JP2018181485A - 照明光通信装置、照明器具、および、照明装置 - Google Patents

照明光通信装置、照明器具、および、照明装置 Download PDF

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Abstract

【課題】光源の点灯状態が変調モードへ移行するとき等のちらつき発生を抑制する。【解決手段】定電流発生装置12から電流が流れることによって照明光を発する光源18に接続され、光源18の照明光を変調する照明光通信装置16は、光源18と直列に接続されるスイッチSWと、照明光を変調するためにスイッチSWのオンおよびオフを制御する二値の通信信号を発生する信号発生回路SGと、光源18およびスイッチSWと直列に接続され、基準値に対応する電流設定値を超えないように、光源18に流れる電流を抑制する電流抑制回路17と、通信信号を介してスイッチSWのオン・デューティ比を変更可能な制御部19とを備える。制御部19は、電流抑制回路17を流れる電流が変化する移行期間においてスイッチSWのオン・デューティ比を徐々に変化させる。【選択図】図1A

Description

本開示は、照明光を変調することにより可視光通信を行う照明光通信装置、照明器具、および照明装置に関する。
従来、発光ダイオード(LED、Light Emitting Diode)を光源として備える照明器具において、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が提案されている。このような照明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ので、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。
例えば、特許文献1には、発光ダイオードからなる光源部の出力する照明光の光強度を変調して通信信号を重畳させる制御回路を備える可視光通信装置が開示されている。この可視光通信装置では、制御回路が、一定時間を複数のタイムスロットに分割し、任意に選択した何れかのタイムスロットで通信信号を出力する送信処理を周期的に繰り返す。これにより、簡易な構成で、複数の照明器具からの光が重なり合う場合でも受信端末が通信信号を受信する確率を高くできると記載されている。
特開2015−19235号公報
上記特許文献1に記載されるように可視光通信を行う照明装置において、光源が直流電流によって点灯されている状態から、照明光に通信信号が重畳された変調モードに移行する際、照明光の光強度の瞬間的な変化によって人の目にちらつきを感じることがある。
本開示の目的は、光源の点灯状態が変調モードへ移行するとき等のちらつき発生を抑制できる照明光通信装置、照明器具、および、照明装置を提供することにある。
本開示に係る照明光通信装置は、定電流発生装置から電流が流れることによって照明光を発する光源に接続され、前記光源の照明光を変調する照明光通信装置であって、前記光源と直列に接続されるスイッチと、前記照明光を変調するために前記スイッチのオンおよびオフを制御する二値の通信信号を発生する信号発生回路と、前記光源および前記スイッチと直列に接続され、基準値に対応する電流設定値を超えないように、前記光源に流れる電流を抑制する電流抑制回路と、前記通信信号を介して前記スイッチのオン・デューティ比を変更可能な制御部と、を備える。そして、前記制御部は、前記電流抑制回路を流れる電流が変化する移行期間において前記スイッチのオン・デューティ比を徐々に変化させる。
本開示に係る照明器具は、上記照明光通信装置と、光源とを備える。また、本開示に係る照明装置は、この照明器具と、定電流発生装置とを備える。
本開示に係る照明光通信装置、照明器具および照明装置によれば、光源の点灯状態が変調モードへ移行するとき等の移行期間においてスイッチのオン・デューティ比を徐々に変化させることによって、人が照明光のちらつきを感じるのを抑制できる。
一実施形態である照明光通信装置を備えた照明装置の構成を示す図である。 照明光の変調動作と光源を流れる電流の抑制動作とをトランジスタに兼用させる兼用制御回路を含む照明光通信装置を備えた照明装置の構成を示す図である。 図1B中の信号発生回路からの通信信号、2つのバルブおよびトランジスタの動作状態を表す真理値表を示す図である。 照明光通信装置を備えていない照明装置の構成を示す図である。 図1Aにおける制御回路および信号発生回路の構成例を示すブロック図である。 図1Aにおける制御回路の処理例を示すフローチャートである。 制御回路内のシフトレジスタの説明図である。 図4のステップS20の補正例を示すフローチャートである。 通信信号の変調方式を説明するための図である。 通信信号の事例(a)〜(d)を示す図である。 断続されたLED電流の波形を示す説明図である。 オン・デューティ比に応じた電流設定値を示す図である。 直流点灯モードと変調モードとの間に設定された移行期間でオン・デューティ比を徐々に変化させる様子を示す図である。 第1変調モードと第2変調モードとの間に設定された移行期間でオン・デューティ比を徐々に変化させる様子を示す図である。 照明装置の起動時に設定された移行期間でオン・デューティ比を徐々に変化させる様子を示す図である。 照明装置の駆動停止時に設定された移行期間でオン・デューティ比を徐々に変化させる様子を示す図である。 光源の光強度が異なる第1調光状態と第2調光状態との間に設定された移行期間でオン・デューティ比を徐々に変化させる様子を示す図である。 図14Aにおいて、第1調光状態と第2調光状態とで変調モードのオン・デューティ比が同一である場合を示す図である。
以下に、本開示に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本開示の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において「略」なる用語は、例えば、完全に同じである場合に加えて、実質的に同じとみなせる場合を含む意味で用いられる。さらに、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。
図1Aは、一実施形態である照明光通信装置16を備えた照明装置10の構成を示す図である。照明装置10は、定電流発生装置12および照明器具14を備える。照明器具14は、照明光通信装置16および光源18を備える。
定電流発生装置12は、出力を定電流化する機能を有し、整流ブリッジ20、コンデンサ22、DC−DCコンバータ24および定電流フィードバック回路26を含む。定電流フィードバック回路26は、入力抵抗28、増幅器30、抵抗32、コンデンサ34および基準電圧源35を備える。
定電流発生装置12は、商用電源(例えば、交流100V)を整流ブリッジ20で全波整流し、コンデンサ22で平滑した後、DC−DCコンバータ24で所望の直流電圧に変換する。DC−DCコンバータ24の出力両端間に平滑コンデンサ25が接続されている。また平滑コンデンサ25と並列に、光源18と照明光通信装置16との直列回路が接続されている。照明光通信装置16は、電流抑制回路17、断続スイッチSW、信号発生回路SGおよび制御部19を備える。
定電流発生装置12は、光源18を流れる電流を直接、或いは間接的に検出し、それら電流値を一定にするよう制御する機能を有する。この機能は、光源18の電流を直接検出するための検出抵抗27および定電流フィードバック回路26による。定電流フィードバック回路26において、基準電圧源35は、増幅器30のプラス入力端子に接続され、入力抵抗28は、増幅器30のマイナス入力端子に接続されている。また、定電流フィードバック回路26において、増幅器30の出力端子と増幅器30のマイナス入力端子間に、利得調整用の抵抗32および位相補償用のコンデンサ34が並列に接続されている。
定電流フィードバック回路26は、検出抵抗27の電圧降下と基準電圧源35の電圧との高低を増幅器30で比較し、その差分を増幅し、DC−DCコンバータ24の制御部に帰還する。つまり、検出抵抗27の電圧降下と前記基準電圧が一致するよう、DC−DCコンバータ24に負帰還制御をかけている。また、増幅器30の反転入力端子と出力端子の間に接続された抵抗32と入力抵抗28との分圧比で利得が設定され、抵抗32と並列に設けられたコンデンサ34は位相補償のための積分要素として機能する。
平滑コンデンサ25は、定電流発生装置12の出力間に接続され、定電流発生装置12の出力を平滑する。
光源18は、定電流発生装置12の出力間に、直列接続された複数の発光ダイオードを含み、定電流発生装置12の出力が供給される。なお、光源18を構成する発光素子は、発光ダイオードに限定されるものではなく、他の発光素子(例えば、有機エレクトロルミネセンス素子、半導体レーザ素子等)であってもよい。
断続スイッチSWは、光源18と直列に付加され、定電流発生装置12から光源18に供給される電流を断続する。この断続スイッチSWが、本開示におけるスイッチに相当する。
信号発生回路SGは、照明光を変調するために断続スイッチSWのオンおよびオフを制御する二値の通信信号を発生する。通信信号は、断続スイッチSWの制御端子に入力され、断続スイッチSWをオンおよびオフする。断続スイッチSWによって生成される通信信号のオン・デューティ比は、制御部19からの指令を受けて変更可能に構成される。なお、信号発生回路SGは、制御部19に記憶された例えば商品情報等の固有のIDを示す通信信号を繰り返し発生してもよいし、外部の装置から入力された送信信号に応じて通信信号を発生してもよい。
次に、電流抑制回路17の構成例について説明する。
電流抑制回路17は、光源18および断続スイッチSWと直列に付加され、光源18に流れる電流の大きさを抑制する。例えば、電流抑制回路17は、光源18および断続スイッチSWと直列に接続され、基準値に対応する電流設定値を超えないように、光源18を流れる電流を基準値に応じて抑制するようにしてもよい。こうすれば、断続スイッチSWがオフからオンになった瞬間に、光源18を流れる電流に発生するオーバーシュートを低減できるので、受信装置での受信エラーを低減することができる。
電流抑制回路17は、MOSFETであるトランジスタ36、ソースに接続された抵抗38、増幅器40、基準源42および制御回路44で構成される。
基準源42は、増幅器40のプラス入力端子に基準値を出力する。基準値は、光源18を流れる電流の上限(電流設定値)を規定する。例えば、基準値は電流設定値に比例する。また、基準源42は、信号発生回路SGが発生する通信信号の配列パターン(例えばビットパターン)に応じて可変の基準値を出力してもよい。
トランジスタ36は、光源18および断続スイッチSWに直列に接続され、光源18に流れる電流を基準値に基づいて抑制する。
抵抗38は、光源18を流れる電流の大きさを検出するためのソース抵抗である。抵抗38のソース側端子は、増幅器40のマイナス入力端子に接続される。
増幅器40は、プラス入力端子に基準源42が接続され、マイナス入力端子にトランジスタ36のソースが接続される。増幅器40は、基準値と抵抗38で検出されて電流値との差分を増幅し、増幅した信号をトランジスタ36のゲートに出力する。
制御回路44は、基準源42から可変の基準値を出力させるために、通信信号の配列パターンに応じて基準源42の基準値を変更する制御を行う。例えば、制御回路44は、通信信号の部分的なオン・デューティ比を算出し、算出した部分的なオン・デューティ比が第1の比率のとき前記基準値を第1の値とし、部分的なオン・デューティ比が前記第1の比率より大きい第2の比率のとき前記基準値を前記第1の値より小さい第2の値とする。このとき、制御回路44は、通信信号の部分的なオン・デューティ比に反比例するように、基準値を変更してもよい。「部分的なオン・デューティ比」は、例えば、直近のオフ期間と、当該オフ期間の直前のオン期間とを合わせた期間に対する当該オン期間の割合である。あるいは、「部分的なオン・デューティ比」は、通信信号のうちの直近のnビットの移動平均値で代用してもよい。こうすれば、光源18を流れる電流に発生するオーバーシュートの大きさが部分的なオン・デューティ比に依存する場合に、オーバーシュートの抑制をより適切にすることができる。
図1Aに示すように、照明装置10は、リモートスイッチRSを備えてもよい。リモートスイッチRSは、ユーザ操作などに応じて光源18の光強度を調整する調光信号LASを送信する。調光信号LASは、例えば、赤外線通信、無線LAN、Wi−Fi等の無線通信によって、定電流発生装置12に送信される。定電流発生装置12は、この調光信号に応じて出力する電流値を変更することができる。また、リモートスイッチRSによって生成された調光信号は、照明光通信装置16にも送信される。これにより、電流抑制回路17の制御回路44は調光信号に応じた基準値を設定することができ、照明光通信装置16の制御部19は、後述する断続スイッチSWのオン・デューティ比の制御を行うことができる。
なお、リモートスイッチRSによって生成された調光信号LASは、照明光通信装置16のみに送信されてもよい。これにより、電流抑制回路17の制御回路44は調光信号LASに応じた基準値を設定することができる。また、照明光通信装置16の制御部19は、後述する断続スイッチSWのオン・デューティ比の制御を行うことで、可視光通信だけではなく、調光制御も行うことができる。電流抑制回路17での電力損失は増大するが、既設の光通信機能及び調光機能を持たない照明器具に搭載された定電流発生装置およびLED光源をそのまま利用し、照明光通信装置16を後付で追加することにより、光通信機能と調光機能を付加することができる。
次に、図1Bを参照して、変形例の照明光通信装置16Bについて説明する。図1Bは照明光の変調動作と光源を流れる電流の抑制動作とをトランジスタに兼用させる兼用制御回路50を含む照明光通信装置16Bの構成例を示す図である。この構成例では、トランジスタ36が前記断続スイッチSWの機能も果たす。
図1Bの照明光通信装置16Bは、トランジスタ36と兼用制御回路50とを備える。兼用制御回路50は、基準源42a、信号発生回路SG、バルブB1、バルブB2、抵抗52、抵抗54、増幅器56、抵抗58、抵抗60、コンデンサ62、増幅器64、抵抗66、コンデンサ68およびインバータ70を備える。
兼用制御回路50のうちの信号発生回路SG、バルブB1、バルブB2およびインバータ70を有する回路部分は、トランジスタ36に変調動作をさせる変調制御回路として機能する。
信号発生回路SGは、既に説明したので省略する。
バルブB1は、例えば、スイッチングトランジスタ、サイリスタ等のスイッチング素子でよく、制御端子に入力される制御信号に応じて開または閉、つまり、非導通または導通の状態になる。バルブB1の制御端子には信号発生回路SGからの通信信号が入力される。
バルブB2は、バルブB1と同じ素子でよい。バルブB2の制御端子には信号発生回路SGからインバータ70を介して反転された通信信号が入力される。バルブB2は、増幅器56の2つの入力端子のうちの、光源に流れる電流の大きさに対応するマイナス入力端子と、実質的に基準値のレベルをもつ配線(つまり基準源42aのプラス側配線)とに接続される。
ここで、バルブB1、バルブB2、トランジスタ36の動作状態について図1Cを用いて説明する。図1Cは、図1B中の信号発生回路SGからの通信信号、バルブB1,B2およびトランジスタ36の動作状態を表す真理値表を示す図である。「SG」は通信信号の論理値(ハイレベルまたはローレベル)を、「B1」はバルブB1の状態(オンまたはオフ)を、「B2」はバルブB2の状態(オンまたはオフ)を、「36」はトランジスタ36の状態(オンまたはオフ)を示す。通信信号がL(ローレベル)であるとき、バルブB1、バルブB2、トランジスタ36は、それぞれオフ、オン、オフであり、光源18には電流が流れず消灯する。つまり、バルブB2は、通信信号が消灯を指示しているときに導通することにより、2つの入力端子のうちの前記電流の大きさに対応するマイナス入力端子のレベルを実質的に基準値のレベルにする。これにより増幅器56の出力信号がローレベルになりトランジスタ36はオフになる。
通信信号がH(ハイレベル)であるとき、バルブB1、バルブB2、トランジスタ36は、それぞれオン、オフ、オンであり、光源には電流が流れ点灯する。
これにより、二値の通信信号に応じたトランジスタ36のオンおよびオフにより、照明光が変調される。
また、兼用制御回路50のうちの信号発生回路SG、バルブB1、バルブB2およびインバータ70を除く回路部分は、トランジスタ36(つまり光源18)を流れる電流を抑制する電流抑制回路として機能する。
抵抗52は、トランジスタ36を流れる電流、つまり光源18を流れる電流の大きさを検出するための抵抗である。
抵抗54は、バルブB2がオンのときに基準源42aから抵抗54および抵抗52を介して接地線に流れる電流を制限するための抵抗である。
抵抗58および抵抗60は、可変の基準源として機能する回路である。すなわち、抵抗58および抵抗60は、バルブB1がオンのときに、兼用制御回路50に印加される電圧の大きさを検出する。つまり、バルブB1と抵抗60の接続点の電圧は、兼用制御回路50に印加される電圧の大きさを示し、増幅器64(ここでは増幅器64はバッファとして機能する)を介して増幅器56のプラス入力端子に基準値として入力される。兼用制御回路50に印加される電圧は、信号発生回路SGからの通信信号のオン・デューティ比に応じて変化する。図1Bでは、兼用制御回路50に印加される電圧を、可変の基準値として、増幅器56のプラス入力端子に入力している。この可変の基準値により、トランジスタ36に流れる電流の上限を示す電流設定値を基準値およびオン・デューティ比に応じた適切な値にすることができる。
基準源42aは、基準値以上の定電圧を発生する。
抵抗60およびコンデンサ62はフィルタとして機能し、増幅器64はインピーダンス整合用のバッファとして機能する。抵抗66およびコンデンサ68はノイズカット用のフィルタとして機能する。
以上のように、図1Bの兼用制御回路50では、バルブB2(例えばスイッチトランジスタ)は、上記通信信号が消灯を指示しているとき(SGがLのとき)に、光源18に流れる電流の大きさに対応するマイナス入力端子を実質的に基準値のレベルにすることにより、トランジスタをオフにする。これにより、兼用制御回路50は、トランジスタ36に変調動作をさせることができ、かつ、光源18に流れる電流を電流設定値以下に抑制することができる。
次に、着脱可能な照明光通信装置16の構成について説明する。図2は、照明光通信装置16を付加していない照明装置10Aの構成を示す回路図である。つまり、図2は、図1Aの照明装置10において照明光通信装置16を削除し、ショート線11を追加した構成を示す。図1Aは、可視光通信機能を有する照明装置10を表しており、図2は、可視光通信機能を有しない照明装置10Aを表している。
図1Aおよび図2における端子T1,T2には、照明光通信装置16またはショート線11が接続される。端子T1,T2は、端子台またはコネクタであってもよいし、既存の照明装置内の配線のうち図2のショート線11に対応する配線材を切断した箇所を端子T1,T2としてもよい。
図1Aおよび図2のような構成によれば、既設の光通信機能を持たない照明器具に搭載された定電流発生装置およびLED光源をそのまま利用し、照明光通信装置16を後付で追加することにより光通信機能を付加することができる。このように後付で追加可能なことは、図1Bに示す照明光通信装置16Bについても同様である。
次に、図3〜図6を参照して、通信信号の信号配列に応じて基準源42の基準値を変更する制御を行う制御回路44の構成についてより詳しく説明する。すなわち、制御回路44は、通信信号のうちのn(nは2以上の整数)ビットデータをシフトしながら保持するシフトレジスタを有し、当該nビットデータに基づいて通信信号の部分的なオン・デューティ比を算出し、算出した部分的なオン・デューティ比に応じて基準値を決定する構成例について説明する。
図3は、図1における制御回路44および信号発生回路SGの構成例を示すブロック図である。同図において制御回路44は、シフトレジスタ44a、演算部44b、補正部44c、換算部44dおよび基準値設定部44eを備える。
シフトレジスタ44aは、信号発生回路SGが発生する通信信号のうちのn(nは2以上の整数)ビットデータをシフトしながら保持する。
演算部44bは、シフトレジスタ44aに保持されたnビットデータに基づいて通信信号の部分的なオン・デューティ比を算出する。部分的なオン・デューティ比は、例えば、(i)直近のオフ期間(ビット0が連続する期間)と、当該オフ期間の直前のオン期間(ビット1が連続する期間)とを合わせた期間に対する当該オン期間の割合でよい。あるいは、部分的なオン・デューティ比は、(ii)通信信号のうちの直近のnビットの移動平均値で代用してもよいし、nビット中の所定ビット数の移動平均値でもよい。
演算部44bは、部分的はオン・デューティ比として移動平均値を求める場合は、シフトレジスタ44aのnビットに対して単純に加算平均を求めればよい。
補正部44cは、演算部44bに算出された部分的なオン・デューティ比に対して補正を行う。上記の(i)(ii)等の算出方法が異なれば、算出結果も異なるので、補正部44cにより補正する。
換算部44dは、補正後の部分的なオン・デューティ比を、対応する適切な基準値に換算する。つまり、換算部44dは、補正後の部分的なオン・デューティ比に応じて適切な基準値を決定する。
基準値設定部44eは、決定された基準値を基準源42に設定する。つまり、基準値設定部44eは、決定された基準値を基準源42が出力するように、基準源42を制御する。
次に信号発生回路SGの構成例について説明する。
図3において信号発生回路SGは、判断部44f、待機制御部44gおよび駆動部44hを備える。
判断部44fには、制御部19から通信信号が入力される。この通信信号は、照明装置10のIDを繰り返し含むものであってもよいし、外部からの情報(例えば、商品情報等)を含むものであってもよい。
判断部44fは、制御部19から出力された最新ビットが「1」であるか否かを判別する。もし、最新ビットの直前のビットが0であれば、制御部19から出力された最新ビットによって、光源18の電流波形に立ち上がりエッジが発生することになる。もし、最新ビットの直前のビットが1であれば、制御部19から出力された最新ビットの区間、光源18の導通状態が継続することになる。
待機制御部44gは、判断部44fによって最新ビットが「1」であると判別された場合、当該最新ビットによる断続スイッチSWの駆動、つまり当該最新ビットを断続スイッチSWのゲートに出力する動作を、制御回路44からレディ信号を受信するまで待機させる。この待機は、光源18の電流波形に立ち上がりエッジが発生する前に、電流抑制回路17において、当該立ち上がりエッジの直前の部分的なオン・デューティ比に応じた基準値の設定を完了させるためである。
駆動部44hは、制御回路44からレディ信号を受信したタイミングで、上記の最新ビット「1」を断続スイッチSWのゲートに出力する。
なお、判断部44fは、制御部19から出力された最新ビットが「1」であるか否かを判別する代わりに、制御部19から出力された最新の2ビットが「01」であるか否かを判別、つまり、最新ビットが1でその直前のビットが0であるか否かを判別してもよい。こうすれば、判断部44fは、制御部19から出力された最新ビットによって、光源18の電流波形に立ち上がりエッジが発生するか否かを判別することになる。
続いて、制御回路44の動作例についてより詳細に説明する。
図4は、図1Aにおける制御回路44の処理例を示すフローチャートである。図4において、照明装置10における可視光通信の開始時(例えば、照明装置10の起動時)に、制御回路44は、まず、シフトレジスタ44aを初期化(例えばリセット)し(ステップS10)、基準源42の基準値を初期値に設定する(ステップS12)。この初期値は、例えば、通信信号の平均的なオン・デューティ比75%に対応する基準値でよい。
制御回路44は、制御部19がシリアルに発生する通信信号の1ビットをシフトレジスタ44aに入力すると(ステップS14)、入力された1ビットが1であるか否かを判別する(ステップS16)。
入力された1ビットが1であると判別された場合、制御回路44は、シフトレジスタ44aが保持するnビットデータの平均値を、部分的なオン・デューティ比として求める(ステップS18)。この平均値は、シリアルデータである通信信号のnビットを図4のループ処理(ステップS14〜S24)毎にシフトして求める移動平均値である。さらに、制御回路44は、移動平均値を補正し(ステップS20)、補正結果から基準値を求めて当該基準値を基準源42に設定し(ステップS22)、信号発生回路SGにレディ信号を出力する(ステップS24)。このレディ信号の出力により、ステップS14で入力された1ビットが断続スイッチSWのゲートに出力される。ステップS22において、補正を加えた移動平均値の値から電流抑制回路17の電流設定値および基準値を求めるのは、例えば、予め記憶された数値テーブルを参照することによって実行できる。この数値テーブルは、例えば、補正後の移動平均値と基準値を対応させたテーブルでよい。
次に、図5を参照して、シフトレジスタ44aの構成例について説明する。図5は、制御回路44内のシフトレジスタ44aの構成例を示す説明図である。図5では、8ビットのシフトレジスタ44aを例示している。このシフトレジスタ44aは、1ビットデータを入力するためのシリアルイン端子と、8ビットデータを出力するためのパラレルアウト端子と、1ビットデータを出力するためにシリアルアウト端子とを有している。保持される8ビットデータにおいて、シリアルイン端子側から順にビットb1、b2、・・・、b8と呼ぶ。ビットb1は、制御部19から出力された最新ビットである。シリアルイン端子から最新ビットがビットb1に入力されるタイミングでは、断続スイッチSWのゲートにはビットb2が入力されている。ビットb1が断続スイッチSWのゲートに出力されるのは、図4のステップS24のレディ信号が出力されたタイミングである。
次に、図6を参照して、図4のステップS20における補正の具体例について説明する。
図6は、図4のステップS20の補正例を示すフローチャートである。ステップS18で移動平均値が求められたとき、シフトレジスタ44aの最新ビットb1は、ステップS16において判別されたように、1である。図6において、制御回路44は、まず最新ビットb1の直前のビットb2が0であれば(ステップS30でYES)、移動平均値に係数k1を掛け(ステップS32)、さらにビットb2の直前のビットb3が0であれば(ステップS33でYES)、もう一度係数k1を掛ける(ステップS34)。つまり、制御回路44は、シフトレジスタ44aの末尾から1ビット目b1が1であり、かつ、2ビット目b2以降が1ビット以上連続する0である場合、移動平均値に1より小さい係数k1を、連続する0のビット数と同じ数だけ累乗する。ここで、係数k1は、例えば0.9でよい。
他方、ステップS30でNOの場合、制御回路44は、ビットb3が1であれば(ステップS36でYES)、移動平均値に係数k2を掛け(ステップS38)、さらにビットb4が1であれば(ステップS40でYES)、もう一度係数k2を掛ける(ステップS42)。つまり、制御回路44は、シフトレジスタ44aの末尾から1ビット目b1が1であり、かつ、2ビット目b2または3ビット目b3ビット以降に1ビット以上連続する1である場合、移動平均値に1より大きい係数k2を、ビットb2またはb3以降に連続する1のビット数と同じ数だけ累乗する。ここで、係数k2は、例えば1.03でよい。
このような補正によって、想定されるデータ配列すべてにおける移動平均値を、概ね0.5〜0.9の範囲に収めることができる。上記の補正方法はあくまで一つの事例であり、必要なダイナミック性に応じた選択が必要である。特に掛け合わせる係数は、用いられるデータ伝送形式や電源回路条件などによって変わるので、実際の条件に応じて適宜設定される。
このような構成により、光源18を流れる電流にオーバーシュートが発生するのをより適切に抑制することができる。
図7は、通信信号の変調方式を示す説明図である。図7は、照明光通信装置に用いられる変調信号形態の事例を示す。同図は、JEITA−CP1223で規定されているI−4PPM(I-4 Pulse Position Modulation:4値パルス位置変調)伝送方式に準拠する。例えば、2ビットデータ「00」の4PPM信号は、4スロットからなる1シンボル期間において「1000」と変調される。つまり、4つのスロット中の1スロットにパルスが現れる。可視光通信では、4スロット中の3スロットを点灯させて点灯時間を確保するために、反転4PPM信号が用いられることが多い。同図の通信信号は、反転4PPM信号に変調された信号である。この場合、通信信号のハイレベルは、断続スイッチSWをオンにして光源18を点灯させる。また、通信信号のローレベルは、断続スイッチSWをオフにして光源18を消灯させる。例えば、1スロットが104.167usec(=1/9.6kHz)で、4スロット分(416usec)で1シンボル(ここでは1シンボルは2ビット)を形成している。I−4PPM信号は論理値0、1の二値で構成され、4スロット中の1スロットに論理値1が立つデータ配列となる。信号発生回路SGが発生する通信信号は、この論理値を反転した反転4PPM信号である。反転4PPM信号は、4スロットのどこに負のパルスが立つかでデータを変調するもので、1シンボルの4スロット分を見る限りオン・デューティ比は75%である。しかし、シンボルの区切りを無視すれば信号配列のパターンは多岐にわたり、部分的なオン・デューティ比も多岐にわたることが分かる。図8はその一例を示す。
図8は、通信信号の事例(a)〜(d)を示す図である。同図の4シンボル分のデータのうち、通信信号のローレベルからハイレベルへの立ち上がりの直前のオフ期間およびオン期間に○印を付加してある。○印で囲った部分的なデータを見れば、部分的なオン・デューティ比は、例えば、直近のオフ期間と、当該オフ期間の直前のオン期間とを合わせた期間(直近の1周期)における当該オン期間の割合と定義できる。図8の事例(a)では直近の1周期の周波数は1.2kHz、部分的なオン・デューティ比75%になっている。事例(b)では4.8kHz、50%、事例(c)では3.2kHz、66.7%、事例(d)では2.4kHz、75%になっている。このように通信信号を構成する4PPM信号における理論値1の位置および数を変えることによって、断続スイッチSWのオン・デューティ比を変更することができる。
次に、信号発生回路SGからの通信信号の部分的なオン・デューティ比に応じて、電流抑制回路17の最適電流設定値について説明する。本実施形態における照明装置10の前提としている定電流発生装置12は、既に説明したように定電流フィードバック機能を有している。典型的な事例としては、図1Aに示したような増幅器を用いた定電流フィードバック回路26が挙げられる。通常、フィードバック系の安定度を確保するための位相補償回路が付加される。このような位相補償回路には、一巡伝達関数における利得と位相を調整するために積分要素を含む補償回路が用いられ、PI制御、或いはPID制御として知られている。この様な位相補償回路は、換言すれば出力の平均値を一定に制御する手段であると言える。この点を踏まえた上で、図9は、断続されたLED電流の理想的な波形を示す説明図である。図9に示したLED電流の断続波形を見ると、この波形の平均値Iaveは次式(1)で表される。
Iave=Ip×d/100 (1)
ここでIpは、LED電流のピーク値である。dは、オン・デューティ比であり、100×Ton/T(%)で表される。
上記平均値Iaveは、定電流フィードバック機能により、断続しない場合の平均電流と同じになるように制御され、オン・デューティ比が変わっても一定値になるように制御される。すなわちオン・デューティ比が小さくなると、Iaveが一定値になるようにピーク値Ipが大きくなる。このピーク値Ipを電流抑制回路17の電流設定値とすれば、LED電流波形は矩形波になってオーバーシュートを除去できるとともに、電流抑制回路17の損失も抑制できる、いわゆる最適電流設定値が得られる((2)式参照)。
最適電流設定値=Iave/d/100 (2)
ここで、Iaveは、断続を加えない場合のLED平均電流である。
図10は、断続しない場合のLED平均電流を240mAとした条件で、(2)式を用いて部分的なオン・デューティ比毎の最適電流設定値を求めたものである。図10に示すように、最適電流設定値は、オン・デューティ比に反比例するように変化している。このように通信信号のオン・デューティ比に応じて、電流抑制回路17で最適電流設定値を設定すれば、LED電流のオーバーシュートを抑制し、かつ、照明光を変調していないときの照明光の明るさと、照明光を変調しているときの照明光の明るさとを、人の見かけ上ほぼ同等にすることができる。また、オン・デューティ比を75%(すなわち最適電流設定値320mA)に設定した場合、LED電流のオーバーシュートを効果的に抑制でき、かつ、電流抑制回路17における電力損失を低減できることが、シミュレーション結果から確認することができた。
次に、図11A〜14を参照して、本実施形態の照明光通信装置16の制御部19におけるオン・デューティ比の制御について説明する。図11Aは、直流点灯モードと変調モードとの間に設定された移行期間でオン・デューティ比を徐々に変化させる様子を示す図である。
図11Aに示すように、光源18が直流点灯モードで点灯するB期間と、光源18が変調モードで点灯するA期間との間に、移行期間が設定されている。この移行期間は、電流抑制回路17(すなわち光源18)に流れる電流が変化する電流変化期間に相当する。ここで、直流点灯モードとは、断続スイッチSWをオンしたままの状態とし、定電流発生装置12から供給される直流電流によって光源18を点灯状態とする点灯モードである。したがって、この直流点灯モードでの断続スイッチSWのオン・デューティ比d1は100%である。
これに対し、変調モードは、信号発生回路SGからの通信信号に応じて断続スイッチSWがオン・オフ制御されることで、光源18による照明光が変調されて固有のID等の情報が重畳された点灯モードである。この変調モードのオン・デューティ比d2は、例えば、75%に設定される(図8の事例(d)参照)。
直流点灯モードであるB期間において光源18を流れる電流(以下、LED電流という)の平均電流Iaveは、例えば240mAで一定である。これに対し、直流点灯モードであるB期間から変調モードであるA期間に切り替わるとき、上述した電流抑制回路17の機能によってLED電流のオーバーシュートは抑えられるが、オン・デューティ比d2が直流点灯モード時のオン・デューティ比d1よりも小さく設定されることから、変調モード時におけるLED電流のピーク値Ipは上記(1)式から次のように算出できる。
Ip=Iave/d=Iave/0.75=1.33×Iave
このように変調モードでは、光源18を流れるピーク電流Ipが1.33倍に大きくなる。具体例として、直流点灯モード時のLED電流が240mAとしたとき、変調モード時のピーク電流Ip=約319mAとなる。このことは、図10に示すように、オン・デューティ比が75%のとき、電流抑制回路17における電流設定値が320mAに設定されることに合致する。ただし、上述したように本実施形態の照明装置10ではLED平均電流Iaveが例えば約240mAで一定となるように制御されるため、光源18の照明光の光強度は直流点灯モード時とほぼ同じになることは上述した通りである。
上記のように直流点灯モードであるB期間から変調モードであるA期間に切り替わるときに光源18を流れるピーク電流Ipが大きく(例えば、1.33倍)になるため、この切り替わり時に照明光がちらつくように人の目に感じることがある。
そこで、このようなちらつきの発生を抑制するため、本実施形態の照明装置10では、光源18の点灯状態が直流点灯モードと変調モードとの間で切り替わるときに移行期間を設定し、この移行期間に断続スイッチSWのオン・デューティ比を徐々に変化させる制御を実行する。より詳しくは、光源18の点灯状態が直流点灯モード(B期間)から変調モード(A期間)に切り替わるとき、制御部19は、断続スイッチSWのオン・デューティ比をd1からd2に漸減させる。これとは逆に、光源18の点灯状態が変調モード(A期間)から直流点灯モード(B期間)に切り替わるときには、制御部19は、断続スイッチSWのオン・デューティ比をd2からd1に漸増させる。このとき、制御部19は、オン・デューティ比をd1とd2との間で所定値Δd(例えば、5%)ずつ漸減または漸増させるのが好適である。
移行期間の時間的長さは、例えば、0.5秒〜数秒程度に設定されるのが好適である。0.5秒よりも短くなると、ちらつき抑制効果が低くなり、他方、数秒よりも長くなると、例えば、照明器具14の製造時における検査時間が長く必要になるという不都合が生じるからである。
上記のように移行期間を設定して断続スイッチSWのオン・デューティ比を徐々に変化させることで、直流点灯モードと変調モードとの切り替わり時におけるちらつきの発生を抑制することができる。
なお、図11Aにおいては、直流点灯モードと変調モードが交互に切り替えられる場合が例示されるが、これに限定されるものではなく、直流点灯モードから変調モードに一旦移行した後は、変調モードによる点灯状態が継続されてもよい。
図11Bは、第1変調モードと第2変調モードとの間に設定された移行期間でオン・デューティ比を徐々に変化させる様子を示す図である。図11Bでは、オン・デューティ比d2の第1変調モードがA期間として示され、オン・デューティ比d1の第2変調モードがB期間として示されている。ここで、オン・デューティ比d1は、オン・デューティ比d2よりも大きい。
図11Bに示すように、第1変調モードから第2変調モード、あるいは、この逆に切り替わるとき、その間に移行期間を設定してオン・デューティ比を徐々に変化させてもよい。
より詳しくは、第1変調モード(A期間)から第2変調モード(B期間)に切り替わるとき、移行期間ではオン・デューティ比をd2からd1に漸増させる。これとは逆に、第2変調モード(B期間)から第1変調モード(A期間)に切り替わるとき、移行期間ではオン・デューティ比をd1からd2に漸減させる。ただし、第1変調モードおよび第2変調モードでは、移行期間も含めて、光源18に流れる平均電流Iaveは一定に維持される。
このように平均電流Iaveを一定に維持しながらオン・デューティ比が異なる第1変調モードおよび第2変調モード間で切り替える場合に、オン・デューティ比を徐々に変化させることによって、変調モード切替時におけるちらつき発生を抑制することができる。
図12は、照明装置10の起動時に設定された移行期間でオン・デューティ比を徐々に変化させる様子を示す図である。本実施形態の照明装置10では、定電流発生装置12が起動された後に変調モード(B期間)が開始される直前に移行期間が設定され、この移行期間において断続スイッチSWのオン・デューティ比を漸減させてもよい。
より詳しくは、図12に示すように、照明装置10に電源が投入され、定電流発生装置12が起動されたとき、A期間においてLED電流は次第に上昇し、電源投入時から時間t1が経過した時点でLED電流が平均電流Iaveに到達する。このA期間における断続スイッチSWのオン・デューティ比はd1(例えば、100%)に設定さている。その後、時間t1と時間t2間が移行期間に設定され、この間にオン・デューティ比がd1からd2(例えば、75%)に漸減される。そして、移行期間が経過した後、オン・デューティ比はd2に設定され、光源18の点灯状謡が変調モード(B期間)になる。変調モードに移行した後も、LED電流は平均電流Iaveで一定に維持される。
図12に示す例においても、移行期間の時間長さやオン・デューティ比の変化のさせ方は上述した図11Aの場合と同様に設定することができる。このように、照明装置10が起動された後に変調モードが開始される直前に移行期間を設定し、この移行期間において断続スイッチSWのオン・デューティ比をd1からd2に漸減させることで、変調モード開始時のちらつき発生を抑制できる。
なお、図12では、LED電流が平均電流Iaveに到達すると直ぐに移行期間を開始する例について説明したが、これに限定されるものではなく、LED電流が平均電流Iaveで安定するのを待って移行期間を開始してもよい。
図13は、照明装置10の駆動停止時に設定された移行期間でオン・デューティ比を徐々に変化させる様子を示す図である。図13に示すように、定電流発生装置12が停止されて変調モードが終了した直後に移行期間が設定され、制御部19は、移行期間において断続スイッチSWのオン・デューティ比を漸増させてもよい。
より詳しくは、変調モードによる点灯状態が時間t3の時点まで継続され(A期間)、時間t3で照明装置10(すなわち定電流発生装置12)の停止指令が入力された場合、時間t3と時間t4との間に移行期間が設定される。この場合、制御部19は、図示しないスイッチ等がオフ操作されたことを示す信号が無線または有線を介して入力されることで移行期間の開始時(時間t3)を設定できる。この移行期間の間に断続スイッチSWのオン・デューティ比がd2(例えば、75%)からd1(例えば、100%)に漸増される。この移行期間中は、LED電流は平均電流Iaveで一定のままである。そして、移行期間が経過した後、オン・デューティ比はd1に固定され、その状態でLED電流が低下し、やがてゼロ(すなわち消灯状態)になる。
図13に示す例においても、移行期間の時間長さやオン・デューティ比の変化のさせ方は上述した図11Aの場合と同様に設定することができる。このように、定電流発生装置12が停止されて変調モード(A期間)が終了した直後に移行期間が設定され、制御部19が、この移行期間においてスイッチのオン・デューティ比を漸増させることで、変調モード終了時のちらつき発生を抑制できる。
なお、上記においては、照明装置10の停止信号の入力と同時に移行期間を開始する例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、制御部19がスイッチ等のオフ操作による停止信号を得ることができない場合には、LED電流を図示しない電流センサで検出し、LED電流が平均電流Iaveから低下し始めたときに移行期間を開始してもよい。
図14Aは、光源の光強度が異なる第1調光状態と第2調光状態との間に設定された移行期間でオン・デューティ比を徐々に変化させる様子を示す図である。図14Aに示すように、移行期間は、光源18を流れる平均電流Iaveが互いに異なる第1調光モード(A期間)と第2調光モード(B期間)との間で切り替わるときに設定される。そして、制御部19は、移行期間において断続スイッチSWのオン・デューティ比を一旦漸増させてから漸減させてもよい。
より詳しくは、時間t5の時点までLED平均電流Iave1の変調モードでの第1調光状態(A期間)で点灯している。そして、時間t5で、定電流発生装置12および照明光通信装置16がリモートスイッチRS(図1参照)からの調光信号LASを受信すると、制御部19は、移行期間を設定する。この移行期間では、制御部19は、断続スイッチSWのオン・デューティ比をd2(例えば、75%)からd1(例えば、100%)に一旦漸増させた後にd1からd3(例えば、66.7%)に漸減させる。また、この移行期間の間に、定電流発生装置12の出力を変更させることによって、LED平均電流がIave1からIave2に漸減する。そして、時間t6から時間t7の間では、LED平均電流がIave2でオン・デューティ比がd3の変調モードでの第2調光状態が継続される。
その後、時間t7でリモートスイッチRS(図1参照)からの調光信号LASを受信すると、制御部19は、オン・デューティ比をd3からd1に一旦漸増させた後、d1からd2に漸減させる。そして、時間t8以降は、LED平均電流がIave1でオン・デューティ比がd2の変調モードでの第2調光状態が継続される。
このように、光源18の光強度が異なる第1調光状態(A期間)と第2調光状態(B期間)との間に設定された移行期間でオン・デューティ比を一旦漸増させてから漸減させることで、調光状態が切り替わる際のちらつきの発生を抑制することができる。
図14Bは、図14Aにおいて、第1調光状態と第2調光状態とで変調モードのオン・デューティ比が同一である場合を示す図である。図14Aでは、第1調光状態(A期間)と第2調光状態(B期間)とで断続スイッチSWのオン・デューティ比が異なる場合について例示したが、これに限定されるものではない。図14Bに示すように、第1調光状態のオン・デューティ比d2と第2調光状態のオン・デューティ比d3とが同一(例えば、75%)であってもよい。これによっても同様の作用効果を奏することができる。
なお、本開示に係る照明光通信装置、照明器具、および、照明装置は、上述した実施形態およびその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項の範囲内において種々の変更や改良が可能であることはいうまでもない。
10,10A 照明装置、11 ショート線、12 定電流発生装置、14 照明器具、16,16B 照明光通信装置、17 電流抑制回路、18 光源、19 制御部、20 整流ブリッジ、22,34 コンデンサ、24 DC−DCコンバータ、25 平滑コンデンサ、26 定電流フィードバック回路、27 検出抵抗、28,38 入力抵抗、30,40 増幅器、32,38 抵抗、35 基準電圧源、36 トランジスタ、42 基準源、44 制御回路、d1,d2,d3 オン・デューティ比、Iave,Iave1、Iave2 平均電流、Ip ピーク電流、LAS 調光信号、RS リモートスイッチ、SG 信号発生回路、SW 断続スイッチ、T1,T2 端子。

Claims (10)

  1. 定電流発生装置から電流が流れることによって照明光を発する光源に接続され、前記光源の照明光を変調する照明光通信装置であって、
    前記光源と直列に接続されるスイッチと、
    前記照明光を変調するために前記スイッチのオンおよびオフを制御する二値の通信信号を発生する信号発生回路と、
    前記光源および前記スイッチと直列に接続され、基準値に対応する電流設定値を超えないように、前記光源に流れる電流を抑制する電流抑制回路と、
    前記通信信号を介して前記スイッチのオン・デューティ比を変更可能な制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記電流抑制回路を流れる電流が変化する移行期間において前記スイッチのオン・デューティ比を徐々に変化させる、ことを特徴とする照明光通信装置。
  2. 前記信号発生回路の機能と前記電流抑制回路の機能とを兼用した兼用制御回路を備えることを特徴とする、請求項1に記載の照明光通信装置。
  3. 前記移行期間は、前記光源に流れる平均電流は一定であるが前記オン・デューティ比が互いに異なる第1変調モードと第2変調モードとの間で切り替わるときに設定され、前記制御部は、前記移行期間において前記スイッチのオン・デューティ比を徐々に変化させることを特徴とする、請求項1または2に記載の照明光通信装置。
  4. 前記光源の点灯状態が直流点灯モードから変調モードに切り替わるときに前記移行期間が設定され、前記制御部は、前記移行期間において前記スイッチのオン・デューティ比を漸減させること特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の照明光通信装置。
  5. 前記光源の点灯状態が変調モードから直流点灯モードに切り替わるときに前記移行期間が設定され、前記制御部は、前記移行期間において前記スイッチのオン・デューティ比を漸増させること特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の照明光通信装置。
  6. 前記定電流発生装置が起動された後に前記変調モードが開始される直前に前記移行期間が設定され、前記制御部は、前記移行期間において前記スイッチのオン・デューティ比を漸減させることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の照明光通信装置。
  7. 前記定電流発生装置が停止されて前記変調モードが終了した直後に前記移行期間が設定され、前記制御部は、前記移行期間において前記スイッチのオン・デューティ比を漸増させることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の照明光通信装置。
  8. 前記移行期間は、前記光源に流れる平均電流が互いに異なる第1調光状態と第2調光状態との間で切り替わるときに設定され、前記制御部は、前記移行期間において前記スイッチのオン・デューティ比を一旦漸増させてから漸減させることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の照明光通信装置。
  9. 請求項1〜8のいずれか一項に記載の照明光通信装置と、前記光源と、を備える照明器具。
  10. 請求項9に記載の照明器具と、前記定電流発生装置とを備える照明装置。
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