CN1650538A - 电力线通信适配器 - Google Patents

Abstract

公开了一种电力线通信适配器。本发明的电力线通信适配器包括一个发送单元，该发送单元包含一个包含变压器的电源；多个整流器；一个平滑滤波器；一个用于振荡产生发送信号的载波频率的振荡器；一个用来响应于从调制解调器发送来的信号进行切换的开关单元；一个初级线圈，其放置在开关单元和振荡器之间，用于将载波频率和从开关单元发送的数据组合并且放大该组合结果；第一脉冲变压器，其包括第一和第二电容器电极，利用初级线圈来电磁感应，并且利用电介质或绝缘体相互间电力分离；还分别包括第一和第二引线，每个与发送信号的电力线相连接；一个接收单元，该接收单元包括第二脉冲变压器，其具有与第一脉冲变压器相反的结构；一个滤波器，用于使从第二脉冲变压器输出的信号中的数据载波频率通过；一个数据分离单元，用于分离滤波器和调制解调器间的传输数据。

Description

电力线通信适配器

技术领域

本发明涉及一种电力线通信适配器，尤其涉及一种电力线通信适配器，通过在电力线和调制解调器之间应用具有电容器元件的变压器，使得在使用电力线发送和接收信号时，该适配器能够最小化信号衰减和噪声效应。

背景技术

通过使用广泛建造的电力线，电力线通信技术可用于实现费用适中的超高速互联网、家庭网络、家庭自动化或者遥控自动控制等。它通过在电力线上运行的50Hz～60Hz频带的普通交流电流上加载1M～50MHz的不同频带来传送信号，并且通过在接收机中从传输信号中滤掉载频频带来实现通信和控制。其中，电力线通信的适配器用于在发送和接收信号时进行信号上下路。如图1所示，适配器包括两个与电力线L1、L2相连的端子1、2，一个保险丝F，一个电涌放电器RV，一个电阻器R1，一个变压器T和放置在端子1、2和电力线调制解调器3之间的电容器C1、C2。

其中，保险丝F和电涌放电器RV用来保护电路不受反常电流和电压的影响，该反常电流和电压是由于冲击和雷电等而在电力线L1、L2上产生的。电阻器R1用于电涌放电器RV的放电。变压器T在高频下使用，并且使用一个绝缘变压器，该绝缘变压器的初级和次级线圈在互相绝缘状态下组合在一起，通过相互感应来变换数据频率。变压器T的初级线圈的一端通过电容器C1和保险丝F与端子1相连，另一端和另一个端子2直接连接。次级线圈的一端通过电容器C2与电力线调制解调器3的发送端口Tx相连，同时直接和接收端口Rx相连，次级线圈的另一端接地。属于绝缘变压器T的初级线圈一侧电路的电容器C1，执行一个带通滤波功能，用于通过电力线L1、L2把接收频率从电力线的普通频率中分离，并且使其阻抗和其中一个电路匹配。绝缘变压器T的次级线圈侧的电容器C2用于滤掉直流电流，以移去从电力线调制解调器3的发送端口Tx输出的信号的直流(DC)偏置。

如上所述，在短距离和长距离数据发送和接收过程中，传统的电力线通信适配器将用于信号发送和接收的变压器T作为中间元件使用。然而，在使用传统变压器结构时，由于数据信号以几十或者几百MHz的频率来发送和接收，对于长距离传输存在限制。与使用通信电缆或者光纤的数据传输相比，使用电力线作为媒介的电力线通信，由于高负载、干扰、噪声、阻抗变化和信号衰减，使得长距离传输难于实现。由于传统变压器T的初级和次级线圈的缠绕圈数限制了内阻，所以在几百米内传送信号时，会产生信号传输的限制。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种电力线通信适配器，通过在电力线和调制解调器之间放置具有电容器元件的变压器，该适配器最小化传输线上的信号衰减和噪声效应，也就是，通过包括两个电容器电极，在发送信号时，该两个电容器电极在次级线圈一侧分别和电力线相连，且非接触地组合在一起而成为一个电容器，并且，通过准备另两个电容器电极，在接收信号时，该另两个电容器电极在初级线圈一侧分别和电力线相连，且非接触地组合在一起而成为一个电容器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种电力线通信适配器，包括：一个发送单元，该发送单元包括一个变压器，该变压器与电力线相连，用于将输入AC高电压降低到AC低电压；多个整流器，用于整流该AC低电压，以将其转化成DC电压；一个平滑滤波器，用于平滑该DC电压；一个振荡器，用于振荡产生传输信号的载波频率；一个开关单元，用于响应于调制解调器所发送的信号进行切换；初级线圈，其放置于开关单元和振荡器之间，用于组合载波频率和从开关单元发送的数据，并且放大该组合结果；第一脉冲变压器，其包括第一和第二电容器电极，利用初级线圈来电磁感应，并且利用电介质或绝缘体相互间电力分离，还分别包括第一和第二引线，其中每个与传输信号的电力线相连；以及一个接收单元，该接收单元包括第二脉冲变压器，该第二脉冲变压器包括第三电容器电极，用于将第三引线连接到与第一引线相连的电力线，第四电容器电极，用于利用电介质或绝缘体来防止与第三电容器电极短路，并且将第四引线连接到与第二引线相连的电力线，以及一个次级线圈，该次级线圈利用第三和第四电容器电极来电磁感应；一个滤波器，用于使从第二脉冲变压器中输出的信号中的数据的载波频率通过；一个数据分离单元，用于分离滤波器和调制解调器间的传输数据。其中，该数据分离单元是LC滤波器。

附图说明

通过结合参考附图对本发明作出的下述详细描述，以上和其它目的、功能和本发明的优点都将变得更加明显，其中：

图1是电力线通信的相关适配器的电路图；

图2是根据本发明实施例的电力线通信适配器的电路图；

图3示出了应用于电力线通信适配器的脉冲变压器的结构；

图4是与图3中A对应的等效串联谐振电路；

图5是缠绕于层状铁芯上的脉冲变压器的示意图；

图6示出了次级线圈一侧的脉冲变压器的结构；

图7示出了脉冲变压器的另一种结构；

图8示出了从图2的P1点输出的载波频率的波形；

图9示出了从图2的P2点输出的载波频率的波形；

图10示出了载波频率和从图2的P3点输出的数据信号的合成波形。

发明详述

结合附图，在下面描述本发明的优选实施例。在下面的描述中，由于不必要的细节会使本发明变得含糊，所以不描述已知的功能或结构。

图2是根据本发明的一个实施例的电力线通信适配器的电路图。如图所示，本发明的电力线通信适配器主要包括一个用于向电力线S1、S2发送信号的发送单元10，和一个接收信号的接收单元20。

发送单元10包括一个电源110，用于为驱动装置提供DC电源；一个振荡器120，用于振荡产生相应的载波频率，一个脉冲变压器130(在下文中称为脉冲变压器)，用于在发送端发送信号；和一个开关TR1，其与调制解调器相连。电源110包括变压器T1，用于将AC高电压下降为AC低电压；整流器D1、D2，用于整流AC低电压，以将其转换成DC电压；以及一个平滑滤波器C1，用于平滑DC电压。振荡器120振荡产生例如45MHz的载波频率，其由电源110提供电源。尽管本实施例使用45MHz，但是经常会采用在1MHZ～50MHZ范围内选择的某一确定值。置于调制解调器和发送单元10之间的开关TR1，使用通用晶体管来切换从调制解调器发送的信号。就是说，晶体管TR1的基极与调制解调器连接，集电极与发送端的脉冲变压器130连接，发射极接地。发送端的脉冲变压器130，置于振荡器120和晶体管TR1之间，将在下文中结合图3到7进行详细描述。

同时，接收单元20包括一个接收端的脉冲变压器210，一个用于使载波频率通过的滤波器220，以及一个用于分离传输数据的数据分离单元230。将会结合附图3到7对接收端的脉冲变压器210进行描述。滤波器220是带通滤波器，使相应频率，即45MHz频段，通过。数据分离单元230一般包括一个LC滤波器L3、C2、C3。任何一个可以从调制解调器分离信号的滤波器都能作为数据分离单元230使用。

分别制造电力线通信适配器，然后将其和调制解调器相连，或者嵌入调制解调器内部以成为一个整体。

图3示出了脉冲变压器的结构。如图3所示，发送端的脉冲变压器包括三个线圈，即初级线圈一侧的初级线圈TL1，次级线圈一侧的次级和第三线圈TL2、TL3。次级线圈一侧的次级和第三线圈非常接近但彼此分开，并且耦合成为电容器C4。除了初级和次级线圈的位置相反以外，接收端的脉冲变压器210和发送端的脉冲变压器是相同的。

图4是一个等效串联谐振电路。如图4所示，可以通过从一个电压感应出一个混合串联谐振值XL+Xc而得到输出端的Q值，即电压增益，该电压通过使得在次级线圈一侧形成电容器，按照预定频率从该电容器自身感应得到。

图5是缠绕于层状铁芯上的脉冲变压器的示意图。如同常用变压器一样，其包括初级线圈侧N1和次级线圈侧N2。但是次级侧N2是一个本发明中使用的脉冲变压器结构。在本发明中，为了形成次级线圈侧N2，第一和第二电容器电极利用电介质或绝缘体相互之间电气分离，然后组合起来，象线圈一样缠绕于层状的铁芯上。它们以各种用途的每个电路的固有圈数缠绕，并且具有一对或者多个输入和输出形式。图6和图7画出了详细的结构。

图6是图5中B的结构图，是次级线圈侧的脉冲变压器的结构。如图所示，作为一个可以应用于图5中的次级线圈侧的结构，其包括第一和第二金属条30、32，其是长条形金属物体，相互面对，电介质或绝缘体34的形状和金属条相同且插在第一和第二金属条30、32之间，第一和第二引线36、38分别从第一和第二金属条30、32引出。变压器的形成可以和线圈缠绕层状铁芯一样，如图5所示。缠绕线圈时，由于该两个金属条30、32按照不同的缠绕方法可能会短路，所以可以将电介质或绝缘体40附加到两个金属条30、32的暴露侧。

图7是图5中B的结构图，是脉冲变压器次级线圈侧的另一种结构。如图7中所示，第一和第二金属条50、52，电介质或绝缘体54，第一和第二引线56、58的形成都和图6中所示的相似或相同。唯一的区别是它们具有比图6中的更大的面积。即它们的长度T足够缠绕在层状铁芯上。如同图6中的情形，缠绕线圈时，由于两个金属条50、52按照不同的缠绕方法可能会短路，可以将电介质或绝缘体60附加到两个金属条50、52的暴露侧，。

结合图5和图7对脉冲变压器的操作进行描述。

本发明的脉冲变压器具有一个结构，该结构使初级和次级线圈一侧的内阻绝对变大，而和初级和次级线圈的缠绕圈数无关。例如，在直径10mm的多孔线轴上缠绕40次的线圈具有大约100mH的电感值，在几十MHz的高频中感应后的电感值变成6.2kl。相反，在根据本发明制造具有如图6或7所示的结构的变压器时，变压器在相同条件下可以得到相对更高的阻抗。就是说，如图6和7所示，当形成一个由在两个平面导电薄膜之间的电介质或绝缘体组成的电容器时，如同在直径10mm的多孔线轴上缠绕40次线圈一样在电容器上缠绕次级线圈，然后在导电薄膜的两端分别安装电极，电容器就会反复地充电和放电，此电压与缠绕圈数数成正比。同时，与线圈缠绕圈数对应的感应电抗在单一物体比如类似具有X_L+Xc的组合电路中实现。此时，由于电容器的一个放电特征值和一个无限外部电阻(infiniteexternal resistor)相等，所以可以实现具有几个或更多MΩ的内阻的次级线圈侧输出结构。其等效于图4中的等效值N2和N4由下式(1)来决定。

$\mathrm{\τr}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\×\mathrm{LC}}---\left(1\right)$

如式(1)所示，计算出与预定频率对应的串联谐振频率，然后如等式(2)来放大电压增益。

$Q=\frac{\mathrm{VL}}{V}=\frac{\mathrm{VC}}{V}=\frac{\mathrm{Wr}}{R}=\frac{1}{\mathrm{WrcR}}=\frac{1}{R}\×\frac{L}{C}---\left(2\right)$

由于在次级线圈侧的信号可以大于在初级线圈侧的信号，而且其值与线圈缠绕圈数成正比，所以它就可以作为预定频率的放大器来实现。

因此，当信号通过安装在发送端和接收端的脉冲变压器进行发送和接收时，两个脉冲变压器之间的内阻变成几MΩ，从而可以最小化信号衰减。这是从下述事实中得到的结果，即，发送端的脉冲变压器的内阻越大，通过长距离传输线传输信号就越容易。另外，接收端的脉冲变压器的电容器可以被充电，而接收端的信号可以以相对低的噪音电平接收。该事实在电力线通信中最为重要。就是说，可以维持相对较长的传输距离，而不受AC线上的各种噪声的影响，从而可以最小化信号衰减，同时维持强信号。

当发送信号时，根据发送端的脉冲变压器中的电磁感应，接收端的脉冲变压器中也发生电磁感应。但是，由于调制解调器的控制，只能执行信号传输和信号接收中的一个操作，而不是同时执行两个。因此，发送信号不影响接收信号，反之亦然。

图8示出了从图2的P1点输出的载波频率的波形；图9示出了从图2的P2点输出的载波频率的波形；图10示出了载波频率和图2的P3点输出的数据信号的合成波形。

根据本发明的电力线通信适配器，通过在其输入和输出部分使用一个电容器元件，可以升高内阻，从而可以大幅减小传输线上的信号衰减和噪声效应。

虽然结合了具体优选实施例对本发明进行了说明和描述，但是本领域的普通技术人员应该明白，在所附权利要求书的实质与范围之内，上述说明可以进行各种不同的形式和细节的改变。

Claims (2)

1、一种电力线通信的适配器，包括：

一个发送单元，其包括：

一个与电力线相连的变压器，用于使输入的AC高电压下降到AC低电压；

多个整流器，用于整流该AC低电压，将其转化成DC电压；

一个平滑滤波器，用于平滑该DC电压；

一个振荡器，用于振荡产生发送信号的载波频率；

一个开关单元，用来相应于从一个调制解调器发送过来的信号进行切换；

一个初级线圈，其放置在所述开关单元和所述振荡器之间，用于组合所述载波频率和从所述开关单元发送的数据，并且放大组合结果；和

第一脉冲变压器，其包括第一和第二电容器电极，利用所述初级线圈来电磁感应，同时其间利用电介质或绝缘体来相互电力分离，还分别包括第一和第二引线，每个与发送信号的所述电力线相连；

一个接收单元，包括：

第二脉冲变压器，该第二脉冲变压器具有第三电容器电极，用于将第三引线连接到与所述第一引线相连的电力线；第四电容器电极，用于利用电介质或绝缘体来防止与第三电容器电极短路，并且将所述第四引线连接到与所述第二引线相连的所述电力线；以及

一个次级线圈，利用第三、第四电容器电极来电磁感应；

一个滤波器，用于使从所述第二脉冲变压器输出的信号中的数据载波频率通过；和

一个数据分离单元，用于分离所述滤波器和所述调制解调器间的传输数据。

2、一种电力线通信的适配器，其中，所述数据分离单元是LC滤波器。

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