JP2015076684A

JP2015076684A - 可視光通信装置

Info

Publication number: JP2015076684A
Application number: JP2013210586A
Authority: JP
Inventors: 正二郎木戸; Shojiro Kido; 塩濱　英二; Eiji Shiohama; 英二塩濱; 松川　善彦; Yoshihiko Matsukawa; 善彦松川; 正成池原; Masashige Ikehara
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2015-04-20
Anticipated expiration: 2033-10-07
Also published as: JP6264821B2; US20150098708A1; US9553667B2

Abstract

【課題】発光素子の調光時における変調度の低下を抑制することができる可視光通信装置を提供する。【解決手段】定電流回路１２，負荷回路３，負荷変動回路４，スイッチング素子Ｑ１を備える。負荷回路３は、定電流回路１２の出力に接続される発光ダイオード３１を含む。負荷変動回路４は、負荷回路３に付加されることで、負荷回路３の負荷特性を部分的に変化させる。スイッチング素子Ｑ１は、二値の通信信号に応じて、負荷変動回路４を負荷回路３に付加するか否かを切り替える。そして、負荷変動回路４は、発光ダイオード３１に直列接続される抵抗器Ｒ１とダイオードＤ１との直列回路を有する。抵抗器Ｒ１の抵抗値ｒ１は、ダイオードＤ１の等価抵抗Ｒｄ１の抵抗値ｒｄ１よりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、可視光通信装置に関するものである。

従来、発光ダイオード（ＬＥＤ（Light-Emitting-Diode））を光源として備え、照明光の強度を変調することによって信号を送信する可視光通信装置（照明器具）がある（例えば、特許文献１参照）。このような可視光通信装置では、照明光そのものを変調することで信号を送信するため、赤外線通信装置のような特別の機器を必要としない。また、照明用光源として発光ダイオードを用いることで省電力が実現できるから、地下街などでのユビキタス情報システムへの利用が検討されている。

特許文献１の可視光通信装置は、発光ダイオードに直列接続された抵抗器と、この抵抗器に並列接続されたスイッチング素子とを備えている。そして、通信信号に応じてスイッチング素子がオン・オフ制御されることで、発光ダイオードの光強度が変調され、発光ダイオードが出力する照明光に通信信号が重畳される。

特開２０１３−１１６０３４号公報

発光ダイオードは、発光ダイオードに流れる電流が小さい場合に、発光ダイオードの等価抵抗の抵抗値が大きくなる特性を有している。そのため、発光ダイオードに供給する電流が小さくなる発光ダイオードの調光時において、変調度が低下し通信エラーが発生するおそれがあった。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、発光素子の調光時における変調度の低下を抑制することができる可視光通信装置を提供することにある。

本発明の可視光通信装置は、定電流回路と、前記定電流回路の出力に接続される発光素子を含む負荷回路と、前記負荷回路に付加されることで、前記負荷回路の負荷特性を部分的に変化させる負荷変動回路と、二値の通信信号に応じて、前記負荷変動回路を前記負荷回路に付加するか否かを切り替えるスイッチング素子とを備え、前記負荷変動回路は、前記発光素子に直列接続される抵抗器とダイオードとの直列回路を有し、前記抵抗器の抵抗値は、前記ダイオードの等価抵抗の抵抗値よりも大きいことを特徴とする。

この可視光通信装置において、前記ダイオードは、整流ダイオードで構成されることが好ましい。

この可視光通信装置において、前記ダイオードは、発光ダイオードで構成されることが好ましい。

以上説明したように、本発明では、抵抗器とダイオードとで負荷変動回路が構成され、抵抗器の抵抗値は、ダイオードの等価抵抗の抵抗値よりも大きく設定されている。したがって、負荷電流の減少時において、負荷回路（発光素子）の等価抵抗の抵抗値と、負荷変動回路の等価回路の抵抗値との両方が増加するので、発光素子の調光時における変調度の低下を抑制することができるという効果がある。

本発明の実施形態の可視光通信装置の回路構成図である。変調時における光量の変化を示すグラフである。ダイオードの等価回路図である。ダイオード電流−ダイオード電圧特性を簡略的に示したグラフである。ダイオード電流−ダイオード電圧特性を詳細に示したグラフである。発光ダイオードの等価回路図である。負荷電流−抵抗値特性を示すグラフである。負荷電流−変調度特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態）
本実施形態の可視光通信装置の回路構成図を図１に示す。本実施形態の可視光通信装置は、電源回路１，信号出力回路２，負荷回路３，負荷変動回路４，スイッチング素子Ｑ１を主構成とする。そして、可視光通信装置は、負荷回路３が備える発光ダイオード３１（発光素子）の照明光を変調することによって、信号を送信するものである。以下に、本実施形態の可視光通信装置の構成について説明する。

負荷回路３は、直列接続された複数の発光ダイオード３１を備え、光源として機能する。

電源回路１は、商用電源Ｅ１を入力電源として、負荷回路３（発光ダイオード３１）に負荷電流Ｉ１を供給する。具体的には、電源回路１は、ＰＦＣ（Power-Factor-Correction）回路１１，定電流回路１２，電源制御回路１３，調光信号受信回路１４を備える。ＰＦＣ回路１１は、商用電源Ｅ１に接続されており、商用電源Ｅ１から供給される交流電力を直流電力に変換し、さらに力率を改善して定電流回路１２に出力する。定電流回路１２は、例えば降圧チョッパ回路などのＤＣ−ＤＣコンバータ回路で構成されており、出力に発光ダイオード３１の直列回路が接続されている。そして、定電流回路１２は、発光ダイオード３１に負荷電流Ｉ１を供給する。

また、可視光通信装置の外部には、調光制御回路１５が設けられている。調光制御回路１５は、発光ダイオード３１の調光レベルを示す調光信号を、調光信号受信回路１４に出力する。調光信号受信回路１４は、受信した調光信号から調光レベルを読み取って電源制御回路１３に出力する。電源制御回路１３は、発光ダイオード３１に供給される負荷電流Ｉ１が、調光信号受信回路１４から受け取った調光レベルに応じた電流値となるように定電流回路１２を制御する。例えば、調光レベルが１００％（定格）である場合、電源回路１から発光ダイオード３１に供給される負荷電流Ｉ１は最大となる。なお、本実施形態では、発光ダイオード３１の調光方式として、発光ダイオード３１への通電を周期的にオン・オフし、その通電期間の比率を変化させるバースト調光方式を採用している。したがって、電源制御回路１３は、負荷電流Ｉ１の瞬時値ではなく、負荷電流Ｉ１の平均値が調光レベルに応じた電流値となるように定電流回路１２を制御する。

負荷変動回路４は、ダイオードＤ１と抵抗器Ｒ１の直列回路で構成されている。そして、負荷変動回路４は、電源回路１の出力間において、負荷回路３と直列に接続されている。

スイッチング素子Ｑ１は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor）で構成されており、負荷変動回路４（ダイオードＤ１と抵抗器Ｒ１の直列回路）に並列接続されている。

信号出力回路２は、二値の通信信号をスイッチング素子Ｑ１に出力することで、スイッチング素子Ｑ１をオン・オフさせる。スイッチング素子Ｑ１がオン状態である場合、負荷変動回路４の両端間が短絡され、負荷変動回路４を介さずに負荷回路３に負荷電流Ｉ１が流れる。一方、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態である場合、負荷変動回路４を介して負荷回路３に負荷電流Ｉ１が流れる。したがって、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態である場合、スイッチング素子Ｑ１がオン状態である場合に比べて負荷電流Ｉ１の電流値が小さくなり、発光ダイオード３１の光量も低減する。すなわち、スイッチング素子Ｑ１は、二値の通信信号に応じて負荷変動回路４を負荷回路３に付加するか否かを切り換える。そして、負荷変動回路４は、負荷回路３に付加されることで、負荷回路３の負荷特性を部分的に変化させる。

また、可視光通信装置は、信号出力回路２の電源として制御用電源回路５を備えている。電源回路１の出力端間に、ダイオードＤ２とコンデンサＣ１との直列回路が接続されており、コンデンサＣ１と並列に制御用電源回路５が接続されている。制御用電源回路５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路で構成されており、電源回路１からダイオードＤ２を介して入力される電圧を、例えば５Ｖの制御用電源電圧に変換して信号出力回路２に出力する。

また、可視光通信装置は、負荷電圧検出回路６を備えている。負荷電圧検出回路６は、電源回路１から負荷回路３に印加される負荷電圧を検出し、検出値を信号出力回路２に出力する。発光ダイオード３１の調光レベルが下限値付近である場合に、スイッチング素子Ｑ１がオフされると、負荷電流Ｉ１がさらに減少し発光ダイオード３１が消灯するおそれがある。そこで、信号出力回路２は、負荷電圧検出回路６の検出値に基づいて、発光ダイオード３１の調光レベルが下限値付近である場合、スイッチング素子Ｑ１を常にオン状態にして変調動作を停止する。

このように、本実施形態の可視光通信装置は、信号出力回路２が通信信号を出力し、スイッチング素子Ｑ１のオン・オフを制御することで、発光ダイオード３１の光強度を変調し、発光ダイオード３１が出力する照明光に通信信号を重畳させる。

次に、本実施形態の可視光通信装置の変調度ＭＨについて説明する。図２に、スイッチング素子Ｑ１のオン・オフによる発光ダイオード３１の光量（光強度）の変化を示す。スイッチング素子Ｑ１のオン時、すなわち負荷回路３に負荷変動回路４が付加されていない場合、発光ダイオード３１の光量はΦＨとなる。一方、スイッチング素子Ｑ１のオフ時、すなわち負荷回路３に負荷変動回路４が付加されている場合、発光ダイオード３１の光量はΦＬ（＜ΦＨ）となる。このときの変調度ＭＨは、ＭＨ＝（ΦＨ−ΦＬ）／ΦＨで表される。

ここで、負荷変動回路４が備えるダイオードＤ１の等価抵抗Ｒｄ１について説明する。図３に示すように、ダイオードＤ１の等価回路は、等価抵抗Ｒｄ１と電圧源Ｅｄ１との直列回路で表される。図４に、ダイオードＤ１に流れる電流（以降、ダイオード電流とする）に対する、ダイオードＤ１の両端電圧（以降、ダイオード電圧とする）の特性を簡略的なグラフで示す。電圧源Ｅｄ１の電圧値は、ダイオードＤ１に電流が流れ始める時点におけるダイオード電圧である順方向電圧Ｖｄ１となる。そして、ダイオード電流が増加するにつれて、ダイオード電圧も増加する。このとき、ダイオード電圧の増加の傾きは、等価抵抗Ｒｄ１の抵抗値ｒｄ１で表される。ここで、ダイオードＤ１は、ダイオード電流の電流値によって等価抵抗Ｒｄ１の抵抗値ｒｄ１が変動する特性を有している。ダイオード電流の電流値が比較的大きい場合、抵抗値ｒｄ１は比較的小さな値となる。一方、ダイオード電流の電流値が比較的小さい場合、抵抗値ｒｄ１は比較的大きな値となる。したがって、ダイオード電流に対するダイオード電圧の特性をより詳細に表すと図５に示すようになり、ダイオード電流が減少するにつれて、ダイオード電圧の増加の傾きが大きく、すなわち等価抵抗Ｒｄ１の抵抗値ｒｄ１が大きくなる。

また、図６に示すように、発光ダイオード３１の等価回路は、等価抵抗Ｒｌ１と電圧源Ｅｌ１との直列回路で表される。ダイオードＤ１と同様に、発光ダイオード３１は、発光ダイオード３１に流れる電流が減少するにつれて、等価抵抗Ｒｌ１の抵抗値ｒｌ１が大きくなる特性を有している。

図７に、負荷電流Ｉ１に対する抵抗値の変化を示す。図７中に示すＬ１は、負荷電流Ｉ１に対する抵抗器Ｒ１の抵抗値ｒ１を示すグラフである。図７中に示すＬ２は、負荷電流Ｉ１に対する負荷回路３（複数の発光ダイオード３１の直列回路）の等価抵抗の抵抗値ｒ３を示すグラフである。図７中に示すＬ３は、負荷電流Ｉ１に対する負荷変動回路４（抵抗器Ｒ１とダイオードＤ１の直列回路）の等価抵抗の抵抗値ｒ４を示すグラフである。なお、直列接続された発光ダイオード３１の個数をＮ個とすると、負荷回路３の等価抵抗の抵抗値ｒ３は、ｒ３＝Ｎ×ｒｌ１で表される。また、負荷変動回路４の等価抵抗の抵抗値ｒ４は、ｒ４＝ｒ１＋ｒｄ１で表される。

上述したように、本実施形態の可視光通信装置は、負荷電流Ｉ１を増減させることで発光ダイオード３１を調光させる。ここで、抵抗器Ｒ１の抵抗値ｒ１は、負荷電流Ｉ１の電流値に関わらず一定となる（図７のグラフＬ１参照）。一方、負荷回路３の等価抵抗の抵抗値ｒ３は、負荷電流Ｉ１が減少するにつれて大きくなる（図７のグラフＬ２参照）。したがって、抵抗値ｒ３に対する抵抗値ｒ１の比率は、負荷電流Ｉ１が減少するにつれて小さくなる。そのため、抵抗器Ｒ１のみで負荷変動回路が構成された従来の可視光通信装置は、負荷電流Ｉ１が小さい領域において変調度ＭＨが低くなっていた。

しかし、本実施形態の可視光通信装置では、抵抗器Ｒ１とダイオードＤ１との直列回路で負荷変動回路４が構成されている。したがって、負荷変動回路４の等価抵抗の抵抗値ｒ４は、ダイオードＤ１の等価抵抗Ｒｄ１の抵抗値ｒｄ１と抵抗値Ｒ１の抵抗値ｒ１との和であるので、負荷電流Ｉ１が減少するにつれて大きくなる（図７のグラフＬ３参照）。

ここで、抵抗器Ｒ１，ダイオードＤ１，発光ダイオード３１の各パラメータを用いて変調度ＭＨを算出する場合、変調度ＭＨは下記式（１）で表される。なお、負荷変動回路４が負荷回路３に付加されている場合における負荷電流Ｉ１の電流値をｉ１とする。

抵抗器Ｒ１の抵抗値ｒ１を１８Ω、ダイオードＤ１の等価抵抗Ｒｄ１の抵抗値ｒｄ１を０．９７Ω（負荷電流Ｉ１の定格時）に設定する。そして、ダイオードＤ１の順方向電圧Ｖｄ１を０．７Ｖ，１．５Ｖ，３．０Ｖの３パターンでシミュレーションした場合における変調度ＭＨの変化を図８に示す。図８に示すＬ１１は、順方向電圧Ｖｄが０．７Ｖである場合における、負荷電流Ｉ１に対する変調度ＭＨを示すグラフである。図８に示すＬ１２は、順方向電圧Ｖｄが１．５Ｖである場合における、負荷電流Ｉ１に対する変調度ＭＨを示すグラフである。図８に示すＬ１３は、順方向電圧Ｖｄが３．０Ｖである場合における、負荷電流Ｉ１に対する変調度ＭＨを示すグラフである。また、図８に示すＬ１４は、ダイオードＤ１を備えておらず、抵抗器Ｒ１のみで負荷変動回路が構成された場合における、変調度ＭＨの変化を示すグラフである。

負荷変動回路が抵抗器Ｒ１のみを備える従来の構成である場合、式（１）においてｒｄ１＝０，Ｖｄ＝０となり、変調度ＭＨは下記式（２）で表される。

したがって、負荷電流Ｉ１が減少した場合、式（２）における分母の項（Ｎ×ｒｌ１）のみが大きくなるので、変調度ＭＨが大きく低下する（図８のグラフＬ１４参照）。

一方、負荷変動回路４が抵抗器Ｒ１とダイオードＤ１とを備える本実施形態の構成は、負荷電流Ｉ１が減少した場合、式（１）における分母の項（ｒｄ１＋Ｎ×ｒｌ１）と、分子の項（ｒｄ１）との両方が大きくなる。さらに、負荷電流Ｉ１の電流値ｉ１が小さい場合、式（１）の分母および分子におけるダイオードＤ１の順方向電圧Ｖｄが占める割合が大きくなる。したがって、本実施形態の可視光通信装置は、負荷電流Ｉ１が減少した場合であっても変調度ＭＨの低下が抑制される（図８のグラフＬ１１〜Ｌ１３参照）。また、負荷変動回路４がダイオードＤ１を備えることによって、抵抗器Ｒ１のみを備える場合に比べて、調光領域のすべての範囲にわたって調光度ＭＨが高くなり、負荷電流Ｉ１の下限値付近（調光下限付近）では調光度ＭＨが上昇する。さらには、ダイオードＤ１の順方向電圧Ｖｄが高いほど、変調度ＭＨが高くなり、負荷電流Ｉ１の減少時における調光度ＭＨの低下も抑制される。順方向電圧が３．０ＶのダイオードＤ１を用いた場合では、負荷電流Ｉ１が減少するにつれて調光度ＭＨが高くなる。

このように、本実施形態の可視光通信装置は、抵抗器Ｒ１とダイオードＤ１の直列回路で負荷変動回路４を構成するという簡易な構成で、負荷電流Ｉ１が減少する調光時における変調度ＭＨの低下を抑制することができ、通信エラーの発生を抑制することができる。さらに、ダイオードＤ１に電流が流れることによって、順方向電圧Ｖｄ１が発生し、流れる電流の値に応じた抵抗値ｒｄ１となるので、負荷電流Ｉ１の変化に遅延することなく変調度ＭＨの低下が補償される。また、負荷電流Ｉ１の電流値を検出し、負荷電流Ｉ１の電流値に応じて負荷変動回路４の抵抗値を変更するという複雑な構成は不要であるので、安価に可視光通信装置を構成することができる。

また、図８に示すように、ダイオードＤ１の順方向電圧Ｖｄ１がばらついたとしても、負荷変動回路が抵抗器Ｒ１のみを備える従来の構成よりも変調度ＭＨが高く、調光時における変調度ＭＨの低下も抑制される。

さらに、抵抗器Ｒ１の抵抗値ｒ１は、ダイオードＤ１の等価抵抗Ｒｄ１の抵抗値ｒｄ１よりも大きくなるように設定されている。なお、本実施形態では、抵抗器Ｒ１の抵抗値ｒ１を１８Ω、ダイオードＤ１の等価抵抗Ｒｄ１の抵抗値ｒｄ１を１〜２Ω程度（負荷電流Ｉ１の調光領域における上限値〜下限値の間で変動）に設定している。このように設定することによって、負荷電流Ｉ１が比較的大きい例えば定格時において、ダイオードＤ１の等価抵抗Ｒｄ１の抵抗値ｒｄ１が小さくなるので、負荷変動回路４での電力損失も小さくなる。さらに、抵抗器Ｒ１は、ダイオードＤ１の等価抵抗Ｒｄ１に比べて、素子間での抵抗値ｒ１のばらつきが小さい。そのため、ダイオードＤ１の等価抵抗Ｒｄ１の抵抗値ｒｄ１が素子間でばらついたとしても、抵抗値ｒ１＞抵抗値ｒｄ１であるので、負荷変動回路４の等価抵抗の抵抗値ｒ４への影響は抑えられる。

なお、抵抗器Ｒ１の抵抗値ｒ１および、ダイオードＤ１の等価抵抗Ｒｄ１の抵抗値ｒｄ１は、上記の値に限定するものではない。例えば、抵抗器Ｒ１の抵抗値ｒ１を５〜１００Ωに設定してもよい。また、ダイオードＤ１の等価抵抗Ｒｄ１を、負荷電流Ｉ１の定格時における抵抗値ｒｄ１を０．２〜０．３Ω、負荷電流Ｉ１の調光領域の下限時における抵抗値ｒｄ１を１．２Ωに設定してもよい。なお、上記効果をより大きなものとするには、抵抗器Ｒ１の抵抗値ｒ１が、負荷電流Ｉ１の定格時におけるダイオードＤ１の等価抵抗Ｒｄ１の抵抗値ｒｄ１の１６〜５００倍であることが好ましい。さらには、抵抗器Ｒ１の抵抗値ｒ１が、負荷電流Ｉ１の調光領域の下限時における抵抗値ｒｄ１の４〜８３倍であることが好ましい。

また、負荷変動回路４を１乃至複数のダイオードＤ１のみで構成することでも、負荷電流Ｉ１の減少時における変調度ＭＨの低下を補償することができる。しかし、光源である負荷回路３の定格電流値は、可視光通信装置によって様々な値が設定される（例えば、１５０ｍＡ，３５０ｍＡ，５００ｍＡなど）。そのため、様々な定格電流値に対応させるためには、直列接続するダイオードＤ１の個数を条件に応じて変更する必要がある。したがって、ダイオードＤ１の個数に応じて、可視光通信装置ごとに実装基板を設計する必要があるので、管理が大変となりコストも増加する。しかし、本実施形態では、抵抗器Ｒ１とダイオードＤ１の直列回路で負荷変動回路４を構成し、抵抗器Ｒ１の抵抗値ｒ１が支配的となるように抵抗値ｒ１＞抵抗値ｒｄ１に設定している。したがって、様々な定格電流値に対して抵抗器Ｒ１の抵抗値ｒ１を変更するのみで対応することができる。さらに、抵抗値ｒ１の変更は、抵抗器Ｒ１を交換するのみで個数を変更することなく容易に行うことができ、定格電流値が異なる場合であっても実装基板を共有することができるので、コストを削減することができる。このように、負荷変動回路４を抵抗器Ｒ１とダイオードＤ１の直列回路で構成することによって、調光時における変調度ＭＨの低下の補償だけでなく、コストの点においてもメリットが得られる。

すなわち、本実施形態の可視光通信装置は、定電流回路１２，負荷回路３，負荷変動回路４，スイッチング素子Ｑ１を備える。負荷回路３は、定電流回路１２の出力に接続される発光ダイオード３１（発光素子）を含む。負荷変動回路４は、負荷回路３に付加されることで、負荷回路３の負荷特性を部分的に変化させる。スイッチング素子Ｑ１は、二値の通信信号に応じて、負荷変動回路４を負荷回路３に付加するか否かを切り替える。そして、負荷変動回路４は、発光ダイオード３１に直列接続される抵抗器Ｒ１とダイオードＤ１との直列回路を有する。抵抗器Ｒ１の抵抗値ｒ１は、ダイオードＤ１の等価抵抗Ｒｄ１の抵抗値ｒｄ１よりも大きい。上記構成により、発光ダイオード３１の調光時における調光度ＭＨの低下の抑制を、安価に実現することができるという効果が得られる。

また、ダイオードＤ１は、一般的に整流用途として汎用的に用いられている整流ダイオードで構成されている。整流ダイオードは、安価に入手することができるので、負荷変動回路４にダイオードＤ１を設けることによるコスト増加は抑制される。

また、ダイオードＤ１は、発光ダイオードで構成されていてもよい。ダイオードＤ１を発光ダイオードで構成することによって、変調度ＭＨの低下の補償と、変調動作を示すインジケータとしての機能とを兼用することができる。

また、負荷回路３を構成する発光素子は、発光ダイオード３１に限定せず、例えば有機ＥＬ（Electro-Luminescence）等で構成されていてもよい。

１電源回路
１２定電流回路
２信号出力回路
３負荷回路
３１発光ダイオード（発光素子）
４負荷変動回路
Ｄ１ダイオード
Ｒ１抵抗器
Ｑ１スイッチング素子

Claims

定電流回路と、
前記定電流回路の出力に接続される発光素子を含む負荷回路と、
前記負荷回路に付加されることで、前記負荷回路の負荷特性を部分的に変化させる負荷変動回路と、
二値の通信信号に応じて、前記負荷変動回路を前記負荷回路に付加するか否かを切り替えるスイッチング素子とを備え、
前記負荷変動回路は、前記発光素子に直列接続される抵抗器とダイオードとの直列回路を有し、
前記抵抗器の抵抗値は、前記ダイオードの等価抵抗の抵抗値よりも大きい
ことを特徴とする可視光通信装置。
前記ダイオードは、整流ダイオードで構成される
ことを特徴とする請求項１記載の可視光通信装置。
前記ダイオードは、発光ダイオードで構成される
ことを特徴とする請求項１記載の可視光通信装置。