اتصال کوتاه

.

.

مداری که در اینجا معرفی می‌شود، به سازنده‌ی آن اجازه می‌دهد که از راه دور یک وسیله‌ی برقی متصل به برق شهری در هر جای خانه یا محل کار را کنترل کرده و به آن فرمان دهد. این نوع سامانه‌ها را «مخابرات خط نیرو» (Power Line Communication = PLC) می‌خوانند.

در فن‌آوری مخابرات خط نیرو یک مدار الکترونیکی که مانند یک فرستنده عمل می‌کند، به پریز برق شهر (خط نیرو) زده می‌شود و یک سیگنال حاوی اطلاعات را که روی یک فرکانس زیاد مدوله و سوار شده است، به خط نیرو تزریق می‌کند. مدار دیگری که مانند یک رادیوی گیرنده کار می‌کند، و به همان خط نیرو، اما در مکانی دیگر، وصل است، علایم مذکور را دریافت کرده، آن را آشکارسازی یا «دمدوله» می‌کند و داده‌های فرستاده شده از فرستنده را برای مقصود مورد نظر به کار می‌گیرد و هدف نهایی از ارسال علایم تحقق پیدا می‌کند.

دستگاهی را تصور کنید که به پریز اتاق نشیمن زده شود و با فشار دادن دکمه‌ی روی آن به دستگاه دیگری در اتاق خواب یا در باغچه یا در آشپزخانه فرمان دهد. به نظر جالب می‌رسد، و واقعاً هم این یک ایده‌ی قدیمی اما کارآمد است که به کاربر امکان مخابره‌ی سیگنال در فاصله‌ی اتاق‌های منزل را با استفاده از یک فرستنده و گیرنده می‌دهد که به برق منزل متصل است و علایم خود را روی سیم‌کشی برق شهری منتشر می‌کند.

در این نوشتار در مورد چند مدار ساده‌ی مخابرات خط نیرو  صحبت می‌کنیم که می‌توانند برای کنترل و فرمان وسایل برقی در محدوده‌ی خانه یا محل کار توسط یک جفت گیرنده و فرستنده‌ی متصل به شبکه‌ی برق به کار گرفته شوند.

.

فرستنده‌ی مخابرات خط نیرو

در ساخت مدار اول که در زیر ملاحظه می‌شود، از افزاره‌های معمول مانند ترانزیستور، مقاومت، خازن و دیود استفاده شده است. بیایید ابتدا در مورد مدار فرستنده و جزییات طرز کار آن چیزهایی بیاموزیم. مدار یک فرستنده‌ی ساده در تصویر زیر دیده می‌شود.

.

.

مدار فرستنده‌ی مخابرات خط نیرو دربردارنده‌ی یک طبقه‌ی نوسان‌گر با استفاده از ترانزیستورهای 2 و3 است که روی فرکانس کار 150 کیلوهرتز تنظیم شده است. فرکانس این نوسان‌گر توسط یک مولتی‌ویبراتور مونواستابل، که در پیرامون ترانزیستور 1 از نوع BC557 طرح‌ریزی شده، تولید می‌گردد.

این مونواستابل از کلید S1 فرمان روشن و خاموش خود را می‌گیرد. دیودی که در مسیر این کلید قرار داده شده، فقط به نیم‌سیکل‌های منفی برق شهر اجازه‌ی عبور می‌دهد. در طول حضور این نیم‌سیکل‌ها ترانزیستور تیپ مثبت 1 به حالت هدایت می‌رود و مدولاسیونی روی فرکانس تولیدی توسط ترانزیستورهای 2 و 3 ایجاد می‌کند. سپس این فرکانس 150 کیلوهرتزی مدوله شده از طریق ترانسفورماتور 2 که به آن «ترانس کوپلاژ» می‌گوییم به سیم‌کشی ساختمان وصل می‌شود. این ترانس در گوشه‌ی پایین سمت راست مدار دیده می‌شود.

با ورود علایم مدوله‌ی 150 کیلوهرتزی به شبکه‌ی برق، این علایم یا سیگنال‌ها در طول سیم‌کشی‌های مرتبط انتشار پیدا می‌کنند و به گیرنده‌ای که در فاصله‌ای دور به همین سیم‌کشی‌ها وصل است می‌رسند.

.

گیرنده‌ی مخابرات خط نیرو

در تصویر زیر مدار شماتیک گیرنده‌ی مخابراتی خط نیرو دیده می‌شود.

.

.

مدار گیرنده با یک طبقه تقویت‌کننده شامل ترانزیستورهای 1 و 2، یک مدار یکسوساز شامل دو دیود 1N4148 و مدار صافی با ثابت‌زمانی طولانی ساخته شده است.

تاخیری که بر اثر این ثابت‌زمانی طویل رخ می‌دهد، اثر اختلالی پالس‌های لحظه‌ای مزاحم را حذف می‌کند تا دستگاه هر اختلالی را که معمولاً روی خط نیرو بسیار فراوان است، با سیگنال فرستنده اشتباه نگیرد و عمل نکند. فرکانس 150 کیلوهرتز از طریق ترانسفورماتور 2 که در این‌جا هم به آن «ترانس کوپلاژ» می‌گوییم به مدار وارد می‌شود. دامنه‌ی این سیگنال توسط دو دیود موازی 1N4148 که معکوس هم بسته شده‌اند، در حد 0/7 ولت محدود می‌گردد تا به پایه بیس ترانزیستور ورودی آسیبی وارد نشود. سیگنال ورودی پس از این که به خوبی فیلتر شد، وارد طبقات تقویت‌کننده و آشکارساز می‌شود. طبقه‌ی یک‌سوساز که از دو دیود 1N4148 دیگر و یک خازن الکترولیت 10 میکروفاراد تشکیل یافته، فرکانس 150 کیلوهرتز ورودی را به یک ولتاژ ثابت مستقیم تبدیل می‌کند. از این ولتاژ برای راه‌اندازی ترانزیستور فرمان رله (ترانزیستور 3) استفاده می‌شود.

رله را مدار فرمان رله به حالت گیرش یا رهایش می‌برد و وسیله‌ای که به کنتاکت‌های رله وصل باشند، با این فرمان روشن و خاموش می‌شوند. در واقع، از لحظه‌ای که کلید 1 در فرستنده زده می‌شود و در این حالت باقی می‌ماند، رله در گیرنده هم جذب می‌کند. با رها کردن کلید 1 در فرستنده، رله در گیرنده هم رها می‌کند و کنتاکت‌های آن تغییر حالت می‌دهند.

در صورتی که همسایه‌ی شما هم چنین مدار فرمان از دوری در اختیار داشته باشد، برای جلوگیری از دریافت فرمان اشتباهی، ممکن است لازم باشد حساسیت مدار گیرنده‌ی خودی را کاهش داد. این کار با تنظیم دقیق پتانسیومتر 1 کیلواهمی انجام می‌گیرد.

.

ساخت

هشدار ایمنی: در قسمت‌هایی از این مدارها ولتاژ برق شبکه 220 ولت وجود دارد. بنابراین به شما اکیداً توصیه می‌شود این دستگاه‌ها را نسازید. اما اگر به مسوولیت خودتان آن‌ها را ساختید، در تمام مراحل از راهنمایی و نظارت یک فرد متخصص و باتجربه در زمینه‌ی برق استفاده کنید. در غیر این صورت، این دستگاه‌ها را نسازید!

این مدارها را می‌توان روی «ویروبورد» (فیبر هزارسوراخ) مونتاژ کرد. به علت وجود برق 220 ولت در مدارها، آن‌ها را حتماً باید در جعبه‌های تمام پلاستیکی نصب نمود. به استثنای دو مورد، همه‌ی قطعات استاندارد و فراوان هستند: اولی خازن‌های 1/5 میکروفاراد هستند که بجای آنها می‌توانید دو خازن 3/3 میکروفاراد 50 ولتی را سری ببندید یا به سادگی از خازن 2/2 میکروفارادی استفاده کنید. تولرانس خازن‌های الکترولیت معمولاً خیلی زیاد است و این تفاوت‌های اندک را پوشش می‌دهد. دومین افزاره‌ی غیراستاندارد ترانسفورماتورهای کوپلاژ فرکانس بالا هستند. این ترانسفورماتور در گیرنده و فرستنده مشابه است و وظیفه‌ی آن تزریق و برداشت سیگنال 150 کیلوهرتزی به و از شبکه‌ی برق است. این ترانس روی یک فریت قابلمه‌ای به قطر 20 میلی‌متر ساخته می‌شود. برای سمت 220 ولت آن 20 دور سیم لاکی 0/20  تا 0/30 میلی‌متر، و برای پیچش سمت الکترونیک 40 دور از همان سیم، همگی روی هم‌دیگر، پیچیده می‌شود.

.

مدارهای حرفه‌ای

در طراحی‌های بالا از مدارهای ساده‌ای استفاده شده است که ممکن است بر اثر سیگنال‌های غریبه‌ای با فرکانس‌های نزدیک به فرکانس کار آن‌ها، یعنی فرکانس‌هایی در بازه‌ی 140 تا 155 کیلوهرتز دچار اختلال و خطای کارکرد شوند و تجهیز کنترل شونده توسط آن‌ها بی‌جهت و ناخواسته قطع و وصل شود. بنابراین قابلیت اعتماد به این مدارها در کارهای مهم و جدی و یا خطرناک مطلوب نیست.

برای رسیدن به دقت بالا در تعیین فرکانس سیگنال و پاسخگویی فقط به سیگنال فرستنده‌ی خودی، مدار یک گیرنده را که بر اساس یک آی.سی. PLL طراحی شده است در ادامه معرفی می‌کنیم.

.

مدار گیرنده‌ای با آی.سی. LM567

طرز استفاده از این مدار مجتمع در «داده‌برگ» آن به عنوان یکی از کاربردهای این آی.سی. در کنار کاربردهای دیگر آمده است.

آی.سی. LM567 در واقع برای تشخیص و «آشکارسازی تُن» (Ton Decoder) با استفاده از فن‌آوری «حلقه‌ی قفل شده‌ی فاز» (PLL) عرضه شده است و دستگاه را قادر می‌سازد که فقط و فقط یک فرکانس مشخص را که توسط مقدارهای ظرفیتی و اهمی یک شبکه‌ی خازن و مقاومت تعیین و انتخاب شده است، پیدا کرده و به آن پاسخ دهد و تمام فرکانس‌های دیگر، از جمله فرکانس‌های نزدیک به مقدار مطلوب را ندیده بگیرد و رد کند.

.

.

جزییات چگونگی کارکرد این مدار را در ادامه توضیح می‌دهیم.

مقاومت 1 و خازن 1 شبکه‌ی مقاومتی-خارنی را تشکیل می‌دهند که فرکانس کار آی.سی. 567 را تعیین می‌کند. پایه‌ی 3 این آی.سی. پایه‌ی ورودی و تشخیص دهنده‌ی فرکانس است، به این معنا که این پایه فقط فرکانسی را که توسط شبکه‌ی مقاومت 1 و خازن 1 روی آن تنظیم شده، کشف کرده و تشخیص می‌دهد. به عنوان مثال، با مقادیر داده شده روی شماتیک بالا، این فرکانس 100 کیلوهرتز است و پایه‌ی 3 آی.سی. فقط و فقط این فرکانس را برای فعال کردن خروجی برمی‌گزیند و همه‌ی سیگنال‌های دیگری را که در حدود و نزدیکی این فرکانس باشند، نادیده می‌گیرد و ردّ می‌کند.

این ویژگی آی.سی. ما را قادر می‌سازد که فرکانس مطلوب را از فرکانس 50 هرتز برق شهر که بر آن سوار شده نیز جدا کند و خروجی مدار را در فرکانس از پیش تعیین شده به کار اندازد.

در مدار شماتیک یک ترانس کوپلاژ با نسبت دور اولیه و ثانویه مساوری (1:1) پیش‌بینی ده است تا مدار را از ولتاژ کُشنده‌ی 220 ولت جدا کند.

فرکانس کم برق شهر همانند «موج حامل» عمل می‌کند که فرکانس بالای فرستده را در طول خطوط برق (خط انتقال) به سوی مقصد حمل می‌کند.

در مدار گیرنده‌ی بالا، آی.سی. روی 100 کیلوهرتز تنظیم شده است و فرض شده که این فرکانس از جایی در نزدیکی آن در اتاق بغلی یا از طبقه‌ی بالا به شبکه‌ی برق تزریق می‌شود.

این فرکانس 100 کیلوهرتزی می‌تواند از طریق هر مدار نوسان‌گری، مثلاً از یک آی.سی. 555 یا یک آی.سی. 4047 یا حتی از یک 567 دیگر که به صورت مولد سیگنال بسته شده باشد، به خط برق تزریق شود.

در لحظه‌ای که سیگنال تزریق شده به شبکه برق در محدوده‌ی نزدیک به گیرنده برسد، مدار بالا فرکانس آن را کشف کرده و کشف خود را با قرار دادن پایه‌ی 8 خود در تراز منطقی صفر اعلام می‌کند.

آی.سی.  4017 که به صورت فلیپ-فلاپ بسته شده، سیگنال پایه‌ی 8 آی.سی. 567 را دریافت می‌کند و حالت رله را تغییر می‌دهد و بار متصل به کنتاکت‌های رله را، بسته به حالت قبلی آن، روشن یا خاموش می‌کند.

.

فرستنده

بهترین نوع فرستنده‌ای که برای تزریق 100 کیلوهرتز یا هر فرکانس مطلوب دیگری به شبکه‌ی برق می‌تواند در نظر گرفته شود، یک مدار نوسان‌گر پل نیم موج (Half Bridge Driver Oscillator Circuit) است. چنین مداری در شماتیک زیر دیده می‌شود.

.

.

در این مدار باید روی خط مثبت 12 ولت یک کلید فشاری تعبیه شود تا به وسیله‌ی آن فرستنده در مواقع ضروری برای زمان کوتاهی روشن شود.

مدار تنظیم فرکانس خازنی-مقاومتی به پایه‌های 2 و 3 آی.سی. نوسان‌گر وصل می‌شود. مقادیر داده شده روی شماتیک برای تولید فرکانس 100 کیلوهرتز نیستند. برای تعیین فرکانس نوسان مورد نظر باید از فرمول زیر استفاده کرد:

.

.

در این فرمول مقدار خازن بر حسب فاراد و مقاومت بر حسب اهم و فرکانس به هرتز است.

نکته‌ی آخر این که این مدار توسط نگارنده ساخته نشده و بر اساس داده‌برگ آی.سی. LM567 طراحی شده است. این آی.سی. را می توان در فرکانس‌هایی تا 500 کیلوهرتز مورد استفاده قرار داد. در بسیاری از کشورهای اروپایی فرکانس مجاز برای چنین مصارفی در بازه‌ی 140 کیلوهرتز تا 5/148 کیلوهرتز  و با دامنه‌ی 116 دسی‌بل بر اساس میکروولت (116dbµV) قرار دارد. رعایت این مقررات ضرورت دارد تا به طور ناخواسته بخاری برقی همسایه را روشن نکنیم و خانه‌ی او را به آتش نکشیم.

.

.

مطالب مرتبط:

.

.

.