Управление по силовому кабелю

Управление по силовому кабелю

ПРОСТОЕ УПРАВЛЕНИЕ НАГРУЗКОЙ

(передача данных по электросетям, PLC )

В последнее время наблюдается всплеск интереса к средствам передачи данных по линиям электропитания. В частности по отдельным фазам сети 380/220 Вольт с глухозаземлённой нейтралью. Высказываются порой необоснованно оптимистичные мнения: дескать, достаточно поставить передатчик (условно) в одной стороне здания, помещения, и в любой другой стороне мы сможем принимать переданную информацию.

Доходит порой до абсурда. Пытаются передавать таким образом информацию, например, с датчиков дыма, огня и т.п., забывая о том, что подобные системы безопасности должны иметь повышенную надёжность, быть автономными, и уж ни в коем случае не зависеть от электропроводки, которая сама зачастую становится причиной пожара.

Вариантом разумного применения данной технологии передачи, может служить система централизованного управления освещением в зданиях. Подобные устройства реализуются на базе микроконтроллеров, что позволяет программно разрешить вопросы, связанные с протоколом передачи данных, проверкой качества связи, адресацией устройств и т.п.

Однако в быту может появиться совсем примитивная задача: включение/выключение одной нагрузки без разрыва питающей линии. Для этого, а также для начальных экспериментов, связанных с передачей данных, служит описываемое устройство.

Передатчик состоит из колебательного контура L 1, C 1, C 2 настроенного на частоту около 50 кГц.

Периодический пробой динистора VS 1 приводит к тому, что в течение каждой половины периода питающего напряжения, в контуре возникает серия затухающих колебаний на резонансной частоте:

На ту же частоту настроен контур приёмника C 1, C 2, L 1. Напряжение, снимаемое с катушки контура, выпрямляется диодом VD 1 и сглаживается конденсатором фильтра С5:

Оптосимистор VS 1 имеет довольно большой ток включения (более 5 мА), поэтому для его питания собран отдельный источник на конденсаторе С3 и диоде VD 2.

Работа устройства очевидна: при включенном приёмнике симистор VS 2 откроется только тогда, когда на конденсаторе C 5 окажется напряжение, достаточное для открывания транзистора VT 1 — 0,7 В и более. Емкость конденсатора C 5 выбрана достаточно большой, что приводит к включению нагрузки примерно через 200 мс после включения передатчика. Такое решение улучшает помехозащищённость.

Детали, конструкция, налаживание

Номиналы деталей сведены в две таблицы:

0.15 мкФ х 250 В

100 мкГн (9 витков на кольце М2000НМ 20х6х4)

0.15 мкФ х 250 В

0.47 мкФ х 400 В

100 мкГн (9 витков на кольце М2000НМ 20х6х4)

Конструктивных особенностей описываемое устройство не имеет. Детали передатчика удобно разместить в корпусе готового выключателя, приёмника — в розетке. Монтаж может быть выполнен любым удобным способом, вплоть до навесного монтажа. Катушки L 1 передатчика и приёмника одинаковые, намотаны обычным монтажным проводом, сечением 0,35 мм. кв. Если нагрузка имеет мощность более 200 Вт, то симистор приёмника VS 2 необходимо установить на радиатор. При наличии индуктивной составляющей нагрузки, параллельно указанному симистору целесообразно включить варистор, либо демпфирующую цепочку из последовательно соединённых резистора 39 Ом и конденсатора 0,01 мкФ х 400 В. Мощность всех резисторов не менее 0,25 Вт.

Следует помнить, что устройства питаются непосредственно от сети 220 В, поэтому перед включением следует тщательно проверить монтаж на соответствие принципиальной схеме. Рабочее место должно быть удобным и хорошо освещено. Не допускается близкое расположение заземлённых металлических предметов. Любые изменения в схеме производятся только после отключения от сети.

Правильно собранное из исправных деталей устройство в налаживании не нуждается. Необходимо только:

а) проконтролировать наличие колебаний передатчика. Для этого достаточно пропустить отрезок монтажного провода сквозь сердечник L 1, и подключить к нему щупы осциллографа. Форма колебаний показана на осциллограммах выше, вертикальный масштаб 1 В/дел;

б) при выключенном передатчике проверить постоянное напряжение на конденсаторе С4 приёмника. Оно должно быть в пределах 10. 15 В.

Собственно работа устройства проста: приёмник и передатчик должны быть подключены к одной фазе; включение передатчика приведёт к включению нагрузки. Однако на практике окажется, что сигнал от передатчика распространяется не везде. Ниже для ясности разбирается этот общий момент. На рисунке показана типовая упрощённая однолинейная схема электроснабжения.

Изменение условной толщины линий отражает реальное положение дел: чем дальше мы находимся от силового трансформатора, тем меньше сечение отходящих от РП кабелей. Профессиональным электрикам известен такой параметр, как сопротивление петли фаза-ноль. Данная величина необходима для расчёта тока короткого замыкания в некоторой точке. В грамотно выполненной схеме электроснабжения должно выполняться следующее правило:

т.е. сопротивление в точке B должно быть значительно меньше сопротивления в точке А.

Применительно к системе передачи информации по сетям электроснабжения это означает практическую невозможность приёма сигнала в точке В, если передатчик находится в точке А. Рассмотрим более простой случай — разводка питания в подъезде многоквартирного дома:

Здесь Z 1 — сопротивление линии до подъездной шины питания включительно, Z 2 — сопротивление квартирной проводки. Передатчик Tx расположен в соседней квартире, относительно приёмника Rx . Возникает вопрос: каково будет ослабление сигнала на входе приёмника? Для оценки этой величины идеализируем ситуацию: примем, что внутреннее сопротивление передатчика равно нулю, входное сопротивление приёмника бесконечно большое.

Тогда схема представляет собой простейший делитель напряжения, ослабление сигнала зависит от соотношения сопротивлений Z 1 и Z 2. Даже если Z 1 всего в 2 раза меньше Z 2, то амплитуда сигнала уменьшится в 3 раза. Учитывая, что реальная разница сопротивлений Z 1 и Z 2 значительно больше, а внутреннее сопротивление относительно маломощного передатчика довольно большое, то разница эта будет существенно большей.

Интересно, что данную модель можно применить не только к распространению сигнала между квартирами, но и внутри одной квартиры, если имеется секционирование проводки! Действительно, при установке на вводе в квартиру щитка с автоматическими выключателями и радиальной схемой электроснабжения, будет наблюдаться указанная ситуация. Если монтаж проводки выполнен грамотно, сопротивление Z 1 можно «продлить» с подъездной шины питания до квартирного щитка. В результате, сигнал от передатчика, включённого, скажем, в комнатную розетку, значительно ослабнет при переходе на кухонную розетку, при условии питания розеток отдельными линиями.

Исправить ситуацию можно двумя путями: увеличением чувствительности приёмника и увеличением мощности передатчика. У первого способа есть принципиальное ограничение. Поскольку в реальной сети присутствуют помехи, то как только полезный сигнал окажется ниже уровня помехи, усиливать будет уже нечего. Увеличение мощности передатчика более перспективно, но и здесь приходится столкнуться с рядом ограничений:

— увеличение мощности передатчика потребует применения мощного источника питания, что не всегда возможно по конструктивным соображениям;

— высокий уровень сигнала может, в свою очередь, оказаться помехой для других систем передачи данных и привести к полной неработоспособности последних.

Становится очевидно, что вместо панацеи избавления от «лишних» кабелей мы имеем лишь частное скромное средство, которое при грамотном применении может принести определённую пользу. Типовая схема включения передатчика и приёмника показана ниже:

Собственное затухание кабеля обычно составляет несколько децибел на 100 м, поэтому расстояние между передатчиком и приёмником может быть достаточно большое. Точно предельное расстояние указать невозможно, поскольку оно зависит от конкретной обстановки.

Для количественной оценки уровня сигнала, можно использовать приведённую схему приёмника, но без силовых элементов. Остаётся только колебательный контур; параллельно конденсатору C 5 нужно подключить резистор около 10 кОм. Подключая такой приёмник в различных точках линии, и измеряя постоянное напряжение на конденсаторе С5, определяют уровень сигнала.

Источник

Простая схема для передачи информации по низковольтным силовым линиям

Схема решает проблему информационного обмена по кабелю, в котором не осталось свободных проводов. Амплитудно-манипулированный сигнал несущей частоты может передаваться по линиям низковольтного питания.

Иногда возникает необходимость организовать обмен данными, когда для выделенной линии связи в кабеле устройства уже не осталось неиспользованных проводников. Обычно такая задача решается с помощью высокочастотной несущей, модулированной данными и передаваемой по силовым линиям, в частности, по проводам домашней электропроводки.

Поиски в Интернете показали, что, несмотря на актуальность этой проблемы для многих разработчиков, простых, дешевых и надежных решений для низковольтных систем никто не предлагает. Ниже описан результат попытки восполнить это пробел. Имейте ввиду, что без обеспечения специальных схемотехнических мер безопасности эта схема для высоковольтных приложений непригодна.

Устройство, для которого потребуется лишь пригоршня дискретных компонентов и пара микросхем, может надежно передавать и принимать данные на скоростях до 32 кбит/с при частоте несущей 2.6 МГц. Вероятно, эту скорость можно многократно увеличить, если использовать более высокую несущую частоту и соответствующим образом изменить номиналы компонентов. Схема может работать на кабель емкостью до 10 нФ и имеет низкий уровень электромагнитных излучений. Она передает данные в стандартном последовательном асинхронном формате, совместимом с UART, но разработчикам ничто не мешает использовать манчестерское кодирование или иные протоколы.

Для простоты использована амплитудная манипуляция несущей и не предусмотрено никаких схемотехнических решений для подавления собственных шумов, кроме хорошего отношения сигнал/шум. При желании разработчики могут реализовать программное обнаружение и коррекцию ошибок.

Рисунок 1.	Если в кабеле устройства не осталось свободных проводников, эта сравнительно простая схема позволит обмениваться данными по линии низковольтного питания.

PIC микроконтроллер по набору периферии идеально подходит для нашей схемы. В частности, будет использован его модуль ШИМ или программируемый таймер для генерации прямоугольных импульсов сигнала несущей, а также быстродействующий компаратор с rail-to-rail входами (Рисунок 1). Разумеется, при наличии соответствующих периферийных устройств, можно использовать любой другой микроконтроллер.

В схеме показаны два трансивера. Приемопередатчик 1 (слева) является «удаленным» узлом, получающим питание от «базового» Приемопередатчика 2 (справа). Индуктивности L1 и L2 изолируют высокочастотную несущую от низкоимпедансной шины питания.

Нескольких узлов можно соединить в многоточечную шину, если каждый узел отелить от силовой линии развязывающей индуктивностью. Можно использовать небольшие индуктивности для поверхностного монтажа, но их рабочий ток должен с некоторым запасом обеспечивать питание нагрузки.

Передающая часть трансивера сделана на одноканальном трехстабильном драйвере шины U2 семейства TinyLogic (Fairchild). Выходы драйвера подключены к шине через элементы R1 и C1. Резистор R1 обеспечивает некоторую фильтрацию, снижающую уровень электромагнитного излучения, создаваемого крутыми фронтами прямоугольной несущей.

Точка подключения приемника образована элементами C2, D2 и D3, за которыми следуют два пиковых детектора. Первый детектор, с постоянной времени, равной примерно одной третьей длительности информационного бита, демодулирует несущую для восстановления синхронизации данных. Второй, с постоянной времени приблизительно в 50 раз превышающей длительность бита данных, адаптивно восстанавливает уровень несущей. Резисторы R3 и R5 делят этот уровень примерно до двух третьих от амплитуды несущей.

Выходы обоих детекторов подключены к входам внутреннего аналогового компаратора микроконтроллера, окончательно формирующего прямоугольные сигналы данных, которые через внешнюю цепь поступают затем на UART. Резистор R4 слегка смещает вверх неинвертирующий вход компаратора, чтобы в отсутствие обмена обеспечить предсказуемый уровень «лог. 1».

Необходимо отметить, что вход и выход трансивера всегда соединены вместе, поэтому надо позаботиться о том, чтобы программа игнорировала сигналы, принимаемые от собственного передатчика.

Рисунок 2.	Исходные данные (желтый) модулируют несущую, передаются по линии питания (синий) и точно восстанавливаются на выходе компаратора (розовый).

На Рисунке 2 желтой осциллограммой представлены исходные цифровые данные, посылаемые удаленным трансивером в передающий порт UART. Синим цветом показан результат модуляции несущей, наблюдаемый на шине питания. Розовым цветом обозначен демодулированный и восстановленный сигнал, поступающий с выхода компаратора на вход RXD UART.

Рисунок 3.	Осциллограмма, иллюстрирующая процесс демодуляции и восстановления данных. На этом рисунке: модулированный сигнал (синий), инвертирующий вход компаратора (желтый), неинвертирующий вход компаратора (зеленый), восстановленные данные (розовый).

Рисунок 3 иллюстрирует детали процесса демодуляции и восстановления данных. Входной амплитудно-манипулированный сигнал (синий) после обработки двумя детекторами поступает на инвертирующий и неинвертирующий входы компаратора (желтый и зеленый, соответственно). Данные, восстановленные на выходе компаратора, изображены розовым цветом.

Несколько слов об авторе

Джулия Трачсесс (Julia Truchsess) сделала успешную карьеру, создав ряд электронных игрушек, включая MicroJammers, Rhythm Rods и Singing Bouncy Baby, многие из которых выпускались миллионными тиражами. В конце 1990-х Джулии пришла в голову идея цифровых фоторамок, производство которых вскоре было организовано под брендом Digi-Frame. После дебюта Digi-Frame похожую продукцию начали выпускать многие крупные компании, но, по словам обозревателей, Digi-Frame была «Роллс-Ройсом среди рамок».

Джулия с одной из крупных моделей Digi-Frame. (Фото: David Friedman)

Джулия возглавляет компанию Pragmatic Designs (www.pragmaticdesigns.com), созданную в 1986 г.

Джулия в домашнем офисе со своим мужем. (Фото: David Friedman)

Рабочее место Джулии. (Фото: David Friedman)

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник