(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流線信号の半周期だけ時間をずらしたトライアック点弧パルスの発生のためのトライアック制御回路であり、交流線信号のゼロ交差と次の点弧パルスの間の時間間隔は、制御信号の大きさによって制御可能であるトライアック制御回路において、
（ａ）交流線へその入力を連結し、交流線信号の各ゼロ交差において発生器出力にパルスを発生させるトリガーパルス発生回路と、
（ｂ）トリガーパルス発生回路の出力へトリガー入力を連結し、トリガーパルス発生回路からのパルスによって起こされ、制御入力に適用された制御信号の大きさによって制御される時間間隔に続いて終了するワンショット出力におけるパルスを発生させる可変ワンショットパルス発生回路と、
（ｃ）高域フィルタとダイオードを含み、ワンショットパルス発生回路の出力パルスの終了においてトライアック点弧パルスを形成するためにワンショットパルス発生回路の出力に連結されたパルス形成回路とを具備するトライアック制御回路。
【請求項２】
トリガーパルス発生回路が、さらに具体的に、
（ａ）ほぼ正弦波の交流線信号をその出力において矩形波信号に変換するために交流線へその入力を連結した限圧回路と、
（ｂ）高域フィルタとダイオードを含み、限圧回路出力へ連結された入力と、ワンショットパルス発生回路のトリガー入力へ連結された出力とを有し、矩形波形信号の負方向遷移においてトリガーパルスを形成するパルス形成回路と、
（ｃ）高域フィルタとダイオードを含み、ワンショットパルス発生回路のトリガー入力へ連結された出力と限圧回路の出力へ連結された入力とを有し、矩形波形信号の正方向遷移においてトリガーパルスを反転及び形成する反転パルス形成回路とを具備する請求の範囲１に記載のトライアック制御回路。
【請求項３】
可変ワンショットパルス発生回路が、
（ａ）放電端子、スレショルド端子、及び接地へ連結した接地端子を有する５５５集積タイマ回路と、
（ｂ）接地へ連結した第１端子と、放電端子とスレショルド端子の両方へ連結した第２端子とを有するコンデンサと、
（ｃ）コンデンサを充電するためにコンデンサの第２端子へ連結された充電電流源とを具備する請求の範囲１に記載のトライアック制御回路。
【請求項４】
トリガーパルス発生回路が、さらに具体的に、
（ａ）ほぼ正弦波の交流線信号をその出力において矩形波信号に変換するために交流線へその入力を連結した限圧回路と、
（ｂ）高域フィルタとダイオードを含み、限圧回路出力へ連結した入力と、ワンショットパルス発生回路のトリガー入力へ連結した出力とを有し、矩形波形信号の負方向遷移から一極性のトリガーパルスを形成する第１パルス形成回路と、
（ｃ）高域フィルタ、ダイオード及びインバータ回路を含み、ワンショットパルス発生回路のトリガー入力へ連結した出力と限圧回路の出力へ連結した入力とを有し、矩形波形信号の正方向遷移において該一極性のトリガーパルスを反転及び形成する第２パルス形成回路とを具備する請求の範囲３に記載のトライアック制御回路。
【請求項５】
５５５集積タイマ回路が、同一集積回路の一部として形成された２つの複製の５５５集積タイマ回路の一方であり、この場合、第２の５５５集積タイマ回路が、第２パルス形成回路のインバータ回路を形成し、該限圧回路の出力へ連結した限界入力と、第１パルス形成回路の出力へ連結したトリガー入力と、第２パルス形成回路の入力へ連結した出力端子とを有する請求の範囲４に記載のトライアック制御回路。
【請求項６】
可変ワンショットパルス発生回路が、
（ａ）接地へ連結した負端子と、正端子を有する直流電圧源と、
（ｂ）直流電圧源端子の間に直列連結した３つの抵抗器であり、高相互連結ノードと低相互連結ノードを有し、高ノードは、低ノードよりもより正の電圧を有し、該制御入力を形成する３つの抵抗器と、
（ｃ）セット及びリセット入力を有するフリップフロップと、
（ｄ）トリガー入力における電圧が低ノードにおける電圧よりも降下する時、フリップフロップ出力を低に駆動するために、一方の入力が低ノードへ連結され、第２入力が該トリガー入力を形成し、出力がフリップフロップのセット入力へ連結された第１比較器と、
（ｅ）限界入力における電圧が制御入力における電圧よりも上昇する時、フリップフロップ出力を高に駆動するために、一方の入力が高ノードへ連結され、第２入力がスレショルドノードを形成し、出力がフリップフロップのリセット入力へ連結された第２比較器と、
（ｆ）接地と放電ノードの間に連結され、フリップフロップの出力へ連結したスイッチ制御端子を有する電子スイッチであり、フリップフロップ出力が高である時、閉じ、フリップフロップ出力が低である時、開かれる電子スイッチと、
（ｇ）フリップフロップ出力へ連結した入力と、ワンショットパルス発生回路出力を形成する出力を有するインバータ回路と、
（ｈ）接地へ連結した第１端子と、放電ノードとスレショルドノードの両方へ連結した第２端子とを有するコンデンサと、
（ｉ）コンデンサを充電するために、コンデンサの第２端子へ連結した充電電流源とを具備する請求の範囲１に記載のトライアック制御回路。
【請求項７】
トリガーパルス発生回路が、さらに具体的に、
接地とトリガー入力の間に電圧を発生させるための手段を具備し、該電圧は、交流線信号のゼロ交差において始まり、５０ナノ秒ないし交差線信号の半周期の持続時間を有する間隔を除いて、低ノードにおける電圧よりもより正である請求の範囲６に記載のトライアック制御回路。
【請求項８】
ワンショットパルス発生回路の出力へ連結したパルス形成回路が、さらに具体的に、
（ａ）共通相互連結ノードを有する直列抵抗器及びコンデンサであり、コンデンサは、ワンショットパルス発生回路出力と抵抗器の端子の間に連結し、抵抗器の第２端子は接地に連結した直列抵抗器及びコンデンサと、
（ｂ）直列抵抗器とコンデンサの間の相互連結ノードに連結したカソードと、アノードを有するダイオードと、
（ｃ）該アノードへ連結され、トライアックゲートへの連結用の第２端子を有する第２抵抗器とを具備する請求の範囲６に記載の回路。
【請求項９】
該３つの直列抵抗器、フリップフロップ、第１及び第２比較器、電子スイッチ、及びインバータが、すべて、単一集積回路の一部である請求の範囲６に記載の回路。
【請求項１０】
該トリガーパルス発生回路が、
（ａ）第１相互連結ノードをツェナーダイオードのカソードへ連結させるために、交流線に直列に連結した抵抗器とツェナーダイオードを具備する限圧回路であり、ツェナーダイオードのアノードは、接地と交流線の一方の側に連結し、ツェナーダイオードのツェナー電圧は、公称的に該直流源の電圧と等しい限圧回路と、
（ｂ）高域フィルタとダイオードを含み、さらに具体的に、該第１ノードと該直流源の正端子の間に直列に連結したコンデンサと抵抗器を具備し、抵抗器の一方の端子は、該源へ連結し、抵抗器の他方の端子は、抵抗器とコンデンサの間の第２相互連結ノードへ連結し、回路は、さらに、ワンショットパルス発生器のトリガー入力へ連結したアノードと、該第２ノードへ連結したカソードを有するダイオードを含むパルス形成回路と、
（ｃ）高域フィルタとダイオードを含み、さらに具体的に、該第１ノードと接地の間に直列に連結したコンデンサとダイオードを具備し、ダイオードとアノードは、接地へ連結し、直列抵抗器とダイオードは、ＮＰＮトランジスタのベースへ連結した共通相互連結ノードを有し、該トランジスタのエミッタは、接地へ連結し、該トランジスタのコレクタは、該トリガー入力へ連結した反転パルス形成回路と、
（ｄ）該トリガー入力と該直流源の正端子から連結した抵抗器とを具備する請求の範囲６に記載の回路。
【請求項１１】
該ダイオードと該トランジスタが、単一集積回路の一部である請求の範囲１０に記載の回路。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、交流電力波形の各ゼロ交差に続く制御可能に可変な点弧角においてトライアックを点弧するための電子回路である。
背景技術
トライアックは、交流線から電気負荷によって取られた電力を制御するために使用される半導体素子である。それらは、調光器とパワーツール用モーター速度制御のような多数の共通な応用において見いだされる。トライアックは、実際に、「ゲート」端子への電流パルスを受け取るまで開回路であり、これにより、実際に、「主端子」の間に流れる電流がゼロになり、開回路に戻るまで短絡になり、ゲート電流の別のパルスが生ずるまで開の状態を維持する。
トライアックが、電気負荷と交流線の間に直列に連結されるならば、トライアックが短絡である時、負荷が線に結合される。トライアックが開回路であるサイクルの部分中、負荷は、実際に、線から分離される。負荷が抵抗性であるならば、トライアックは、線間電圧と負荷電流が両方ゼロである時、開路状態に入る。モーターのような誘導負荷に対して、電流は、線間電圧がゼロと交差した後のある確定時においてゼロに達する。このため、抵抗性又は組合せ抵抗及び誘導負荷に対して、交流線のゼロ交差に関してゲート電流パルスのタイミングを制御することによって負荷電力を制御することが可能である。
調光器又はパワーツール速度制御において、ゲートパルスタイミングの変更は、電位差計の手動調整によって行われる。しかし、モーターの自動制御のようなトライアック応用があり、この場合、ゲートパルスタイミングは、制御電圧に応答して変化しなければならない。本発明は、そのような応用のために有益な安価な回路である。同一の目的のための回路は、先行技術において公知であり、例えば、Ｒａｍｓｈａｗ、Ｒ．Ｓ．、”Ｐｏｗｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｓｗｉｔｃｈｅｓ”、Ｃｈａｐｍａｎ  ａｎｄ  Ｈａｌｌ、１９９３、ｐｇ．１９８．において示される。しかし、本発明は、他の回路構成と組み合わせて、単一の低費用パッケージにおいて、制御電圧に応答してトライアックパルスタイミングのために必要な機能回路ブロックの大部分を有する非常に公知な集積回路、５５５タイマ、を用いることにより、費用と部品点数の大きな削減を提供する。
５５５タイマは、情報開示書において引用された幾つかの参照文献において記載された。それは、米国及び海外の多数の主要な半導体製造業者によって生産される。各製造業者の５５５部品番号は、異なる（即ち、ＬＭ５５５（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、ＭＣ１５５５（Ｍｏｔｏｒｏｌａ）、ＣＡ５５５（Ｈａｒｒｉｓ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）、ＮＥ５５５（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）が、これら総ては、公称的に同一の装置である。このため、用語「５５５タイマー回路」は、ブロック図レベルにおいて同一の構成要素を有する回路を指定するために使用され、特定回路の部品番号ではない。５５５タイマは、冷蔵庫の霜取りサイクルタイマーのような大量生産回路において使用され、このため、低費用において容易に利用可能である。さらに、多重５５５タイマー回路は、２つの５５５タイマー回路を含む５５６タイマー回路のような単一チップに集積される。本発明の応用における５５５タイマー回路の別の利点は、現存する装置であるために、それは、統合制御システムの一部である応用特定の又は特別注文の集積回路へ比較的容易に組み込むことができることである。さらに別の利点は、大形トライアックを点弧するために十分な電流を供給する又は流す５５５出力回路の能力である。
発明の簡単な説明
発明は、交流線波形の半周期に等しい時間間隔だけ相互に離間されたトライアック点弧パルスを発生させるトライアック制御回路である。交流線信号のゼロ交差と次のトライアック点弧パルスの間の時間間隔は、制御信号の大きさによって制御可能である。トリガーパルス発生回路は、交流線へその入力を連結し、交流線の各ゼロ交差の時点においてトリガーパルス発生器出力にパルスを発生させる。可変、ワンショット、パルス発生回路は、トリガーパルス発生器の出力へそのトリガー入力を連結し、トリガーパルス発生回路からのパルスによって起こされるワンショット出力における矩形パルスを発生させる。矩形パルスは、ワンショットパルス発生回路の制御入力に適用された制御信号の大きさによって制御される時間間隔に続いて、終了する。パルス形成回路は、ワンショットパルス発生回路の出力に連結され、高域フィルタとダイオードを含む。このパルス形成回路は、矩形パルスの終了においてトライアック点弧パルスを形成する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、発明の基本構成要素の簡易ブロック図である。
第２図は、発明の詳細なブロック図である。端子ＶＣＣ、制御、トリガー、出力、しきい値、放電、及び接地は、市販される５５５タイマー回路の端子に与えられた同一名で標識付けされる。ブロック「第１比較器」、「第２比較器」、「フリップフロップ」、「インバータ」、「電子スイッチ」はすべて、５５５タイマの分岐回路である。３つの抵抗器はまた、５５５集積回路の一部である。
第３図は、第１図の回路の有意位置における電圧及び電流の波形を示す一連のオシログラムである。
第４図と第５図は、第１図の機能ブロック”Ｔｒｉｇｇｅｒ  Ｐｕｌｓｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ”に対して使用される特定回路である。
第６図は、第４図と第５図の回路の有意位置における電圧波形を示す一連のオシログラムである。
第７図は、第１図の機能ブロック”パルス形成回路”に対して使用される特定回路である。
図面に示された発明の好ましい実施態様を記載する際に、特定専門用語が、明瞭性のために用いられる。しかし、発明は、そのように選択された特定用語に限定されないことが意図され、各特定用語は、同様の目的を達成するために同様に作用するすべての技術的等価物を含むことが理解される。例えば、関連語又は類似術語が、しばしば使用される。それらは、直接の結合に限定されず、技術における当業者によって等価物であるとして認識される他の回路要素による結合を含む。さらに、電子信号において非常に公知な操作を実行する形式の多数の回路が、例証される。技術における当業者は、信号において同一操作を提供するために、等価物として認識される多数の、将来的に付加的な、代替回路があることを認めるであろう。
詳細な説明
第１図は、発明の主要な構成部分を図示する簡易ブロック図である。電力会社からのサービスラインのような交流電源２は、トリガーパルス発生回路３に適用される。トリガーパルス発生回路３は、電源２の交流線信号の各ゼロ交差に対してその出力においてパルスを発生させる。トリガーパルス発生器３の出力は、可変ワンショットパルス発生器５のトリガー入力４に適用される。交流線電源２のゼロ交差において発生するトリガーパルス発生器３からの各トリガーパルスは、可変ワンショットパルス発生器５の出力６において矩形パルスを起こす。パルス発生器５からの出力パルスの持続時間は、可変ワンショットパルス発生器５の制御入力７に適用された制御電圧信号の大きさの可変関数である。結果として、ワンショット出力パルスは、入力７において制御電圧の大きさによって制御される時間間隔に続いて終了する。可変ワンショットパルス発生器５からの出力パルスは、パルス形成回路８の入力へ適用される。パルス形成回路８は、ワンショットパルス発生器５からの出力パルスの各負方向遷移中、トライアックのゲートへ比較的短い持続時間のトライアック点弧パルスを適用するための高域フィルタ及びダイオードを有する。
第２図は、５５５タイマー回路によって形成された可変ワンショットパルス発生回路、装着したコンデンサＣ１、及びコンデンサＣ１のための適切な充電回路と組み合わした、トリガーパルス発生器構成部分３とパルス形成回路８を図示する。
トリガーパルス発生回路３は、出力１２を、５５５タイマー回路１６のトリガー入力１４に結合している。５５５タイマー回路１６は、接地ＧＮＤと正電源端子ＶＣＣの間に直列に結合した３つの抵抗器１３、１５と１７を含む。トリガーパルス発生器３の出力１２は、交流線間電圧がゼロと交差する毎に、「低」ノード１８における電圧よりも降下させられる。それらの時点において、設定入力Ｓに結合された第１比較器２０は、フリップフロップ２２出力を低（即ち、接地または近接地）に設定し、インバータ２４により５５５タイマ出力端子２６を高に駆動させ、即ち、正直流供給電圧ＶＣＣであるＶ＋又はＶ＋に近い電圧に駆動させ、そしてまた、電子スイッチ２８を開放させる。電子スイッチ２８によって短絡されたコンデンサＣ１は、それに流入する電流Ｉの結果として充電される。電流Ｉが、Ｖ＋とコンデンサＣ１の間に結合した抵抗器３０を通った電流であるならば、コンデンサＣ１は、指数的に充電される。代替的に、電流Ｉが、電子定電流源の出力であるならば、Ｃ１は、直線的に充電される。コンデンサＣ１が、５５５タイマー回路への制御入力３４に印加された制御電圧と同一の高ノード３２における電圧をちょうど超える電圧まで充電されるならば、リセット入力Ｒに結合された第２比較器３６は、フリップフロップ２２出力を高にリセットし、電子スイッチ２８によりコンデンサＣ１を閉鎖及び放電させ、出力２６を低にさせる。トリガー入力１４電圧が、再び、「低」ノード１８における電圧よりも降下するまで、なにも発生せず、この時点において、上記のサイクルが繰り返される。
第１図と第２図のパルス形成回路８は、５５５タイマ出力２６が高から低になる時、トライアックゲートから電流の点弧パルスを発生させる。交流線のゼロ交差と次の点弧パルスの間の時間は、コンデンサＣ１が、制御電圧に等しい電圧まで充電するために必要な時間であり、こうして制御電圧を変化させることによって変化され、これにより、発明の制御機能を行う。
第３図における波形は、第２図に指定された位置における電圧と電流を参照する。交流線間電圧のゼロ交差において、トリガーパルス発生器３は、トリガー入力１４における電圧を、Ｖ＋から近接地へ、即ち、「低」ノード１８における電圧よりも低い電圧へ降下させる。トリガ１４電圧は、第１比較器２０の高信頼動作のために、少なくとも５０ナノ秒の間、「低」ノード１８電圧よりも下の状態にある。フリップフロップ２２が第２比較器３６によって高にリセットされた時、トリガ１４電圧が、「低」ノード１８電圧よりも低いならば、フリップフロップ２２は、即座に、第１比較器２０によって低にセットされ、偽充電サイクルが開始され、擬似の時宜を失した点弧パルスを生ずる。線間電圧ゼロ交差とフリップフロップリセットの間の最大可能時間は、線間電圧周期の半分であるために、トリガー入力１４は、任意の状況下で、線間電圧周期の半分超に対して「低」よりも下の状態にある。実際問題として、トリガー入力１４は、ほんの数μｓに対して「低」よりも下の状態にあり、点弧パルスがゼロ交差から遅延される最小時間に明確な制限を課する。しかし、１６０００μｓの一般線周期に対して、この制限は、実際的に無意味である。
第３図に示されたトライアックゲート電流は、負であり、即ち、トライアックゲート外である。大部分のトライアックは、正又は負ゲート電流で点弧するが、負ゲート電流は、正電流よりも少数の構成要素により下方遷移において発生される。
第４図は、低い部品点数を有するトリガーパルス発生回路３の実施態様であり、コンデンサを除いて、応用特定の集積回路へ組み込むことができ、５５５タイマー回路が別の分岐回路である統合制御システムの部分を形成する。抵抗器Ｒ１とツェナーダイオードＺ１は、接地から一ダイオード降下を差し引いた電圧と公称的にＶ＋に等しいツェナー電圧の間を遷移する、正の矩形波をノードＡにおいて形成するために、交流線間電圧を整流及びクリップする限圧回路を形成する。ノードＡにおける一般立上り及び立下り時間は、１２０ボルト、６０ヘルツ線及び１２ボルトツェナー電圧に対して約２００μｓである。
高域フィルタとダイオードを含むパルス形成回路は、コンデンサＣ２、抵抗器Ｒ２、及び、ダイオードＤ２によって形成され、Ａの負遷移においてトリガー入力１４における電圧を近接地にプルダウンする。トリガー入力１４における電圧は、通常、プルアップ抵抗器Ｒ３によってＶ＋に保持される。同様のパルス形成回路は、コンデンサＣ３、ダイオードＤ１及びトランジスタＴ１によって形成され、これらは、反転第２高域フィルタ及びダイオードを形成する。ノードＡの正方向遷移において、コンデンサＣ３は、トランジスタＴ１のベースを通して充電され、それをオンにし、これにより、トリガー入力１４を近接地にプルダウンする。ダイオードＤ１は、Ａの各正遷移の後にコンデンサＣ３を放電する。こうして、トリガー入力１４電圧は、必要に応じて、交流線の各ゼロ交差において「低」ノード１８の電圧よりも降下する。
第５図は、Ａの正遷移においてトリガーパルスを発生させる回路の部分として、５５５タイマー回路５０を用いるパルス発生回路３の別の実施態様を示す。５５５タイマー回路５０は、ノードＡにおける矩形波形を、
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における矩形波形に反転するインバータとして動作するように結合される。この５５５タイマー回路５０は、単一パッケージにおける２つの同一の５５５タイマー回路からなる共通集積回路の半分であり、製造業者間で異なる部品番号を有するが、一般に、例えば、ＬＭ５５６、ＮＥ５６６等、番号５５６を含む。こうして、第２図の５５５タイマー回路１６と第５図の５５５タイマー回路５０は、同一の集積５５６回路になる。
第５図の回路において、抵抗器Ｒ４、ツェナーダイオードＺ２、コンデンサＣ５、抵抗器Ｒ５、ダイオードＤ５、及びコンデンサＣ６は、第４図の回路と同一機能を実行する、即ち、それらは、高域フィルタとダイオードを有するパルス形成回路によって従われた限圧回路を設け、Ａの負遷移においてトリガーパルスを発生させる。Ａの正遷移においてトリガーパルスを発生させるために、第５図において
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と標識付けされたＡの逆は、最初に、５５５回路５０によって発生される。これは、ノードＡにおいて電圧を、５５５回路５０の限界入力５２へ印加し、抵抗器Ｒ８とダイオードＤ４を用いて、Ａの負遷移において５５５回路５０をトリガーすることにより行われる。５５５出力５４の負遷移におけるトリガーパルスは、高域フィルター及びダイオードを有するパルス形成回路を設けるコンデンサＣ６、抵抗器Ｒ７及びダイオードＤ３によって形成される。第５図の回路は、応用特定集積回路へ比較的容易に組み込まれる。コンデンサＣ５とＣ６を除くすべての構成部分は、集積される。ノードＡと
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における波形とトリガ出力ノードＴは、第６図において示される。
第７図は、５５５タイマー回路１６の出力２６の下方、負方向遷移においてトライアックゲートから電流パルスを発生させることにより、第１図のパルス形成回路８の機能を行う回路を示す。ダイオードＤ６は、出力２６の正遷移におけるパルスを阻止し、抵抗器Ｒ１０は、トライアックゲート電流を限流し、そして抵抗器Ｒ９とコンデンサＣ７は、パルス幅を制御する。
本発明の好ましい実施態様が詳細に開示されたが、多様な修正が、発明の精神又は次のクレームの範囲に反することなく、採用されることが理解される。
【図１】
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【図７】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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