CN1316520C - 用于发送和接收信号的脉冲变压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于发送和接收信号的脉冲变压器。为了把次级线圈加工成一个包含电容器元件的线圈，本发明的用于发送和接收信号的脉冲变压器包括第一电容器电极，与第一电容器电极相对的第二电容器电极，一个放置在第一电容器电极和第二电容器电极之间并且与第一和第二电容器电极相连的电介质或绝缘体，以及第一和第二引线。第一和第二引线中每个分别连接到第一和第二电容器电极上，用于执行电力线的功能来发送信号或者连接到电力线上。根据本发明，通过在变压器的输入和输出部分使用一个电容器元件，在发送和接收一个脉冲信号时，能够通过升高内部阻抗来大幅减小输电线上的信号衰减和噪声效应。

Description

用于发送和接收信号的脉冲变压器

技术领域

本发明涉及一种用于发送和接收信号的脉冲变压器，尤其涉及一种用于发送和接收信号的脉冲变压器，该脉冲变压器通过使用一个变压器来减少传输线上的信号衰减和噪声效应，该变压器在信号输入/输出部分具有电容器元件，并且获得高阻抗。

背景技术

电力线通信(PLC)技术是一种采用提供电力的电力线作为媒介，在几百kHz到几十MHz信号上加载声音和数据的通信技术。当应用PLC技术时，可以实现家庭网络、信息化家电、电力网络管理等等，并且与其相关的一些工业还希望提供新服务和激发潜在的市场。特别是，应用PLC的高速接入技术和使用家庭网络的低速控制技术被国内外通信公司或者电力服务公司认为是下一代通信技术。

与使用通信电缆或光纤的数据传输相比，由于PLC使用电力线作为媒介，所以其实现数据传输就困难许多。特别是，PLC需要克服诸如高负载、干扰、噪声、可变阻抗和信号衰减等独特环境，并且通过有限的电力线来传输数据。如果使用电力线作为通信媒介，就应该提供能够移去各种噪声的技术。

为此，在短距离和长距离数据发送和接收过程中，将一种用于发送和接收信号的变压器作为中间转发装置使用。但是，当该数据转发器以几十MHz或几百MHz工作时，这种变压器的典型结构对于长距离数据传输具有局限性。也就是说，在传统脉冲变压器中，由于其内阻是通过初级和次级线圈的缠绕圈数来实现和限制，所以在几百米的数据传输中就会发生上述技术困难。

发明内容

因此，本发明的一个目的就是提供一种用于发送和接收信号的脉冲变压器，当需要电子电路或者在部分电路中的绝缘结构的阻抗匹配以及长距离发送和接收一个电子信号时，通过使用在信号输入/输出部分上具有电容器元件的变压器，来最小化线圈缠绕次数，并获得高阻抗，从而用来减少传输线上的信号衰减和噪声效应。

为了实现上述目的，根据本发明，提供一种用于发送和接收信号的脉冲变压器，该变压器包括一个用作输入电源的线圈以及第一和第二电容器电极。其中，第一和第二电容器电极被放置在远离线圈的地方，并且被电磁感应。第一和第二电容器电极都是单体的，但是其间利用电介质或绝缘体彼此电气分离，用来执行电力线的功能以发送信号或者形成一个连接到电力线的引线。优选地，第一和第二电容器电极都缠绕成线圈形状。

为了实现上述目的，根据本发明的其它方面，提供一种用于发送和接收信号的脉冲变压器，该变压器包括在初级线圈一侧的初级线圈和在次级线圈一侧的次级线圈，其中利用初级线圈来电磁感应次级线圈。为了把次级线圈制造成一个包含电容性元件的线圈，次级线圈包括：第一电容器电极；与第一电容器电极相对的第二电容器电极；一个电介质或绝缘体，其放置在第一电容器电极和第二电容器电极之间并且连接到第一和第二电容器电极；以及第一和第二引线。第一和第二引线中每个分别连接到第一和第二电容器电极上，用于执行电力线功能来发送信号或者与该电力线相连。

此时，第一和第二电容器电极是线形或者板形。

其中，当第一和第二电容器电极都缠绕成线圈形状时，将电介质或绝缘体有选择地放在第一电容器电极或者第二电容器电极的暴露侧来防止第一和第二电容器电极短路。

附图简述

通过结合参考附图对本发明作更加详细地描述，以上目的、功能和本发明的优点都将变得更加明显，其中：

图1是一个示意图，描述了在电力线上的发送端和接收端包括的脉冲变压器的示意图，该脉冲变压器用于发送和接收信号；

图2是在发送端的用于发送和接收信号的脉冲变压器的等效电路图；

图3是在接收端的用于发送和接收信号的脉冲变压器的等效电路图；

图4是A的等效串联谐振电路图；

图5示出了根据本发明第一实施例的用于发送和接收信号的脉冲变压器的结构；

图6示出了根据本发明第二实施例的用于发送和接收信号的脉冲变压器的结构；

图7示出了第二实施例中B的结构；

图8示出了第二实施例中B的另一结构；

图9示出了一个描述本发明的用于发送和接收信号的脉冲变压器的一个应用实例的示意图。

实施本发明的最佳方式

结合附图对本发明的优选实施例进行描述。

图1是一个示意图，描述了在电力线的发送端和接收端上包含的用于发送和接收信号的脉冲变压器。如图1中所示，一个用于发送和接收信号的脉冲变压器10被安置在发送端的预定区域，一个用于发送和接收信号的脉冲变压器20被安置在接收端的另一预定区域。其间使用220V、60Hz的常用交流电压。当然，从变电站变压器提供给普通房屋和工厂的电压可以更高。

图2是在发送端的用于发送和接收信号的脉冲变压器的等效电路图。如图2中所示，在发送端的用于发送和接收信号的脉冲变压器包括在初级线圈一侧的初级线圈L1和在次级线圈一侧的次级线圈L2和第三线圈L3。在次级线圈一侧的次级线圈L2和第三线圈L3被放置得很接近但彼此分离，并相互耦合而成电容器C1。图3是在接收端的用于发送和接收信号的脉冲变压器的等效电路图。如图3中所示，在接收端的用于发送和接收信号的脉冲变压器包括在初级线圈一侧的第六线圈L6和在次级线圈一侧的第四线圈L4和第五线圈L5。在次级线圈一侧的第四线圈L4和第五线圈L5被放置得很接近但彼此分离，并相互耦合而成电容器C2。

图4是A的等效串联谐振电路图。如图4中所示，可以通过从一个电压感应出一个混合串联谐振值X_L+X_C而得到输出端的Q值，即电压增益，该电压通过使得在次级线圈一侧形成电容器，按照预定频率从该电容器自身感应得到。

图5示出了根据本发明第一实施例的用于发送和接收信号的脉冲变压器的结构。如图5中所示，电介质104形成在第一电容器电极100和第二电容器电极102之间。在第一和第二电容器电极100，102上分别形成第一引线106和第二引线108。将铜线110如同线圈一样按照预定间隔缠绕在第一和第二电容器电极100，102上。因此，由铜线形成的、在变压器上缠绕一次的线圈执行与变压器的初级和次级线圈一侧相应的动作。

结合图1到图5对这些根据本发明的动作进行描述。

当在图1中的发送端和接收端上的用于发送和接收信号的脉冲变压器10和20之间发送一个模拟信号时，如果将一个信号电压加在图2中的初级线圈L1上，则在次级线圈一侧的C1上会感应出一个与线圈的缠绕圈数成正比的感应电压。此时，根据图5的结构，由于两个电极端都示出了一个线圈效应，因此，感应出一个与该线圈对应的电压。电容器的电容小到只有100pF，而内阻约为几MΩ。在图1中的接收端上的用于发送和接收信号的脉冲变压器20接收的一个信号，在图3中的第六线圈L6中会感应出一个感应电压。如图1中所示，发送端和接收端的用于发送和接收信号的脉冲变压器10和20之间的两条线是电力线，该电力线使用常用的220V交流电压。因此，当在发送端和接收端的用于发送和接收信号的脉冲变压器10和20之间发送和接收一个高频信号时，在发送端和接收端的用于发送和接收信号的脉冲变压器10和20上的电容器C1和C2，分别得到脉冲变压器的耐久性，其基本上和绝缘体的绝缘电容相同。在电容器内部直接产生的电压与下式表述的一个阻抗成正比：

$X_C=\frac{1}{2\mathrm{\πfc}}---\left(1\right)$

根据上式，当频率越高时，阻抗的输出就越容易。因此，对于220V、60Hz的交流电压，输出为高阻抗。实际上，当在220V交流电压上携带高频信号时，对于220V、60Hz的并联结构，需要如下式所述的高阻抗：

X_L＝2πfL    (2)

如果电抗相对较高，高频信号的作用就变小，于是用于输入和输出信号的脉冲变压器就失去作用。如果使用本发明的脉冲变压器，在发送端和接收端上的用于发送和接收信号的脉冲变压器10和20之间的内阻变成几MΩ。因此，以下一些典型的负面效应就会得到改善。

也就是，最小化信号衰减。当第一部分，即发送端的用于发送和接收信号的脉冲变压器10的内阻变大时，就更容易传输长距离的信号。而且，将电压发送到图1中所示接收端的用于发送和接收信号的脉冲变压器20，也就是图3中的C2，该电压的噪声沿着长距离有相当大的降低。这就是电力线通信的关键点。也就是说，通过维持长距离传送，可以维持强信号而没有衰减，并且不受伴随交流电线的噪声的影响。

图6示出了根据本发明第二实施例的用于发送和接收信号的脉冲变压器的结构。如图6中所示，用于发送和接收信号的脉冲变压器包括在初级线圈一侧的初级线圈和在次级线圈一侧的次级线圈和第三线圈，所述线圈形成在一个层状铁芯的周围。本发明第二实施例就是把图5中的第一和第二电容器电极应用在变压器的典型结构中，与图5中的相比，就是将其作为一种线圈类型应用在次级变压器中。根据不同的应用，按照合适地频率来缠绕第一和第二电容器电极的耦合材料缠绕。它们也具有成对或者多个输入输出的形式。

图7示出了第二实施例中B的结构。参见图7，能够在图6中次级线圈一侧应用的B结构具有彼此面对的长板形金属，第一和第二金属板200、202；电介质204或绝缘体204，其形状与两个金属板200、202相同并且插在它们之间；第一和第二引线206、208，其分别地连接到两个金属板200、202上。于是，形成了与图6中缠绕在层状铁芯上的线圈一样的形状。当按照线圈形状缠绕成时，由于按照不同的缠绕方法，两个金属板200、202可能会短路，所以可以在两个金属板200，202的暴露面上附加上电介质210或绝缘体210。

图8示出了第二实施例中B的另一结构。如图8中所示，第一金属板300、第二金属板302、电介质304或绝缘体304、第一引线306和第二引线308的形成与图7中的每个相似或者相同。与图7相比较，唯一的区别是第二实施例的单位长度上的面积更大。也就是说，它的长度T足够把层状的铁芯卷起来。如图7中所示，由于按照不同的缠绕方法，两个金属板300、302可能会短路，所以可以在两个金属板300、302的暴露面上附加上电介质310或绝缘体210。

结合图6到图8对根据实施例的动作进行描述。

本实施例具有使用于发送和接收信号的脉冲变压器的内阻无条件升高的结构，而无论初级和次级线圈的缠绕圈数。例如，当线圈在直径10mm的多孔线轴缠绕40次仅能得到100mH的感应值时，在几十MHz的高频可以得到6.2kl的感应电抗。

相反，当制造一个具有根据本发明在图7或图8中所示的结构的变压器时，在同等条件下该变压器能够获得相对更高的阻抗。就是说，如图7和图8中所示，当在两个平面导电薄膜之间形成由电介质或绝缘体构成的电容器时，如同线圈在直径10mm的多孔线轴上缠绕40次一样在电容器周围缠绕次级线圈，然后在导电薄膜的两端分别安装电极，电容器就会反复地充电和放电，此电压与缠绕圈数成正比。同时，在单一物体比如具有X_L+X_C的组合电路中实现与线圈缠绕圈数相对应的感应电抗。此时，由于电容器放电的一个特征值和一个无限外部电阻(infinite external resistor)相等，可以实现具有几个或更多MΩ内阻的次级线圈一侧的输出结构。其与图4中等效的等效值N₂和C₁由下式来决定。

$\mathrm{\τr}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\×\mathrm{LC}}---\left(3\right)$

如式(3)所示，可以计算出与预定频率对应的串联谐振频率，并且按照下式所述来放大电压增益。

$Q=\frac{\mathrm{VL}}{V}=\frac{\mathrm{VC}}{V}=\frac{\mathrm{Wr}}{R}=\frac{1}{\mathrm{WrcR}}=\frac{1}{R}\×\frac{L}{c}---\left(4\right)$

由于在次级线圈一侧的信号可以大于在初级线圈一侧的信号而且其值与线圈的缠绕圈数成正比，所以它就可以用来实现在预定频率下的放大器的功能。

图9是一个示意图，描述了本发明的用于发送和接收信号的脉冲变压器的一个应用实例。如图9中所示，通过在多孔线轴上缠绕初级线圈N1一侧的初级线圈40次，和在多孔线轴上缠绕次级线圈N2一侧的单体的次级和第三线圈40次，允许绝缘体可以容忍在交流电压1000V时的绝缘电容并且形成一个100pF的电容器，从而来构成脉冲变压器。如果在220V、60Hz交流电压的电力线上的初级线圈N1一侧应用几MHz的频率，由于与P1和P2相连的次级线圈侧N2的绝缘体的绝缘电容足够，那么任何其它可以承受交流电压的高频信号都可以被应用于交流电力线上。

虽然结合了具体优选实施例对本发明进行了说明和描述，但是本领域的熟练技术人员应该明白，在不背离所附权利要求书规定的本发明的实质与范围的情况下，可以进行各种不同形式和细节的修改。

如上所述，根据本发明的用于发送和接收信号的脉冲变压器在变压器的输入和输出部分使用了一个电容器元件，通过升高内阻，使得在发送和接收一个脉冲信号时，传输线上的信号衰减和噪声效应能够大幅减小。另外，例如小于1V的信号，它能够确保该信号的高可靠性，而且，通过把次级线圈处理成具有承受高电压功能的电容器，它可以非常容易地安装到电力线上。

Claims (6)

1、一个用于发送和接收信号的脉冲变压器，包括：

一个线圈，用于输入功率；和

第一和第二电容器电极，其被放置在远离线圈的地方并且和线圈发生电磁感应，所述两个电容器电极都是单体的，且通过一个电介质或绝缘体来彼此电气分离，所述两个电容器电极执行电力线的功能，以发送信号或者形成各个与所述电力线相连的引线。

2、如权利要求1所述的脉冲变压器，其中所述第一和第二电容器电极被缠绕成线圈形状。

3、一个用于发送和接收信号的脉冲变压器，包括在初级线圈一侧的初级线圈，和在次级线圈一侧的次级线圈，所述次级线圈由所述初级线圈来电磁感应，为了把所述次级线圈加工成一个包含电容器元件的线圈，所述次级线圈包括：

第一电容器电极；

第二电容器电极，其面对所述第一电容器电极；

一个电介质或绝缘体，其放置在所述第一电容器电极和所述第二电容器电极之间且连接到所述第一和所述第二电容器电极；以及

第一和第二引线，每个分别连接到所述第一和第二电容器电极上，用于执行电力线的功能，以发送信号或者连接到所述电力线上。

4、如权利要求1或3所述的脉冲变压器，其中所述第一和所述第二电容器电极成线形。

5、如权利要求1或3所述的脉冲变压器，其中所述第一和所述第二电容器电极成板形。

6、如权利要求2或3的用于发送和接收信号的脉冲变压器，其中将所述电介质或绝缘体有选择地放在所述第一电容器电极或者所述第二电容器电极的暴露侧，以防止在缠绕成线圈形状时，所述第一和所述第二电容器电极短路。

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