圧源が全波整流電圧であり、通常の60サ
イクルの速度の２倍で脈動することである。図３に示すように、STSデバイス22
”〜31”はそれぞれ電球12〜21(50個の小型電球のストリングを構成することが
好ましい)の両端間に分路を形成する。
端子6と7の間に3.9マイクロファラッドの容量があるのが望ましい全波整流器
９は電源コードソケットの中にモールドされていることが好ましい。この特定の
回路配置において、50個からなる電球セットの電球は明滅するだけで、前記のよ
うに明滅−閃光はしない。前に示したように、整流器９と容量８は交流プラグの
中に組み込むこともできるし、電源コードプラグを差し込む別のアダプタープラ
グに組み込むこともできる。これによって、脈動する部分的に濾波された直流電
流(即ち、D.C.)がストリングに印加される。直流電流が必要であるのは、点滅電
球が「オフ」状態にある期間にSTSデバイスが「オフ」に切り換わらないように
するためである。と言うのは、電圧がゼロ・ボルトになりSTSデバイスを「オフ
」に変えることは決してないからである。交流動作では、STSデバイスは１秒間
に120回「オン」と「オフ」にトリガーされる。STSデバイスが「オフ」状態の時
に、それを「オン」するには約10ボルトの電圧が必要になる。これが、交流電源
の動作電位を使用して明滅する電球の数を制限する理由である。しかし、動作電
位として直流を使用すると、STSデバイスは、関連する点滅電球が点灯するまで
導通したままである。従って、ストリングに使用できる電球の数に制限はない。
動作電位として直流電圧を使用するストリングにおいては、明滅する電球の数に
制限はないが、別の整合の考察があり、これを説明しておくことが望ましい。ブ
リッジ整流器だけを使用して脈動出力電圧を平滑しなければ、ストリングは交流
を動作電位として使用するのと同じに動作する。これは、STSデバイスが１秒間
に120回、即ち交流速度の２倍で「オン」、「オフ」するからである。ブリッジ
整流器の出力の両端間に容量を組み込むことによって、性能が向上する。しかし
、容量８が小さ過ぎると、特に、点滅電球がストリングにおいて通常の電球に混
じっていると、電球の強度は明滅する。更に、ストリングの電流は小さくなり過
ぎる。過大な容量を用いると、電球を流れる電流は過大になり、電球の寿命が短
くなる。
従って、理想的な容量は、電球を流れる電流が典型的な50個の小型電球のスト
リングにおける200ミリアンペアとなるような容量である。この大きさでは、電
流の流れは安定し、ストリングは申し分なく動作する。50個の小型電球のストリ
ングでは、好ましい容量は約3.3〜4.7マイクロファラッドである。１つ又はそれ
以上の点滅電球がストリングに組み込まれると、各点滅電球は独自の独立した速
度で「オン」、「“オフ」し続ける。電球が多くなれば、より大きな容量が必要
になる。
図４に示す更に別の実施の形態では、前に説明した実施の形態と実質的に同じ
様に動作する回路配置が示されているが、次の点だけが異なっている。即ち、こ
の実施の形態では単一のツェナーダイオードだけで各電球のソケットの両端間に
分路が形成されるとともに、電球12〜16で示されるように、回路の全ツェナーダ
イオードの好ましくは半分が所定の一つの方向を機能的に向き、電球17〜21で示
されるように、残りの半分が機能的に逆の方向を向いている。
説明に役立てる目的だけのために、図４に示す回路は(図１から図３における
ように)全体で50個の直列接続された白熱電球を含み(その中の10個だけが12〜21
として例示的に示されている)、入力動作電位は約170ボルトのピーク電圧に対応
する実効値約120ボルトの交流であると仮定する。この場合、全部の電球が同じ
定格であれば、各電球は約2.4ボルトの平均実効値電圧、即ち約3.4ボルトのピー
ク電圧が加わり、通常は、このようになる。各々の電球の両端間に6.2ボルト
のツェナーダイオードで分路が形成されており、２２〜２６で表された最初の25
個の分路は、一つの方向に接続された極性を有し、２７〜３１で表された残りの
25個の分路は逆の方向に接続された極性を有するので、各電球の両端間の平均電
圧降下は大体120を50で割った値、即ち、実効値で約2.4ボルト、ピーク電圧で3.
4ボルトとなる。これは、入力供給電圧の交流サイクルの半サイクルでは最初の2
5個の分路が順方向にバイアスされて約0.7〜0.8ボルトのピーク電圧が各分路の
両端間に現れ、最初の25個の分路全体でのピーク電圧降下は約17.5〜20ボルトと
なるからである。これらの特定のソケットに嵌められた電球は各々、動作電位の
最初の半サイクルでは約0.7〜0.8ボルトのピーク電圧を受け、瞬間的に出力輝度
が減少する傾向を示す。しかし、これによって、約170ボルトのピーク交流供給
電圧の中の残りのピーク電圧約150〜152.5ボルトが、残の25個の分路の両端で降
下することになる。この結果、交流動作電位の最初の半サイクルでは、各電球の
両端にピーク電圧で約6.0〜6.1ボルトの逆バイアスが印加されることになり、こ
れらのソケットの電球は出力輝度が瞬間的に増加する傾向を示す。交流動作電位
の次の半サイクルでは、夫々のバイアス条件は逆になる。即ち、最初の半サイク
ルで約0.7〜0.8ボルトのピーク電圧の順方向バイアスを受けている電球は、次の
第２の半サイクルではピーク電圧で約6.0〜6.1ボルトの逆バイアスを受けるよう
になる。ストリングの残りの電球については、これと逆になる。結果的には、正
と負の完全な一交流サイクルにおける各電球の両端間の平均電圧降下はピーク電
圧で約3.4ボルト、即ちピークツーピークで6.8ボルトで、これは直列ストリング
の個々の電球の定格に相当する。これは、両方の場合でピーク電圧は同じである
が、実効電圧は同じではないからである。通常の場合、波形は正弦波であるが、
ツェナーダイオード分路の場合には交流波形は正弦波の半分と方形波の半分とで
ある。正弦波である半分は約6.2ボルト(ピーク)であり、残りの半分は矩形波で
、約0.7ボルト(ピーク)である。その結果は実効値の差であり、ピーク値の差で
はない。従って、ピーク電圧は実質的に同じであるが、実効値電圧は実質的に同
じではない。そのような動作は、入力交流動作電圧を小さくしたり、もっと多く
の電球を直列ストリングに加えたりしないならば、電球の寿命を結果的に短くす
ることになる。理論的には、ピーク電圧で約170ボルトに対応する実効値電圧約1
20
ボルトの従来の交流供給電圧で動作するためには、更に約3分の1の電球をストリ
ングに追加して、ストリングの電球全てが通常の輝度のレベルで点灯するように
すべきである。
動作に関して説明すると、内部短絡は除外して、前述のいろいろな理由のどれ
かが原因で一つの電球が点灯しなくなったとき、分路に6.2ボルトのツェナーダ
イオードが選ばれていると、対応するツエナーダイオード分路の両端間の電圧降
下は、ツェナーダイオードの順方向ではピーク電圧で約0.7〜0.8ボルトであり、
逆方向ではピーク電圧で6.2ボルトである。従って、印加動作電位の一完全サイ
クルでは、その電球ソケットの両端間の電圧の絶対値は、約ゼロ・ボルトから連
続的に増加して約6.2ボルトのピーク電圧に達し、約0.7〜0.8ボルトのピーク電
圧に至り、それから約ゼロ・ボルトに戻る。これにより平均約2.44ボルトの実効
値電圧となり、電球の定格と実質的に同じである。実際は、50個の電球のストリ
ングから49個の電球を取外すことが可能であり、唯一の残った電球は点灯し続け
、そのときの輝度の減少は推定で約50％に過ぎないことが実験室の試験で分かっ
た。
50個の電球が電気的に直列に配線されているのとは異なるストリングでは、分
路として用いるために適当なツェナーダイオードの定格を選択し、半分を一つの
方向に、残りを反対の方向に電気的に接続することが必要なだけである。どの分
路を、またはどの一連の分路を、どちらの方向に接続するかを考慮する必要はな
く、ただ全体としての関係が前述のようになっていればよい。例えば、製造の見
地からは、分路の極性を単に互い違いにすることが望ましい。更に、例えば35個
の電球のストリングのようにストリングに奇数個の電球がある場合には、極性を
、一つのグループは17個で残りのグループは18個の二つのグループに分けること
ができる。
この新規なフリップフロップ型の電力配分を効果的に利用することによって、
図１のような2個の背中合わせのツェナー、又は図２のような双方向シリコンス
イッチではなくて、単一のツェナーダイオードを唯一のスイッチング素子として
実用化することができ、更に、ストリング全体の製造コストを下げ、コストの見
地から今日の市場で競争力の大きいものにするばかりでなく、サンダー等の米国
特許第4,682,079号によって以前に試みられたように単一のツェナーダイオード
を利用することが初めて実用的なものになる。製造コストの見地から厳密に言え
ば、単一のツェナーダイオードのコストは数が多い場合で約2.0セントで、背中
合わせのツェナーダイオードのコストはそれぞれが約2.3セントで、双方向シリ
コン・スイッチHS-10のコストは約5.0セントであると推定される。
要約すると、「背中合わせの」ツェナーダイオード又は「ハーフアンドハーフ
」の単一のツェナーダイオードのいずれかをフイラメントの分路として用いると
、前記の色々な理由の一つの結果として、直列ストリングの中の一つの電球が点
灯しなくなった時に、残りの電球の各々の両端間に加わる電圧はほんの僅か減少
するだけである。だが一方、双方向シリコン・スイッチがフィラメントスイッチ
として使用された時には、前記の理由のいずれかで一つの電球が点灯しなくなっ
た時には、直列ストリングの残りの電球の各々の両端に加わる電圧は僅かに増加
するので、ストリング全体が切れる前に実質的に全ての電球が点灯しなくなる。
Radio Shack Semiconductor Reference Guide、Archer Catalog #276-405(199
2)に示された、種々の他の同様なタイプの電圧感知スイッチは、前記のものと同
様な特性を有しているので、それらを使用すると、同じ又は実質的に同様の優れ
た結果が得られるが、実際には、デバイスのコスト及び意図する用途または動作
の種類によって選択される。
好ましい実施の形態により発明の原理を詳しく説明し、例により具体的に説明
したが、次に示す「特許請求の範囲」の範囲及び精神に含まれるような変更及び
修正を全て含むことを添付の特許請求の範囲は意図している。例えば、他の同様
のデバイスを用いて同じ成果を得られること及び電灯又は電球が異なれば異なっ
たツェナー定格電圧を使用することは当業者にとっては全く明白なことである。