專利名稱：電源線路通信電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本發(fā)明涉及通信電路，更具體的是涉及用于在常規(guī)交流電源線路上傳輸用于進(jìn)行線路負(fù)載控制的高頻通信信號的電路。
背景技術(shù)：
當(dāng)需要遙控在不同地點(diǎn)的交流電源線路上的負(fù)載(此處負(fù)載可以是房屋照明系統(tǒng)、報警系統(tǒng)或類似物)分布的任何時候，就要使用電源線路通信電路?，F(xiàn)有技術(shù)具有大量的相對復(fù)雜和在很大程度上低效的通信電路的參考，其通過常規(guī)的交流電源線路執(zhí)行各種遙控功能。例如，Boggs等人的美國專利4,024,528教導(dǎo)了一種遠(yuǎn)程交換系統(tǒng)，其中負(fù)載的運(yùn)行由在遠(yuǎn)程地點(diǎn)產(chǎn)生并沿著交流電源線路傳輸?shù)男盘柨刂啤Ｔ撾娐钒ㄓ稍摻涣麟娫淳€路電源供電并且操作以將瞬時的控制信號置于電源線路上的信號發(fā)射器。還包括電連接到該線路負(fù)載用于同樣的遠(yuǎn)程控制的接收器?？刂菩盘栐谠胍羲矔r信號通常出現(xiàn)在半周期之前的電源線路電壓的半周期的前段期間內(nèi)被應(yīng)用于該線路。這種類型的傳輸控制系統(tǒng)具有致使低效操作的非常復(fù)雜的電路構(gòu)造。
其他電源線路通信系統(tǒng)利用電容器或變壓器耦合來將載波信號耦合到電源線路，以及昂貴的推挽式的放大器來主動向/從電源線路供給電流。這種電源線路通信系統(tǒng)也需要相對貴以及大功率的電源供應(yīng)，操作效率低并且不易于在通常的房屋或辦公設(shè)施內(nèi)實(shí)施。
因此，產(chǎn)生了對新的電源線路通信電路的需求，這種新的電源線路通信電路可從需要產(chǎn)生例如不高于100毫安的相對緊湊和低價的電源供應(yīng)進(jìn)行高效操作。這種通信電路應(yīng)該具有簡化的電路構(gòu)造，其中最好是在不使用電容器、變壓器或類似物的情況下可實(shí)現(xiàn)通信信號到交流電源線路的耦合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明致力于用于通過交流電流低頻電源線路傳輸通信信號的電路，該電路包括可操作的耦合到交流電源線路的整流器，用于產(chǎn)生未濾波的整流的直流電壓信號；以及可操作的耦合到該整流器的電壓至電流轉(zhuǎn)換器(VCC)用于接收未濾波的整流的直流電壓信號，該VCC適于高頻交流形通信電壓信號和用于生成響應(yīng)高頻交流形通信電壓信號以及未濾波的整流的直流電壓信號的輸出電流，該輸出電流包括來自疊加到來自未濾波的整流的直流電壓信號的低頻直流部分的高頻交流形通信電壓信號的高頻交流部分，該疊加的高頻交流形信號部分通過該整流器將通信信號置于交流電源線路。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，該電路還包括可操作的耦合到該整流器和該VCC之間的接收器，用于提供在求和節(jié)點(diǎn)與該高頻交流形通信電壓信號求和的閉環(huán)高頻交流形通信電壓反饋信號，以控制應(yīng)用到該VCC的高頻交流形通信信號的大小和形狀。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該整流器包括半波整流器。該半波整流器包括整流二極管，該整流二極管具有陰極和陽極，該陽極可操作的耦合到該交流電源線路，以便在該電源線路的正半周期從該交流電源線路拉取電流。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該VCC包括N溝道場效應(yīng)管(FET)，該場效應(yīng)管具有源極、漏極和柵極，該漏極與該整流二極管的陰極串連連接，用于在交流電源線路的正半周期接收該未濾波的整流的直流電壓信號，以及積分器，該積分器具有非反相輸入端，該輸入端可操作的耦合到該求和節(jié)點(diǎn)，用于接收該求和的高頻交流形通信電壓信號，反相輸入端，被偏壓電壓源偏壓，以及輸出端，該輸出端可操作的耦合到該場效應(yīng)管的柵極，該積分器響應(yīng)該高頻交流型通信電壓信號以及該偏壓電壓產(chǎn)生柵極控制電壓，該柵極控制電壓被應(yīng)用于場效應(yīng)管的柵極，用于調(diào)制來自場效應(yīng)管的輸出電流，該調(diào)制的輸出電流包括來自疊加到來自未濾波的整流的直流電壓信號上的高頻交流形通信電壓信號的高頻交流部分，該疊加的高頻交流形信號部分將通信信號置于該交流電源線路上。該VCC還包括可操作的耦合在該積分器和電流感應(yīng)電阻器之間的反饋網(wǎng)絡(luò)，用于穩(wěn)定來自積分器的電壓輸出，該電流感應(yīng)電阻器可操作的耦合到該場效應(yīng)管的源極，該反饋網(wǎng)絡(luò)包括可操作的耦合到該電流感應(yīng)電阻器的分壓器。該反饋網(wǎng)絡(luò)還包括超前-滯后網(wǎng)絡(luò)，該超前-滯后網(wǎng)絡(luò)包括與電阻器并聯(lián)耦合的RC濾波器，該電阻器是分壓器的一部分。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該接收器包括第一RC濾波器，可操作地耦合到整流二極管的陰極，用于接收輸出電流和從高頻交流形通信信號部分去耦低頻直流部分，第二RC濾波器，可操作地耦合到第一RC濾波器，用于將該去耦的高頻交流形通信信號部分濾波，非反相放大器，可操作的耦合到第二RC濾波器，用于放大濾波的高頻交流形通信信號部分，以及反饋電阻器，可操作的耦合在非反相放大器和求和節(jié)點(diǎn)之間，用于閉合在高頻交流形反饋通信電壓信號上的反饋環(huán)路。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，該整流器包括全波整流器。該全波整流器包括四個二極管的電橋，該電橋具有可操作的耦合到該交流電源線路的第一和第二輸入端，用于連續(xù)的從該交流電源線路拉取電流，正輸出端，用于提供未濾波的整流的直流(d.c.)電壓信號，以及負(fù)輸出端，該負(fù)輸出端作為電路的電路接地端。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，VCC包括具有源極、漏極和柵極的N溝道場效應(yīng)管(FET)，該漏極與四個二極管的電橋的正輸出端串連連接，用于連續(xù)的接收未濾波的整流的直流電壓信號，以及一個積分器，該積分器具有非反相輸入端，可操作的耦合到求和節(jié)點(diǎn)，用于接收求和的高頻交流形通信電壓信號，反相輸入端，該反相輸入端被偏置電壓源偏置，以及一個輸出端，可操作的耦合到FET的柵極，該積分器響應(yīng)高頻交流形通信電壓信號和偏置電壓生成一個柵極控制電壓，該柵極控制電壓被應(yīng)用于FET的柵極，用于調(diào)制來自FET的輸出電流，被調(diào)制的輸出電流包括來自疊加到來自未濾波的整流的直流電壓信號的低頻直流部分的高頻交流形通信電壓信號的高頻交流部分，該疊加的高頻交流形信號部分通過四個二極管的電橋整流器將通信信號置于交流電源線路上。該VCC還包括反饋網(wǎng)絡(luò)，該反饋網(wǎng)絡(luò)可操作的耦合到該積分器和電流感應(yīng)電阻器之間，用于穩(wěn)定來自積分器的電壓輸出，該電流感應(yīng)電阻器可操作的耦合到FET的源極，該反饋網(wǎng)絡(luò)包括分壓器，該分壓器可操作的耦合到該電流感應(yīng)電阻器。該反饋網(wǎng)絡(luò)還包括超前-滯后網(wǎng)絡(luò)，該超前-滯后網(wǎng)絡(luò)包括與電阻器并聯(lián)連接的RC濾波器，該電阻器為該分壓器的一部分。
根據(jù)本發(fā)明的不同方面，接收器包括第一RC濾波器，可操作的耦合到四個二極管的電橋整流器的正輸出端，用于接收輸出電流和從高頻交流形通信信號部分去耦低頻直流部分，第二RC濾波器可操作的耦合到第一RC濾波器，用于將該去耦的高頻交流形通信信號部分濾波，非反相放大器可操作的耦合到第二RC濾波器，用于放大濾波的高頻交流形通信信號部分，以及反饋電阻器，可操作的耦合在該非反相放大器和該求和節(jié)點(diǎn)之間，用于閉合該高頻交流形反饋通信電壓信號上的該反饋回路。
本發(fā)明的這些和其他方面在參照附圖和以下本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述的情況下將變得明顯。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的電源線路通信電路的簡化示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的電源線路通信電路的示意圖；圖3是圖2的電源線路通信電路的簡化的等同的電路圖；圖4是本發(fā)明的另一實(shí)施例的簡化的示意圖；圖5a是施加到本發(fā)明的電源線路通信電路的場效應(yīng)管的柵極的控制電壓的典型的時間波形圖；圖5b是本發(fā)明的電源線路通信電路的來自電壓到電流轉(zhuǎn)換器(VCC)的輸出電流的典型的時間波形圖；以及圖5c是根據(jù)本發(fā)明的交流線路電壓的典型的時間波形圖。
發(fā)明詳述此后，本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例將參照相關(guān)的附圖1-5c被加以詳細(xì)的描述。本發(fā)明的另外的實(shí)施例、特征、和/或優(yōu)勢將隨著接下來的描述變得明顯，或者可通過本發(fā)明的實(shí)施中學(xué)到。
在附圖中，圖未被定標(biāo)并且參考標(biāo)號表示本發(fā)明的各種特征，在全部圖和說明書中同樣的符號指同樣的特征。
以下描述包括目前應(yīng)該想到的用于實(shí)施本發(fā)明的最佳模式。該描述不應(yīng)以限制的意義被理解，而只是用于描述本發(fā)明的普遍原理的目的。
本發(fā)明一般來說是致力于符合上述需求的電源線路通信電路，并通過預(yù)編程的開關(guān)的作用可用于控制房間中或辦公建筑物中的各種地點(diǎn)的燈的操作。更具體的是，該通信電路包括一個與通常的交流電源線路實(shí)用源(120V，60Hz)串連連接的全波電橋整流器。該電橋整流器從交流電源拉取功率，并在其正負(fù)端之間產(chǎn)生全波整流的直流輸出電壓信號，其被施加于與電流感應(yīng)電阻器串連連接的電壓至電流轉(zhuǎn)換器(VCC)。電壓至電流轉(zhuǎn)換器還接收來自外部通信(數(shù)據(jù))信號發(fā)生器的高頻輸入電壓。為了描述本發(fā)明的目的，術(shù)語“通信”和“數(shù)據(jù)”可互相交換使用。通信(或數(shù)據(jù))輸入信號具有類似于交流形電源線路波形的交流形波形，但其頻率要高的多。響應(yīng)該兩個輸入電壓信號，電壓至電流轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生電流輸出，其具有來自整流的直流輸入電壓的低頻直流部分和來自交流形的通信輸入電壓信號的高頻交流部分。高頻交流部分疊加到低頻直流部分上以提供交流電源線路上的線路負(fù)載控制。
現(xiàn)在更具體的參照圖1，示出了用于在交流電源線路上傳輸通信(數(shù)據(jù))信號以便進(jìn)行線路負(fù)載控制的電子電路，概括的以參考標(biāo)號10指示。電路10具有交流電源線路電源12(120V，60Hz)，其與電阻器14串連連接，該電阻器具有與其中裝有照明控制系統(tǒng)的房屋或辦公建筑物的60Hz的線路的阻抗相對應(yīng)的阻抗(ZLINE)。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例，電源線路通信電路10還包括一個全波整流器20，其優(yōu)選的是標(biāo)準(zhǔn)的四個二極管的全波電橋整流器，其可在國內(nèi)外的電子供貨店買到。電橋整流器20電連接于引線路16和引線路18之間，并且在電源線路的交流電源12的連續(xù)的正負(fù)半周期間分別通過端34、36從電源線路拉取交流電流。電橋整流器20包括通過(正)輸出端30連接的整流二極管22、28，以及分別通過為了本發(fā)明的目的而作為電路地端的(負(fù))輸出端32連接的整流二極管24和26。如果其落入本發(fā)明的范圍內(nèi)，也可使用其他類型的全波整流器。
電橋整流器20對輸入的交流電源線路電壓信號進(jìn)行整流，在其輸出端之間產(chǎn)生低頻(60Hz)全波整流的直流電壓信號。該低頻全波整流的電壓信號被電壓至電流轉(zhuǎn)換器(VCC)38接收，如圖1所示，該轉(zhuǎn)換器與電流感應(yīng)電阻器40串連連接在電橋整流器20的端30和端32之間。為了本發(fā)明的目的，電流感應(yīng)電阻器40優(yōu)選的是選擇低電阻值。
電壓至電流轉(zhuǎn)換器38具有兩個輸入電壓端42、44和一個電流輸出端46，如圖1所示。輸入電壓端42接收來自整流器20的低頻全波整流的直流電壓信號VIN。輸入電壓端44接收高頻(優(yōu)選的是115kHz)通信(數(shù)據(jù))輸入電壓信號VCOMM(圖1)，其具有通常類似交流電源線路波形的交流形波形。一旦接收到兩個輸入電壓信號(VCOMM和VIN)，電壓至電流轉(zhuǎn)換器38產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電流IOUT(圖1)。IOUT具有來自整流的直流輸入電壓信號的低頻直流部分和來自交流形數(shù)據(jù)輸入電壓信號的高頻交流部分。該高頻交流數(shù)據(jù)部分疊加到該低頻直流部分上，如將在以下描述的，以便允許燈在其各房屋/辦公建筑物地點(diǎn)進(jìn)行控制。由于IOUT在交流電源12的正負(fù)半周期間都流過電阻器40，因此存在通過系統(tǒng)傳送負(fù)載控制數(shù)據(jù)的連續(xù)的電流。
用于實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選的通信(數(shù)據(jù))信號頻率為115kHz，盡管本領(lǐng)域的技術(shù)人員會容易的理解，其他高頻率也可被使用。例如，可使用任何在100kHz～400kHz范圍內(nèi)的頻率。在這點(diǎn)上，應(yīng)該注意挑選的數(shù)據(jù)信號的頻率不應(yīng)高于540kHz，其為聯(lián)邦通信委員會(FCC)設(shè)定的AM無線電頻帶的起點(diǎn)。FCC禁止這個范圍中的載波(傳輸信號)頻率，以避免與AM無線電傳輸干擾。通常，傳輸數(shù)據(jù)信號頻率越高，可通過交流電源線路通信的數(shù)據(jù)帶寬就越大。此外，載波頻率越高，在系統(tǒng)的接收器端所需的濾波階段就越少，其中低頻(60Hz)整流的直流部分從高頻數(shù)據(jù)部分去耦(或被剝離)。
參照圖2，電壓至電流轉(zhuǎn)換器38(如虛線所示)優(yōu)選的是包括具有源極(S)52、漏極(D)50、和柵極(G)54的N溝道場效應(yīng)管(FET)48。如圖2所示，漏極50處的電勢是VIN，且高頻輸入控制電壓被施加到柵極54，導(dǎo)致來自FET 48的響應(yīng)輸出電流的調(diào)制。輸出電流波形(見圖5b)將具有疊加到低頻(60Hz)直流部分(來自漏極50處的全波整流的直流輸入電壓VIN)的高頻(115kHz)交流數(shù)據(jù)部分(來自施加到柵極54的高頻輸入控制電壓)。通常，F(xiàn)ET為優(yōu)選的用于高頻工作的電源裝置。只要不偏離本發(fā)明的所需目的，也可以使用各種其他的電源裝置。
電壓至電流轉(zhuǎn)換器38還包括積分器58，該積分器具有反相輸入端60、非反相輸入端62和輸出端64。非反相輸入端62接收由外部源(未示出)提供的高頻(115kHz)數(shù)據(jù)輸入電壓信號VCOMM。積分器輸出端64通過積分器輸出電阻器66連接到FET 48的柵極54(圖2)。偏置電壓VCC(優(yōu)選的是5V)由相對較小和有效的電源供應(yīng)(未示出)通過電阻器72被施加到積分器58的反相輸入端60。
積分器58包括傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器68，該放大器可能是由California的Santa Clara的National Semiconductor Corporation制造的LM833運(yùn)算放大器。只要是落入本發(fā)明的范圍之內(nèi)，也可以選擇其他運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器68由供應(yīng)電壓Va和Vb(分別為+8.5V和-8.5V)供電，其由相對較小和有效的電源供應(yīng)(未示出)來提供。運(yùn)算放大器68具有作為積分器58的非反相輸入端62的輸入引腳5，連接于電阻器72的輸入引腳6，以及作為積分器58的輸出端的輸出引腳7。積分器58還包括連接于引腳7和引腳6之間的負(fù)反饋電容器70，如圖2所示。
如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易的認(rèn)識到的那樣，如果積分器58的反相和非反相輸入端的電勢差是V1，那么響應(yīng)的積分輸出V2將與[常量∫V1dt]成比例，常量由-1/R72C70給出。這樣，如果正電壓被施加到引腳5，運(yùn)算放大器68的輸出不會立即上升到其供電干線，而是漸漸的擺動到新的位置。通常，柵極電勢(在柵極54處)越大，耗盡溝道越寬且來自FET 48的電流越大。
電流感應(yīng)電阻器40優(yōu)選的是挑選具有低電阻值，例如，大約1歐姆。本發(fā)明的電路設(shè)計用于為通信(數(shù)據(jù))輸入(VCOMM)的每個伏特提供到VCC 38通過電阻器40的相應(yīng)的2V壓降。這樣，VCC38的電壓增益是VOUT/VCOMM＝2。
根據(jù)實(shí)施本發(fā)明的最佳模式，通信輸入電壓信號VCOMM由外部通信(數(shù)據(jù))信號發(fā)生器(未示出)生成，其可能是連接到柵極陣列的處理器。該柵極陣列是復(fù)合邏輯電路，其可被用戶編程，并且在從處理器給定適當(dāng)?shù)拿畹那闆r下，可生成115kHz的交流電壓信號，其被適當(dāng)?shù)臑V波(未示出)直到它與正弦波形非常相似。
為了簡化115kHz交流信號通過VCC 38的傳輸，大約0.5V(未示出)的偏置補(bǔ)償電壓可被施加到運(yùn)算放大器68的引腳5。由于VCC 38的電壓增益為2，0.5V的偏置輸入將轉(zhuǎn)換成在端46的1A的電流輸出。因此，只要0.5V的補(bǔ)償電壓(±400mV-500mV)總是被保持在引腳5，任何在引腳5上另外的輸入電壓將以其整體由系統(tǒng)傳送。該另外的輸入電壓實(shí)際上是115kHz交流形的通信(數(shù)據(jù))輸入電壓信號VCOMM，該信號由上述應(yīng)用于引腳5的外部通信信號發(fā)生器產(chǎn)生。積分器58使VCOMM積分并將相應(yīng)的振蕩控制電壓VCONTROL應(yīng)用于FET 48的柵極54(經(jīng)過電阻器66)，由此改變FET的偏置并迫使FET溝道電流受VCONTROL(漏極50在VIN)控制。因此，輸出電流IOUT包含來自疊加到來自VIN(圖5b)的低頻(60Hz)直流部分的VCOMM的高頻(115kHz)部分。該IOUT波形與[VCONTROL+VIN]波形很相似，圖5a-5b示出了相位中的該兩個波形。疊加的交流部分傳送在交流電源線路上控制線路負(fù)載(房屋中的燈，等等)所需的數(shù)據(jù)。結(jié)果的VLINE波形如圖5c中所示，在交流電源12的正半周期74和負(fù)半周期76期間，高頻交流數(shù)據(jù)部分疊加于低頻直流部分上。由于通過從電源線路拉取電流可獲得兩個信號的耦合，在該兩個周期的峰值VLINE信號的幅度如圖5c中的虛線所示都被減小，但這不會影響本發(fā)明的目的。
根據(jù)實(shí)施本發(fā)明的最佳模式，只要在每個半周期期間至少有30V在線路上，在交流電源線路上傳輸高頻數(shù)據(jù)信號就被啟動。因此，如果傳輸要在正半周期開始，直到交流電源線路上升至30V傳輸才開始。在連續(xù)的負(fù)半周期期間，當(dāng)交流電源線路上還留有30V時系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。這種操作模式避免了傳統(tǒng)的過零傳輸，該過零傳輸需要利用相對較貴的推挽式放大器有效的向/從電源線路施加和拉取電流。此外，本發(fā)明的系統(tǒng)被設(shè)計成只要柵極電壓VCONTROL下降到約2V時，F(xiàn)ET 48就被關(guān)閉。任何時候只要在交流電源線路路上沒有傳輸活動，F(xiàn)ET 48就關(guān)閉以避免過熱。因此，電源裝置(FET48)只“開”很短的時間，并只在白天/夜晚的某些時間開，這有助于非常經(jīng)濟(jì)的操作。
為了更精確的控制增益和減少變形，VCC 38優(yōu)選的是包括一個電連接于電流感應(yīng)電阻器40和積分器58之間的反饋網(wǎng)絡(luò)77(圖2中虛線所示)。反饋網(wǎng)絡(luò)77包括由與電阻器86串連連接的電阻器84代表的分壓器，這些電阻器優(yōu)選的是具有相等電阻值，以及一個RC濾波器，該RC濾波器包括與電阻器82串連連接的電容器80(圖2)。與電流感應(yīng)電阻器40連接的分壓器確定在運(yùn)算放大器68的引腳6處的反饋輸入電壓。例如，如果電阻器84、86和40每個都是阻值為1歐姆的電阻器，并且如果引腳5接收到1V的輸入，為了使引腳6也接收到1V以便使運(yùn)算放大器68的輸出電壓穩(wěn)定，流過電阻器40的電流應(yīng)該為2安培，即，對于應(yīng)用于運(yùn)算放大器68的輸入引腳5的每一伏特，將從交流電源線路拉取2安培的電流。
反饋網(wǎng)絡(luò)77實(shí)際上包括超前-滯后網(wǎng)絡(luò)78(如圖2中的虛線所示)，其包含與RC濾波器(電阻器82和電容器80)并聯(lián)連接的電阻器84。在低頻時，在引腳6處的反饋輸入電壓只由根據(jù)電容器80的電抗的分壓器確定，X80＝1/2πfC，即，在低頻時，電容器80的作用就像是斷路。因此，在低頻時在引腳6會有電壓滯后。相反，在高頻時電容器的作用就像是斷路，在這種情況下在引腳6會有電壓超前。
應(yīng)該注意，可操作的是VCC 38可被看作跨導(dǎo)(transconductance)放大器，在這種情況下，增益是IOUT/VCOMM(以歐姆)。
根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例，通信電路10還包括連接于VCC 38(圖2)的輸入端44和電橋整流器38的正端30之間的接收器42(圖1)。如圖2所示，接收器42包括一個具有非反相輸入端100，反相輸入端98和輸出端102的非反相放大器96，一對提供兩極濾波的RC濾波器，以及一個經(jīng)由求和節(jié)點(diǎn)56饋送入輸入端44的反饋電阻器104。具體的是，非反相放大器96包括一個運(yùn)算放大器106，優(yōu)選的是其與運(yùn)算放大器68一致，并且電阻器108、110每個都連接到運(yùn)算放大器106的引腳2，這些電阻器優(yōu)選的是都是等值的電阻器。運(yùn)算放大器106由供應(yīng)電壓Va和Vb(分別是+8.5V和-8.5V)供電，其由相對較小和有效的電源供應(yīng)(未示出)提供。引腳3作為非反相輸入端100，引腳1連接于輸出端102并且引腳2經(jīng)由電阻器108連接于反相輸入端98。由于電阻器110和108是等值電阻器，非反相運(yùn)算放大器96的增益可從A96＝(R108+R110)/R108＝2R108/R108＝2計算。
由串連連接于全波電橋整流器20的正端30和電阻器90之間的電容器88代表的第一RC濾波器接收一個輸入電壓信號，該信號包括疊加于低頻整流的直流部分(來自VIN)的高頻交流數(shù)據(jù)部分(來自VCOMM)和出現(xiàn)在交流線路上的諸如來自調(diào)光開關(guān)等等的任何其他高頻噪聲。電容器88具有電抗X88＝1/2πfC，即，在低頻處，電容器88作用像是斷路，阻斷低頻(60Hz)直流部分的通道。在高頻處，電容器88作用像是短路，通過高頻(115kHz)交流數(shù)據(jù)部分和任何其他出現(xiàn)在線路上的高頻噪聲。這樣，電容器88將低頻整流的直流部分從高頻交流數(shù)據(jù)部分剝離(去耦)并將去耦的高頻信號通過電阻器90。在這點(diǎn)上，包含串連連接于電阻器90并且并聯(lián)連接于電容器94的電阻器92的第二RC濾波器被采用以完成信號濾波過程。連接于反相和非反相輸入端98、100之間的電容器94將濾波的高頻交流數(shù)據(jù)輸入電壓提供給非反相放大器96。根據(jù)實(shí)施本發(fā)明的最佳模式，電容器88、94應(yīng)該優(yōu)選的是具有等值的容抗并且電阻器90、92應(yīng)該優(yōu)選的是具有等值的電阻。電容器94將濾波的高頻交流數(shù)據(jù)電壓饋送到非反相放大器96的輸入端100、98，該放大器通過增益2放大該電壓。然后被放大的高頻交流數(shù)據(jù)輸出信號VFB經(jīng)過反饋電阻104被傳送到求和節(jié)點(diǎn)56。應(yīng)該是相對于生成的高頻交流通信(數(shù)據(jù))信號(VCOMM)相位差為180度的高頻交流通信(數(shù)據(jù))反饋信號然后在求和節(jié)點(diǎn)(交點(diǎn))56被與該生成的高頻交流通信(數(shù)據(jù))信號(VCOMM)求和，在應(yīng)用于運(yùn)算放大器68的引腳5的高頻交流輸入信號部分上閉合了反饋控制回路。由VFB和VCOMM的求和產(chǎn)生的高頻交流電壓誤差信號然后被饋送給運(yùn)算放大器68的引腳5。需要閉環(huán)反饋以便準(zhǔn)確的控制應(yīng)用于運(yùn)算放大器68的引腳5的高頻交流數(shù)據(jù)信號的大小和形狀。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解的是本發(fā)明的配置可以被看作A類(Class A)放大器。圖3示出了帶有參考房屋中的布線阻抗的ZLINE的A類放大器200。A類放大器200不是非常有效的放大器，但其對于本發(fā)明的目的而言是可接受的折衷，這是因?yàn)殡娫囱b置只在一天的某些時間每次只“開”半個周期。A類放大器在其操作曲線的中間被偏置，以使輸出電流在輸入電壓的整個周期期間流動。這導(dǎo)致輸出信號的最小變形。通常，因?yàn)樵谄秒娮韬途w管中的功率損失，A類放大器效率低，但是，對于本發(fā)明的目的而言這不是一個限制。
更應(yīng)該可以理解的是，全波電橋整流器20的負(fù)輸出端32也是其他上述的電路參考的電路接地端。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，圖4示出了用于在交流實(shí)用電源線路上傳輸通信(數(shù)據(jù))信號用于線路負(fù)載控制的電路，概括的由參考標(biāo)號300指示。電路300具有一個交流電源線路電源302(120V，60Hz)，串連連接于電阻器304，其具有對應(yīng)于其中安裝有燈控制系統(tǒng)的房屋(或辦公建筑物)的60Hz布線阻抗的阻抗(ZLINE)。電源302具有跨越整個系統(tǒng)的線路導(dǎo)線306和中性線308。
電源線路通信電路300還包括一個整流器310，優(yōu)選的是該整流器為半波整流器，即，傳統(tǒng)的單個的整流二極管，具有陰極端326和陽極端328。陽極端328連接于線路導(dǎo)線306并在電源線路電源302的正半周期間從交流線路拉取交流電流。在實(shí)際上不偏離本發(fā)明的意圖目的情況下，也可使用其他類型的半波整流器。整流器310在陰極端326產(chǎn)生低頻(60Hz)半波整流的直流電壓信號，優(yōu)選的是該信號被電壓至電流轉(zhuǎn)換器(VCC)314接收。VCC 314具有兩個輸入電壓端318、320以及一個連接于電流感應(yīng)電阻316的電流輸出端322。電阻器316連接于交流電源302的中性線308并且優(yōu)選的是具有低電阻值。輸入電壓端318是用于接收來自經(jīng)由陰極端326提供的低頻(60Hz)半波整流的直流電壓信號VIN。輸入電壓端320是用于接收高頻(優(yōu)選的是115kHz)通信(數(shù)據(jù))輸入電壓信號VCOMM，其具有與交流電源線路波形相似的交流形的波形。一旦接收到兩個輸入電壓(VCOMM和VIN)，VCC 314在輸出端322生成一個輸出電流IOUT。IOUT具有來自半波整流的直流輸入電壓信號的低頻直流部分和來自交流形數(shù)據(jù)輸入電壓信號的高頻交流部分。該高頻交流形數(shù)據(jù)部分以上述用于全波電橋整流器實(shí)施例的方式疊加到低頻直流部分上，并經(jīng)由電流感應(yīng)電阻器316到達(dá)交流電源線路以將通信(數(shù)據(jù))信號置于交流電源線路上。由于IOUT只在交流電源302的正半周期期間流經(jīng)電阻器316，通信(數(shù)據(jù))只可在一半的時間被傳輸通過系統(tǒng)。VCC 314的結(jié)構(gòu)和操作與圖2中的VCC 38一致。
電路300還包括接收器324，連接于VCC 314的輸入端320和整流二極管310的陰極端326之間。接收器324的結(jié)構(gòu)和操作與圖2中的接收器42一致。
上述的發(fā)明性的低頻電路可從便宜的電子元件建構(gòu)，并需要估計可產(chǎn)生只有100mA來滿足上述的發(fā)明性的電路的需要的簡單、緊密和便宜的電源供應(yīng)。這樣，該電路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的電源線路通信電路相比而言要簡單的多，并且不采用電容器/變壓器耦合來將載波(數(shù)據(jù))信號耦合到交流電源線路。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該可以理解，在其他的元件和/或配置不偏離本發(fā)明的意圖的目的和范圍的情況下，在上述的實(shí)施例中也可使用這樣的元件和/或配置。
雖然根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但應(yīng)該理解在不偏離本發(fā)明的范圍或?qū)嵸|(zhì)的情況下可在本發(fā)明中作出各種改變和變更。在這點(diǎn)上，重要的是應(yīng)該注意實(shí)施本發(fā)明并不限于上述的應(yīng)用。在不偏離本發(fā)明的意圖的目的情況下，也可用于其他應(yīng)用和/或變更。
本領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)該理解作為一個實(shí)施例的一部分而說明或描述的特征可用于其他實(shí)施例以便提供另一實(shí)施例，以使這些特征不限于上述的特定的實(shí)施例。因此，本發(fā)明意圖涵蓋這樣的改變、實(shí)施例和變更，只要其在所附的權(quán)利要求和其等同物之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于在交流(a.c.)低頻電源線路上傳送通信信號的電路，所述電路包括(a)整流器，可操作的耦合到所述交流電源線路上，用于產(chǎn)生未濾波的整流的直流(d.c.)電壓信號；以及(b)電壓至電流轉(zhuǎn)換器(VCC)，可操作的耦合到所述整流器以便接收所述未濾波的整流的直流電壓信號，所述VCC適合用于接收高頻交流形通信電壓信號和用于生成響應(yīng)所述高頻交流形通信電壓信號和所述未濾波的整流的直流電壓信號的輸出電流，所述輸出電流包括來自所述高頻交流形通信電壓信號的高頻交流部分，所述高頻交流部分疊加于來自所述未濾波的整流的直流電壓信號的低頻直流部分上，所述疊加的高頻交流形信號部分通過所述整流器將通信信號置于所述交流電源線路上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，還包括接收器，可操作的耦合在所述整流器和所述VCC之間，用于提供閉環(huán)高頻交流形通信電壓反饋信號，所述高頻交流形通信電壓反饋信號在求和節(jié)點(diǎn)與所述高頻交流形通信電壓信號求和，以控制應(yīng)用于所述VCC的所述高頻交流形通信信號的大小和形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，其中所述整流器包括半波整流器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其中所述半波整流器包括整流二極管，所述整流二極管具有陰極和陽極，所述陽極可操作的耦合到所述交流電源線路，以便在所述交流電源線路的正半周期期間從所述交流電源線路拉取電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，其中所述VCC包括一N溝道場效應(yīng)管(FET)，所述場效應(yīng)管具有源極、漏極和柵極，所述漏極與所述整流二極管的所述陰極串連連接，以便在交流電源線路的正半周期期間接收所述未濾波的整流的直流電壓信號，以及積分器，所述積分器具有非反相輸入端，可操作的耦合到所述求和節(jié)點(diǎn)，用于接收所述已求和的高頻交流形通信電壓信號，被偏置電壓源偏置的反相輸入端，及可操作的耦合到所述FET的所述柵極的輸出端，所述積分器響應(yīng)所述高頻交流形通信電壓信號和所述偏置電壓生成柵極控制電壓，所述柵極控制電壓應(yīng)用于所述FET的所述柵極，以便調(diào)制來自所述FET的所述輸出電流，所述調(diào)制的輸出電流包括來自所述高頻交流形通信電壓信號的高頻交流部分，該高頻交流部分疊加于來自所述未濾波的整流的直流電壓信號的低頻直流部分，所述疊加的高頻交流形信號部分將通信信號置于所述交流電源線路上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電路，其中所述VCC還包括反饋網(wǎng)絡(luò)，所述反饋網(wǎng)絡(luò)可操作的耦合在所述積分器和電流感應(yīng)電阻器之間，以便穩(wěn)定來自所述積分器的電壓輸出，所述電流感應(yīng)電阻器可操作的耦合到所述FET的所述源極，所述反饋網(wǎng)絡(luò)包括分壓器，所述分壓器可操作的耦合到所述電流感應(yīng)電阻器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電路，其中所述反饋網(wǎng)絡(luò)還包括超前-滯后網(wǎng)絡(luò)，所述超前-滯后網(wǎng)絡(luò)包括與電阻器并聯(lián)耦合的RC濾波器，所述電阻器是所述分壓器的一部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電路，其中所述接收器包括第一RC濾波器，所述濾波器可操作的耦合到所述整流二極管的所述陰極，以便接收所述輸出電流并將所述低頻直流部分從所述高頻交流形通信信號部分去耦，第二RC濾波器，所述第二RC濾波器可操作的耦合到所述第一RC濾波器，以便將所述去耦的高頻交流形通信信號部分濾波，非反相放大器，所述非反相放大器可操作的耦合到所述第二RC濾波器，用于放大所述濾波的高頻交流形通信信號部分，及反饋電阻器，所述反饋電阻器可操作的耦合在所述非反相放大器和所述求和節(jié)點(diǎn)之間，用于閉合所述高頻交流形反饋通信電壓信號上的所述反饋回路。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電路，其中所述整流器包括全波整流器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電路，其中所述全波整流器包括四個二極管的電橋整流器，該電橋整流器具有第一和第二輸入端，所述輸入端可操作的耦合在交流電源線路，以便連續(xù)的從該交流電源線路拉取電流，正輸出端，用于提供一未濾波的整流的直流(d.c.)電壓信號，以及負(fù)輸出端，所述負(fù)輸出端作為所述電路的電路接地端。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電路，其中所述VCC包括N溝道場效應(yīng)管(FET)，所述場效應(yīng)管具有源極、漏極和柵極，所述漏極與所述四個二極管的電橋整流器的所述正輸出端串連連接，以便連續(xù)的接收所述未濾波的整流的直流電壓信號，以及積分器，所述積分器具有非反相輸入端，可操作的耦合到所述求和節(jié)點(diǎn)，以便接收所述求和的高頻交流形通信電壓信號，反相輸入端，所述反相輸入端被偏置電壓源偏置，以及輸出端，該輸出端可操作的耦合到所述FET的所述柵極，所述積分器響應(yīng)所述高頻交流形通信電壓信號和所述偏置電壓生成柵極控制電壓，所述柵極控制電壓應(yīng)用與所述FET的所述柵極，以便調(diào)制來自所述FET的所述輸出電流，所述調(diào)制的輸出電流包括來自所述高頻交流形通信電壓信號的高頻交流部分，所述高頻交流部分疊加到來自所述未濾波的整流的直流電壓信號的低頻直流部分，所述疊加的高頻交流形信號部分將通信信號通過所述四個二極管的電橋整流器置于交流電源線路上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電路，其中所述VCC還包括反饋網(wǎng)絡(luò)，所述反饋網(wǎng)絡(luò)可操作的耦合在所述積分器和電流感應(yīng)電阻器之間，以便穩(wěn)定來自所述積分器的電壓輸出，所述電流感應(yīng)電阻器可操作的耦合到所述FET的所述源極，所述反饋網(wǎng)絡(luò)包括分壓器，所述分壓器可操作的耦合到所述電流感應(yīng)電阻器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電路，其中所述反饋網(wǎng)絡(luò)還包括超前-滯后網(wǎng)絡(luò)，所述超前-滯后網(wǎng)絡(luò)包括與電阻器并聯(lián)耦合的RC濾波器，所述電阻器是所述分壓器的一部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電路，其中所述接收器包括第一RC濾波器，所述第一RC濾波器可操作的耦合到所述四個二極管的電橋整流器的所述正輸出端，以便接收所述輸出電流并從所述高頻交流形通信信號部分去耦所述低頻直流部分，第二RC濾波器，所述第二RC濾波器可操作的耦合到所述第一RC濾波器，以便將所述去耦的高頻交流形通信信號部分濾波，非反相放大器，所述非反相放大器可操作的耦合到所述第二RC濾波器，以便放大所述濾波的高頻交流形通信信號部分，以及反饋電阻器，所述反饋電阻器可操作的耦合在所述非反相放大器和所述求和節(jié)點(diǎn)之間，以便閉合所述高頻交流形反饋通信電壓信號上的所述反饋回路。
全文摘要
電源線路通信電路包括連接于交流電源線路實(shí)用電源的整流器。該整流器從該交流電源拉取功率并在其正負(fù)輸出端之間產(chǎn)生一個低頻整流的直流電壓信號，負(fù)端作為電路參考接地端。整流的直流電壓信號被連接于整流器的正輸出端的電壓至電流轉(zhuǎn)換器所接收。該電壓至電流轉(zhuǎn)換器還接收來自外部高頻交流形通信信號發(fā)生器的高頻交流形通信輸入電壓信號。響應(yīng)于該兩個輸入電壓信號，該電壓至電流轉(zhuǎn)換器生成輸出電流，該輸出電流包含來自整流的直流輸入電壓信號的低頻直流部分和來自交流形高頻通信輸入電壓信號的高頻交流形部分。該高頻交流形通信部分疊加于該低頻直流部分上以將通信(數(shù)據(jù))信號置于該交流電源線路上。
文檔編號H04B3/54GK1602590SQ01818174
公開日2005年3月30日 申請日期2001年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月21日
發(fā)明者羅伯特·W·德勒, 羅伯特·C·黑戈伊 申請人:互達(dá)奇照明系統(tǒng)公司