JP6259126B2 - Ｈブリッジ回路を用いた直流電力線通信制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源の電力伝送と同時にデータまたは制御情報の伝送を１本の線路を介して伝送する方法に関する。本発明の実施形態の一つである発光ダイオード（ＬＥＤ）照明分野の場合、最終的な電力の使用形態が直流電力であるため、既存に架設されている照明用の線路をそのまま用いて直流の電力及び制御情報を同じ線路で伝送し、照明線路に接続された各発光ダイオード（ＬＥＤ）照明灯の明るさまたは色相を調整する制御情報を伝送し、並列で接続された複数の受信側の発光ダイオード（ＬＥＤ）照明灯において受信制御情報に基づいてそれぞれ発光ダイオード（ＬＥＤ）を制御する方法として活用される。

車両のようにバッテリを基本的に用いる場合、車両内の各負荷は直流電源を用い、これらのそれぞれの負荷に電源及び制御情報を伝送する場合にも有用である。その他に、遠距離に設けられたセンサーまたは駆動装置においてモータなどを駆動できる十分な直流電力を供給しながら同じ線路での相互間の通信または多者間の通信が可能な直流を伝送する電力線通信に関する内容である。

現在、電力系統網において交流電力を各需用家に伝送することが普遍的であるが、最近、超高圧直流（ＨＶＤＣ）の送配電に関する研究が行われている。電力の需要反応技術などにおいて現在の電力予備率が低くなってブラックアウトの危険が感知される場合、各需用家に負荷の需要を調節するための指令やデータを伝送する必要がある。直流電流が需用家に伝達される場合であれば、需用家の負荷調節指令や現在の電力需給の不一致に関する危険等級データ値を各需用家に繋がっている電力線に載せて直流電力とともに一括して伝送してもよい。

電力配線を介して電力及び情報をやり取りするＰＬＣ（電力線通信）技術が商用化されており、参照して比較した従来の技術は、下記の通りである。

周知の技術である電力線通信の場合、一般に、電力線に高い周波数のＲＦ信号または狭い幅のインパルス信号に伝送しようとする信号を様々な方法で変調して印加し、受信側においては、電力線を介して伝送された当該周波数の信号のみを分離するフィルタリング技術または同調回路など及び信号を復元する復調技術などが活用され、最近発展された様々なデジタル通信技術が利用され、エラーの発生を極力抑え且つエラーが発生したときにこれを修復する技術を利用している。

しかしながら、利用されている色々な技術は相対的に複雑であるためコストが高く、微弱な信号を用いるため外部のノイズに弱く、これらの信号が電力線を介して不所望の部分まで伝送されることを遮断するためのブロッキングフィルタなどを引入端に取り付けなければならないという不都合などが伴われる。

汎用されている通常のマイクロコントローラによる経済的な通信が行われ難く、通信のための専用のモデムチップが別設されなければならないためコストアップを招くということが主な欠点として指摘されている。電力線及び通信線路を別々に設ける場合よりもむしろ経済的な負担が大きければ、実用技術としての価値が低いため、小さくて安価な部品により実現可能な代案的な電力線通信方法が望まれる。

後述する電力線通信という用語は、通常の技術者が周知の高周波数領域に情報を載せて伝送するという概念ではなく、電力線を用いて電力及び情報を一緒に伝送する通信という意味として通用される言葉よりも広い概念として用いる。

大韓民国特許第１０−１２２２１７０号公報に記載の「調光装置及びこれを備える照明システム」は、古典的なＴｒｉａｃ位相制御方式を動員してターンオンするトリガー時点の位相情報の形で交流電気の基礎周波数波形に反映して各照明負荷に情報を伝送する方式であり、既設の電力線をそのまま用いて情報を伝送する。発光ダイオード（ＬＥＤ）照明灯に個別ＩＤを与えてそれぞれ発光ダイオード（ＬＥＤ）照明灯をそれぞれ別々に制御する特許であるが、下記のような欠点もある。

ＡＣ電源を用いるため、ゼロクロシング周りの時点または位相制御信号が発生する時点に応じて電力の伝送が実際に行われない区間の時間が長い。基礎周波数の波形は周波数が低いことを理由に大きな容量の電解コンデンサを適用して電源を平滑にする過程を経ない場合、発光ダイオード（ＬＥＤ）照明のフリッカが激しく発生する。フリッカを低減するために電解コンデンサを適用すると、これに伴い、各発光ダイオード（ＬＥＤ）照明装置や照明電源装置の体積が大きくなる。電気製品の故障の主な原因であると把握される長時間の使用に際して電解コンデンサの内部の電解液の消失による劣化により寿命が短縮されるという問題は避けられない。

特に、天井に設けられるそれぞれの発光ダイオード（ＬＥＤ）照明灯や照明灯のためのそれぞれの電源装置ごとに寿命の短縮の主な原因となる大きな容量の電解コンデンサ部品が取り付けられるが故に寿命が短くてメンテナンスを行い難く、交流電源を実際の発光ダイオード（ＬＥＤ）素子が用いる低い電圧に変換するためのトランスフォーマやインダクタを用いるが故に体積が大きくなって施工及び管理を行い難いという不都合がある。

大韓民国特許第１０−１０４３２１８号公報「２線電力線を用いたＲＳ４８５通信装置」においては、送受信データに合わせて２線電力線の電圧レベルの高低を異ならせ、これを送受信情報として伝送する内容である。電力伝送量を見ると、理想的な定電圧源が有する低いインピーダンスを維持し難いため大容量の負荷を駆動できる大きな電力を伝送する用途には不向きである。より大きな電力を伝送するために低いインピーダンスを維持しようとする場合には、信号のレベルは相対的に低くなるためノイズマージンが減り、本発明が採用している差動信号通信よりも安定的な通信が行われ難い。

信号の伝送に伴う電源電圧の変動が激しくて大きい容量のコンデンサが必要であり、線路の架設に際して極性を異ならせて接続する場合に動作しないため注意を必要とする。直流電力伝送の場合には＋、−極を必ず区別する必要があるため設置に際して注意が必要であるという欠点があり、通信情報の場合にも逆相となって互いに認識できない状況が生じる虞があるという現実的な問題がある。

ブラックアウトを予防し、高く維持される電力予備率を低く維持して平常時の発電燃料費の節減を図る電力需要反応技術が注目されている。「大韓民国公開特許第１０−２０１３−００３０７２５号公報に記載の「電力需給災難防止システム」（出願番号第１０−２０１２−０１００２３８号）には、現在の電力予備率が０％になる危険状態を等級化してその危険等級値を電気の基礎周波数波形の物理値、例えば、電圧、周波数、位相の変動パターンに載せて各需用家に送り、各需用家はこれを復号して負荷を調節したり負荷が制御する制御目標値を調整したりする技術が開示されている。

今後、超高圧直流送配電の技術が商用化されると、需用家に直流電力が供給され、島や奥地の場合、局地的な送配電システムを直流とすることが試みられている。この場合、この特許が有している直流に基づく電力供給と制御及びデータ伝送手段を用いて需用家の負荷を調節する電力需要反応技術に融合することができる。

発明の背景となる技術の欄に言及した、従来の技術が有している問題点または欠点を克服した進一歩の電力線通信を実現することである。

また、従来の技術において、多数の受信負荷を同時に１本の電力線に接続し、それぞれの受信負荷側において負荷素子の電力制御をパルス幅変調（ＰＷＭ）方式で行う場合、１本の電力線に接続されて並列で構成された各負荷にそれぞれターンオン時間が重複する場合には、同時に大きな電流が流れて電源ノイズが大幅に発生し、これに対応するために、電源部のフィルタや平滑のためのコンデンサの容量が増えてしまうという問題を解決することが必要である。

コンデンサは、素子自体のコストを高めるともに、故障の主な原因となり、寿命に直接的な関連性があり、体積が大きくて天井や設置し難いところに大体積の対象を施工することは、施工及び管理の不便さがあるだけではなく、審美性の観点からも不利な問題を引き起こすため、コンデンサと関連する改善は利益が大きい。

電力予備率が低くなってブラックアウトの危険がある場合、電力当局が需用家の負荷を調節する制御信号を送ったり、需用家において自体的な電力需要を調節するための現在の需給の危険度を反映したデータを伝送したりすることは、電力需要反応技術の重要な要素となる。

現在は交流電力の送配電が一般的であるが、今後、直流送配電のシステムに変わる場合、或いは、島や奥地において一つの独立した小さい電気系統網を構成するマイクログリッドの場合、各需用家に直流で電力を送る環境が構築され、この場合、電力需要に対する反応を行うための需要調節指令や需用家の電気機器、負荷がそれ自体で負荷調節を行うための電力系統網の電力需給の危険度を反映した比較参考値を各需用家に一括して伝送する経済的な方法を実現する。

電力線通信のための送受信側を接続するＡ、Ｂの２本の線路において、Ａ線に電力の（＋）を印加し、Ｂ線にグラウンド（Ground）または（−）を印加する場合のデジタル値を「１」、Ａ、Ｂにその反対の電力を印加した場合を「０」にマッピングし、送信しようとする情報に基づいて２本の電力線Ａ、Ｂに電力を接続し、経時的に電力の極性を互いに逆極性にする （以下、交番、極性変換または極性の変動と称する。）動作を行い、電力受信側においてＡ、Ｂの電力線に印加される電力がどのようなものであるかを把握してデジタル値「０」及び「１」の情報として解析し、これを受信データや制御指令信号として用いることができる。

Ａ、Ｂに印加される電圧の極性は、経時的に変換する場合、経時的に様々なパターンに極性変換様態が現れる。このため、一つの極性の状態にデジタル値「０」を、他の極性の状態にデジタル値「１」をマッピングしてもよいが、互いに予め約束して二重極性状態変動の特定のパターンに「０」、他のパターンに「１」をマッピングして経時的に極性を変動させて電力を伝送し、受信側においては約束されたようにデジタル値「０」及び「１」を復号して通信を行ってもよい。

送信側における極性変換は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）Ｈブリッジ回路を用いて低いインピーダンスの大きな電力を伝送できる最適な方法を動員し、これは、通常の差動信号通信方式と略同様であるが、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）Ｈブリッジ回路を動員して低いインピーダンスの電力伝送に適用した点に特徴がある。

受信側においては、極性変換が行われ続ける電力信号を、ブリッジダイオードを介して平らな直流電源を形成する。この電源は、受信側の負荷に電力源として用いられ、受信側の制御端に必要な電源として用いられる。受信側のブリッジ回路は、ブリッジダイオードに限定されるものではなく、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を有する能動ブリッジ回路を用いても構わない。

送受信側を誤って接続して送信しようとするのと逆状態の情報が伝送される場合、これを信号から検出して自動的に反転させる回路を備える。

このように送信情報を差動信号で通信（Differential Signal Comuunication）する場合、信号の「１」及び「０」は判別し易く、コモンモードノイズ(Common mode noise)に耐性が強く、遠い距離にも安定な通信を行うことができるという特徴がある。

双方向通信を可能にするために、送信側とは異なる受信側において高いインピーダンスを維持するように所定時間に電力受信側においても送信を希望する場合、配設された差動駆動回路を動作させて情報を伝送する方法を採用すると、制限的な双方向通信が行える。このように信号伝送のための変調及び 復調過程を経ることなく直流電力の相を変更する方法を用いて回路を最小化させ、通信の信頼性を高め、経済的な通信方法を実現する。

電力需要反応は、現在の電力予備率を参照して電力需給の危険度を反映して各需用家に負荷の調節のための情報や負荷の調節の信号を一括して伝送する技術を必要とする。直流送配電が構築されている場合、電力需給の危険度を等級化した「電力需給の危険等級値」をＨブリッジ回路が形成した極性変動パターンにデータとして載せて各需用家に伝送し、各需用家はそのデータを参照して需要を調節する。

既築建物のように建物の内部に既存の電線が敷設されている場合、既存の電線の接続を用いて容易に電線にかかっているそれぞれの電力負荷を制御する手段を備える。

室内照明を例として挙げると、既存の壁に埋め込まれているスイッチボックスの周りに既存の回路に代え得る電力制御送信部を配設し、天井に吊設されている各照明灯の位置に明るさが制御可能であり、本発明の直流電力線通信制御装置の受信回路が組み込まれた発光ダイオード（ＬＥＤ）などを取り付ければよいため、設置し易い。

主として適用される負荷である発光ダイオード（ＬＥＤ）照明の場合、スイッチ端から出力される２本の電力線を用いてＤＣ極性変換電力を発光ダイオード（ＬＥＤ）モジュールに伝送し、これと同時に制御情報を伝送し、それぞれの発光ダイオード（ＬＥＤ）モジュールや発光ダイオード（ＬＥＤ）電源装置が有する固有のＩＤを区別し、ＩＤを制御情報に伝送して特定の発光ダイオード（ＬＥＤ）照明灯のみを制御してもよく、ＩＤのＭＳＢビット値をグループ値として解析してグループ制御も行え、予め定められた一連の負荷群に別個のＩＤを与えて特定の負荷のみを選択的に制御してもよく、またはＩＤにブロードキャスト用のＩＤを与えたりブロードキャスト用の指令を設けたりする場合、画一的に全体の負荷を制御するなど様々な場合の数で負荷制御が行えるというメリットがあり、これは、発光ダイオード（ＬＥＤ）照明灯に限定されるものではなく、様々な負荷に適用可能である。

既存の公知の技術である高周波帯域を用いて情報を伝送する電力線通信を行う電力線モデム（ＰＬＣ）またはＲＦ制御モジュール（ジグビーまたはＩＳＭバンドＲＦ通信など）または有線通信方法に比べて、本願発明は構成要素が簡単であるため経済的である。また、外乱ノイズに比べて信頼性のある通信が行え、不必要なＲＦ電波をあまり発生させないというメリットがある。

発明の背景となる先行技術である先行技術文献の特許第１０−１２２２１７０号公報に記載の「調光装置及びこれを備える照明システム」と比較する。

交流電源を電力線通信の手段として用いる場合、各発光ダイオード（ＬＥＤ）照明や 発光ダイオード（ＬＥＤ）照明前の制御端は、結果的に直流電源を用いるため、どうしても交流を直流に変換する過程を経ることになり、このために各末端負荷に寿命が短くなる主な故障の原因である電解コンデンサを取り付けることが必須的である。照明の場合、設置及び管理を行い難い天井などに取り付けられるため、故障が頻繁に起こる電解コンデンサによりメンテナンスが頻繁に行われ、取り付け位置が不便であると、メンテナンスに高いコスト及び時間がかかる。また、電解コンデンサとともに取り付けられるトランスフォーマ及び各種の保護回路は、比較的に大きな容量の体積を必要とするため、人間が注目し易い天井などに設けるに当たって、審美的なデザインを行う上で制約要素となる。

本願発明は、直流化された電力線通信を用いるので、交流電源を直流化するための大きい容量の電解コンデンサとトランスフォーマ及び保護回路を求めるとはいえ、設置し難い天井などに個別的に且つ一々に設けられるわけではないため、照明装置は体積が大幅に減って審美的なデザインを行うことができ、電解コンデンサの問題により自ら天井において照明灯を取り替えたり照明電源部を取り替えたりする頻度が非常に低くなるのでメンテナンスに経済的である。

直流化のためのコンデンサは別途に管理し易い個所に複数のコンデンサをモジュール化して取り付け、そこで直流化するように設けると、電解コンデンサの寿命の問題により一々に天井の設備を取り扱うことなく中央集中式でコンデンサボックスを管理することができる。なお、そのようなコンデンサボックス内のコンデンサはモジュールの形で手軽に取り替えるように製作可能であり、コンデンサの故障を発光ダイオード（ＬＥＤ）などやその他の表示手段を用いて、取り替えるべきモジュールを知らせる機能などを付加すれば、管理が一層便利になる。

また、本願発明は、ＲＳ−４８５通信と同様に部分的に双方向通信が可能であり、１本の電力線に情報をアップロードするセンサーも電力駆動回路とともに接続してセンシング情報を収集することもできる。これは、交流方式の先行技術である先行技術文献の特許第１０−１２２２１７０号に記載の「調光装置及びこれを備える照明システム」では実現できない効果である。

先行技術文献の特許第１０−１０４３２１８号に記載の「２線電力線を用いたＲＳ４８５通信装置」に比べて優れた効果について説明する。
引用発明は、２線電力線を用いるが、１本の電線に電圧降下上昇のパルス形式の電圧をかけて信号を伝送するものである。引用発明の欠点は、上述したように、パルスを容易に発生するためには理想的な定電圧が有する低いインピーダンスを維持し難く、このため、伝送可能な電力の量が非常に制限的であるため、大容量の負荷を駆動できる大きい電力を伝送する用途には不向きであるということである。

大容量の負荷を駆動するための大きな電力を伝送するためにインピーダンスを低めれば低めるほど信号パルスの波形が低くなり、結果的に、ノイズ及び信号が区別され難いため安定的な通信を行い難い。また、大きな電力パルス信号ではないため、パルス信号の混ざった受信電力を用いる負荷を、パルス幅変調（ＰＷＭ）制御を用いて調節する場合に発生するノイズの波形及びレベルが通信用のパルスと略同じであるため、ノイズとして影響を及ぼしてしまう。

これに比べて、本願発明は、２線をそれぞれ（＋）及び（−）電源と区別し、オン抵抗が非常に低い金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などを採用したＨブリッジ回路を用いて、差動で電力に信号を載せて送るため、引用発明における伝送可能な電力量の不足という問題が解消される。

古典的な電力線通信方式や一定の直流バイアス電圧に矩形波のパルスにデータを載せて送る矩形波直流電力線通信と比較すると、信号の幅が非常に広いため、Ｓ／Ｎ比（信号対雑音比）に非常に優れているというメリットがある。

各需用家に一括して需要調節の意思を伝播することが電力需要反応技術の核心である。交流環境下では、交流の基礎周波数波形にこれを載せて送るアイディアもあり、古典的な電力線通信またはイーサネット機や有線の通信方式などが考慮されている。もし、直流送配電の環境であれば、直流電力に高周波の信号として載せて送ってもよいが、直流電圧の極性の変動に電力需要反応のための制御またはデータをマッピングして送り、これを復号して用いるならば、コストやノイズの側面からみて優れたメリットが得られる。

電力及び制御情報を受信側に伝送し、受信側において電力及び制御情報を復元するのに必要な構成要素のブロック図である。 双方向通信のための電力受信側において電力送信側に情報を伝送するために必要な構成要素のブロック図である。 伝送するＴＸ信号がＨブリッジ回路により変換される差動電源出力波形Ａ、Ｂ相の形状及びＨブリッジ駆動回路である。 通常のブリッジダイオード及びインピーダンスが低くて自体的な電力消耗が少なく、動作を制御できる金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を適用したブリッジ整流回路を示す図である。 ＲＧＢ３種の発光ダイオード（ＬＥＤ）をパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動し、逆相・欠相による制御情報信号の自動反転回路がＨ／Ｗにより構成された発光ダイオード（ＬＥＤ）負荷を有する受信側回路の例である。

直流電力供給源である直流電源装置の出力やバッテリ出力端に複数の負荷が電線に並列で接続されており、バッテリまたは直流電源供給装置の出力端にトランジスタまたは金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）または絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）により構成され、直流電源出力の（＋）、（−）極性を交番するＨブリッジ駆動回路を接続して備える。２本の電力線の電圧の大きさの相対値が互いに逆になることを「極性変化」または「極性変動」と称する。Ｈブリッジ回路は、マイコンや外部信号として伝送しようとするデータまたは制御指令の情報に基づいて極性を変更するか、或いは、予め約束されたところに従い「０」、「１」のデジタル値にマッピングされたとおりに時間による極性の変化パターンを形成した電力を出力するが、この場合、クロスオーバ歪みが極力抑えられるように駆動する。

受信側において極性変換が常時行われる送信側の電力を受け取って直流電源として用いるために、ブリッジダイオードを用いて平滑直流化を行う。高い効率を得るために順方向のバイアス(Bias)電圧が低いブリッジダイオードを用いることが好ましく、十分な電流容量及び逆耐圧を有する部品を適用し、最近には通常のブリッジダイオードよりもオン抵抗が非常に低く、且つ、電力効率が良好な金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）に基づくブリッジ整流器を適用することも一つの方法として考えられる。

ブリッジ整流回路の後端には極性変換による瞬間的な電圧のドロップ現象が発生するが、短い時間であえてコンデンサを用いて平滑する必要はないが、この電源を用いる回路の安定的な動作のために局所的に用いることが好ましい。

それぞれの負荷受信側においては、ブリッジダイオードの前端の電力線に印加された通信データまたは制御指令信号を抽出するために電源電圧を適切なレベルの信号電圧に切り換えるための抵抗分圧回路などのレベルシフト機能が必要になる場合もある。

これらの並列で接続される受信側において電気線Ａ、Ｂが逆に設けられる場合、逆相の情報として認識されるため、必要に応じて、デフォルト状態の電気線の電圧レベルを用いて逆に接続されることを認知した場合には、排他的論理和（Exclusive or）などのゲート素子を用いて伝送される直列信号を反転させる機能を追加すれば便利である。信号が反転されたか否かを区別するために、普段、信号がないほとんどの時間（デフォルト状態）の情報を累積して出力するＲＣ積分回路などが有効であり、より手軽に専用ロジック回路やマイクロコントローラのポートに入力し、プログラムの起動により信号がない場合の基本相情報を手軽に累積して逆に接続されているか否かを判断することができる。

必要に応じて、周期的に繰り返される極性変換情報を伝送して送信側の基準時間をそれぞれの負荷が共有して限られた資源である電力をそれぞれＩＤに対応する順序に交互に用いる負荷のスプレッド機能を用いる場合、最大値が小さい送信側の電力でも多数の受信側需要電力を供給することができ、超過需要の電力の伝送により発生するノイズの発生を低減することができ、平滑用途のコンデンサやインダクタなどのフィルタ部品を低減することができるというメリットがある。

この場合、それぞれのパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動を行う負荷同士が互いに約束された順序で動作をすることが必要であり、互いに一致する基準時間情報を有している必要がある。このため、電力送信側において一定の周期ごとに受信側の基準時間を一致させるための同期信号を伝送し、受信側においては、基準時間と制御情報及びＩＤを参照して定められた時間にパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動をして全体の電力を分散させる。一つの受信側の内部において多数のパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動負荷をかけた場合であっても、同じ方法を用いてパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動時間を互いに分散させて短い瞬間最大の所要電力を減らして全体的な発生ノイズを極力抑えることができる。

伝送される情報の内容は、特定の意味を有するようにプロトコールで予め定めることができ、これにより、様々な情報処理方法が採用可能である。接続された全ての電力制御機器が同時に制御可能なブロードキャストに相当するＩＤや指令を用いて全体を制御したり全体にデータを伝送したりしてもよく、各制御機器に区別されたＩＤを用いてそれぞれ別々に制御したり個別の機器にデータを伝送したりしてもよく、追加的に区別するためのグループＩＤにより群制御またはグループ別にデータを伝送してもよい。

電力負荷の制御信号を送る送信側は、全体をオン／オフする簡単なスイッチ装置をはじめとしてディマー調整入力装置などであってもよく、制御の内容は遠隔の制御サーバから送ってもよく、電力需要管理または需要反応のために電力線モデムまたはその他の電力線を介して外部から伝送された情報またはＲＳ−２３２またはＲＳ−４８５、ＣＡＮなどの有線信号として伝送される情報またはＬＡＮ通信などの大容量の伝送可能な有線信号として伝送されてもよい。なお、Ｗｉ−Ｆｉまたはブルートゥース、ジグビーなどのＩＳＭバンドＲＦ通信信号で伝送されてもよく、既存のＴＶ周波数遊休帯域を活用した無線など様々なフォーマットの制御情報を受信した後、これを負荷として再伝送してもよい。

この場合、短い時間に多くのデータを入力されて相対的に遅い時間に電力線を介して伝送する問題により発生するデータの消失を防ぐための短期情報保存空間が必要であり、伝送すべき電力制御情報データの形式が大幅に異なる場合、これを所望の形式に変換するコード変換部が必要である。

外部から引き込まれる情報信号に基づいてそれぞれの接続された電力負荷を制御するが、自体スイッチまたはボリュームやホイールスイッチなどの回転入力手段による強制制御信号にプライオリティを与えて優先的に制御可能であり、この場合、外部から引き込まれる情報経路を介して逆に現在の制御状態の情報をアップロードすることができ、それぞれの電力制御負荷の容量及び制御値に起因する電力消耗情報や力率情報または故障診断情報などの付加情報も全体を制御するサーバや通信のマスター側にアップロードすることができる。

能動的な機能をする上部のサーバ装置がない場合、電力制御送信端に制御スイッチ、ホイールスイッチ、タッチパネルなどの入力手段と発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、液晶表示装置などを用いて状態が表示可能なユーザインタフェース手段を設けたサーバ機能を兼ねることができ、上述した様々な有無線チャンネルを用いて温湿度または照度、または人体感知センサー、その他の電気機器が制御する値の現在値を感知したものを入力してこれを参照して限られた空間の内部において負帰還の自動制御を行うことができる構造を採用してもよい。

上述した各受信側の制御部の場合、固有のＩＤが入力または変更可能であり、しかも、それが保存可能である必要がある。性格に応じては、グループＩＤを与えることが求められるため、スイッチなどの入力手段が配設されている場合がある。

好ましくは、受信側の負荷端の制御部の場合、ＩＤ入力手段による部品の追加により製品のコストが高騰することを避けるために、有線または無線にて通信するＩＤ入力装置がコネクタにより接続されることが効果的であり、例えば、外部にブルートゥース接続コネクタがあり、ここにブルートゥースモジュールを取り付けてブルートゥース通信が行えるスマートフォンのアッププログラムにより関連装備のＩＤ値を無線で読み込んだり変更したりすることが良い例である。

発光ダイオード（ＬＥＤ）照明灯や電源装置のように、受信側においては、ＡＣ方式と同様に、ブリッジダイオード回路を介して電源を所定値の固定された直流電圧に変換するが、伝送された電源が直流電源であるため、電解コンデンサなどで平滑する機能は不要であり、コンパクトな小容量の積層セラミック（ＭＬＣＣ）などのコンデンサさえ取り付ければよい。

直流電源を形成するために直流電源装置または電源バッテリに大容量の複数の電解コンデンサをモジュールとして取り付け、電解コンデンサに異常がある場合、モジュールとして手軽に取り外しまたは取り替え可能にし、直流電源装置を管理し易い個所に設けるか、直流電源装置の一部としてまたは取り外して電解コンデンサボックスとして管理すれば、管理し易くなる。これは、故障の主な原因であるためである。当該電解コンデンサが故障した場合、それを検出可能な回路を設け、発光ダイオード（ＬＥＤ）、その他の表示手段にその旨を表示すれば管理し易い。

主に制御用に用いる場合であっても、正常的な動作をするか否かなどの状態情報をアップロードするために双方向通信が必須的であるが、本願発明でのように、電力伝送及び双方向通信を同時に行うために過程が必要である。

１本の通信ラインには一つの送信側のみが存在しなければならないため、ＲＳ−４８５などの通信プロトコールのように電力送信側のマスターとそれぞれ電力受信側のスレーブに分け、予め約束された順序に従って共用する線路に信号を出力しなければならない。

信号を送出するために電力送信側においてはＨブリッジ回路を用いるが、電力受信側においては低い電力で駆動可能であり、出力が制御可能な通常の差動出力回路を用い、通信可能な定められた順序の時間にのみ差動出力をし、この場合、電力送信側や他の電力受信側において線路が高いインピーダンスを維持するようにする。

双方向通信に際して、電力受信側が信号を伝送する時間には電力送信側から電力が供給できないため、このとき、電力受信側が用いる電力を貯蓄するために小容量のコンデンサまたは電池を設ける。コンデンサを設け、電力を充電して用いる回路の場合、電力受信側において信号を送信するときには、線路とコンデンサとの間に一時的な断絶が必要であるため、スイッチング手段を設けて電力受信側において信号伝送をする時間に接続を切断することが必要である 。電力送信側においては、コンパレータなどを用いて両線路の電圧比較出力を参照すると、電力受信側において送る情報が分かり、このような方式を用いて部分的に双方向通信を行うことができる。

本願発明の具体的な実施形態によれば、電力送信側は主として直流電源装置の出力に接続して用いる場合が多いため、直流電源装置と一体化される場合に便利であり、直流電源装置の後端に接続するモジュールやアダプタの形式であることも好ましい。

これに対し、電力受信側は線路と負荷装置との間に位置して、その間を接続するモジュールであってもよく、ソケットであってもよく、アダプタであってもよく、或いは、負荷と一体化されたものであってもよい。特に、電力受信側の場合、パルス幅変調（ＰＷＭ）駆動回路などＩＣ化可能な部分を束ねて一つの集積回路にする場合に経済的であり、高い信頼性及びコンパクト化が実現可能である。

現在、超高圧直流送配電（ＨＶＤＣ）技術の研究が行われており、島や奥地の場合、独立的な小さい電気系統網を構成し、このためのマイクログリッド技術の研究も行われている。これを直流送配電環境と称する。前記技術を需用家内において負荷調節のための手段として活用することからさらに範囲を広げて電気系統網単位として活用することができる。

直流送配電環境下で電力会社または電力取引所または局所電力系統網を管理する電力当局が現在の電力予備率を参照して電力需給の不一致によるブラックアウトの予想危険を等級化してデータを作成し、このデータを直流送配電線の極性の変動にマッピングして各需用家に伝搬し、各需用家においてはこれを復号した後、危険等級に応じて重要度の低い負荷を遮断するか、またはその負荷が目標とする制御目標値を調節するなどの予め約束された方式を用いて需用家の負荷を調節して電力需要反応を行うことができる。

危険等級値だけではなく、直接的な負荷の遮断、調節の指令を直流電力の極性変換にマッピングして各需用家に伝送してもよく、指令に反応して予め約束された通りに需用家の負荷を管理する需要反応システムを構成してもよい。この場合、データまたは制御指令の識別ＩＤは、全体を対象とするものである。

スマートグリッドに核心的な要素である電力貯蓄システム（ＥＳＳ：Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）、太陽光発電、風力発電は、いずれも直流に基づく需用家電力体系に基づくものである。交流は直流に切り換えて蓄電池の電力貯蓄システム（ＥＳＳ）に貯蓄可能であり、太陽光は出力が直流電源であり、風力は風が均質ではないため、その電力を直流化して貯蓄して用いなければならない。第２のテスラとエジソンの交流・直流論争であると呼ばれるほど直流送配電に関する新たな理解が到来しており、高電圧直流（ＨＶＤＣ：Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）、家庭用の直流電気配線と直流電気機器の普及に関するアイディアが提供されて拡散される時点で既存の交流用の電線をそのまま活用しながら直流配線の利益を有する照明システムの技術の普及は大きな意味がある。

今後、電力貯蓄システム（ＥＳＳ）の普及が拡散され、需用家側の太陽光や風力発電が拡散されると、これを直流として貯蓄し、活用するときに既存の交流電力線をそのまま用い、直流電力を活用して照明を駆動制御するシステム環境は必須的に到来するものと認められる。需用家の電力負荷は照明用及び電気機器用に分けられるが、現在研究中の需用家の直流配電システムは、電気機器用を含む場合に直流電気機器の拡散は標準化の問題により時間がかかるため、まず、分離された照明用の配線にのみ優先的に適用可能な手段としてこの技術が寄与できる。

スマートグリッド技術、需要反応技術、建物のエネルギー管理システム（ＢＥＭＳ）技術、電力貯蓄システム（ＥＳＳ）応用技術、太陽光発電技術、風力発電技術、需用家バイオメタン発電技術は直流電力と直接的な関連性があり、本発明は、直流電力の活用という側面からみて、発光ダイオード（ＬＥＤ）照明の直流配電網の包摂に卓越した手段を提供するため、前記技術の商用化及び拡散に基礎的な手段を提供する。

別途の照明制御用のソリューションとしてＤＭＸ ５１２など舞台、放送用の照明技術と融合／代替景観照明、室内照明に加えて、舞台や放送用の照明は別途のエンターテインメント環境のための米国のＰＬＡＳＡ（Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ Ａｎｄ Ｓｏｕｎｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）のＤＭＸ標準が普及されている。ＤＡＬＩと同様に、ＤＭＸを融合する場合、経済性及び利便性を図る。

運送手段の電気系統技術であり、船舶、自動車、航空機など運送システム内の直流電力及び照明アクチュエータ信号配線技術として利用可能である。大型船舶の場合、交流電力線を用いた線内配線が普及されている。最近には、直流配線のメリットを活用するための船舶直流配線への取り組みが行われている。自動車の軽量化のためにも直流電力線通信技術を制御用途と並行する技術を適用する場合にメリットを享受することができる。

農畜水産業用施設管理用の技術として、産業用のアクチュエータ、農畜水産業用アクチュエータ及び農業用照明制御技術として活用可能である。産業用の機械、各種のモータ、弁などのアクチュエータ、農業用照明、農業用モータ及び弁（肥料または水などの農業用液状原料噴出器）も電力とともに制御信号を同時に送るので、この技術を拡散させることができる。

道路交通信号体系のための技術として、道路交通信号体系の照明及びシステム制御技術として拡散可能である。既存の交差路の交通信号網は信号灯の電力供給とともに各信号灯の制御信号線を架設するため、大きなコンソールボックスに複雑な配線が必須的である。星形トポロジにより接続されるが、本発明の技術を応用すれば、リング形トポロジ及び電力線と信号線を１本の電線で処理可能であり、工事費及び材料費の節減、低い故障頻度、メンテナンス管理コストの節減という利益がある。

現在、エネルギー分野の話頭であるスマートグリッド、需要反応、建物エネルギー管理システム（ＢＥＭＳ）の核心的な需要側の負荷が管理し易い手段を提供してスマートグリッドまたは需要管理エネルギー産業の発展に活用可能である。今後、各種の需要側の負荷管理システムは拡散される見込みであるが、末端の負荷管理には効率的な手段がなかった。本発明がその手段を提供することは、全地球的な環境、社会的な利益及びエネルギー節減による経済的な利益を創出に役立つ。

Claims (2)

1. 送信側及び受信側を2本の電力線 A、Bで 接続し、
   電力の受信側において一つ以上の負荷を接続し、
   送信側では直流電源供給装置又はバッテリの出力端とトランジスタ又は金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (ＭＯＳＦＥＴ)又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成されたＨブリッジ駆動回路を接続し、
   マイクロコントローラ又は外部信号はＨブリッジ駆動回路の出力を制御し、
   Ｈブリッジ回路はデジタル情報「0」、「1」にマッピングされた極性変動パターンに従って制御指令又はデータ情報を2本の電力線A、Bに出力し、
   受信側はブリッジダイオード回路又はMOSFETが含まれている能動ブリッジ回路では2本の電力線A、Bの電圧の極性が変動する電力を整流して受信側の負荷と回路の電力で使用し、
   受信側のブリッジダイオード回路又はMOSFETが含まれている能動ブリッジ回路の前端で2本の電力線A、Bのいずれかは電圧レベルシフトを経て、マイクロコントローラ又は専用ロジック回路と接続され、受信側のマイクロコントローラ又は専用ロジック回路は2本の電力線A、Bの相対電圧の極性変動パターンにマッピングされた制御指令又はデータ情報を復号し、
   レベルシフトに入力される制御指令又はデータ情報の信号幅は2本の電力線A、Bの差動電圧信号を使用するので伝送される直流電力の電圧の2倍である
   ことを特徴とする直流電力の伝送を兼ねて制御指令またはデータを伝送する方法。
2. 各受信側又は各受信側の制御対象を識別することができるID番号を付与し、
   制御命令又は伝送データに受信側又は受信側の制御対象を区分することができるIDを含み、
   IDに該当する受信側のみで制御命令または伝送データを復号してIDに該当する受信側または制御対象の負荷のみを個別的またはグループとして選択して伝送データに基づいた作動をする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の直流電力の伝送を兼ねて制御指令またはデータを伝送する電力線伝送装置。