JP4729455B2

JP4729455B2 - フィルタ回路

Info

Publication number: JP4729455B2
Application number: JP2006221807A
Authority: JP
Inventors: 秀宏河野; 佳春秋山; 哲欣富永; 康郎木村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-08-16
Filing date: 2006-08-16
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2026-08-16
Also published as: JP2008048156A

Description

本発明は、電力線搬送通信において、意図しない伝送路上の信号の漏洩を防止し、また、商用電源線上を伝播する高周波電磁ノイズを除去するためのフィルタ回路に関する。

電力線搬送通信において、ある建物内の商用電源線上を伝送する電力線搬送通信の信号が、建物外部から引き込まれ当該商用電源線に接続される別の電源線上に非意図的に漏洩することや、当該商用電源線から電磁ノイズとなって漏洩することを防止し、電力線搬送通信のセキュリティ確保や電磁環境への影響を排除するために、信号漏洩防止が非常に重要である。

一方、家電製品等多くの電気・電子機器において、省電力化等の目的でインバータ制御方式の電源が採用されており、商用電源線上に様々な周波数成分を持つ高周波電磁ノイズが伝搬している。この高周波電磁ノイズが機器の動作に悪影響を及ぼす、放送受信に妨害を与えるといったことが問題になっている。

こうした信号漏洩防止や高周波電磁ノイズの影響を防止するために、商用電源線用のフィルタが用いられている。

従来の商用電源線用フィルタは、電源線にローパスフィルタやハイパスフィルタ等を挿入する方法が用いられている。これらフィルタは、例えば電力線搬送通信用ローパスフィルタやブロッキングフィルタにみられるように、電力線導体上のインダクタ（Ｌ）と、導体間のコンデンサ（Ｃ）で構成されるＬＣ共振回路や、信号の同相成分を除去するコモンモードチョークインダクタ等によって構成されている（特許文献１参照）。

図９は、従来のフィルタ回路のうち、線間及び同相成分の双方について、信号漏洩防止あるいは高周波電磁ノイズ除去を目的とした回路の構成例である。インダクタＬ１００、コンデンサＣ１０１及びコモンモードチョークインダクタＣＭＣ１０２により構成されている。この構成により、コモンモードノイズとノーマルモードノイズの両方のモードのノイズを濾波している。

図１０は、従来のフィルタ回路のうち、一つの導体と大地面を用いた信号伝送系において、信号漏洩防止あるいは高周波ノイズ除去を目的とした回路の構成例である。複数のインダクタＬ１０３及びコンデンサＣ１０４により構成されている。

図１１は、図１０に示した従来のフィルタ回路を更に発展させたものであり、線間の信号漏洩防止あるいは高周波電磁ノイズ除去を目的とした回路の構成例である。複数のインダクタＬ１０３及びコンデンサＣ１０４により構成されている。
特開平５−１２１９８８号公報

上述した従来技術においては、必然的に電力線搬送通信の信号あるいは高周波電磁ノイズのみならず、商用電源の電流もフィルタを構成する回路上を伝送することになる。そのため、電力線搬送通信信号あるいは高周波電磁ノイズのみを対象として漏洩防止を意図した場合でも、商用電源の電流容量を考慮して回路を構成する必要があった。

また、電源線の許容電流値はその太さによって決まり、銅の電線の場合、太さ約４ｍｍで許容電流容量が６１Ａとなってしまう。現状では一般家庭でも契約ブレーカの電流定格容量が６０Ａの場合があり、太さ約４ｍｍの銅線を用いてインダクタやコモンモードチョークインダクタを構成して、商用電源線上に十分大きなインピーダンスを装荷することになり、それらのインピーダンスを構成する素子の物理的な占有体積が大型化してしまう。

また、このようにフィルタを構成する素子が大型化してしまうため、フィルタ自身も大きくなることが避けられなくなってしまう。

また、限られたスペースに大きな値のインダクタやコモンモードチョークインダクタを構成するために、鉄等の磁芯が用いられるが、しかし、磁芯に大電流が流れた場合、磁気飽和によってインダクタンスが減少し、共振周波数のずれや同相信号除去効果の劣化を招くことや、太い導線を巻いているために、磁芯とインダクタ間の浮遊容量により、高周波においてインダクタのインピーダンスが低くなり、高周波における減衰特性を上げることが困難となってしまう。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、フィルタ回路に用いられる導線を細くしインダクタの大きさを小さくすることができ、
また、電力線搬送通信の信号減衰比あるいは高周波電磁ノイズの除去比を、バイパス回路及び主回路のインピーダンスの差によって決めることができ、主回路のインダクタを小さくしたフィルタ回路を提供することにある。

課題を解決するために、請求項１に記載の本発明は、商用電源周波数と異なる周波数の信号を前記商用電源周波数に重畳して通信を行う電力線搬送通信の伝送路に配置され、前記電力線搬送通信の信号と、前記商用電源に混入する電磁ノイズと、を共に遮断するために、入出力間の伝送路に直列に設けられるインダクタにより構成され、前記商用電源周波数を有する商用電源電流のみを遮断することなく通過させるための主回路と、前記入出力間の伝送路に直列に設けられるインダクタと抵抗との直列回路と、当該伝送路において相対する導体間に接続されるコンデンサとにより構成され、前記電力線搬送通信の信号および前記電磁ノイズのみを遮断するためのバイパス回路と、が並列に接続されたフィルタ回路において、前記商用電源周波数より高い周波数帯域における前記主回路と前記バイパス回路とのインピーダンスの比が略１００：１となり、かつ、前記電力線搬送通信の信号又は前記電磁ノイズの減衰量が所定の設定値となるように、前記主回路を構成するインダクタの値と、前記バイパス回路を構成するインダクタ、抵抗及びコンデンサの各値とが設定されている。

また、請求項２に記載の本発明は、請求項１において、前記電力線搬送通信の信号の減衰量が４０ｄＢ以上となるように、前記主回路を構成するインダクタの値と、前記バイパス回路を構成するインダクタ、抵抗及びコンデンサの各値とが設定されている。

また、請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２において、前記バイパス回路は、前記伝送路において相対する導体間に２つのコンデンサが直列に接続され、当該２つのコンデンサ同士の接続点が接地されている。

また、請求項４に記載の本発明は、請求項１〜３のうちのいずれかにおいて、前記コンデンサは、同等な静電容量を持つ過電圧防護素子によって構成されている。

また、請求項５に記載の本発明は、前記商用電源電流に対し、前記インダクタと前記抵抗および前記コンデンサの電力容量が所定の余裕度をもって設定されている。

本発明によれば、フィルタ回路に用いられる導線を細くしインダクタの大きさを小さくすることができ、
また、電力線搬送通信の信号減衰比あるいは高周波電磁ノイズの除去比を、バイパス回路及び主回路のインピーダンスの差によって決めることができ、主回路のインダクタを小さくしたフィルタ回路を提供することができる。

＜本発明の基本構成＞
図１に示すのは、本発明のフィルタ回路の実施の形態に係る、基本構成を説明するための説明図である。

この図１には、模式的に表現した商用電源の伝送路３と、インピーダンスＺ_ｍ５を有する主回路２と、インピーダンスＺ_ｂ４を有するバイパス回路１と、が示されている。このような基本構成において、商用電源の伝送路３には、例えば商用電源周波数として５０Ｈｚや６０Ｈｚといった周波数による交流が導通している。

また、伝送路３には電力線搬送通信のための信号が商用電源周波数に重畳されて導通している。この電力線搬送通信により商用電源などの電力線の伝送路３を介して通信を行っている。電力線搬送通信において用いられる周波数帯域は、商用電源周波数に比して例えば１〜３０ＭＨｚといった高い周波数帯域が割付けられている。

図示しない機器に対して電源供給のために商用電源に接続する場合などにおいて、その機器が電力線搬送通信に対応しておらず、むしろ電力線搬送通信の通信信号を必要としない場合は、この通信信号の機器に対する漏洩が問題となる。通信内容の秘匿の必要性もさることながら、機器の動作に対する影響を避けるために遮断する必要がある。また、こうした通信信号以外に、商用電源に混入する電磁ノイズなども同様に機器に対して影響を及ぼさないように遮断する必要がある。

そこで、本発明の実施の形態においては、主回路２に商用電源周波数を有する交流の電力を導通させている。同時にバイパス回路１には、先に述べた電力線搬送通信の通信信号や、あるいは電磁ノイズなどを導通させている。

ここで、主回路２のインピーダンスＺ_ｍ５は、商用電源周波数の周波数帯域（例えば５０Ｈｚや６０Ｈｚ）においてインピーダンス値が低くなるように設定されている。また、バイパス回路１のインピーダンスＺ_ｂ４は、電力線搬送通信の通信信号の周波数帯域（例えば１〜３０ＭＨｚ）においてインピーダンス値が低くなるように設定されている。図１に示すように、Ｚ_ｂ（ｆ）＜Ｚ_ｍ（ｆ）の関係を有し、このときｆは商用電源周波数よりも高い周波数帯域（例えば１〜３０ＭＨｚ）である。

次に、図２に示すのは図１にて示した本発明の実施の形態の基本構成を更に具体化し、変形した一つの例を示している。この図２において、図１に示した伝送路３に相当するのが端子ａ１０〜端子ｃ１２に繋がる導体と、および端子ｂ１１〜端子ｄ１３に繋がる導体と、の相対する一組からなる導体である。

また、バイパス回路１を構成するのは２つのインダクタＬ_１６と、２つの抵抗Ｒ８と、１つのコンデンサＣ９である。これらのインダクタＬ_１６と抵抗Ｒ８とコンデンサＣ９との組み合わせにより時定数回路が形成され、バイパス回路１のインピーダンスＺ_ｂ４が設定されている。

また、コンデンサＣ９は、相対する導体間を伝送する電力線搬送通信信号、あるいは電磁ノイズの漏洩の防止のために設けられている。なお、インダクタＬ_２７は主回路２のインピーダンスＺ_ｍ５を生成するために配置されている。

次に、図３に示すのは図１と図２に示した本発明の実施の形態の基本構成を変形した別の一例である。この構成においては、図２に示したコンデンサＣ９を２つ備え、それぞれのコンデンサＣ９の一端部をグランド１４に共に接地している。

こうした構成により、相対する導体間の電位中点とグランド（大地）１４との間に伝送する電力線搬送通信信号や高周波の電磁ノイズの同相成分の漏洩を防止することができる。

＜第１の実施の形態＞
図４は本発明の第１の実施の形態であるフィルタ回路の等価回路図である。これは主回路の入力インピーダンス（図１に示すＺ_ｍ５）とバイパス回路の入力インピーダンス（図１に示すＺ_ｂ４）の比がほぼ１００：１となり、かつ周波数１〜３０ＭＨｚの線間の電力線搬送通信の信号漏洩防止、あるいは高周波電磁ノイズ除去効果が４０ｄＢ以上となるように、インダクタＬ_１６、Ｌ_２７およびコンデンサＣ９、抵抗Ｒ８の値を決定したものである。

この図４においては、Ｌ_１６の値を１０ｎＨとし、Ｒ８の値を１Ωとし、Ｌ_２７の値を１μＨとし、コンデンサＣ９の値を１μＦとしている。

なお、このようなフィルタ回路において、コンデンサＣ９を当該コンデンサと同等な静電容量を持つバリスタ等の過電圧防護素子に置き換えることで、フィルタ回路の耐過電圧性能を向上させることができる。

図５は、図４に示したフィルタ回路の端子ａ１０とｂ１１間の入力電圧と、端子ｃ１２とｄ１３間の出力電圧の比をもって、当該フィルタ回路の電力線搬送通信の信号漏洩防止あるいは高周波電磁ノイズ除去効果を示したものである。周波数１〜３０ＭＨｚにおいて、入力電圧が４０ｄＢ以上減衰して出力されていることが示されている。

＜第２の実施の形態＞
図６は、本発明の第２の実施の形態である、フィルタ回路の等価回路図である。これは主回路の入力インピーダンスとバイパス回路の入力インピーダンスの比がほぼ１００：１となり、かつ周波数１〜３０ＭＨｚの線間の電力線搬送通信の信号漏洩防止、あるいは高周波電磁ノイズ除去効果が４０ｄＢ以上となるように、インダクタＬ_１６、Ｌ_２７およびコンデンサＣ９、抵抗Ｒ８の値を決定したものである。

この図６においては、Ｌ_１６の値を１００ｎＨとし、抵抗Ｒ８の値を１Ωとし、Ｌ_２７の値を１０μＨとし、コンデンサＣ９の値を１μＦとしている。

図７は、第１の実施の形態によるフィルタ回路と第２の実施の形態によるフィルタ回路のそれぞれについて、バイパス回路及び主回路を流れる電流の周波数特性を示したものである。

いずれの回路も、主回路は商用電源周波数の電流を伝送するが周波数１〜３０ＭＨｚの電流は伝送せず、バイパス回路は商用電源周波数の電流は伝送しないが周波数１〜３０ＭＨｚの電流は伝送している。

このようにバイパス回路と主回路の入力インピーダンスの比を固定し、それを満たすようにバイパス回路及び主回路を構成するインダクタ、コンデンサ及び抵抗の値を決定することで、同等の電力線搬送通信の信号漏洩防止あるいは高周波電磁ノイズの除去効果が得られることがわかる。

したがって従来の回路構成ではμＨオーダー以上のインダクタが必要であったのに対して、本発明では主回路とバイパス回路の入力インピーダンスの比が同じであれば、それぞれ回路のインダクタの値をｎＨオーダーにすることができる。これによりインダクタの大きさを小さくすることができ、小型のフィルタ回路を構成することが可能となる。

なお、この図７において、細実線２０は第１の実施の形態の主回路の周波数遮断特性を示し、中実線２２は第１の実施の形態のバイパス回路の周波数遮断特性を示している。同様に、点線２１は第２の実施の形態の主回路の周波数遮断特性を示し、太実線２３は第２の実施の形態のバイパス回路の周波数遮断特性を示している。

図８は、６０Ａの電流容量を有する商用電源フィルタ回路の仕様について、本発明の実施の形態に示した構成による回路と、従来技術に参照されるフィルタ回路（図中イおよびロ）に適用した回路とを比較したものである。同程度の信号漏洩防止効果及び同じ電流容量を有した回路を、従来技術と比較して約１０分の１の容積で実現できている。

以上説明した本発明の実施の形態によれば、商用電源の電流と、漏洩を防止したい電力線搬送通信の信号あるいは高周波電磁ノイズとを、インダクタ又は抵抗又はインダクタと抵抗の組み合わせで構成されるバイパス回路を用いて分離し、バイパス回路内に漏洩を防止する素子を有することを特徴とし、かつバイパス回路と主回路のインピーダンス差によって、電力線搬送通信の信号減衰比あるいは高周波電磁ノイズ除去比が決まることを特徴とするフィルタ回路を構成することができる。

また、漏洩を防止したい電力線搬送通信の信号あるいは高周波電磁ノイズをバイパス回路に、商用電源の電流を主回路に伝送させることで、バイパス回路に用いられる導線を細くしインダクタの大きさを小さくすることができ、その結果、小型のフィルタ回路を構成することが可能となる。

更に、バイパス回路及び主回路の、商用電源周波数におけるインピーダンス及び電力線搬送通信あるいは高周波電磁ノイズの周波数におけるインピーダンスの差によって、電力線搬送通信の信号減衰比あるいは高周波電磁ノイズの除去比を決められるので、主回路の伝送路上のインピーダンスを、従来の線間やコモンモードのフィルタと比較して小さくすることができる。これにより主回路のインダクタの値が小さくなり、主回路の大きさも小型化することができる。

すなわち、バイパス回路に関しては、電力線搬送通信の信号あるいは高周波電磁ノイズといった小電流しか流れないので、導線を細くすることができ、回路を構成するインダクタや抵抗を小型化することができる。

また、主回路の伝送路上のインピーダンスが小さいため、力率が悪化せず、省エネルギー、低発熱の効果がある。

本発明のフィルタ回路の実施の形態に係る、基本構成を説明するための説明図を示す。本発明のフィルタ回路の実施の形態に係る、基本構成を説明するための説明図を示す。本発明のフィルタ回路の実施の形態に係る、基本構成を説明するための説明図を示す。本発明のフィルタ回路の第１の実施の形態に係る、構成を説明するための等価回路図を示す。本発明のフィルタ回路の第１の実施の形態に係る、フィルタ特性を説明するための特性図を示す。本発明のフィルタ回路の第２の実施の形態に係る、構成を説明するための等価回路図を示す。本発明のフィルタ回路の第１および第２の実施の形態に係る、フィルタ特性を説明するための特性図を示す。本発明のフィルタ回路と従来技術によるフィルタ回路との物理的な大きさの比較を説明するための比較図を示す。従来の技術によるフィルタ回路を説明するための等価回路図を示す。従来の技術によるフィルタ回路を説明するための等価回路図を示す。従来の技術によるフィルタ回路を説明するための等価回路図を示す。

符号の説明

１バイパス回路
２主回路
３伝送路
４インピーダンスＺ_ｂ
５インピーダンスＺ_ｍ
６インダクタＬ_１
７インダクタＬ_２
８抵抗Ｒ
９コンデンサＣ

Claims

商用電源周波数と異なる周波数の信号を前記商用電源周波数に重畳して通信を行う電力線搬送通信の伝送路に配置され、前記電力線搬送通信の信号と、前記商用電源に混入する電磁ノイズと、を共に遮断するために、
入出力間の伝送路に直列に設けられるインダクタにより構成され、前記商用電源周波数を有する商用電源電流のみを遮断することなく通過させるための主回路と、
前記入出力間の伝送路に直列に設けられるインダクタと抵抗との直列回路と、当該伝送路において相対する導体間に接続されるコンデンサとにより構成され、前記電力線搬送通信の信号および前記電磁ノイズのみを遮断するためのバイパス回路と、
が並列に接続されたフィルタ回路において、
前記商用電源周波数より高い周波数帯域における前記主回路と前記バイパス回路とのインピーダンスの比が略１００：１となり、かつ、前記電力線搬送通信の信号又は前記電磁ノイズの減衰量が所定の設定値となるように、前記主回路を構成するインダクタの値と、前記バイパス回路を構成するインダクタ、抵抗及びコンデンサの各値とが設定されていることを特徴とするフィルタ回路。
前記電力線搬送通信の信号の減衰量が４０ｄＢ以上となるように、前記主回路を構成するインダクタの値と、前記バイパス回路を構成するインダクタ、抵抗及びコンデンサの各値とが設定されていることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ回路。
前記バイパス回路は、
前記伝送路において相対する導体間に２つのコンデンサが直列に接続され、当該２つのコンデンサ同士の接続点が接地されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフィルタ回路。
前記コンデンサは、
同等な静電容量を持つ過電圧防護素子によって構成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれかに記載のフィルタ回路。
前記商用電源電流に対し、
前記インダクタと前記抵抗および前記コンデンサの電力容量が所定の余裕度をもって設定されていることを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれかに記載のフィルタ回路。