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Projekt Blindstrom-Modulator

Februar 2010, Peter Märki

Das Projekt Blindstrom-Modulator ist noch in der Entstehung.
Idee Datenübertragung über das Stromnetz mit Blindstrommodulation.

Der Blindstrom wird mit einem Kondensator erzeugt. Es wird daher keine Wirkleistung verbraucht.

Durch zeitweises Zuschalten des Kondensators wird der Blindstrom moduliert. Der Blindstrom bewirkt eine Phasenverschiebung der Netzspannung. Diese Phasenverschiebung kann vom Empfänger detektiert werden. Die Zu- oder Wegschalten vom Kondensator erfolgt z.B. alle 200 ms. Es wird ein Periodisches Bitmuster aufmoduliert. Durch Kreuzkorrelation kann im Empfänger "aus dem Rauschen gefiltert werden".

Vorteil
  • Es wird keine Wirkleistung verbraucht.
  • Die Übertragung über das Stromnetz wird nahezu nicht gedämpft weil mit Netzfrequenz gearbeitet wird und Transformatoren bei 50 Hz perfekt übertragen.
  • Die Detektion der Phasenlage ist mit minimalem Aufwand möglich.
  • Das Zu und Wegschalten des Kondensators ist mit minimalen schaltungstechnischem Aufwand möglich.
  • Die Nachregelung der Stromproduzenten dürfte durch meinen kleinen Blindstrom nicht beeinflusst werden. Die Rotationsmasse der Generatoren dürfte die Phasenlage stabilisieren. Ich arbeite daher vermutlich einfach gegen die Netzimpedanz.
Nachteil
  • Die Störsignale sind im benutzten Frequenzband sehr gross. Alle Lasten welche zu und abgeschaltet werden verursachen eine Phasenverschiebung. Die Netzfrequenz ist zudem nicht stabil. Über die Netzfrequenz wird im Netzverbund die Stromproduktion geregelt.
  • Das zu und Wegschalten des Kondensators im Sender geschieht optimalerweise im Takt der Netzspannung. Der Takt mit welchem der Kondensator geschaltet wird ist daher sehr langsam.
  • Die Datenübertragungsrate wird sehr klein sein. 1 Bit pro Minute oder pro Stunde? Ich möchte probieren mit 10 A Blindstrom über eine möglichst grosse Distanz Daten zu übertagen.
Ziel Mich nimmt es einfach Wunder wie sich die Sache "anfühlt". Im besten Fall könnte das Prinzip in  der Art der heutigen Rundsteuerungen verwendet werden. Die Datenübertragungsrage bei den Rundsteuerungen ist nicht besonders kritisch.

 

Auf dieser Seite werde ich laufend vom Stand der Versuche berichten.

Frage Kennt jemand eine Solche Anwendung oder einen Solchen Aufbau oder hat jemand dazu eine Idee: über Feedback würde ich mich freuen.
Unterlagen

Sender

Erste Impressionen vom Sender. Klick: Grossformat
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Halbleiterrelais. Klick: Grossformat
Kondensator 150 uF. Klick: Grossformat
Schutzwiderstand (zum Entladen vom Kondensator). Klick: Grossformat
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Emfpänger

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Ein alter Prototyp wurde dazu umgestaltet. Klick: Grossformat
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Erste Erfahrungen Sender

Ich kniehe unter dem Tisch und nehme den Sender erstmals in Betrieb. Mein Respekt ist gross.

Nach dem Einschalten vom Halbleiterrelais surrt es gemütlich (etwa so wie ein lauter Transformator).

Ich schliesse das Oszilloskop an und mit einem Funktionsgenerator schalte ich das Halbleiterrelais periodisch.

"Zschsch krrz"
Ein RM1A23D25 Halbleiterrelais verabschiedet sich mit einem grässlichen Geruch nach Chloroform und Zyankali.

Die kurze Zeit als es noch funktionierte, habe ich auf dem Oszilloskop noch gesehen, dass der Kondensator nach dem Ausschalten jeweils auf 170 V entladen wurde. Von der Funktion her hätte ich erwartet, dass das Relais beim Strom-Nulldurchgang ausschaltet und der Kondensator entsprechend auf ca.  225 V geladen sein sollte.

Fehlersuche: Klick: Grossformat
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Schutzschaltung herausgezeichnet. Klick: Grossformat
Der Varistor über dem Ausgang vom Halbleiterrelais ist abgeraucht.

 

Vermutung: Der Varistor war vermutlich falsch dimensioniert: zu tiefe Spannung. Wegen dem grossen Lastkondensator müsste das Halbleiterrelais eine Spannung von 2 * 230 V * Wurzel(2)  = 510 V ertragen können. Weil die Spannung vom Varistor zu tief war, wurde de Kondensator nach dem Ausschalten bei der nächsten Halbwelle auf 170 V entladen. Das periodisch wiederholt ergab eine zu grosse Belastung für den Varistor.

 

Kein besonders gutes Urteil für das Halbleiterrelais von Carlo Gavazzi. Für kapazitive Lasten definitiv nicht geeignet.

 

Ich evaluiere als Nachfolgemodell: RM1A48D50.

 

Höhere Spannungsfestigkeit von Nominal 530 VAC (750V Peak, berechnet), das müsste genügen und höhere Stromfestigkeit (Rep. Overload125 A AC rms) für alle Fälle. Zusätzlich werde ich den Ausgang mit Varistoren 670V DC schützen (wegen der kleinen Serieinduktivität von 5 uH).


Zweite Erfahrungen  Sender

Mit dem neuen Halbleiterrelais ist die Schaltung langlebiger.

 

Klick: Grossformat
Potentialfreie Spannungsmessung. Klick: Grossformat
Funktionsgenerator. Klick: Grossformat
Messung:
  • CH1: Netzspannung 100V/DIV
  • CH2: Spannung am Kondensator 150 uF, 100V/DIV

Einschaltvorgang: Der Kondensator ist noch fast ganz geladen. Sobald die Netzspannung genügend hoch ist (und damit die Spannung über dem Halbleiterrelais genügend klein) wird eingeschaltet. Dann laufen die beiden Spannungen deckungsgleich weiter.

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Einschaltvorgang bei negativ geladenem Kondensator.
  • CH1: Netzspannung 100V/DIV
  • CH2: Spannung am Kondensator 150 uF, 100V/DIV

 

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Ausschaltvorgang.
  • CH1: Netzspannung 100V/DIV
  • CH2: Spannung am Kondensator 150 uF, 100V/DIV

 

Sobald der Kondensator maximal geladen ist (und der Strom minimal ist) schaltet das Halbleiterrelais aus.

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Spannung über Kondensator.

 

  • CH2: Spannung am Kondensator 150 uF, 100V/DIV

Der Kondensator wird für etwas mehr als 2 Netzperioden eingeschaltet.

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Impulspakete von 100 ms Länge wie ich sie mir für den definitiven Betrieb vorstelle:
  • CH2: Spannung am Kondensator 150 uF, 100V/DIV

 

Klick: Grossformat
Messung von Spannung und Strom:

 

  • CH2: Spannung am Kondensator 150 uF, 100V/DIV
  • CH2: Strom durch Kondensator 150 uF, 10A/DIV

Der Strom beträgt also ca. 18 A peak.

 

Der Nulldurchgang vom Strom sieht nicht so schön aus. Dir Tyristoren vom Halbleiterrelais werden offenbar bei jedem Nulldurchgang neu gezündet.

Klick: Grossformat
Beispiel mit Impulspaketen von 100 ms Länge. Klick: Grossformat
Kurzfilm, Surren hörbar. 20100220_142750_blindstrommodulator_schnitt.avi (28 MB)
Ich messe noch die Phasenlage gerade bei meiner Steckdose wo ich den Sender eingesteckt habe: Die Phase wird beim Einschalten des Kondensators um 500 us geschoben.

Erste Sendung mit Pseudo Random Noise

 

Herzlichen Dank an Hans für die Software!!!

Als erstes wir mit Pseudo Random Noise gesendet. Eine Bitfolge mit der Länge 15 Bit.

Als Folge wurde ein  pseudo random Noise Folge gewählt: Linear feedback shift register 4 Bit mit Tab bei Register 3 und 4 und XOR Verknüpfung auf den Eingang.

Folge.

0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1

 

Rechts: Ausschnitt aus dem Sender-Code.

Klick: Grossformat
Die Folge hat folgende schöne Eigenschaften:
  • Kommt im Rauschen vom Netz vermutlich nicht vor.
  • Einfach, kurz.
  • Autokorrelation hat sehr schönen Verlauf mit sauberem Maximum.

Sender: Pyton Programm, USB to RS232 Dongle, Pin RTS von RS232 wird entsprechend der Codefolge umgeschaltet.

Ausschnitt aus Empfänger-Code.

Python Code, RS232 to USB Dondle, die Periodendauer wird gemessen und der Messwert an PC geschickt.

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Beispiel Messwerte.

Spalten: Absolute Zeit in Sekunden, Messwert in Tiks, Periodendauer in Sekunden.

 

Die Messwerte wurde in Excel übertragen und dort ausgewertet.

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Differenz der aufeinanderfolgenden Periodendauern. Klick: Grossformat
Summe der Differenzen. Klick: Grossformat
Summe der Summen, zudem gefiltert. Klick: Grossformat
Kreuzkorrelation: Messung über 30 Sekunden mit PRN-Folge.

Ein sauberes Maximum ist sichtbar. Die Phase wurde durch den Blinstrom um ca. 100 us geschoben. (Sender und Empfänger an verschiedenen Steckdosen).

Klick: Grossformat

©2015 Peter Märki, Last Change 2010-02-24