PowerLine: comunicazioni audio con la rete elettrica

LE COMUNICAZIONI POWER LINE (PLC)

Ben conosciamo le usuali reti di comunicazione a banda larga LAN wireless impieganti sistemi RF per la rice-trasmissione di immagini, film, internet, ma poco utilizziamo i meno noti sistemi di comunicazione POWER LINE (i più diffusi a banda stretta ma anche a banda larga) basati sulla comunicazione di informazioni mediante la rete elettrica che alimenta gli apparati della rete to di semplici informazioni come ad es. dati di misure, audio,  comandi di attuatori, sistemi di controllo e così via.Così un gran numero di campi può essere coperto dall’impiego del sistema di comunicazione PowerLine come mostrato in figura 1; nelle strutture residenziali, all’interno e all’esterno delle abitazioni, negli edifici industriali e commerciali. Ad esempio nelle abitazioni e nei negozi le possibili applicazioni possono essere la gestione della distribuzione dell’energia, controllo luci, gestione dei sistemi di climatizzazione, controlli remoti via internet e da telefoni, controllo dei sistemi di allarme e infine, come nel caso di questo progetto, la trasmissione e ricezione di segnali audio (voce e musica).

fig1_Scena PowerlineFig.1 Scenario delle applicazioni Powerline

 Fino ad oggi ci sono stati dei fattori che hanno rallentato l’adozione di questo sistema di comunicazione:

Il lento sviluppo delle normative internazionali

  • Il lento sviluppo delle normative internazionali
  • Alcuni vincoli tecnici relativi alla rete elettrica

Per il primo punto c’è da considerare che è obbligatorio per un sistema di comunicazioni aperto avere regole  e linee guida per garantire di non compromettere le caratteristiche della rete elettrica unitamente al mantenimento delle performance del sistema di comunicazione stesso; nell’ambiente domestico questo aspetto è più rilevante per la presenza di molti e differenti apparecchiature e case costruttrici considerando inoltre l’obbligo di adottare comuni protocolli.

Recentemente la Commissione Europea per la standardizzazione Elettrotecnica, la CENELEC, ha pubblicato o aggiornato regolamenti relativi alla installazioni di apparecchiature  elettriche a bassa tensione, in particolare le EN50065-4-2 relative ai filtri di disaccoppiamento in bassa tensione e requisiti di sicurezza, e le EN50065-7 sulle impedenze dei componenti il sistema Powerline.

Dall’anno 2000 grazie ai progressi della tecnologia e alla nascita del consorzio industriale Home Plug si assiste ai primi sviluppi delle comunicazioni PLC a velocità medio-alte destinate al mercato consumer ma non ancora supportate da un protocollo standard. Successivamente, nel 2005, dall’evoluzione Home Plug nasce l’Home Plug AV  che attualmente consente di avere PLC fino a 200Mbps con protocollo standard IEEE P1901 per le comunicazioni domestiche  diventando a tutti gli effetti agguerrito antagonista delle comunicazioni wireless 802.11.

Il secondo punto si riferisce a considerazioni sull’aspetto topologico della rete elettrica. La figura 2 rappresenta un tipico scenario dei possibili segnali presenti su una rete elettrica. A causa di bassa impedenza presente ai capi della linea elettrica, differenti tipi di disturbi, ecc., il segnale utile ricevuto si presenta con un livello basso miscelato per contro con un alto livello di rumore.

 

fig2_segn rete elettricaFig.2 Scenario dei segnali presenti sulla rete elettrica

Negli edifici residenziali gli elementi “bassa impedenza-rumore” sono rilevanti per la presenza di elettrodomestici e apparecchiature di vario tipo che rappresentano livelli elevati di segnali di disturbo, pertanto i dispositivi impiegati per le comunicazioni Power Line devono poter essere ben funzionanti e affidabili in questi critici ambienti, dalle interfacce di accoppiamento alla linea elettrica fino al circuito di alimentazione dei dispositivi stessi in considerazione anche della loro potenziale mutua influenza.

L’impedenza della rete elettrica è una importante variabile nelle considerazioni relative agli aspetti progettuali del sistema di comunicazione Power Line specialmente nelle reti residenziali. Infatti da rilievi sperimentali si è notato che l’impedenza, a causa dei carichi presenti sulla rete e per l’ impedenza dei trasformatori di distribuzione dell’energia, può variare da 1,5 ohm a 8 ohm alla frequenza di test di 100Khz. Nelle reti residenziali gli elementi che influenzano l’impedenza sono i filtri EMI che ormai troviamo nelle applicazioni home multimediali quali televisori di ultima generazione, DVD player, computer, hi-fi, modem ecc., e i motori degli  elettrodomestici quali lavatrici, frigoriferi, lavastoviglie, climatizzatori, aspirapolveri ecc., che usualmente presentano una impedenza di tipo induttivo.

La presenza di carichi resistivi può presentare una attenuazione da 2 a 50 db in funzione della relativa potenza, mentre carichi capacitivi possono provocare risonanze con le impedenze induttive provocando attenuazioni largamente variabili con la frequenza.

La figura 3 mostra l’andamento dell’impedenza di linea in funzione della frequenza secondo i test di conformità della EN50065 mediante  l’utilizzo di reti artificiali.

fig3_Impedenza linea TXFig.3 Valore dell’impedenza di linea in funzione della frequenza (fonte STMicroelectronics)

 Dunque le apparecchiature connesse allo stesso secondario del trasformatore della linea a bassa tensione a cui sono connessi anche i dispositivi adibiti alle comunicazioni Power line sono le principali fonti di generazione di segnali di disturbo o rumore. Le più rilevanti sono i Triacs utilizzati per le lampade dimmer, motori universali, alimentatori switching e lampade fluorescenti.

I Triacs generano rumore sincrono con la 50Hz di rete apparendo come armoniche della 50Hz. I motori universali si trovano nei comuni piccoli elettrodomestici e utensili di ausilio alla cucina (piccoli motori elettrici), ma su tutti questi prevalgono le luci dimmer che generano rumore aleatorio non sincrono generalmente con la 50Hz, inoltre esse sono utilizzate con più continuità rispetto alle altre applicazioni; in molti casi hanno una frequenza di lavoro o le relative armoniche ricadenti nella banda di frequenze di lavoro delle comunicazioni Power line (10Khz-150Khz), conseguentemente degradando l’affidabilità del sistema di comunicazione.

La figura 4 mostra il livello di rumore di alcune sorgenti rilevate sulla linea elettrica in funzione della frequenza.

fig4_rumore linea elettrica Fig.4 Andamento della tensione di rumore sulla linea elettrica di lampade dimmer da 100W, notebook PC, desktop PC, lampade CFL (Compact Fluorescent), lampade TLE (tricolor circle fluorescent lamp), tutte con frequenza di lavoro 50Hz e alimentazione  230Vca.

(fonte STMicroelectronics)

 

DESCRIZIONE DEL PROGETTO

 Il sistema di TRASMISSIONE-RICEZIONE AUDIO POWER LINE è costituito da due distinte parti: il TRASMETTITORE e il RICEVITORE. Il principio di funzionamento si basa sulla trasmissione di informazioni audio mediante modulazione di frequenza della portante ad alta frequenza utilizzando quale supporto fisico trasmissivo i conduttori della rete elettrica di bassa tensione a 230V. Il segnale così composto da frequenza portante e modulante audio viene applicato dal trasmettitore  alla  linea elettrica mediante il collegamento ad una qualsiasi presa elettrica a 230V, successivamente il segnale viene acquisito dalla postazione remota, il ricevitore, anch’esso collegato ad una presa a 230V, che provvede a filtrare gli eventuali  segnali interferenti e rumore di disturbo presenti sulla linea  elettrica, ad amplificare selettivamente  il segnale composto e a demodularlo estraendo il segnale audio che dopo opportuna amplificazione, viene inviato all’ingresso di cuffie o altoparlanti esterni.

 

Il Ricevitore PLC

Ricevitore PLC

Il Trasmettitore PLC

Trasmettitore PLC

Il Trasmettitore

 Il trasmettitore si compone di 5 sezioni: l’amplificatore audio, il VCO, il filtro attivo passa-basso a quattro poli, l’interfaccia di accoppiamento alla linea elettrica e l’alimentatore. Nella figura 5 è riportato lo schema elettrico completo del trasmettitore.

fig5_se tx Fig. 5 Schema elettrico TX

Il segnale audio proveniente da sorgenti esterne (dispositivi mono/stereo) presente sul connettore stereo CN1 di ingresso audio oppure dal microfono collegato alla morsettiera CN4, viene applicato all’ingresso dell’OPAMP LM358 che costituisce l’amplificatore BF che provvede ad amplificare il segnale audio di circa 10 volte. In figura 6  vediamo la sezione amplificatrice BF e relativa risposta in frequenza.

fig6_Sch Ampli BF+risp freq TXFig. 6 Amplificatore BF

 Dal grafico notiamo la massima amplificazione alle frequenze più alte (effetto enfasi) che consente in ricezione un suono più cristallino.

Il segnale così amplificato viene inviato al pin di controllo della frequenza del VCO realizzato con l’NE555 in configurazione astabile ottenendo così un un’onda quadra modulata in frequenza. La frequenza generata dal VCO regolata a 70KHz mediante il trimmer RV1 è la portante di trasmissione modulata dal segnale audio. In figura 7 lo schema della sezione VCO.

fig7_VCO TX Fig. 7  VCO

 

La portante FM a 70KHz viene poi filtrata dal filtro attivo passa-basso a quattro poli costituito dalle due sezioni dell’OPAMP U4 TCA0372 eliminando così le armoniche ad alta frequenza del segnale FM.

Il TCA0372 ha un range di frequenze di lavoro fino a 1,1 MHz ed è un operazionale di potenza in grado di erogare correnti fino a 1A garantendo così la piena funzionalità del trasmettitore  anche in situazioni di sovraccarico della linea elettrica, quindi con bassa impedenza della linea, dovuta alla presenza di carichi elevati presenti sulla rete elettrica. Il filtro è in grado di tagliare fuori segnali spuri e armoniche della portante con forti attenuazioni fuori banda come è possibile vedere nella figura 8 in cui è rappresentato lo schema elettrico del filtro e relativa risposta in frequenza.

fig8_filtro PB+risp freq TXFig. 8 Filtro attivo passa-basso

 

Nella figura 8 possiamo notare i diodi Schottky BAT85S D5-D6 posti all’uscita dell’operazionale la cui presenza è fondamentale per la protezione dell’OPAMP TCA0372 da eventuali sovratensioni veloci oltre i +12 V e sotto i 0V provenienti dalla rete elettrica. Il livello della portante modulata all’uscita del TCA0372 è di circa 10Vpp (0-10V), più che sufficiente a garantire un livello minimo in ricezione tenendo conto delle attenuazioni del segnale durante il percorso lungo la linea elettrica, ma tale da non provocare disturbi interferenti con il funzionamento delle apparecchiature ad essa collegate.

Di rilevante importanza è la sezione di accoppiamento alla rete elettrica che ha la funzione di trasferire il segnale modulato alla rete elettrica; deve rispondere ai requisiti di efficienza di accoppiamento alle rete elettrica, di ulteriore filtraggio per selettività della portante modulata e di protezione dalle sovratensioni di linea verso la circuiteria di interfaccia stessa e verso la sezione di alimentazione della circuiteria del trasmettitore. Nella figura 9 è riportato lo schema elettrico della interfaccia di accoppiamento alla rete elettrica 230V.

fig9_Accopp Linea 230V TXFig. 9 Sezione di accoppiamento alla 230V

Il collegamento dell’interfaccia di accoppiamento alla rete elettrica a 230V è del tipo fase-terra, l’accoppiamento alla linea  è realizzato con trasformatore d’isolamento. Si è scelto di adottare il collegamento fase-terra poiché sperimentalmente si è rivelato migliore rispetto al collegamento FASE-FASE  in quanto meno disturbato da interferenze, ovviamente per la corretta funzionalità del sistema il requisito essenziale è un buon collegamento a terra dell’impianto elettrico, requisito peraltro richiesto dalle vigenti normative.

Ma analizziamo il circuito.

L’uscita del filtro attivo che abbiamo descritto precedentemente si collega al primario del trasformatore TF2 PT6E. Il PT6E è un trasformatore con un primario e due secondari, di cui in questo progetto ne utilizziamo solo uno, il rapporto di trasformazione è 1:1, la banda di frequenze di lavoro è 3KHz-1MHz e questa caratteristica di banda consente una forte attenuazione alle potenziali basse frequenze  di disturbo, fra tutte la frequenza di rete 50Hz, e alle alte frequenze dei transitori, armoniche della portante, disturbi burst, rumore.

Dal secondario di TF2 il segnale del TX viene filtrato dal filtro passivo passa-banda costituito da L1-C9 centrato a 70KHz, la cui selettività comporta di attenuare le frequenze agli estremi della banda audio utile centrata sulla portante a 70KHz. Il transil D3 1V5KE12CA  in parallelo al filtro L-C e al secondario di TF2 shunta i picchi di tensione positivi e negativi superiori a 12V provenienti dalla rete 230V proteggendo così il trasmettitore. Nella figura 10 possiamo vedere la risposta in frequenza all’uscita dell’interfaccia di accoppiamento. Si noti nel grafico la massima ampiezza centrata sulla frequenza portante a 70KHz con banda +/- 20KHz circa a -3db dal livello massimo che garantisce l’escursione delle frequenze della modulante audio. Osserviamo inoltre che la frequenza di rete 50Hz è attenuata rispetto al livello massimo utile di circa 70db e ciò comporta un’ottima reiezione dei disturbi provocati dalla frequenza di rete verso il trasmettitore.

fig10_Risposta filtro+interf TX  Fig. 10 Risposta in frequenza dell’interfaccia di accoppiamento

 L’interfaccia di accoppiamento prevede inoltre un filtro passivo stop-banda L2-C24-R19 che provvede ad attenuare selettivamente le frequenze di funzionamento del trasmettitore il cui livello potrebbe danneggiare i circuiti di alimentazione del TX stesso.

L’alimentazione a +12V del Trasmettitore viene realizzata dalla sezione alimentatore costituita dal regolatore integrato U3 MC7812 in grado di erogare una corrente fino a 1A. E’ importante il filtraggio in ingresso dell’alimentatore mediante l’elettrolitico C16 da 1000uF per shuntare residui di bassa frequenza provenienti dalla rete.

 

Il ricevitore

 Il ricevitore si compone di quattro parti: la sezione di accoppiamento alla 230V, la sezione di amplificazione e demodulazione FM, la sezione amplificatrice audio e l’alimentatore. Nella figura 11 lo schema elettrico del ricevitore.

fig11_se rx  Fig. 11 Schema elettrico del ricevitore

 

Come nel trasmettitore anche nel ricevitore riveste un ruolo fondamentale la sezione di accoppiamento alla rete di bassa tensione 230V. Infatti il filtro passa-banda passivo costituito da C30-L5 unitamente al trasformatore PT6E TF1 realizzano il filtraggio delle frequenze fuori banda del segnale FM composto dalla frequenza portante e modulante audio; nel grafico di figura 12 è riportato lo schema elettrico della sezione di accoppiamento alla linea.

fig12_Accopp Linea 230V RXFig. 12 Sezione di accoppiamento alla linea 230V

 

I diodi Schottky BAT85S D1-D2 proteggono la sezione amplificatrice e di demodulazione FM da sovratensioni veloci provenienti dalla linea 230V.

Nel grafico di figura 13 possiamo vedere la simulazione della risposta in frequenza della sezione di accoppiamento.

 fig13_Risposta filtro+interf RX Fig. 13 Risposta in frequenza della sezione di accoppiamento linea 230V

 

E’ da notare la forte attenuazione fuori banda e in particolare quanto la frequenza di rete 50 Hz  risulti attenuata di oltre 60 db rispetto al livello massimo e la banda a -3 db pari a circa  – 20KHz/+30KHz rispetto al centro banda  corrispondente  alla portante 70 KHz.

Il filtro stop-banda costituito da L6-C31-R14 impedisce che il segnale modulato vada ad interferire con il circuito di alimentazione  con conseguenze di malfunzionamento del ricevitore.

Nella figura 14 è riportato la risposta in frequenza del segnale modulato FM in uscita dal transistor  amplificatore T1. Come si nota il guadagno dell’amplificatore è di circa 12 db e la selettività dell’amplificatore grazie al circuito risonante LC  L4-C22 consente un ulteriore taglio delle frequenze fuori banda utile.

 fig14_Risp Amplif RX

 Fig. 14 Risposta in frequenza dell’amplificatore

 

In figura 15 è riportata la simulazione dell’analisi spettrale del segnale FM, portante 70KHz modulata da un segnale campione in banda audio 8KHz e indice di modulazione 0,5,  presente all’ingresso della sezione di demodulazione FM costituita dal circuito integrato SA615. Si noti la frequenza portante 70KHz con le due righe laterali rappresentanti la modulante 8KHz e le relative armoniche distribuite via via con livello decrescente.

 fig15_Spettro FM RX

 Fig. 15 Analisi spettrale del segnale FM

 Il cuore del ricevitore è l’integrato ad alte prestazioni e bassa potenza U1 SA615 composto da mixer RF,  oscillatore RF, amplificatore/limitatore IF,  rivelatore in quadratura e muting. In figura 16 è riportato lo schema a blocchi dell’integrato.

fig16_SA615 RX Fig. 16 Schema a blocchi SA615

 In questo progetto SA615 viene utilizzato per amplificare, limitare  e demodulare il segnale FM proveniente dall’amplificatore selettivo T1, infatti, come vediamo dallo schema elettrico del ricevitore, il segnale FM entra nell’amplificatore IF (pin 18) la cui uscita (pin 16) passa attraverso il filtro passa-banda a Pi greco composto da L1-L2-C10-C11-C12, poi dal filtro all’amplificatore/limitatore (pin 14) e da questo al demodulatore FM che estrae il segnale audio in banda base privo della portante 70KHz per inviarlo agli amplificatori audio U2-U4 LM386 (pin 8); il segnale audio così amplificato viene reso disponibile agli altoparlanti destro e sinistro o alle cuffie stereo se collegate al connettore CN2.

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