JP7065659B2 - 端末装置 - Google Patents

Description

本発明は、２本の伝送線を介して中央処理装置から電力の供給を受けつつ中央処理装置と通信を行う端末装置に関する。

２本の伝送線を使用して中央処理装置が端末器に対して給電および制御信号の送信を行う信号伝送システムでは、中央処理装置から端末器への信号送信は電圧を変化させる電圧モードで行い、端末器から中央処理装置への信号送信は電流を変化させる電流モードで行う（例えば、特許文献１）。

特開平２－２０００９５号公報

上記の信号伝送システムにおいて、端末器は、中央処理装置から伝送路に出力される電圧パルスを整流し、回路内部に備わるコンデンサに蓄電することで内部電源を得る。しかしながら、電圧パルスのエッジに含まれる周波数成分が伝送線と共振すると、高周波のリンギングが発生し、端末装置に備わるコンデンサに突入電流が流れ込む。そのため、消費電流が小さく、ある電圧パルスが発生してから次の電圧パルスが発生するまでの間に、最初の電圧パルスによる突入電流で得た余剰電力を消費できない端末装置は、内部電源が昇圧され、部品が破損してしまう可能性があるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電圧パルスに基づいて生成する内部電源の電圧が必要以上に上昇するのを防止可能な端末装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、２本の伝送線を使用して中央処理装置が端末装置に対して給電を行いつつ、中央処理装置から端末装置へ伝送線の電圧極性を反転させながら制御信号の送信を行う信号伝送システムの端末装置である。端末装置は、２本の伝送線を介して中央処理装置から伝送される電圧パルスを整流して出力する整流回路と、整流回路から出力される直流電圧が入力され、入力された直流電圧が予め定められた値を超えた場合に予め定められた値以下となるよう直流電圧を抑制して出力するピーク電圧抑制回路と、ピーク電圧抑制回路から出力される直流電圧を平滑化する平滑回路と、ピーク電圧抑制回路と平滑回路との間に設けられ、ピーク電圧抑制回路から平滑回路への突入電流を抑制する電流制限回路と、を備える。

本発明にかかる端末装置は、電圧パルスに基づいて生成する内部電源の電圧が必要以上に上昇するのを防止できる、という効果を奏する。

実施の形態１にかかる端末装置を含んで構成される信号伝送システムの一例を示す図 実施の形態１にかかる中央処理装置が伝送線に出力する電圧モードの信号の一例を示す図 実施の形態１にかかる端末装置の構成例を示す図 実施の形態１にかかる端末装置に入力される電圧モード信号の一例を示す図 実施の形態１にかかる端末装置の内部で生成される電圧波形の一例を示す図 実施の形態２にかかる端末装置の構成例を示す図 実施の形態２にかかる端末装置の内部で生成される電圧波形の一例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる端末装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる端末装置を含んで構成される信号伝送システムの一例を示す図である。

本実施の形態にかかる信号伝送システム１００は、中央処理装置１と、端末装置２とを備え、中央処理装置１と各端末装置２は、伝送線ｓａおよび伝送線ｓｂの２本の伝送線を介して接続される。また、中央処理装置１には交流電源３から交流電力が供給される。

中央処理装置１は、伝送線ｓａおよび伝送線ｓｂを介して端末装置２に電力を供給するとともに、制御信号を送信して端末装置２を制御する。端末装置２は、中央処理装置１から受信する制御信号の内容に従い動作する。例えば、端末装置２は図示を省略した他の機器と接続され、中央処理装置１から受信した制御信号に含まれる制御情報に従い、接続されている他の機器の制御を行う。他の機器の一例は照明機器であるがこれに限定されない。

図２は、実施の形態１にかかる中央処理装置１が伝送線ｓａおよび伝送線ｓｂに出力する電圧モードの信号の一例を示す図である。

中央処理装置１は、図２のように±ΔＶの電圧パルスを、送信する制御信号の内容に基づく間隔（図２の例ではａｔ[sec]、ｂｔ[sec]）で正負の極性を切り替えることにより、制御信号を端末装置２に送信する。なお、－ΔＶの電圧パルスの幅ｂｔおよび＋ΔＶの電圧パルスの幅ａｔは制御信号に含まれるビットの状態に対応する。中央処理装置１は、例えば、ビットの状態が‘１’であれば電圧パルスの幅をａｔとし、‘０’であれば電圧パルスの幅をｂｔとする。この場合、制御信号に１と０が交互に繰り返すビット列が含まれていれば、１と０が交互に繰り返す区間では、幅がａｔの電圧パルスと幅がｂｔの電圧パルスとが交互に繰り返すことになる。一方、端末装置２は、予め定められた一定時間にわたって伝送線ｓａと伝送線ｓｂとを短絡させることにより、Δtのパルス幅をもつ電流パルスを生成し、中央処理装置１に応答する。なお、Δtは一定値である。

図３は、実施の形態１にかかる端末装置２の構成例を示す図である。端末装置２は、制御回路２０、整流回路２１、電流パルス出力回路２２、ピーク電圧抑制回路２３、逆流防止回路２４、電流制限回路２５、平滑回路２６および負荷３０を備える。整流回路２１は、伝送線ｓａおよび伝送線ｓｂに接続される。整流回路２１には、中央処理装置１で生成され、伝送線ｓａおよび伝送線ｓｂに出力される電圧モード信号の±ΔＶの電圧パルスが入力される。平滑回路２６の両端には、負荷３０が接続される。整流回路２１、ピーク電圧抑制回路２３、電流制限回路２５および平滑回路２６は、中央処理装置１から出力される電圧パルスに基づいて内部電源を生成する回路である。なお、端末装置２が備える各回路を構成する回路要素および各回路要素の接続関係は、図３に示したものに限定されない。後述する各回路の動作が実現できるのであれば、回路を構成する回路要素の種類、数および接続関係が異なっていてもよい。

制御回路２０は、電流パルス出力回路２２のトランジスタＱ１を制御する。制御回路２０は、例えばマイクロコントローラで実現される。整流回路２１は、ダイオードブリッジＤＢで構成され、伝送線ｓａおよび伝送線ｓｂから入力される±ΔＶの電圧パルスを直流電圧に整流する。電流パルス出力回路２２は、トランジスタＱ１および抵抗Ｒ１で構成される。電流パルス出力回路２２は、制御回路２０により制御され、伝送線ｓａと伝送線ｓｂとを短絡させることにより、中央処理装置１へ送信する信号である電流パルスを生成する。ピーク電圧抑制回路２３は、ツェナーダイオードＺＤ１で構成される。ピーク電圧抑制回路２３は、整流回路２１で生成される直流電圧が予め定められた一定値を超えた場合、一定値以下の電圧となるよう抑制して出力する。逆流防止回路２４は、ダイオードＤ１で構成される。逆流防止回路２４は、整流回路２１で生成される直流電圧が平滑回路２６の両端の電圧よりも低い状態となった場合に、平滑回路２６から整流回路２１へ電流が逆流することを防止する。電流制限回路２５は、制限抵抗Ｒ２で構成され、平滑回路２６に流れ込む突入電流を抑制する。平滑回路２６は、蓄電コンデンサＣ１で構成される。平滑回路２６は、整流回路２１から出力される電流を蓄電コンデンサＣ１に蓄積することにより平滑化を行う。蓄電コンデンサＣ１に蓄積した電荷は負荷３０により消費される。

なお、整流回路２１は、ダイオードブリッジＤＢで実現されることを想定しているが、ＡＣ（Alternating Current）の入力波形をＤＣ（Direct Current）の波形に整流できる回路、または素子であれば何でもよい。また、電流パルス出力回路２２は、バイポーラトランジスタであるトランジスタＱ１と抵抗Ｒ１とで構成されるスイッチング回路を想定しているが、バイポーラトランジスタの代わりにＦＥＴ（Field Effect Transistor）を用いたスイッチング回路など、伝送線を短絡できる回路、または素子であれば何でもよい。また、ピーク電圧抑制回路２３は、ツェナーダイオードＺＤ１で構成される電圧リミッタ回路を想定しているが、ツェナーダイオードの代わりにバリスタまたはトライアックを用いた電圧リミッタ回路など、電圧のピークを抑制できる回路、または素子であれば何でもよい。また、逆流防止回路２４のダイオードＤ１は、スイッチングダイオードで構成される単方向整流素子を想定しているが、ショットキーバリアダイオードを用いた単方向整流素子など、逆方向に電流が流れないように制御できる回路、または素子であれば何でもよい。

以下、本実施の形態にかかる端末装置２の動作、具体的には、平滑回路２６を構成する蓄電コンデンサＣ１への突入電流を抑制する動作について、図３～図５を参照しながら説明する。図４は、実施の形態１にかかる端末装置に入力される電圧モード信号の一例を示す図である。図５は、実施の形態１にかかる端末装置２の内部で生成される電圧波形の一例を示す図である。

端末装置２の整流回路２１には、図４に示した波形の電圧、すなわち、電圧パルスのエッジに含まれる高周波成分が伝送線ｓａ，ｓｂで共振することにより生じたリンギング波形が重畳された電圧パルスが入力される。この電圧パルスは、整流回路２１を通過すると、図５のように＋ΔＶの直流電圧に整流されるが、整流後の直流電圧もリンギング波形が重畳された状態となる。よって、図５に示した波形の直流電圧が整流回路２１から出力され、電流パルス出力回路２２を経由してピーク電圧抑制回路２３に到達する。

ピーク電圧抑制回路２３は、整流回路２１から入力された直流電圧に含まれるリンギング波形のピーク電圧＋Ｖｐが自身の抑制する電圧＋Ｖｃｌよりも大きい場合、ツェナーダイオードＺＤ１に電流が流れる。これにより、＋Ｖｐと＋Ｖｃｌの差分電圧すなわち“Ｖｐ－Ｖｃｌ”だけピーク電圧が降圧し、図５のようにピーク電圧が＋Ｖｃｌに抑制される。図５において、実線は、整流回路２１が出力する電圧の波形でありピーク電圧抑制回路２３に入力される電圧の波形に相当する。破線は、ピーク電圧抑制回路２３が出力する電圧の波形を示す。ピーク電圧抑制回路２３が出力するピーク電圧抑制後の直流電圧は、逆流防止回路２４を経由して電流制限回路２５に到達する。

電流制限回路２５の制限抵抗Ｒ２に入力される電圧が、内部電源が必要とする電圧Ｖｃｃよりも大きい場合、制限抵抗Ｒ２は、入力電圧と電圧Ｖｃｃとの差分、すなわち、入力電圧から電圧Ｖｃｃを差し引いた電圧だけ、入力電圧が降圧するよう、逆流防止回路２４を経由して流れ込む電流を消費する。これにより、電流制限回路２５は、平滑回路２６の蓄電コンデンサＣ１に流入する突入電流を負荷３０が消費する電流Ｉｒｌとなるように抑制する。なお、制限抵抗Ｒ２の抵抗値は、蓄電コンデンサＣ１への突入電流の値および周波数に対し、制限抵抗Ｒ２および蓄電コンデンサＣ１で構成される回路の時定数が、突入電流を抑制するために十分な値となるように決定される。突入電流を抑制するために十分な値とは、突入電流により蓄電コンデンサＣ１に余剰に蓄積される電力が負荷３０で消費される電力以下となる値、すなわち、蓄電コンデンサＣ１の両端の電圧が一定値以下となる値である。制限抵抗Ｒ２および蓄電コンデンサＣ１で構成される回路の時定数は、蓄電コンデンサＣ１への突入電流の周波数および負荷３０が消費する電力の平均値に基づいて決定される。

一般的に、ピーク電圧抑制回路２３を通過した後の電圧のピーク値＋Ｖｃｌは、小さいほどリンギング波形のピーク電圧抑制効果を上げられる。しかし、ピーク電圧抑制回路２３による抑圧量を大きくして＋Ｖｃｌの値を小さくすると、差分電圧Ｖｐ－Ｖｃｌが大きくなるため、ピーク電圧抑制回路２３が動作時にツェナーダイオードＺＤ１に流す電流が増加し、大型の回路、または素子が必要となる。また、制限抵抗Ｒ２の抵抗値は、大きいほど突入電流を抑制できるが、制限抵抗Ｒ２による電圧の損失が大きくなってしまう。

ピーク電圧抑制回路２３および電流制限回路２５は、それぞれ単独でも蓄電コンデンサＣ１に流入する突入電流の抑制に効果を発揮するため、いずれか一方の回路を備えた構成とした場合でも、電圧モードの信号から生成する内部電源の電圧が過剰に上昇して部品が破損してしまうのを防止できる。しかし、ピーク電圧抑制回路２３と電流制限回路２５とを組み合わせることにより、ピーク電圧抑制回路２３を小型にでき、かつ電流制限回路２５の制限抵抗Ｒ２の抵抗値を小さくすることができる。制限抵抗Ｒ２の抵抗値を小さくできるため、制限抵抗Ｒ２による電圧損失を軽減することができる。この場合、制限抵抗Ｒ２および蓄電コンデンサＣ１で構成される回路の時定数は、負荷３０の消費電力に基づき、ピーク電圧抑制回路２３でピークが抑制された後のピーク電圧＋Ｖｃｌで決まる突入電流のピーク値および突入電流の周波数に対して十分な値となるように決定される。

このように、本実施の形態にかかる端末装置２は、中央処理装置１から出力される電圧パルスを整流して得られる直流電圧のピーク値を抑制するピーク電圧抑制回路２３と、直流電圧を平滑化する平滑回路２６に対する突入電流を制限する電流制限回路２５とを備える。これにより、平滑回路２６を構成する蓄電コンデンサＣ１に印加される電圧のピーク値を抑制することができ、内部電源の電圧が必要以上に上昇してしまうのを防止できる。また、端末装置２は、ピーク電圧抑制回路２３および電流制限回路２５により蓄電コンデンサＣ１に印加される電圧のピーク値を抑制するため、それぞれの回路が大きくなるのを防止できる。また、電流制限回路２５の制限抵抗Ｒ２における電圧損失を軽減することができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２にかかる端末装置の回路構成の一例を示す図である。実施の形態２にかかる端末装置２ａは、実施の形態１にかかる端末装置２のピーク電圧抑制回路２３を削除し、ピーク電圧抑制回路２７を整流回路２１の前段に備えるようにしたものである。端末装置２ａは、ピーク電圧抑制回路２７以外の構成は端末装置２と同様であるため、ピーク電圧抑制回路２７以外の構成については説明を省略する。

ピーク電圧抑制回路２７は、双方向のツェナーダイオードＺＤ２で構成される。ピーク電圧抑制回路２７は、伝送線ｓａおよび伝送線ｓｂから入力される±ΔＶの電圧パルスの電圧値が予め定められた一定値を超えた場合、一定値以下の電圧（±ΔＶｃｌ）となるよう抑制して出力する。

端末装置２ａの整流回路２１には、ピーク電圧抑制回路２７で電圧値が－ΔＶｃｌ～＋ΔＶｃｌの範囲に抑制された状態の電圧パルスが入力される。整流回路２１は、ピーク電圧抑制回路２７を介して入力される±ΔＶｃｌの電圧パルスを直流電圧に整流する。端末装置２ａに入力される入力される電圧モード信号の波形が図４に示したものである場合に整流回路２１から出力される電圧の波形は、図７に示したものとなる。なお、端末装置２ａでは、整流回路２１の前段においてピーク電圧抑制回路２７が電圧のピークを抑制するため、整流回路２１を構成するダイオードにおいて生じる損失の分だけ、図７に示した電圧波形のピークが図５に実線で示した電圧波形のピークよりも小さくなる。

本実施の形態にかかる端末装置２ａは、実施の形態１にかかる端末装置２と同様の効果を奏することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 中央処理装置、２ 端末装置、３ 交流電源、２０ 制御回路、２１ 整流回路、２２ 電流パルス出力回路、２３ ピーク電圧抑制回路、２４ 逆流防止回路、２５ 電流制限回路、２６ 平滑回路、３０ 負荷、１００ 信号伝送システム。

Claims (4)

1. ２本の伝送線を使用して中央処理装置が端末装置に対して給電を行いつつ、前記中央処理装置から前記端末装置へ前記伝送線の電圧極性を反転させながら制御信号の送信を行う信号伝送システムの前記端末装置であって、
   前記２本の伝送線を介して前記中央処理装置から伝送される電圧パルスを整流して出力する整流回路と、
   前記整流回路から出力される直流電圧が入力され、入力された直流電圧が予め定められた値を超えた場合に前記予め定められた値以下となるよう直流電圧を抑制して出力するピーク電圧抑制回路と、
   前記ピーク電圧抑制回路から出力される直流電圧を平滑化する平滑回路と、
   前記ピーク電圧抑制回路と前記平滑回路との間に設けられ、前記ピーク電圧抑制回路から前記平滑回路への突入電流を抑制する電流制限回路と、
   を備える端末装置。
2. ２本の伝送線を使用して中央処理装置が端末装置に対して給電を行いつつ、前記中央処理装置から前記端末装置へ前記伝送線の電圧極性を反転させながら制御信号の送信を行う信号伝送システムの前記端末装置であって、
   前記２本の伝送線を介して前記中央処理装置から伝送される電圧パルスの電圧が予め定められた値を超えた場合に前記予め定められた値以下となるよう前記電圧パルスの電圧を抑制して出力するピーク電圧抑制回路と、
   前記ピーク電圧抑制回路から出力される電圧パルスを整流して出力する整流回路と、
   前記整流回路から出力される直流電圧を平滑化する平滑回路と、
   を備える端末装置。
3. 前記平滑回路への突入電流を抑制する電流制限回路、
   を備える請求項２に記載の端末装置。
4. 前記平滑回路をコンデンサとし、
   前記電流制限回路を抵抗とし、
   前記コンデンサおよび前記抵抗で構成される回路の時定数は、前記突入電流の周波数と、前記コンデンサに蓄積された電力を消費する負荷の消費電力とに基づいて決定される、
   請求項１または３に記載の端末装置。

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