JP4607742B2 - フォトカプラの制御装置及びフォトカプラの制御方法 - Google Patents

Description

本発明はフォトカプラに関し、特にフォトカプラの電流伝達比（ＣＴＲ：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｒａｔｉｏ）の変動を自動的に補正するための制御を行なうフォトカプラの制御装置及びフォトカプラの制御方法に関する。

従来、電力線に接続される種々の低電圧機器、たとえば、自動検針（ＡＭＲ）システム、電力線モデム、ホーム・オートメーション／コントロ−ル、警備・監視システム、汎用絶縁トランシーバ（送受信機）、インターネット機器など、が広く利用されている。これら低電圧回路には、本来の信号送受信や信号処理の機能に加えて、電力線からの高電圧、高雑音に対処する共通の機能が不可欠である。以下では本発明の理解に十分と考え、汎用絶縁トランシーバ（送受信機）について説明するが、他の前記低電圧機器やその回路等にも適用できる考えが説明されていることは当業者に容易に理解できよう。

汎用絶縁トランシーバを電力線に接続する先端部分であるアナログ・フロント・エンド（ＡＦＥ：Ａｎａｌｏｇ Ｆｒｏｎｔ Ｅｎｄ）回路は最も過酷な環境にあり、特に電力線からの高圧が低電圧機器に及ばないように、電力線側と低電圧機器側とを絶縁する絶縁手段が設けられる。典型的なＡＦＥには、送信フィルタ、送信ライン・ドライバ（増幅器）、結合変圧器（絶縁変圧器）、結合コンデンサ、受信フィルタ、受信増幅器及びサージ保護装置などが含まれる。このように、絶縁手段としては、絶縁変圧器（アイソレーション・トランスフォーマー）が多用されていた。しかしながら、絶縁変圧器が比較的大きく、また、絶縁変圧器を用いたこれらＡＦＥでは、個別部品が多く、したがってＡＦＥが大型となり、機器の小型化への妨げとなり、また、価格も高く、取扱いも不便であるという問題があった。

一方、高電圧回路と低電圧回路の絶縁を行なうための光結合素子（オプトカプラあるいはフォトカプラ）を用いて、絶縁変圧器を除去し、あわせて回路素子を集積して小型化を進め、低価格化を図る努力がなされてきた。たとえば、非特許文献１に記載の米国アジレント・テクノロジー・インクから市販されているＡｇｉｌｅｎｔ ＨＣＰＬ−８００Ｊ ＤＡＡ(Ｄａｔａ Ａｃｃｅｓｓ Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ；以下、「データ・アクセス装置」と称し、また「ＤＡＡ」と略称する。)は、市販のＰＬＭ（電力線モデム）トランシーバ／ＥＮＤＥＣ（エンコーダ‐デコーダ）ＩＣ（集積回路）に直接接続できるＩＣである。該ＤＡＡは、送信フィルタ、結合コンデンサ、受信フィルタ、サージ保護装置などを外付けして電力線に接続される。

図１は、上記ＤＡＡ１０の簡易化したブロック図である。ＤＡＡ１０は低圧側の制御ＩＣと高圧側のラインＩＣとが光結合素子を介して対向した構成になっている。制御ＩＣとラインＩＣはそれぞれ別の電源で駆動されている。信号ＴＸ−ＥＮにより送信モードに設定されると、モデムの変調器からの送信信号（ＴＸ−ＩＮ）が、入力増幅器とＬＥＤドライバの縦続回路である送信増幅器／ドライバ２に入力され、発光素子Ｄ１により光信号に変換される。次いで、該光信号は絶縁部（図の点線で表す。）を介して受光素子Ｐ２により検出される。受光素子Ｐ２の出力電流は送信伝達インピーダンス増幅器（ＴＸ―ＴＩＡ）３により増幅されフィルタ（不図示）、スイッチ（Ｈｉ−Ｚ ＳＷ）５を介して送信出力信号（ＴＸ−ＯＵＴ）として出力される。一方、受信入力信号（ＲＸ−ＩＮ）は受信増幅器／ドライバ７により増幅された後発光素子Ｄ２により光信号に変換され、絶縁部（図の点線で表す。）を介して受光素子Ｐ１により検出される。受光素子Ｐ１の出力電流は受信伝達インピーダンス増幅器（ＲＸ―ＴＩＡ）８により増幅され受信出力信号（ＲＸ−ＯＵＴ）として出力される。また、ラインＩＣ側の電源電圧等の情報が状態論理回路６を介して制御ＩＣ側に送信され、状態検出回路９により検出され出力される。

図１のＤＡＡ１０では、モデムの変調器からの送信信号ＴＸ−ＩＮの変動やＤＡＡ１０自身の温度特性や経時特性あるいは製造時の部品間偏差等による送信出力信号（ＴＸ−ＯＵＴ）の変動を補正するため、ＡＧＣ回路４を設けている。ＡＧＣ回路４は送信伝達インピーダンス増幅器（ＴＸ―ＴＩＡ）３の出力を検出して該増幅器３に帰還し該増幅器３の増幅率を変化させて該出力が所定の振幅（たとえば３Ｖ_PK-PK）となるように制御している。ＤＡＡ１０自身による送信出力信号（ＴＸ−ＯＵＴ）の変動の原因の多くは発光素子Ｄ１と受光素子Ｐ２が（あるいは発光素子Ｄ２と受光素子Ｐ１が）構成する光結合器の電流伝達比（ＣＴＲ：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｒａｔｉｏ）、すなわち、発光素子の発光効率と受光素子の受光効率の積の変動にある。

図１のＤＡＡ１０のＡＧＣ回路４による送信出力信号のピーク値の制御では、一定振幅の信号が送信され周波数変調、位相変調、パルス変調などではうまくゆくが、振幅や振幅の包絡線が変動する、振幅の変動に情報が載っている振幅変調や他の方式（ＯＦＤＭ、ＤＳＢ、ＳＳＢ、マルチキャリア、ＡＳＫ，ＱＰＳＫ等）では、増幅率を変化させる制御の速度と変調速度が近づくと変調波に無視できない歪を生じることがある。そこで、特許文献１に記載の受光回路では、受光素子の動作点制御回路を設け、受光素子の動作点を不飽和領域内に置き、所要の変換利得を得るために動作点を移動させて変換利得と動作点の安定を実現する装置を開示する。
Agilent HCPL-800J Application Note 5074 (ｈｔｔｐ：／／ｃｐ．ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ．ａｇｉｌｅｎｔ．ｃｏｍ／ｌｉｔｗｅｂ／ｐｄｆ／５９８９−１２４２ＥＮ．ｐｄｆ； ２００４−０７−２５更新） 特開平９−２６０７１２号公報

上記非特許文献１に記載の出力信号の変動を小さくする補償方法では、送信側での振幅一定の信号に対する補正のみが可能で、当然受信側の変動の補償を行なうことができないし、また、特許文献1に記載の補償方法では、受信側においてのみ、可変振幅の信号に対する補償も可能であるが、当然送信側の変動の補償はできない、という問題がある。

従って、本発明の目的は、上記の課題を解決あるいは軽減することにあり、所望の変調方式の信号に対して送受信経路の一方あるいは双方の全体にわたって、精度の高い電流伝達比の変動の補償を容易に行なえる簡易なフォトカプラの制御装置と制御方法とを提供することである。なお、本発明の記載において、発光素子を含む光送信機、及び該光送信機から前記発光素子の発光に基づいて送信された光信号を受信する光検出素子を含む光受信機を含んでフォトカプラと称する。

本発明の別の目的は、アナログ波形が通過するフォトカプラの電流伝達比の変動を補償してフォトカプラの増幅率を一定にすることである。

本発明のさらに別の目的は、電力線通信における送信受信の切り替えのように頻繁に切り替えが起きても、送受信波形に対する増幅率を一定に維持しやすくすることである。

上記課題を解決するためのフォトカプラの制御装置のひとつは、発光ダイオードなどの発光素子を含む光送信機、及び該光送信機から前記発光素子の発光に基づいて送信された光信号出力を受信する光検出素子を含む光受信機を一体に備える。そして、前記光送信機からの光信号出力の送信の開始前に、前記発光素子の最大出力及び最小出力となる発光を生ぜしめ、前記最大出力及び前記最小出力の差を基に前記フォトカプラの増幅率を決定することを特徴とする。

前記発光素子による前記最小出力の発光は、前記最大出力の発光の直後に連続して行なわれるよう構成するのがよい。また、前記最大出力の発光と前記最小出力の発光の連続を複数回繰り返してもよい。

また、前記信号送信の開始前に、前記光検出素子が所定の強度を超えた前記光信号を前記光受信機が受光したときに、該光信号が前記最大出力による信号出力であること、及び前記光信号に続いて受光した比較的強度の小さな前記光信号が前記最小出力による信号であることを識別できるようにするトリガ検知手段を備えるようにしてもよい。

さらに、前記制御装置は、少なくとも一部が前記フォトカプラと一体のＩＣ装置を構成してもよい。

上記課題を解決するためのフォトカプラの制御方法では、フォトカプラが、発光素子を含む光送信機、及び該光送信機から前記発光素子の発光に基づいて送信された光信号を受信する光検出素子を含む光受信機を一体に備え、前記光送信機からの信号送信の開始前に、前記発光素子の最大出力及び最小出力となる発光を生ぜしめる工程と、前記最大出力及び前記最小出力の差を基に前記フォトカプラの増幅率を決定する工程とを有することを特徴とする。

そして、前記発光素子による前記最小出力の発光は、前記最大出力の発光の直後に連続して行なうのがよい。また、そのような連続を複数回繰り返してもよい。

また、前記信号送信の開始前に、前記光検出素子が所定の強度を超えた前記光信号を前記光受信機が受光したときに、該光信号が前記最大出力による信号出力として識別する工程と、前記光信号に続いて受光した比較的強度の小さな前記光信号が前記最小出力による信号出力であることを識別する工程とを有するようにしてもよい。

上記の課題を解決あるいは軽減する手段により、所望の変調方式の信号に対して送受信経路の全体にわたって、精度の高い電流伝達比の変動の補償を容易に行なえる簡易なフォトカプラの制御装置と制御方法とが提供される。

また、アナログ波形が通過するフォトカプラの電流伝達比の変動を補償してフォトカプラの増幅率が一定にされ、電力線通信における送信受信の切り替えのように頻繁に切り替えが起きても、送受信波形に対する増幅率を一定に維持しやすくなる効果が得られる。その他の本発明の特徴、効果の詳細については、以下の説明から明瞭となる。

以下に記載する本発明の実施形態は、本発明を理解するためのものであり、本発明を実施形態に限定するためのものではない。そのため、装置やその要素の寸法や形状は実際に製造される装置や要素との寸法や形状と特定の幾何学的関係を持つことを意図していない。また、完全に一致するものではないが、本発明の理解に支障がないと考えられる範囲で、同様の機能を発揮する装置やその構成要素には同じ参照番号を付してある。また、以下の実施例の説明では、構成要素を接続する配線や電気，機械的作用要素は発明の理解に必要な範囲のみを記載している。又、従来技術に属する部分の説明は省略されるか簡略化されている。

図２は本発明の１実施例のフォトカプラとその制御装置とＤＡＡ２０の概略を示すブロック図である。以下の説明は、ＤＡＡ２０がモデムと電力線間に設置された場合について述べられるが、他の装置間においてもＤＡＡ２０が使用できることは容易に理解できよう。ＤＡＡ２０は送信側フォトカプラ（２２、Ｄ１、Ｐ２，１３、２５）と受信側フォトカプラ（２７、Ｄ２，Ｐ１，１８，２８）とを有し、制御装置である制御回路２６，２９が制御を行なっている。送信側フォトカプラ（２２、Ｄ１、Ｐ２，１３、２５）は、光送信機となる部分（２２、Ｄ１）と光受信機となる部分（Ｐ２，１３、２５）とを有し、受信側フォトカプラ（２７、Ｄ２，Ｐ１，１８，２８）も、光送信機となる部分（２７、Ｄ２）と光受信機となる部分（Ｐ１，１８、２８）とを有する。ＤＡＡ２０は好ましくは従来のＤＡＡ１０と同様に集積化される。ＤＡＡ２０はモード切替信号ＴＸ−ＥＮの活性(ＯＮ)、非活性(ＯＦＦ)に応じて送信モード、受信モードに設定される。

送信増幅器／ドライバ２２はモデム（不図示）からのモード切替信号ＴＸ−ＥＮが活性となるに応じて、モデムからの送信信号ＴＸ−ＩＮを緩衝増幅し発光ダイオードなどの発光素子Ｄ１を駆動する、発光素子Ｄ１の発光に基づいて送信された光信号出力は光検出素子Ｐ２により電流として検出され該電流は送信ＴＩＡ（送信伝達インピーダンス増幅器）１３により緩衝増幅された後、出力バッファ付減衰器２５を経て送信出力信号ＴＸ−ＯＵＴとなり電力線へ送信される。制御回路２９は送信モードへの切り替えに応じて送信増幅器／ドライバ２２の入力を所定値に所定周期で強制して発光素子Ｄ１の発光が最大出力値と引き続く最小出力値をとるようにし、続く所定の休止期を経てモデムよりの送信信号ＴＸ−ＩＮが送信できるようにする。送信信号ＴＸ−ＩＮは光信号に変換されて光検出素子Ｐ２により電流として検出され、該電流は送信ＴＩＡ（送信伝達インピーダンス増幅器）１３により緩衝増幅される。制御回路２６は、送信ＴＩＡ１３の出力を検出して前記所定値に応じた出力値を決定して、送信増幅器／ドライバ２２から送信ＴＩＡ１３までの増幅率（伝達比）を決定する。該増幅率は発光ダイオード（ＬＥＤ）でよい発光素子Ｄ１とフォトダイオード（ＰＤ）やフォトトランジスタ（ＰＴＲ）でよい受光素子Ｐ１間の電流伝達比（ＣＴＲ）の変動に依存して変動する。そこで、制御回路２６は、出力バッファ付減衰器２５の減衰率を調整して増幅率の変動を補償し、送信信号ＴＸ−ＩＮが一定の所定増幅率で増幅されて送信出力信号ＴＸ−ＯＵＴとなるようにする。なお、出力バッファ付減衰器２５は減衰器を前置して緩衝増幅器を後置するようにして減衰率の精度を高くとることは周知である。また、制御回路２６は従来の状態論理回路のように電源電圧等を検出して受信増幅器／ドライバ２７を介して送信して、制御回路２９により検出出力するようにしてもよい。また、発光の最大出力値と最小出力値とは、送信信号ＴＸ−ＩＮが線形増幅される範囲に設定されるように選ぶべきである。

また、受信増幅器／ドライバ２７はモード切替信号ＴＸ−ＥＮが非活性となるに応じて、受信信号ＲＸ−ＩＮを緩衝増幅し発光ダイオードなどの発光素子Ｄ２を駆動する、発光素子Ｄ２の発光に基づいて送信された光信号出力は光検出素子Ｐ１により電流として検出され該電流は受信ＴＩＡ（受信伝達インピーダンス増幅器）１８により緩衝増幅された後、出力バッファ付減衰器２８を経て受信出力信号ＲＸ−ＯＵＴとなりモデムへ送信される。送信側フォトカプラも受信側フォトカプラもその増幅率の制御については同様であり、以下、送信側について、図３を参照して説明する。図３において横軸は時間ｔを表し、縦軸は振幅を任意尺度で相対表示するものである。

図３において ＤＡＡ２０の受信モード（ＲＸ）におけるモード切替信号（ＴＸ−ＥＮ）３２が非活性(ＯＦＦ)の状態から活性(ＯＮ)の状態に変化するのに応じて（トリガされて）ＤＡＡ２０は送信モード(ＴＸ)となり、発光ダイオード（ＬＥＤ）Ｄ１の発光強度（ＬＯＰ）３４は最大出力値（ＬＯＰｍａｘ）期間３４ａを経て、次に最小出力値（ＬＯＰｍｉｎ）をとる期間３４ｂに至り、モデムが送信信号(ＴＸ−ＩＮ)を立ち上げ変調された信号に対応する発光強度３８をとる期間まで待機消光状態となる。次いで、モード切替信号３２が活性に転じた時点から設定期間Ｔｘｓを経た時点よりモデムが送信信号(ＴＸ−ＩＮ)を立ち上げ変調された信号３８を送出する。送信信号(ＴＸ−ＩＮ)の送出終了か、一定時間の経過に応じて、モード切替信号（ＴＸ−ＥＮ）３２が活性(ＯＮ)の状態から非活性(ＯＦＦ)の状態に変化する。それに応じて、受信側の発光ダイオードＤ２の発光が同様に制御されてもよい。

ＬＥＤ Ｄ１の発光強度３４の期間３４ａ、３４ｂ、３４ｃに応じて、送信ＴＩＡ１３の出力（ＩＰＤ）３６は出力強度がＩＰＤｍａｘの期間３６ａ、ＩＰＤｍｉｎの期間３６ｂ、無信号の期間３６ｃをとり、変調された信号３８に応じて変調された信号３９を生ずる。制御回路２６は、出力３６を測定し、所定のレベル以上で所定の幅を超える幅を有する出力パルスを期間３６ａに対応する出力（あるいはその積分値）をＩＰＤｍａｘとし、また該期間３６ａの終了でトリガされて所定期間内にサンプルされた、あるいは積分された、出力３６を期間３６ｂに対応する出力ＩＰＤｍｉｎをあらわすものとして、ＩＰＤｍａｘとＩＰＤｍｉｎを記憶する。そして、ＩＰＤｍａｘ―ＩＰＤｍｉｎを算出して、所定の増幅率に対応する値ＩＰＤｓとの比を求める。減衰器の設定をＩＰＤｓ／（ＩＰＤｍａｘ―ＩＰＤｍｉｎ）とする。

あるいは、期間３６ａと期間３６ｂとを同じに取り、期間３６ａと期間３６ｂとで入力を反転して積分する積分器により出力（ＩＰＤ）３６を期間３６ａ＋期間３６ｂの間積分すれば雑音による影響の少ないＩＰＤｍａｘ―ＩＰＤｍｉｎがえられる。そのほかの種々の工夫が周知であろう。

図４は、本発明が適用される別の実施例のＤＡＡ４０の概略ブロック図である。図２におけるＤＡＡ２０と同様の構成部品には同じ参照番号が付されており、ここでは説明を省略する。ＤＡＡ４０においても、送信側と受信側は同様の動作をするのであり、送信伝達インピーダンス増幅器（ＴＸ―ＴＩＡ）４３と受信伝達インピーダンス増幅器（ＲＸ―ＴＩＡ）４８は同様の機能と性能を有する。また、制御回路４６が電源電圧のような状態パラメータを検出して送信し、制御回路４９が該パラメータを検出出力するようにもできる。しかし、ＤＡＡ２０と異なりＤＡＡ４０には出力バッファ付減衰器２５、２８がなく、図１の従来技術におけるＴＸ−ＴＩＡ３ように、可変増幅度を有する構成のＴＸ―ＴＩＡ４３の増幅度を設定するようにしたものである。

ＤＡＡ２０においてもＤＡＡ４０においても、送信出力信号ＴＸ−ＯＵＴを図１におけるように、スイッチを介して出力するようにして、期間Ｔｘｓの間は出力をしないようにしてもよい。ＤＡＡ２０においてもＤＡＡ４０においてもＤＡＡ１０と同様に集積化が可能であり、低圧側と電力線側をそれぞれもモノリシック集積回路として形成した後それらをひとつのダイに集積してもよい。

図５は、本発明の一実施例である、発光素子を含む光送信機、及び該光送信機から前記発光素子の発光に基づいて送信された光信号を受信する光検出素子を含む光受信機を一体に備えるフォトカプラの制御方法を表すフローチャート５０である。工程５２では、光送信機からの信号送信の開始前に、発光素子の最大出力及び最小出力となる発光を生ぜしめる。工程５４では、最大出力及び前記最小出力の差を基にフォトカプラの増幅率を決定する。

図６は、図５に示す方法とは別の本発明の一実施例である、発光素子を含む光送信機、及び該光送信機から前記発光素子の発光に基づいて送信された光信号を受信する光検出素子を含む光受信機を一体に備えるフォトカプラの制御方法を表すフローチャート６０である。工程６２において、光送信機からの信号送信の開始前に、光送信機が発光素子の発光を最大出力とする。工程６４において、光受信機の光検出素子が所定の強度を超えた光信号を受光し、該光信号が前記最大出力による信号出力として識別する。工程６６において、光送信機が発光素子の発光を最小出力とする。工程６８において、光受信機は前記光信号に続いて受光した比較的強度の小さな前記光信号が前記最小出力による信号出力であることを識別する。工程７０において、前記最大出力による信号出力と前記最小出力による信号出力の差からフォトカプラの増幅率を決定する。

以上実施例について説明したが、種々の変形が可能であり、本発明が以上の実施例に限定されるものではない。

従来技術によるフォトカプラとその制御装置とを含むＤＡＡ（データ・アクセス装置）１０の概略ブロック図である。 本発明の一実施例のフォトカプラとその制御装置とを含むＤＡＡ２０の概略を示すブロック図である。 本発明の一実施例のフォトカプラとその制御装置とを含むＤＡＡ２０に関連する信号のタイミング図である。 本発明の一実施例のフォトカプラとその制御装置とを含むＤＡＡ４０の概略を示すブロック図である。 本発明の一実施例のフォトカプラの制御方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施例のフォトカプラの制御方法を示すフローチャートである

符号の説明

１０、２０、４０ ＤＡＡ（データ・アクセス装置）
２，２２ 送信増幅器／ドライバ
７，２７ 受信増幅器／ドライバ
３、１３，４３ 送信ＴＩＡ（送信伝達インピーダンス増幅器）
８、１８、４８ 受信ＴＩＡ（受信伝達インピーダンス増幅器）
２６、２９、４６、４９ 制御回路
Ｄ１、Ｄ２ 発光素子
Ｐ１、Ｐ２ 受光素子

Claims (8)

1. 発光素子を含む光送信機、及び該光送信機から前記発光素子の発光に基づいて送信された光信号出力を受信する光検出素子を含む光受信機を一体に備えるフォトカプラの制御装置において、
   前記光送信機からの光信号出力の送信の開始前に、前記発光素子の最大出力及び最小出力となる発光を生ぜしめ、前記最大出力及び前記最小出力の差を基に前記フォトカプラの増幅率を決定することを特徴とするフォトカプラの制御装置。
2. 前記発光素子による前記最小出力の発光は、前記最大出力の発光の直後に連続して行なわれるよう構成されることを特徴とする、請求項１に記載のフォトカプラの制御装置。
3. 前記信号送信の開始前に、前記光検出素子が所定の強度を超えた前記光信号を前記光受信機が受光したときに、該光信号が前記最大出力による信号出力であること、及び前記光信号に続いて受光した比較的強度の小さな前記光信号が前記最小出力による信号であることを識別できるようにするトリガ検知手段を備えたことを特徴とする、請求項２に記載のフォトカプラの制御装置。
4. 前記制御装置は、少なくとも一部が前記フォトカプラと一体のＩＣ装置を構成することを特徴とする、請求項１に記載のフォトカプラの制御装置。
5. 前記発光素子は、発光ダイオードを含むことを特徴とする、請求項１に記載のフォトカプラの制御装置。
6. 発光素子を含む光送信機、及び該光送信機から前記発光素子の発光に基づいて送信された光信号を受信する光検出素子を含む光受信機を一体に備えるフォトカプラの制御方法において、
   前記光送信機からの信号送信の開始前に、前記発光素子の最大出力及び最小出力となる発光を生ぜしめる工程と、
   前記最大出力及び前記最小出力の差を基に前記フォトカプラの増幅率を決定する工程とを有することを特徴とするフォトカプラの制御方法。
7. 前記発光素子による前記最小出力の発光は、前記最大出力の発光の直後に連続して行なうことを特徴とする、請求項６に記載のフォトカプラの制御方法。
8. 前記信号送信の開始前に、前記光検出素子が所定の強度を超えた前記光信号を前記光受信機が受光したときに、該光信号が前記最大出力による信号出力として識別する工程と、前記光信号に続いて受光した比較的強度の小さな前記光信号が前記最小出力による信号出力であることを識別する工程とを有する、請求項６に記載のフォトカプラの制御方法。

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