1. november, 2017

Primer komunikacije po 230 V instalaciji

Svet elektronike colorAvtor: Jernej Böhm
2017_257_52

Si lahko zamislite nekaj izjemno velikega, nekaj, kar že generacije skrbno gradijo, a kjer si kljub temu sam samcat, kot Michael Collins julija 1969? Ob nenadnem spoznanju, da znaš vstopiti v tak nedotaknjen prostor, kjer je tako rekoč vse dovoljeno (?) in neskončno preprosto, misliš, da sanjaš. Takšne radostne emocije so me spreletavale, ko sem zagledal enakomerno, organizirano utripanje LED-diode na svoji delovni mizi v 7. nadstropju stolpnice, potem ko sem se vrnil iz najnižje kleti, kjer sem na edino tamkajšnjo šuko vtičnico priključil skromno oddajno vezje. Po hišni instalaciji se je popolnoma neovirano (kar sem kasneje preveril instrumentalno) širil signal s testno informacijo, ki ji je ubogljivo sledila omenjena svetleča dioda. Da se dogaja nekaj vznemirljivega, ni zaznal nihče od številnih sosedov, niti moji domači ne, povsem mirno so spremljali večerni TV-program. Hočem reči, nikogar nisem niti najmanj motil.

257 52 01 300x242 - Primer komunikacije po 230 V instalaciji

Slika 1: Blok shema TDA5051A (Philips Semiconductors)

Tu in tam vsak izmed nas naleti na tehnični problem, ki bi ga najenostavneje rešil, vsaj dozdeva se tako, s podatkovno komunikacijo po hišni instalaciji 230 V omrežja. Odlika take rešitve je namreč v tem, da ni potrebno položiti signalnega kabla do naprave, ki bi jo npr. želeli upravljati na daljavo. Vsekakor ideja že dolgo časa ni nova, v uporabi je celo več komercialnih sistemov, npr. Lonworks, Cebus, X10, UPB, HAI, Centralite, ONQ itn., ki so se uveljavili predvsem pri t.i. hišnih avtomatizacijah, torej pri inteligentnih zgradbah.

Na ta način lahko s pomočjo običajnega TV/IR-daljinca ugašamo ali prižigamo kompletno hišno razsvetljavo, poženemo centralno ogrevanje ali klimatsko napravo, lahko pa tudi preverimo – ob ustreznem prikazovalniku – garažna vrata, odčitamo trenutno zunanjo temperaturo, ne da bi za to položili en sam meter žice. Skrivnost je seveda v elektroniki, ki je prigrajena v vsako od omenjenih (inteligentnih) naprav in ustreznem podatkovnem signaliziranju po istih žicah, kot se naprave napajajo. Problem rešujemo s superponiranjem nekega več 10 kHz signala na 50 Hz sinusno omrežno napetost. Da je to možno, se je potrebno le spomniti motenj, ki se dobro »vidijo« in »slišijo« naokoli ob zagonu kakega problematičnega električnega aparata (npr. starejšega hladilnika), ali pri »mežikanju« onemogle neonske žarnice. Očitno se motnja, ki ni nič drugega kot frekvenčno bogat električni vir, kar dobro širi po električnih medijih, kljub silnim naporom stroke, ki si na vse kriplje prizadeva, tudi z raznimi predpisi o elektromagnetni kompatibilnosti, nadlogo minimizirati. In vemo za NTK-krmiljenje, s katerim elektro podjetja z 210 Hz signalom (oz. starejšim 1050 Hz, ki je še vedno v rabi) uspešno preklapljajo tarifne števce električne energije. Pri izbiri »modulacijske« frekvence, torej signala na katerega navežemo podatkovni signal (bit), moramo postopati kar se le da preudarno, saj dušenje na žični zvezi s frekvenco narašča, nižja frekvenca pa po drugi strani pomeni skromnejše prenosne hitrosti podatkov. Pomembna sta še tako čas kot dolžina iniciranja signala in morda še kaj.

257 52 02 300x282 - Primer komunikacije po 230 V instalaciji

Slika 2: Priključki TDA5051A

K sreči obstajajo bližnjice, ni potrebno, da se spopadamo z osnovnimi problemi prenosa podatkov po javnem napajalnem omrežju, dosegljivo je integrirano vezje, ki nalogo zreducira na nivo »črne škatle« (kar daš notri, dobiš ven). Tak čip ponuja npr. Philips pod oznako TDA5051A, s pomenljivim podnaslovom »Home automation modem« (v prostem prevodu: modem za hišno avtomatizacijo). Njegova blok shema je povzeta na risbi št. 1.

TDA5051A omogoča ASK-prenos z do 1.200 Bd (gre torej za amplitudno modulacijo). Delovanje vezja nadzira mikroprocesor (brez skrbi, je že programiran) z natančnostjo, ki jo zagotavlja kristal (tipično 7,3728 MHz). Proizvajalec trdi, da omogoča zanesljivo delovanje vezja tudi v primeru »nevšečnosti« v omrežju oz. aplikaciji (tu se misli na tolerance elektronskih komponent, pričakovane temperaturne, napajalne vplive itn.).

257 52 11 300x144 - Primer komunikacije po 230 V instalaciji

Slika 3: Spekter oddajnega signala (Philips Semiconductors)

Čip poseduje krmilne in statusne vhode oz. izhode, ki smo jih sicer vajeni pri marsikaterih komunikacijskih vezjih pa tudi testne, ki služijo zgolj za tovarniško preverjanje izdelka. Posebej moramo poskrbeti za varovanje kritičnih priključkov pred napetostno preobremenitvijo, vendar je priporočilo več ali manj za klasično (supresorska dioda, varistor). Območje avtomatskega prilagajanja vhodnemu signalu (AGC) sega od –6 dB do +30 dB, s tem, da na 30 Ω breme pritisne tudi 1,3 V (122 dBμV) velik modulacijski signal. Vhodni signal se najprej digitalizira, in nato obdela ob predpisani normalizaciji, da se končno regenerira bit oddajnega modema. Oddaja ima prednost pred sprejemom, vendar se ta tedaj ne onemogoči, pač pa se le zniža ojačenje na najmanjšo možno vrednost, kar smo spretno izkoristili za enostaven nadzor delovanja tukaj opisanega oddajnega modema. Po oddaji se AGC-nivo samodejno vrne na »zatečeno« vrednost. Pri tem je potrebno opozoriti na časovno konstanto AGC v času sprejema (razberemo jo iz tehničnih podatkov). Ta namreč samodejno relativno hitro zaduši vhod v primeru, da oddajnik obvisi na TDA5051A/1 = “L”. (Kaj to pomeni? Vprašanje ostaja nepojasnjeno, predvsem zaradi lenobnega dejstva, da v delovanju prototipa ni bilo mogoče opaziti kaj nenavadnega.)

257 52 04 300x225 - Primer komunikacije po 230 V instalaciji257 52 03 300x225 - Primer komunikacije po 230 V instalacijiNa tem mestu se tudi ne bomo spuščali v problematiko višje harmoničnih komponent digitalnega procesiranja signala. Predpostavili bomo, da je problematika pač solidno rešena, kot tisto, da raba profesionalnega čipa ni skregana s kako zakonodajo (TDA5051A ni ne na Philipsovi listi »discontinued parts« in ne na »last buy chance« iz decembra 2002).

Tokovna poraba čipa je med oddajo okoli 70 mA, pri sprejemu 40 mA, kar vsekakor ni malo, posebno ker tovrstne aplikacije kar kličejo po direktnem usmerniku s serijskim kondenzatorjem.

Shema oddajnega modema

Na risbi št. 3 je podano elektronsko vezje oddajnega modema – nič posebnega, saj smo si zadali relativno preprosto nalogo: preko 230 V omrežja prenesti status enega samega signala (bita). V izvedbenem primeru nadziramo pač le stanje vhodnih vrat dislocirane garaže. Ta se nahaja v kompleksu manjše garažne hiše do katere je lastnik v času gradnje položil le močnostni kabel, pozabil pa na primeren signalni kabel. Če je že takrat pričakoval, da bo s časoma mogoče po istem kablu tudi signalizirati, je opravičeno vprašanje ali je računal tudi na teletransport, saj tam manjka tudi vodovodna cev (pranje avta je sedaj prava muka).

257 52 05 300x225 - Primer komunikacije po 230 V instalacijiVezje lahko brez posebnih težav modificiramo za pravo ASCII računalniško komunikacijo, le na vhod U2/1 (izhod je U2/2) moramo pripeljati ustrezen asinhroni signal. V našem primeru smo pač poenostavljali. Stik U3 s pripadajočimi elementi predstavlja vsem dobro znano A-stabilno vezje, ki se aktivira ob odprtju senzorskega stikala S1. Njegova frekvenca je približno 1 Hz, z več ali manj simetrično obliko signala. Takšen naj bi bil alarmni signal. Dioda D2 zasveti vsakokrat, ko U2 pošlje signal v 230 V omrežje. Čeprav bi v našem primeru izhodni filter (L1C7-L2C12) mirno opustili, ga ohranjamo predvsem zaradi minimiziranja napetostnih preobremenitev ob raznih omrežnih artefaktih, vsekakor pa s tem kar znatno razbremenimo supresorsko diodo D3.

Napajanje je povsem »neugledno«, klasičen polnovalni usmernik z linearnim stabilizatorjem (U1). Zaradi relativno velike tokovne porabe U2, se hitro izkaže, da je taka rešitev, kljub transformatorju, prostorsko ugodnejša. Vendar pozor, celotno vezje modema je še vedno galvansko povezano z 230 V omrežjem in tako smrtno nevarno na dotik.

Glede delovanja U2 še toliko, da ob U2/1 = “L” čip generira »sinusni« signal 132,5 kHz (ob predlaganem kristalu X1), ko pa je U2/1 = “H” tega signala ni (glej izhodni priključek 10). Filter L1C7-L2C12 je uglašen na oddajno frekvenco.

Shema sprejemnega modema

257 52 06 300x157 - Primer komunikacije po 230 V instalaciji

Slika 4: Shema oddajniškega modema

Osnovo tudi tu predstavlja Philipsovo modemsko vezje s strani proizvajalca predlaganim vhodnim nesklopljenim nihajnim krogom (L1C7-L2C12). Varovanje vezja pred napetostno preobremenitvijo in celo napajanje vezja, je enako kot pri oddajniškem stiku. Sprejemni signal je dosegljiv na U2/2. Možnosti so tri: trajno stanje “L”, periodično »utripanje« in trajno stanje “H”. Prva možnost predstavlja (normalen) signal pri zaprtih garažnih vratih (opisujemo izvedbeni primer), drugi primer je alarmni – nastane pri odpiranju vrat (in ves čas, ko so odprta), zadnji, tretji primer pa nastopi v primeru prekinitve komunikacije, kar spet vizualiziramo s svetlečo diodo (D2) in podkrepimo z zvočnim signalom (Z1). V alarmnem primeru dioda utripa, v enakem ritmu se oglaša tudi piezo piskač. V primeru prekinitve komunikacije se piskač oglaša nepretrgoma, pri tem LED-dioda D2 seveda ne sveti (nepretrgoma sveti le, ko so vrata normalno zaprta).

Tudi tu je dotikanje elektronskih komponent pod napajanjem smrtno nevarno! Naj nikogar ne zavede napajalni transformator, ki je pač uporabljen zaradi ugodnejše rešitve.

Izdelava modemov

Predlog tiskanega vezja na risbi št. 6, uporabimo tako za izdelavo oddajniške kot sprejemniške tiskanine. V prvem primeru vstavimo elektronske komponente po shemi na risbi št. 4, v drugem pa le tiste z risbe št. 5. Pri tem si pomagamo z risbama št. 7 in 8.

257 52 07 300x178 - Primer komunikacije po 230 V instalaciji

Slika 5: Shema sprejemniškega modema

V obeh primerih je tiskano vezje načrtovano za vgradnjo v Conradovo ohišje s kataloško št. 52 22 28, ki ima prigrajeno šuko vtičnico in vtikač. S tako rešitvijo lahko sprejemnik namestimo v poljubno, se pravi najprimernejšo vtičnico v hiši, hkrati pa ista vtičnica ostaja »nezasedena«.

Izdelavi oddajnega oz. sprejemnega modema nista problematični, vendar je dobro preveriti ali so nabavljene elektronske komponente podobnih dimenzij kot v prototipnem primeru. V primeru odstopanj, bomo pač prisiljeni v predelavo. Edini problem pri izdelavi utegne predstavljati prav oblika ohišja čipa TDA5051A (SO16). Philips menda ne ponuja izvedbe DIL. Na srečo se da s fotopostopkom tudi v domači delavnici izdelati kvalitetno tiskanino za komponente za površinsko montažo. Ali gre pri sodobnejših elektronskih komponentah za globalno sabotažo multinacionalk napram Ltd. (d.o.o.) in domačim garažnim delavnicam, naj presodijo bralci sami.
Pri spajkanju TDA-vezja na tiskano vezje si pomagamo takole. Najprej v tankem sloju nanesemo spajko na enega izmed zunanjih spajkalnih otočkov (npr. na priključek št. 1). Na tako pripravljeno mesto položimo čip, ujamemo njegove priključke z vzorcem na tiskanini, z levico nekako zadržimo položaj, nato pa s spajkalnikom v desnici segrejemo nožico pod katero smo malo prej nanesli spajko. Tik pred tem na konico nanesemo nekaj »sveže« spajke (da s kolofonijo izparimo spajkalno mesto). Vezje je takoj zatem že dovolj trdno nameščeno, da brez težav ocenimo kvaliteto namestitve. Če smo z rezultatom zadovoljni, prispajkamo še vse ostale nožice vezja, sicer postopek namestitve previdno ponovimo, tokrat še brez večjih nevšečnosti.

Z nanašanjem spajke v nobenem primeru ne pretiravamo. Z malo vaje pridobimo potrebno zanesljivost in kvaliteto. Vseskozi se moramo zavedati, da je za odstranjevanje čipov za površinsko montažo potrebno posebno orodje, ob veliki verjetnosti, da vezje mehansko povsem uničimo. Pri spajkanju se brez dvoma splača biti natančen!

257 52 08 300x253 - Primer komunikacije po 230 V instalaciji

Slika 6: Univerzalno tiskano vezje modema

Z montažo ostalih elektronskih komponent najbrž ne bomo v zadregi. LED-diodo priskajmo na višino, da ob sestavljenem ohišju nekoliko gleda iz ohišja. Da bo zvočni signal slišen, v ohišje izvrtamo jato manjših luknjic. Piskač s pripadajočimi elementi (glej shemo na risbi št. 5) smemo namestiti tudi pri oddajnem modemu (morda kot koristna opcija).

Vezji ni potrebno uglaševati in sta že ob prvem priklopu pripravljeni za polno delovanje.

Uporaba modemov

Oddajniško verzijo modema vtaknemo v vtičnico, ki je v bližini mesta namestitve senzorskega stikala (S1). Svetlobno obarvana dioda D1 je znak, da je vezje pod napajanjem. Do S1 potegnemo kratek dvožilni kabel in ga spojimo. Kontakta stikala morata biti sklenjena v stanju normalno, oz. se razkleneta, ko nastopi alarmna situacija. Možno je tudi obratno, a tedaj izgubimo možnost »proti sabotažnega« nadzora.

257 52 09 300x235 - Primer komunikacije po 230 V instalaciji

Slika 7: Razporeditev elementov na predlagani tiskanini za primer oddajnika

257 52 10 300x242 - Primer komunikacije po 230 V instalaciji

Slika 8: Razporeditev elementov na predlagani tiskanini za primer sprejemnika

Pomembno je, da oba priključka S1 neoporečno zaščitimo z izolacijo, ker bo tudi senzor, tako kot elektronika modema, na potencialu omrežne napetosti. Priključitev moramo obvezno izvesti pri nepriključenem »vtikaču«!
Z namestitvijo sprejemnika je preprosteje, vtaknemo ga pač v prvo prosto vtičnico v prostoru iz katerega bomo nadzirali stanje stikala S1 oz. objekta ali naprave, ki ga/jo varujemo. Dioda D1 tudi tu služi zgolj za nadzor napajanja. Če bo rdeča svetleča dioda (D2) tedaj svetila, je nadzorovano stanje normalno (vrata so torej zaprta). Utripanje pomeni, da je prišlo do alarma (vrata je nekdo odprl) medtem, ko temna LED-dioda pomeni, da sprejemnik ne »vidi« več oddajnika, da je torej prišlo do prekinitve zveze med oddajnikom in sprejemnikom (sabotaža?). Nasprotno kot sveti LED-dioda, se oglaša piskač. Glasnost piska ni pretirana, pripomore pa k zgodnejšem odkrivanju alarma. Če nam gre tedaj na živce, sprejemniški modem enostavno izvlečemo iz šuko vtičnice in seveda preverimo zakaj je prišlo do alarma.

Kako v primeru alarmnega sporočila postopamo, je stvar vsakega posameznika, odvisno tudi od vrste nadzora. Če na ta način varujemo lastnino pred odtujitvijo, je vsekakor bolje kar takoj poklicati policijo, kot pa laično intervenirati in tvegati resne zdravstvene posledice.

Ker podobno aplikacijo načrtujem tudi v hiši kjer stanujem, me je ves čas skrbelo kaj narediti v primeru, da stanovanje ne bo na isti fazi kot oddajni modem v kleti oz. shrambi. Čeprav sem kar večkrat poklical domače elektro distribucijsko podjetje, nisem naletel na sogovornika, ki bi vedel kako je poskrbljeno, če sploh je, za medfazni signalni prenos. Tako lahko le sklepam, da se očitno 132,5 kHz signal kar dobro seli na sosednji fazi.In doseg komunikacije? Ga nisem mogel določiti, stvar je »nesla« po celi diagonali od terase do shrambe v 2. kleti v 10. nadstropni stolpnici. Enako zanesljivo se obnaša komunikacija po »230 V« na (krajši) instalaciji v prispevku omenjene garaže. Kljub temu naj omenim, da je mogoče z dodatnim ojačevalnikom še nekoliko povečati občutljivost sprejemnika. Tako Philips! Morda je čip načrtovan za take zgradbe kot je 299 m visoka Commercebanka v Franfurtu.

Tags: