Modem Red Electrica

Apéndice III
Estudios previos para el desarrollo de un
módem de red eléctrica
Tal y como se adelantó en la introducción, ésta es una solución muy interesante y por
ello ha sido objeto de algunos estudios. Cualquier dispositivo sensor o actuador remoto
necesita de una alimentación eléctrica. Salvo aquellos diseños cuyo consumo sea muy
pequeño y puedan ser alimentados con pilas, lo normal será tomar la alimentación de la
red. Pues bien, si existe la necesidad de una conexión física a la red eléctrica, parece
razonable utilizarla como medio de transmisión. El prototipo no se ha llevado a cabo
debido a que no se han resuelto los problemas de seguridad eléctrica de una forma
satisfactoria.
III.1 Introducción
En el mercado existen algunos circuitos integrados que implementan la función de
modem para red eléctrica y que se pueden utilizar para la construcción de algún
prototipo.
En la tabla 1 se detallan los mismos:
REFERENCIA FABRICANTE
DENOMINACIÓN
PRECIO
PL513/TW523
X-10 Inc.
Interfaz de línea eléctrica
----------------LM1893
National
Transceptor para línea de alimentación
18,30 €
TDA5051A
Philips
Modem para automatización doméstica
13,40 €
Tabla 1 – Dispositivos para la comunicación a través de la red eléctrica.
En cuanto a los sistemas comerciales encontrados, se puede observar lo siguiente:

El PL513/TW523 del fabricante X-10 Inc. no ha sido posible
localizarlo ni obtener la documentación técnica necesaria.

El circuito TDA5051 de Philips es una buena solución que permite la
comunicación full-duplex con un precio bastante asequible. Utiliza
una modulación ASK a 132 Khz y soporta una velocidad de
transmisión de hasta 1200 baudios. La tensión de alimentación es de
1
5V. El inconveniente que presenta es que sólo se fabrica con
encapsulado SMD y sería necesario encargar placas con el chip
montado, encareciendo así el conjunto.

El circuito LM1893 de National permite la comunicación full-duplex.
Utiliza una modulación FSK, por lo que presenta una buena
inmunidad al ruido y permite velocidades de transmisión de hasta
4800 baudios. La frecuencia de la portadora se puede seleccionar
entre 50 Khz y 300 Khz, aunque se recomienda un valor de 125 Khz.
La tensión de alimentación se admite en un margen entre 15 y 30 V.
Se fabrica con el encapsulado estándar MDIP (Molded Dual In-line
Package).
Tanto el LM1893 como el TDA5051 son dispositivos que las tiendas del sector
consultadas no tienen en stock. Es posible obtenerlos por encargo a partir de 25
unidades.
III.2 Módem para red eléctrica
Debido a la dificultad de conseguir estos circuitos, se pensó en la posibilidad de diseñar
un modem utilizando componentes discretos.
Entre los diferentes aspectos que dificultan el desarrollo de un sistema de
comunicaciones a través de la red eléctrica, el ruido presente en el canal es el más
importante. Los diferentes elementos conectados la red, como motores, lámparas
fluorescentes, reguladores a base de tiristores, apagados y encendidos de interruptores
etc., generan ruido de diferentes características, como son el ruido impulsivo y el ruido
tonal.
Para comunicar a través de la red eléctrica lo haremos modulando una señal a una
frecuencia lo suficientemente alejada de la propia de la red y de los ruidos típicos de
ésta. Para determinar la frecuencia de transmisión más adecuada sería necesario
caracterizar tanto el ruido de la red como la propia línea eléctrica. Para ello es necesario
utilizar transformadores que permitan el paso de un margen amplio de frecuencias, ya
que el osciloscopio no puede conectarse directamente a la red.
Los dispositivos que para este fin existen en el mercado realizan la modulación en
frecuencias que oscilan entre los 50 Khz y los 150 Khz, siendo usual el uso de una
2
frecuencia de entre 125 y 135 Khz. Se ha optado, a partir de estos datos, por utilizar una
frecuencia de 130 Khz considerando que los fabricantes han realizado los estudios
suficientes para determinar su adecuación, sin perjuicio de que, de una caracterización
completa del medio de transmisión, resultase más conveniente la utilización de otra
frecuencia.
Entre las diferentes modulaciones a considerar se pensó por razones de sencillez en FSK
y en ASK. La primera presenta una mayor inmunidad al ruido que la segunda a costa de
aumentar la complejidad. El modulador ASK es bastante más sencillo de implementar y
presenta la ventaja de que la información se va a transmitir en la frecuencia de modo
que estará presente la portadora para transmitir un “1” y ausente para transmitir un “0”,
por lo que las fluctuaciones en la amplitud de la señal no van a afectar a la información,
siempre y cuando se mantengan dentro de unos límites. La amplitud de la señal que se
aplicará a la red eléctrica es de 1 Vrms., que es la que aplica el fabricante Philips en la
modulación ASK que implementa el circuito TDA5051.
Al no existir una caracterización del medio de transmisión es difícil predecir la
velocidad que se va a poder alcanzar, en principio se va a suponer que es de 500
baudios. Durante la fase de pruebas se podrá corregir este valor según los resultados.
La conexión de un circuito a la red eléctrica conlleva un importante problema de
seguridad eléctrica. Trabajar con un prototipo de laboratorio en el que los terminales
están al aire con tensiones de red supone un peligro y un riesgo que es necesario
eliminar. El circuito de acoplo a la red eléctrica debe aislar la parte de transmisión de
datos de la corriente alterna de la red. Esto se hace mediante el filtrado con un simple
circuito LC. En caso de fallo de alguno de los componentes del filtro, la tensión de red
podría pasar a nuestro circuito con el consiguiente peligro de manipulación. Para poder
disponer de una adecuada seguridad es necesario intercalar un transformador de
aislamiento y separar físicamente la parte de red colocándola en un circuito aparte
debidamente aislado, de modo que el circuito que se manipula recibe la salida del
transformador de aislamiento.
3
III.2.1
Estructura de bloques del transmisor
 Figura 1 – Diagrama de bloques del transmisor.
Conceptualmente el modelo de transmisor es muy sencillo. Se dispone de un oscilador a
la frecuencia de modulación que genera una onda cuadrada. La forma de modular la
señal en banda base es mediante la conmutación ON/OFF del oscilador. A continuación
un amplificador ajustable para la adaptación de nivel de la señal y por último se filtra la
señal para que se parezca bastante a un tono puro y se inyecta en la red a través del
separador de red.
III.2.2
Estructura de bloques del receptor
 Figura 2 – Diagrama de bloques del receptor.
En recepción, la señal que llega del separador de red se filtra para dejar sólo la banda de
interés. Antes de entrar en el demodulador se procede a una adaptación de nivel. La
demodulación se realiza mediante un detector de envolvente y, por último, se hace pasar
la señal por dos inversores con histéresis (Schmitt-Trigger) para conformar la señal.
III.2.3
Estructura de bloques de un conjunto transceptor
La necesidad de disponer en un mismo punto de un transmisor y un receptor para
transmitir comandos y recibir confirmaciones o viceversa es algo bastante común.
Cuando se envía un comando a un actuador remoto es necesario que éste confirme la
recepción del mismo, ya que, de no ser así, el sistema tendría siempre una incertidumbre
sobre la ejecución o no del mismo. Tan sólo en algunos dispositivos, como pueden ser
los de telemetría con envío periódico de medidas, no se precisa de confirmación ya que
es el propio sistema el que detecta el problema cuando transcurren varios periodos sin
haber recibido la medida correspondiente.
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Como el medio es compartido por los dos sentidos de transmisión, si se quiere
implementar una comunicación full duplex será necesario multiplexar las señales.
Afortunadamente para la mayoría de las aplicaciones domóticas con una comunicación
semi-duplex es suficiente y no se requiere elevar la complejidad del sistema.
El sistema que se desea implementar va a ser semi-duplex. Las dos estructuras anteriores
tienen en común el separador de red y el filtro paso banda. Por ello, se propone
compartir estos dos módulos utilizando un conmutador electrónico que conecte
alternativamente el filtro y el separador de red a cada semicircuito.
 Figura 3 – Diagrama de bloques del transceptor semi-duplex.
III.3 Descripción del transceptor
 Figura 4 – Transceptor semi duplex para red eléctrica.
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La solución propuesta está contenida en el esquema general de la figura 3. Cada uno de
los módulos que lo forman se describen en su correspondiente apartado.
III.3.1
Módulos comunes
Los módulos compartidos por el transmisor y el receptor son el separador de red, el
filtro paso banda y el conmutador.
III.3.1.1
Separador de red
Durante el montaje y manipulación de este módulo debe ponerse especial cuidado ya
que recibe directamente la tensión de la red. Este módulo es necesario montarlo en un
circuito aparte y proceder a su aislamiento introduciéndolo en una caja de plástico o
similar.
 Figura 5 - Circuito separador de red.
El transformador es el elemento que aporta el adecuado aislamiento eléctrico al separar
físicamente la parte de red de la parte de usuario. No se trata de un transformador
convencional ya que tiene que permitir el paso de la señal modulada a 130 Khz.
También cuenta con otros elementos de protección, que son:

Un fusible de 50 mA a la entrada.

Un filtro paso alto formado por un circuito LC serie a la entrada
destinado a suprimir antes del transformador la tensión de red. La
frecuencia de corte de la red LC es:
fc 

1
2 LC
 33.85Khz
Un filtro paso alto formado por un circuito LC paralelo a la salida del
transformador con una frecuencia de corte de 107.3 Khz.

Un diodo zener de 5 V. para proteger de cualquier sobretensión de la
red que no haya sido eliminada por los anteriores filtros.
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Con todo esto el circuito es capaz de garantizar la transmisión de las señales de interés
garantizando unos niveles de aislamiento y seguridad adecuados.
III.3.1.2
Filtro paso banda
Para el filtrado paso banda se ha optado por un filtro de segundo orden (estructura de
Rausch).
 Figura 6 – Filtro paso banda.
Las características vienen dadas por las expresiones siguientes:
fc 
III.3.1.3
1
2  C R2 R3
 132.6Khz
Q
R3
2 R2 R3
5
R1  100 R2
Conmutador
Para poder compartir el filtro y el separador de red es necesario conmutar la posición
del filtro para que, en el caso del receptor, reciba la señal de la red y entregue la señal
filtrada al adaptador de nivel del receptor para su demodulación, y en el caso del
transmisor reciba la señal del modulador y la entregue al separador para su inserción en
la red. Se va a utilizar el circuito integrado CD4053 que es un switch bidireccional que
por su configuración puede usarse como conmutador de tres terminales, uno de ellos
común.
7
 Figura 7 – Diagrama de bloques del CD4053 (extraído del catálogo de National).
Este circuito va a permitir controlar el modo de funcionamiento con una única señal
TX/RX aplicada a los switches.
III.3.2
Módulos del transmisor
Los módulos de la parte de transmisión son el modulador y un adaptador de nivel.
III.3.2.1
Modulador
El modulador se ha implementado de una forma extremadamente sencilla. Se trata de un
oscilador conectado a uno de los conmutadores del CD4053, de modo que conectando y
desconectando el switch se conmuta la portadora.
El oscilador se ha implementado con un 555 en configuración aestable. Como la señal
generada es una onda cuadrada, es necesario su posterior filtrado para conseguir algo
parecido a un tono senoidal.
 Figura 8 – Modulador.
8
III.3.2.2
Adaptador de nivel
Como el 555 genera una señal con amplitud suficiente es necesario incorporar un
atenuador formado por un simple divisor de tensión variable conectado a un seguidor de
tensión.
III.3.3
Módulos del receptor
 Figura 9 – Modulador.
III.3.3.1
Adaptador de nivel
El adaptador de tensión es un amplificador no inversor con una ganancia de 30dB con
un divisor variable de tensión a la entrada. Tiene por objeto ajustar el nivel óptimo para
el detector de envolvente usado para la demodulación de la señal.
III.3.3.2
Demodulador
La demodulación se hace con un detector de envolvente basado en un rectificador de
media onda con carga RC. Para que la tensión caiga sólo un 10 % durante el tiempo de
descarga debe tener una constante de tiempo de:
 
1/ 2 f
 36 .5s
ln 0.9
Como  = RC, se han escogido los siguientes valores: R =120 K y C = 330pF, con lo
que  = 39.6 s.
El tiempo que tarda la señal en alcanzar el 10 % de su valor una vez finalizado el pulso
es:
t    ln 0.1  91 s que es el 4.5 % de la duración de un bit.
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III.3.3.3
Conformador de señal
Para la conformación de la señal se aplican dos inversores con histéresis 74LS14 para
no invertir la lógica de la señal.
III.4 Observación finales
No ha sido posible encontrar en tiendas de componentes transformadores adecuados
para el aislamiento de la línea. El Newport 76250 se podía adquirir bajo pedido mínimo
de 50 unidades. Se pensó en la posibilidad de realizar el aislamiento por filtrado pero no
parecía adecuado para unas prácticas de laboratorio debido al peligro que entrañaba.
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ÍNDICE DE CONTENIDO
APÉNDICE
III. ESTUDIOS PREVIOS PARA EL DESARROLLO DE UN MODEM PARA
RED ELECTRICA ................................................................................................. 1
III.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 1
III.2 MÓDEM PARA RED ELÉCTRICA .............................................................................................. 2
III.2.1
ESTRUCTURA DE BLOQUES DEL TRANSMISOR ............................................................................. 4
III.2.2
ESTRUCTURA DE BLOQUES DEL RECEPTOR ................................................................................. 4
III.2.3
ESTRUCTURA DE BLOQUES DE UN CONJUNTO TRANSCEPTOR ...................................................... 4
III.3 DESCRIPCIÓN DEL TRANSCEPTOR ........................................................................................ 5
III.3.1
MÓDULOS COMUNES .................................................................................................................. 6
III.3.1.1
Separador de red ............................................................................................................. 6
III.3.1.2
Filtro paso banda............................................................................................................. 7
III.3.1.3
Conmutador ..................................................................................................................... 7
III.3.2
MÓDULOS DEL TRANSMISOR ...................................................................................................... 8
III.3.2.1
Modulador ....................................................................................................................... 8
III.3.2.2
Adaptador de nivel ........................................................................................................... 9
III.3.3
MÓDULOS DEL RECEPTOR .......................................................................................................... 9
III.3.3.1
Adaptador de nivel ........................................................................................................... 9
III.3.3.2
Demodulador ................................................................................................................... 9
III.3.3.3
Conformador de señal ................................................................................................... 10
III.4 OBSERVACIÓN FINALES .......................................................................................................... 10
I