Момент включения симистора, определяет величину проходящей синусоиды, которая, в свою очередь, определяет выходную мощность. Микроконтроллер может управлять моментом включения симистора, однако для этого ему нужно точно знать, когда синусоида пересекается с нулем. Рассмотрим найденную в просторе Интернета интересную реализацию такого детектора (рисунок 1).
Преимуществом данной схемы для меня стало наличие гальванической развязки. На рисунке 2 представлено небольшое пояснение работы детектора..
Рисунок 2 – Принцип работы детектора нуля.
Каждому пересечению синусоиды с нулем соответствует импульс. Так как синусоида за период дважды пересекает нуль, то частота следования импульсов на выходе детектора нуля будет не 100Гц, если частота напряжения в сети 50Гц.
Печатная плата детектора представлена на рисунке 3, габариты которой 60×40мм. Собранный детектор, изображен на рисунке 4.
Рисунок 3 – Печатная плата детектора нуля.
Рисунок 4 – Детектор нуля. Общий вид.
Диодный мост любой, маломощный. Вместо импортных транзисторов BC547, можно применить отечественный аналог КТ3102.
Собранная схема не нуждается в настройке. Проверку работоспособности осуществляем измерением частоты следования импульсов между первой и второй ножкой оптопары мультиметром или осциллографом.
Необходимо зарегистрироваться чтобы прочитать текст
Power-line communication. Часть 3 — Основные блоки устройства
Во второй части статьи мы начали знакомиться с основными блоками устройства для передачи данных по PLC. Это будет заключительная часть статьи, которая касается описания железа.
Осталось разобраться, что такое ZC детектор, на примере одной из его возможных реализаций. Посмотрим, как можно реализовать ”входную” и ”выходную” сигнальные цепи, и как их подключить к сети 220 В.
В статье не рассматриваются какие-либо серьёзные темы в области PLC. Как и в первых двух частях, кратко описываются блоки устройства и их взаимодействие. Темы выстроены так, чтобы у новичка примерно выстроилась общая картина простейшего PLC устройства. Также повествование касается множества сложных тем, которые не раскрываются. Поэтому в конце постарался оставить побольше ссылок.
Zero cross детектор
Как говорилось ранее, передающие и принимающие устройства синхронизируются между собой с помощью отдельного блока — zero cross детектора.
Передающее устройство, отправляет подготовленный кадр данных по одному биту за один синхросигнал из ZC детектора. Физически это значит, что за один синхросигнал из ZC детектора генерируется один полезный сигнал определённой частоты, которым кодируется один бит.
В электросетях с частотой 50 Гц, синусоида напряжения пересекает ноль 100 раз в секунду.
Есть несколько вариантов исполнения ZC детектора. Ниже я покажу пример реализации на оптопаре.
Начнём с конца схемы — сначала представим, как сигнал с ZC детектора попадает на контроллер.
На картинке схема с подтягивающим “pull-up” резистором и ключом. При замыкании ключа, на вход МК будет подаваться логический 0, а при размыкании ключа, “pull-up” резистор будет подтягивать напряжение на входе МК до логической единицы.
На место “ключа” ставим оптрон. Оптрон (оптопара) — это простой элемент, в котором с одной стороны светодиод, а с другой фототранзистор.
При подаче напряжения на светодиод, фототранзистор будет пропускать ток. Оптрон также служит гальванической развязкой между сетью 220 В и цифровой частью схемы.
Остается только подавать на светодиод переменное напряжение из сети 220 В, но перед этим его необходимо “выпрямить” и уменьшить до приемлемого уровня, который выдержит светодиод оптопары.
Для выпрямления можно использовать smd мостовой выпрямитель.
После выпрямления на фотодиод пойдёт пульсирующее с удвоенной частотой напряжение от 0 до 310 В. Разумеется диод не выдержит такого размаха напряжения, поэтому после мостового выпрямителя поставим сопротивление.
Номинал сопротивления можно вычислить исходя из характеристик фотодиода в оптопаре
В datasheet на оптопару пишут максимальный ток, на который рассчитан фотодиод, исходя из этого нужно выбрать сопротивление с расчётом на 310 В. Чтобы резистор не перегрелся, можно вместо одного последовательно поставить несколько резисторов для эффективного отвода тепла (это особенно полезно если у вас SMD резисторы).
Из datasheet на PLC817
SMD резисторы типоразмера 1210 выдерживают рассеивание до 0.5 Вт мощности. Максимальный постоянный ток, который мы может пропускать при 310 вольт равен 0.5/310 = 0.00161 А. С учетом, того что у нас пульсирующее напряжение, округлим до 0.002 А (2 мА). Этого тока достаточно, чтобы «ключ замыкался». Номинал сопротивления при этом равен 310/0.002 = 155000 Ом. Итог: ставим последовательно три SMD резистора, типоразмером 1210, номиналом 51 кОм каждый.
В итоге, схема ZC детектора выглядит примерно так.
Теперь микроконтроллеры PLC устройств, подключенных к одной фазе могут синхронизироваться между собой с помощью сигнала на ножке «ZC input » из такого ZC детектора.
Схема согласования сигнальных цепей с линией 220 В
Схема согласования закрывает собой компоненты “входной” и “выходной” цепей. “Входная” и “выходная” сигнальные цепи обычно выполнены на микросхемах усилителях, которые питаются небольшим постоянным напряжением (3-12 В). Подключить их напрямую к 220 В не получится.
Из электросети должны проходить только высокочастотные сигналы. Основная гармоника 50 Гц, на которой передаётся электроэнергия, не должна попасть в сигнальные цепи устройства. Также в этой схеме обычно располагается защита от скачков напряжения и перегрузок.
Эта часть схемы принимает различный вид в разных “datasheet” на готовые PLC микросхемы. Опишем минимально работоспособный вариант.
Для первых опытов
Можно взять ферритовое кольцо типа “17,5×8,2×5 М2000Н”, есть в любом магазине электроники. Провод МГТФ наматываем сразу 3 обмотки в 20 витков.
Конденсатор плёночный из серии MKP или любой аналогичный, который выдерживает от 220 В переменки (с запасом).
Для отсечения ненужных низкочастотных гармоник ставится конденсатор, который выдержит 220 В. После него, для гальванической развязки и также фильтрации, высокочастотный трансформатор. Трансформатор можно сделать с отдельными обмотками для “входной” и “выходной” цепей (как на изображениях) или использовать одну обмотку на «вход»/»выход».
Для защиты усилителей от импульсных перенапряжений можно поставить защитные диоды (супрессоры) и/или варисторы с предохранителем. Тема защиты устройства от электрических неприятностей довольно обширная, в этой статье не рассматривается. Но забывать про это не стоит.
Варианты схемы согласования можно подглядеть в готовых решениях различных фирм, выпускающих PLC микросхемы. Каждая схема согласования разрабатывается под ”входные”/”выходные” усилители, используемые в этих решениях.
”Входная” цепь — измерение полезного сигнала
”Входная” цепь должна выполнить как минимум две задачи:
отфильтровать грубый входящий сигнал, срезав все лишнее;
после этого усилить сигнал до приемлемого уровня, подходящего для измерения и оцифровки с помощью ЦАП микроконтроллера.
Фильтрация
Существует большое разнообразие вариантов исполнений фильтров. В нашем случае подойдёт простой пассивный полосовой фильтр. При узкополосной передаче можно грубо отсечь ненужные частоты сверху и снизу. Фильтр нужно рассчитываем так, чтобы наши рабочие частоты попадали по центру полосы пропускания и меньше всего срезались.
В самом простом случае можно особо не заморачиваться с фильтром, так как в линиях электропередач запросто могут быть шумы с частотами близкими к полезным. Нам просто нужно примерно совместить полосу пропускания фильтра с “полезной” полосой частот, срезав все сверху и снизу. Остальное можно решить программным путём.
Важно помнить, что элементы пассивного фильтра изготавливаются с большими погрешностями и характеристики сильно завязаны на температуру. Поэтому при расчетах нужно оставлять небольшой запас с учётом этих погрешностей и влияния температуры.
Усиление
Амплитуду сигнала нужно поднять до приемлемой для измерений и оцифровки. В этом помогут операционные усилители (ОУ), которых на рынке огромное количество, и про которые написано тонны статей.
Ссылки на статьи про операционные усилители и их про каскадное подключение оставил в конце статьи.
”Выходная” цепь — генерация полезного сигнала
Задача ”выходной” цепи — фильтровать и усиливать сигнал из ЦАП микроконтроллера.
Микроконтроллер по специальному алгоритму генерирует полезный сигнал, нужной длительности и частоты, соответствующей передаваемому символу. На выходе из ЦАП у нас получается просто болванка “полезного сигнала”, угловатая, примерно похожая на синусоиду, но (самое главное!) нужной нам частоты.
Далее сигнал сглаживается фильтром и отправляется в аналоговую часть схемы (усилитель и схема согласования с 220 В).
Можно подумать, что форма сигнала не особо важна при кодировании, так как преобразование Фурье всё равно может вычленить основную гармонику “полезного сигнала”, отбросив всё лишнее. Но чем сигнал ближе по форме к синусоиде, тем меньше энергии мы будем тратить “в пустоту”, просто добавляя высокочастотный шум в сеть. И выходной усилитель будет работать стабильнее. Как уже говорилось — на входе важна лишь основная гармоника сигнала. Остальные гармоники — это шум.
Так как мощности сигнала на выходе ЦАП микроконтроллера недостаточно для отправки его напрямую в линию электропередач, после ЦАП нам обязательно нужен внешний усилитель.
При выборе усилителя разбегаются глаза. Не буду рассказывать про всё многообразие, но подскажу вариант для ленивых, как я. Можно использовать одну из готовых микросхем для усиления аудио сигналов в аудиоплеерах. Мощность у них обычно не большая — около 1W.
Гуглить их можно по фразе “audio amplifier btl 1w”. Но тут нужно учесть, что они обычно рассчитаны на аудио сигналы до 20 кГц, и производитель не рассчитывал, что их будут использовать в PLC модеме. Есть модели, которые хорошо усиливают частоты до 100-150 кГц, и обычно в datasheet об этом не пишут.
они очень удобны тем что там встроенная стабилизация сигнала;
хватает однополярного питания — не надо париться с блоком питания.
во включенном состоянии из-за обратной связи съедают входящий сигнал, поэтому усилитель надо “выключать”, когда устройство в режиме прослушивания (приёма);
большой минус — это их незащищённость от импульсных помех в электросети. Сгорают мгновенно. Но от этого можно спастись, поставив на выходе усилителя супрессоры, что-то наподобие “P4SMAJ5.0A” или аналогичный.
Примерно так выглядит усиление с однополярным питанием.
Также нужно не забыть на выходе усилителя ставить конденсатор, чтобы отсечь постоянную составляющую сигнала.
Итого
Во второй и третей частях мы коротко пробежались по основным блокам простейшего PLC устройства, создали общую картину их взаимодействия. Так как затрагиваемых тем очень много и они дольно глубокие, подробнее осветить их в статье не получилось (да и я в них не специалист). Для более серьезного изучения есть специализированная литература. Но новичку иногда сложно понять в какую сторону копать. Поэтому конце оставил много ссылок на различные обзорные статьи по связанным темам.
В следующей части статьи планировал на примерах показать, как можно программно генерировать синус нужной частоты для ЦАП в STM32. И заодно как обработать приходящий на АЦП сигнал и выяснить наличие в нём нужных гармоник (частот) полезного сигнала.
Детектор перехода сетевого напряжения через ноль с минимальным количеством высоковольтных компонентов
Luca Matteini, Италия
Предлагается гальванически изолированная схема, формирующая короткий импульс при переходе сетевого напряжения через ноль. Импульс возникает примерно за 200 мкс до пересечения нуля. Схема может иметь много применений, в частности, для улучшения условий выключения тиристора путем упреждающего разрыва тока управляющего электрода. Поскольку импульс генерируется только тогда, когда входное напряжение сети близко к нулю, потребляемая схемой мощность невелика и составляет порядка 200 мВт при входном напряжении 230 В/50 Гц.
Рисунок 1.
Этот детектор перехода через ноль собран из низковольтных компонентов и рассеивает небольшую мощность.
Конденсатор C1 заряжается до 22 В – уровня ограничения стабилитрона D3 (Рисунок 1, [1]). Входной ток ограничивается резисторами R1 и R5. Когда выпрямленное входное напряжение опускается ниже напряжения на конденсаторе C1, открывается транзистор Q1 и генерирует импульс длительностью в несколько сотен микросекунд. Оптопара IC1 обостряет фронты и делает выходной импульс более прямоугольным. Требования к R1 и R5 определяются среднеквадратичным значением (с.к.з.) входного напряжения. Подойдут резисторы типоразмера 1206, рассчитанные, как правило, на рабочее напряжение 200 В с.к.з. Входное напряжение схемы делится поровну между резисторами R1 и R5, так что номинальное входное напряжение будет равно 400 В – вполне достаточно для работы в сети 230 В. Больше ни одного высоковольтного компонента для схемы не требуется. Отметим только, что стабилитрон D3 с номинальным напряжением стабилизации 22 В может пробиваться при напряжении до 30 В, в связи с чем рабочее напряжение конденсатора 470 нФ (C1) надо выбирать с запасом, скажем 50 В. И предпочтительно, чтобы C1 был керамическим, поскольку керамические конденсаторы намного надежнее электролитических, – алюминиевых или танталовых, – особенно, при повышенных температурах. Если вы предпочтете более малогабаритные и дешевые конденсаторы с рабочим напряжением 25 В, замените D3 стабилитроном на 18 В. Резистор R4 ограничивает пиковый ток светодиода оптопары. Первичное ограничение тока происходит за счет плавного наклона выпрямленного переменного напряжения, не позволяющего Q1 генерировать пики тока в то время, когда он разряжает конденсатор C1.
Рисунок 2.
Отклик схемы, смоделированной в LTspice. При снижении входного напряжения до 0 формируется короткий импульс тока через светодиод, передний фронт которого опережает, а задний отстает от точки пересечения. Пиковый ток светодиода равен 17 мА.
Результат моделирования схемы в LTspice Version IV представлен на Рисунке 2 [2]. При входном напряжении 230 В/50 Гц пиковый ток светодиода оптопары равен 17 мА. Модель демонстрирует хорошие результаты в диапазоне сетевых напряжений от 90 до 250 В при частоте как 50, так и 60 Гц. В сети 110 В/60 Гц протекающий через светодиод пиковый ток равен 8.5 мА, для работы IC1 этого еще достаточно. Если, все же, вы захотите увеличить ток светодиода, надо уменьшить сопротивление R3 или увеличить емкость конденсатора C1.
Тестирование реальной схемы продемонстрировало хорошее совпадение с моделью (Рисунок 3). При питании фототранзистора оптрона напряжением 5 В получился импульс хорошей формы (Осциллограмма 1). Сетевой вход для безопасности подключался к осциллографу через изолирующий трансформатор с выходным напряжением 15 В (Осциллограмма 2). Вы можете использовать растяжку и свойство послесвечения осциллографа, чтобы в деталях рассмотреть процессы в точке пересечения нуля (Рисунок 4). Это позволит вам точно измерить интервал времени между моментом пересечения нуля и возникновением импульса.
Рисунок 3.
Тестирование реальной схемы демонстрирует хорошее совпадение с моделью.
Рисунок 4.
Чтобы в деталях рассмотреть процессы в точке пересечения нуля, можно использовать растяжку и свойство послесвечения осциллографа.
Простой малопотребляющий детектор пересечения нуля
Avago Technologies HCPL-4701
Существует немало описаний схем детекторов пересечения нуля, используемых в сетях 50 и 60 Гц. Несмотря на многочисленность предлагаемых вариантов, многие из них не лишены серьезных недостатков. В этой статье показана схема, содержащая всего несколько общедоступных компонентов и обеспечивающая хорошие характеристики при низком потреблении мощности.
В изображенной на Рисунке 1 схеме на выходе VO формируется сигнал с нарастающими фронтами, синхронизированными с моментами пересечения нуля сетевым напряжением VAC. Схему легко изменить так, чтобы этот сигнал синхронизировался со спадающими фронтами VAC.
Рисунок 1.
Детектор пересечения нуля сделан на нескольких компонентах и потребляет очень небольшую мощность. Нарастающие фронты сигнала VO совпадают с моментами пересечения нуля сетевым напряжением VAC.
Схема работает следующим образом. При пересечении нуля напряжением VAC ток через конденсатор и светодиод оптрона HCPL-4701 описывается приведенным ниже Выражением 1. Выражение 2 отражает стандартную взаимосвязь между радианами в секунду и герцами, а также вводит определение переменной VI(t). Выражения 3 и 4 представляют собой упрощенную форму Выражения 1. В связи с тем, что падение напряжение на светодиоде практически постоянно, производная этого напряжения по времени равно нулю.
(1)
(2)
(3)
(4)
(так как VLED – приблизительно константа).
Пиковое значение протекающего через светодиод тока зависит от емкости конденсатора C, поэтому выбирать величину этой емкости вы должны такой, чтобы в начальный момент времени для данного минимального значения напряжения питания интенсивность излучения светодиода превышала пороговый уровень переключения оптрона. В случае использования оптрона HCPL-4701 этот ток равен 40 мкА.
Диод D1 не только создает цепь разряда конденсатора, но и защищает светодиод от обратного напряжения. Максимально допустимое обратное напряжение на входе HCPL-4701 равно 2.5 В.
Рисунок 2.
Зависимость тока светодиода от входного сетевого напряжения при различных сопротивлениях резистора R1. Показано время задержки между моментом пересечения нуля и током светодиода.
Резистор R1 включен для того, чтобы разряжать накапливаемую конденсатором энергию в последней фазе каждого цикла VI(t), когда ток IC(t) 2 AC с.к.з./R1 (мВт)
470 кОм
60
112.5
820 кОм
100
64.5
4.7 МОм
450
11.2
На основе приведенной выше информации были получены следующие практические значения C и R1:
На Рисунке 5 показаны осциллограммы напряжений в схеме при VAC = 267 В с.к.з., C= 1 нФ и R1 = 220 кОм. Дополнительные результаты представлены Рисунками 6 и 7.
Рисунок 6.
Практические результаты для VAC = 114 В с.к.з., C = 1 нФ и R1 = 560 кОм.
Обратите внимание, что при настройке ограничителя, как и при работе с любым другим устройством, подключаемым непосредственно к сети, необходимо проявлять особую осторожность. Учитывайте эту специфику схемы и при конструировании печатной платы.
Рисунок 7.
Практические результаты для VAC = 228 В с.к.з., C = 1 нФ и R1 = 560 кОм.
