PL222609B1 - Układ transmisji danych przez sieć elektroenergetyczną - Google Patents

Description

(21) Num^{er z}gł^oszeni^a: ⁴⁰⁰⁴⁶¹ H02J _13/00 (2006.01)

H04B 3/54 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 22.08.2012 (54)

Układ transmisji danych przez sieć elektroenergetyczną

	(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	POLITECHNIKA OPOLSKA, Opole, PL
03.03.2014 BUP 05/14	(72) Twórca(y) wynalazku:
	JAROSŁAW ZYGARLICKI, Krzyżowice, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
31.08.2016 WUP 08/16	(74) Pełnomocnik:
	rzecz. pat. Wiesława Surmiak

PL 222 609 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ transmisji danych przez sieć elektroenergetyczną, przeznaczony do przesyłania danych w sieci elektroenergetycznej, zwłaszcza w zakresie monitorowania i sterowania przyłączonych odbiorników energii elektrycznej, a także jako system powiadamiania o zdarzeniach.

W znanym z noty katalogowej Philips Semiconductors „TDA5051A Home automation modem”, 31 maj 1999, rys. 21, schemacie aplikacyjnym układu transmisji danych przez sieć elektroenergetyc zną wejście fazowe połączone jest z końcówką pierwszą bezpiecznika, którego końcówka druga połączona jest z końcówkami pierwszymi: warystora, rezystora pierwszego i kondensatora pierwszego. Końcówka druga kondensatora pierwszego połączona jest z końcówką pierwszą cewki pierwszej, której końcówka druga połączona jest z końcem uzwojenia pierwotnego transformatora pierwszego. Wejście neutralne układu połączone jest z końcówką drugą warystora, z początkiem uzwojenia pierwotnego transformatora drugiego i z początkiem uzwojenia pierwotnego transformatora pierwszego, którego początek uzwojenia wtórnego połączony jest z końcówkami pierwszymi: rezystora drugiego, kondensatora drugiego i cewki drugiej oraz z poziomem odniesienia. Koniec uzwojenia wtórnego transformatora pierwszego połączony jest z końcówkami drugimi: rezystora drugiego, kondensatora drugiego i cewki drugiej oraz z końcówką pierwszą kondensatora trzeciego, którego końcówka druga połączona jest z końcówkami pierwszymi: kondensatora czwartego i diody zabezpieczającej transil oraz z wyjściem sygnałowym scalonego modemu. Końcówka druga kondensatora czwartego połączona jest z wejściem sygnałowym scalonego modemu. Końcówka druga rezystora pierwszego połączona jest z końcem uzwojenia pierwotnego transformatora drugiego, którego koniec uzwojenia wtórnego połączony jest z wejściem pierwszym mostka Gretza. Początek uzwojenia wtórnego transformatora drugiego połączony jest z wejściem drugim mostka Gretza, którego wyjście dodatnie połączone jest z końcówką pierwszą kondensatora piątego oraz wejściem stabilizatora napięcia. Wyjście stabilizatora napięcia połączone jest z końcówkami pierwszymi kondensatorów: szóstego i siódmego oraz z wejściami zasilającymi dodatnimi: scalonego modemu i mikrokontrolera. Wejście pierwsze zegarowe scalonego modemu połączone jest z końcówkami pierwszymi: rezystora trzeciego, rezonatora kwarcowego oraz kondensatora ósmego. Wejście drugie zegarowe scalonego modemu połączone jest z końcówkami drugimi: rezystora trzeciego, rezonatora kwarcowego oraz kondensatora ósmego. Port komunikacyjny scalonego modemu połączony jest z portem komunikacyjnym mikrokontrolera. Wejścia zasilające ujemne: scalonego modemu i mikrokontrolera, wyjście ujemne mostka Gretza, końcówka druga diody zabezpieczającej transil oraz końcówki drugie kondensatorów: piątego, szóstego, siódmego, ósmego i dziewiątego połączone są z poziomem odniesienia.

Znany układ transmisji danych przez sieć elektroenergetyczną chociaż umożliwia przesyłanie dużych ilości danych poprzez sieć elektroenergetyczną w jednostce czasu, to jednak jest bardzo wrażliwy na zakłócenia elektromagnetyczne i obecność filtrów napięcia w stosowanej instalacji. Znany układ charakteryzuje się złożonością układową i dużymi gabarytami. Cechuje się ponadto niską niezawodnością oraz dużym kosztem wykonania gotowego urządzenia.

Istota układu transmisji danych przez sieć elektroenergetyczną według wynalazku polega na tym, że wejście neutralne połączone jest z końcówką pierwszą rezystora pierwszego, z emiterem tra nzystora pierwszego i z poziomem odniesienia, a wejście fazowe połączone jest z końcem uzwojenia pierwotnego transformatora i z anodą diody pierwszej, której katoda połączona jest z kolektorem tranzystora pierwszego. Baza tranzystora pierwszego połączona jest z końcówką drugą rezystora pierwszego i z kolektorem tranzystora drugiego. Emiter tranzystora drugiego połączony jest z początkiem pierwszego uzwojenia wtórnego transformatora, z biegunem dodatnim zasilania układu i z końcówką pierwszą rezystora drugiego. Końcówka druga rezystora drugiego połączona jest z bazą tranzystora drugiego, z katodą diody drugiej i z końcówką pierwszą rezystora trzeciego. Końcówka druga rezyst ora trzeciego połączona jest z wyjściem sterującym mikrokontrolera. Anoda diody drugiej połączona jest z anodą diody Zenera, której katoda połączona jest z końcem pierwszego uzwojenia wtórnego transformatora. Wejście nieodwracające komparatora mikrokontrolera połączone jest z końcem drugiego uzwojenia wtórnego transformatora, a wejście odwracające komparatora mikrokontrolera połączone jest z końcówką drugą potencjometru. Końcówka pierwsza potencjometru połączona jest z biegunem dodatnim zasilania układu, a końcówka trzecia i z poziomem odniesienia.

Układ transmisji danych przez sieć elektroenergetyczną według wynalazku pozwala na transmisję danych w sieci elektroenergetycznej niskiego napięcia umożliwiającą realizację funkcji sterowania

PL 222 609 B1 i monitorowania podłączonych do sieci elektroenergetycznej urządzeń oraz powiadamiania o zdarzeniach. Cechuje się dużą niezawodnością oraz odpornością na zakłócenia elektromagnetyczne i brakiem wrażliwości na obecność w przyłączanej instalacji filtrów napięcia, a przy tym posiada niewielką ilość elementów składowych, jest prosty i tańszy w wykonaniu, zaś gabarytowo znacznie mniejszy w porównaniu do znanych układów.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku, przedstawiającym schemat ideowy układu transmisji danych przez sieć elektroenergetyczną.

Wejście We neutralne N układu według wynalazku połączone jest z początkiem uzwojenia pierwotnego transformatora Tr, z końcówką pierwszą rezystora pierwszego R1, z emiterem tranzystora pierwszego T1, z wejściem pierwszym zasilacza sieciowego Zs, i z poziomem odniesienia. Wejście We fazowe L połączone jest z końcem uzwojenia pierwotnego transformatora Tr, z anodą diody pierwszej D1 i z wejściem drugim zasilacza sieciowego Zs. Katoda diody pierwszej D1 połączona jest z kolektorem tranzystora pierwszego T1, którego baza połączona jest z końcówką drugą rezystora pierwszego R1 i z kolektorem tranzystora drugiego T2. Emiter tranzystora drugiego T2 połączony jest z początkiem pierwszego uzwojenia wtórnego transformatora Tr, z biegunem dodatnim zasilania układu Vcc i z końcówką pierwszą rezystora drugiego R2. Końcówka druga rezystora drugiego R2 połączona jest z bazą tranzystora drugiego T2, katodą diody drugiej D2 oraz z końcówką pierwszą rezystora trzeciego R3, a końcówka druga rezystora trzeciego R3 połączona jest z wyjściem sterującym mikrokontrolera uP. Anoda diody drugiej D2 połączona jest z anodą diody Zenera Dz, której katoda połączona jest z końcem pierwszego uzwojenia wtórnego transformatora Tr. Wejście nieodwracające komparatora mikrokontrolera uP połączone jest z końcem drugiego uzwojenia wtórnego transformatora Tr, którego początek połączony jest z poziomem odniesienia. Wejście odwracające komparatora mikrokontrolera uP połączone jest z końcówką drugą potencjometru P, którego końcówka pierwsza połączona jest z biegunem dodatnim zasilania układu Vcc, a końcówka trzecia z poziomem odniesienia. Wejście zasilające dodatnie mikrokontrolera uP połączone jest z biegunem dodatnim zasilania układu Vcc i z wyjściem dodatnim zasilacza sieciowego Zs, którego wyjście ujemne połączone jest z wejściem zasilającym ujemnym mikrokontrolera uP i z poziomem odniesienia. Wyjście komunikacyjne Pk układu według wynalazku stanowi port komunikacji dwukierunkowej mikrokontrolera uP.

Zasilające napięcie sieciowe podawane jest na wejście We układu według wynalazku. W fazie pierwszej - nadawania danych, mikroprocesor uP w kolejnych półokresach dodatnich na wejściu We fazowym L, identyfikowanych za pomocą wejścia nieodwracającego komparatora mikrokontrolera uP śledzącego napięcie indukowane w uzwojeniu wtórnym drugim transformatora Tr, wystawia sekwencję bitów z wyjścia komunikacyjnego Pk układu według wynalazku na wyjście sterujące mikrokontrolera uP.

Stany niskie wyjścia sterującego mikrokontrolera uP odpowiadające logicznym jedynkom nadawanej sekwencji binarnej, powodują w początkowej fazie narostu napięcia sieciowego na wejściu We przepływ prądu z bieguna dodatniego zasilania układu Vcc przez emiter i bazę tranzystora drugiego T2 oraz rezystor trzeci R3 do wyjścia sterującego mikrokontrolera uP, co skutkuje włączeniem tranzystora drugiego T2. Włączony tranzystor drugi T2 zaczyna przewodzić prąd płynący z bieguna dodatniego zasilania układu Vcc przez emiter i kolektor tranzystora drugiego T2 oraz bazę i emiter tranzystora pierwszego T1 do poziomu odniesienia i wyjścia ujemnego zasilacza sieciowego powodując włączenie tranzystora pierwszego T1. Włączony tranzystor pierwszy T1 zwiera poprzez diodę pierwszą D1 sieć elektroenergetyczną w początkowej fazie narostu napięcia fazowego w półokresie dodatnim na wejściu We fazowym L powodując spadek napięcia w sieci elektroenergetycznej dla napięcia dodatniego w pobliżu przejścia przez zero, sinusoidalnego napięcia sieci elektroenergetycznej. Dla optymalnego działania układu według wynalazku stan zwarcia powinien być utrzymywany przez czas 100 ps nie powodując zakłóceń funkcjonowania odbiorników energii elektrycznej. Maksymalna zwierana wartość napięcia nie powinna przekraczać 10V, stąd przy rezystancji sieci przykładowo 0,5 Ω prąd płynący przez tranzystor pierwszy T1 w impulsie nie przekroczy 20A. Po czasie 100 ps tranzystor pierwszy T1 jest wyłączany, wskutek wyłączenia tranzystora drugiego T2, w wyniku zmiany stanu na wysoki na wyjściu sterującym mikrokontrolera uP. Tranzystor pierwszy T1 jest zabezpieczony przed włączeniem i zniszczeniem w późniejszej fazie narastającego napięcia półokresu dodatniego na wejściu We poprzez zaporową polaryzację złącza baza-emiter sterującego nim tranzystora drugiego T2. W wyniku indukcji narastającego napięcia w uzwojeniu wtórnym pierwszym transformatora Tr i przekroczenia wartości napięcia Zenera na diodzie Zenera Dz następuje włączenie diody Zenera Dz w kierunku zaporowym, co powoduje przepływ prądu z początku uzwojenia wtórnego pierwszego transformatora Tr poprzez rezystor drugi R2, diodę drugą D2, diodę Zenera Dz, do końca uzwojenia

PL 222 609 B1 wtórnego pierwszego transformatora Tr. Ustalony w ten sposób przepływ prądu przez rezystor drugi R2 powoduje na nim spadek napięcia, który blokuje możliwość przypadkowego włączenia tranzystora drugiego T2 wskutek pojawienia się polaryzacji zaporowej jego złącza baza-emiter. Dodatkowo rezystor pierwszy R1 bocznikuje złącze baza-emiter tranzystora pierwszego T1 ograniczając zakłócenia, które mogłyby przypadkowo go włączyć w niedozwolonym momencie czasu.

Stany wysokie wyjścia sterującego mikrokontrolera uP w początkowej fazie narostu napięcia dodatniego na wejściu We fazowym L odpowiadają logicznym zerom nadawanej sekwencji binarnej i nie powodują włączania tranzystorów drugiego T2 i pierwszego T1.

W fazie drugiej - odbierania danych napięcie indukowane w uzwojeniu wtórnym drugim transformatora Tr jest porównywane na wejściu nieodwracającym komparatora mikrokontrolera uP z ustawionym za pomocą potencjometru P napięciem odniesienia podawanym na wejście odwracające komparatora mikrokontrolera uP. Po detekcji napięcia poniżej zadanego napięcia referencyjnego podczas początkowej fazy narostu dodatniego napięcia na wejściu We fazowym L mikrokontroler wysyła logiczną jedynkę na wyjście portu komunikacyjnego Pk, w przeciwnym razie na wyjście portu komunikacyjnego Pk wysyłane jest logiczne zero.

Faza odbierania danych może służyć podczas fazy nadawania danych do detekcji kolizji, w transmisji z wielu urządzeń według wynalazku obecnych w sieci elektroenergetycznej, poprzez śledzenie obecności nie nadawanych przez dane urządzenie a obecnych w dołączonej sieci elektroene rgetycznej dodatkowych jedynek logicznych.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Układ transmisji danych przez sieć elektroenergetyczną, w którym wejście neutralne połączone jest z wejściem pierwszym zasilacza sieciowego oraz z początkiem uzwojenia pierwotnego transformatora, którego początek uzwojenia wtórnego połączony jest z poziomem odniesienia, a wejście fazowe połączone jest z wejściem drugim zasilacza sieciowego, znamienny tym, że wejście (We) neutralne (N) połączone jest z końcówką pierwszą rezystora pierwszego (R1), z emiterem tranzystora pierwszego (T1) i z poziomem odniesienia, a wejście (We) fazowe (L) połączone jest z końcem uzwojenia pierwotnego transformatora (Tr) i z anodą diody pierwszej (D1), której katoda połączona jest z kolektorem tranzystora pierwszego (T1), baza tranzystora pierwszego (T1) połączona jest z końcówką drugą rezystora pierwszego (R1) i z kolektorem tranzystora drugiego (T2), którego emiter połączony jest z początkiem pierwszego uzwojenia wtórnego transformatora (Tr), z biegunem dodatnim zasilania układu (Vcc) i z końcówką pierwszą rezystora drugiego (R2), którego końcówka druga połączona jest z bazą tranzystora drugiego (T2), z katodą diody drugiej (D2) i z końcówką pierwszą rezystora trzeciego (R3), którego końcówka druga połączona jest z wyjściem sterującym mikrokontrolera (uP), a anoda diody drugiej (D2) połączona jest z anodą diody Zenera (Dz), której katoda połączona jest z końcem pierwszego uzwojenia wtórnego transformatora (Tr), przy czym wejście nieodwracające komparatora mikrokontrolera (uP) połączone jest z końcem drugiego uzwojenia wtórnego transform atora (Tr), a wejście odwracające komparatora mikrokontrolera (uP) połączone jest z końcówką drugą potencjometru (P), którego końcówka pierwsza połączona jest z biegunem dodatnim zasilania układu (Vcc) a końcówka trzecia i z poziomem odniesienia.