KR20030085680A

KR20030085680A - 전력선통신용 어뎁터

Info

Publication number: KR20030085680A
Application number: KR1020020023599A
Authority: KR
Inventors: 노문영; 노청윤
Original assignee: 주식회사 두노시스템
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2003-11-07
Also published as: WO2003094382A1; EP1500211A1; ATE400929T1; RU2004131842A; DE60227567D1; KR100446931B1; AU2002329089A1; IL164877A0; US20050231036A1; EP1500211A4; ZA200408812B; EP1500211B1; CN1650538A

Abstract

전력선통신용 어뎁터에 대해 개시한다. 본 발명의 전력선통신용 어뎁터는, 변압부와, 정류부와, 평활부로 이루어진 전원공급부; 신호전송을 위한 캐리어주파수를 발진시키는 발진부; 모뎀으로부터 전송된 송신신호에 대응하여 스위칭이 이루어지는 스위칭부; 상기 스위칭부와 발진부 사이에 마련되며, 상기 캐리어주파수와 상기 스위칭부의 스위칭에 의해 전송된 전송데이터를 결합하여 자화시키는 1차측 코일과, 이 1차측 코일에 의해 전자기유도되며 유전체 또는 절연체로 상호 전기적으로 분리시키고 신호 전송을 위해 전력선에 각각 접속되는 제1 리드라인 및 제2 리드라인을 각각 형성시킨 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극으로 이루어진 제1 펄스트랜스포머;를 포함하여 이루어진 송신부: 및 상기한 제1 펄스트랜스포머의 역구조를 한 제2 펄스트랜스포머; 상기 제2 펄스트랜스포머로부터 출력된 신호에서 데이터를 포함하는 캐리어주파수를 통과시키는 필터링부; 상기 필터링부와 모뎀 사이에서 전송데이터를 분리하는 데이터분리부;를 포함하여 이루어진 수신부:로 이루어져 있다. 본 발명에 따르면, 콘덴서 성분을 트랜스포머의 입출력 부분으로 활용함으로써, 내부 임피던스를 높여 펄스선호를 송수신할 때 신호의 감쇄량과 전송로 잡음에 영향을 대폭 낮출 수 있다.

Description

전력선통신용 어뎁터{Adapter for using Power Line Communication}

본 발명은 전력선통신용 어뎁터에 관한 것으로, 특히 전력선과 모뎀 사이에 콘덴서 성분을 갖는 트랜스포머를 신호의 입출력 부분에 적용하여 전력선을 이용한 신호 송수신시 신호의 감쇄량과 전송로의 잡음 영향을 최소화하는 전력선통신용 어뎁터에 관한 것이다.

전력선통신이란 광범위하게 설치되어 있는 전력선을 이용해 저렴한 비용으로 초고속인터넷, 홈네트워킹, 홈오토메이션, 원격자동제어 등을 가능케 하는 기술로서, 전력선을 흐르는 50Hz ∼ 60Hz 상용교류에 다른 주파수대(1MHz ∼ 50MHz)에 있는 신호를 실어서 전송하고 수신측에서는 그 전송된 신호를 주파수필터로 분리하는 원리로 통신 또는 제어할 수 있게 하는 것이다. 여기서, 신호의 전송 및 수신시에신호 합성 및 분리시에 전력선통신용 어뎁터가 이용되는데, 이 전력선통신용 어뎁터는 도 1에 도시된 바와 같이, 전력선(L1, L2)에 각각 접속하기 위한 2개의 접속단자(1, 2)를 가지고 있으며, 이 접속단자(1, 2)와 전력선모뎀(3)과의 사이에 퓨즈(F), 서어지방전기(RV), 저항(R1), 트랜스포머(T), 및 콘덴서(C1, C2)로 구성되어 있다.

여기서, 퓨즈(F)와 서어지방전기(RV)는 서어지, 뇌, 등에 의해 전력선(L1, L2)에 유기되는 이상전류와 이상전압으로부터 각각 회로를 보호하기 위한 것이며, 저항(R1)은 서어지방전기(RV)의 방전용이다. 트랜스포머(T)는 고주파용으로서, 상호절연상태로 결합된 1차코일 및 2차코일로 이뤄진 절연트랜스를 사용한 것이다. 이는 데이터의 송신주파수와 수신주파수를 상호 유도 작용으로 변환하여 전달하기 위한 것이다. 이 트랜스포머(T)의 1차코일 일단은 콘덴서(C1)와 퓨즈(F)를 통해 일측 접속단자(1)와 연결되어 있고, 그 타단은 타측 접속단자(2)와 직접 연결되어 있다. 2차코일의 일단은 전력선모뎀(3)의 송신단(T_X)에 콘덴서(C2)를 통해 연결된 동시에 그 수신단(R_X)에는 직접 연결되어 있으며, 타단은 접지되어 있다. 절연트랜스(T) 1차측의 회로에 있는 콘덴서(C1)는 전력선(L1, L2)을 통해 수신되는 주파수를 전력선의 상용주파수로부터 분리하는 주파수 대역통과필터의 기능과 동시에 회로의 임피던스를 매칭시킨다. 절연트랜스(T)의 2차측의 콘덴서(C2)는 전력선모뎀(3)의 송신단(T_X)에서 출력되는 신호의 직류바이어스를 제거하는 직류필터용이다.

이와 같이, 종래의 전력선통신용 어뎁터는 근거리 및 장거리 데이터 송수신 과정에서 중간의 전송과정인 신호 송수신용 트랜스포머(T)를 이용하는데, 수십 메가헤르쯔[MHz] 또는 수백 메가헤르쯔[MHz] 단위로 운용되는 데이터 전송 신호는 통상의 트랜스포머 구조로는 장거리 전송에 한계가 있었다. 전력선통신은 전력선을 매체로 통신하기 때문에 통신용 케이블이나 광섬유를 이용한 데이터 전송에 비해 구현이 어렵다. 이는 높은 부하와 간섭 현상, 잡음, 가변하는 임피던스(Impedance)와 신호 감쇄 현상 등에 의한 것으로서, 기존의 트랜스포머(T)에서는 1차 및 2차 사이의 코일 회수를 가지고 한정된 내부 임피던스를 구현함으로써 수백 미터[m] 단위의 전송에 있어서 신호 전송의 한계성 문제에 부딪히게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 전력선과 모뎀 사이에 콘덴서 성분을 갖는 트랜스포머를 신호의 입출력 부분에 적용, 즉 송신시에는 2차측에 전력선 각각에 접속되는 비접촉하여 캐패시터 결합하는 2개의 콘덴서전극을 마련하고, 수신시에는 1차측에 전력선 각각에 접속되는 비접촉하여 캐패시터 결합하는 2개의 콘덴서전극을 마련하여, 전력선을 이용한 신호 송수신시 신호의 감쇄량과 전송로의 잡음 영향을 최소화하는 전력선통신용 어뎁터를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 전력선통신용 어뎁터를 나타낸 회로도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 전력선통신용 어뎁터의 회로도이다.

도 3은 전력선통신용 어뎁터에 적용된 신호전송용 펄스트랜스포머의 구성을 나타낸 도면,

도 4는 도 3의 A의 직렬 공진 등가회로도,

도 5는 성층철심에 권선된 신호전송용 펄스트랜스포머의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,

도 6은 신호전송용 펄스트랜스포머의 2차측 구성을 나타낸 도면,

도 7은 신호전송용 펄스트랜스포머의 다른 형태의 2차측 구성을 나타낸 도면,

도 8은 도 2의 P1 지점에서 출력되는 캐리어주파수 파형도,

도 9는 도 2의 P2 지점에서 출력되는 데이터신호 파형도,

도 10은 도 2의 P3 지점에서 출력되는 캐리어주파수와 데이터신호를 합성한 파형도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 송신부 110 : 전원공급부

120 : 발진부 130 : 송신측 신호전송용 펄스트랜스포머

20 : 수신부 210 : 수신측 신호전송용 펄스트랜스포머

220 : 필터링부 230 : 데이터분리부

30, 50 : 제1 금속판 32, 52 : 제2 금속판

34, 54 : 유전체, 절연체 36, 56 : 제1 리드선

38, 58 : 제2 리드선 40, 60 : 유전체, 절연체

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전력선통신용 어뎁터는,입력되는 교류고전압을 교류저전압으로 강하시키는 변압부; 상기 교류저전압을 정류하여 직류전압으로 변환하는 정류부; 상기 직류전압을 평활화시키는 평활부; 신호전송을 위한 캐리어주파수를 발진시키는 발진부; 모뎀으로부터 전송된 송신신호에 대응하여 스위칭이 이루어지는 스위칭부; 상기 스위칭부와 발진부 사이에 마련되며, 상기 캐리어주파수와 상기 스위칭부의 스위칭에 의해 전송된 전송데이터를 결합하여 자화시키는 1차측 코일과, 이 1차측 코일에 의해 전자기유도되며 유전체 또는 절연체로 상호 전기적으로 분리시키고 신호 전송을 위해 전력선에 각각 접속되는 제1 리드라인 및 제2 리드라인을 각각 형성시킨 제1 콘덴서전극 및 제2 콘덴서전극으로 이루어진 제1 펄스트랜스포머;를 포함하여 이루어진 송신부: 및 상기 제1 리드라인이 접속되는 전력선에 접속되는 제3 리드라인을 접속시킨 제3 콘덴서전극과, 상기 제3 콘덴서전극과 유전체 또는 절연체로 쇼트를 방지하고 상기 제2 리드라인이 접속되는 전력선에 접속되는 제4 리드라인을 접속시킨 제4 콘덴서전극과, 상기 제3 콘덴서전극 및 제4 콘덴서전극에 의해 전자기유도되는 2차측 코일로 이루어진 제2 펄스트랜스포머; 상기 제2 펄스트랜스포머로부터 출력된 신호에서 데이터를 포함하는 캐리어주파수를 통과시키는 필터링부; 상기 필터링부와 모뎀 사이에서 전송데이터를 분리하는 데이터분리부;를 포함하여 이루어진 수신부:로 형성된 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 데이터분리부는 LC필터를 이용한다.

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

도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 전력선통신용 어뎁터의 회로도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전력선통신용 어뎁터는 크게 전력선(S1, S2)에 대해 신호의 송신이 이루어지는 송신부(10)와, 신호의 수신이 이루어지는 수신부(20)로 구성되어 있다.

상기 송신부(10)는, 소자 구동을 위한 직류전원을 공급하는 전원공급부(110)와, 해당 캐리어주파수를 발진시키는 발진부(120)와, 송신측 신호전송용 펄스트랜스포머(130)와, 모뎀과 접속되는 스위치(TR1)로 이루어져 있다. 상기 전원공급부(110)는 입력되는 교류고전압을 교류저전압으로 강하시키는 변압부(T1)와, 상기 교류저전압을 정류하여 직류전압으로 변환하는 정류부(D1, D2)와, 상기 직류전압을 평활화시키는 평활부(C1)로 이루어져 있다. 상기 전원공급부(110)로부터 전원을 공급받아 발진이 이루어지는 발진부(120)는 일례로 캐리어주파수인 45MHz 발진이 이루어진다. 본 실시예에서는 45MHz를 이용하고 있으나, 통상 1MHz ∼ 50MHz 범위내에서 선택된 어느값을 갖는 것이 일반적이다. 한편, 모뎀과 송신부(10) 사이에는 스위치(TR1)가 마련되는데, 모뎀으로부터 전송된 신호에 대응하여 스위칭이 이루어지는 통상의 트랜지스터(TR1)를 이용한다. 즉, 이 트랜지스터(TR1)는 베이스에 모뎀이 접속되고, 컬렉터는 상기 송신측 신호전송용 펄스트랜스포머(130)에 접속되며 이미터는 접지된다. 그리고, 상기 발진부(120)와 트랜지스터(TR1)의 컬렉터 사이에 마련되는 송신측 신호전송용 펄스트랜스포머(130)는 이후 도 3 내지 도 7에서 상세히 설명한다.

한편, 수신부(20)는 수신측 신호전송용 펄스트랜스포머(210)와, 캐리어주파수를 통과시키는 필터링부(220)와, 전송된 해당 데이터를 분리하는데이터분리부(230)로 이루어져 있다. 상기 수신측 신호전송용 펄스트랜스포머(210)는 도 3 내지 도 7을 통해 설명하기로 한다. 상기 필터링부(220)는 해당 주파수, 즉 45MHz 대역을 통과시키는 대역통과필터(BPF ; Band Pass Filter)를 의미한다. 한편, 상기 데이터분리부(230)는 통상의 LC필터(L3, C2, C3)로 이루어져 있는데, 모뎀과의 사이에서 신호를 분리할 수 있는 필터면 어느 것이나 사용할 수 있다.

그리고, 여기서 본 발명의 전력선통신용 어뎁터는 모뎀과 연결되는데, 별도로 제작하여 연결시킬 수도 있고, 모뎀 내에 마련하여 모뎀과 일체화시킬 수도 있다.

도 3은 신호전송용 펄스트랜스포머의 구성을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 송신측 신호전송용 펄스트랜스포머(130)는 3개의 코일, 즉 1차측 제1 코일(TL1), 2차측 제2 코일(TL2) 및 제3 코일(TL3)로 이루어지는데, 이때 2차측 제2 코일(TL2)과 제3 코일(TL3)이 근접 분리되어 있으며, 이 제2 코일(TL2)과 제3 코일(TL3)은 캐패시터(C4) 결합을 하고 있다. 한편, 수신측 신호전송용 펄스트랜스포머(210)는 상기한 송신측 신호전송용 펄스트랜스포머(130)와 1차측 및 2차측이 서로 위치가 바뀔 뿐 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.

도 4는 도 3의 A의 직렬 공진 등가회로도이다. 도 4를 참조하면, 2차측에 콘덴서가 형성되는 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 성층철심에 권선된 신호전송용 펄스트랜스포머의 구성을 개략적으로나타낸 도면이다. 통상의 트랜스포머와 같이 1차측(N1)과 2차측(N2)으로 이루어져 있다. 단, 2차측(N2)이 본 발명에서 이용되는 신호전송용 펄스트랜스의 구조를 하고 있다. 여기서, 본 발명에서는 2차측(N2)을 구성하기 위해 제1 콘덴서전극과 제2 콘덴서전극을 유전체 또는 절연체로 전기적으로 분리한 후 서로 접합시켜 코일형태로 성층철심 주변에 감게되는데, 사용 용도별 회로에 적합한 회수로 감겨져 있으며, 2조 또는 복수의 입력 및 출력 형태를 가질 수 있다. 이의 구체적인 구성은 도 6 및 도 7에서 살펴보자.

도 6은 도 5의 B의 구성으로서, 신호전송용 펄스트랜스포머의 2차측 구성을 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 상기한 도 5의 2차측에 적용될 수 있는 구조로서 긴 판형상의 금속물체, 즉 콘덴서전극의 역할을 수행하는 제1 금속판(30) 및 제2 금속판(32)을 서로 대향시키고, 이 제1 금속판(30) 및 제2 금속판(32) 사이에 유전체(34) 또는 절연체(34)를 금속판 형상과 동일하게 삽입하며, 상기 제1 금속판(30) 및 제2 금속판(32) 각각에서 출력되는 제1 리드선(36) 및 제2 리드선(38)을 각각 접속시키고 있다. 이와 같이 형성된 상태에서 상기한 도 5의 성층철심 주변에 코일을 감는 형식과 동일하게 형성시키게 된다. 한편, 코일형태로 감을 경우에는 제1 금속판(30)과 제2 금속판(32)이 감는 방법에 따라 서로 쇼트될 수 있으므로 제1 금속판(30) 또는 제2 금속판(32) 중 어느 하나의 금속판 노출면에 상기한 유전체(40) 또는 절연체(40)를 더 접합시켜 형성시킬 수도 있다.

도 7은 도 5의 B의 구성으로서, 신호전송용 펄스트랜스포머의 다른 형태의 2차측 구성을 나타낸 도면이다. 도 7을 참조하면, 도 6과 비교하여 제1 금속판(50),제2 금속판(52), 유전체(54) 또는 절연체(54), 제1 리드선(56) 및 제2 리드선(58)은 모두 동일 및 유사하게 형성되며, 단지 단위길이당 도 6과 비교하여 넓은 면적은 갖고 있는 것이 상이하다. 즉, 성층철심에 감을 수 있을 정도의 길이(T)를 갖고 있다. 한편, 도 6에서와 같이 제1 금속판(50)과 제2 금속판(52)이 감는 방법에 따라 서로 쇼트될 수 있으므로 제1 금속판(50) 또는 제2 금속판(52) 중 어느 하나의 금속판 노출면에 상기한 유전체(60) 또는 절연체(60)를 더 접합시켜 형성시킬 수도 있다.

도 5 내지 도 7을 참조하여 동작상을 간략하게 설명한다.

본 발명의 신호전송용 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 발명에서는 동일한 조건에서 도 6 또는 도 7과 같은 구성의 트랜스포머를 형성할 경우에 높은 임피던스값을 얻을 수 있게 된다. 즉, 동일한 1O[mm]의 공심보빈에 40회수를 도 6 또는 도 7과 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 외부저항값으로도 그대로 방전되려는 콘덴서의 특성상 실제적으로는 수 메가오옴[㏁] 이상의 내부 임피던스값을 가지는 2차측 출력 구조가 구현되며, 이때 도 4와 같은 등가적인 값 N2, C4는

ㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍㆍ공식 1

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

ㆍㆍㆍㆍㆍㆍ 공식 2

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.

결과적으로, 본 발명의 신호전송용 펄스트랜스포머를 송신측 및 수신측에 사용하여 상호 송수신이 이루어질 경우에는 신호전송이 이루어지는 송신측 신호전송용 펄스트랜스포머와 신호수신이 이루어질 상대방 수신측 신호전송용 펄스트랜스포머 사이에 내부 임피던스가 수 메가오옴[㏁]의 값을 나타내므로 신호감쇄 현상을 최소화할 수 있는데, 송신측 신호전송용 펄스트랜스포머의 내부 임피던스가 높을수록 장거리에 달하는 전송로에 원활환 신호가 전송되는 원리에 의한 것이다. 또한, 선로의 긴거리에 나타나는 잡음(noise)을 상대적으로 낮은 비례치로 신호수신이 이루어질 상대방 수신측 신호전송용 펄스트랜스포머의 캐패시터에 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 신호감쇄를 최소화하여 강한 신호를 유지하게 한다.

그리고, 신호 전송시 송신측 신호전송용 펄스트랜스포머에 전자기유도에 의해 수신측 신호전송용 펄스트랜스포머에도 전자기유도가 이루어지나, 모뎀에서의 제어에 의해 송신 및 수신이 동시에 이루어지지 않으며, 어느 한쪽의 동작만이 이루어지게 된다. 그러므로, 신호 송수신시 송신신호가 수신신호에 영향을 미치지 않게되며, 수신신호가 송신신호에 영향을 미치지 않게 되는 것이다.

한편, 도 8은 도 2의 P1 지점에서 출력되는 캐리어주파수 파형도이고, 도 9는 도 2의 P2 지점에서 출력되는 데이터신호 파형도이며, 도 10은 도 2의 P3 지점에서 출력되는 캐리어주파수와 데이터신호를 합성한 파형도이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전력선통신용 어뎁터는, 콘덴서 성분을 트랜스포머의 입출력 부분으로 활용함으로써, 내부 임피던스를 높여 펄스선호를 송수신할 때 신호의 감쇄량과 전송로 잡음에 영향을 대폭 낮출 수 있다.

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

Claims

전력선에 접속되어 입력되는 교류고전압을 교류저전압으로 강하시키는 변압부(T1); 상기 교류저전압을 정류하여 직류전압으로 변환하는 정류부(D1, D2); 상기 직류전압을 평활화시키는 평활부(C1); 신호전송을 위한 캐리어주파수를 발진시키는 발진부(120); 모뎀으로부터 전송된 송신신호에 대응하여 스위칭이 이루어지는 스위칭부; 상기 스위칭부와 발진부(120) 사이에 마련되며, 상기 캐리어주파수와 상기 스위칭부의 스위칭에 의해 전송된 전송데이터를 결합하여 자화시키는 1차측 코일(TL1)과, 이 1차측 코일에 의해 전자기유도되며 유전체 또는 절연체로 상호 전기적으로 분리시키고 신호 전송을 위해 전력선에 각각 접속되는 제1 리드라인 및 제2 리드라인을 각각 형성시킨 제1 콘덴서전극(TL2) 및 제2 콘덴서전극(TL3)으로 이루어진 제1 펄스트랜스포머(130);를 포함하여 이루어진 송신부(10): 및

상기 제1 리드라인이 접속되는 전력선에 접속되는 제3 리드라인을 접속시킨 제3 콘덴서전극과, 상기 제3 콘덴서전극과 유전체 또는 절연체로 쇼트를 방지하고 상기 제2 리드라인이 접속되는 전력선에 접속되는 제4 리드라인을 접속시킨 제4 콘덴서전극과, 상기 제3 콘덴서전극 및 제4 콘덴서전극에 의해 전자기유도되는 2차측 코일로 이루어진 제2 펄스트랜스포머(210); 상기 제2 펄스트랜스포머(210)로부터 출력된 신호에서 데이터를 포함하는 캐리어주파수를 통과시키는 필터링부(220); 상기 필터링부(220)와 모뎀 사이에서 전송데이터를 분리하는 데이터분리부(230);를 포함하여 이루어진 수신부(20):

로 형성된 것을 특징으로 하는 전력선통신용 어뎁터.
제 1 항에 있어서, 상기 데이터분리부(230)는 LC필터(L3, C2, C3)인 것을 특징으로 하는 전력선통신용 어뎁터.