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문제 정의
- 본 연구에서는 펄스폭 변조방식을 사용하는 소형의 직류전원과 부하 사이에 전력전송구간을 분할하여 데이터를 전송하는 새로운 전력선 통신방법을 제안하였다. 제안한 전력선 통신방식의 장점으로는 기존의 통신신호를 중첩시키는 방식보다 전송하는 데이터 신호의 전압을 크게 할 수 있어 전기적 잡음에 강인한 특성을 가진다.
제안 방법
- 그러나 인덕터의 값이 커지면 환류다이오드 D3가 도통되는 시간이 길어져 이 기간 동안 다이오드 D2의 캐소드 단의 전위가 0[V]가 되어 전력선로에 데이터 신호를 실을 수 없다. 따라서 본 연구에서는 적은 용량의 인덕터를 사용하였다.
- 따라서 제안한 전력선 통신방식에서는 데이터 통신을 위한 신호를 발생하기 위한 전압(Vsig)을 공급하는 직류전원을 콘덴서 성분이 매우 작은 전원으로 사용하여야 한다. 본 연구에서는 데이터 전송속도를 8[Kbps]까지 구현하였다.
- 본 논문에서는 스위칭 주파수를 변화시키는 방식보다 데이터 전송속도를 높일 수 있고, 기존의 통신신호를 중첩시키는 방식보다는 전송하는 데이터 신호의 전압을 크게 할 수 있어 잡음에 강인할 수 있는 방식으로 전력 전송구간을 분할하여 데이터 신호를 전송하는 전력선 통신방식을 제안하였고, 직류전원을 사용하는 LED 조명 제어 시스템에 제안한 전력선 통신방식을 적용하였다. 제안한 방식은 PWM 또는 PFM 방식과 같이 스위칭 변조방식으로 전압을 공급하는 직류전원 시스템에서, 전압이 부하 측 장치에 가해지는 구간을 전력을 전송하는 구간으로 사용하고 전력이 공급되지 않는 구간에 데이터 신호를 전송하는 통신 구간으로 활용하는 방식으로 전기적 잡음에 강인한 장점을 가진다.
- )을 공급하는 직류전원을 콘덴서 성분이 매우 작은 전원으로 사용하여야 한다. 본 연구에서는 데이터 전송속도를 8[Kbps]까지 구현하였다. 이는 dc-dc 컨버터의 스위칭 주파수를 변화시키는 전력선 통신방식[4]으로 최대 4[Kbps]를 구현한 것에 비하여도 2배 이상 전송속도가 빠르다.
- 부하 측의 전력선 통신부는 다이오드 D2의 입력단의 +전력선로와 –전력선로 사이에 포토커플러를 사용하여 신호를 수신할 수 있도록 구성하였다.
- 이 기간 동안에 스위칭이 차단되는 시점과 도통되는 시점 전 후에 스위칭 잡음을 피하기 위하여 50[μsec]씩 간격을 두었고, 나머지 기간 동안 4개의 데이터 신호를 50[μsec] 간격으로 전송하였다.
- 전력선로의 전압(Vout) 파형의 데이터 신호를 전송하는 부분에서 파형이 왜곡된 것을 볼 수 있다. 이러한 파형의 왜곡되는 문제 때문에 부하 측 전력선 통신부를 구현한 회로에 포토커플러 출력신호를 비교기를 거쳐 파형의 왜곡을 제거하는 과정을 거쳤다. 그림 5와 6에 수신한 데이터 파형은 비교기를 거쳐 파형의 왜곡을 제거하는 과정을 거친 파형을 보여준다.
- 이 기간 동안에 스위칭이 차단되는 시점과 도통되는 시점 전 후에 스위칭 잡음을 피하기 위하여 50[μsec]씩 간격을 두었고, 나머지 기간 동안 4개의 데이터 신호를 50[μsec] 간격으로 전송하였다. 전력선의 길이는 5[m]와 50[m]인 경우에 대하여 실험을 수행하고 비교하였다.
- 직류전원전압(Vdc)은 12[V], 데이터 통신을 위한 신호를 발생하기 위한 전압(Vsig)은 6[V]를 사용하였다. 전력을 공급하는 전력선에 흐르는 전류는 부하 조건에 따라 변화하지만 1[A]정도로 하고 실험을 수행하였다. 스위칭 주파수는 2[KHz]로 펄스폭 변조방식으로 제어하였고 스위치가 차단되는 시간은 300[μsec]로 동작시켰다.
- 전송거리의 변화에 따른 성능 변화를 알아보기 위하여 전송거리를 50[m]로 늘리고 실험을 수행하였다. 그림 8은 전송거리를 50[m]로 하였을 때 전원 측의 환류다이오드 D4가 없는 경우에 대한 전력선로 전압과 전송에 실패한 데이터 신호 파형이다.
- 제안한 전력선 통신방식은 실험을 통하여 8[Kbps]의 전송속도를 구현하였다. 전송속도에 영향을 주는 요인 중 주요한 것이 데이터 통신 신호를 발생하기 위한 직류전압원의 콘덴서 성분이라는 것을 실험결과로 파악하여, 통신 속도의 개선방향을 제시하였다.
- 제안한 전력선 통신방식에서 전송거리에 대한 실험 결과 전송거리가 길어지면 전송선로에 존재하는 인덕턴스가 스위칭 시에 영향을 주는 문제점을 찾고, 환류다이오드를 전원 측에 사용하는 것으로 해결방안을 제안하였다.
- 제안한 전력선 통신방식은 실험을 통하여 8[Kbps]의 전송속도를 구현하였다. 전송속도에 영향을 주는 요인 중 주요한 것이 데이터 통신 신호를 발생하기 위한 직류전압원의 콘덴서 성분이라는 것을 실험결과로 파악하여, 통신 속도의 개선방향을 제시하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 실험을 위하여 구성한 회로에서 마이크로프로세서는 Atmega128을 사용하였다. 스위칭을 위한 MOSFET는 IRF540을 다이오드는 fast recovery diode인 FR305를 사용하였다.
- 본 연구의 실험을 위하여 구성한 회로에서 마이크로프로세서는 Atmega128을 사용하였다. 스위칭을 위한 MOSFET는 IRF540을 다이오드는 fast recovery diode인 FR305를 사용하였다. 포토커플러는 4n28과 비교기는 LM339를 사용하였다.
- 펄스폭 변조 제어부는 일정한 주기로 직류전원을 스위칭 해주는 제어신호와 통신할 데이터를 발생시키는 기능을 하도록 마이크로프로세서를 사용하여 구성하였다. 전력선 통신부는 전력선로에 데이터 신호를 발생하기 위한 직류전원(Vsig)과 저항 R2, 다이오드 D1 그리고 포토커플러로 구성하였다. 다이오드 D1은 전력선에 전원전압이 가해진 상태일 때 직류전원(Vsig) 측에 전원전압 Vdc가 가해지는 것을 방지하기 위하여 사용하였다.
- 전원이 차단되는 시간 동안은 다이오드 D2가 콘덴서의 전압 VL이 전력선로에 가해지지 않도록 차단해주어 전력선로를 데이터 신호를 전송하는 용도로 사용할 수 있게 해준다. 콘덴서의 평활화 된 전압 VL로부터 부하 측의 제어부에 필요한 5V 직류전원을 7805 레귤레이터를 사용하여 구성하였다. 부하 측의 전력선 통신부는 다이오드 D2의 입력단의 +전력선로와 –전력선로 사이에 포토커플러를 사용하여 신호를 수신할 수 있도록 구성하였다.
- 스위칭을 위한 MOSFET는 IRF540을 다이오드는 fast recovery diode인 FR305를 사용하였다. 포토커플러는 4n28과 비교기는 LM339를 사용하였다. 부하 측 L1은 100[μH], C1은 470[μF]를 사용하였다.
성능/효과
- ) 파형(위)과 수신한 데이터 파형(아래)이다. 전력선로의 전압파형이 매우 완만하게 변화하는 것을 알 수 있으며, 그 결과 1010의 데이터 전송이 실패한 것을 보여준다.
- 본 논문에서는 스위칭 주파수를 변화시키는 방식보다 데이터 전송속도를 높일 수 있고, 기존의 통신신호를 중첩시키는 방식보다는 전송하는 데이터 신호의 전압을 크게 할 수 있어 잡음에 강인할 수 있는 방식으로 전력 전송구간을 분할하여 데이터 신호를 전송하는 전력선 통신방식을 제안하였고, 직류전원을 사용하는 LED 조명 제어 시스템에 제안한 전력선 통신방식을 적용하였다. 제안한 방식은 PWM 또는 PFM 방식과 같이 스위칭 변조방식으로 전압을 공급하는 직류전원 시스템에서, 전압이 부하 측 장치에 가해지는 구간을 전력을 전송하는 구간으로 사용하고 전력이 공급되지 않는 구간에 데이터 신호를 전송하는 통신 구간으로 활용하는 방식으로 전기적 잡음에 강인한 장점을 가진다. 또한 데이터 신호가 전력선을 통해 전송되더라도 전원 측에서 부하 측으로 전달하는 전력량에는 영향을 주지 않고, 전력량도 제어할 수 있는 장점을 가진다.
- 본 연구에서는 펄스폭 변조방식을 사용하는 소형의 직류전원과 부하 사이에 전력전송구간을 분할하여 데이터를 전송하는 새로운 전력선 통신방법을 제안하였다. 제안한 전력선 통신방식의 장점으로는 기존의 통신신호를 중첩시키는 방식보다 전송하는 데이터 신호의 전압을 크게 할 수 있어 전기적 잡음에 강인한 특성을 가진다. 또한 전력과 통신 데이터 신호를 전달하는 구간이 분리되었으므로, 통신 데이터 신호는 전원 측에서 부하 측으로 전달되는 전력에는 영향을 주지 않고 고조파 성분도 포함되지 않는 특성을 가진다.
후속연구
- 본 연구에서는 단방향 통신만 구현하였지만, 전원 측과 부하 측에 각각 송수신을 할 수 있도록 회로를 구성하면 양방향 통신도 가능할 것이다. 향후 양방향 통신을 구현하는 연구를 진행할 계획이다.
- 이는 dc-dc 컨버터의 스위칭 주파수를 변화시키는 전력선 통신방식[4]으로 최대 4[Kbps]를 구현한 것에 비하여도 2배 이상 전송속도가 빠르다. 본 연구에서는 새로운 전력선 통신방식의 가능성을 검증해 보기 위한 목적으로 실험을 진행하였으므로 추후 전송속도의 개선에 여지가 남아 있다. 즉 전력선 통신 신호를 발생하기 위한 전원을 콘덴서 성분이 매우 작게 개선하고 포토커플러 출력의 전류용량을 증가시키면 더 빠른 통신 속도를 구현할 수 있을 것이다.
- 향후 양방향 통신을 구현하는 연구를 진행할 계획이다. 제안한 전력선 통신방식은 자동차, 모터제어, LED 조명 등 직류전원을 사용하는 모든 분야에서 적용이 가능할 것으로 보여 그 효용성이 증가할 것으로 기대한다.
- 본 연구에서는 새로운 전력선 통신방식의 가능성을 검증해 보기 위한 목적으로 실험을 진행하였으므로 추후 전송속도의 개선에 여지가 남아 있다. 즉 전력선 통신 신호를 발생하기 위한 전원을 콘덴서 성분이 매우 작게 개선하고 포토커플러 출력의 전류용량을 증가시키면 더 빠른 통신 속도를 구현할 수 있을 것이다.
- 본 연구에서는 단방향 통신만 구현하였지만, 전원 측과 부하 측에 각각 송수신을 할 수 있도록 회로를 구성하면 양방향 통신도 가능할 것이다. 향후 양방향 통신을 구현하는 연구를 진행할 계획이다. 제안한 전력선 통신방식은 자동차, 모터제어, LED 조명 등 직류전원을 사용하는 모든 분야에서 적용이 가능할 것으로 보여 그 효용성이 증가할 것으로 기대한다.
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