JP7011756B2 - 電子コントローラ装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、全般的に、例えば、ランプ、照明器具、管状照明器具、ＬＥＤモジュール、又はＬＥＤドライバなどの照明装置を制御する際に使用するための、コントローラ装置、並びに、そのような装置に給電するための方法に関する。

個々のランプとして、又は照明器具内で、単純なオン－オフ制御を超えた追加的機能を実行することが可能な、ＬＥＤの使用が増加している。

オン－オフ制御は、典型的には、照明負荷と直列の単純なスイッチで達成される。スイッチは、照明負荷に接続する前に、幹線電力活線と直列になっている。

単純なオン－オフ制御に対する最も基本的な追加的機能は、調光制御を提供することである。従来の白熱電球は、位相カット電力手法を利用し、この目的のために、位相カット調光器スイッチが使用される。それらは、立ち上がり位相カット手法又は立ち下がり位相カット手法に従って動作し得る。

オンボードの無線モデムを使用する、無線周波数（radio frequency；ＲＦ）制御機能を有するランプ及び照明器具が、より普及しつつあることにより、無線制御可能なランプに向けた傾向が存在している。

無線通信は、通常、照明負荷（例えば、ランプ）と、多くの場合ハブとして知られる、ブリッジとの間で実施される。ハブは、好ましくは、レトロフィットソリューションとして提供されることができるように、既存の電気設備に適合するための２線式デバイスとして設けられる。その場合、ハブは、負荷と直列に接続され、動作するためには給電されなければならない。

照明負荷は、当該内部ＲＦ受信機が、幹線スイッチに配置されている送信機によって送信されるメッセージを受信するために、給電されたまま維持されることを可能にする、待機モードに入るために、幹線によって恒久的に給電されなければならない。それゆえ、幹線スイッチは常に動作され、照明負荷が光を送達していない場合も、幹線から待機電流が引き込まれる。それゆえ、照明負荷は、ＲＦ／制御部分に給電するための待機電流、又は、光を放出すると共にＲＦ／制御部分に給電するための動作電流のいずれかを引き込み、動作電流は、典型的には、待機電流の少なくとも１０倍の大きさである。

照明負荷は、例えば、ＺＬＬ、ＷｉＦｉ、又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ無線通信を介して制御可能である。

照明負荷と無線通信する、別名「壁ユニット」としても既知の幹線スイッチの給電は、バッテリ、又は他のエネルギー貯蔵若しくはエネルギー採取技術を使用して実施されることができる。バッテリは、限られた寿命と、不使用期間中のエネルギー漏れとを有する。それゆえ、壁ユニットに給電するために、幹線電源からエネルギーを引き出すこともまた好ましい。

位相カット給電は、入力信号が照明負荷から遮断されて壁ユニットに提供される時間中に、電源からエネルギーを導出するための、１つのオプションを提供する。

図１は、既知の位相カット給電壁ユニットが使用される場合の、負荷に送達される電流波形又は電圧波形の形状を示す。位相カット信号のサイクルの一部の間に、負荷電流が導通され、サイクルの別の部分にわたって、壁ユニットに電源投入するためにエネルギーが抽出される。この部分は、負荷に送達されるエネルギーの量を望ましくないように制限する、顕著なものであり得る。負荷によって認識されるように、受け取られる電力は、位相カットされている。

一部の照明システムでは、ランプは、位相カット適合性ではないが、これは、ランプが、結果として生じる著しく乱された出力電圧の波形と、不適合であるためである。位相カット適合性ではない他の機器、特に抵抗性ではない機器が存在する。スマートデバイスの普及が進むにつれて、それらの機器の全てが、位相カット壁ユニットと適合するとは限らない場合もある。

更には、位相カット給電は、ＬＥＤなどの容量性負荷のゼロ交差検出が困難であることにより、不十分な性能をＬＥＤランプにもたらす場合が多い。高レベルの伝導放出は、フィルタ構成要素の必要性をもたらす結果となる。

制御されているランプがオフであり、待機電流のみを引き込んでいる場合、電流は極めて小さく、また、ランプ及び制御パネルを電源投入されたまま保つために、電流は、ランプを通って流れるように維持されなければならない。ランプがオンである場合、制御パネルは、ランプに電源投入するために必要とされる全電流を導通させ、かつ、最小限の電圧波形の乱れと低い熱放散とで、制御パネルに電源投入するための十分なエネルギーを抽出しなければならない。

これらの問題は、（ランプなどの）負荷に流れる電流の中断を伴うことなく、幹線電源から電力を引き込むことが可能であり、またそれゆえ、種々のタイプのランプなどの、種々の負荷タイプとの適合性を可能にするコントローラ装置を、設計する際の困難性を提示している。

国際公開第２０１７１９０９９９（Ａ１）号は、トランジスタ増幅により、極めて低い電流モードで動作する、コントローラ内のバイパススイッチを開示している。

本発明の実施形態は、基本的に、外部負荷、特にランプに対する、位相カット給電の上述の問題点を解決することを目的とする。位相カット給電はまた、ハードスイッチングに起因するＥＭＩも引き起こす。本発明の実施形態はまた、ＥＭＩ問題を解決することも目的とする。

本発明の構想は、電源と直列に接続するための回路を提供することであり、当該回路は、ＡＣ電力供給が中断することなく継続するように、線形及び並列回路を使用して、選択的に、電源回路をバイパスするか、又は、入力ＡＣ電力供給を電源回路に結合するための、スイッチを使用する。ＡＣ供給源が十分な電流を送達する場合、動作の間に外部負荷に位相カット電力が供給されないように、外部負荷の継続的な給電が存在している。スイッチは、電源回路が入力から電力を引き出している場合に、少なくとも或る期間にわたって、線形状態で動作する。それにより、出力電圧波形に対するスイッチングの影響が低減される。

本発明は、請求項によって定義される。

本発明の一態様による実施例によれば、ＡＣ供給源及び外部負荷と直列に接続するように適合されている、電子コントローラ装置であって、
外部負荷を制御するためのコントローラ回路と、
コントローラ回路に給電するための電源回路であって、エネルギーを受け取るためのＡＣ入力を含み、ＡＣ入力が、ＡＣ供給源及び外部負荷と直列に接続するように適合されている、電源回路と、
ＡＣ入力間にわたって、かつ電源回路と並列に接続されている、スイッチであって、交互に、ＡＣ入力から電源回路をバイパスするために導通するように、又はＡＣ入力から電源回路が電力を取得することを可能にするように適合されている、スイッチとを備え、
十分な動作電流の第１のタイプのＡＣ供給に対しては、スイッチが、交互に、
完全に導通していることと、
ＡＣ入力から電源回路が電力を取得することを可能にするために線形状態で動作することとによって、第１のタイプのＡＣ供給の電流を継続させ、
それにより、十分な電流が、第１のタイプのＡＣ供給から、外部負荷を通って継続的に流れることを可能にするように適合されている、電子コントローラ装置が提供される。

電源回路と並列とは、スイッチが完全に導通している場合に、電源回路が、もはやスイッチを介してエネルギーを受け取らないことを意味する。「供給の...を継続させる」とは、エネルギー供給が（例えば、そこからエネルギーが送達されるＡＣ出力に）継続して流れることを可能にする、接続としての役割を果たすことを意味する。同様に、「第１のタイプのＡＣ供給から継続的に流れる」とは、電流がＡＣ入力からＡＣ出力へと中断することなく流れることを意味する。

コントローラ装置は、電源回路によって処理される、入力において受け取られたエネルギーによって給電される。受け取られたエネルギーは、スイッチの動作によって調整され、スイッチは、電源回路によってエネルギーが受け取られない時間である導通状態と、電源回路によってエネルギーが取得されるが、またエネルギーの別の部分が線形スイッチを通って流れることも可能にされる状態との間で、交互化される。スイッチは、例えば電源回路に大電流を供給する入力である、少なくとも第１のタイプのＡＣ入力に対しては、電力を引き出す際に、線形状態で動作する。それゆえ、第１のタイプのＡＣ入力は、例えば、外部負荷の動作に関する閾値を超過する電流を含み、これは、例えば、エネルギーの流れが、当該外部負荷（並びに、外部負荷を制御するためのコントローラ回路）に給電するために使用される場合である。

電源回路は、例えば、コントローラ回路と並列のコンデンサを使用することによって、電源回路の周期的な充放電が存在するように、入力から充電され、コントローラ回路に放電する。線形状態で動作することによって、出力電圧／電流波形に対するスイッチングの影響が低減され、例えば、電圧／電流波形は、位相カット手法の結果として生じる波形よりも、遥かに歪みが少ない。出力電圧波形の歪みの低減は、同様に、入力における電圧波形の歪みの低減を、またそれゆえ、コントローラ装置の上流の回路又は外部負荷自体によって経験される歪みの低減を、結果としてもたらす。波形は、外部負荷と適合性となる。更には、出力電圧波形の歪みの低減はまた、ＥＭＩも低減する。

線形の動作モードは、スイッチによってエネルギーが消散されるため、電力消費の増大をもたらすが、これは、サイクル全体内の短い持続時間にわたってのみ実施されるように構成されてもよい。

スイッチは、例えば、１つ以上のトランジスタとして実装される。線形モードで動作する場合、スイッチを通って流れる電流は、双安定状態間でのスイッチングではなく、アナログ方式で調整されることができる。このアナログ調節は、ハードスイッチング手法（すなわち、完全にオン／オフ）と比較して、歪みの低減をもたらす。

本装置は、電源回路への供給の前にＡＣ入力を整流するための、整流器を備えてもよく、電源回路は、
蓄積コンデンサ、
線形電源、及び
スイッチモード電源のうちの少なくとも１つを含む。

それゆえ、電源回路は、例えば、マイクロプロセッサなどの集積回路の形態のコントローラに、及びＲＦデバイスに電力を供給するための、ＤＣ供給源を生成するためのものである。実際的な必要性に応じて、種々の電源回路が可能である。

電源回路は、ＡＣ入力を介して外部負荷と直列に接続されてもよく、コントローラ回路は、外部負荷を制御するためのものである。

それゆえ、ＡＣ電流などのＡＣ入力は、外部負荷から受け取られるか、又は外部負荷に送達される。スイッチング手法は、ランプの形態の外部負荷に関する位相カット電力信号などの、位相カットＡＣ信号と適合性ではない外部負荷によって提供されるか、又はそのような外部負荷に送達される、ＡＣ入力と適合性がある。電源回路は、単一の電源ラインに沿って直列に接続されることが可能である。このことは、非位相カットランプもまたサポートする、従来のスイッチに対する置き換えを提供する。

外部負荷のＡＣ電流は、例えば、外部負荷の異なるモードに対して、外部負荷の待機電流と、待機電流よりも大きい、外部負荷の動作電流とを含み、動作電流は、第１のタイプのＡＣ供給を含む。

動作電流は、好ましくは、待機電流よりも少なくとも１０倍大きい。

大きい動作電流が、外部負荷によって送達されている場合、導通スイッチ状態と非導通スイッチ状態との間のスイッチングは、出力電圧波形に対する著しい外乱を生じさせることになる。このことは、線形モードでスイッチを動作させることによって低減される。スイッチが線形モードにある場合の電流降下は、スイッチが完全に導通している場合の電流よりも、１％～５％小さいなどの、最大で数パーセントとすることが可能である。それゆえ、外部負荷への動作電流は、実質的に維持される。

第１のタイプのＡＣ供給に対しては、スイッチは、例えば、
電源回路の出力電圧が上限閾値に達することにより、電源回路がＡＣ入力からバイパスされる場合の、完全導通状態と、
電源の出力電圧が下限閾値に達する場合に、電源回路が、ＡＣ入力から動作電流の一部分を取得するように適合されると同時に、スイッチが、動作電流の残部が通って流れることを可能にする、線形状態との間で、交互化するように適合されている。

この交互化は、周期的な電源回路の充電とコントローラ回路を介した放電とに従って、動作電流を維持することをもたらす。

第１のタイプのＡＣ供給に対しては、導通状態の持続時間は、好ましくは、線形状態の持続時間よりも長い。

大きい動作電流が受け取られる場合、利用可能な大きい電流が、電源回路を充電するために渡されて電源回路を十分に充電する、短い期間が存在する。それゆえ、殆どの時間で導通状態が使用され、この時間中、スイッチは完全にオンにされる。この線形制御は、比較的短い持続時間にわたるものであり、それゆえ、電力消散を制限する。動作電流は、この線形制御の間、維持されている。

ＡＣ電流が、第２のタイプのＡＣ供給としての、待機電流である場合、スイッチは、好ましくは、
電源回路の出力電圧が上限閾値に達することにより、電源回路がＡＣ入力からバイパスされる場合の、完全導通状態と、
電源の出力電圧が下限閾値に達して、ＡＣ入力から電源回路が電力を取得することを可能にする場合の、線形状態及び完全非導通状態との間で、交互化するように適合されており、
完全導通状態の持続時間は、線形状態及び完全非導通状態の持続時間よりも短い。

小さい待機電流が受け取られる場合、スイッチは、利用可能な電流の全てが電源回路に渡されて電源回路を充電することを可能にするために、完全にオフにされる。電源回路を充電するためには、長い時間を必要とする。それゆえ、ＡＣ入力から電力を引き出すことは、スイッチを完全にオフにすることを伴う。電源回路は、外部負荷と直列であり、このことは、それらが双方とも高インピーダンスであるため、小さい待機電流を変化させず、それゆえ、完全非導通状態にスイッチが入ることを防ぐ必要はない。小電流の結果として、完全非導通状態にスイッチングする場合、依然として、短期間の線形制御が存在することになるが、スイッチは、それにも関わらず、典型的には、完全非導通状態に達することになる。殆どの時間で、小電流は、完全非導通状態の間に電源回路に供給される。電源回路上の電圧が十分に高い場合、スイッチは、短い間、完全導通状態に入る。線形状態で動作する期間は、遷移の間に発生する。

異なる状態間で交互化するようにスイッチを制御するために、フィードバック回路が設けられてもよい。

このフィードバック回路は、線形モードにおける所望の動作を提供するように、スイッチの動作電圧及び動作電流を設定し、すなわち、スイッチを通って流れる電流のアナログ制御を使用して、スイッチの導通状態と非導通状態との間の緩やかな遷移をもたらす。

フィードバック回路は、
電源回路の電圧出力を検知するための、電圧検知回路と、
検知された電圧を基準電圧と比較して、異なる状態でスイッチを動作させるための電圧レベルを出力するための、比較回路と、
比較回路のフィードバック経路内のバッファリング構成要素であって、スイッチへの電圧レベルに対するスルーレートを生成するように適合されている、バッファリング構成要素とを含み得る。

それゆえ、電源回路の電圧を維持しつつ、スイッチもまた操作するために、電圧フィードバック制御が使用される。バッファリング構成要素は、線形状態での動作が少なくとも特定の持続時間にわたって維持されるように、電圧レベルをスイッチの線形閾値電圧に維持するために、供給回路を充電しないステップから供給回路を充電するステップへの遷移の間に、出力電圧レベルをより高いレベルにバッファリングするために使用される。バッファリング構成要素は、スルーレートを、またそれゆえ、電圧信号のタイミングを制御するために使用される。

第１のタイプのＡＣ供給に対しては、バッファリング構成要素は、電源回路が動作電流の一部分によって十分に充電されるまで、電圧レベルが線形状態の制御電圧範囲に保たれるように、スルーレートを生成するように適合されてもよい。この場合、バッファリング構成要素は、スイッチの線形期間が確保されることができるように、第１のタイプのＡＣ供給の振幅に従って適合される。

第２のタイプのＡＣ供給に対しては、スルーレートは、電源回路が待機電流によって十分に充電されるまで、完全非導通状態の制御電圧範囲に電圧レベルが入ることを可能にするように適合されてもよい。この場合、線形期間は、小さい待機電流を使用して電源回路を十分に充電するための時間よりも短く、それゆえ、スイッチは、電源回路を充電する際、線形状態の電力消散を停止するために、完全非導通状態に入ることになる。

これらの目的のために、バッファリング構成要素は、比較回路の出力と基準電圧との間に接続されている、２２ｎＦ～２２０ｎＦの範囲の容量を有するコンデンサを含み得る。

これらの容量値は、回路全体の性能に影響を及ぼす、スイッチの線形制御の量を制御するために好適である。

外部負荷は、例えば、発光を伴わない待機モードと、発光を伴う動作モードとを有する、ランプを含む。

入力は、例えば、待機モードの間はｍＡ又は数十ｍＡの振幅の、及び動作モードの間は数アンペアの振幅の、ＡＣ電流であってもよい。

コントローラは、外部負荷にＲＦ制御信号を提供するための、ＲＦ送信回路を含んでもよい。

それゆえ、コントローラ回路は、そこから電流が受け取られる外部負荷を、制御するためのものである。本装置は、例えば、ライトスイッチを置き換えて、置き換えられたオン／オフライトスイッチと比較して制御パネルに追加的機能を提供するためのものである。コントローラ回路は、他のデバイスと通信するためにも使用されてもよい。

本発明はまた、照明システムであって、
発光を伴わない待機モードと、発光を伴う動作モードとを有する、ＡＣランプと、
ランプと直列であり、ランプのモードを制御するように適合されている、上記で定義されたような装置であって、ランプが外部負荷を含むことにより、ＡＣランプ電流をＡＣ入力として受け取る、装置とを備える、照明システムも提供する。

本発明はまた、外部負荷を制御するためのコントローラ回路に給電する方法であって、コントローラ回路が、ＡＣ供給源及び外部負荷と直列に接続するように適合されており、本方法は、
電源回路のＡＣ入力においてエネルギーを受け取るステップであって、ＡＣ入力（１４、１６）が、ＡＣ供給源（１０）及び外部負荷（１８）と直列に接続するように適合されている、ステップと、
周期的に、交互に、ＡＣ入力間にわたって接続されているスイッチを、ＡＣ入力から電源回路をバイパスするために導通するように設定する、及び、スイッチを、ＡＣ入力から電源回路が電力を取得することを可能にするように設定するステップとを含み、
ＡＣ入力から電源回路が電力を取得することを可能にする場合、十分な動作電流の第１のタイプのＡＣ供給に対しては、本方法は、交互に、
導通していることと、
ＡＣ入力から電源回路が電力を取得することを可能にするために線形状態で動作することとによって、第１のタイプのＡＣ供給の電流を継続させ、
それにより、十分な電流が、第１のタイプのＡＣ供給から、外部負荷を通って継続的に流れることを可能にするように、スイッチを動作させるステップを含む、方法も提供する。

本方法は、外部負荷のＡＣ電流としてエネルギーを受け取るステップであって、ＡＣ電流が、外部負荷の異なるモードに対して、外部負荷の待機電流と、待機電流よりも大きい、外部負荷の動作電流とを含む、ステップを含み、
本方法は、電源回路がＡＣ入力からバイパスされるような導通状態と、電源回路がＡＣ入力から電力を取得する制御状態との間で、スイッチの設定を交互化するステップを含み、
ＡＣ電流が待機電流である場合、導通状態の持続時間が、制御状態の持続時間よりも短く、制御状態が、完全非導通状態であり、
ＡＣ電流が負荷動作電流である場合、導通状態の持続時間が、制御状態の持続時間よりも長く、制御状態が、線形状態でのスイッチの動作を含む。

本発明のこれらの態様及び他の態様は、以降で説明される実施形態から明らかとなり、当該の実施形態を参照して解明されるであろう。

本発明のより良好な理解のために、及び、どのようにして本発明が遂行され得るかをより明確に示すために、次に、例としてのみ、添付図面が参照される。
既知の位相カット給電壁ユニットが使用される場合の、負荷に送達される電流波形又は電圧波形の形状を示す。 照明回路を示す。 図２の回路の実装形態の一実施例を示す。 照明デバイスが待機モードにある場合の波形を示す。 照明デバイスが、当該動作モードにある場合の、図４と同じ波形を示す。 ２２ｎＦのバッファリング構成要素による波形を示す。 ４７ｎＦのバッファリング構成要素による図６の波形を示す。 １００ｎＦのバッファリング構成要素による図６の波形を示す。 ２２０ｎＦのバッファリング構成要素による図６の波形を示す。 外部負荷を制御するためのコントローラ回路に給電する方法を示す。

本発明が、図を参照して説明される。

詳細な説明及び具体例は、装置、システム、及び方法の例示的実施形態を示すものであるが、単に例示目的に過ぎず、本発明の範囲を限定することを意図するものではない点を理解されたい。本発明の装置、システム、及び方法の、これら及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、添付の請求項、及び添付の図面から、より良好に理解されるであろう。これらの図は、概略的なものに過ぎず、縮尺通りに描かれていない点を理解されたい。また、同じ参照番号は、これらの図の全体を通して、同じ部分又は同様の部分を示すために使用されている点も理解されたい。

本発明は、外部負荷を制御するためのコントローラ回路と、コントローラ回路に給電するための電源回路とを備える、電子コントローラ装置を提供する。スイッチが、交互に、入力から電源回路をバイパスするために導通するように、又は入力から電源回路が電力を取得することを可能にするように適合されている。動作電力が入力から取得されている場合の電流波形及び電圧波形の歪みを低減するために、実質的に長い、スイッチの線形動作が使用される。

本発明は、従前には基本的な有線ライトスイッチによって制御されていたライトの、無線制御を実施するための、ライトスイッチに設けられる制御スイッチとして、本発明の好ましい適用を参照して説明される。しかしながら、本発明は、有線のオン－オフ制御を無線制御機能で置き換えることによって、他のタイプの電気デバイスに給電するためのスイッチに適用されてもよい。更には、第２の出力電圧によって給電される回路は、スイッチを介して給電される負荷以外のデバイスを制御するためのものであってもよい。それゆえ、本発明は、スイッチを介して電力が供給される負荷の制御に限定されるものではない。スイッチを介して電力を受け取る負荷と同様に、又はその代わりに、他のデバイスを制御するために使用されてもよい。

図２は、照明回路を示す。当該回路は、電圧源１０によって表されるような、幹線によって給電される。幹線供給の単一のワイヤが、スイッチ１３を有するエネルギー採取回路１２を含む、電子コントローラ装置１１に渡されている。スイッチ１３は、コントローラ装置１１の残部にエネルギーが渡されることを可能にするか、さもなければ、コントローラ装置の残部をバイパスする。

単一のワイヤは、幹線の活線である。電子コントローラ装置１１は、それゆえ、外部電源から電力を受け取るための電力入力端子１４と、照明デバイス１８の形態の負荷に対する接続のための出力端子１６とを有する。

照明デバイス１８は、照明デバイス１８の動作に関する無線制御コマンドを受信するように適合されている、無線受信機又は送受信機２０を含む。照明デバイス（例えば、ランプ）は、例えば、照明デバイスに送信される無線信号によって設定されることが可能な、待機モード及び動作モードを有する。照明デバイスの動作のモードが、供給源からランプによって引き込まれる電流を決定する。更には、照明デバイスは、温度感知、ＰＩＲ感知、湿度検出、又はビデオ監視などの、他の機能を実行してもよい。これらのデバイスからの出力は、照明デバイスから無線で提供されてもよく、入力制御コマンドは、無線で受信されてもよい。

照明デバイスは、ＡＣランプであり、それゆえ、典型的には、ＡＣランプ自体の整流器及び駆動回路を組み込んでいる。ランプは、位相カット入力電力をサポートする必要はない。

エネルギー採取回路１２は、ＤＣ出力電圧を生成する。この目的のために、電源回路２４は、整流器２２を含む。電源回路２４からの出力電圧は、外部負荷を制御するためのコントローラ回路２６に給電するために供給される。この実施例では、コントローラ回路２６は、この場合制御対象の外部負荷である照明デバイス１８に、無線制御信号を提供するための、無線送信機２６である。制御信号は、例えば調光を制御するものであるが、制御信号は、動的照明モード又は色制御モードなどの、任意の他の光出力特性を制御してもよい。

端子１４、１６は、電子コントローラ装置１１が接続されている２端子接続を規定している。端子１４は、ＡＣ入力であると見なされてもよく、端子１６は、ＡＣ出力であると見なされてもよい。スイッチ１３は、この入力１４、１６の間にわたって接続されており、入力１４、１６から電源回路２４をバイパスするために導通するように、さもなければ、入力１４、１６から電源回路２４が電力を取得することを可能にするように適合されている。スイッチは、これらの機能を、交互に、周期的に実行する。

スイッチが閉じられると、エネルギーは、ＡＣ入力からＡＣ出力へと中断することなく流れる。

ランプ１８の照明（すなわち、通常動作）を可能にするために十分な電流である、入力１４、１６に供給される第１のタイプのＡＣ供給に対しては、スイッチ１３は、交互に、導通することにより、電源回路に関するエネルギーを全く抽出することなく、第１のタイプのＡＣ供給を照明負荷へと貫流させるように、又は、十分な電流を実質的に低下させることなく、線形状態で動作することによって、入力から電源回路が電力を取得することを可能にするように、適合されている。それゆえ、電流の主要部分は依然として、スイッチを通ってＡＣ出力に流れ、一部分のみが、電源回路に流れるようにスイッチによって引き出される。

蓄積コンデンサ、線形電源、及びスイッチモード電源などの、電源回路２４に関する様々な可能なオプションが存在する。

図３は、図２の回路の実装形態の一実施例を示す。

照明負荷１８は、並列の抵抗器Ｒ１及びコンデンサＣ１によって表されている。整流器２２は、ダイオードＤ１～Ｄ４のフルブリッジ整流器として示されている。スイッチ１３は、入力１４、１６の間にわたる、２つの直列ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１、Ｑ２として示されている。２つのＭＯＳＦＥＴ Ｑ１、Ｑ２は、入力１４、１６をシャント／短絡させることができる。電源回路２４は、コンデンサＣ２として表されている。電源回路２４は、更に、スイッチモード電源又は線形電源を含み得る点に留意されたい。コントローラ回路２６は、ローカル電圧源Ｖｃｃからのエネルギー／電流をコントローラ回路が消費することを単に例示するために、抵抗器Ｒ３によって表されている。

それゆえ、コントローラ装置１１は、入力１４、１６において受け取られたエネルギーによって給電され、このエネルギーは、コントローラ回路用の好適な電源を生成するために、コントローラ装置の電源回路２４によって処理される。受け取られたエネルギーは、スイッチ１３の動作によって調整され、スイッチ１３は、電源回路２４によってエネルギーが受け取られない時間である導通状態と、エネルギーが取得される状態との間で、交互化される。

コントローラ装置の動作は、電源回路を充電するために電圧源１０から流れる電流の性質に依存しており、これは同様に、照明デバイス１８によって要求される電流に依存している。これは、照明デバイスの動作モードに依存している。待機モードの間に、照明デバイスは、数ｍＡ又は数十ｍＡのオーダーの電流を引き込んでもよいが、その一方で、通常動作の間に、光出力を送達する際、電流は、数百ｍＡ又は数アンペアのオーダーであってもよい。動作電流は、典型的には、待機電流の１０倍以上の大きさである。

大きい入力電流、すなわち、最大待機電流と最小動作電流未満との間の閾値レベルを超過する電流が存在している場合、電源回路は、入力から断続的に充電され、コントローラ回路２６に断続的に放電することにより、電源回路の周期的な充放電が存在する。

出力電圧波形に対するスイッチングの影響を低減するために、線形状態が使用される。トランジスタＱ１、Ｑ２の線形モードで動作する場合、スイッチを通って流れる電流は、双安定状態間でのスイッチングではなく、アナログ方式で調整されることができる。このアナログ調節は、特に、導通スイッチ状態と大電流が必要とされる場合の非導通スイッチ状態との間でのスイッチングの場合に、ハードスイッチング手法と比較して低減された歪みをもたらす。

照明デバイスの異なるモードを区別するために、図３の回路は、異なる状態間で交互化するようにスイッチ１３を制御するための、フィードバック回路３０を備える。

フィードバック回路３０は、線形モードにおける、又は、完全導通モード若しくは完全非導通モードにおける、所望の動作をもたらすように、スイッチの動作電圧及び動作電流を設定する。線形モードでは、スイッチの導通状態と非導通状態との間の緩やかな遷移をもたらすために、スイッチを通って流れる電流のアナログ制御が存在する。

フィードバック回路３０は、電源回路２４の電圧出力を検知するための、電圧検知抵抗器－分割器回路Ｄ５、Ｒ４、Ｒ８を含む。この抵抗器－分割器回路は、電圧閾値レベルにヒステリシスを導入するために使用される、ダイオードＤ５を含む。このことは、スイッチの動作周波数を低減し、それにより、熱放散を低減する。

検知された電圧は、検知された電圧を基準電圧と比較する比較回路（オペアンプ比較器）Ｕ１の、非反転入力に提供される。基準電圧は、フィルタＲ７、Ｃ５を介して電源回路電圧Ｖｃｃが供給されるツェナーダイオードＤ６を有する、基準電圧回路３２によって生成される。ツェナーダイオード電圧は、Ｖｃｃが変動する場合であっても、一定の基準を規定する。比較回路Ｕ１は、異なる状態でスイッチを動作させるための電圧レベルを出力し、特に、ゲート抵抗器Ｒ５、Ｒ６を介して、２つのトランジスタＱ１、Ｑ２に関するゲート電圧を供給する。

コンデンサＣ３の形態のバッファリング構成要素が、比較回路のフィードバック経路内に存在する。それゆえ、このコンデンサは、積分機能を実行し、それにより、トランジスタゲートを切り替えるために使用される電圧レベルに対する、スルーレート並びにランプアップ速度を生成する。

ランプの通常動作では、電源回路上の電圧が十分である場合、スイッチは、完全導通状態に保たれ、ランプの動作電圧／電流は、幹線のＡＣ電圧レベルとランプ自体のドライバとによって決定されるような、通常のものである。

電圧フィードバック制御が、１８ＶのＤＣなどの、電源回路の所望の電圧を維持するために使用される。電源回路上の電圧が不十分になり、スイッチが、当該完全導通状態から非導通状態へと遷移しようとする場合、スイッチの閾値電圧未満に電圧レベルが降下することを防ぐために、バッファリング構成要素Ｃ３が、出力電圧レベルを高レベルにバッファリングするために使用され、それにより、完全非導通状態に入ることなく、線形状態での動作が維持される。バッファリング構成要素は、スルーレートを、またそれゆえ、電圧信号のタイミングを制御するために使用される。

より大きい動作電流が入力において受け取られると、バッファリング構成要素Ｃ３は、大きい入力電流によって電源回路２４が充電されている間、ゲートにおける電圧レベルが線形状態の制御電圧範囲に保たれるように、スルーレートを生成する。この充電は、電源の出力電圧が下限閾値まで降下した場合に実施される。

この充電の間、大きい入力電流の一部分のみが電源回路に供給されるが、これは、スイッチ１３を介して一部がバイパスされるためである。それゆえ、スイッチは、動作電流の残部が通って流れることを可能にする。このことは、動作電流の当該部分によって電源回路が十分に充電されるまで実施される。それゆえ、ランプを通る総電流は、スイッチが完全導通モードにある場合と実質的に同じである。

次いで、電源回路が充電されて、電源回路上の電圧が再び十分になると、スイッチ１３は、線形状態から完全導通状態に戻るように駆動される。このことは、電源回路２４の出力電圧が上限閾値に達する場合に実施される。次いで、電源回路は、入力から完全にバイパスされる。

ランプの待機モードでは、より小さい待機電流が入力において受信されると、スルーレートは、電源回路が待機電流によって十分に充電されるまで、トランジスタゲートに供給される電圧レベルが、完全非導通状態に対応する制御電圧範囲に入ることを可能にする。それゆえ、全待機電流が、充電のために使用されるように、電源回路２４に経路指定される。

これらの種々のスルーレート条件を実施するために、バッファリングコンデンサは、例えば、２２ｎＦ～２２０ｎＦの範囲の容量を有する。バッファリングコンデンサは、負のフィードバック経路内で、比較回路の出力と反転入力における基準電圧との間に接続されている。

次に、タイミング図を使用して、回路の動作が示される。

図４は、照明デバイスが待機モードにある場合の波形を示す。

図示のプロットは、電源回路の出力電圧Ｖｃｃ（この実施例では、１８Ｖの目標を有する）、スイッチ１３の２つのトランジスタに関するゲート電圧Ｖｇａｔｅ、電圧源１０からの（クリーンな）幹線入力Ｖｍａｉｎｓ（例えば、２４０Ｖ ＲＭＳ）、照明負荷によって引き込まれる負荷電流ＩＲ１（例えば、－１２ｍＡ～＋１２ｍＡ）、及び、結果として生じる、照明負荷の両端間の電圧波形ＶＬＥＤである。

波形ＶＬＥＤにおいて、小さいリップルが認められることができ、かつ対応するリップルが、負荷電流ＩＲ１において存在しているが、これらのリップルは、位相カット適合性（例えば、位相カット調光可能）ではない照明ユニット、又は、より全般的には、位相カット適合性ではない負荷によって、許容されることが可能である。

信号Ｖｇａｔｅにおける高ピークは、トランジスタが導通していること、すなわち、スイッチが電源回路をバイパスしていることに対応している。それゆえ、スイッチは、小さい待機電流の全てが電源回路に流れることを可能にするように、殆どの時間で非導通であることが分かる。この非導通状態は、スイッチが、当該線形状態で動作している（低電流を伴う、オンからオフ、及びオフからオンへの不可避な遷移の間の）時間、及び、スイッチが、当該完全非導通で動作している時間を含むことになる。しかしながら、目的は、全ての利用可能な電流が電源回路に渡されることを可能にするために、スイッチが完全にオフにされることである。

電源回路がバイパスされることになる場合、スイッチは、完全導通状態で動作される（これは、電源回路の出力電圧が上限閾値に達する場合である）。

図５は、照明デバイスが、当該動作モードにある場合の、同じ波形を示す。

大きい動作電流が受け取られる場合（例えば、ＩＲ１は、この場合、－１．５Ａ～＋１．５Ａに拡大している）、利用可能な大きい電流が電源回路に渡される、短い期間が必要とされる。それゆえ、殆どの時間で導通状態が使用され、当該時間中、スイッチは完全にオンにされる（Ｖｇａｔｅの高ピーク）。

電源回路が充電されることになる場合、線形制御が使用される。この線形制御は、比較的短い持続時間にわたるものであり、それゆえ、電力消散を制限する。線形制御の期間のうちの１つが、４０として示されている。負荷の両端間の電圧、及び電流は、この場合もまた、最小限の外乱を経験しており、これは小さい降下として、４２として示されている。図１と比較すると、電圧及び電流は、位相カットされていない。

全ての場合に、照明デバイスを通る電流は中断されず、電源回路を通って単純に迂回されるか、又は電源回路をバイパスするか、あるいは、線形制御の間には双方の部分である。

上述のように、バッファリング構成要素（コンデンサＣ３）が、スイッチ１３の線形状態の制御を提供する。このコンデンサの値の効果が、次に、Ｖｇａｔｅ、Ｖｃｃ、ＶＬＥＤ、及びＶＲ１のプロットを使用して示される。図６～図９は、種々の容量値に対する、照明デバイスの動作電流モード（すなわち、図５に対応するもの）に関するプロットを示す。

図６は、２２ｎＦのバッファリング構成要素による波形を示す。当該容量は、スイッチング信号のエッジの緩和を引き起こす。ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１及びＱ２のゲート電圧は、ゼロに達することなく、３ボルトを超えて維持され、それにより、線形モードで動作している。電圧ＶＬＥＤにおいて示される極めて小さいディップが、４２'として示されており、負荷／ランプを通る電流ＩＲ１における極めて小さいディップが、４２''として示されている。しかしながら、これらの波形は、ゼロへと中断されるか、又は位相カットされることなく、実質的に正弦波形状を有して維持されている。それゆえ、位相カット不適合性のランプ（又は、他の負荷）が、依然として機能することができる。

図７は、４７ｎＦのバッファリング構成要素による波形を示す。トランジスタは、より長く線形モードに留まっている。エッジが、より緩和されていることにより、改善されたＥＭＣをもたらす。ただし、熱放散はより高くなるが、これは、トランジスタが、線形モードの間に完全には導通しておらず、それゆえ、エネルギーを消散しているためである。領域４２'及び領域４２''において示されるようなディップは、図６の２２ｎＦの実施例に関するディップよりも僅かに長い。

図８は、１００ｎＦのバッファリング構成要素による波形を示す。トランジスタは、更に長く線形モードに留まっている。スイッチング周波数が低減されている。領域４２'、４２''において示されるようなディップは、図７の４７ｎＦの実施例に関するディップよりも若干長い。

図９は、２２０ｎＦのバッファリング構成要素による波形を示す。トランジスタは、スイッチング周波数の更なる低減、及び線形モードの持続時間の更なる増大により、更に長く線形モードに留まっている。この場合、最良のＥＭＣ性能を有するが、最悪の熱放散を有する。このことは、例えば、動作モードにおいて低電流を伴う、軽負荷に関して好適である。領域４２'、４２''におけるディップは、ＡＣ幹線の１周期と同じ長さであり得るが、波形は依然として、ゼロへと中断されることなく正弦波形状を維持している。

図１０は、外部負荷を制御するためのコントローラ回路に給電する方法であって、
ステップ１００における、電源回路のＡＣ入力においてエネルギーを受け取るステップと、
周期的に、交互に、スイッチを、入力から電源回路をバイパスするために導通するように設定するステップ（ステップ１０２）、及び、スイッチを、入力から電源回路が電力を取得することを可能にするように設定するステップ（ステップ１０４）とを含む、方法を示す。

ステップ１０２で、入力から電源回路が電力を取得することを可能にする場合、十分な受信電流（例えば、コントローラ回路の断続的な給電を可能にするために十分であるもの）に対しては、スイッチは、交互に導通するように、又は、線形状態で動作することによって、入力から電源回路が電力を取得することを可能にするように、動作される。

本発明は、電子コントローラ装置が、負荷と直列に接続されることを可能にし、電圧波形を乱すことなくエネルギーを抽出することを可能にする。電流は、決して、位相カット電力手法におけるように完全に中断されることがない。短期間にわたる、線形モードにおけるスイッチングトランジスタの使用は、滑らかな波形を達成すると共に、依然として、低い熱放散を有し、

その場合、位相カット回路と比較して極めて低い電気ノイズにより、優れた電磁適合性が可能となる。出力電流に対する中断を回避することにより、可聴ノイズを有さない、極めて低いノイズプロファイルが作り出される。本回路はまた、ゼロ交差回路を使用することなく実装することもでき、それゆえ、同期外れの問題を回避する。また、低い電気ノイズにより、大型の高価なフィルタリング構成要素の必要性も回避する。

図面、本開示、及び添付の請求項の検討によって、開示される実施形態に対する変形形態が、当業者により理解されることができ、また、特許請求される発明を実施する際に実行されることができる。請求項では、単語「備える（comprising）」は、他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「１つの（a）」又は「１つの（an）」は、複数を排除するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項において列挙される、いくつかの項目の機能を果たしてもよい。特定の手段が、互いに異なる従属請求項内に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが、有利に使用され得ないことを示すものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に、又は他のハードウェアの一部として供給される、光学記憶媒体又は固体媒体などの、好適な媒体上に記憶／分散されてもよいが、また、インターネット、又は他の有線若しくは無線の電気通信システムなどを介して、他の形態で分散されてもよい。請求項中のいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. ＡＣ供給源及び外部負荷と直列に接続するように適合されている、電子コントローラ装置であって、
   前記外部負荷を制御するためのコントローラ回路と、
   前記コントローラ回路に給電するための電源回路であって、エネルギーを受け取るためのＡＣ入力を含み、前記ＡＣ入力が、前記ＡＣ供給源及び前記外部負荷と直列に接続するように適合されている、電源回路と、
   前記入力間にわたって、前記電源回路と並列に接続されている、スイッチであって、交互に、前記ＡＣ入力から前記電源回路をバイパスするために導通するように、又は前記ＡＣ入力から前記電源回路が電力を取得することを可能にするように適合されている、スイッチと、を備え、
   十分な動作電流の第１のタイプのＡＣ供給に対しては、前記スイッチが、交互に、
   完全に導通していることと、
   前記ＡＣ入力から前記電源回路が電力を取得することを可能にするために線形状態で動作することとによって、前記第１のタイプのＡＣ供給の電流を継続させ、
   それにより、十分な前記電流が、前記第１のタイプのＡＣ供給から、前記外部負荷を通って継続的に流れることを可能にするように適合されている、電子コントローラ装置。
2. 前記電源回路への供給の前に前記ＡＣ入力を整流するための、整流器を備え、前記電源回路が、
   蓄積コンデンサ、
   線形電源、及び
   スイッチモード電源のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記電源回路が、前記ＡＣ入力を介して前記外部負荷と直列に接続されており、前記コントローラ回路が、前記外部負荷を制御するためのものである、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記エネルギーが、前記外部負荷のＡＣ電流から受け取られ、前記ＡＣ電流が、前記外部負荷の異なるモードに対して、前記外部負荷の待機電流と、前記待機電流よりも大きい、前記外部負荷の動作電流とを含み、前記動作電流が、前記第１のタイプのＡＣ供給を含む、請求項３に記載の装置。
5. 前記第１のタイプのＡＣ供給に対して、前記スイッチが、
   前記電源回路の出力電圧が上限閾値に達する場合の、前記電源回路が前記ＡＣ入力からバイパスされるような、完全導通状態と、
   前記電源の前記出力電圧が下限閾値に達する場合に、前記電源回路が、前記ＡＣ入力から前記動作電流の一部分を取得するように適合されると同時に、前記スイッチが、前記動作電流の残部が通って流れることを可能にする、前記線形状態と、を交互に繰り返すように適合されている、請求項４に記載の装置。
6. 前記第１のタイプのＡＣ供給に対しては、前記導通状態の持続時間が、線形状態の持続時間よりも長い、請求項５に記載の装置。
7. 前記ＡＣ電流が、第２のタイプのＡＣ供給としての、前記待機電流である場合、前記スイッチが、
   前記電源回路の出力電圧が上限閾値に達する場合の、前記電源回路が前記ＡＣ入力からバイパスされるような、完全導通状態と、
   前記電源の前記出力電圧が下限閾値に達する場合の、前記ＡＣ入力から前記電源回路が電力を取得することを可能にするための、前記線形状態及び完全非導通状態と、を交互に繰り返すように適合されており、
   前記完全導通状態の持続時間が、前記線形状態及び前記完全非導通状態の持続時間よりも短い、請求項４乃至６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記完全導通状態と、前記線形状態及び前記完全非導通状態とを交互に繰り返すように前記スイッチを制御するための、フィードバック回路を備える、請求項７に記載の装置。
9. 前記フィードバック回路が、
   前記電源回路の電圧出力を検知するための、電圧検知回路と、
   検知された前記電圧を基準電圧と比較して、前記スイッチを、前記完全導通状態、又は前記線形状態及び前記完全非導通状態で動作させるための電圧レベルを出力するための、比較回路と、
   前記比較回路のフィードバック経路内のバッファリング構成要素であって、前記スイッチへの前記電圧レベルに対するスルーレートを生成するように適合されている、バッファリング構成要素と、を含む、請求項８に記載の装置。
10. 前記第１のタイプのＡＣ供給に対して、前記バッファリング構成要素が、前記電源回路が前記動作電流の一部分によって十分に充電されるまで、前記電圧レベルが前記線形状態の制御電圧範囲内に保たれるような、前記スルーレートを生成するように適合されており、
    前記第２のタイプのＡＣ供給に対して、前記バッファリング構成要素が、前記電源回路が前記待機電流によって十分に充電されるまで、前記完全非導通状態の制御電圧範囲に前記電圧レベルが入ることを可能にするような、前記スルーを生成するように適合されており、前記バッファリング構成要素が、前記比較回路の出力と前記基準電圧との間に接続されている、２２ｎＦ～２２０ｎＦの範囲内の静電容量を有するコンデンサを含む、請求項９に記載の装置。
11. 前記外部負荷が、発光を伴わない待機モードと、発光を伴う動作モードとを有する、ランプを含む、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記コントローラが、前記外部負荷にＲＦ制御信号を提供するための、ＲＦ送信回路を含む、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 照明システムであって、
    発光を伴わない待機モードと、発光を伴う動作モードとを有する、ＡＣランプと、
    前記ランプと直列であり、前記ランプのモードを制御するように適合されている、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の装置であって、前記ランプが前記外部負荷を含むことにより、ＡＣランプ電流を前記ＡＣ入力として受け取る、装置と、を備える、照明システム。
14. 外部負荷を制御するためのコントローラ回路に給電する方法であって、前記コントローラ回路が、ＡＣ供給源及び前記外部負荷と直列に接続するように適合されており、前記方法は、
    電源回路のＡＣ入力においてエネルギーを受け取るステップであって、前記ＡＣ入力が、前記ＡＣ供給源及び前記外部負荷と直列に接続するように適合されている、ステップと、
    周期的に、交互に、前記ＡＣ入力間にわたって接続されているスイッチを、前記ＡＣ入力から前記電源回路をバイパスするために導通するように設定する、及び、前記スイッチを、前記ＡＣ入力から前記電源回路が電力を取得することを可能にするように設定するステップと、を含み、
    前記入力から前記電源回路が電力を取得することを可能にする場合、十分な動作電流の第１のタイプのＡＣ供給に対しては、前記方法は、交互に、
    導通していることと、
    前記ＡＣ入力から前記電源回路が電力を取得することを可能にするために線形状態で動作することとによって、前記第１のタイプのＡＣ供給の電流を継続させ、
    それにより、十分な前記電流が、前記第１のタイプのＡＣ供給から、前記外部負荷を通って継続的に流れることを可能にするように、前記スイッチを動作させるステップを含む、方法。
15. 前記外部負荷のＡＣ電流としてエネルギーを受け取るステップであって、前記ＡＣ電流が、前記外部負荷の異なるモードに対して、前記外部負荷の待機電流と、前記待機電流よりも大きい、前記外部負荷の動作電流とを含む、ステップを含み、
    前記方法は、前記電源回路が前記ＡＣ入力からバイパスされるような導通状態と、前記電源回路が前記ＡＣ入力から電力を取得する制御状態との間で、前記スイッチの設定を交互にするステップを含み、
    前記ＡＣ電流が待機電流である場合、前記導通状態の持続時間が、前記制御状態の持続時間よりも短く、前記制御状態が、完全非導通状態であり、
    前記ＡＣ電流が負荷動作電流である場合、前記導通状態の前記持続時間が、前記制御状態の前記持続時間よりも長く、前記制御状態が、前記線形状態での前記スイッチの動作を含む、請求項１４に記載の方法。

Images