KR20030065854A - 제로크로스 직후의 낮은 전압부분에서의 위상제어를이용한 폐회로 전력선 데이터 통신 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력선을 이용한 저속 데이터통신에 관한 것으로서, 기기의 기본 특성에 전혀 영향을 미치지 않고 노이즈를 발생시키지 않으며, 타 기기의 전원에 대한 영향을 미치지 않으면서 원하는 정보를 특별한 데이터 전송 라인을 사용하지 않고 폐회로로 구성된 전력선을 이용하여 데이터의 송수신을 하고자 한 것으로, 가전제품 등 데이터의 양이 적어서 120BPS정도의 저속으로도 제어가 가능한 형광등의 조광신호전송, 에어컨 실외기의 제어 등 산업용 기기에 저렴하고 간단한 회로 구성으로 데이터 통신을 가능하게 한 제로크로스(Zero Cross) 직후에서의 위상제어를 이용한 폐회로 전력선 데이터 통신에 관한 것이다.

Description

제로크로스 직후의 낮은 전압부분에서의 위상제어를 이용한 폐회로 전력선 데이터 통신{CLOSED CIRCUIT POWER LINE COMMUNICATION BY USING PHASE CONTROL METHOD}

본 발명은 전력선을 이용한 저속 데이터통신에 관한 것으로서, 기기의 기본 특성에 전혀 영향을 미치지 않고 노이즈를 발생시키지 않으며, 타 기기의 전원에 대한 영향을 미치지 않으면서 원하는 정보를 특별한 데이터 전송 라인을 사용하지 않고 폐회로로 구성된 전력선을 이용하여 데이터의 송수신을 하고자 한 것으로, 가전제품 등 데이터의 양이 적어서 120BPS정도의 저속으로도 제어가 가능한 형광등의 조광신호전송, 에어컨 실외기의 제어 등 산업용 기기에 저렴하고 간단한 회로 구성으로 데이터 통신을 가능하게 한 제로크로스(Zero Cross) 직후에서의 위상제어를 이용한 폐회로 전력선 데이터 통신에 관한 것이다.

일반적으로 종래에는 제어기(101)와 피제어기(102)(예를 들어 조광용 형광등 안정기)로 구성되며, 상기 피제어기(102)를 제어하기 위한 별도의 제어선(103)이 필요한 것으로,

도 1a에 나타낸 바와 같이, 수신부의 피제어기(102)와 전원스위치(104)와 제어신호발생부로 구성되는 제어기(101)로 되어 있다.

상기와 같이 제어신호발생부로 구성되는 제어기(101)에서 발생되는 제어신호는 경우에 따라 가변저항에 의한 저항값의 변화, 직류전압의 변화, PWM(Pulse Wave Modulation)신호, 디지털데이터 등을 생각할 수 있는데 수신부를 구성하는 피제어기(102)에서 상기의 제어신호를 해석하거나 직접 이용하여 원하는 제어를 하게 되는 것으로, 전력선(105)과는 별도의 2선의 제어를 위한 제어선(103)을 필요로 한다.

도 1b는 제어선(203)과 전력선(205)의 1선을 공유한 3선식의 경우이다.

상기의 경우에는 전력선(205)의 1선을 공유하여 전원전압과 같은 전압의 PMW신호를 인가하여 제어를 하는 방법으로 제어선(203)이 1선으로 되어 있지만 높은 전압으로 제어를 해야 한다.

도 1c는 PLC(Power Line Communication)MODEM을 이용한 2선 방식의 경우이다.

상기의 경우에는 고속통신과 양방향 통신을 필요로 하는 오픈된 회로 즉 전력선(305)을 공유하는 여러 대의 기기(306)에 대하여 통신이 가능하나 회로가 복잡하고 고가이기 때문에 조명제어나 에어컨의 제어 등 고속을 필요로 하지 않으며 저가가 요구되는 경우에는 적합하지 않다.

도 2a 내지 도2b 는 위상제어를 이용한 경우와 입력파형의 변화를 보인 것이다.

상기의 위상제어를 이용하는 방법의 경우 미리 100%전력전달(0도의 위상제어)의 경우에는 100%조광, 50%전력전달(90도의 위상제어)의 경우에는 최저 조광이라는 식으로 미리 정해 놓고 조광을 하는 방식으로 다시 말하면 입력전압의 평균치를 50%∼100%사이에서 가변시키고, 그 전압의 변화를 읽어 들여 거기에 맞추어서 최저조도에서 최대조도사이를 가변시키는 방법이다.

이 방법은 전원 전압의 변동 자체로 제어가 가능한 경우(예를 들면 백열 전구의 조광)나 또는 특수한 경우 이외의 일반적인 경우 즉 전원전압이 크게 변동하면 정상작동이 되지 않는 경우에는 사용될 수 없다.

즉 안정기 자체의 전원은 평균치 50%이상의 변동에 견딜 수 있어야 하고, 또 많은 고조파를 포함하게 되며 방사노이즈 또한 매우 크고 정확한 제어가 어려운 점이 있어 거의 사용하지 않고 있다.

이에, 본 발명은 전술한 점을 감안하여 안출된 것으로서,

기기의 기본 특성에 전혀 영향을 미치지 않고 노이즈를 발생시키지 않으며, 타 기기의 전원에 대한 영향을 미치지 않으면서 원하는 정보를 특별한 데이터 전송 라인을 사용하지 않고 폐회로로 구성된 전력선을 이용하여 데이터의 송수신을 하고자 한 것으로, 가전제품 등 데이터의 양이 적어서 120BPS정도의 저속으로도 제어가 가능한 가전기기를 비롯한 산업용 기기에 저렴하고 간단한 회로 구성으로 데이터 통신을 가능하게 한 제로크로스(Zero Cross) 직후에서의 위상제어를 이용한 폐회로 전력선 데이터 통신에 관한 것이다.

도1a은 종래의 일반적인 제어방식의 구성도.

도1b는 종래의 제어선과 전력선의 1선을 공유한 3선식 제어방식의 구성도.

도1c는 종래의 PLC(Power Line Communication)MODEM을 이용한 2선 제어방식의 구성도.

도2a 내지 도2b는 위상제어를 이용한 제어방식과 입력파형도.

도3a은 본 발명의 전력선에 거의 영향을 미치지 않는 위상제어식 단방향 전력선통신 구성도.

도3b는 본 발명의 양방향통신이 가능한 위상제어식 전력선통신 구성도.

도4a는 위상제어를 이용한 데이터 송신부

도4b는 도4a의 송신부 각 부분에 나타나는 파형도

도5a는 위상제어를 이용한 데이터의 수신부.

도5b는 도5a의 수신부 각 부분에 나타나는 파형도

도6은 노이즈가 혼입된 경우의 노이즈를 제거한 결과의 파형도.

도7은 데이터의 전송포맷

* 도면의 주요 부분에 대한 간단한 부호의 설명 *

10 제어부

11 동기신호검출부

12 시그널제너레이터부

20 피제어부

21 전파정류부

22 신호검출부

23 노이즈제거부

24 신호해석부

30 트라이액

30a 전류검지부

31 저항

40,41 전력선

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 정보 전송부분은 제어부(송신부)와 피제어부(수신부)로 나누어 구성되는 것으로, 도 3a는 전력선에 거의 영향을 미치지 않는 위상제어식 단방향 전력선통신 구성도, 도3b는 양방향통신이 가능한위상제어식 전력선통신 구성도이다.

상기의 도 3a에 나타낸 제어부(10)의 역할은 외부(예로써, Dimming Up/Down 스위치 작동 등)에서 혹은 자동(예로써, 외부 채광센서에 의한 빛의 자동 조절 요구 등)으로 인가되는 제어 요구 신호를 받아 그 요구에 대응하는 미리 약속된 디지털 데이터를 전송하기 위하여 신호를 생성하고, 그 신호에 맞게 트라이액(TRIAC)(30)을 제어하여 위상신호를 만들어 피제어부(수신부)(20)에 그 위상신호가 실린 전원을 공급한다.

상기 피제어부(수신부)(20)에서는 입력된 전원을 그대로 전원으로서 사용함과 동시에 병렬로 전원에 실린 위상 제어된 신호를 추출하여 데이터를 복원시키기 위한 회로가 구성되고 여기에 복원, 해석된 신호를 주장치에 전달하여 원하는 제어 또는 데이터 통신을 가능하게 하는 것이다.

따라서, 좀더 상세하게 설명하면, 제어부(10) 즉 송신부는 도 4a에 나타낸 바와 같이 전원주파수와 정확한 동기를 맞추기 위한 동기신호검출부(11)와 동기된 신호에 맞추어서 원하는 디지털정보를 전송하기 위한 신호를 생성하는 시그널제너레이터(Signal Generator)부(12), 또 생성된 신호를 전력선(40)에 싣기 위한 트라이액(30)으로 구성된다.

한편, 동기신호검출부(11)에서는 제로크로스(Zero Cross)를 검출하여 시그널제너레이터(12)에 신호를 인가하고 시그널제너레이터(12)에서는 외부 제어신호(예로써, On/Off, Dimming Up/Down, Compressor On/Off 등)를 받아 거기에 해당하는 미리 약정된 디지털코드를 생성하여 동기신호에 맞추어서 도 4b의 (4)와 같은 전압을 출력하여 트라이액(30)의 게이트(Gate)에 인가함으로써 원하는 신호를 부하측에 전송할 수 있다.

즉 "1"을 전송하고 싶으면 제로크로스 한 시점부터 일정시간(Td) 경과 후에 트라이액(30)의 게이트가 온(On)되도록 신호를 만들어 주고 "0"을 전송하고 싶으면 일정시간(Td)이 0이 되도록 (즉 계속 트라이액이 도통되게) 트라이액(30)의 게이트전압을 제어하면 도 4b의 (5)와 같은 파형이 생성되어 부하측에 공급된다.

한편, 피제어부(20) 즉 수신부는 도 5a와 같이 전파정류부(21), 신호검출부(22), 노이즈제거부(23), 신호해석부(24)로 구성된다.

상기의 전파정류부(21)에 의하여 전파정류를 한 파형은 도 5b의 (4)와 같이 나타나게 되고 여기에는 제어기(10)의 송신부에서 발생한 신호가 위상 제어되어 나타나게 된다.

이 신호를 적당한 분압회로를 거쳐 오피엠프(OP Amp)에 접속하게 된다.

상기 오피엠프에서는 일정 전압 이하일 때에만 출력이 나타나게 옵셋(Offset)을 조절하면 도 5b의 (2)와 같은 출력파형이 나타나게 되고 노이즈제거부(23)를 거쳐 파형 정형을 하게 되면 도 5b의 (4)와 같은 원하는 신호가 복원된다.

도 6은 노이즈가 혼입된 경우 노이즈가 제거되는 과정을 상세하게 나타낸 것이다.

따라서, 도 6의 (2)에 나타낸 바와 같이 원하지 않는 신호(a)가 혼입되었을 경우를 예를 들어 설명한다.

이러한 노이즈 성분은 트라이액(30)을 구동시키기 위한 회로에서 히스테리시스 현상 등의 영향으로 생길 수 있다.

노이즈 성분은 원하는 신호에 비하여 훨씬 그 폭이 짧은 특성이 있으므로 콘덴서와 저항으로 구성된 적분회로에 나타나는 파형은 도 6의 (3)과 같이 된다.

즉, 신호의 폭이 작을 때는 충분하게 콘덴서를 충전시키기 전에 방전이 시작됨으로 높은 전압까지 올라 갈 수 없으나 신호의 폭이 클 때는 검지레벨 이상으로 올라가게 됨으로 슈미트트리거 등의 회로를 이용하여 간단하게 검출이 가능하다.

상기와 같이 복원된 신호는 신호해석부(24)에 전달되고 여기에서 신호를 해석하여 원하는 기능을 수행하게 된다.

이런 과정을 거쳐 원하는 디지털 신호를 전력선(40)에 실어서 전송할 수 있으며, 도 3b와 같이 제어부(10a)와 피제어부(20a)의 양측 모두 송수신부를 모두 갖추게 되면 양방향 통신이 가능하다.

단 피제어부(20a)에서 보낸 데이터를 제어부(10a)가 수신할 경우 값이 매우 적은 저항(31)을 이용한 전류 감지부(30a)로서 데이터를 수신할 수 있다.

상기의 양방향통신의 경우 서로의 신호가 부딪히지 않게 하기 위하여 라인 상태의 확인, 자기 신호인지 여부의 확인, 동시에 신호를 발생시켰을 경우 등을 고려하여 통신 시작시 항상 자기의 고유 코드로 송신하고 통신을 점유하여 송신을 시작한다.

만약 동시에 신호를 발생시켰을 경우에는 충분한 시간만큼 기다린 후 재시도를 하게 하는데 이때 마스터(Master)와 슬래이브(Slave)개념을 도입하여 주 전원에가까운 측을 마스터로 하고 먼측을 슬래이브로 하여 마스터와 슬래이브의 대기 시간에 차이를 둠으로써 한번 부딪히고 난 후 다시 부딪힐 확률을 낮춘다.

이와 같은 방법으로 디지털 정보의 전송이 가능하고 단순한 On/Off신호부터 데이터의 신뢰성을 높이기 위해 맨체스터코드(Manchester Code)등의 전송 및 양방향의 경우는 프로토콜을 갖는 데이터 통신도 가능하다.

즉 데이터 전송의 목적에 따라 가장 단순한 제어신호의 전송부터 한 계통에 접속된 여러 개의 기기에 대해 각각 다른 제어를 하는 것도 가능하며, 이때에는 도 7의 (1)∼(5)와 같은 데이터의 포맷(Format)을 잘 구성하여 어드레스와 제어내용을 구분하여 전송하면 그 식별이 가능하다.

데이터의 한 묶음(Packet)과 묶움 사이에는 도7의 (1)과같이 일정한 공백데이터를 전송하여 구분자로 사용할 수 있게 하는 것이 좋다.

가장 간단한 데이터의전송 예로서는 도7의 (2)와 같이 데이터로서 직접 제어신호를 보내는 방법이다.

3비트를 제어신호로 사용할 경우 8가지의 제어가 가능하며 단순한 논리회로로서 송수신부의 신호발생부와 신호해석부의 구성이 가능하다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 전압이 0볼트를 통과한 직후의 전압이 매우 낮은 부분에 신호를 싣기 때문에 거의 잡음이 발생하지 않으며, 폐쇄된 회로에 대해서만 신호가 전달됨으로 타 기기에는 전혀 영향이 없으며, 매우 간단한 회로로 120BPS 속도의 데이터 전송을 가능하게 하는 것으로, 일반 가전제품 등의 제어에도 충분한 속도이고 근거리에서는 매우 신뢰성이 높은 제어가 가능하며, 본래의 전원 파형에 대한 변형도 거의 없으므로, 이엠아이(EMI), 노이즈 등의 측면에서도 타 방식에 비해 월등한 특성을 나타낼 수 있고, 매우 저가로 구성이 가능하고 실장 면적도 거의 차지 않음으로 응용 범위가 매우 넓은 것이다.

Claims (3)

1. 전력선을 이용한 데이터 전송에 있어서,

   제로크로스(Zero Cross) 직후의 낮은 전압부분에서의 위상제어를 이용한 폐회로 전력선 데이터 통신.
2. 제1항에 있어서,

   필요한 정보를 전송하기 위한 동기신호검출부(11)와 트라이액(30)에 트리거(Trigger)를 거는 시그널제너레이터부(12)로 구성된 위상제어 데이터 제어부(10);

   상기 제어부(10)에 의해 생성되어 전력선(40)에 포함된 데이터를 수신하기 위해 전원에 포함된 데이터를 전파정류부(21), 신호검출부(22), 노이즈제거부(23) 및 신호제어부(24)를 이용하여 추출하는 피제어부(20);로

   구성된 것을 특징으로 하는 제로크로스(Zero Cross) 직후의 낮은 전압부분에서의 위상제어를 이용한 폐회로 전력선 데이터 통신.
3. 제1항과 제2항에 있어서,

   제어부(10a)와 피제어부(20a)의 양측에 송수신부를 포함하여 구성함으로써 양방향 통신이 가능한 것을 특징으로 하는 제로크로스(Zero Cross) 직후의 낮은 전압부분에서의 위상제어를 이용한 폐회로 전력선 데이터 통신.