FI115875B - Pienjänniteverkon tiedonsiirtojärjestelmän tasonsäätö leikkausperiaatteella - Google Patents

Description

115875 PIENJÄNNITEVERKON TIEDONSIIRTOJÄRJESTELMÄN TASONSÄÄTÖ LEIKKAUSPERI AATTEELLA.

Keksintö soveltuu käytettäväksi pienjänniteverkoissa tapahtuvaa tiedonsiirtoa suoritta-5 vien tiedonsiirtojärjestelmien lähetinlaitteiden lähtösignaalien tasonsäätöön. Lähtösig-naali pyritään pitämään jännitetasoltaan mahdollisimman hyvin vakiona laitteen verkko-liitännässä ts. riippumattomana verkkoimpedanssista, joka impedanssi voi joskus olla hyvinkin pieni ja siten pyrkii alentamaan lähtösignaalin käyttökelvottoman pieneksi luotettavan liikennöinnin kannalta katsottuna. Pienjänniteverkolla tarkoitetaan yleensä 10 sähköverkkoa 230 V 50 Hz, 115 V 60 Hz tai muuta pienjänniteverkkoa.

Aivan perinteisissä järjestelmissä lähtösignaalin jänniteamplitudi pienenee voimakkaasti, kun verkon impedanssi pienenee. Sallittu maksimilähtötaso (EUROOPPA) voi pudota 122 dBuV:sta jopa 16dB eli 106 dBuVriin (1/6-jännitetaso) verkon impedanssin ollessa n. 1 15 ohm. Useimmiten tällaisetkin järjestelmät voivat toimia luotettavasti suurimman osan ajasta, mutta se etteivät ne toimi aina luotettavasti, tekee niistä kaupallisesti ajatellen käyttökelvottomia. Fig. 1 esittää perinteisen ratkaisun.

Käsitykseni mukaan kehittyneintä nykytekniikkaa tässä mielessä edustaa PCT-hakemus 20 WO 01/15334 AI (17.8.2000). Siinä lähetyssignaali pidetään laitteen verkkoliitännässä ...,: takaisinkytkennällä lähes vakiona riippumatta verkkoimpedanssista ja taajuudesta. Mene- * » : telmä perustuu siihen, että signaalivahvistimen virransyöttökykyä kuormana toimivaan .:. sähköverkkoon 230 V 50 Hz kasvatetaan sitä enemmän, mitä pienempi on sähköverkon : ’ ·.: impedanssi Zl- Edellä esitetty on systeemi, jossa käsittääkseni signaalia (sinimuotoinen) ei » *'" * 25 mitenkään leikata huipuistaan vaan signaalivahvistin puskee sitä enemmän sinimuotoista • · · ’... · tehoa kuormaan Zl mitä pienempi Zl on kullakin taajuudella. Näin lähtösignaali Ui ZL:n yli säilyy lähes vakiona. Ei ole kuitenkaan esitetty käyrää U| = Ui (Zl), joten lähetyssig- * * * / * ’, naalin Ul tasosta esim. pienillä Zl :n arvoilla ei ole tietoa eikä keksinnön hyvyydestäkään.

‘!!! 30 Takaisinkytkentäsysteemin varjopuolena on kuitenkin mahdollinen arkuus monenlaisille sähköverkossa esiintyville häiriötekijöille ellei häiriösuojausta ole todella perusteellisesti * ' ’ suoritettu. Myös CE-häiriönsietotestejä laitteet eivät helposti läpäise ilman hyviä EMC- ► · i « » ominaisuuksia. Tehokas häiriösuojaus nostaa jonkin verran laitteiden valmistuskustannuk- 115875 siä. Tilannetta tässä tapauksessa heikentää se, että takaisinkytkentäsignaalit Um ja Im x Rcs = Umess otetaan lähes suoraan pisteistä, joihin häiriötekijät sähköverkosta pääsevät ilman juuri minkäänlaista suodatusta. Mikäli häiriösuojaus on riittävän hyvin ja toimivasti toteutettu, on ko. PCT-julkaisussa esitetty menetelmä hyvä.

5

Esillä olevassa keksinnössä pyritään myös lähtöjännite Ul verkko impedanssissa Zl pitämään vakiona ts. verkkoimpedanssista Zl riippumattomana, mutta täysin toisenlaisella keinolla eli signaalivahvistimen lähtöjännitettä leikkaamalla huipuistaan, tai muulla tavalla leikkaamalla tai säröyttämällä, kun Zl on iso ja lähtöjännite Ul pyrkisi ilman leikkausta 10 olemaan liian suuri. Vaihtoehtoisesti leikkaus voidaan toteuttaa alentamalla signaalivahvistimen käyttöjännitettä niin, että leikkaus tapahtuu jo signaalivahvistimessa. Leikkauksen jälkeinen alipäästö- tai kaistanpäästösuodin suodattaa signaalista pois leikkauksessa syntyneet harmoniset yliaallot standardin edellyttämän maksimitason alapuolelle. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuk-15 sissa.

Jos verkon impedanssi Zl on riittävän pieni, ei mitään signaalileikkausta tapahdu vaan signaalivahvistimen maksimisignaali syötetään eteenpäin ja edelleen sellaisenaan sähköverkkoon. Näin saadaan vakiona pysyvä lähtöjännite Ul myös pienillä verkkoimpedans- • *" * 20 sin Zl arvoilla • I • · · • * · • · ’;''. Signaalivahvistimen tulojännite Uin on vakioamplitudinen, kuten myös signaalivahvis- • t t * * · timen lähtöjännitekin Uout (signaalivahvistimen käyttöjännite Us on vakio eli säätä- • · ·/". mätön). Pätee edellä esitettyyn tekstiin.

25 * · Edellä on esitetty, että lähetyssignaalin leikkaaminen voi tapahtua signaalivahvistimessa : tai sen jälkeen signaalia huipuistaan leikkaamalla Toinen vaihtoehto on, että lähetyssig- » · * naalia leikataan signaalivahvistimessa tai sen jälkeisissä asteissa jollakin muulla tavalla.

I t » ." ’. Eräs mahdollisuus on ’nollapisteleikkaus’ ts. signaalia leikataan sen keskeltä min, että ', 30 positiiviset ja negatiiviset puolijaksot pääsevät läpi huippujensa osalta mutta juuresta jää * » » ’,!aina osa puolijaksosta pois. Myös muita mahdollisia leikkaustapoja on olemassa. Jos * » i 3 115875 kysymyksessä on sinimuotoinen signaali, säröyttää leikkaaminen signaalia ja syntyneet harmoniset yliaallot on suodatettava pois ennen signaalin syöttämistä sähköverkkoon.

Voidaan käyttää myös menetelmää että signaalivahvistimen tulosignaalia Uin leikataan 5 verkko impedanssin Zl suuruudesta suoraan tai epäsuoraan riippuvalla tavalla.

Lähtöjännitteen Ul säätäminen perustuu tässä keksinnössä aina signaalin leikkaamiseen tai säröyttämiseen tavalla tai toisella. Kysymys ei siis ole siitä, että signaalin amplitudia säädetään signaalin säilyttäessä kuitenkin muotonsa alkuperäisenä. Se on aivan toinen 10 signaalin säätötapa (ALC ja AGC) ts. automaattinen tasonsäätö ja automaattinen vahvistuksensäätö.

ALC = Automatic Level Control AGC = Automatic Gain Control Tässä keksinnössä lähetyssignaalin Ul tason vakiointi leikkausperiaatteella tapahtuu siten, 15 että lähetin lähettää signaalia periaatteessa maksimitasolla sähköverkkoon, mutta suurilla ZL:n arvoilla kasvamaan pyrkivää lähetyssignaalia rajoitetaan varhaisemmissa asteissa leikkaamalla tai säröyttämällä.

Tehonkulutukseen ei leikkaussysteemillä ole vaikutusta koska virtalähde (Us) on mitoi- • ; > j 20 tettava maksimikuormitustilanteen mukaan. Maksimivirrankulutus esiintyy silloin kun : '.: verkon impedanssi Zl on pienimmillään ja silloinhan signaalia ei leikatakaan. Kun Zl on iso, on virrankulutus pieni eikä leikkauksen aiheuttama pieni virrankulutuksen lisäys tun- • · *. ’ ·: nu missään. Siinäkin mielessä edullinen ratkaisu.

« · * t · • · *... * 25 Häiriösuojausmielessä leikkaussysteemi on edullinen koska yleensä mitään EMC-arkaa takaisinkytkentää ei ole (varsinkaan kun ei käytetä leikkausmenetelmää käyttöjännite- • * ♦ lähteen lähtöjännitettä Us säätämällä). Lähetystilanteessa sähköverkon kautta tulevilla häiriötekijöillä ei ole lähettimen toimintaan vaikutusta käytännössä eikä CE-häiriönsieto-

> * I

* · ·: testauksessa. Asiaa edesauttaa vielä sekin, että sähköverkosta saapuvat häiriötekijät ovat ’ ·; · ’ 30 vaimentuneita ja kohtaavat ensin alipäästö- tai kaistanpäästösuotimen ym. häiriösuojauk- ; ’ · * sen.

4 115875

Kustannuksiltaan leikkaussysteemi on todella edullinen. Lisäkomponentteina tarvitaan esim. yksi kondensaattori C (esim. 1 uF, keraaminen tai muovikondensaattori) ja kaksi zenerdiodia tai vaihtoehtoisesti yksi VDR-vastus tai muu vastaava komponentti. Yleensä laitteen omakustannushinta on pyrittävä pitämään mahdollisimman alhaisena, jotta pääs-5 täisiin edulliseen sarjatuotantoon ja oltaisiin kilpailukykyisiä. Keksintö on halpa toteuttaa ja toimii pahoissakin häiriöolosuhteissa.

Keksinnön mukainen leikkausmenetelmä, kuten PCT-julkaisussakin esitetty lähetystason säätömenetelmä, on useissa käytännön sovelluksissa riittävän hyvä luotettavan tiedon-10 siirron kannalta katsottuna sähköverkossa.

Seuraavassa keksintöä selitetään tarkemmin viittaamalla oheiseen taulukkoon ja piirus-tuskuvioihin, joissa

Taulukko 1 esittää lähetyssignaalia Ul verkko impedanssin Zl funktiona ilman signaa-15 lileikkausta ja signaalileikkauksella.

Kuvio 1 esittää perinteistä tunnettua ratkaisua.

Kuvio 2 esittää keksintöä lohkokaavion avulla.

Kuvio 3 esittää erästä käytännön sovellusta.

Kuvio 4 esittää erästä käytännön sovelluksen lähetystasoa sähköverkossa.

20

Kuvioissa pienillä ympyröillä merkityt lohkokaavion pisteet (O ) ovat numeroituja •, ’ · j mittauspisteitä 5...61. Niiden yhteyteen on merkitty nuoli jännitteen kuvaamiseksi ja jännitesymboli.

* ·

• 1 « > I

25 Lohko 10 on säädettävä jänniteregulaattori, jonka lähtöjännite on Us on säädettävissä • » ohjauslohkosta 60 saatavalla1 jännitteellä Uadj mittauspisteessä 61.

1 * »

Varsinainen lähetettävä signaali (alle 90kHz, 95-125 kHz, 125-140 kHz tai 140-148,5 ’. kHz) voi olla sini- tai sakarasignaali; Uin mittauspisteessä 15 tulosignaalina.

, · · , 30 Lohko 20 on signaalinvahvistin, jossa em. tulosignaali vahvistetaan ja sen iso lähtösignaali

Uout mittauspisteessä 21 syötetään signaalileikkuriin 30. Näin leikattu signaali Uclp ,,,,; mittuspisteessä 31 syötetään edelleen alipäästö- tai kaistanpäästösuotimeen 40, jonka läh töjännite Ufl on harmonisista vapaata hyvin puhdasta siniaaltoa. Signaali Ufl mittaus- 5 115875 pisteessä 41 syötetään kytkentälohkon 50 kautta lähettävän laitteen lähtö liittimen (L - N) kautta sähköverkkoon, jossa vaikuttavan verkkojännitteen Un päälle ’ratsastamaan’ se kytkeytyy Ui;n suuruisena verkkoimpedanssin Zl yli mittauspisteessä 51 (Un + Ul).

5 Lohkon 50 lähdöstä (mittauspiste 51) viedään signaali Un + Ul takaisinkytkentälobkoon 60, joka antaa suoraan signaalin Ul amplitudiin verrannollisen ohjausjännitteen Uadj tai muunlaisen ohjaussuureen mittauspisteessä 61 ohjaamaan säädettävää regulaattoria 10, jonka antama tasajännite Us toimii signaalivahvistimen 20 käyttöjännitteenä. Us on sitä pienempi mitä suurempi Ul pyrkii olemaan ja näin signaalivahvistimessa 20 leikkautuu 10 Uout sitä enemmän huipuistaan mitä pienempi Us on. Uin on tässä tapauksessa koko ajan vakio kuten signaalivahvistimen 20 vahvistuskin. Näin suurilla verkkoimpedanssin Zl arvoilla leikataan kasvamaan pyrkivä lähtösignaalin amplitudi Ul lähes vakioksi.

Jos sen sijaan verkon impedanssi Zl on hyvin pieni, on myös Ul hyvin pieni ja Us taas 15 maksimissaan eikä mitään leikkautumista signaalivahvistimessa 20 tapahdu ja saadaan maksimisignaali verkko impedanssiin. Näin pienilläkin verkkoimpedansseilla saadaan mahdollisimman suuri signaali Ul syötettyä sähköverkkoon. Takaisinkytkentälohko 60 voi saada Ul :ään verrannollisen ohjausjännitteensä mittauspisteen 51 (edellä esitetty) •: * · i sijasta esim. mittauspisteestä 21,31 tai 41. Koska lähetyssignaalin Ul säätäminen vaki- ;: 20 oksi Us:n säädöllä ei ole edullisin ratkaisu, niin todennäköisesti seuraavassa esitettyjä » » » *; “, edullisempia vaihtoehtoja tullaan käyttämään signaalileikkauksessa lähetyssignaalin U| • · » • t · ! vakioimiseksi.

(Mii • I | • ·

• I

Eo. esityksessä signaalileikkuri 30 ei ollut lainkaan toiminnassa. Seuraavassa esityksessä ,;. 25 taas lohko 60 on poistettu ja regulaattori 10 syöttää jatkuvasti vakiota maksimikäyttöjän- »

• · · I

; . niteitä Usmax signaalivahvistimen 20 käyttöjännitteeksi. Signaalivahvistimen vahvistus , V. on aina vakio ts. niin suuri, ettei lähtösignaali Uout ihan leikkaudu tai leikkautuu hui- : ‘ : puistaan vain vähän.

» . · · *. 30 Eräs vaihtoehto on leikata tulosignaalia Uin sitä enemmän mitä suurempi on Zl ja Ul- Jos t » » kuitenkin tulosignaali Uin pidetään vakiona, niin signaalin leikkaus tapahtuu signaalileik- 6 115875 kurissa 30 kaikkein halvimmalla tavalla. Se tapahtuu siten, että signaalileikkurin 30 tulo-liitännässä on sarjavastus ja sen jälkeen kondensaattori (jos tarvitaan) ja sitten kaksi zener-diodia, transzorbia, VDR-vastus tms. leikkaava komponentti. Signaalia leikataan tällöin huipustaan.

5

Jos verkkoimpedanssi Zl on erittäin pieni, signaalivahvistimen 20 lähtövirta Iout on suuri. Tällöin e m. signaalileikkurin 30 saijavastuksessa R tapahtuu suuri jännitehäviö ja esim. zenerdiodit eivät edes leikkaa koko signaalia yhtään huipuistaan, koska niiden yli vaikuttava signaalijännite on niin pieni ettei zeneijännite ylity. Suurilla Z^n arvoilla 10 signaalia leikataan taas paljon. Rs. kuvio 3.

Signaalia voidaan leikata tai säröyttää muillakin tavoilla ja jo signaalivahvistimessa 20 eikä vasta signaalileikkurissa 30. Se tapahtuu esim. ”nollapisteleikkauksena”, jolloin huiput pääsevät leikkautumatta läpi mutta molempia signaalin puolijaksoja leikataan IS juurestaan. Se voi tapahtua esim. signaalivahvistimen 20 tehotransistorien kantaesijännit-teiden Ueb automaattisella säädöllä U^n amplitudista riippuvalla tavalla.

Kaikille säätötavoille on kuitenkin yhteistä se, että säätö tapahtuu lähetyssignaalia leikkaamalla tavalla tai toisella ja signaali säröytyy voimakkaasti Säröytymisperiaate pätee 20 jos signaalivahvistimen 20 tulosignaali Uin ja lähtösignaali Uout ovat sinimuotoisia . . signaaleja. Jos em. signaalit ovat sakarasignaaleja, ei säröytymistä välttämättä leikates- * . ‘ sakaan tapahdu, koska jos sakara-aaltoa leikataan huipuista, huipussa tai keskellä säilyy ’ * ’; signaalin muoto edelleen sakaramuoto isena.

.*· ·. 25 Seuraavassa esitetään esimerkki käytännön sovelluksesta viittaamalla kuvioon 3, joka • > esittää erästä käytännön sovellusta.

: “ ’: Signaalivahvistimen 20 käyttöjännite Us on kiinteä reguloitu tasajännite, esim. + 15 V.

;; Tulosignaali Uin (esim. 95-125 kHz) voi olla sinimuotoinen tai sakara-aalto 5 Vpp.

•,,,: 30 Signaalivahvistimen 20 jännitevahvistus on vakio ja sellainen ettei tulosignaali Uin aivan ;; · leikkaudu tai leikkautuu vähän signaalivahvistimen lähdössä (Uout mittauspisteessä 21).

’... * Uout on amplitudiltaan n. 15 Vpp joko sini- tai sakarasignaalia. Signaalileikkurissa 30 on i

. " ' - I

7 115875 sarjavastus R (useita ohmeja) ja sarjakondensaattori C (esim. 1 uF) ja kaksi zenerdiodia Dj ja Ö2, jotka eivät pienillä verkkoimpedanssin Zl (esim. 1 ohm) arvoilla leikkaa signaalia Uclp ollenkaan tai hyvin vähän mutta verkkoimpedanssin Zl suurilla arvoilla (esim. 50 ohm) leikkavat signaalia Uclp huipuistaan zenerdiodien määräämälle tasolle.

5 Leikkaustoiminta perustuu siihen, että vastuksessa R tapahtuva signaalin jännitehäviö ( Iout x R) on sitä pienempi mitä suurempi on verkkoimpedanssi Zl.

Leikkauksessa jännitetasoltaan vakioitu signaali Uclp syötetään alipäästö- tai kaistanpääs-tösuotimen 40 ja kytkentäasteen 50 kautta sähköverkkoon vaiheen ja nollan välille. Te on 10 kytkentämuuntaja ja Cc kytkentäkondensaattori.

Galvaaninen erotus sähköverkosta tapahtuu verkkomuuntajan T ja signaalin kytkentä-muuntajan Tc avulla. (Tietysti kytkentämuuntaja voitaisiin jättää poiskin ja kytkeä signaali galvaanisesti suoraan sähköverkkoon kytkentäkondensaattorin Cc kautta. Sähkö-15 turvallisuuden takia galvaaninen erotus sähköverkosta on kuitenkin hyvä)

Kuvassa 4 on esitetty tämän käytännön sovelluksen avulla saatava signaalijännite Ul sähköverkon impedanssin Zl funktiona. Uli on lähtötaso keksinnön mukaisella ja Ul2 perinteisellä ratkaisulla.

20 '· i Signaalivahvistimen 20 käyttöjännitteellä Us = + 15 V on lähetyssignaalin tasoksi Ul • · · verkkoimpedanssin Zl funktiona mitattu ilman signaalileikkausta (zenerdiodit Di ja D2 • I · ....: pois) ja signaalileikkauksella (zenerdiodit Dj ja D2 mukana) seuraavat arvot:

Ul(vPP)/Zl (ohm) UL(Vpp)/ZL(ohm) ’ ·.. * Dl ja D2 pois 6,0/50 Dj ja D2 on 4,1/50 4,8/5 (keksintö) 3,5/5 4,4/2 3,2/2 :· 3,1/1 2,7/1 25 8 115875

Taulukko 1. Lähetyssignaali Ul verkko impedanssin Zl funktiona ilman signaalileik- kausta sekä signaalileikkauksella.

Jos käyttöjännitettä Us suurennetaan, niin myös verkkoimpedanssin Zl hyvin pienillä S arvoilla (esim. 1 o hm) saadaan suurempi lähetyssignaali Ul kuin mitä taulukossa 1 ja kuviossa 4 on esitetty. Käytännössä asian merkitys on kuitenkin niin vähäinen, että tuskin kannattaa käyttää yli Us = + 15 V käyttöjännitettä.

Myös zenerdiodeja tehokkaampien ja parempien signaalileikkurikomponenttien käytöllä 10 saadaan Ul pysymään paremmin vakiona.

15 20 • · • · · • «· * 1 · •« # · • · « · » • »· • · • · 25 • » 30 I · t » » · » t > ,

Claims (6)

115875 PATENTTI VAATIMI IKSFT

1. Pienjänniteverkossa tapahtuvaa tiedonsiirtoa suorittavan tiedonsiirtojärjestelmän signaalilähettimen lähtösignaalin tasonsäätömenetelmä leikkausperiaatteella lähtösignaalin 5 jännitteen (Ul) pitämiseksi vakiona kun lähtöjännite (Ul) viedään kytkentäyksikön (50) välityksellä sähköverkkoon, jolloin tiedonsiirtojärjestelmä käsittää: - signaalivahvistimen (20) - signaalisuotimen (40) - kytkentäyksikön (50) signaalin kytkemiseksi pienjänniteverkkoon 10 -signaalivahvistimen käyttöjännitteen (Us) lähteen (10) tunnettu siitä, että signaalivahvistimen (20) yhteydessä olevalla signaalileikkurilla (30) tai toiminnolla signaalivahvistimen (20) lähtösignaali (Uout) ja/tai signaalivah-vistimelle (20) tuleva tulosignaali leikataan tai säröytetään ja leikkaus tai säröytyminen sovitetaan riippuvaksi suoraan tai välillisesti sähköverkkoon lähetettävän signaalin 15 lähtöjännitteestä (Ul) tai signaalivahvistimelta (20) lähtevästä virrasta (Iout)·

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tasonsäätömenetelmä tunnettu siitä, että säädettävän käyttöjännitelähteen (10) lähtösignaaliin (Ul) kääntäen verrannollinen käyttöjännite (Us) toimitetaan signaalivahvistimelle (10). 20

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen tasonsäätömenetelmä tunnettu siitä, että ' kääntäen verrannollinen käyttöjännite (Us) toimitetaan takaisinkytkentäyksikön (60) •. *': avulla säädettynä. • · * · ‘* 25 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tasonsäätömenetelmä tunnettu siitä, että lähetystilanteessa lähetettävää signaalia leikataan tai säröytetään leikkaamalla signaali-vahvistimessa(20)tulosignaalia(Uin) ja/tai lähtösignaalia(Uout). signaalileikkurissa * » • (30) signaalia (Uout) ja/tai muissa asteissa suoraan tai välillisesti lähtösignaalin jännit- ’ 111 _ teestä (Ul) tai virrasta (Iout) riippuvaisesti lähettimen lähtöjännitteen (Ul) pitämiseksi .. ‘ 30 mahdollisimman riippumattomana verkko impedanssista (Zl). I L » >0 1 1 5875

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainentasonsäätömenetelmä tunnettu siitä, että signaalivahvistimen (20) käyttöjännitettä (Us) säädetään säädettävän regulaattorin (10) avulla, jonka lähtöjännitettä (Us) säädetään takaisinkytkentälohkon (60) avulla siten, että signaalivahvistimen (20) lähtöjännite (Uout) myös säätyy mainitun leikkaamisen avulla 5 ja aikaansaa lähtösignaalin jännitteen (Ul) pysymisen mahdollisimman vakiona ja riippumattomana verkkoimpedanssista (Zl).

10 PATENTKRAV