JP2004512531A - 電子デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】相対的に単純な構造によって製造が相対的に安価であり、かつ、電圧源ＶＢによって供給される電力の相対的に正確な対応値である電力信号を生成することを可能とする電子デバイスを提供すること。
【解決手段】
電圧源によって供給される電流の瞬時値と、サイン形状の電圧と同期させられる方形波との乗算を平均することによって、かつ電圧の実効値にこの結果を掛けることによって、サイン形状の電圧を供給している電圧源によって供給される電力を測定するための回路。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、サイン形状の電圧Ｖｓを供給している電圧源ＶＢから取り出される平均電力の対応値（ｍｅａｓｕｒｅ）である電力信号Ｐ_ａｖを生成する電子デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような電子デバイスは、周知であり、かつ乗算器をしばしば含む。このような乗算器の動作は、乗算アルゴリズムに基づく。なかんずく、公知の乗算アルゴリズムは、「三角形−平均算出乗算技術（ｔｒｉａｎｇｌｅ−ａｖｅｒａｇｉｎｇ ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）」、「時分割乗算技術（ｔｉｍｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）」、「クォータ−方形乗算技術（ｑｕａｒｔｅｒ−ｓｑｕａｒｅｓ ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）」、「可変相互コンダクタンス乗算技術（ｖａｒｉａｂｌｅ ｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）」であり、かつアルゴリズムは、一連の、「サンプリング」、「Ａ／Ｄ−変換」および「デジタル乗算」で構成される。これらのアルゴリズムは、例えば、”Ｇｒｅａｍｅ Ｊ．Ｇ． ａｎｄ Ｔｏｂｅｙ Ｇ．Ｅ．， Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ−Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ， ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ， １９７１， ｐｐ． ２７３−２７６”および”Ｒｏｇｅｒｓ Ａ．Ｅ．， Ａｎａｌｏｇ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ， ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ， １９６０， ｐｐ． ２２−２８”に記載されている。
【０００３】
電力信号を生成するための電子デバイスにこれらの周知の乗算アルゴリズムの何れか一つを適用する際には、限られた精度、温度敏感性、電子回路の複雑さ、及びこのための高コスト価格という欠点が生じる。後者のアルゴリズムに関して、より詳しくは、このアルゴリズムを適用すると、低「サンプリング・レート」で、特に、電圧と電流との間の位相シフトがある場合、または、電流の形状が実質的にサイン形状から外れる場合、それは、非常に不正確である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、相対的に単純な構造によって製造が相対的に安価であり、かつ、電圧源ＶＢによって供給される電力が相対的に正確な対応値である電力信号を生成することを可能とする電子デバイスを提供することである。
【０００５】
このことを達成するために、第一段落において記述される電子デバイスは、
‐前記電圧Ｖｓの前記実効値の対応値である信号Ｕを生成するための回路部Ｉと、
‐前記サイン形状の電圧Ｖｓと同位相である方形波電圧Ｖｂを生成するための回路部ＩＩと、
‐前記電圧源ＶＢによって供給される電流Ｉｓと前記方形波電圧Ｖｂとの前記積Ｑの対応値である信号を生成するための回路部ＩＩＩと、
‐前記信号Ｑの前記平均値の対応値である信号Ｑ_ａｖを生成するための回路部ＩＶと、
‐前記信号Ｑ_ａｖと前記信号Ｕとの前記積の対応値である信号を生成するための回路部Ｖであって、前記回路部Ｖによって生成された前記信号が前記電力信号Ｐ_ａｖを形成する回路部Ｖとを有する。
【０００６】
本発明の電子デバイスは、相対的に単純となるように具体化できることが分かった。本発明の電子デバイスが、電圧源ＶＢによって供給される電力の非常に正確な対応値である電力信号を生成することを可能とし、この電力信号が、さらに、温度依存性が極めて小さいことも分かった。
【０００７】
電圧源ＶＢによって供給される電流Ｉｓが、サイン形状で、かつ電圧Ｖｓと同位相で、そしてサイン形状の電圧Ｖｓがゼロに等しい瞬間でのみ、方形波電圧ＶＢがゼロに等しい場合に、電力信号Ｐ_ａｖは、電圧源によって供給される電力に正比例する。しかしながら、しばしば、電圧源Ｖｂから取り出される電流Ｉｓは、サイン形状ではなく、サイン形状の無限数の項の総和として、フーリエ解析を用いて記述することができる。第１項は、サイン形状の電圧Ｖｓの周波数に等しい周波数を有し、かつ、他の項は、サイン形状の電圧Ｖｓの周波数の倍数である周波数を有する。同様に、方形波電圧Ｖｂは、このフーリエ解析を使用して、サイン形状の無限数の項の総和として、記述することができる。しかしながら、方形波電圧の対称性により、この総和は、周波数がサイン形状の電圧Ｖｓの周波数の奇数倍である項しか含まない。このことから、電流Ｉｓと方形波電圧Ｖｂの積Ｐが無限数の項（各項は２つのサイン関数の積である）の総和として表すことができることが導かれる。このような積における両方のサイン関数が同じ周波数を有する場合のみ、積Ｐの関連した項は、有限の平均値を有する。したがって、このような非サイン形状電流Ｉｓおよび（サイン形状の電圧Ｖｓがゼロにも等しい場合でのみ、ゼロに等しい）方形波電圧Ｖｂの場合には、方形波電圧Ｖｂの各項が、電力信号Ｐ_ａｖの項を生じ、電力信号Ｐ_ａｖは、無限数の項の総和として表すことができることを、数学的に導くことが出来る。電力信号Ｐ_ａｖの第１項は、電圧源ＶＢによって供給される電力を表示する。電圧源ＶＢによって供給される電流の形状に応じて、Ｐ_ａｖの第２項以上の項は、Ｐ_ａｖの値に対し相対的に大きいかまたはあまり大きくない寄与を行う。換言すれば、Ｐ_ａｖの値は、Ｐ_ａｖの第１項からより外れる。これは、電流Ｉｓの形状がサイン形状からより外れるとき、電圧源ＶＢによって供給される電力を表す。しかしながら、多数の適用において、前述のように生成される電力信号Ｐ_ａｖは、供給される電力の充分に正確な対応値であることが分かった。しかしながら、電力信号Ｐ_ａｖの第２項以上の項が、供給される電力の正確さに欠ける表現の要因となる場合、Ｐ_ａｖの第２項と、必要に応じ、また、ランダムな数のより高次の項とをゼロにすることができる。このことは、方形波電圧Ｖｂの形状を、それが、電圧Ｖｓがゼロに等しい瞬間のみならず他の瞬間でもゼロに等しくなるように、変化させることによってもたらされる。このことを達成するために、方形波電圧Ｖｂは、各半周期の間で Ｎ＋１回ゼロに等しくなる。、ここで、Ｎは偶数であり、方形波電圧Ｖｂがゼロである瞬間に対応する位相角α_ｍは、次式

および

によって表示される（ここで、ｍは、自然数で、ｎは、３以上の奇数である）。第２式の＝符号の左側の表示は、方形波電圧Ｖｂの項の振幅である。前述したように、この方形波電圧は、周波数が電圧Ｖｓの周波数の奇数倍である項しか含まなお。この理由のために、ｎ ＝ ３に関しては、第２式の＝符号の左側の表示は、方形波電圧Ｖｂの第２項の振幅に等しい。ｎ ＝ ５に対しては、この表示は、第３項の振幅に等しくなる…等々。この式のｎ ＝ ３である場合、位相角はα_１ ＝ ２０°およびα_２ ＝ １６０°になる。換言すれば、各半周期ごとに、この方形波電圧が位相角０°と１８０°のみならず位相角２０°と１６０°でもゼロに等しくなるように、方形波電圧Ｖｂの形状が選択される場合、方形波電圧Ｖｂを記述する項の総和の第２項をゼロに等しくすることが達成される。この結果、電力信号Ｐ_ａｖの第２項もまた、ゼロに等しくなる。この結果、電圧源ＶＢによって供給される電力を表すＰ_ａｖの第１項と電力信号Ｐ_ａｖの（トータル）値との差は、Ｖｓがゼロに等しい瞬間でのみ、方形波電圧Ｖｂがゼロに等しい場合には、その値より小さい。同様に、方形波電圧Ｖｂのゼロ−軸との交差の個数は、上述した式でｎ ＝ ５の時に得られる位相角に対してゼロ−軸との交差を導入することによって更に増加させることができる。その場合、方形波電圧Ｖｂを記述している項の総和において、第２と第３項は、ゼロに等しい。この結果、電力信号Ｐ_ａｖの第２と第３項もまた、ゼロに等しくなる。従って、電圧源ＶＢによって供給される電力を表すＰ_ａｖの第１項と電力信号Ｐ_ａｖの値との差は、更に減少した。換言すれば、電圧源ＶＢによって供給される実際の電力を表示する電力信号Ｐ_ａｖの第１項と電力信号Ｐ_ａｖの（トータル）値との差は、方形波電圧Ｖｂのゼロ−軸との交差の個数を増加させることによって、任意の値に減少させることが可能である。実際には、方形波電圧Ｖｂを記述している総和からその第２項、または多くても第２項と第３項を消去することは、大多数の現実的適用において、電力信号のＰ_ａｖの第１項と電力信号Ｐ_ａｖのトータル値との間の充分に小さい差をもたらすことが分かった。
【０００８】
満足な結果は、回路部Ｉが整流器とローパス・フィルタを含む本発明の電子デバイスの実施例と、回路部ＩＶがローパス・フィルタを含む実施例によって得られた。
【０００９】
特に、単純で、それゆえ安価な本発明の電子デバイスの実施例において、回路部ＩＩと回路部ＩＩＩは、
‐スイッチング素子と、
‐位相角α_ｍが方形波電圧Ｖｂがゼロとなる値を有する場合、スイッチング素子を導通および非導通にするスイッチング素子の制御電極に結合された制御回路とを有する。
【００１０】
例えば、このような制御回路は、マイクロプロセッサによって得ることができ、そこにおいて、スイッチング素子を導通または非導通にしなければならない位相角α_ｍの値がマイクロプロセッサのメモリ形成部において固定されている。
【００１１】
本発明の電子デバイスは、サイン形状の電圧Ｖｓから、負荷を通電するために使用することができる電流を生成するための回路部ＶＩを備えている電源回路の一部を極めて最適に形成することができる。例えば、この負荷は、ランプであってもよい。
【００１２】
【発明を実施するための形態】
本発明の上記及び上記以外の観点は、以下に記載される実施例を参照して明らかになるであろう。
【００１３】
図１において、Ｋ１とＫ２は、サイン形状の供給電圧を供給している供給電圧源ＶＢに接続される入力端子である。入力端子Ｋ１は、電圧源ＶＢによって供給されるサイン形状の電圧Ｖｓから、電流（この電流は、ランプを通電するために使用することができる）を生成するために、回路部ＶＩの第１の入力に接続される。入力端子Ｋ２は、回路部ＶＩの第２の入力に接続されたオーム抵抗によって、センサーＳＥを介して、形成される。ランプＬａは、回路部ＶＩの第１の出力を回路部ＶＩの第２の出力に接続する。入力端子Ｋ１は、また、コンパレータＣＯＭＰの第１の入力と、この例では、ダイオードブリッジによって形成される整流器ＤＢの第１の入力とに接続されている。コンパレータＣＯＭＰの第２の入力は、アース端子に接続されている。コンパレータＣＯＭＰの出力は、マイクロプロセッサＭＰの第１の入力に接続されている。入力端子Ｋ２は、整流器ＤＢの第２の入力に接続されている。整流器ＤＢの第１の出力は、オーム抵抗Ｒ７を介してオペアンプＯＡ１の第１の入力に接続されている。整流器ＤＢの第２の出力は、アース端子に接続されている。オペアンプＯＡ１の第２の入力は、また、アース端子にも接続されている。オペアンプＯＡ１の第１の入力は、オーム抵抗Ｒ８によってオペアンプＯＡ１の出力に接続されている。オーム抵抗Ｒ８は、キャパシタＣ２と並列に接続されている。整流器ＤＢ、オペアンプＯＡ１、オーム抵抗Ｒ７とＲ８と、キャパシタＣ２は、共同で電圧Ｖｓの実効値の対応値である信号Ｕを生成するための回路部Ｉを形成する。オペアンプＯＡ１、オーム抵抗Ｒ７とＲ８とキャパシタＣ２は、共同でローパス・フィルタを形成する。オペアンプＯＡ１の出力は、また、マイクロプロセッサＭＰの第２の入力に接続されている。オーム抵抗Ｒ１、Ｒ３およびＲ４の直列の配置は、オペアンプＯＡ２の第１の入力を、オペアンプＯＡ２の第２の入力に接続する。オーム抵抗Ｒ１とＲ３の接続点は、センサーＳＥの末端に接続されている。オーム抵抗Ｒ３とＲ４の接続点は、スイッチング素子Ｓによってアース端子に接続されている。オペアンプＯＡ２の第１の入力は、オーム抵抗Ｒ２によってオペアンプＯＡ２の出力に接続されている。図１に示される実施例において、Ｒ１の抵抗値は、Ｒ２のそれに等しいように選ばれる。オペアンプＯＡ２の出力は、オーム抵抗Ｒ５によってオペアンプＯＡ３の第１の入力に接続されている。オペアンプＯＡ３の第２の入力は、アース端子に接続されている。オペアンプＯＡ３の第１の入力は、オーム抵抗Ｒ６によってオペアンプＯＡ３の出力に接続されている。オーム抵抗Ｒ６は、キャパシタＣ１と並列に接続されている。オペアンプＯＡ３の出力は、マイクロプロセッサＭＰの第３の入力に接続されている。マイクロプロセッサＭＰの第１の出力は、スイッチング素子Ｓの制御電極に接続されている。マイクロプロセッサＭＰ、スイッチング素子Ｓ、オペアンプＯＡ２とオーム抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３とＲ４は、この例では、共同で方形波電圧を生成するための回路部ＩＩ、及び電圧源ＶＢによって供給された電流Ｉｓと方形波電圧との積Ｑの対応値である信号を生成するための回路部ＩＩＩとを形成する。オーム抵抗Ｒ５とＲ６、キャパシタＣ１とオペアンプＯＡ３は、共同して、ローパス・フィルタを形成し、この例では、信号Ｑの平均値の対応値である信号Ｑ_ａｖを生成するための回路部ＩＶを形成する。マイクロプロセッサＭＰの第２の出力は、回路部ＶＩの第３の入力に接続されている。
【００１４】
図１に示される実施例の動作は、下記の通りである。
【００１５】
入力端子Ｋ１とＫ２が、サイン形状の電圧Ｖｓを生成している供給電圧源ＶＢに接続されている場合、回路部ＶＩは電圧源ＶＢから電流Ｉｓを取り出して、ランプＬａを通る電流を生成する。コンパレータＣＯＭＰの出力での信号は、サイン形状の電圧Ｖｓの各ゼロ−軸との交差で、ハイからローに（または逆に）変わる。この信号は、また、マイクロプロセッサＭＰの第１の入力に現れる。このマイクロプロセッサの第２の入力には、回路部Ｉによって生成された信号Ｕが現れ、これは、サイン形状の電圧Ｖｓの実効値の対応値である。オーム抵抗Ｒ１とＲ３の接続点には、電流Ｉｓの瞬時値に比例する信号が、現れる。この信号には、電圧Ｖｓと同じ周波数を有し、マイクロプロセッサの第１の入力の信号と同位相であり、このため、Ｖｓとも同位相である方形波電圧が、乗算される。この乗算は、マイクロプロセッサが、スイッチング素子Ｓを方形波電圧の各周期の既定の瞬間に導通または非導通にするという事実による。これらの既定の瞬間は、マイクロプロセッサのモリ形成部に存在する表において定義される。方形波電圧は、この既定の瞬間のそれぞれに対するゼロ−軸との交差を有する。電流Ｉｓが、サイン形状の場合、コンパレータＣＯＭＰの出力の信号を、スイッチング素子Ｓに対する制御信号として、直接使用することができる点に留意されたい。電流Ｉｓと方形波電圧Ｖｂの積の瞬時値の対応値である信号Ｑは、オペアンプＯＡ２の出力に現れる。信号Ｑ_ａｖは、回路部ＩＶによってこの信号Ｑから生成される。この信号Ｑ_ａｖは、信号Ｑの平均値の対応値であり、かつオペアンプＯＡ３の出力に現れ、かつマイクロプロセッサＭＰの第３の入力である。マイクロプロセッサは、信号Ｕと信号Ｑ_ａｖとを乗算することによって、電圧源ＶＢによって供給される平均電力の対応値である電力信号Ｐ_ａｖを生成する。信号Ｕと信号Ｑ_ａｖが時間に関して実質的に変化しないＤＣ信号であり、その結果、乗算は単純な手段を使用して実行することができ、かつ、マイクロプロセッサの低「サンプリング・レート」が充分である点に留意されたい。電力信号Ｐ_ａｖは、無限数の項から成り、その第１項は、電圧源ＶＢによって供給される電力を表示する。方形波の形状を適用することによって、電力信号Ｐ_ａｖ（これは、電圧源ＶＢによって供給される電力を表す）の第１項と任意の所望値に対する信号Ｐ_ａｖの値との差を減少させることが可能となる。このことは、方形波電圧が、以下の式

および

（ここで、ｍは自然数であり、ｎは、３以上の奇数であり、Ｎ＋１は、半分周期にあたりの方形波電圧ＶＢのゼロ−軸との交差の個数である）が対応する位相角α_ｍにあてはまるように、瞬間と一致するゼロ−軸との交差を有する、既定の瞬間の個数を選ぶことによって達成することができる。
【００１６】
Ｐ_ａｖの値は、マイクロプロセッサによって基準信号（これは、供給される電力の所望値の対応値である）と比較され、かつ、マイクロプロセッサは、この比較の結果によって決まる制御信号を生成する。この制御信号は、マイクロプロセッサの第２の出力と回路部ＶＩの第３の入力に現れる。制御信号の影響下で、回路部ＶＩの動作状態は、Ｐ_ａｖの値が実質的に供給される電力の所望値に等しいように、連続的に適用される。
【００１７】
図２において、位相角は、度で、水平軸に沿ってプロットされ、かつ電圧は、任意の単位で、垂直軸に沿ってプロットされている。図２は、Ｎ ＝ ２の値に対する方形波電圧Ｖｂの形状である。上述した式によって、位相角０°、２０°、１６０°、１８０°、２００°、３４０°および３６０°に一致する瞬間で、方形波電圧Ｖｂのこの形状が、ゼロ−軸との交差を有することが、直ちに導かれる。方形波電圧のこの形状が、これらの位相角と一致する瞬間にスイッチング素子を導通または非導通にすることによって実現される場合、信号Ｐ_ａｖの第２の項がゼロに等しくなることが達成される。前述のように、信号Ｐ_ａｖのランダムな番号の項は、方形波電圧Ｖｂの形状を適用させることによってゼロに減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子デバイスの実施例とサイン形状の電圧Ｖｓから電流（この電流はランプを通電するために使用することができる）を生成するための回路部とを備えている電源回路を示し、かつ、この電源回路に接続されたランプも示す。
【図２】図１に示される電源回路の部によって生成される方形波電圧の形状を示す。
【符号の説明】
Ｓ　　　スイッチング素子
ＭＰ　　マイクロプロセッサ
ＯＡ１ 　 オペアンプ
ＤＢ　　 整流器
α_ｍ 　　位相角

Claims (9)

1. サイン形状の電圧Ｖｓを供給する電圧源ＶＢから、前記電圧源ＶＢの極を介して取り込まれる前記平均電力の対応値である、電力信号Ｐ_ａｖを生成するための電子デバイスであって、この電子デバイスには、
   ‐前記電圧Ｖｓの前記実効値の対応値である信号Ｕを生成するための回路部Ｉと、
   ‐前記サイン形状の電圧Ｖｓと同位相である方形波電圧Ｖｂを生成するための回路部ＩＩと、
   ‐前記電圧源ＶＢによって供給される電流Ｉｓと前記方形波電圧Ｖｂとの前記積Ｑの対応値である信号を生成するための回路部ＩＩＩと、
   ‐前記信号Ｑの前記平均値の対応値である信号Ｑ_ａｖを生成するための回路部ＩＶと、
   ‐前記信号Ｑ_ａｖと前記信号Ｕとの前記積の対応値である信号を生成するための回路部Ｖであって、前記回路部Ｖによって生成された前記信号が前記電力信号Ｐ_ａｖを形成する回路部Ｖとが設けられている、電子デバイス。
2. 前記方形波電圧ＶＢが、前記サイン形状の電圧Ｖｓがゼロに等しい瞬間でのみ、ゼロに等しい、請求項１に記載の電子デバイス。
3. 前記方形波電圧Ｖｂが、各半周期の間で Ｎ＋１回ゼロに等しくなり、ここで、Ｎは偶数であり、前記方形波電圧Ｖｂがゼロである前記位相角α_ｍが、次式
   

   

   および
   

   

   によって与えられる（ここで、ｍは、自然数で、かつｎが３以上の奇数である）、請求項１に記載の電子デバイス。
4. 前記回路部Ｉが、整流器とローパス・フィルタを有する、請求項１に記載の電子デバイス。
5. 前記回路部ＩＩおよび前記回路部ＩＩＩが、
   ‐スイッチング素子と、
   ‐前記位相角α_ｍが、前記方形波電圧Ｖｂがゼロとなる値を有する時に、前記スイッチング素子を導通および非導通にする、前記スイッチング素子の制御電極に結合された制御回路とを有する、請求項１に記載の電子デバイス。
6. 前記回路部ＩＶが、ローパス・フィルタを有する、請求項１に記載の電子デバイス。
7. 前記電子デバイスが、マイクロプロセッサを有する、請求項１に記載の電子デバイス。
8. 前記電子デバイスには、負荷に通電させるために使用することができる電流を、前記サイン形状の電圧Ｖｓから、生成するための回路部ＶＩが更に設けられている、請求項１に記載の電子デバイス。
9. 前記負荷がランプである、請求項８に記載の電子デバイス。

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