ES2294092T3 - Dispositivo de acoplamiento para un sistema de transmision de corriente portadora de bajo caudal. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de acoplamiento para un sistema de transmisión de corriente portadora de bajo caudal, que comporta un circuito de control (10), unos medios de alimentación del circuito de control mediante una red de corriente alterna de distribución eléctrica (F, N) y unos medios de acoplamiento del circuito de control a la red para la emisión y la recepción de información modulada transmitida por corriente portadora por la red, comportando los medios de alimentación un transformador (T 2) que tiene un primario conectado a la red y un secundario conectado al dispositivo de control, dispositivo caracterizado porque los medios de alimentación comportan un interruptor bidireccional (9) conectado en serie con el primario, comportando el circuito de control unos medios de detección de presencia de una portadora conectados a los bornes del secundario, comportando el dispositivo un optoacoplador (12) que controla el interruptor bidireccional (9) y un conmutador (11) de tres posiciones, comandado por el circuito de control (10), teniendo el conmutador una salida conectada a una entrada de mando del optoacoplador (12), una primera entrada, conectada a una salida de un oscilador (13), una segunda entrada, conectada a una salida de emisión del circuito de control (10), y una tercera entrada, conectada a una salida, de una tensión continua predeterminada (V), de los medios de alimentación, estando la salida del conmutador (11) conectada a la primera entrada en modo de espera, de forma que define una frecuencia de corte predeterminada de los medios de alimentación, a la segunda entrada en modo de emisión, de forma que modula la información objeto de transmisión, y a la tercera entrada en modo de recepción, cuando el circuito de control ha detectado la presencia de una portadora en modo de espera.
Description
Dispositivo de acoplamiento para un sistema de
transmisión de corriente portadora de bajo caudal.
\global\parskip0.950000\baselineskip
La invención se refiere a un dispositivo de
acoplamiento para un sistema de transmisión de corriente portadora
de bajo caudal, que comporta un circuito de control, unos medios de
alimentación del circuito de control mediante una red de corriente
alterna de distribución eléctrica y unos medios de acoplamiento del
circuito de mando a la red para la emisión y la recepción de
información modulada transmitida por corriente portadora por la
red, comportando los medios de alimentación un transformador que
tiene un primario conectado a la red y un secundario conectado al
dispositivo de control.
Las corrientes portadoras de bajo caudal, es
decir, para un caudal inferior a 100 kbits/s, por ejemplo de 2400
bits/s, se utilizan sobre todo en domótica para el control y/o la
vigilancia de aparatos eléctricos por medio de la red de corriente
alterna de distribución eléctrica (por ejemplo 230 V y 50 Hz).
Los dispositivos de acoplamiento clásicos
comportan por lo general una alimentación aislada destinada a
proporcionar, a partir de la red, la potencia eléctrica necesaria
para los componentes del dispositivo de acoplamiento. Por otra
parte, un acoplador magnético aislado permite la emisión y la
recepción de datos modulados del aparato eléctrico hacia la red y
en sentido inverso. Para la seguridad de las personas, tanto el
transformador como el acoplador magnético deben asegurar un buen
aislamiento galvánico entre el aparato eléctrico y la red.
El documento EP0967737 describe un procedimiento
de transmisión de datos por una línea de alimentación de corriente
alterna que comprende el corte de la tensión de alimentación según
una codificación de los datos objeto de transmisión.
El objetivo de la invención es un dispositivo de
acoplamiento cuyo coste sea reducido, al mismo tiempo que se
asegura un muy buen aislamiento galvánico entre el aparato eléctrico
y la red.
Según la invención, ese objetivo se logra
mediante el hecho de que los medios de alimentación comportan un
interruptor bidireccional conectado en serie con el primario,
comportando el circuito de control unos medios de detección de
presencia de una portadora conectados a los bornes del secundario,
comportando el dispositivo un optoacoplador que controla el
interruptor bidireccional y un conmutador de tres posiciones,
mandado por el circuito de control, teniendo el conmutador una
salida conectada a una entrada de mando del optoacoplador, una
primera entrada, conectada a una salida de un oscilador, una segunda
entrada, conectada a una salida de emisión del circuito de control,
y una tercera entrada, conectada a una salida, de tensión continua
predeterminada, de los medios de alimentación, estando la salida
del conmutador conectada a la primera entrada en modo de espera, de
manera que define una frecuencia de corte predeterminada de los
medios de alimentación, a la segunda entrada en modo de emisión, de
forma que se modulan los datos objeto de transmisión, y a la tercera
entrada en modo de recepción, cuando el circuito de control ha
detectado la presencia de una portadora en modo de espera.
Otras ventajas y características se desprenderán
con mayor claridad de la descripción siguiente de un modo de
realización de la invención ofrecido a modo de ejemplo no limitativo
y representado en los dibujos adjuntos, en los que:
La fig. 1 ilustra, en forma de esquema de
bloques, un dispositivo de acoplamiento según la técnica
anterior.
La fig. 2 ilustra, en forma de esquema de
bloques, un dispositivo de acoplamiento según la invención.
Las fig. 3 a 6 representan, de forma
esquemática, las formas de onda de corriente que recorren el
primario del transformador del dispositivo de acoplamiento según la
figura 2, respectivamente en modo de espera en ausencia de
transmisión de información por la red, en modo de espera cuando se
transmite información mediante corriente portadora por la red, en
modo de recepción y en modo de emisión.
La fig. 7 ilustra con mayor detalle un modo
particular de realización del circuito de control de un dispositivo
de acoplamiento según la figura 2.
La fig. 8 representa con mayor detalle un modo
particular de realización del filtro selectivo de un dispositivo de
acoplamiento según la figura 2.
La fig. 9 representa la curva de respuesta en
frecuencia del filtro selectivo según la figura 8.
La fig. 10 representa un transformador
piezoeléctrico que puede utilizarse en el dispositivo según la
figura 2.
La figura 1 ilustra un dispositivo de
acoplamiento de tipo clásico, que permite acoplar un aparato
eléctrico 1 a la red de corriente alterna de distribución eléctrica
(por ejemplo, de 230 V, 50 Hz), representada en la figura 1 por un
conductor de fase F y un conductor de neutro N.
\global\parskip1.000000\baselineskip
El dispositivo de acoplamiento comporta un
circuito de control 2, conectado bidireccionalmente al aparato
eléctrico 1. El circuito de control 2 es alimentado a partir de la
red por medio de una alimentación aislada que le proporciona la
tensión continua necesaria. El circuito de control 2 también está
conectado a la red por medio de un acoplador magnético aislado,
constituido por un transformador de acoplamiento 3, preferentemente
de relación 1/1, que permite la transmisión de información, por
modulación de la corriente portadora, del aparato eléctrico a la
red, es decir, en emisión, y de la red al aparato eléctrico, es
decir, en recepción.
En el modo de realización conocido representado
en la figura 1, la alimentación aislada comporta un filtro 4,
conectado a la red aguas arriba y a un rectificador 5 aguas abajo.
Un condensador de almacenamiento C_{1} está dispuesto a la salida
del rectificador 5, en paralelo con un bobinado primario de un
transformador de alimentación T_{1} conectado en serie con un
circuito de alimentación de corte 6. Una entrada de mando del
circuito de alimentación de corte está conectada a un bobinado
secundario del transformador T_{1} de forma que asegura la
regulación de la tensión de salida del transformador T_{1} a un
valor predeterminado. La tensión de salida en los bornes del
bobinado secundario del transformador T_{1} se rectifica de forma
clásica (rectificador 7) y después se aplica a los bornes de un
condensador de almacenamiento C_{2} que proporciona de este modo
una tensión continua de alimentación V al circuito de control 2.
Para que la transmisión de información del
circuito de control 2 a la red por medio del transformador de
acoplamiento 3 sea eficaz, teniendo en cuenta la escasa impedancia
de la red (1 a 10 Ohms) a la frecuencia de la portadora (132 kHz,
por ejemplo), es necesario que el circuito de control 2 comporte un
amplificador. Ello aumenta el consumo del circuito de control 2 en
modo de emisión, lo que hace necesaria una alimentación bastante
potente y, en consecuencia, voluminosa y costosa. El aislamiento
galvánico es asegurado por los transformadores de alimentación
T_{1} y de acoplamiento 3. El dispositivo de acoplamiento clásico,
con dos transformadores para asegurar el aislamiento galvánico y un
amplificador, es relativamente voluminoso, complejo y costoso.
El dispositivo según la invención permite
reducir el coste del dispositivo de acoplamiento mejorando, si es
necesario, el aislamiento galvánico. Como se representa en la figura
2, el dispositivo de acoplamiento según la invención permite
eliminar el transformador de acoplamiento 3 y utilizar un
transformador T_{2} de relación 1/1, al mismo tiempo para la
alimentación y para la transmisión de la información entre el
circuito de control y la red.
El transformador T_{2} comporta un primario,
conectado, en serie con una resistencia de limitación R_{1} y un
condensador C_{3} a la red por medio de un filtro selectivo 8. A
modo de ejemplos no limitativos, la resistencia R_{1} puede tener
un valor cercano a 10 Ohms y el condensador C_{3}, un valor del
orden del microfaradio. La resistencia R_{1} sirve para limitar
la corriente en caso de sobretensiones, así como para la puesta en
marcha cuando el condensador C_{3} se ha descargado. El
condensador C_{3} está destinado a reducir la corriente en el
primario del transformador T_{2} cuando el dispositivo funciona en
modo de recepción, como se describirá con mayor detalle más
adelante.
Un interruptor bidireccional 9, bidireccional en
tensión y en corriente, también está conectado en serie con el
primario del transformador T_{2}. Está conmutado con una
frecuencia de corte distinta según si el dispositivo de
acoplamiento está en modo de espera, en modo de recepción o en modo
de emisión.
Un circuito de control 10, conectado
bidireccionalmente al aparato eléctrico 1, controla el interruptor
bidireccional 9 por medio de un conmutador 11 y de un optoacoplador
12. El conmutador 11 comporta una primera entrada conectada a la
salida de un oscilador 13, una segunda entrada conectada a una
salida de emisión del circuito de control 10 y una tercera entrada
conectada a una salida de tensión continua predeterminada (V en la
figura) de la alimentación. La salida del conmutador 11 está
conectada a una entrada de mando del optoacoplador 12. El circuito
de control 10 controla la posición del conmutador 11 y comporta unas
entradas conectadas directamente a los bornes del secundario del
transformador T_{2} para permitirle detectar la presencia de una
portadora cuando el dispositivo está en modo de espera y recibir
los datos en modo de recepción.
La alimentación de tensión continua V del
circuito de control 10 es suministrada por el secundario del
transformador T_{2}. Para ello, la tensión en los bornes del
secundario del transformador T_{2} es rectificada, como en la
figura 1, por un rectificador 7, preferentemente de doble
alternancia, y después se aplica a los bornes de un condensador de
almacenamiento C_{2}. Un filtro (no representado) está dispuesto
preferentemente aguas abajo del rectificador 7. En un modo de
realización preferente, la tensión en los bornes del condensador
C_{2} es relativamente elevada (aproximadamente 30V) y un
circuito reductor y/o regulador 14, de tipo conocido, está
conectado aguas abajo de los bornes del condensador C_{2} para
suministrar las tensiones continuas de alimentación apropiadas (5 V
y/o 10 V). Hay que destacar que la tensión aplicada a la tercera
entrada del conmutador (11) puede ser distinta de la tensión de
alimentación V del circuito de control.
El dispositivo de acoplamiento según la figura 2
funciona de la manera que se describe a continuación.
En modo de espera, es decir, esencialmente en
ausencia de transmisión de información, la salida del conmutador 11
está conectada a su primera entrada, es decir, a la salida del
oscilador 13. La frecuencia de éste es, en un modo preferente de
realización, del orden de 49 kHz. La alimentación funciona en ese
caso como un convertidor alterna/continua de tipo "FORWARD",
con una frecuencia de corte de 49 kHz. La corriente I que recorre el
primario del transformador T_{2}, de forma general sinusoidal (a
50 Hz) se corta entonces a la frecuencia de corte (periodo de corte
td) como se representa esquemáticamente en la figura 3 (en las
figuras, las frecuencias de corte representadas no están a escala
para una mayor claridad de las formas de onda).
Si se transmite información por la red mediante
corriente portadora, la corriente I es entonces modulada por dicha
información. En el modo de realización representado en las figuras 4
a 6, se trata de una modulación de frecuencia, con una frecuencia
de portadora de 132 kHz (periodo de portadora tp). La forma de onda
de la corriente I es en ese caso del tipo representado en la figura
4. La presencia de la portadora en la red, cuando el dispositivo
está en modo de espera, es detectada, a través de cualquier medio
apropiado conocido, por el circuito de control 10 en la señal de
alimentación cortada a 49 kHz presente en el secundario del
transformador.
Cuando se ha detectado la presencia de la
portadora, el circuito de control 10 hace pasar al dispositivo del
modo de espera al modo de recepción. En modo de recepción, la salida
del conmutador 11 está conectada a su tercera entrada, es decir, a
una tensión continua, de forma que se cierra el interruptor
bidireccional 9. Así, en modo de recepción, el corte de alta
frecuencia se suprime y la corriente I en el primario del
transformador T_{2}, que ya no se corta, tiene en ese caso la
forma representada en la figura 5: una sinusoide de 50 kHz modulada
durante unas tramas T_{r1} y T_{ r2} de transmisión de
datos.
El transformador T_{2} tiene una relación
cercana a 1/1 para no atenuar las señales en modo de recepción.
Éstas, presentes en el secundario del transformador T_{2}, pueden
en ese caso ser descodificadas y analizadas por el circuito de
control 10, que en consecuencia puede mandar el aparato eléctrico 1.
El condensador C_{3}, en serie con el primario del transformador
T_{2}, está destinado a limitar la corriente primaria cuando, en
modo de recepción, la impedancia del transformador T_{2}
alimentado a 50 Hz está cerca del cortocircuito.
En modo de recepción, la ausencia de corte en el
primario del transformador T_{2} permite que el circuito de
control 10 recoja los datos transmitidos por la red al secundario
del transformador T_{2} con la mejor relación señal/ruido
posible. Sin embargo, ello interrumpe la carga del condensador del
almacenamiento C_{2} de la alimentación. Para permitir un
funcionamiento correcto del circuito de control en modo de
recepción, el condensador de almacenamiento C_{2} está
dimensionado de forma que permita, en modo de espera, el
almacenamiento de la energía necesaria para el dispositivo mientras
dure el modo de recepción.
Al final de la recepción, el circuito de control
10 provoca el paso del dispositivo de acoplamiento en modo de
espera o en modo de emisión si se desea enviar una respuesta por la
red.
En modo de emisión, la salida del conmutador 11
está conectada por el circuito de control 10, con su segunda
entrada conectada a su vez a la salida de emisión del circuito de
control 10. El circuito de control 10 envía entonces por su salida
de emisión una información modulada alrededor de la frecuencia de la
portadora (132 kHz, por ejemplo). Esa modulación de portadora es
transmitida por el optoacoplador 12 al interruptor bidireccional 9.
Ello provoca un corte de la corriente sinusoidal primaria I a 50 Hz
por la portadora modulada, como se representa esquemáticamente en
la figura 6. Ese corte del primario de la alimentación permite, como
en el modo de espera, alimentar el circuito de control recargando
el condensador de almacenamiento C_{2}. Simultáneamente, ello
induce en el primario una ondulación de alta frecuencia, que
contiene la información objeto de transmisión por la red. La
potencia de emisión proviene entonces del consumo energético de la
alimentación por la red. Entonces es posible suprimir el
amplificador del circuito de control que era necesario en los
dispositivos de acoplamiento según la técnica anterior. La
supresión de ese amplificador permite a su vez reducir el consumo
eléctrico del circuito de control (menos de 1 W a modo de ejemplo)
y, en consecuencia, reducir la potencia y el tamaño de la
alimentación, así como el coste del dispositivo de acoplamiento.
La figura 7 ilustra un modo de realización
particular del circuito de control 10, que comporta un
microprocesador 15, conectado al aparato eléctrico 1 y a un módem
16 que suministra la información en forma modulada. El
microprocesador 15 y el módem 16 son alimentados ambos por la
tensión V o por dos tensiones suministradas por el circuito
reductor 14. El microprocesador 15 controla al conmutador 11. El
módem 15 detecta la portadora en modo de espera y desmodula la
información presente en el secundario del transformador T_{2} en
modo de recepción. Comunica esta información al microprocesador 15,
que le transmite los datos objeto de transmisión en modo de
emisión.
emisión.
El filtro selectivo 8 debe dejar pasar las bajas
frecuencias (aproximadamente de 50 Hz), así como la frecuencia de
corte (49 kHz) y las frecuencias de la banda de emisión
(aproximadamente de 132 kHz). En un modo de realización preferente
representado en la figura 8 y cuya respuesta en frecuencia se
ilustra en la figura 9, el filtro selectivo 8 no atenúa las
frecuencias inferiores o iguales a la frecuencia de corte (49 kHz) y
presenta una resonancia centrada en la frecuencia de la portadora
(132 kHz). Por el contrario, presenta una atenuación muy fuerte de
las frecuencias superiores a 150 kHz (límite superior de la banda
útil permitida en Europa para las transmisiones de corriente
portadora de bajo caudal). La frecuencia de corte en modo de espera
se ha escogido de forma que se evite la contaminación de la red con
el oscilador 13 y de forma que su componente armónico 3 (147 kHz)
sea inferior a 150 kHz y no se encuentre en la banda útil de la
señal y sea atenuado por el filtro selectivo.
El filtro de la figura 8 comporta en serie una
resistencia R_{2}, un condensador C_{4}, un circuito que
comporta en paralelo una inductancia L_{1} y un condensador
C_{5}, una inductancia L_{2} y un circuito que comporta en
paralelo una resistencia R_{3} y un circuito en serie constituido
por un condensador C_{6} y una impedancia L_{3}. A modo de
ejemplo, la respuesta de la figura 9 corresponde a un filtro en el
que:
R_{2} = 25 Ohms
C_{4} = 1 \muF
L_{1} = L_{2} = 220 \muH
C_{5} = 15 \muF
C_{6} = 47 nF
L_{3} = 8,2 \muH
R_{3} = 100 Ohms.
La invención no se limita al modo de realización
preferente descrito anteriormente. En particular, la información
puede modularse en frecuencia o por cualquier otro tipo de
modulación apropiada, en particular en fase o con una modulación
compleja, en amplitud y en fase, de tipo QPSK, por ejemplo.
El transformador T_{2} puede ser un
transformador clásico. También puede sustituirse por un
transformador piezoeléctrico. Un transformador de ese tipo,
ilustrado en la figura 10, comporta un soporte 17 de cerámica y
unas primera y segunda zonas metalizadas (18, 19) separadas, que
constituyen respectivamente el primario y el secundario del
transformador.
En todos los casos, la invención permite
optimizar las dimensiones y el coste de un dispositivo de
acoplamiento para un sistema de transmisión de corriente portadora
de bajo caudal, al mismo tiempo que se asegura un aislamiento
galvánico elevado con la red, suprimiendo uno de los transformadores
utilizados hasta ahora en los dispositivos de acoplamiento
conocidos, asegurando el transformador T_{2} a la vez la función
de alimentación y la función de acoplamiento para la emisión y la
recepción de información.
El interruptor bidireccional 9 puede, por
ejemplo, estar constituido por un transistor de tipo MOSFET montado
en un puente de diodos rápidos o por dos transistores de tipo MOSFET
o IGBT montado al revés.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante pretende únicamente servir de ayuda al lector y no forma
parte del documento de patente europea. Aunque se ha puesto un gran
cuidado en su concepción, no puede garantizarse la ausencia de
errores y la OEP declina toda responsabilidad a este respecto.
\bullet EP0967737A [0004].
Claims (5)
1. Dispositivo de acoplamiento para un sistema
de transmisión de corriente portadora de bajo caudal, que comporta
un circuito de control (10), unos medios de alimentación del
circuito de control mediante una red de corriente alterna de
distribución eléctrica (F, N) y unos medios de acoplamiento del
circuito de control a la red para la emisión y la recepción de
información modulada transmitida por corriente portadora por la red,
comportando los medios de alimentación un transformador (T_{2})
que tiene un primario conectado a la red y un secundario conectado
al dispositivo de control, dispositivo caracterizado porque
los medios de alimentación comportan un interruptor bidireccional
(9) conectado en serie con el primario, comportando el circuito de
control unos medios de detección de presencia de una portadora
conectados a los bornes del secundario, comportando el dispositivo
un optoacoplador (12) que controla el interruptor bidireccional (9)
y un conmutador (11) de tres posiciones, comandado por el circuito
de control (10), teniendo el conmutador una salida conectada a una
entrada de mando del optoacoplador (12), una primera entrada,
conectada a una salida de un oscilador (13), una segunda entrada,
conectada a una salida de emisión del circuito de control (10), y
una tercera entrada, conectada a una salida, de una tensión
continua predeterminada (V), de los medios de alimentación, estando
la salida del conmutador (11) conectada a la primera entrada en
modo de espera, de forma que define una frecuencia de corte
predeterminada de los medios de alimentación, a la segunda entrada
en modo de emisión, de forma que modula la información objeto de
transmisión, y a la tercera entrada en modo de recepción, cuando el
circuito de control ha detectado la presencia de una portadora en
modo de espera.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque los medios de alimentación comportan una
resistencia de limitación (R_{1}) y un condensador (C_{3}) en
serie con el bobinado primario.
3. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque la frecuencia de
corte es del orden de 49 kHz.
4. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la información
se modula con una frecuencia de portadora del orden de 132 kHz.
5. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el transformador
es un transformador piezoeléctrico que comporta un soporte de
cerámica (17) sobre el que se forman unas primera y segunda zona
metalizadas (18, 19), separadas, que constituyen respectivamente el
primario y el secundario del transformador.
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