KR200286805Y1 - 신호 송수신용 펄스트랜스포머 - Google Patents

Abstract

신호 송수신용 펄스트랜스포머에 대해 개시한다. 본 고안의 신호 송수신용 펄스트랜스포머는, 전자기유도가 이루어지는 2차측 코일을 콘덴서 성분이 함유된 권선으로 제작하기 위해, 제1 콘덴서전극과, 상기 제1 콘덴서전극에 대향되는 제2 콘덴서전극과, 상기 제1 콘덴서전극과 제2 콘덴서전극 사이에 게재됨과 동시에 상기 제1 콘덴서전극과 제2 콘덴서전극과 접합되는 유전체 또는 절연체와, 상기 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극 각각에 접속된 제1 리드라인 및 제2 리드라인을 형성시켜서 이루어진다. 본 고안에 따르면, 콘덴서 성분을 트랜스포머의 입출력 부분으로 활용함으로써, 내부 임피던스를 높여 펄스선호를 송수신할 때 신호의 감쇄량과 전송로 잡음에 영향을 낮출 수 있다.

Description

신호 송수신용 펄스트랜스포머{Pulse transformer for transmitting and receiving signal}

본 고안은 신호 송수신용 펄스트랜스포머에 관한 것으로, 특히 콘덴서 성분을 갖는 트랜스포머를 신호의 입출력 부분에 적용하여 높은 임피던스를 얻음으로써 신호 송수신시 신호의 감쇄량과 전송로 잡음을 줄이는 신호 송수신용 펄스트랜스포머에 관한 것이다.

전력선통신(PLC ; Power Line Communication)이란 전력을 공급하는 전력선을 매개체로 음성과 데이터를 수백 킬로헤르쯔[kHz] ∼ 수십 메가헤르쯔[MHz] 이상의 고주파 신호에 실어 통신하는 기술을 의미한다. 전력선통신 기술을 응용할 경우 홈 네트워킹, 정보 가전, 전력망 관리 등이 가능해 관련 업계는 전력선통신으로 신규서비스와 잠재 시장을 활성화할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 특히 전력선통신을 응용한 고속액세스 기술과 홈 네트워크를 통한 저속 제어 기술은 국내외 통신업체나 전력 업체로부터차세대 통신 기술로 주목받고 있다.

전력선통신은 전력선을 매체로 통신하기 때문에 통신용 케이블이나 광섬유를 이용한 데이터 전송에 비해 구현이 어렵다. 특히 높은 부하와 간섭 현상, 잡음, 가변하는 임피던스(Impedance)와 신호 감쇄 현상 등의 특수한 환경을 극복하고 제한된 전력선을 통해 데이터를 전달해야 하는 어려움이 따른다. 전력선을 통신 매개체로 활용하려면 원하는 통신 신호만을 받아들이고, 각종 노이즈 신호는 제거하는 기술이 주어져야 한다.

이 때, 근거리 및 장거리 데이터 송수신 과정에서 중간의 전송과정인 신호 송수신용 트랜스포머가 이용되는데, 수십 메가헤르쯔[MHz] 또는 수백 메가헤르쯔[MHz] 단위로 운용되는 데이터 전송 신호는 통상의 트랜스포머 구조로는 장거리 전송에 한계가 있었다. 즉, 기존의 펄스트랜스포머에서는 1차 및 2차 사이의 코일 회수를 가지고 한정된 내부 임피던스를 구현함으로써 수백 미터[m] 단위의 전송에 있어서 상기한 기술적인 어려 장애가 발생하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 고안의 목적은 전자회로에서 임피던스 정합 또는 회로 일부분의 절연구조가 필요함과 동시에 전기신호의 장거리 송수신이 필요할 경우에, 콘덴서 성분을 갖는 트랜스포머를 신호의 입출력 부분에 적용하여 코일 권선회수를 최소화하면서 높은 임피던스를 얻음으로써 신호 송수신시 신호의 감쇄량과 전송로 잡음의 영향을 줄이는 신호 송수신용 펄스트랜스포머를 제공하는데 있다.

도 1은 전력선상에 송신측 및 수신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머가 마련된 상태를 나타낸 개략도,

도 2는 송신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머의 등가회로도,

도 3은 수신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머의 등가회로도,

도 4는 A의 직렬 공진 등가회로도,

도 5는 본 고안의 제1 실시예에 의한 신호 송수신용 펄스트랜스포머의 구성을 나타낸 도면,

도 6은 본 고안의 제2 실시예에 의한 신호 송수신용 펄스트랜스포머의 구성을 나타낸 도면,

도 7은 제2 실시예의 B의 구조를 나타낸 도면,

도 8은 제2 실시예의 B의 다른 구조를 나타낸 도면,

도 9는 본 고안의 신호 송수신용 펄스트랜스포머의 활용예를 개략적으로 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 송신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머

20 : 수신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머

100 : 제1 콘덴서전극 102 : 제2 콘덴서전극

104 : 유전체 106 : 제1 리드라인

108 : 제2 리드라인 110 : 동선

200, 300 : 제1 금속판 202, 302 : 제2 금속판

204, 304 : 유전체, 절연체 206, 306 : 제1 리드선

208, 308 : 제2 리드선 210, 310 : 유전체, 절연체

상기한 본 고안의 목적을 달성하기 위한 본 고안의 신호 송수신용 펄스트랜스포머는, 교류전원을 입력받는 코일; 및 상기 코일과 이격되어 전자기유도가 이루어지며, 일체형으로 형성시키되 유전체 또는 절연체로 상호 전기적으로 분리시키고 신호 전송을 위한 리드라인을 각각 형성시킨 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극은 코일형상으로 감겨져서 이루어진 것이 바람직하다.

한편, 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극이 코일형상을 가짐과 동시에 상기 2차측 코일을 콘덴서 성분이 함유된 권선으로 제작하기 위해 상기 2차측 코일은, 제1 콘덴서전극과, 상기 제1 콘덴서전극에 대향되는 제2 콘덴서전극과, 상기 제1 콘덴서전극과 제2 콘덴서전극 사이에 게재됨과 동시에 상기 제1 콘덴서전극과 제2 콘덴서전극과 접합되는 유전체 또는 절연체와, 상기 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극 각각에 접속된 제1 리드라인 및 제2 리드라인을 포함하여 이루어진다.

이 때, 상기 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극은 라인형상으로 제작될 수도 있고, 판형상으로 제작될 수도 있다. 여기서, 상기 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극이 코일형상으로 감겨질 경우에 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극이 쇼트되는 것을 방지하기 위해 제1 콘덴서전극의 노출부 또는 제2 콘덴서전극의 노출부에 선택적으로 유전체 또는 절연체를 형성시키는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 전력선상에 송신측 및 수신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머가 마련된 상태를 나타낸 개략도이다. 도 1을 참조하면, 임의의 영역에서 신호의 송신이 이루어지는 송신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(10)가 마련되며, 마찬가지로 임의의 영역에는 상기 송신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(10)로부터 전송된 신호를 수신하는 수신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(20)가 마련되게 된다. 이들 사이의 전압은 통상의 상용교류전압인 220[V], 60[Hz]가 이용된다. 물론, 변전소에서 일반주택 및 공장등에 공급하는 전압은 그 이상을 이용할 수 있다.

도 2는 송신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머의 등가회로도이다. 도 2를 참조하면, 송신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머는 1차측 제1 코일(L1)과, 2차측 제2 코일(L2) 및 제3 코일(L3)로 구성되는데, 이때 2차측 제2 코일(L2)과 제3 코일(L3)이 근접 분리되어 있으며, 이 제2 코일(L2)과 제3 코일(L3)은 캐패시터(C1) 결합을 하고 있다. 도 3은 수신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머의 등가회로도이다. 도 3을 참조하면, 수신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머는 1차측 제6 코일(L6)과, 2차측 제4 코일(L4) 및 제5 코일(L5)로 구성되는데, 이때 2차측 제4 코일(L4)과 제5 코일(L5)이 근접 분리되어 있으며, 이 제4 코일(L4)과 제5 코일(L5)은 캐패시터(C2) 결합을 하고 있다.

도 4는 A의 직렬 공진 등가회로도이다. 도 4를 참조하면, 2차측에 콘덴서가형성되는 형태를 취함으로써 콘덴서 자체에서 유도되는 전압을 X_L+ X_C의 값을 혼합한 직렬공진을 일정 주파수에서 유도하여 출력측 Q값, 즉 전압 이득분을 얻을 수 있다.

도 5는 본 고안의 제1 실시예에 의한 신호 송수신용 펄스트랜스포머의 구성을 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 제1 콘덴서전극(100)과 제2 콘덴서전극(102) 사이에 유전체(104)가 형성되고, 상기 제1 콘덴서전극(100) 및 제2 콘덴서전극(102)에는 각각 제1 리드라인(106) 및 제2 리드라인(108)이 형성되어 있다. 여기에 상기 제1 콘덴서전극(100) 및 제2 콘덴서전극(102) 주변에는 동선(110)이 이격되어 코일 형태로 감겨져 있다. 결과적으로, 트랜스포머의 1회 권선을 이루며, 동선에 의해 형성된 코일에 의해 본 고안의 트랜스포머에서 1차측 또는 2차측에 해당하는 동작을 수행하게 된다.

도 1 내지 도 5를 참조하여 동작상을 간략하게 설명한다.

도 1의 송신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(10)와 수신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(20) 사이에 아날로그 신호를 전송할 경우에, 도 2의 제1 코일(L1)에 신호전압을 인가하면 2차측 C1에 전압이 권수비에 비례해서 유기된다. 이 때, 도 5의 구조에 의해 콘덴서 전극 양단이 전체적으로 1회의 권선 효과가 나타내므로 1회의 권선비 만큼의 전압이 콘덴서에 유기되는데, 이 콘덴서의 용량은 통상 100[pF]의 적은 용량이므로 내부 임피던스가 수 메가오옴[㏁] 정도로 되며, 이때 도 1의 수신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(20)에서 수신되는 신호도 상대적인 유기전압으로 도 3의 제6 코일(L6)으로 전압이 유기된다.

이 때, 도 1에 나타난 바와 같이 송신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(10)와 수신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(20) 사이의 두선이 상용교류전원 22O[V]를 사용하는 전력선이므로, 송신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(10)의 C1과 수신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(20)의 C2 사이에서 고주파 신호를 송신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(10)와 수신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(20) 사이에서 주고 받을 경우에 콘덴서로 구성된 C1, C2는 절연체의 내압, 내량 만큼 기본적으로 펄스트랜스포머의 내구성을 얻게 되며, 이때 콘덴서 내부에서 직접 발생한 전압은

ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ공식 1

위의 공식1과 같이 임피던스값에 따라 주파수가 높을수록 용이하게 출력되며, 교류 22O[V] 6O[Hz]에 대해선 아주 높은 임피던스를 견지한다. 실제로 높은 주파수를 교류 22O[V]의 높은 전압에 반송할려고 할 때에 교류 22O[V] 6O[Hz]를 직접 병렬로 구성하려면 식 2와 같이 아주 높은

ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ공식 2

리액턴스가 요구되며 상대적으로 높은 주파수는 큰 리액턴스 값에선 고주파가 급격히 감쇄되어 신호로서의 기능이 크게 감소하여 신호를 입ㆍ출력시키는 펄스트랜스포머로서의 기능을 상실시키게 되는데, 결과적으로 본 고안의 펄스트랜스포머를 사용하면 도 1의 송신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(10)와 수신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(20) 사이에는 내부 임피던스가 수 메가오옴[㏁]의 값을 나타내므로 다음과 같은 통상의 부작용을 개선하게 된다.

즉, 신호감쇄 현상을 최소화할 수 있는데, 신호발송 첫째 부위(송신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(10))의 내부 임피던스가 높을수록 장거리에 달하는 전송로에 원활환 신호가 전송되게 된다. 또한, 선로의 긴거리에 나타나는 잡음(noise)을 상대적으로 낮은 비례치로 도 1의 수신측 신호 송수신용 펄스트랜스포머(20), 즉 도 3의 C2에 전압을 보낼 수 있게 된다. 이는 전력선을 이용한 전력선통신에서 가장 중요한 사항으로서 교류(AC)라인에 흐르는 각종 노이즈에 영향을 받지 않으면서 상대적으로 장거리의 전송거리를 유지함으로서 신호감쇄 현상없이 강한 신호를 유지하게 한다.

도 6은 본 고안의 제2 실시예에 의한 신호 송수신용 펄스트랜스포머의 구성을 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 성층철심 주변에 형성된 1차측 제1 코일과 2차측 제2 코일 및 제3 코일로 이루어져 있다. 도 5의 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극을 통상의 트랜스포머의 구성에 적용한 것으로서, 본 제2 실시예는 도 5와 비교하여 상기한 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극을 코일형태로 하여 2차측 트랜스포머에 적용하고 있음을 알 수 있다. 이 때, 상기 제1 콘덴서전극과 제2 콘덴서전극의 결합물은 사용 용도별 회로에 적합한 회수로 감겨져 있으며, 2조 또는 복수의 입력 및 출력 형태를 가질 수 있다.

도 7은 제2 실시예의 B의 구조를 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 상기한 도 6의 2차측에 적용될 수 있는 구조로서 긴 판형상의 금속물체, 즉 제1금속판(200) 및 제2 금속판(202)을 서로 대향시키고, 이 제1 금속판(200) 및 제2 금속판(202) 사이에 유전체(204) 또는 절연체(204)를 금속판 형상과 동일하게 삽입하며, 상기 제1 금속판(200) 및 제2 금속판(202) 각각에서 출력되는 제1 리드선(206) 및 제2 리드선(208)을 각각 접속시키고 있다. 이와 같이 형성된 상태에서 상기한 도 6의 성층철심 주변에 코일을 감는 형식과 동일하게 형성시키게 된다. 한편, 코일형태로 감을 경우에는 제1 금속판(200)과 제2 금속판(202)이 감는 방법에 따라 서로 쇼트될 수 있으므로 제1 금속판(200) 또는 제2 금속판(202) 중 어느 하나의 금속판 노출면에 상기한 유전체(210) 또는 절연체(210)를 더 접합시켜 형성시킬 수도 있다.

도 8은 제2 실시예의 B의 다른 구조를 나타낸 도면이다. 도 8을 참조하면, 도 7과 비교하여 제1 금속판(300), 제2 금속판(302), 유전체(304) 또는 절연체(304), 제1 리드선(306) 및 제2 리드선(308)은 모두 동일 및 유사하게 형성되며, 단지 단위길이당 도 7과 비교하여 넓은 면적은 갖고 있는 것이 상이하다. 즉, 성층철심에 감을 수 있을 정도의 길이(T)를 갖고 있다. 한편, 도 7에서와 같이 제1 금속판(300)과 제2 금속판(302)이 감는 방법에 따라 서로 쇼트될 수 있으므로 제1 금속판(300) 또는 제2 금속판(302) 중 어느 하나의 금속판 노출면에 상기한 유전체(310) 또는 절연체(310)를 더 접합시켜 형성시킬 수도 있다.

도 6 내지 도 8을 참조하여 동작상을 간략하게 설명한다.

본 고안의 신호 송수신용 펄스트랜스포머의 2차측 내부 임피던스를 1차 코일과 2차 코일의 감긴 회수에 관계없이 절대적으로 높혀주는 펄스트랜스포머의 구성을 하고 있으므로, 예를 들어, 수십 메가헤르쯔[MHz]의 높은 주파수의 경우 직경 1O[mm]의 공심보빈에 40회수의 코일선분이 약 100[mH]의 인덕턴스값을 가질 때 6.2[㎘]의 유도 리액턴스값을 얻을 수 있는 반면, 본 고안에서는 동일한 조건에서 도 7 또는 도 8과 같은 구성의 트랜스포머를 형성할 경우에 높은 임피던스값을 얻을 수 있게 된다. 즉, 동일한 1O[mm]의 공심보빈에 40회수를 도 7 또는 도 8과 같이 2차측 코일을 2장의 평면도체 필림 사이에 절연체 내지는 유전체로 구성된 콘덴서를 형성한 뒤 도체 필림 양단에 전극을 설치할 경우에 코일의 감은 회수에 비례한 전압이 대전된 두 장의 정전용량 성분에 충전, 방전을 되풀이함과 동시에 코일의 회수에 상응한 유도 리액턴스도 같이 나타나게 되어 X_L+ X_C의 합성 회로가 단일 구성물에 구현되게 된다. 이 때, 콘덴서의 방전 특성으로 인해 무한대의 외부저항 값으로도 그대로 방전되려는 콘덴서의 특성상 실제적으로는 수 메가오옴[㏁] 이상의 내부 임피던스값을 가지는 2차측 출력 구조가 구현되며, 이때 도 4와 같은 등가적인 값 N₂, C₁은

ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ공식 1

의 공식 1과 같이 특정 주파수에 따른 직렬 공진 주파수도 산출되며, 이에 따라 전압 이득이

ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 공식 2

의 공식 2에 따라 증폭되는 효과를 동시에 얻을 수 있으므로 실제로 2차측 신호는 1차와 회수비에 비례한 값보다 더 큰 신호를 얻을 수 있으므로 특정 주파수의 증폭기로 구현되기도 한다.

도 9는 본 고안의 신호 송수신용 펄스트랜스포머의 활용예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 9를 참조하면, 1차측(N1) 제1 코일은 40회를 공심 보빈에 감은 다음 2차측(N2) 역시 일체화된 제2 코일 및 제3 코일을 1차측과 동일한 40회를 감아 주며, 절연체 내압을 교류 1000[V]에서도 견디는 충분한 내전을 허용하면서 약 100[pF]의 콘덴서 성분으로 형성하여, 도 9와 같이 교류 220[V] 6O[Hz]의 전력선 상에 1차측(N1)에 수 메가헤르쯔[MHz]의 주파수를 인가하면 P1과 P2에 연결전 2차측 N2인 2차측에 2차측 절연체 내압이 충분하므로 교류 전압에도 견디면서 높은 주파수의 임의의 다른 신호를 교류 전력선에 인가할 수 있는 방법으로 활용할 수 있게 되는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 고안에 따른 신호 송수신용 펄스트랜스포머는 콘덴서 성분을 트랜스포머의 입출력 부분으로 활용함으로써, 내부 임피던스를 높여 펄스선호를 송수신할 때 신호의 감쇄량과 전송로 잡음에 영향을 대폭 낮출 수 있다. 또한, 2차측 코일 부분이 고내전압 기능을 가지는 콘덴서로 처리됨으로써 전력선에 극히 간단한 방법으로 형성가능할 뿐만 아니라, 1[V] 미만의 적은 신호에 대해서도 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.

본 고안은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 고안의 기술적 사상 내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.

Claims (6)

1. 전원을 입력받는 코일; 및

   상기 코일과 이격되어 전자기유도가 이루어지며, 일체형으로 형성시키되 유전체 또는 절연체로 상호 전기적으로 분리시키고, 신호 전송을 위해 전력선의 기능을 수행하거나 전력선에 접속되는 리드라인을 각각 형성시킨 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극;

   을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 신호 송수신용 펄스트랜스포머.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극은 코일형상으로 감겨져서 이루어진 것을 특징으로 하는 신호 송수신용 펄스트랜스포머.
3. 전원을 입력받는 1차측 제1 코일과, 상기 제1 코일에 의해 전자기유도가 이루어지는 2차측 제2 코일로 이루어진 신호 송수신용 펄스트랜스포머에 있어서,

   상기 2차측 제2 코일을 콘덴서 성분이 함유된 권선으로 제작하기 위해 상기 제2 코일은, 제1 콘덴서전극과, 상기 제1 콘덴서전극에 대향되는 제2 콘덴서전극과, 상기 제1 콘덴서전극과 제2 콘덴서전극 사이에 게재됨과 동시에 상기 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극과 접합되는 유전체 또는 절연체와, 그리고 상기 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극 각각에 접속되며 신호 전송을 위해 전력선의 기능을 수행하거나 전력선에 접속되는 제1 리드라인 및 제2 리드라인을 포함하여 이루어진것을 특징으로 하는 신호 송수신용 펄스트랜스포머.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극은 라인형상을 갖는 것을 특징으로 하는 신호 송수신용 펄스트랜스포머.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극은 판형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 신호 송수신용 펄스트랜스포머.
6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극이 코일형상으로 감겨질 경우에 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극이 쇼트되는 것을 방지하기 위해 제1 콘덴서전극의 노출부 또는 제2 콘덴서전극의 노출부에 선택적으로 유전체 또는 절연체를 형성시켜서 이루어진 것을 특징으로 하는 신호 송수신용 펄스트랜스포머.