BR112014015223B1

BR112014015223B1 - Circuito transmissor e método para comunicação através de linhas de distribuição de energia que transportam energia usando corrente alternada que opera em uma frequência de linha de energia

Info

Publication number: BR112014015223B1
Application number: BR112014015223-3A
Authority: BR
Inventors: Micheal D. Morris; Dale Scott Pelletier
Original assignee: Landis+Gyr Technologies, Llc
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2022-03-29
Also published as: WO2013096132A3; US20130163683A1; US8958487B2; RO130027A2; MX2014007438A; BR112014015223A8; WO2013096132A2; CA2860152A1; BR112014015223A2; CA2860152C; SE1450900A1; RO130027B1; SE538746C2

Abstract

TRANSMISSOR DE COMUNICAÇÃO DE LINHA DE ENERGIA COM CIRCUITO AMPLIFICADOR. Em uma modalidade, é fornecido um circuito transmissor para a transmissão de dados de dispositivos finais para dispositivos coletores por linhas de distribuição de energia. O transmissor inclui um circuito amplificador configurado para receber e converter um primeiro sinal de dados em um sinal codificado por modulação de densidade de pulso (PDM) com o uso de pulsos de alta frequência que introduzem componentes de alta frequência. Um filtro passa-baixa do transmissor é configurado para filtrar os componentes de alta frequência do sinal codificado por PDM para produzir um segundo sinal de dados, que é uma amplificação do primeiro sinal de dados. Um circuito de acoplamento do transmissor é configurado para acoplar comunicativamente o segundo sinal de dados do filtro passa-baixa às linhas de distribuição de energia. O circuito de acoplamento filtra a frequência do AC e impede que a voltagem alta das linhas de distribuição de energia danifique o transmissor.

Description

DOCUMENTO DE PATENTE RELACIONADO

[001] Este documento de patente reivindica a prioridade para o pedido de patente sob o número de série US13/335.399 depositado em 22 de dezembro de 2011, cujo conteúdo é incorporado a título de referência em sua totalidade.

ANTECEDENTES

[002] Os provedores de serviço utilizam redes distribuídas para fornecer serviços aos clientes por área geográficas grandes. Por exemplo, as empresas de energia usam linhas de distribuição de energia para transportar energia a partir de uma ou mais estações geradoras (usinas de energia) para locais de cliente comercial e residencial da mesma forma. As estações geradoras usam corrente alternada (CA) para transmitir energia por longas distâncias através das linhas de distribuição de energia. A transmissão em longa distância pode ser realizada com o uso de uma tensão relativamente alta. As subestações localizadas próximo aos locais de cliente fornecem uma diminuição da alta tensão para uma tensão inferior (por exemplo, com o uso de transformadores). As linhas de distribuição de energia transportam essa CA de tensão inferior a partir das subestações para os locais de cliente de dispositivos finais.

[003] Os provedores de comunicações podem utilizar uma rede de comunicações distribuída para fornecer serviços de comunicações para clientes. De modo similar, as empresas de energia utilizam uma rede de linhas de energia, medidores e outros elementos de rede para fornecer energia para os clientes por toda uma região geográfica e para receber dados das localizações de cliente (por exemplo, que inclui, mas não se limita a, dados que representam uso de serviço público medido). Um sistema pode fornecer essas funções de relatório com o uso de um conjunto de dispositivos de coleta de dados (coletores) que são projetados para se comunicar com dispositivos finais próximos. Entretanto, a comunicação de dados entre um centro de comando, coletores e milhares de dispositivos finais por linhas de distribuição de energia pode ser uma questão particularmente desafiadora. O número de consumo de dispositivos finais contribui para um conjunto de problemas que inclui, mas não se limita à sincronização, largura de banda de comunicação, questões de custo tal como eficiência de energia dos dispositivos. A eficiência de energia pode ser particularmente um problema para dispositivos finais configurados para continuar a comunicação de dados em resposta a quedas de energia.

SUMÁRIO

[004] A presente revelação é direcionada a sistemas e métodos para uso com comunicações coordenadas entre dispositivos e por linhas de distribuição de energia. Esses e outros aspectos da presente revelação são exemplificados em inúmeras implantações e aplicações ilustradas, algumas dessas são mostradas nas Figuras e caracterizadas na seção de reivindicações seguintes.

[005] Em uma modalidade, um circuito transmissor fornece a transmissão de dados de dispositivos finais para dispositivos coletores por linhas de distribuição de energia. O transmissor inclui um circuito amplificador configurado para receber e converter um primeiro sinal de dados em um sinal codificado por modulação de densidade de pulso (PDM) com o uso de pulsos de alta frequência que introduzem componentes de alta frequência. Um filtro passa-baixa do transmissor é configurado para filtrar os componentes de alta frequência do sinal codificado por PDM para produzir um segundo sinal de dados, que é uma amplificação do primeiro sinal de dados. Um circuito de acoplamento do transmissor é configurado para acoplar comunicativamente o segundo sinal de dados do filtro passa-baixa às linhas de distribuição de energia. O circuito de acoplamento filtra a frequência de CA das linhas de distribuição de energia e impede que a tensão alta das linhas de distribuição de energia danifique o circuito transmissor.

[006] Em uma outra modalidade, é fornecido um método para comunicar dados por linhas de distribuição de energia com o uso de CA. Um primeiro sinal de dados é amplificado por um circuito de processamento através da conversão do primeiro sinal de dados em um sinal codificado por PDM e filtragem dos componentes de alta frequência do sinal codificado por PDM para produzir um segundo sinal de dados amplificado. O sinal de dados amplificado é comunicado a partir do circuito de processamento para as linhas de distribuição de energia, enquanto filtram a frequência de linha de energia e impedem que a tensão alta das linhas de distribuição de energia danifique o circuito de processamento.

[007] O sumário acima não pretende descrever cada modalidade ilustrada ou cada implantação da presente revelação. As Figuras e a descrição detalhada seguintes, que inclui o que fora descrito nas reivindicações anexas, descrevem mais particularmente algumas dessas modalidades.

BREVE DESCRIÇÃO DE FIGURAS

[008] Vários exemplos de modalidades podem ser mais completamente entendidos em consideração da seguinte descrição detalhada em conjunto com os desenhos anexos, nos quais:

[009] A Figura 1A é um diagrama de bloco de um ambiente de rede que tem pontos finais configurados para a transmissão de dados por uma rede de distribuição de energia, consistente com uma ou mais modalidades da presente revelação;

[010] A Figura 1B é um diagrama de bloco de um circuito transmissor disposto no ambiente de rede mostrado na Figura 1A, consistente com uma ou mais modalidades da presente revelação;

[011] A Figura 2 é um diagrama de bloco de um circuito transceptor de ponto final, consistente com uma ou mais modalidades da presente revelação;

[012] A Figura 3 é um diagrama de bloco do circuito transceptor de ponto final mostrado na Figura 2 adaptado para configuração de ganho automática, consistente com uma ou mais modalidades da presente revelação; e

[013] A Figura 4 mostra um fluxograma de um método para transmitir dados por linhas de distribuição de energia, consistente com uma ou mais modalidades da presente revelação.

[014] Embora a revelação seja passível de várias modificações e formas alternativas, os exemplos da mesma foram mostrados por meio de exemplo nos desenhos e serão descritos em detalhes. Deve ficar entendido, entretanto, que a intenção não pretende limitar a revelação às modalidades particulares mostradas e/ou descritas. Ao contrário, a intenção é abranger todas as modificações, equivalentes e alternativas que se enquadram no espírito e no escopo da revelação.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[015] Acredita-se que os aspectos da presente revelação sejam aplicáveis a uma variedade de tipos diferentes de dispositivos, sistemas e disposições para coordenar comunicações entre múltiplos níveis de dispositivos que usam linhas de distribuição de energia como portadoras de comunicação. Embora a presente revelação não seja necessariamente limitada a tais aplicações, vários aspectos da revelação podem ser observados através de uma discussão de vários exemplos que usam esse contexto. Os exemplos de modalidades da presente revelação incluem vários métodos e circuitos para processamento e transmissão de sinais de dados. Consistentemente com a presente revelação, certas modalidades são direcionadas a circuitos transmissores que podem ser usados em dispositivos finais para se comunicar por linhas de distribuição de energia.

[016] Uma ou mais modalidades fornecem um transmissor eficiente em energia. Um circuito amplificador do transmissor converte um primeiro sinal de dados em um sinal codificado por modulação de densidade de pulso (PDM) com o uso de pulsos de alta frequência. PDM é uma forma de modulação usada para representar um sinal analógico em uma forma digital binária. Em uma codificação por PDM, os valores de amplitude específicos do sinal analógico são representados pela densidade relativa de pulsos de dados binários. A modulação de largura de pulso (PWM) é um tipo de codificação por PDM, no qual os pulsos são uniformemente espaçados em tempo a uma distância correspondente a uma taxa de amostragem ou frequência de codificação. A amplitude de cada amostra é representada pela largura do pulso correspondente. A codificação por PDM permite que o sinal seja facilmente amplificado na forma binária. Em algumas modalidades, o sinal codificado por PDM pode ser amplificado durante o processo de codificação por PDM.

[017] Um filtro passa-baixa do transmissor é, então, usado para filtrar os componentes de alta frequência do sinal codificado por PDM para produzir uma versão amplificada do primeiro sinal de dados original. UM circuito de acoplamento do transmissor é configurado para acoplar comunicativamente o sinal de dados amplificado do filtro passa-baixa às linhas de distribuição de energia. O circuito de acoplamento filtra a frequência de CA das linhas de distribuição de energia e impede que as altas voltagens das linhas de distribuição de energia danifiquem o transmissor.

[018] Em algumas modalidades, a codificação por PDM é executada com o uso de um amplificador Classe D. Um amplificador Classe D é um amplificador de comutação, no qual o sinal de saída está completamente ligado ou desligado. Essa característica é útil na codificação de sinais binários, tal como na codificação por PDM, e reduz significativamente o consumo de energia em comparação com um amplificador linear, que é usado para a amplificação de sinais analógicos.

[019] A codificação por PDM usa uma frequência de taxa de pulso que é maior que uma frequência do primeiro sinal de dados, que permite que o filtro passa- baixa remova os componentes de alta frequência do sinal codificado por PDM para produzir uma versão amplificada do sinal de dados original. Do mesmo modo, a taxa de pulso também pode ser definida como sendo maior que a frequência de CA de linhas de distribuição de energia de modo que a filtração passa-alta possa ser usada para comunicar o sinal de dados amplificado para as linhas de distribuição de energia enquanto filtra as frequências CA do transmissor.

[020] Em algumas implantações, o transmissor pode ser configurável para usar frequências portadoras diferentes dentre uma pluralidade de frequências portadoras. Em algumas modalidades, o transmissor é configurado para ajustar ganho do transmissor para um nível adequado para uma selecionada dentre a pluralidade de frequências portadoras. O transmissor inclui um circuito para selecionar uma dentre uma pluralidade de frequências portadoras e modular o sinal portador para codificar bits de dados para produzir o primeiro sinal de dados. Um circuito de detecção de corrente do transmissor é configurado para detectar corrente fornecida para as linhas de distribuição de energia pelo circuito de acoplamento. Um circuito de retroalimentação ajusta o ganho do circuito amplificador como uma função da corrente detectada e a selecionada dentre a pluralidade de frequências portadoras.

[021] Consistentemente com várias modalidades da presente revelação, as linhas de distribuição de energia podem transportar energia que é fornecida a partir de uma ou mais estações geradoras (usinas de energia) para locais de cliente comercial e residencial da mesma forma. A estação geradora usa CA para transmitir a energia por longas distâncias pelas linhas de distribuição de energia. A transmissão em longa distância pode ser realizada com o uso de uma tensão relativamente alta. As subestações localizadas próximo aos locais de cliente fornecem uma diminuição da alta tensão para uma tensão inferior (por exemplo, com o uso de transformadores). As linhas de distribuição de energia transportam essa CA de tensão inferior das subestações para os locais de cliente. Dependendo da rede de distribuição, as voltagens exatas e as frequências de CA podem variar. Por exemplo, as voltagens podem geralmente estar na faixa de 100 a 480 V (expressas como tensão de raiz medial dos quadrados) com duas frequências comumente usadas sendo 50 Hz e 60 Hz. Nos Estados Unidos, por exemplo, uma rede de distribuição pode fornecer locais de cliente com 120 V e/ou 480 V, a 60 Hz.

[022] A Figura 1A é um diagrama de bloco de um ambiente de rede de comunicação de linha de energia (PLC) 100 no qual os transmissores de ponto final 103 comunicam os dados com unidades coletoras, consistentes com as modalidades da presente revelação. O ambiente de rede 100 inclui uma rede de serviço 101 no qual uma pluralidade de dispositivos finais 102a-102f é acoplada (por exemplo, comunicativamente acoplada) a unidades coletoras 104a, 104b. Consistentemente com as modalidades da presente revelação, os pontos finais 102 podem fornecer dados de medidores de serviço público. Por exemplo, os dados podem ser fornecidos a partir de medidores de energia, medidores de gás e/ou medidores de água, que são respectivamente instalados em redes de distribuição de gás e água. Para facilidade de descrição, as modalidades e os exemplos são principalmente descritos em referência aos pontos finais 102 como fornecendo medição de dados de serviço público (por exemplo, energia) por uma rede de distribuição de energia. Entretanto, as modalidades não são limitadas e deve ficar entendido que outros dados também podem ser comunicados também por dispositivos finais.

[023] A comunicação de dados pelas redes de distribuição de serviço público é difícil devido ao ambiente dos meios de transmissão e do número de consumo de dispositivos finais, que contribuem para um conjunto de problemas que inclui sincronização, largura de banda de comunicação e questões de custo. Por exemplo, os transmissores de dados para linhas de distribuição precisam ter a capacidade de manipular voltagens altas inerentes presentes nas linhas de energia. Para muitos serviços públicos, os meios de transmissão não são intensamente utilizados para transmissão de dados. Como tal, a largura de banda de frequência inferior é muitas vezes disponível para transmissão. Em uma ou mais modalidades, os transmissores de ponto final 103 são configurados para levar vantagem de transmissão em bandas de frequência inferior, disponíveis para muitos meios de transmissão de serviço público, para fornecer uma transmissão com energia eficiente de sinais de dados em tal rede. Conforme explicado em referência à Figura 1B abaixo, os transmissores de ponto final podem codificar sinais de dados com frequência baixa com o uso de codificação por PDM de frequência alta, o que permite que os sinais sejam facilmente decodificados por PDM com o uso de filtração passa-baixa em um momento posterior.

[024] A rede de distribuição de energia 100 mostrada na Figura 1A também pode exibir alterações de impedância dinâmicas que podem tornar a comunicação difícil devido à adição e à remoção de outros dispositivos finais 102, à reconfiguração da rede para equilibrar as cargas de energia (através do comutador 105, reconfiguração de bandas de frequência atribuídas aos transmissores, fatores ambientais (por exemplo, congelamento nas linhas de energia), etc. Como um resultado das alterações de impedância da rede, os transmissores de ponto final 103 podem precisar ajustar a amplitude de sinais transmitidos para os coletores 104. Conforme discutido em referência à Figura 3 abaixo, em uma ou mais modalidades, o transmissor final 103 também pode ser configurado para detectar e ajustar ganho do transmissor 103 em resposta a alterações de impedância.

[025] Os pontos finais 102 podem ser implantados para monitorar e relatar várias características operacionais da rede de serviço 101. Por exemplo, em uma rede de distribuição de energia, os medidores podem monitorar as características relacionadas ao uso de energia na rede que incluem, por exemplo, consumo de energia total ou médio, picos de energia, quedas de energia e alterações de carga, dentre outras características. Em redes de distribuição de gás e água, os medidores podem medir características similares que estão relacionadas a uso de gás e água (por exemplo, fluxo e pressão total).

[026] Quando os pontos finais 102 são implantados como medidores de energia em uma rede de distribuição de energia, os medidores de energia transmitem dados de relatório que especificam a informação de medidor atualizada que podem incluir medidas de consumo de energia total, consumo de energia por um período de tempo especificado, consumo de energia de pico, tensão instantânea, tensão de pico, tensão mínima e outras medidas relacionadas ao consumo de energia e ao gerenciamento de energia (por exemplo, informação de carga). Cada um dos medidores de energia também pode transmitir outros dados, tais como dados de status (por exemplo, operando em um modo operacional normal, modo de energia de emergência ou um outro estado tal como um estado de recuperação após uma queda de energia).

[027] Na Figura 1, os pontos finais 102a a 102c e 102d a 102f transmitem dados por linhas de distribuição de energia para unidades coletoras 104a, 104b, respectivamente. As unidades coletoras 104 podem incluir conjunto de circuitos (por exemplo, que incluem um ou mais processadores de dados) que é configurado e disposto para se comunicar com os pontos finais por linhas de distribuição de energia. As unidades coletoras 104 também podem incluir conjunto de circuitos para fazer interface com um centro de comando 112 em um escritório de serviços públicos local ou outro local. A interface com o centro de comando 112 pode ser implantada com o uso de uma variedade de diferentes redes de comunicação que inclui, mas não se limita a, uma rede de área ampla (WAN) que usa Ethernet.

[028] De acordo com certas modalidades da presente revelação, os coletores podem ser instalados em estações de energia, subestações de energia, transformadores, ETC. para controlar a comunicação bidirecional entre o centro de comando 112 (por exemplo, localizado em um escritório de serviços públicos) e pontos finais (por exemplo, localizados em locais de medição para locais de clientes). Essa mensagem para os pontos finais pode ser enviada para um ponto final individual ou radiodifundir simultaneamente para o grupo de pontos finais ou ainda enviada para todos os pontos finais conectados aos coletores 104. Consistentemente com certas modalidades, os coletores 104 são construídos de acordo com uma especificação de computador de grau industrial a fim de suportar o ambiente agressivo de uma subestação.

[029] Em certas modalidades da presente revelação, um coletor 104 pode receber dados de muitos pontos finais diferentes 102 enquanto armazena os dados em uma base de dados local. Em algumas modalidades, um coletor pode adotar uma ação com base nos dados recebidos dos pontos finais e transmitir os dados recebidos a partir dos pontos finais para um centro de comando 112. Por exemplo, em uma rede PLC, o centro de comando 112 pode receber dados que indicam que o uso de energia é significativamente mais alto em uma porção particular de uma rede de energia rede que em outras porções da rede de energia. Com base nesses dados, o centro de comando 112 pode alocar recursos adicionais para aquela porção particular da rede (isto é, equilíbrio de carga) ou fornecer dados que especificam que há uso de energia aumentado na porção particular da rede de energia.

[030] Consistentemente com certas modalidades, o centro de comando 112 fornece uma interface que permite que os dispositivos de usuário 118 acessem os dados recebidos pelo centro de comando 112 através da rede de dados 110. Por exemplo, os dispositivos de usuário 118 podem ser de propriedade do operador do provedor de serviço público, funcionários de manutenção e/ou clientes do provedor de serviço público. Por exemplo, os dados que identificam o uso de energia aumentado descrito acima podem ser fornecidos para um dispositivo de usuário 118, que pode, por sua vez, determinar uma ação apropriada a respeito do uso aumentado. Adicionalmente, os dados que identificam uma medição de tempo de uso e/ou uma medição de demanda de pico também podem ser fornecidos para o dispositivo de usuário 118. De modo similar, se houver uma queda de energia, o centro de comando 112 pode fornecer dados para os dispositivos de usuário 118 que são acessíveis por clientes para fornecer informação a respeito da existência da queda e fornecer potencialmente informação que estima a duração da queda.

[031] A rede de dados 110 pode ser uma rede de área ampla (WAN), uma rede de área local (LAN), a Internet ou qualquer outra rede de comunicações. A rede de dados 110 pode ser implantada como uma rede com fio ou sem fio. As redes com fio podem incluir quaisquer redes restritas por meios que incluem, mas não se limitam a, redes implantadas com o uso de condutores de fio metálico, materiais de fibra óptica ou guias de onda. As redes sem fio incluem todas as redes de propagação de espaço livre que incluem, mas não se limitam a, redes implantadas com o uso de onda de rádio e redes ópticas de espaço livre.

[032] Os transmissores de pontos finais 103 podem ser configurados para transmitir dados para os coletores 104 com o uso de inúmeras técnicas de modulação de dados diferentes, que incluem chaveamento por deslocamento de frequência (FSK), chaveamento por deslocamento de fase (PSK, por exemplo, Quadratura PSK ou 8PSK), chaveamento por deslocamento de múltipla frequência (MFSK, por exemplo, 2 de 9, ou 2 de 46 MFSK), Modulação de Amplitude de Quadratura (QAM, por exemplo, 16 ou 256 QAM), ETC.. Os símbolos dos dados codificados de um ponto final particular podem ser transmitidos por milhares de canais de comunicações em um sistema PLC. Os canais de comunicações podem ser alocados a partir de várias porções de espectro pelas quais os dados são transmitidos. A frequência central e a largura de banda de cada canal de comunicações podem depender do sistema de comunicações no qual são implantadas. Em algumas implantações, múltiplos canais de comunicação podem usar time slots para operar em uma ou mais bandas de frequência compartilhadas. Por exemplo, cada ponto final pode ser atribuído a um canal particular de acordo com um acesso múltiplo por divisão de frequência ortogonal (OFDMA) ou uma outra técnica de alocação de canal. As atribuições de canal para os pontos finais 102a a 102c, 102d a 102f que se comunicam com coletores particulares 104a, 104b podem ser armazenadas, por exemplo, no centro de comando 112 e/ou nos coletores 104a, 104b.

[033] Consistentemente com as modalidades da presente revelação, cada coletor 104 pode ser configurado para estar em comunicação com milhares de pontos finais 102 e milhares de coletores 104 podem estar em conexão com o centro de comando 112. Por exemplo, um único coletor pode ser configurado para se comunicar com mais de 100.000 dispositivos finais e um centro de comando pode ser configurado para se comunicar com mais de 1.000 coletores. Dessa forma, pode haver milhões de pontos finais totais e milhares de pontos finais podem se comunicar com o mesmo coletor por uma linha de distribuição de energia compartilhada. Consequentemente, as modalidades da presente revelação são direcionadas à coordenação de comunicações com o uso de protocolos e considerações à base de tempo cuidadosamente projetadas.

[034] A Figura 1B é um diagrama de bloco de um circuito transmissor disposto no ambiente de rede mostrado na Figura 1A. Conforme descrito acima, os transmissores 103a e 103b comunicam dados a partir de respectivos pontos finais, 102a e 102b, para um circuito coletor correspondente 104a com o uso de linhas de distribuição de energia de CA 120. Cada transmissor inclui um amplificador 160 configurado para receber um sinal de dados e codificar sinal de dados recebido com o uso de codificação por PDM. Os sinais codificados por PDM 124 são filtrados por um filtro passa-baixa configurado para filtrar o componente de alta frequência relacionado à frequência de amostragem do codificador PDM. Quando os componentes de alta frequência dos sinais codificados por PDM são removidos, uma versão amplificada 126 do sinal de dados original 122 é produzida.

[035] O sinal de dados amplificado 126 é comunicado com as linhas de distribuição de energia 120 para a transmissão por um circuito de acoplamento 164. O circuito de acoplamento 164 filtra a frequência da energia CA nas linhas de distribuição de energia 120 e impede que altas voltagens das linhas de distribuição de energia 120 danifiquem o filtro passa-baixa 162 ou os circuitos do codificador PDM 160.

[036] O circuito de acoplamento pode ser implantado, por exemplo, com o uso de um transformador para isolar as linhas de distribuição de energia do filtro passa-baixa e/ou do amplificador. O circuito de acoplamento inclui um capacitor em série que é implantado no lado principal de um transformador e um capacitor em série no lado secundário do transformador. O circuito transformador-capacitor resultante do circuito de acoplamento pode ser configurado para fornecer, por exemplo, uma trajetória de sinal passa-faixa. A passa-faixa pode ser configurada para passar sinais em uma faixa de frequência usada para comunicação, enquanto também bloqueia a frequência de linha de energia CA para que não afete a saída do amplificador. Inúmeras faixas de frequência diferentes podem ser usadas para a trajetória de sinal passa-faixa. Por exemplo, as frequências de sinal de 500 Hz a 100 K Hz podem ser usadas em certas modalidades não limitantes. Foi concluído que uma faixa de 2 K Hz a 20 K Hz fornece supreendentemente canais de comunicação de qualidade por distâncias longas. A Figura 2 é um diagrama de bloco de um circuito transceptor de ponto final 200 que pode ser usado para implantar os transmissores mostrados nas Figuras 1A e 1B. Nesse exemplo de implantação, a codificação por PDM é executada com o uso de um amplificador Classe D 210. Conforme descrito acima, um amplificador de áudio Classe D é um amplificador de comutação que tem uma saída que está completamente ligada ou desligada. Quando implantado com o uso de transistor CMOS, o consumo de energia da amplificação é significativamente reduzido em comparação com o amplificador linear do mesmo nível de saída, devido ao fato de que a energia não é consumida quando o amplificador de comutação está completamente ligado ou desligado, mas é apenas consumido quando se comuta entre os dois. Além disso, o amplificador Classe D não gera muito calor como um amplificador linear.

[037] Esse exemplo de implantação é também direcionado à transmissão de sinais diferenciais. O circuito amplificador é configurado para converter um sinal de dados 220 em primeiro e segundo sinais codificados por PDM 222 e 224. Os filtros passa-baixa 212 e 214 são configurados para filtrar os componentes de alta frequência dos primeiro e segundo sinais codificados por PDM 222 e 224 para produzir primeiro e segundo componentes diferenciais 226 e 228 do sinal de dados amplificado, que é transmitido pelo circuito de acoplamento 218 pelas linhas de distribuição de energia 230 e 232.

[038] Como um exemplo ilustrativo, uma onda senoidal de dados codificados que tem uma faixa de frequência (por exemplo, de 2 KHz a 20 KHz) pode ser inserida no amplificador Classe D 210 que é usado para executar codificação por PDM de símbolos de dados. O amplificador Classe D converte a onda senoidal de dados codificados em dois fluxos de pulso PDM 222 e 224, por exemplo, em uma configuração de ponte H. Os fluxos de pulso de PDM têm uma taxa de amostragem que é mais alta que a frequência do sinal de dados codificado. Por exemplo, cada um dos dois fluxos de pulso de PDM 222 e 224 pode ser sinais de 200 KHz. Cada sinal de PDM é passado através de um filtro passa-baixa para remover o componente de 200 KHz e produzir o sinal diferencial 226 e 228, que é uma versão amplificada da onda senoidal de entrada 220. Conforme descrito em referência à Figura 1A, o sinal amplificado de onda senoidal é acoplado à linha de energia através de uma rede de acoplamento que inclui, por exemplo, um capacitor em série no lado principal de um transformador um capacitor em série no lado secundário (linha) do transformador. A rede de transformador-capacitor do circuito de acoplamento 218 fornece uma trajetória de sinal para o sinal de 2 KHz a 20 KHz enquanto bloqueia a frequência de linha de energia de 60 Hz para impedir o dano aos filtros passa-baixa 212 e 214 ou ao amplificador 210.

[039] A Figura 3 é um diagrama de bloco do circuito transceptor de ponto final mostrado na Figura 2 adaptado para configuração de ganho automática de acordo com uma ou mais modalidades. Em algumas implantações, o transmissor pode ser configurável para usar diferentes bandas de frequências para diferentes canais de dados dos pontos finais. Entretanto, as características de impedância do transmissor e carga podem variar ao longo de diferentes frequências. Essa alteração em impedância pode resultar em aumentos/diminuições não pretendidas na amplitude de sinais transmitidos. Se a amplitude na qual os dados são transmitidos por pontos finais for muito baixa, o coletor pode não receber os dados que são transmitidos pelos dispositivos finais. Entretanto, se a amplitude do sinal transmitido for muito alta, a transmissão de dados pode interferir na transmissão de dados por outros pontos finais em canais de comunicação vizinhos. Uma ou mais modalidades podem configurar a intensidade de sinal do transmissor configurável 300 para reagir às alterações em amplitude quando se comuta bandas de frequência usadas para a transmissão. Em uma ou mais modalidades, a intensidade de sinal de um sinal pode ser ajustada, conforme mostrado no presente documento, através do ajuste de uma configuração de intensidade de sinal (por exemplo, um ganho) do transmissor final 304. Em algumas modalidades, o gerador de sinal de dados 302 pode ser configurado também para a intensidade de sinal de sinal 314, em resposta ao circuito de controle de nível de sinal 308, que pode ser também usado para ajustar a intensidade de sinal do transmissor configurável. Por exemplo, em uma implantação, o circuito de controle de nível de sinal 308 pode ser configurado para executar o ajuste de sintonia fina de intensidade de sinal com o uso do gerador de sinal de dados e executar o ajuste de sintonia grosso de intensidade de sinal com o uso do transmissor final 304.

[040] O transmissor configurável 300 inclui um circuito de gerador de sinal de dados 302 configurado para selecionar uma banda de frequência portadora indicada 310 e codificar dados de entrada 312 com o uso da frequência portadora selecionada, a fim de produzir sinal de dados codificados 314. O sinal de dados codificados é amplificado e transmitido com o uso de um transmissor 304, que pode ser implantado de modo similar ao transmissor mostrado na Figura 2. Um circuito de detecção de corrente 306 mede uma saída de corrente do transmissor 304 para as linhas de distribuição de energia 316 e 318. Um circuito de controle de nível de sinal 308 ajusta o aumento de intensidade de sinal do transmissor 304 como uma função da frequência portadora e da corrente de saída detectada.

[041] A Figura 4 mostra um fluxograma de um método para transmitir dados por linhas de distribuição de energia de acordo com uma ou mais modalidades. Um sinal de dados de baixa frequência de um dispositivo final é recebido por um transmissor no bloco 402. Uma densidade de pulso é determinada para o sinal de dados no bloco 404 com o uso de uma taxa de amostragem/pulso alta. Se a densidade de pulso determinada não for igual à configuração de densidade de pulso de corrente do amplificador no bloco de decisão 406, a configuração de densidade de pulso do amplificador Classe D é ajustada no bloco 408 para a densidade de pulso determinada. As formas de onda binárias da configuração de densidade de pulso são geradas com o uso do amplificador Classe D no bloco 410. A determinação de densidade de pulso pode, por exemplo, ser determinada através da comparação do sinal de dados com uma onda de triângulo que tem uma frequência igual à taxa de amostragem/pulso para determinar se o sinal é maior que ou menor que a onda de triângulo. A saída binária gerada pela comparação pode, então, ser usada para acionar um amplificador Classe D que pode aumentar eficientemente a amplitude da saída binária.

[042] Os componentes de alta frequência do sinal codificado por PDM amplificado são filtradas no bloco 412, conforme descrito acima, para produzir uma versão amplificada do sinal de dados. O sinal de dados amplificado é comunicado para um conjunto de linhas de distribuição de energia com o uso de uma trajetória de sinal no bloco 414 para a transmissão do sinal de dados amplificado pelas linhas de distribuição de energia. Conforme descrito acima, a trajetória de sinal é configurada para filtrar a frequência de sinais de CA das linhas de distribuição de energia e impedir que voltagens altas presentes nas linhas de distribuição de energia danifiquem o conjunto de circuitos transmissores usado para executar as etapas nos blocos 402 a 412.

[043] Os sinais e funcionalidade e lógica associadas descritos em conjunto com as Figuras podem ser implantados de inúmeras maneiras diferentes. Salvo se indicado de outro modo, vários sistemas de propósito geral e/ou conjunto de circuitos de lógica podem ser usados com programas de acordo com os ensinamentos da presente invenção ou podem ser comprovados como convenientes para construir um ou mais aparelhos especializados para executar o método requerido. Por exemplo, de acordo com a presente revelação, um ou mais dos métodos podem ser implantados em conjunto de circuitos de fio rígido através da programação de um processador de propósito geral, outros conjunto de circuitos de lógica completamente ou semiprogramáveis e/ou por uma combinação de tal hardware e um processador de propósito geral configurado com software. Consequentemente, os vários componentes e processos mostrados nas Figuras podem ser implantados em uma variedade de formas à base de circuito, tal como através do uso de circuito de dados de módulos de processamento.

[044] Sabe-se que os aspectos da revelação podem ser colocados em prática com configurações de sistema à base de computador/processador além das expressamente descritas no presente documento. A estrutura requerida para uma variedade desses sistemas e circuitos seria evidente a partir da aplicação pretendida e da descrição acima.

[045] Os vários termos e técnicas são usados por aqueles elementos versados na técnica para descrever aspectos relacionados a um ou mais dentre comunicações, protocolos, aplicações, implantações e mecanismos. Uma tal técnica é a descrição de uma implantação de uma técnica expressa em termos de um algoritmo ou expressão matemática. Embora tais técnicas possam ser implantadas, por exemplo, através da execução de código em um computador, a expressão dessa técnica pode ser conduzida e comunicada como uma fórmula, algoritmo ou expressão matemática.

[046] Por exemplo, um bloco que denota “C=A+B” como uma função aditiva implantada em hardware e/ou software aceitaria duas entradas (A e B) e produziria uma saída de soma (C), tal como conjunto de circuitos de lógica combinatória. Dessa forma, o uso de fórmula, algoritmo ou expressão matemática como descrições deve ser entendido como tendo uma modalidade física em pelo menos hardware (tal como um processador no qual as técnicas da presente revelação podem ser colocadas em prática bem como implantadas como uma modalidade).

[047] Em certas modalidades, as instruções executáveis por máquina são armazenadas para execução de uma maneira consistente com um ou mais dos métodos da presente revelação. As instruções podem ser usadas para fazer com que um processador de propósito geral ou de propósito especial que é programado com as instruções para executar as etapas dos métodos. As etapas podem ser executadas por componentes de hardware específicos que contêm lógica embutida para executar as etapas ou por qualquer combinação de componentes de computador programados e componentes de hardware personalizados.

[048] Em algumas modalidades, os aspectos da presente revelação podem ser fornecidos como um produto de programa de computador, que pode incluir um meio legível por computador ou máquina que tem armazenadas no mesmo instruções, que podem ser usadas para programar um computador (ou outros dispositivos eletrônicos) para executar um processo de acordo com a presente revelação. Consequentemente, o meio legível por computador inclui qualquer tipo de mídia/meio legível por máquina adequado para armazenar instruções eletrônicas.

[049] As várias modalidades descritas acima são fornecidas por meio de ilustração e não devem ser interpretadas para limitar necessariamente a revelação. Com base na discussão acima e nas ilustrações, os elementos versados na técnica irão reconhecer prontamente que as modalidades podem ser aplicáveis a inúmeras aplicações que envolvem a transmissão de dados por linhas de distribuição de energia. Várias modificações e alterações podem ser feitas sem seguir estritamente as modalidades e aplicações exemplificativas ilustradas e descritas no presente documento. Por exemplo, tais alterações podem incluir variações em mecanismos para a sincronização com (e/ou rastreamento de) da frequência de linha CA. Tais modificações e alterações não se afastem dos verdadeiros espírito e escopo da presente revelação, que incluem aspectos apresentados nas seguintes reivindicações.

Claims

1. Circuito transmissor configurado e disposto para se comunicar através de linhas de distribuição de energia que transportam energia com o uso de corrente alternada (CA) que opera em uma frequência de linha de energia, o circuito transmissor CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um circuito amplificador configurado e disposto para: receber um primeiro sinal de dados na forma de uma onda portadora que é modulada para representar bits de dados; e converter o primeiro sinal de dados em um sinal codificado por modulação de densidade de pulso (PDM) usando pulsos de alta frequência que introduzem componentes de alta frequência; um filtro passa-baixa configurado e disposto para filtrar os componentes de alta frequência do sinal codificado por PDM para produzir um segundo sinal de dados, de modo que o segundo sinal de dados seja uma amplificação do primeiro sinal de dados; e um circuito de acoplamento configurado e disposto para acoplar comunicativamente o segundo sinal de dados do filtro passa-baixa às linhas de distribuição de energia e para filtrar a frequência de linha de energia.

2. Circuito transmissor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que: o segundo sinal de dados é um sinal diferencial tendo um primeiro componente diferencial e um segundo componente diferencial; o circuito amplificador é configurado para converter o primeiro sinal em um primeiro sinal codificado por PDM e um segundo sinal codificado por PDM; e o filtro passa-baixa é configurado e disposto para filtrar componentes de alta frequência do primeiro e do segundo sinais codificados por PDM para produzir os respectivos primeiro e segundo componentes diferenciais do segundo sinal de dados.

3. Circuito transmissor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo sinal de dados tem uma frequência e uma fase que são iguais a uma frequência e uma fase do primeiro sinal de dados, e tem uma amplitude maior que o primeiro sinal de dados.

4. Circuito transmissor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o sinal codificado por PDM é codificado com o uso de uma frequência de taxa de pulso que é maior que uma frequência do primeiro sinal de dados.

5. Circuito transmissor, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que: a frequência de taxa de pulso é maior que ou igual a 300 KHz; e o primeiro sinal de dados tem uma frequência menor que ou igual a 20 KHz.

6. Circuito transmissor, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro sinal de dados tem uma frequência maior que 2 KHz.

7. Circuito transmissor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o circuito amplificador é um amplificador Classe D.

8. Circuito transmissor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o circuito de acoplamento inclui: um transformador; um primeiro capacitor em série acoplado a um enrolamento primário do transformador; e um segundo capacitor em série acoplado a um enrolamento secundário do transformador.

9. Circuito transmissor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro sinal de dados é um sinal de dados codificado por deslocamento de fase.

10. Circuito transmissor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o sinal codificado por PDM é codificado usando modulação de largura de pulso.

11. Circuito transmissor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que inclui adicionalmente: um circuito de geração de sinal de dados configurado e adaptado para: selecionar uma dentre uma pluralidade de frequências portadoras; e modular um sinal portador, tendo a frequência portadora selecionada dentre a pluralidade de frequências portadoras, para codificar bits de dados para produzir o primeiro sinal de dados; um circuito de detecção de corrente configurado e disposto para detectar corrente fornecida para as linhas de distribuição de energia pelo circuito de acoplamento; e um circuito de retroalimentação configurado e disposto para: ajustar um ganho do circuito amplificador como uma função da corrente detectada e a frequência portadora selecionada dentre a pluralidade de frequências portadoras.

12. Circuito transmissor, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que o circuito de retroalimentação é configurado e disposto para ajustar o ganho do circuito amplificador através da execução das etapas incluindo: ajustar o ganho do circuito amplificador para um ajuste de ganho mais baixo do circuito amplificador; e em resposta à corrente detectada sendo menor que uma corrente de referência, aumentar o ganho do circuito amplificador.

13. Circuito transmissor, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que o circuito de retroalimentação é configurado e disposto para ajustar o ganho do circuito amplificador em resposta a alterações em impedância de carga, após configurar o ganho do circuito amplificador.

14. Método para comunicar dados através de linhas de distribuição de energia que transportam energia usando corrente alternada (CA) que opera em uma frequência de linha de energia, o método CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: usar um circuito de processamento configurado e disposto para amplificar um primeiro sinal de dados através da execução de operações que inclui: converter o primeiro sinal de dados para um sinal codificado por modulação de densidade de pulso (PDM); e filtrar componentes de alta frequência do sinal codificado por PDM para produzir um segundo sinal de dados, o segundo sinal de dados sendo uma amplificação do primeiro sinal de dados; comunicar o segundo sinal de dados a partir do circuito de processamento para as linhas de distribuição de energia; filtrar a frequência de linha de energia entre as linhas de distribuição de energia e o circuito de processamento; selecionar uma dentre uma pluralidade de frequências portadoras; modular um sinal portador, tendo a frequência portadora selecionada dentre a pluralidade de frequências portadoras, para codificar bits de dados para produzir o primeiro sinal de dados; detectar corrente fornecida às linhas de distribuição de energia pelo segundo sinal de dados; e ajustar o ganho da amplificação do primeiro sinal de dados como uma função da corrente detectada e da frequência portadora selecionada dentre a pluralidade de frequências portadoras.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que: o segundo sinal de dados é um sinal diferencial que tem um primeiro componente diferencial e um segundo componente diferencial; e o circuito de processamento é configurado para: converter o primeiro sinal no primeiro sinal codificado por PDM e um segundo sinal codificado por PDM; e filtrar componentes de alta frequência dos primeiro e segundo sinais codificados por PDM para produzir os respectivos primeiro e segundo componentes diferenciais do segundo sinal de dados.

16. Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que o sinal codificado por PDM é codificado usando uma frequência de taxa de pulso que é maior que uma frequência do primeiro sinal de dados.

17. Método, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato de que: a frequência de taxa de pulso é maior que ou igual a 200 KHz; e o primeiro sinal de dados tem uma frequência menor que ou igual a 20 KHz.

18. Método, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro sinal de dados tem uma frequência maior que 2 KHz.

19. Método, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que a conversão do primeiro sinal de dados para o sinal codificado por PDM inclui processar o primeiro sinal de dados com um amplificador Classe D.