KR102333914B1 - 극성전환 전력선 통신 - Google Patents

Abstract

기존 위상각 제어 교류전력선 통신의 전력 단절의 방법대신 릴레이나 각종 전력반도체 소자를 이용하여 전력선의 차동 전압 레벨의 '극성전환(교류의 경우 180도 위상 시프트를 일으키는 조작)' 패턴에 데이터를 맵핑하여 통신하면 전력 단절이 없고 높은 전압 구간을 활용할 수 있어 교류전압 파형 한 주기 내에서 여러 비트를 전송도 가능하면서도 외부 잡음에 강하고 통신속도가 빠른 전력선 통신을 할 수 있다. 이는 기존 고전적 콘덴서 커플링 방식의 전력선 통신과 장거리의 위상각 제어 교류 전력선 통신의 단점을 해결할 수 있다. 직류 전력선 통신으로 활용하여도장점을 얻을 수 있고 릴레이를 사용하여 간단하게 수행하는 전력전송 효율이 높은 새로운 전력선 통신이다.

Description

극성전환 전력선 통신{ Power Line Communication with Polarity switching}

하나의 전력선로를 이용하여 원격지에 전력을 전송함과 동시에 데이터, 제어 명령, 정보를 전송하는 전력선 통신은 전송하는 전력에 따라서 교류전력선 통신과 직류전력선 통신으로 구분할 수도 있다. 교류를 전송한 뒤 수신 측에서 이를 직류로 변환하거나 그 반대도 가능하므로 이 구분은 전달된 후 수신 측 최종 부하에서 사용되는 전력 형태보다는 전력선으로 인가되는 전압의 파형에 따라 결정될 것이다.

전력선 통신은 보통 RF(Radio Frequency) 대역의 반송파(Carrier wave)를 통신정보로 변조(modulation)한 후 콘덴서(condenser)를 통하여 50/60Hz의 교류전력에 커플링(coupling) 하는 고전적인 콘덴서 커플링 방식의 교류전력선 통신을 많이 사용하며 일부 교류 전력의 전압 파형의 제로크로싱(zero crossing) 부근의 전위를 반도체 스위칭 소자로 단절시켜 파형을 변형한 패턴에 데이터를 맵핑하는 위상각 제어(phase angle control)하는 교류 전력선 통신이 있다.

직류 전력선 통신 방식은 평탄한 직류에 RF 대역의 반송파를 전송 신호로 변조하여 커플링 하는 고전적인 콘덴서 커플링의 직류 전력선 통신(예컨대 PoC: Power over Coaxial), 직류전력 라인의 전압 레벨이 변동되는 패턴에 데이터를 맵핑하는 방식, 두 전선의 전압의 상대적인 고저 변동 패턴에 데이터를 맵핑하는 방식, 또는 통신용 여분의 선로를 이용하여 전력전송을 수행하는 PoE(Power over Ethernet) 등이 있다.

본 발명은 기존 전력선 통신보다 간단한 회로로 구성되는 것이 큰 특징인데 반송파를 변조하여 커플링 하는 복잡한 방식을 사용하지 않고 교류의 제로크로싱과 무관하게 또는 제로크로싱 부근을 의도적으로 회피하여 전력선의 교류전압 파형을 변형하여 통신하는 방법으로 기존 위상각 제어 전력선 통신이 가졌던 에너지 단절 구간이 발생하고 신호 Level이 낮아 통신이 불안정하며 낮은 통신속도를 가지는 문제점을 해소하는 전력선 통신에 관한 것이다.

고전적인 콘덴서 커플링 교류 전력선 통신은 수십 kHz 이상의 고주파 RF 대역의 반송파를 송신 정보에 따라 변조한 후 50/60Hz의 교류 전력선에 콘덴서나 RF 변압기 등으로 커플링 하여 중첩(superimpose)한다. 이 반송파에 OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) 등 다양한 변복조 기술을 적용할 수 있다. 대표적으로 관련 통신 표준으로 IEEE 1901이 있고 US 2013/0101057 A1(2013.04.25), US 7,307,511 B2 (2017. 12.11) 등 수 많은 특허가 존재한다.

고전적인 콘덴서 커플링 교류 전력선 통신은 고주파의 변조 신호를 사용하므로 많은 양의 데이터를 고속으로 전송하는 데 유리하나 변조된 반송파가 불필요한 곳까지 전달(propagation)되는 것을 막기 위해 고비용의 블로킹 필터(blocking filter)가 필요한 단점이 있고 고주파의 변복조를 위한 높은 사양의 모뎀기술을 요구한다.

무엇보다도 선로의 임피던스 매칭(impedance matching) 문제로 통신 안정성이 공기를 매질로 하는 무선 RF 통신과 비교하여도 떨어지며 이를 해소하기 위해서는 전력선의 가설 및 운용에 엄격성이 요구되고 이에 비용을 요구하는 기술이어서 시장성이 낮아 기술 확산이 정체된 상태다.

위상각 제어 교류 전력선 통신의 경우는 변조된 반송파를 커플링 하지 않고 대신 교류 전류의 제로크로싱 부근의 전압을 반도체 스위치 소자로 스위칭하여 전력을 단속하는데 전력이 단절될 경우 선로 사이의 임피던스로 전류가 흘러 단속 직전의 전위로부터 단절된 이후의 회로 특성에 따라 주로 0V의 전위로 하강하게 되며 그 변경 패턴에 데이터를 전송하는 것이다. 에너지의 단절을 줄이기 위해서는 필수적으로 교류 파형의 제로크로싱 부근을 정확히 사전에 검출할 수 있어야 하고 제로크로싱 부근 낮은 전압의 위상 구간(phase interval)을 신호 위상 구간(signal phase interval)으로 하여 그때만 전력을 단절하는 스위칭을 할 수 있는데 대표적인 발명으로 한국특허 10-132604 B1 (2013.10.31), 한국특허 10-1206386 B1 (2012.11.23.)이 있다.

제로크로싱 부근의 낮은 전압의 위상 구간의 전압을 신호 레벨로 활용하여 데이터 맵핑에 활용하는 경우 단점으로서는 교류 사인파(sine wave)는 제로크로싱 부근 위상 구간은 전압이 낮고 그 미분 값인 변동률(기울기)은 매우 큰 구간이므로 제로크로싱 부근의 신호 위상 구간을 매우 좁게 설정한 경우는 매우 정확하게 제로크로싱 부근을 검출해야 하는 부담이 있다.

교류의 제로크로싱 부근 좁은 신호용 위상 구간은 사인파의 전압으로 표현되는 신호 범위(Signal Range)는 작은 구간이므로 외부 잡음(noise)에 영향을 받기 쉽고 파형의 기울기는 매우 큰 구간으로 제로크로싱 시점의 오차가 신호 값의 크기를 크게 바꾸므로 제로크로싱 검출에서 높은 정확도를 요구한다.

외부 잡음에 대한 통신 신뢰성을 높이기 위해서 신호 범위를 확대할 목적으로 신호 위상 구간을 제로크로싱 주변에서 넓게 잡는 경우는 스위치 Off 할 때 부하에 공급되는 전력 전달이 차단되는 구간이 증가하는 문제가 발생하고 스위치가 Off된 경우에도 단절된 부하측의 회로 특성에 의하여 전위의 변화가 빨리 0V로 수렴하지 않아 통신 에러 발생의 요인이 된다.

한편 직류 전력선 통신을 살펴보면 공지기술로서 일본 파나소닉사에서 공개한 Full-2way와 같은 기술이 있으나 부하전력 전송 용도가 아닌 통신 수신부 구동 전력전송용으로서 구동하는 집적회로의 한계인 24V 500mA (12W) 이하의 낮은 전력 전달 용도의 기술이며 이는 기존의 차동통신 전기신호의 전압과 전류를 일정이상 키워서 수신측으로 전력을 전달하지만 대전력을 사용하는 전기부하가 사용하는 최종 전력을 전달하는 일반적인 전력선통신과 목적이 다르다.

두 전선의 전위를 상대적인 높낮이로 정의되는 ’극성‘을 스위칭하는 패턴에 데이터를 맵핑하여 직류전력을 전송하는 기술로는 KR 10-1745779(2017.06.02)가 있으나 직류전력을 전송하는 용도의 기술로서 본 발명의 교류 전력 전송과는 구분되고 본 발명의 직류전력 전송보다는 복잡하거나 전력전송효율이 낮은 구성이다. 또한, 교류 직결형 LED 조명과 같이 교류 전력을 부하에 직접 사용하는 경우의 부하전력 제어용 통신 용도로는 적합하지 않다. 특히 상용 교류 전력을 그대로 사용하지 못하고 전원 어댑터 또는 SMPS(Switched Mode Power Supply)와 같은 교류를 직류로 변환하는 직류전원장치를 송신 측에 두어야 하는데 큰 부피를 차지하므로 기존 가정의 누전차단기(earth leakage breaker)와 과전류 차단기 등이 위치하는 전기 분전반과 같은 좁은 공간에 전력선 통신의 송신 시스템을 내장하기에 곤란한 점이 있으며 SMPS와 같은 전원장치는 전해콘덴서 내장이 필수이므로 전해액 누설에 따른 고장이 빈번할 수 있고 발열에 따른 공기 순환이 필요하므로 소음이 발생하는 팬이 장착되고 일정 크기의 대류 공간이 필요하여 실용화에 문제가 있다.

US 2013/0101057 A1(2013.04.25) US 7,307,511 B2 (2017. 12.11) KR 10-132604 B1 (2013.10.31) KR 10-1206386 B1 (2012.11.23) KR 10-1745779 B1 (2017.06.02)

IEEE Standard for Broadband over Power Line Networks: Medium Access Control and Physical Layer Specifications (2010.12.30, IEEE)

기존 고전적인 콘덴서 커플링 방식의 교류 전력선 통신은 고속통신의 장점이 있는 데 반해 변조된 반송파를 불필요한 선로로 유입을 차단하는 블로킹 필터가 필요한 문제와 통신의 안정성을 위해 선로의 임피던스 매칭을 위한 엄격한 시공과 유지보수에서의 비용의 문제가 있다. 상대적으로 저속의 제어용 통신으로 위상각 제어 교류 전력선 통신이 있으나 교류의 제로크로싱 부근의 위상 구간에 1비트씩 데이터를 맵핑하므로 120bps 정도의 낮은 통신속도 문제와 전력 단절을 피하고자 제로크로싱 부근은 낮은 전압의 신호 레벨로 외부 잡음에 취약한 문제가 있다.

본 발명은 멀티미디어 스트리밍 정보와 같은 고속통신을 위한 것이 아니므로 고전적 콘덴서 커플링 방식은 논의하지 않고 기존 위상각 제어 교류 전력선 통신 기술의 단점을 해소하는 것을 중심으로 설명한다.

기존 위상각 제어 교류 전력선 통신은 교류전압 파형의 제로크로싱 지점을 검출하고 그 부근 신호 위상 구간에서 외부 스위치로 전력을 스위칭하여 전압 파형을 변형하고 그 패턴에 데이터를 맵핑한다. 예컨대 가장 간단한 예로 제로크로싱 부근의 신호 위상 구간에서 정상적인 교류 사인파의 파형이면 '0'이고 스위치를 동원하여 전력이 단절되어 전압이 0V로 불안정하게 수렴하는 구간이 커지면 '1'로 맵핑하는 방식으로 제로크로싱마다 1비트씩 동기 통신을 수행하는 것을 들 수 있다. 제로크로싱 주변의 신호 위상 구간에서는 전압이 높지 않으므로 신호가 불안하며 멀티드롭 버스 방식으로 수신부가 추가될 때마다 이들은 병렬 구성이므로 전체 선로 임피던스는 낮아지고 연결된 수신부가 적으면 선로 임피던스는 높아진다. 스위치로 단절하는 구간 즉 신호 위상 구간에서의 전위가 0V로 불안정하게 수렴하는 시간적 변화 양상도 크게 달라지며 선로 임피던스가 일정 크기 이상이므로 부하를 스위칭하는 내부 또는 외부에서 잡음이 쉽게 유입될 수 있어 통신이 불안정해진다.

교류전력의 전압은 사인파이므로 제로크로싱 부근의 값은 매우 낮고 그 미분치인 변화율(기울기)은 매우 큰 값을 갖는다. 따라서 제로크로싱 주변은 조금의 위상차에 따라 신호 전압의 값은 큰 차이를 갖는다. 따라서 매우 정확하게 제로크로싱 지점을 예측하여야 하는 부담이 있고 제로크로싱 부근은 전압값 자체가 낮으므로 외부의 유입되는 잡음에 신호가 영향을 받아 통신의 안정성이 문제가 된다.

이를 해결하기 위해서는 신호의 전압 레인지가 크도록 신호 위상 구간의 범위를 확대하면 되나 해당 큰 구간의 전력전송이 되지 않는 문제가 있고 제로크로싱 지점에 동기되어 1비트씩 데이터를 전송하는 동기식 통신 방식이므로 상용 교류 전력의 주파수에 한정되어 통신속도가 제한되는 단점이 있다.

본 발명은 기존 고전적 콘덴서 커플링 방식의 교류 전력선 통신과 다른 방식으로서 기존 위상각 제어 전력선 통신의 문제점을 해결하고자 한다. 특히 구성이 간단하여 비용이 적고 신뢰성이 높은 통신 방식을 구현하는 것을 목적으로 하며 교류의 경우 기존 위상각 제어 교류 전력선 통신에서는 제로크로싱 부근의 위상 구간을 통신에 사용하는 데 따른 120bps 정도의 낮은 통신속도 문제점을 해소하는 것이다.

낮은 통신속도로도 충분한 경우 스위칭 소자에 릴레이(Relay, 계전기)를 사용하여 간단하게 구성하고 고속제어가 가능한 반도체 스위칭 소자에서의 높은 통신속도를 구현하고자 한다. 특히 릴레이는 전원이 직류인 경우에도 아주 쉽게 사용할 수 있다.

결국, 전력선 통신의 수신측에 연결되는 조명, 모터, 액추에이터, 가전기기, 전기기기, 정보기기와 같은 '사용전력부하'에 부하 전력전송공급과 데이터 전달, 또는 부하사용제어를 기존 방식보다 경제적이고 전력손실이 없으며 높은 통신속도로 신뢰성 높게 수행하는 것이 최종 해결 과제다.

송신측은 직류 또는 교류전원과 '송신측전원입력단'으로 연결되고 '연결선로'와 '송신측출력단'으로 연결된다.'송신측출력단'의 두 단자 사이의 전압은 직류전원의 경우는 평탄한 일정값을 유지하고 교류전원의 경우 50/60Hz의 주기로 180도 위상마다 (+)에서 (-)로 바뀐다. 전압이 (+)인 것을 (+)극성, (-)인 것을 (-)극성이라 정의하면 교류전원은 50/60Hz의 주기로 (+)극성과 (-)극성을 반복함을 알 수 있다.

전원이 직류인 경우도 같은 방식으로 극성을 정의하면 (+)극성 또는 (-)극성이 지속해서 유지되는 특징이 있다.'송신측전원입력단'과‘송신측출력단’사이에 적절한 스위칭 수단을 매개한 뒤 이를 조작하면 '송신측출력단’양 단자의 전위가 서로 바뀌어서 극성이 바뀌고 교류전원을 사용하는 경우는 사인파의 교류 파형의 위상이 180도 시프트된다. 이처럼 극성이 반대의 것으로 전환되며 교류의 경우 위상이 180도 시프트가 동반되는 것을 '극성전환(polarity switching)'이라 정의한다. ([도 1])

송신측에서 '극성전환'을 일으킬 수 있는 스위칭하는 수단은 다양한데 이를 '송신측스위칭부'라 한다. '송신측스위칭부'는 릴레이, SSR(Solid State Relay), 트라이액(Triac), 또는 2개의 모스펫(MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect transistor)을 캐스케이드(cascade)로 연결한 'Dual MOSFET Cascade'와 같은 '양방향스위칭소자'로 H-Bridge 회로를 구성한 것이나 DPDT(Dual Pole Dual Throw)로 구성된 단일 릴레이일 수도 있고 트랜지스터(Transistor), 모스펫(MOSFET), SCR(Silicon Controlled Rectifier,실리콘제어정류기), 또는 IGBT(Insulated gate bipolar transistor, 절연 게이트 양극성 트랜지스터)와 같은 ‘단방향스위칭소자’로 구성한 H-Bridge 회로일 수도 있다. 구체적으로 H-Bridge 회로의 경우 2개의 Half Bridge로 구성이 될 수 있고 P-Channel 또는 N-Channel의 소자 4개로 구성이 되거나 P-Channel과 N-Channel 소자의 조합에 의하여 구성할 수도 있다. 이들 스위칭 소자의 Gate 절연과 드라이버를 위한 다양한 방법이 동원될 수 있다.

전원이 직류일 때 '단방향스위칭소자'는 '직류스위칭소자'가 된다. 이들‘양방향스위칭소자','단방향스위칭소자','직류스위칭소자'는 위에서 언급된 것에 한정하지 않고 전류의 흐름 방향으로 구분하여 릴레이 또는 전력반도체로서 스위칭 수단인 것은 모두 포함할 수 있다.

'단방향스위칭소자'로 H-Bridge 회로를 구성하고 전원이 교류일 때 교류전원을 H-Bridge의 전원으로 사용하려면 (-) 극성의 위상 구간에서는 H-Bridge 회로가 작동하지 않으므로 이 '송신측스위칭부'의 한쪽 입력 단자 전위가 다른 쪽보다 항상 같거나 더 높게 유지하여 더 높은 쪽이 H-Bridge 회로의 (+) 전원 단자에 연결되게 하여야 H-Bridge 회로 즉 '송신측스위칭부'가 정상 작동할 수가 있다. 이처럼 한 단자의 전위가 다른 쪽보다 같거나 더 높게 유지가 되도록 다이오드 등을 이용하여 정류기능을 하는 구성요소를'송신측파형정류부'라 부른다. 이는 교류의 (-) 극성 위상 구간일 때 전압을 반전하여 결국 정류된 맥류(Ripple current) 형태를 만드는 정류회로가 된다. 브리지 다이오드 회로나 전력손실이 작은 능동정류기(Active Rectifier) 등 다양한 정류회로가 가능하다.

'양방향스위칭소자'를 사용한 '송신측스위칭부'의 경우는 교류전원과 스위칭 수단을 바로 연결해도 되지만 '단방향스위칭소자'를 사용한 '송신측스위칭부'의 경우는 반드시 '송신측스위칭부'의 전원공급 (+) 전원단이 항상 더 높은 전위를 갖도록 즉 (+)극성이 보장되도록 (-) 극성 위상 구간에서는 정류하여 전위를 반전하도록 구성한 뒤 '송신측스위칭부'와 연결해야 한다. 바람직하게는‘Dual MOSFET Cascade’와 같은 '양방향스위칭소자'를 사용하는 것이 전압 Drop이 작고 전력전송 효율이 높으므로 유리하다.

마이크로컨트롤러나 전용 회로 로직으로 적정 시점에 '송신측스위칭부'를 통해 스위칭하면 '송신측스위칭부'의 출력은 '극성전환'이 이루어진다. 즉 '극성전환'으로 두 전선 사이의 전압은 (+)면 (-)로, (-)면 (+)로 바뀌며 교류의 경우는 180도 위상 시프트된 파형을 도출한다. '송신측스위칭부'를 제어하여‘극성전환'을 일으키는 송신측의 마이크로컨트롤러 또는 전용 회로 로직을‘송신측스위칭제어부'라 말하고 그 출력으로‘송신측스위칭부'가 작동하여‘극성전환'을 일으키는 것이다.

이 '극성전환'의 시간적 패턴에 통신의 수신측 ID주소, 통신 데이터(이하 제어 명령을 개념을 포함한다)를 맵핑하여 전송하고 수신 측에서는 이 '극성전환' 패턴을 분석하여 얻은 ID주소가 자신의 ID주소에 해당할 경우 복호된 통신 데이터를 자기의 것으로 하여 부하제어 등에 활용한다.

전원이 교류일 때 제로크로싱 부근에서 '극성전환'이 일어나면 사인파에서 신호 크기가 낮은 위상 구간이므로 신호의 레벨 구분이 어렵고 노이즈에 취약하게 된다. 따라서 제로크로싱 부근을 회피하여 '극성전환' 패턴을 생성할 필요가 있다. '송신측위상검출부'는 제로크로싱을 회피하거나 피크값 위상 시점을 찾거나 제로크로싱에서 일정 시간적 여유(margin)를 둔 특정 위상 시점을 알기 위한 것이고 제로크로싱 시점을 피해‘극성전환’패턴을 생성하면 높은 신호 레벨로써 외부 잡음(noise)에 강한 통신을 할 수 있다.

반면 릴레이와 같이 스위칭시간이 상대적으로 긴 소자를 사용하여 극성을 전환하는 경우 에너지 단절이 길게 발생하므로 제로크로싱 시점 주변에 스위칭을 수행하는 경우 에너지의 단절도 줄이면서 릴레이의 접점을 보호할 수 있는 장점도 있다. 이 경우는 오히려 제로크로싱 시점을 찾아 그 부근에서 극성을 전환한다.

송신측은 ‘송신측스위칭제어부'가 프로토콜에 따라 타겟 수신측 ID주소와 전송데이터에 해당하는 '극성전환' 패턴이 생성되도록‘송신측스위칭부'를 제어하여 '연결선로'에 '극성전환' 패턴을 생성하고‘연결선로'를 통해 각 멀티드롭 버스 또는 트리 구조로 연결된 수신측에 그 파형이 전달된다. 수신측은‘연결전선'의 전위 신호값을‘수신측전위모니터링부'로 모니터링하고‘수신측해석부'는‘수신측전위모니터링부'의 결과에서‘극성전환' 패턴을 추출하고 분석하여 ID주소와 전송데이터를 복호한다. 자신의 ID주소와 일치하는 ID주소면 전송데이터가 자기에게 전송된 것으로 보고 이를 데이터로 활용하거나 부하 제어에 이용된다.

전원이 교류이면 수신측에 50/60Hz의 주기적인 교류전압 파형이 전달되므로 일정 시간 지난 뒤의 신호 전압은 예측할 수 있는데 예측된 신호 전압과 실제 현재‘연결전선'의 교류전압을 비교할 때 차이가 난다면 이는‘송신측스위칭부'가 스위칭 작동한 것으로 판단할 수 있다.‘수신측전위모니터링부'가 이와 같은 판단을 시간의 흐름에 따라 실행하면 그 결과들로부터 시간에 따른 스위칭 작동의 패턴을 알 수 있고'수신측해석부'는 이 패턴을 파악하고 프로토콜을 참조하여 수신측의 ID주소와 전송데이터를 복호 하는 것이다.

이처럼 예측된 특정 위상 시점의 신호값과 현재 실제‘연결전선'의 신호 전압을 비교하는 방법의 한가지 예로서 PLL(phase locked loop)을 이용하여 위상이 일치하는 가상의 파형을 만들어 사용할 수도 있다. PLL은 전용 IC를 사용하거나 회로를 구성하여 구현할 수도 있지만, 마이크로컨트롤러의 프로그램으로 구현도 가능하다.

기존 고전적 콘덴서 커플링 방식의 교류 전력선 통신 방식과 비교하면 블로킹 필터가 불필요하고 고가의 RF 대역의 반송파 변조를 위한 모뎀기술이 불필요하며 선로 임피던스 매칭을 위한 엄격한 전선 가설의 시공과 유지보수에 비용을 요구하지 않으면서도 신뢰성 높은 전력선 통신을 구현하는 효과를 가져온다.

콘덴서 커플링을 사용하지 않는 기존 위상각 제어 교류 전력선 통신 방식과 비교하면 제로크로싱 부근을 엄밀하게 찾아서 사용할 필요가 없고 통신속도가 제로크로싱 발생에 동기가 되어 매우 낮은 문제도 해결되며 사인파의 제로크로싱 부근의 신호 레벨이 매우 낮아 생기는 외부 잡음에 대한 취약성도 해결된다.

제로크로싱은 50/60Hz 주기로 2회씩 지속해서 항상 발생하므로 이 부근에서의 외부 잡음은 통신에 신뢰성에 영향을 주는 단점이 있는데 이 단점을 해소할 수 있다. 제로크로싱 검출은 오히려 제로크로싱을 회피하여 일정 마진을 둔 위상 구간 즉 높은 전압 신호 위상 구간을 선택하여 ‘극성전환’으로 큰 신호 범위로 데이터 패킷을 생성하므로 외부 잡음에 강한 신뢰성 높은 통신을 매우 저렴한 비용으로 구현할 수 있다.

기존 위상각 제어 교류 전력선 통신은 전력전송단절을 최소화하기 위해 제로크로싱 위치를 정확히 찾아 그 부근의 전압값을 스위치로 조작하여 불안하지만 0V로 수렴하는 방식을 취하는 데 비해 '송신측스위칭부'를 H-Bridge 회로를 이용하여 '극성전환'하는 경우 전력의 단절이 발생하지 않으므로 위상 구간 어디에서나 반복하여 '극성전환'하여 데이터를 맵핑할 수 있다. 기존 방식은 교류 파형 1주기에 2곳의 제로크로싱 지점에서만 데이터를 맵핑할 수 있는 교류 파형에 동기된 동기식 통신이나 본 발명과 같은 '극성전환'은 제로크로싱 부근의 낮은 전압 구간이 아니라면 전체 위상 구간 어디에서나 반복할 수 있고 한 주기 내에서 여러 번 반복하는 패턴에 전송데이터를 맵핑하는 경우 전송속도가 매우 높은 통신을 수행할 수 있다.

기존 H-Bridge 회로를 이용한 직류 교번 전력선 통신 기술과 비교하면 교류전력선 통신의 경우는 교류전력을 전송하고 교류 직결형 LED 등 교류용 부하를 그대로 사용할 수 있고 상용교류전원에서 직류전원을 만드는 직류전원장치는 부피를 차지하므로 가정용 전기 분전반과 같은 좁은 공간에 전력선 통신의 송신측을 둘 수 없는 문제점을 해결할 수 있으나 가장 큰 차이는 전송 전력이 직류와 교류로서 발명의 목적을 달리하는 발명이다.

낮은 통신속도로도 충분한 응용에서는 간단히 하나의 릴레이로 전력전송효율이 좋은 ’송신측스위칭부‘를 구성할 수 있다. 이는 특히 전원이 직류인 경우에도 쉽게 적용할 수 있다.

[도 1]은 전원이 교류이고 '송신측스위칭부'가 3곳에서 '극성전환'을 실행한 결과 '송신측출력단'의 전압의 파형이 변형된 것을 도시하였다. 화살표로 표시된 3곳에서 극성이 (+)에서 (-)로 바뀌었고 위상은 180도 시프트된 것을 알 수 있다.
[도 2]는 극성전환을 위한 '송신측스위칭부'를 가장 간단하게 구성하는 DPDT( Dual Pole Dual Throw) 접점 구조를 가지는 릴레이 회로를 도시하였다.
[도 3]은 '송신측스위칭부'에 사용 가능한 광 절연형 '양방향스위칭소자'인 예로 SSR (Solid-State Relay), 광트라이액(PhotoTriac)을 도시하였다.
[도 4]는 전원이 교류인 '송신측스위칭부'의 예로 '양방향스위칭소자'인 SSR (Solid-state Relay)을 X 또는 H-Bridge 형태로 연결한 것을 도시하였다.
[도 5]는 전원이 교류이고 '송신측스위칭부'가 주기당 6회의 '극성전환'을 2번 실행한 경우 '송신측출력단'의 전압 파형이다. a.는 맥류에 '극성전환' 신호를 출력한 경우이고 b.는 교류에 '극성전환' 신호를 출력한 경우이다.
[도 6]은 전원이 3상 교류일 경우 '송신측파형정류부'와 '송신측스위칭부'가 연결된 한 예로서 반도체 스위칭소자로 IGBT를 사용하였고 '송신측파형정류부'는 6개의 IGBT 소자로, '송신측스위칭부'는 4개의 IGBT 소자를 이용하여 3상 교류 입력에 대해 극성전환 정보가 실린 출력을 수행하는 예이다.
[도 7]은 전원이 단상 교류전원일 때 능동정류기(Active Rectifier)인 '송신측파형정류부'를 거친 뒤 평활회로 또는 전압을 강압하거나 승압하는 Buck/Boost 전원회로를 매개한 뒤 H-Bridge로 구성된 '송신측스위칭부'를 통해 교류의 '극성전환' 출력을 하는 예이다.
[도 8]는 전원이 교류일 경우 전파정류를 거치고 평활회로를 거친 후‘송신측스위칭부’가 스위칭 동작을하는 경우 맥류의 출력에 통신에 의한 극성전환 파형을 보여준다.
[도 9]은 전원이 단상 교류전원일 때 송신측에서 구동부('송신측스위칭제어부')가 제로크로싱 지점을 회피하여 '송신측스위칭부'가 스위칭하는 회로이다.‘송신측스위칭부'에 4개의 SSR(Solid-state Relay)을 적용하였고 Comparator를 이용하여 AC 전력의 특정 위상을 찾아 제로크로싱 지점을 회피하여 스위칭할 수 있다.
[도 10]는 수신측의 예로서 전원정류 필터회로가 '수신측전원회로부'를, Comparator/ Level Shift가 '수신측전위모니터링부'를, 마이크로컨트롤러가 '수신측해석부' 및 '수신측부하제어부'의 역할을 수행하는 예이다. '사용전력부하'를 스위치로 제어하거나 0~10 디밍 신호나 PWM 출력신호를 출력하여 제어한다.
[도 11]은 전원이 교류이고 AC/DC 전원회로를 통해 직류전력을 정전류로 LED 조명 부하에 공급하며 PWM 디밍 제어하는 AC/DC 전원장치 일체형 예를 보여준다.
[도 12]는 전원이 교류일 경우 수신측에서 ‘송신측스위칭부'가 스위칭 동작을 하였는지를 감지하는 회로를 H/W로 구현한 예로서 PLL를 사용한 것이다.

전력과 데이터 또는 제어 명령을 단일선로로 동시에 송신측에서 수신측으로 전송하는 전력선 제어 통신을 구현한다. 시스템은 전원, 송신측, 수신측,‘연결선로'로 구성되고 수신측에는‘사용전력부하'가 연결된다.

'사용전력부하'는 수신측에서 통신 상태나 수신측의 작동상태를 표시하는 지시기(indicator)로 이용되는 LED 소자의 수준을 넘어 조명, 모터, 액추에이터, 발열기기, 공조기, 가전기기, 정보기기, 컴퓨터 등 사용자가 사용하여 편의를 얻는 전력 부하로서 큰 전력을 요구하는 전기기기들을 말한다.

전원은 교류 또는 직류전원으로 송신측의 구성요소인‘송신측전원입력단'을 통해 송신측에 공급되고‘연결선로'를 거쳐 수신측으로 전송된 뒤 수신측에 연결된‘사용전력부하'의 부하전력으로 사용되고 일부는 수신측 회로의 전력으로 공급된다.

송신측과 수신측은‘연결선로'로 연결되며 수신측은 하나 이상 여러 개가 한 선로에 멀티드롭(multi-drop) 버스(BUS) 방식으로 연결될 수도 있고 트리 구조(Tree Topology)로 연결되어 전력을 공급받고 데이터를 수신받을 수 있다.

수신측은 수신측 또는 수신측에 연결된‘사용전력부하'를 식별할 수 있는 ID주소를 부여하고 이 ID주소를 입력받는‘수신측ID주소입력부'를 가진다.‘수신측ID주소입력부' 또는 이에 연결되는 마이크로컨트롤러의 비휘발성 메모리에 ID를 저장할 수 있다. 송신측이 데이터를 전송할 때 타겟 수신측 또는 수신측‘사용전력부하'의 ID주소 정보를 같이 포함하여‘연결선로'를 거쳐 수신측으로 전송하고 수신측은 자기 또는 자기가 관리하는‘사용전력부하'의 ID주소에 해당하는 데이터를 자기 것으로 하여 데이터로 활용하거나 연결된‘사용전력부하'의 제어에 사용한다.

송신측은 전원과 연결되는‘송신측전원입력단',‘연결선로'와 연결되어 전력을 내보내는‘송신측출력단', 외부의 데이터, 제어 신호, 통신 신호를 받아 이를 수신측으로 전송하기 위해 외부의 신호를 받거나 또는 필요한 데이터를 내보내는‘송신측외부인터페이스부','송신측출력단'의 전기 전압의 파형에 스위칭 작동을 하여 ID주소나 데이터 값과 관련된 전기적 전압 파형 변경을 일으키는‘송신측스위칭부', 보내고자 하는 ID주소나 통신데이터에 따라‘송신측스위칭부'를 제어하는‘송신측스위칭제어부'를 가진다.

전원이 교류인 경우는 50/60Hz의 사인파의 전압을 보이고 1주기마다 2회의 제로크로싱 위상 시점을 가진다. 제로크로싱 부근의 전압은 낮아 신호 값이 낮으므로 이 위상 구간의 신호를 이용하여 통신하면 전압이 낮아 수신측에서 구분하기 힘든 신호가 보이므로 이를 회피한 위상 구간에서 신호를 전송하기 위해 제로크로싱 또는 피크(peak) 또는 특정 위상 시점을 파악하는 기능의‘송신측위상검출부'를 가질 수 있다. '송신측전원입력단'과 '송신측출력단'은 내외부로 전원을 연결하는 구성요소이다.

'극성'이란 개념은 앞에서 정의한 바 있고 '극성전환'도 정의하였다. '극성전환'은 결국 전류의 방향을 바꾸어 단자 전압 극성이 (+)인 경우는 (-)로, (-)인 경우는 (+)로 바꾸어 주며 전원이 교류인 경우는 180도 위상 시프트를 일으키는 것([도 1])이다.

기존 위상각 제어 교류 전력선 통신의 경우 제로크로싱 부근의 위상 구간의 전력을 단절하는 구간이 생기는 데 비해 '극성전환'은 극성이 반대로 전환될 뿐 이를 정류하면 전력이 복구되므로 굳이 제로크로싱 부근의 낮은 레벨의 신호 범위의 위상 구간에 한정되지 않고 피크치의 위상 시점에도 '극성전환'이 가능하다. 아울러 사인파의 주기당 2회의 제로크로싱 시점에 동기되지 않고 한 주기 내에 슬루레이트(slew rate)에 따른 짧은 에너지 단절 시간의 누적값 등이 허락하는 범위에서 다수의 '극성전환'도 만들 수 있으므로 기존 위상각 제어 교류 전력선 통신보다 고속통신도 가능하고 높은 전압의 위상 구간을 신호 위상 구간으로 사용하므로 매우 높은 신호 레벨로 신뢰성 높은 통신이 가능하다.

'극성전환'을 일으키는 송신측 구성요소가 '송신측스위칭부'이다. '송신측스위칭부'는 릴레이나 전력반도체 소자를 사용하여 구성한다. 가장 간단하게는 단일 릴레이를 이용하여 '극성전환'을 일으킬 수 있는데 [도 2]와 같은 DPDT (Double Pole Double Throw) 접점을 가지는 릴레이로 구현할 수 있다. 4개의 SPST(Single Pole Single Throw) 또는 2개의 SPDT(Single Pole Double Throw)로 단일 DPDT 릴레이와 같은 기능을 하도록 구성할 수도 있다. 기계적으로 접점이 구동되는 릴레이를 이용하여‘송신측스위칭부'를 구성하면 스위칭에 일정 이상의 시간이 소요되어 출력 쪽으로 에너지가 전달되지 않는 시간 구간이 발생하지만, 낮은 통신속도로 [도 1]와 같이 여러 주기에 걸쳐 긴 시간에 걸쳐 극성을 전환할 수 있다.

릴레이는 일반적으로 부피가 크며 구동 전력이 많이 필요하고 소음이 발생하며 접점재료에 따라 수명에 문제가 있을 수 있고 스위칭 속도가 늦어 수신측으로 전력 전달에 단절 시간이 오래 발생하는 단점이 있지만, 접점의 전기저항이 낮아 전력 전달 효율이 높고 간단하고 경제적으로‘극성전환'할 수 있는 장점도 있다. 빠른 스위칭이 필요할 경우는 전력반도체 소자 등 다른 수단으로 대체하는 것이 좋다.

릴레이의 접점보호를 위해서는 선로 또는 부하의 코일과 같은 유도성분의 스위칭 시 발생하는 역기전력에 의한 아크 발생이 최소가 되도록 전력 에너지 전달이 최소가 되는 제로크로싱 시점에 맞추어 스위칭을 수행하는 것이 바람직하다.

'양방향스위칭소자'인 SSR(Solid State Relay), 트라이액(Triac), 또는 모스펫(MOSFET) 2개를 캐스케이드(Cascade)로 연결한 'Dual MOSFET Cascade'와 같은 반도체나 릴레이로 H-Bridge 회로를 구성하여 '송신측스위칭부'를 구성할 수도 있다([도 3],[도 4]). 또한,'송신측스위칭부'의 소자로 [도 3]와 같은 광 커플링 소자를 이용하여 절연기능을 가지는 SSR(Solid State Relay) 또는 포토트라이액(Phototriac) 등의 소자를 사용할 수도 있고 DPDT(Dual Pole Dual Throw) 접점으로 구성된 릴레이 단독으로 '송신측스위칭부'의 역할을 할 수도 있다([도 2]).

4개의 '양방향스위칭소자'를 사용할 경우 [도 4]와 같이 X형 구조 또는 H 형태의 구조로 스위치를 배열할 수 있는데 회로가 같으므로 모두 H-Bridge 회로 구성이라 부른다. 4개의 '양방향스위칭소자'를 사용할 경우 스위치의 잘못된 조작으로 원하지 않는 경로로 과전류가 흐를 수 있으므로 주의해야 한다. 이처럼 H-Bridge 회로를 사용할 경우 [도 5]와 같이 교류의 파형에 빠른 ’극성전환‘을 하여 출력할 수 있다. [도 4]는 '극성전환'을 수행하는 송신측의 회로의 예로서 4개의 '양방향스위칭소자'인 SSR을 이용하여 H-Bridge 회로로 '송신측스위칭부'를 구성하였다.

트랜지스터(Transistor), 모스펫(MOSFET), SCR(Silicon-Controlled Rectifier), 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같이 한 방향으로만 전류를 흘리는 '단방향스위칭소자'의 전력반도체 소자를 이용하여 '송신측스위칭부'를 구성하는 경우 도 가능하다

[도 6]에서와 같이 IGBT 스위칭 소자와 3상 교류 입력을 사용하는 경우로 출력단에 4개의 반도체 스위칭 소자로 구성된 H-Bridge 회로가 '송신측스위칭부'가 된다. 이 H-Bridge 회로에 '단방향스위칭소자'인 Transistor, MOSFET, IGBT, 또는 SCR 등을 사용하는 H-Bridge 회로의 전원으로는 직류만 사용가능하므로 교류의 경우 앞단에 직류화하기 위한 정류 수단을 두어야 한다.

전원이 교류이고 '송신측스위칭부'의 소자가 '단방향스위칭소자'일 경우 송신측스위칭부의 한쪽 단자가 다른 쪽보다 항상 더 전위가 높은 상태를 보장하는 정류 수단이 '송신측파형정류부'이다.

'송신측파형정류부'는 교류 입력 전압의 (-) 극성의 위상 구간에 전압을 반전시키는 일종의 정류회로로 브리지다이오드 회로, 능동정류기(Active Rectifier)를 비롯하여 다양한 형태의 정류회로가 '송신측파형정류부'가 될 수 있다.

[도 6]는 3상의 교류입력에 대하여 6개의 IGBT 소자들의 gate들을 제어하여 맥류 파형의 정류된 파형을 생성한 뒤 '송신측스위칭부'로 입력하는 예이다. '송신측스위칭부'의 한 단자는 다른 단자보다 항상 더 전위가 같거나 높게 입력됨을 알 수 있고 이 '송신측스위칭부'를 구성하는 4개의 IGBT gate를 제어하여 '극성전환'된 [도 5]의 파형이 도출되게 된다.

3상의 교류 입력이 '송신측파형정류부'를 거치면 단상과 달리 일정 전압 이상의 직류 전압이 항상 존재하는 맥류 파형이 되므로 교류전압의 상과는 무관하게 '극성전환' 통신이 가능하다.

단상 교류전력을 사용하는 때도 3상의 경우와 같이 H-Bridge 회로의 출력 '극성전환'이 가능한 시간에 대한 제약을 받지 않기 위하여 [도 7]의 회로 구성처럼 Active Rectifier 단과 H-Bridge 단 사이에 직렬로 Inductor를 연결하거나 병렬로 Capacitor를 연결하여 일정 크기 이상의 전압이 항상 남아있도록 하는 평활회로를 추가하는 것도 하나의 실시 예이다.

[도 5]의 a. 그림과 b 그림은 파형의 차이는 있지만, 반도체 스위칭 소자를 이용하여 '극성전환'의 구현이 가능함을 보여준다. '송신측스위칭부'에 위치한 특정 반도체 스위칭 소자의 사용빈도가 높아짐에 따라 (-) 극성의 위상 구간에 전류가 흐르는 소자는 작은 전력용량을 가지는 소자를 사용할 수도 있다. 부하측에 단상유도전동기와 같이 상용 교류전압의 파형을 요구하는 경우 b. 교류에 '극성전환' 신호를 출력하는 전력제어가 바람직하다.

[도 7]은 송신측의 능동정류기(Active Rectifier) 회로와 H-Bridge 회로 사이에 전원 관련 회로를 내장하어 기능적인 개선을 가져온 예이다. 앞서 언급한 직렬 인덕터(Inductor)와 병렬 커패시터(Capacitor)를 연결하는 평활회로를 적용하면 H-Bridge 회로에 의한 극성전환을 일정 수준의 높은 전압에서 항상 발생시킬 수 있도록 신호를 평활시켜 통신속도를 높일 수 있다.

[도 8]에서 단상교류의 경우는 평활회로를 넣어 리플이 큰 직류에 해당하는 맥류(Ripple Current)의 '극성전환'에 의한 통신 파형을 보여준다. 3상 교류처럼 일정 수준의 전압이 있어 교류의 제로크로싱과 상관없이 항상 '극성전환'을 할 수 있어 높은 통신속도가 가능하다.

아울러 Buck(Step Down) 등의 전압변환 회로를 사용하면 '사용자전력부하'에서 사용하는 전압과 유사한 더 낮은 전압을 생성할 수 있으며 최종 수신측 회로마다 필요한 전원요소를 단지 송신측에 1개의 전압변환 요소로 줄일 수 있어 경제적인 이점을 얻을 수 있다.

만약 부하마다 높은 전압을 요구하거나 '연결선로'가 길어져서 선로의 임피던스에 의한 전력손실이 많이 발생하면 Boost 모듈을 기동하여 높은 전압의 고임피던스 전원 환경을 만들 수 있고 수신측에서는 다시 부하가 사용하는 전압으로 낮추어 사용하도록 하면 먼 거리 전력선 통신 제어에 전력 감쇠를 줄일 수 있다.

송신측의 '송신측스위칭부'의 각 소자의 gate 또는 트랜지스터의 베이스 또는 릴레이의 입력 단자의 제어는 송신측의 마이크로컨트롤러나 전용 회로 로직의 출력 또는 외부에서 전달받은 전기 신호가 수행하여 '송신측스위칭부'의 스위칭 작동이 이루어진다. 이와 같은 '송신측스위칭부'의 제어 수단을 '송신측스위칭제어부'라고 칭한다([도 9]).

'송신측스위칭제어부'는 통신에서 수신 대상의 ID주소 또는 전송데이터에 따라 미리 약속된 프로토콜에 맞추어‘극성전환'의 패턴을 만들도록‘송신측스위칭부'를 제어한다.‘극성전환'의 시간적 패턴에 어떻게 2진 비트들의 데이터를 맵핑하는 가는 프로토콜로 미리 정하면 된다. 수신측에서도 이 프로토콜에 따라 전송된 전기의 전압 파형에서 ID주소와 데이터를 복호할 것이다.

'송신측스위칭제어부'의 제어 동작도 결국 최종 사용자 또는 관리실 또는 원격의 시스템에서 특정 수신측 대상과 통신하거나 수신측 부하를 제어하고자 하는 의도에 따르므로‘송신측스위칭제어부'는 이들 외부의 신호를 받거나 외부에 정보를 내보내는‘송신측외부인터페이스부'를 가진다([도 9]).‘송신측외부인터페이스부'와 외부와 통신하는 방법은 직접 조작 가능한 간단한 스위치를 비롯하여 각종 유무선 통신 방식을 다 포함할 수 있다. 간단하게는 리모콘의 적외선 광신호에서부터 RS-232, RS-485를 비롯한 다양한 유선통신, ZigBee, Z-Wave, LoRa, NB-IoT, SigFox, Wi-Fi, Bluetooth 등 각종 무선통신도 가능하다. 외부 통신 방식은 여기에 언급한 것으로 한정되지 않는다. 상대방은 직접 사용하는 사용자일 수도 있고 원격의 중앙관리실의 사람이나 컴퓨터 시스템일 수도 있다. 인터넷 망에 연결된 원격지 전산시스템이나 그 시스템에 접근한 사용자일 수도 있고 연결을 위한 게이트웨이 장비일 수도 있다. OneM2M, OCF등 개방형 IoT 플랫폼의 수직서비스(vertical service)를 수용하기 위한 인터페이스와 연결될 수도 있다. TCP/IP나 기타 수직서비스의 오픈 IoT 플랫폼에 연동될 수도 있고 빌딩자동제어 플랫폼으로 사용되는 KNX와 연동될 수도 있고 홈네트워킹 미들웨어인 LonWorks 플랫폼과도 연동될 수 있다. 언급되지 않은 각종 다양한 플랫폼과 연결되어 통신할 수 있다.

또한‘송신측외부인터페이스부'는 조도 센서나 인감지 센서 등 다양한 센서 값을 직접 또는 전술한 다양한 통신을 통하여 전달받아 출력을 제어할 수 있다.

송신측은‘송신측위상검출부'를 추가하여 가질 수 있다. 전원이 교류일 때 주기마다 2회씩 발생하는 제로크로싱 부근에서는 낮은 전압이므로 이 위상 구간에서‘극성전환'을 실행하면 신호 전압이 낮고 외부 잡음에 취약한 통신이 된다. 반면 릴레이로 극성을 바꾸는 경우라면 제로크로싱 시점에 접점이 변경되도록 하는 것이 에너지 단절문제와 릴레이 접점의 보호 측면에서 중요하다. 따라서 제로크로싱 위상 시점이나 피크치 위상 시점 또는 특정 위상의 시점을 찾아 각자 유리한 위상 시점에서‘극성전환'으로 통신을 수행하는 것이 바람직하다.‘송신측위상검출부'는‘극성전환'의 적절한 시기를 찾기 위해 교류 위상마다 전압값을 체크하여‘송신측스위칭제어부'가 적절한 위상 시점에‘극성전환'을 할수 있도록 하는 기능을 가진다. [도 9]의 Comparator가 교류 전력의 입력 양 단자를 모니터링하여‘송신측위상검출부'의 역할을 하고 있다.

수신측은 송신측과‘연결선로'로 연결된다. 복수의 수신측이 멀티드롭 버스나 트리 구조로 전기적으로 연결되고 수신측은‘사용전력부하'와 연결된다. 하나의 수신측에 복수의‘사용전력부하'가 연결될 수도 있다. 수신측에‘연결선로'를 통해 전달된 교류 또는 직류전력은‘사용전력부하'의 부하전력으로 사용되고 일부는 수신측의 회로 전원으로 사용된다.

각 수신측 또는 수신측에 연결된‘사용전력부하' 별로 식별 ID주소를 부여할 수있고 수신측은 이 ID주소를 입력받는‘수신측ID주소입력부'를 가진다. ID를 저장하는 수단을‘수신측ID주소입력부'가 가질 수도 있고 사용되는 마이크로컨트롤러가 내부 비휘발성 메모리로 가질 수도 있다. ID주소 체계는 전체 수신측 모두를 뜻하는 브로드캐스팅ID주소, 특정한 수신측 또는 수신측의‘사용전력부하'를 그룹지은 그룹ID주소 등이 가능하고 전력선 통신에서 이들 ID주소와 그 주소를 가진 수신측에 보낼 데이터 또는 제어명령을‘극성전환'의 방법으로 전압 파형에 맵핑하여 보내고 수신측은‘극성전환'된 일련의 패턴에서 ID주소와 데이터를 복호한다. 이와 같은 복호는 주로 수신부의 마이크로컨트롤러가 수행하는데 이를‘수신측해석부'라고 한다. 송신측의‘송신측스위칭제어부'와 동일한 프로토콜을 공유하며‘극성전환'이 반영된 전송된 전력의 전압 파형에서 전송한 ID주소와 데이터를 찾아내는 것이다. 바람직하게는 주변의 회로를 포함한 전용의 마이크로컨트롤러 또는 이들 기능을 내장한 전용 IC가 기능을 수행하는 것이 효율적이다.

[도 10]와 [도 11]은 수신측을 구현한 예이다. '연결선로'를 통해 전송된 전력이 교류이든 직류이든 '수신측해석부'의 마이크로컨트롤러는 직류구동 전원이 필요하므로 전송된 전력이 교류이면 이를 AC to DC의 직류전원으로 바꾸고 마이크로컨트롤러가 사용 가능한 수준의 전원으로 바꾸어 주어야 하고 직류전원인 경우도 적절한 전압 레벨로 바꾸어야 하며 '극성전환'이 포함된 경우 그 때문에 마이크로컨트롤러의 전원공급 문제로 동작에 문제가 없도록 '극성전환'을 되돌려 주는 정류기능까지 포함하는 '수신측전원회로부'가 필요하다. '수신측전원회로부'는 반파 또는 전파 정류과정과 평활과정 및 적정전압으로 변환하는 회로를 포함한다.‘수신측전원회로부'는 상황에 따라서 생략하고 대신 외부의 전원을 받아 사용하는 것도 가능한데 일반적으로 PWM 또는 0~10, 1~10 디밍 신호를 받는 회로에서 제공될 수가 있다.

'수신측해석부'외에도 부가적인 다양한 회로 전원 예컨대 통신 상태를 표시하기 위한 인디케이트 LED 소자의 작동 전원이나 ID주소 입력을 위한 스위치 및 LED 인디케이트 소자 등의 직류 전원도‘수신측전원회로부'가 생성하여 공급한다.

수신측은 전력의 공급뿐만 아니라 전송된 ID주소와 통신 데이터를 찾아내는 것이 필수이다.‘극성전환'된 패턴을 이용하므로 결국‘수신측전원회로부'의 전단에서‘극성전환' 패턴이 남아있는 전압 파형을 분석하여야 하며 분석 가능한 수준으로 Level Shift하거나 가공하는 것은‘수신측전위모니터링부'가 수행한다. 결국‘수신측전위모니터링부'의 출력을 마이크로컨트롤러 또는 전용 회로인‘수신측해석부'가 프로토콜에 따라 ID주소와 데이터를 복호하는 것이다.

[도 10]의 Comparator/Level Shift는‘수신측전위모니터링부'의 기능을 수행하고 있음을 알 수 있다.‘수신측전위모니터링부'의 기능은 전송된 전압 파형에서‘극성전환'의 발생여부를 감지하여 논리적인 신호로‘수신측해석부'인 마이크로컨트롤러 또는 전용 회로에 전달하는 것이다.

전송 전력이 교류인 경우는‘연결선로'에 50/60Hz의 주기적인 사인파 또는 맥류 파형을 보여준다. '수신측전위모니터링부'는 '연결선로'의 전압을 모니터링하여 앞선 위상에서의 전위의 추이인 현재 예상 전위와 현재 실제 입력되는 전위를 비교하여 그 차이가 발생하면 '송신측스위칭부'가 스위칭 작동한 것으로 판단하고 그 스위치 작동의 시간적 패턴에서 '수신측해석부'가 ID주소와 전송데이터를 복호할 수 있다.

[도 12]은 이와 같은 방식으로‘극성전환'을 감지하는 구성을 H/W로 구성한 예를 보여준다. Comparator와 PLL(Phase Locked Loop) 그리고 Exclusive OR 게이트 등의 로직 회로를 이용하면 송신측에서의 신호를 쉽게 복호할 수 있다. 원리는 송신측에서 전송되는 교류 파형을 PLL을 이용하여 위상이 일치하는 가상의 파형을 만들면 주기와 위상각이 같은 가상의 신호가 만들어지지만, PLL 내부의 지연요소에 의하여 짧은 여러 주기의 신호의 극성이 전환되어도 PLL 출력에는 반영이 되지 않고 반복 규칙적인 파형이 출력되므로 이를 Exclusive OR 등의 로직 게이트 회로 또는 Comparator를 이용하여 입력되는 신호와 비교하면 송신측에서 ‘송신측스위칭부'의 '극성전환'을 검출할 수 있고 검출된 일련의 '극성전환'에서 마이크로컨트롤러인 '수신측해석부'가 전송된 ID주소와 데이터를 복호할 수 있다.

아울러 전송 전력이 직류일 경우는 '연결선로'의 '극성전환' 패턴을 Level Shift등을 거쳐 더 쉽게 수신측 마이크로컨트롤러 등이 파악할 수 있다.

PLL 등의 H/W 구성요소를 동원하여 송신측 '극성전환'을 검출하는 경우를 설명하였는데 현실적인 응용 회로의 예로 마이크로컨트롤러로도 구현할 수 있다. 하나의 Digital Input Port에 Level Shift를 거쳐 선로의 신호를 받으면 '극성전환'이 없는 교류전력은 50/60Hz의 구형파 신호가 입력됨을 알 수 있고 마이크로컨트롤러가 입력되는 신호의 주기적인 반복 패턴을 기억하여 내부에 이와 동기되는 가상적인 신호를 생성하고 이를 현재의 포트 입력과 비교하는 방법으로 '극성전환'이 발생한 것을 수신측에서 알 수 있다.

교류전력의 경우 '극성전환'이 없다면 50/60Hz 구형파에 해당하는 신호가 지속적으로 입력이 되는 것이 당연하므로 이를 확인하여 만일 이보다 더 짧은 신호가 입력되면 해당 시점에 '극성전환' 스위칭이 있었다고 판단할 수도 있다.

높은 교류전압의 위상 구간에서만 '극성전환'이 실행되어 먼 거리에 설치된 수신측에서라도 신호를 판별하는 데 바람직하므로 50/60Hz의 구형파에 해당하는 신호가 지속해서 입력되는 상태에서 50/60Hz 구형파의 상승과 하강 시점인 0도와 180도의 제로크로싱 위상에서 일정 마진을 둔 중간이 교류 전위가 가장 높은 순간이고 이 위상 구간에서 구형파의 파형이 변화가 감지되면 송신측에서의 통신을 위하여 수행하는 '극성전환'으로 판단하면 된다.

교류 전력의 한 주기 이내에서 짧은 폭의 다수의 '극성전환'을 검출하기 위하여 단순히 Comparator를 사용하고 주기적인 50/60Hz 구형파 신호 부분을 제외한 파형 변화를 '극성전환' 신호라고 판단해도 될 것이다.

Comparator는 전용의 IC를 활용할 수도 있고 복수의 트랜지스터를 사용한 차동 증폭 회로(Differential Amplifier)로 구성할 수도 있다.

더욱 간단하게는 라인 전압의 한쪽 신호를 전압 분압 형태의 Level Shift 회로를 거쳐 마이크로컨트롤러의 포트(Port)에 입력하는 것이 가장 간단하며 마이크로컨트롤러의 포트에는 회로 보호를 위한 다이오드 클리핑 회로(Diode Clipping Circuit)가 있으므로 단순히 저항 1개로 Level Shift 기능을 할 수도 있다. 이 경우 Comparator를 사용하는 경우보다 신호의 노이즈 마진이 절반으로 줄어들어 신호대 잡음비 비율(S/N ratio)이 3dB 정도 낮아져서 통신 안정성은 떨어지나 간단하게 회로로 구성할 수 있는 장점이 있다.

수신측은 '사용전력부하'와 연결하기 위해 '수신측전력출력단'을 가진다. '수신측전력출력단'은 '사용전력부하'의 전력입력단에 바로 연결될 수도 있고 전원이 교류인 경우 부하가 직류전력을 사용하는 경우 교류를 직류로 전환하는 전원 어댑터나 SMPS(Switching Mode Power Supply)와 같은 직류전원장치 및 배터리를 거쳐 부하에 공급될 수도 있다.

수신측은 결국 '사용전력부하'에 적절한 데이터를 전달하거나 또는 전달된 제어 명령/데이터에 따라 '사용전력부하'를 적절히 제어하는 기능을 수행한다. 이를 담당하는 수신측 구성요소가 '수신측전력출력제어부'이다. '수신측전력출력제어부'는 보통 '수신측해석부'의 기능도 같이 포함하는 마이크로컨트롤러인 것이 보통이다.

'수신측전력출력제어부'는 '사용전력부하'로 전달되는 전력을 제어할 수도 있고 '수신측전력출력단'에 연결된 직류전원장치의 출력을 제어할 수도 있다. 그 제어 방법으로는 스위치로 '사용전력부하'로 가는 전력을 직접 제어할 수도 있고 간접 방식으로 0~10, 1~10 등의 아날로그 출력제어, 또는 PWM(Pulse Width Modulation) 디지털 출력제어 신호를 내보내는 방법이 있다. 이와 같은 구성은 [도 10]에 표시되었다.

'사용전력부하'로 가는 교류전력을 직접 제어하는 스위치로는 릴레이나 SSR, Triac 등의 싸이리스트(Thyristor) 소자를 이용하여 부하로 전달되는 쌍방향 전력을 직접 On/Off 제어하거나 별도의 직류전원이 마련되면 Transistor, MOSFET, IGBT 등의 단방향 스위치를 이용하여 출력을 On/Off 또는 PWM 제어가 가능하다.

[도 11]은 '사용전력부하'가 LED 조명이며 부하제어 방식이 PWM 디밍 제어인 경우를 도시한 것이다. 이때 LED 조명 부하는 정전류 방식의 전력 공급을 채택한 그림이다. LED 밝기 조절을 위하여 정전압 PWM 제어 또는 정전류 제어 방식이 가능하며 AC DC 전원회로가 일체형으로 구성되는 예를 보여준다. 최근 많은 제품이 출시되고 있는 AC 직결형 LED 조명장치의 경우 전용 IC를 사용하는데 IC에 수신 기능의 회로를 내장할 경우 작고 경제적으로 만들 수 있다.

'사용전력부하'로 가전제품, 정보기기를 비롯하여 다양한 전력 부하를 제어할 수 있다. 공조기(air conditioner)의 경우는 전송데이터에 목표 온도 정보를 전송하고 수신측은 그 데이터를 리모컨이나 무선 또는 직접 결선으로 공조기 컨트롤러에 직류 통신으로 입력하고 그에 따라 온도가 제어되는 것과 같이 시스템을 꾸밀 수도 있다.

'사용전력부하'가 단상유도전동기(콘덴서모터)일 경우 '극성전환'이 반복되는 교류 전력이 인가되면 모터의 회전과 충돌되는 무리한 상황이 발생하여 모터에서 잡음이 발생하는 등의 문제가 생길 수 있으므로 가급 인버터(Inverter) 기능이 추가로 내장된 전동기를 부하로 사용하는 것이 좋다. 이때 인버터 출력의 주파수 등 기동 정보를 전송하여 제어할 수 있으므로 유용하다

전원이 직류인 경우는 일정 주기로 예컨대 50/60Hz의 주기로 2회의‘극성전환'을 실행하여 주기적인 구형파를‘연결선로'에 공급할 수 있다. 이 경우‘사용전력부하'에 순수한 유도성 부하가 연결될 경우 낮은 임피던스 때문에 과다 전류가 흘러 부하가 타버리는 문제를 방지할 수 있고 선로의 전해부식 억제 효과가 있다. 이는 기존 콘센트(Outlet)에 교류 또는 선택적으로 이와 같은 구형파를 공급하는 하이브리드 전원공급 시스템을 구현하는 방안이 된다.

없음

Claims (6)

1. 한 선로로 전력전송과 통신을 동시에 하는 전력선 통신과 제어에 있어서,
   송신측, 수신측,‘연결선로’로 구성되고,
   송신측은,
   교류 전원과 연결되는 '송신측전원입력단';외부의 제어, 통신 신호를 받는‘송신측외부인터페이스부';'연결선로'와 연결되는‘송신측출력단';'연결선로'를‘극성전환'하는‘송신측스위칭부';수신측의 ID주소와 전송데이터(또는 제어 명령)에 맞추어‘송신측스위칭부'를 제어하는‘송신측스위칭제어부'; '송신측전원입력단'과 '송신측스위칭부' 사이에 '송신측스위칭부'의 전원 입력의 한 단자 전위가 다른 쪽보다 항상 더 높거나 같은 것을 보장하는 '송신측파형정류부';를 가지고,
   '연결선로'는 송신측과 수신측을 멀티드롭 버스 또는 트리 구조로 연결되고,
   수신측은,
   수신측 또는 수신측에 연결된‘사용전력부하'를 식별하는 ID주소를 입력받는 '수신측ID주소입력부';'연결선로'의 전위를 모니터링하는‘수신측전위모니터링부';'수신측전위모니터링부'로‘연결선로'의 각 선의 전위의 전환 패턴을 분석하여 ID주소와 전송데이터를 복호하고 자기 ID주소와 일치하면 전송데이터를 수신데이터로 사용하거나 사용자 부하제어에 사용하는‘수신측해석부';'연결선로'에서 평탄 직류전원을 도출하여‘수신측해석부' 및 회로의 전원으로 사용하는‘수신측전원회로부';'연결선로'의 전력을‘직류전원장치' 또는 '사용전력부하'에 공급하는‘수신측전력출력단';'수신측전력출력단' 또는‘직류전원장치'의 출력 전력을 제어하는‘수신측전력출력제어부'로 구성된 것을 특징으로 하는 전압 파형의 극성전환 전력선 통신 장치.
2. 1항에서, '수신측전위모니터링부'는‘연결선로'의 전압을 모니터링하여 앞선 위상의 전위의 추이인 현재 예상 전위와 현재 실제 전위를 비교하여 그 차이가 발생하면‘송신측스위칭부'가 스위칭 작동한 것으로 판단하고; 그 스위치 작동의 시간적 패턴에서‘수신측해석부'가 ID주소와 전송데이터를 복호하는 것을 특징으로 하는 전압 파형의 극성전환 전력선 통신 장치.
3. 1항에서, 교류 파형의 특정 위상 시점을 검출하는 '송신측위상검출부'를 가지고; '송신측위상검출부'의 검출을 참조하여 제로크로싱 시점을 일정 마진을 두고 회피하거나 또는‘송신측스위칭부'가 릴레이인 경우 제로크로싱 시점을 선택하여‘송신측스위칭부'를 작동하는 것을 특징으로 하는 전압 파형의 극성전환 전력선 통신 장치.
4. 삭제
5. 1항에서, '송신측스위칭부'는‘양방향스위칭소자'인 SSR, 트라이액(Tirac), 또는 'dual MOSFET Cascade'가 H-Bridge를 구성하거나 DPDT 접점 회로로 구성된 단일 릴레이;인 전압 파형의 극성전환 전력선 통신 장치.
6. 한 선로로 전력전송과 통신을 동시에 하는 전력선 통신과 제어에 있어서,
   송신측, 수신측,'연결선로'로 구성되고,
   송신측은 전원과 연결되는 '송신측전원입력단';외부의 제어, 통신 신호를 받는 '송신측외부인터페이스부';'연결선로'와 연결되는 '송신측출력단'; DPDT 접점 구조의 단일 릴레이 또는 다수 릴레이로 구성된 회로로 '연결선로'를 '극성전환'하는 '송신측스위칭부';수신측의 ID주소와 전송데이터(또는 제어 명령)에 맞추어 '송신측스위칭부'를 제어하는 '송신측스위칭제어부'를 가지고
   '연결선로'는 송신측과 수신측을 멀티드롭 버스 또는 트리 구조로 연결되고,
   수신측은 수신측 또는 수신측에 연결된 '사용전력부하'를 식별하는 ID주소를 입력받는 '수신측ID주소입력부';'연결선로'의 전위를 모니터링하는 '수신측전위모니터링부';'수신측전위모니터링부'로 '연결선로'의 각 선의 전위의 전환 패턴을 분석하여 ID주소와 전송데이터를 복호하고 자기 ID주소와 일치하면 전송데이터를 수신데이터로 사용하거나 사용자 부하제어에 사용하는 '수신측해석부';'연결선로'에서 평탄 직류전원을 도출하여 '수신측해석부' 및 회로의 전원으로 사용하는 '수신측전원회로부';'연결선로'의 전력을 '직류전원장치' 또는 '사용전력부하'에 공급하는 '수신측전력출력단';'수신측전력출력단' 또는 '직류전원장치'의 출력 전력을 제어하는 '수신측전력출력제어부'로 구성된 것을 특징으로 하는 전압 파형의 극성전환 전력선 통신 장치.

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