Altri aspetti

4.3.1 Variazione dell'impedenza

La caratterizzazione dell'impedenza è importante nella realizzazione di sistemi plc, in quanto determina il punto in cui il trasmettitore lavora e nel quale il ricevitore estrae il segnale.

L'impedenza delle reti in bassa tensione dipende fortemente dal punto di misurazione, ciò è dovuto al fatto che la rete di potenza è una rete di distribuzione, col trasformatore MT/BT come forza motrice e diversi carichi connessi in parallelo.

Da questo si deduce che l'impedenza di canale è una grandezza fluttuante, dipendente dai carichi specifici che sono connessi alla rete in un determinato momento e con un andamento crescente all'aumentare della frequenza.

Figura 4.20: Andamento dell'impedenza in funzione della frequenza [20]

Nonostante ciò diversi studi ne hanno comunque determinato un range operativo compreso tra 0 e 80Ω e l'hanno ottenuta come il risultato di tre contributi: l'impedenza del trasformatore di medio/bassa tensione, l'impedenza caratteristica del cavo usato e l'impedenza dei dispositivi collegati alla rete.

Dallo studio del primo contributo si ha una conferma della dipendenza dalla frequenza, che però tende a diminuire per i trasformatori più grandi.

Senza il trasformatore le varie fasi sono accoppiate, trovandosi in un flusso dei segnali che va da una fase all'altra, ciò significa che in principio si può trasmettere un segnale tra le fasi senza usare circuiti di accoppiamento tra di esse.

Per quanto riguarda l'impedenza caratteristica del cavo è più difficile effettuare una previsione per via della grande varietà di cavi impiegati, ma le capacità dei cavi sono minori di quelle dei trasformatori, quindi i cavi si possono rappresentare come una connessione in serie di resistenze e induttanze, con un valore dell'impedenza che si colloca tra 70 e 100Ω.

L'impedenza dei dispositivi elettrici utilizzati nelle abitazioni con voltaggi di 220V varia tra gli 800Ω di una lampadina da 60 W e i 35Ω di un'aspirapolvere con potenza di 1400W,

L'impedenza complessiva è il risultato di tutti i carichi della rete connessi in parallelo, quindi le impedenze più basse assumono un ruolo di rilievo in essa.

Una bassa impedenza causa alti valori di attenuazione(100dB/Km) e porta a disallineamenti tra le impedenze del trasmettitore, del ricevitore e del canale, inoltre la sua dipendenza temporale contribuisce all'attenuazione rendendola anch'essa tempo-variante. Per via dell'alta attenuazione è necessario l'impiego di ripetitori a distanze di meno di 1Km, con un livello di potenza compreso tra 40 e 60W.[20] [50]

4.3.2 Modelli di canale e circuito equivalente plc

Dal momento che i parametri del canale variano con il tempo, la frequenza e il carico, non è semplice determinare un modello di canale accurato; di seguito si riportano in figura i modelli proposti da Dostert e Onuga/Donaldson.

In questo secondo schema la funzione di trasferimento H(f) varia per riflettere i cambiamenti nel carico, A(t) rappresenta il fading spesso periodico, mentre B indica il livello di fading del rumore relativo al segnale.[50]

Figura 4.21: Modello di canale di sistemi lineari(Dostert) [50] e Figura 4.22: Modello di canale con rumore(Onuga/Donaldson) [50]

La figura sottostante mostra il circuito equivalente per le powerline proposto da Downey/Sutterlin, dove queste vengono rappresentate come un circuito R-L-C, anche se spesso la capacità non viene considerata essendo trascurabile, riducendo il circuito ad una serie tra una resistenza dipendente dalla frequenza e un'induttanza costante: Z=R(f)+sL.

Figura 4.23: Circuito equivalente powerline(Downey/Sutterlin) [20]

La formula dell'impedenza caratteristica è Zc=√(L/C), utilizzando cavi 12-2BX con 30 piedi di lunghezza e i seguenti valori: L=3,6uH, C=690pF, R=0,3Ω, Zc risulta pari a 74Ω circa.

Il significato di ciò è che il circuito avrà un comportamento dipendente dall'impedenza di carico in cui termina, ossia sarà induttivo se termina con una bassa impedenza mentre sarà capacitivo se termina con un'alta impedenza.

Si può notare anche che si comporta come un divisore di tensione, sia con i carichi connessi che con l'attenuazione crescente con la frequenza sopra i 100KHz.

La potenza del segnale al ricevitore è massima quando le impedenze di trasmettitore e ricevitore sono accoppiate, per cui è importante studiare i metodi di accoppiamento per ottimizzare il trasferimento dell'informazione.[20]

4.3.3 Metodi di accoppiamento

L'applicazione di un segnale plc su un segnale di potenza implica che la circuiteria di potenza e di accoppiamento debbano essere attentamente designate e interfacciate per avere compatibilità tra i due sistemi che operano in condizioni opposte.

I sistemi di potenza lavorano con basse frequenze e alti valori di tensione, corrente e potenza, mentre i sistemi di comunicazione presentano bassi valori di queste grandezze e operano ad alte frequenze.

Esistono due categorie principali di accoppiamento:

 Modalità differenziale: il cavo di linea è usato come primo terminale, mentre il neutro come secondo;

 Modalità comune: il cavo di linea e il neutro vengono combinati a formare un terminale, mentre per il secondo si ricorre al cavo di terra.In teoria non si potrebbe eseguire visto che il neutro e la terra sono connessi al trasformatore, ma in pratica l'induttanza tra i punti di accoppiamento e il punto di corto-circuito permettono di aggirare il problema.Il rendimento è fino a 30dB più alto rispetto a quello della modalità differenziale, anche se in molti paesi per evitare potenziali danni è permesso solo se la corrente di input non supera il limite di 30mA, fissato per la protezione dei dispositivi che si usano in BT.

In una rete di potenza bi-tri fase entrambe le modalità si possono realizzare in parallelo per tutte le fasi allo stesso tempo; quando queste sono disponibili al trasmettitore ciò è meglio che affidarsi all'accoppiamento tra un trasformatore e un dispositivo con più di una fase.

Per l'implementazione fisica ci sono due metodi di accoppiamento: quello capacitivo, in cui l'accoppiamento spetta ad una capacità col segnale modulato su un'onda di tensione e quello induttivo, dove un'induttanza accoppia il segnale ad un'onda di corrente.

L'accoppiamento induttivo perde fino a diversi decibel, ma evita connessioni dirette alla rete che lo rendono più sicuro e più facile da installare, inoltre spesso viene preferito all'accoppiamento capacitivo perché offre performance migliori nelle situazioni di bassa impedenza, una minore irradiazione e una maggiore semplicità d'uso.

Impiega anelli di ferrite che agiscono da trasformatori per l'inserimento del segnale nella rete, con la scelta della ferrite che dipende dalle frequenze di cut-off di questa, dal rapporto di corrente nell'anello e da un diametro inferiore.

Delle capacità vengono utilizzate per ridurre l'impedenza nel punto di accoppiamento, andando ad aumentare l'efficienza e a limitare la propagazione del segnale in direzioni sbagliate.

L'accoppiamento capacitivo invece realizza un'operazione di filtraggio di tipo passa-alto, con una tipologia di elettronica facile e compatta da disegnare.

Entrambi i tipi di accoppiamento presentano dei vantaggi e non se ha quindi uno preferenziale, spesso nelle applicazioni pratiche si realizza una combinazione di entrambe le tecniche.[50] [51]