TWI565250B - Method and device for maintaining the quality of power line communication carrier - Google Patents

Method and device for maintaining the quality of power line communication carrier Download PDF

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TWI565250B TW104128617A TW104128617A TWI565250B TW I565250 B TWI565250 B TW I565250B TW 104128617 A TW104128617 A TW 104128617A TW 104128617 A TW104128617 A TW 104128617A TW I565250 B TWI565250 B TW I565250B
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Description

保持電力線通訊載波品質的方法及裝置
本發明是有關於一種電力線通訊載波的控制方法，特別是指一種保持電力線通訊載波品質的方法及裝置。
電力線通訊控制系統是近年來熱門的控制技術，優點是利用現有的電力線就可進行控制，但是用來控制發光裝置或一般電器時，遇到的問題包括：與現有電器設備相容性差、電力線通訊載波容易受到其他電器設備產生的雜訊干擾、整體功耗很高，以及傳輸距離較長時易有雜訊及訊號失真的問題。
因此，如何實現電力線通訊控制系統與現有電器設備的相容性、提高抗干擾能力、提高節能效果並避免長距離傳輸產生的雜訊及信號失真，是一重要的課題。
本發明之目的，即在提供一種改善先前技術的保持電力線通訊載波品質的方法。
本發明保持電力線通訊載波品質的方法在一些 實施態樣中用以保持一具有一火線、一地線及一負載之間的一電力線通訊載波之信號品質，該方法包含以下步驟：以一開關元件電性連接於該電力線的火線及地線的其中一者及該負載，並以至少一扼流元件電性連接於該電力線的火線及地線的另一者及該負載，該扼流元件具有一對應一磁滯曲線的鐵芯；於該開關元件不導通時，該扼流元件的鐵芯操作在該磁滯曲線的零點附近以避免該鐵芯飽和而可傳送該電力線通訊載波予該負載；以及於該開關元件導通時，該扼流元件的鐵芯操作在該磁滯曲線的飽和區以使該鐵芯飽和而不傳送該電力線通訊載波予該負載。
本發明之功效在於：
1.為了避免電力線通訊載波及交流電信號之相互干擾，本發明在電力供應側配合開關元件的切換週期及操作在扼流元件的磁滯曲線的不同特性，可以有效保證保持電力線通訊載波品質。
2.為了避免電器本體的跨接線路濾波電容Cx吸收電力線通訊載波，本發明在電力輸出側配合耦合元件及另二組扼流元件以保證電力線通訊載波品質。
3.為了避免長距離傳輸導致失真，本發明採用具有雙線特性阻抗的匹配電路，因此可確保電力線通訊載波不會因長距離傳輸而失真。
1‧‧‧基本控制器
10‧‧‧控制單元
100‧‧‧保持傳輸品質裝置
101‧‧‧火線
102‧‧‧地線
103‧‧‧第一接線
104‧‧‧第二接線
110‧‧‧隔離模組
111‧‧‧開關元件
112‧‧‧第一扼流元件
113、113’‧‧‧第二扼流元件
114、114’‧‧‧第三扼流元件
12‧‧‧耦合元件
13‧‧‧無線傳輸單元
201‧‧‧交流電信號
203‧‧‧電力線通訊載波
204‧‧‧輸出電流
3‧‧‧負載
31‧‧‧電器本體
32‧‧‧濾波器
5‧‧‧匹配電路
51‧‧‧高壓電容
52‧‧‧電阻
61‧‧‧插座
62‧‧‧插頭
7、7’‧‧‧中繼器
70‧‧‧中繼電路
701‧‧‧第一輸入端
702‧‧‧第二輸入端
703‧‧‧第一輸出端
704‧‧‧第二輸出端
71、72‧‧‧分接電路
8‧‧‧遙控器
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施例詳細說明中清楚地呈現，其中： 圖1是一電路方塊圖，說明本發明用以實現保持電力線通訊載波品質的方法的保持傳輸品質裝置之實施例，；圖2是一波形圖，說明本實施例的扼流元件的磁滯曲線及輸出電流；圖3是一波形圖，說明本實施例的交流電信號、交流電壓載波及電力線通訊載波的整合信號及輸出電流；圖4是一示意圖，說明用以計算雙線特性阻抗的兩導線中心的距離及導線直徑；圖5是一示意圖，說明本實施例的隔離模組設置於基本控制器及負載之間；圖6是一示意圖，說明隔離模組設置在插座內的一實施例；圖7是一示意圖，說明隔離模組設置在插頭內的另一實施例；圖8是一示意圖，說明本發明的保持傳輸品質裝置的一實施態樣具有多個扼流元件及一組一對一型的中繼器；圖9是一示意圖，說明本發明的保持傳輸品質裝置的另一實施態樣具有多個扼流元件及一組一對二型的中繼器。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1至圖3，本發明之實施例中，一保持傳輸品質裝置100用以實現保持電力線通訊載波203品質的方法。
該保持傳輸品質裝置100包含一基本控制器1，該基本控制器1包括一控制單元10、一開關元件111、一第一扼流元件112、一耦合元件12及一無線傳輸單元13。需說明的是，本實施例的開關元件111電性連接於電力線的一火線101以及第一扼流元件112電性連接於電力線的一地線102。然而，其他實施例中，若配合對應的控制方式且第一扼流元件112電性連接於電力線的地線102以及第一扼流元件112電性連接於電力線的火線101，也屬於本發明之應用範疇。
無線傳輸單元13電性連接控制單元10，可接收來自一遙控器8的無線信號予控制單元10，遙控器8的無線信號內載有一控制指令，控制單元10就是依據該控制指令形成一電力線通訊載波203，且由耦合單元耦合及傳輸該電力線通訊載波203予負載3。其他實施例中，亦可將該無線傳輸單元13以一網路(Ethernet)傳輸單元(如：無線網路介面)取代，該網路傳輸單元接收載有該控制指令的網路信號予該控制單元10，亦屬於本發明的範疇。
參閱圖1及圖2，第一扼流元件112具有一對應一磁滯(B-H)曲線的鐵芯(圖未示)，且磁滯曲線具有一不飽和區及一飽和區(圖2中以虛線區隔)。本實施例中是以高導磁係數(μr=20000亨利/公尺)的鐵芯製作高頻扼流圈，只要繞上數圈即可得到高感值的電感。當電力訊號斷開一短暫時間(火線及零線同時作動)，流入負載3之電流為零，這對高頻扼流圈來說就是偏置電流為零，所以扼流圈之鐵芯 操作在磁滯曲線的零點附近，由於電力線載波訊號的電流不大，即使採用沒有氣隙之超高導磁係數鐵芯，此種小電流也不會讓鐵芯飽和，而達到保證傳輸品質的功效。開關元件111為負載電流20A左右之電子式固態開關，用以控制電力導通與否，經測試，當電力導通期間，第一扼流元件112的電感幾乎為零(鐵芯飽和)。當電力切斷進行數據通訊期間，第一扼流元件112的電感值恢復為幾個單位的毫亨利(mH)。
參閱圖1及圖3，當該開關元件111不導通(t1)時，第一扼流元件112的鐵芯操作在該磁滯曲線的零點附近以避免該鐵芯飽和而可傳送該電力線通訊載波203予該負載3。當該開關元件111導通時，該第一扼流元件112的鐵芯操作在該磁滯曲線的飽和區以使該鐵芯飽和而傳送該交流電信號201予該負載3。值得注意的是，現有的電力線通訊載波必須在交流電的越零點才能使電力線通訊載波有較高的信號品質，本發明則因為採用扼流圈的磁滯曲線特性，該開關元件111不導通期間(t1)無須在交流電的越零點附近也能保證電力線通訊載波的信號品質。
參閱圖1及圖4，保持傳輸品質裝置100還包括一與該火線101電性連接的第一接線103、一與該地線102電性連接的第二接線104及二匹配電路5，各匹配電路5電性連接第一接線103及第二接線104之間並分別設置於於第一接線103及第二接線104形成之線路的兩端，具有一高壓電容51及一具有雙線特性阻抗的電阻52，用以避免長 距離傳輸信號失真。
該電阻52的雙線的特性阻抗的計算公式為 ；其中的D為第一接線103及第二接線104兩導線 中心的距離，d為導線的直徑。以戶外設置的路燈當作負載3為例，每公里設置多組負載3，依據本發明選用符合前述特性阻抗公式計算出電阻值的電阻52，就可以克服電力線通訊載波203經過長距離傳輸的失真現象。
參閱圖1及圖3，本實施例中，電力線101至負載3之間的傳輸距離超過電力線通訊載波203會產生駐波的距離，舉例而言，假設要傳輸頻率為介於200kHz的電波信號，則該電波信號在導體內的半波長大約為500米，駐波公式為半波長的整數倍，若要傳輸超過500米的距離，即可採用本發明技術以避免駐波產生的信號失真現象，此即屬於本發明的應用範疇。
參閱圖5，配合圖1，該負載3包括一電器本體31及一防止電磁波傳播及/或接收的濾波器32，該濾波器32可以是一具有電磁干擾(EMI)特性的濾波元件、一具有電磁耐受性(EMS)特性的濾波元件，或一兼具電磁干擾和電磁耐受性的電磁相容(EMC)特性的濾波元件。濾波器32並具有一跨接線路濾波電容Cx。保持傳輸品質裝置100還包括一電性連接於該濾波器32及該耦合元件12之間的隔離模組110，該隔離模組110於該開關元件111於不導通(t1)時隔離外部干擾以傳輸無干擾之電力線通訊載波203予該電器本體31。本實施例中，隔離模組110具有一第二扼流元 件113及一第三扼流元件114，該隔離模組110的第二扼流元件113電性連接第一接線103及濾波器32之間，第三扼流元件114電性連接第二接線104及濾波器32之間。
參閱圖6，本發明的一種實施態樣中，如圖5的隔離模組110設置於一插座61內。
參閱圖7，配合圖5，本發明的另一實施態樣中，該隔離模組110設置於一插頭62內。
本實施例中，第二扼流元件113及第三扼流元件114採用磁導率μr=20000亨利/公尺、直徑約1.5~2.0公分之鐵芯以及約5圈繞線(線徑2毫米)即可獲得數mH的電感值，其尺寸可直接置入插座或插頭中而可商用及實用化。
由於一般室內佈線中的火線及地線是兩條獨立導體且間距非定值，線阻抗(特性阻抗)會隨佈線改變而影響傳輸訊號品質，其解決方案如圖8及圖9。
參閱圖8，配合圖5，在基本控制器1及匹配電路5之間還電性連接一中繼器7及類似圖5的隔離模組110具有的第二扼流元件113及第三扼流元件114，且第二扼流元件113電性連接第一接線103，第三扼流元件114電性連接第二接線104。中繼器7具有一中繼電路70、二輸入端701、702及二輸出端703、704，其中一組輸入端702及輸出端704之間電性連接第二扼流元件113，另一組輸入端701及輸出端703之間電性連接第三扼流元件114，且該中繼器7是一長距離轉接信號的一對一型的中繼器7，藉此整形傳輸信號以避免影響傳輸訊號品質。
參閱圖8，與圖7不同的是，基本控制器1及兩個分接電路71、72之間電性連接一用於分接信號的一對多型的中繼器7’及兩組第二扼流元件113、113’及第三扼流元件114、114’，且第二扼流元件113、113’電性連接第一接線103，第三扼流元件114、114’電性連接第二接線104，藉此可將家用的總開關電源分出並傳輸信號，亦可避免影響傳輸訊號品質。
補充說明的是，各實施例中選用的磁導率範圍若是大於等於1000亨利/公尺的扼流元件，亦屬於本發明的應用範疇。另外，雖然各實施例的負載3僅顯示一組，然而，只要電性連接在第一接線103和第二接線104的多組負載3，也適用於本發明的技術方案並保持電力線通訊載波的信號品質。
綜上所述，本發明之功效在於：
1.為了避免電力線通訊載波203及交流電信號201之相互干擾，本發明在電力線的供應端配合開關元件111的切換週期及操作在扼流元件的磁滯曲線的不同特性，可以有效保證保持電力線通訊載波203品質。
2.為了避免電器本體31的跨接線路濾波電容Cx吸收電力線通訊載波203，本發明在電力線的輸出端配合另二組扼流元件以保證電力線通訊載波203不被吸收。
3.為了避免長距離傳輸導致失真，本發明採用具有雙線特性阻抗的匹配電路5，因此可確保電力線通訊載波203不會因長距離傳輸而失真，故確實能達成本發明之 目的。
4.本發明可配合一對一型的中繼器7、第二扼流元件113及第三扼流元件114以保證室外長距離傳輸的傳輸訊號品質，另外，本發明又可配合一對多型的中繼器7’、第二扼流元件113及第三扼流元件114以保證室內分接電路71、72的傳輸訊號品質，具有應用的實用價值。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧基本控制器
10‧‧‧控制單元
100‧‧‧保持傳輸品質裝置
101‧‧‧火線
102‧‧‧地線
103‧‧‧第一接線
104‧‧‧第二接線
110‧‧‧隔離模組
111‧‧‧開關元件
112‧‧‧第一扼流元件
12‧‧‧耦合元件
13‧‧‧無線傳輸單元
3‧‧‧負載
5‧‧‧匹配電路
51‧‧‧高壓電容
52‧‧‧電阻
8‧‧‧遙控器

Claims (11)

  1. 一種保持電力線通訊載波品質的方法，用以保持一火線、一地線及一負載之間的一電力線通訊載波之信號品質，該方法包含以下步驟：以一開關元件電性連接於該電力線的火線及地線的其中一者及該負載，並以至少一扼流元件電性連接於該電力線的火線及地線的另一者及該負載，該扼流元件具有一對應一磁滯曲線的鐵芯；於該開關元件不導通時，該扼流元件的鐵芯操作在該磁滯曲線的零點附近以避免該鐵芯飽和而可傳送該電力線通訊載波予該負載；以及於該開關元件導通時，該扼流元件的鐵芯操作在該磁滯曲線的飽和區以使該鐵芯飽和而不傳送該電力線通訊載波予該負載。
  2. 如請求項1所述的保持電力線通訊載波品質的裝置，其中，該開關元件的不導通期間無須在交流電的越零點附近。
  3. 一種保持電力線通訊載波品質的裝置，用以保持一具有一火線、一地線及一負載之間的一電力線通訊載波之信號品質，該裝置包含：一開關元件，電性連接於該電力線的火線及地線的其中一者及該負載；及至少一扼流元件，電性連接於該電力線的火線及地線的另一者及該負載，該扼流元件具有一對應一磁滯曲 線的鐵芯，於該開關元件不導通時，該扼流元件的鐵芯操作在該磁滯曲線的零點附近以避免該鐵芯飽和而可傳送該電力線通訊載波予該負載，以及於該開關元件導通時，該扼流元件的鐵芯操作在該磁滯曲線的飽和區以使該鐵芯飽和而不傳送該電力線通訊載波予該負載。
  4. 如請求項3所述的保持電力線通訊載波品質的裝置，其中，該負載包括一電器本體、一跨接線路濾波電容及一防止電磁波傳播及/或接收的濾波器；該保持傳輸品質裝置還包括一耦合元件及一電性連接於該濾波器及該耦合元件之間的隔離模組，該隔離模組於該開關元件不導通時隔離外部干擾以傳輸無干擾之電力線通訊載波予該電器本體，且該電力線通訊載波不被該跨接線路濾波電容吸收。
  5. 如請求項3所述的保持電力線通訊載波品質的裝置，包括一與該火線電性連接的第一接線、一與該地線電性連接的第二接線及一隔離模組，該扼流元件之數量具有多數個，至少包括一電性連接於該電力線的火線及地線的另一者及該負載的第一扼流元件，以及屬於該隔離模組的一第二扼流元件及一第三扼流元件，該第二扼流元件電性連接該第一接線，第三扼流元件電性連接該第二接線。
  6. 如請求項5所述的保持電力線通訊載波品質的裝置，還包括一插座，該第二扼流元件及該第三扼流元件設置於該插座內，該第二扼流元件電性連接該第一接線及該電 磁干擾濾波器之間，該第三扼流元件電性連接該第二接線及該濾波器之間。
  7. 如請求項5所述的保持電力線通訊載波品質的裝置，其中，還包括一插頭，該第二扼流元件及該第三扼流元件設置於該插頭內，該第二扼流元件電性連接該第一接線及該濾波器之間，該第三扼流元件電性連接該第二接線及該濾波器之間。
  8. 如請求項5所述的保持電力線通訊載波品質的裝置，其中，還包括一中繼器，該中繼器具有一中繼電路、至少二輸入端及至少二輸出端，其中一組輸入端及輸出端之間電性連接該第二扼流元件，另一組輸入端及輸出端之間電性連接該第三扼流元件，且該中繼器是一長距離轉接信號的一對一型的中繼器，或一分接信號的一對多型的中繼器。
  9. 如請求項3至8其中任一項所述的保持電力線通訊載波品質的裝置，其中，該等扼流元件的磁導率大於等於1000亨利/公尺。
  10. 如請求項5至8其中任一項所述的保持電力線通訊載波品質的裝置，還包括二匹配電路，各該匹配電路電性連接該第一接線及該第二接線之間並分別設置於該第一接線及該第二接線形成之線路的兩端，具有一高壓電容及一具有雙線特性阻抗的電阻。
  11. 如請求項10所述的保持電力線通訊載波品質的裝置，其中，該電阻的雙線的特性阻抗的計算公式為： 其中的D為該第一接線及一與該地線電性連接的第二接線兩導線中心的距離，d為導線的直徑。
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