Xuất hiện một cách bất thường trên lưới điện, mỗi khi có một thiết bị điện kết nối hoặc được ngắt khỏi lưới điện, đặc biệt là những thiết bị có công suất lớn như bếp điện, bàn là hoặc thiết bị có sự phóng điện như đèn neon… Một thiết bị như vậy khi đóng, ngắt khỏi ổ điện tức là sẽ đóng, ngắt dòng điện lớn làm xuất hiện sự phóng tia lửa điện tại chỗ tiếp xúc, bản thân tia lửa điện này là một nhiễu dải rộng bao gồm nhiều tần số khác nhau, mang các mức năng lượng khác nhau.
Hình 2.4: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn 2.1.2.3. Nhiễu xung tuần hoàn
Hầu hết nguồn gây nhiễu kiểu này đều xuất phát từ các Triac điều khiển đèn điện tần số xuất hiện của nó bằng hai lần tần số dòng xoay chiều trên lưới điện, hay nói cách khác là nó sẽ lặp lại sau mỗi nửa chu kỳ.
Hình 2.5: Nhiễu xung tuần hoàn 2.1.2.4. Nhiễu xung kéo dài
Được gây ra bởi các loại động cơ điện một chiều hoặc xoay chiều trong các thiết bị điện (máy khoan, động cơ truyền lực, máy hút bụi và nhiều các thiết bị ứng dụng khác…). Các bộ phận tiếp xúc như cổ góp ở động cơ điện một chiều sẽ là một trong những nguyên nhân gây nhiễu trên, xuất hiện với tần số của chuỗi xung khoảng vài KHz trở xuống.
2.1.2.5. Nhiễu chu kỳ không đồng bộ
Kiểu này có đường phổ không tương quan với sóng hình sin 50Hz. Việc khởi động thiết bị điện như tivi sẽ làm phát ra loại nhiễu này đồng thời với tần số quét mạnh 15734Hz trong tivi. Các thành phần của nhiễu này cần phải được loại bỏ khi thiết kế một hệ thống thu phát. Nó được thấy nhiều trong khu dân cư và rất không ổn định, mức độ nhiễu theo từng ngày, từng giờ tùy theo việc sử dụng của người dân. Loại nhiễu này có khuynh hướng giảm dần năng lượng khi mà tần số tăng lên. Mật độ năng lượng nhiễu tập trung dày ở phạm vi tần số thấp. Điều đó có nghĩa là tín hiệu sóng mang trong PLC sẽ ít bị ảnh hưởng của nhiễu hơn khi tần số được tăng lên.
2.1.2.6. Nhiễu sóng radio
Bản thân lưới điện chính là một anten rất lớn thu nhận, phát xạ các sóng vô tuyến từ dải tần rất thấp cho đến rất cao. Các dải sóng do các đài phát thanh, phát hình hay radio nghiệp dư phát đi được lưới điện thu được và đó chính là một nguồn gây nhiễu rất đáng kể cho hệ thống thông tin PLC. Thêm vào đó khoảng tần số sử dụng ở PLC cũng bao gồm một khoảng dải tần đã cấp phép sử dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến, chính vì thế mà các tần số cho radio đó nhiễu khi rất gần tần số sử dụng của PLC.
2.1.2.7. Nhiễu nền
Đây là loại nhiễu mà ta có thể thấy ở bất kỳ đâu trên lưới điện và đối với mọi loại hệ thống thông tin. Nó luôn có trên đường dây điện, do biến áp phân phối, hệ thống chiếu sáng công cộng, các tải xa gây ra. Các phép đo chỉ ra rằng, nhiễu này giảm khi tần số tăng, nhiễu này thường gặp phải ở tần số dưới 5MHz so với phần còn lại của phổ tần.
2.1.3. Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng
Ở hình 2.1 các tham số quan trọng của hệ thống là trở kháng đầu ra của máy phát Zt và trở kháng đầu vào của máy thu Zl . Đường dây điện lực giống như một anten phát/thu làm cản trở quá trình phát/thu tin. Mọi hệ thống truyền thông luôn cố
gắng để đạt được phối hợp trở kháng tốt, nhưng mạng đường dây điện lực chưa thích nghi được với vấn đề này vì trở kháng đầu vào (hay đầu ra) thay đổi theo thời gian đối với tải và vị trí khác nhau, nó có thể thấp cỡ mΩ hay cao tới hàng nghìn Ω, và thấp một cách đặc biệt tại các trạm con. Một số trở kháng không phối hợp khác có thể xuất hiện trên đường dây điện lực (ví dụ do các hộp cáp không phối hợp trở kháng với cáp), và vì vậy suy giảm tín hiệu càng lớn hơn.
2.1.4. Suy hao trên lưới điện
Một vấn đề lớn khác ảnh hưởng đến việc truyền thông trên đường cáp điện là sự suy hao. Đối với sóng tần số cao truyền trên lưới điện thì sự suy hao là rất lớn, lớn hơn so với các hệ thống thông tin khác như thông tin vô tuyến, cáp, cáp quang…
Các yếu tố dẫn đến điều đó bao gồm: Thứ nhất là do các tải tiêu thụ kết nối với lưới điện, bản thân mỗi tải tiêu thụ điện thì cũng sẽ tiêu thụ tín hiệu cao tần dù ít hay nhiều, và thực tế cho thấy rằng sự suy giảm gây ra là rất đáng kể, đặc biệt là những thiết bị có tính dung kháng hoặc những thiết bị đốt nóng (có công suất lớn). Nguyên nhân này rất khó giải quyết do không thể thay đổi toàn bộ các thiết bị điện cho phù hợp với sự truyền thông của PLC mà ngược lại, chính PLC phải tìm cách thích hợp với môi trường sẵn có như thế. Thứ hai là sự phát xạ của sóng cao tần khi chạy trên lưới điện. Bản thân lưới điện chính là một anten rất lớn, dòng điện cao tần chạy trên lưới điện sẽ phát xạ liên tục ở mọi điểm, nhất là những đoạn dây điện có điều kiện bức xạ tốt. Để hạn chế những hiện tượng này thì phải sử dụng những dải tần thích hợp trong từng điều kiện cụ thể, để có thể giảm bớt sự bức xạ chung.
Hình 2.7: Suy hao trong gia đình tại tần số 130 KHz
2.1.5. Hiện tượng sóng dừng
Hình 2.8: Hiện tượng sóng dừng
Đây là hiện tượng cũng dễ xảy ra trong hệ thống thông tin có sử dụng sóng mang truyền trên đường cáp nhất là đối với sóng mang tần số cao.
Để khảo sát kĩ hơn hiện tượng này, ta xét một sợi dây đàn hồi có hai đầu A, B cố định, trên đó có hai sóng kết hợp truyền ngược chiều nhau. Có thể coi đó là một sóng tới và một sóng phản xạ. Chọn thời điểm t=0 là lúc trên sợi dây hai sóng 1 và 2 ngược pha nhau tại một điểm M nào đó. Sợi dây AB có dạng sóng dừng (đây là dạng thật của sợi dây), sóng 1 truyền sang phải, sóng 2 truyền sang trái, biên độ sóng tổng hợp tại mọi nơi đều bằng 0. Tại thời điểm t=λ/4, mỗi sóng truyền đi một đoạn đường bằng λ/4. Cũng như vậy, tại các thời điểm t=λ/2 và t=3λ/4, sóng có hình dạng như trên hình 2.9.
Như vậy hiện tượng sóng dừng sẽ ảnh hưởng ít nhiều đến truyền thông trên lưới điện vì nếu máy thu đặt tại nút sóng thì tín hiệu thu được sẽ rất yếu vì biên độ sóng tổng hợp tại mọi nút sóng đều bằng 0.
2.1.6 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu
Khi truyền tín hiệu đi trên đường điện, tín hiệu sẽ được phát xạ vào không gian. Có thể xem lưới điện là một anten khổng lồ, thu và phát tín hiệu, vì vậy phải làm thế nào hạn chế tín hiệu phát xạ từ lưới điện, không gây nhiễu đến các hệ thống thông tin khác.
Khi sử dụng dải tần số từ 1 – 20MHz cho truyền thông, sự phát xạ là một vấn đề vô cùng quan trọng bởi vì nhiều ứng dụng radio khác được cho phép trong khoảng tần số này. Nó không thích hợp cho một hệ thống gây nhiễu với thông tin trên máy bay, thông tin hàng hải, và các hệ thống thông tin quảng bá khác. Những nghiên cứu gần đây về vấn đề này cố gắng thiết đặt mức công suất phát của sự truyền dẫn. Điều rất quan trọng là công việc này sẽ được hoàn thành trong tương lai gần, từ đó giới hạn việc sử dụng băng tần này và sự phát triển của hệ thông tin cho kênh truyền là lưới điện.
Với đường cáp điện đi trên các cột điện được cắm trên mặt đất thì sự phát xạ rất lớn, đồng thời nhiễu thu vào từ sóng cũng sẽ lớn. Khi đường cáp được đi ngầm dưới mặt đất thì sự phát xạ sẽ là nhỏ và ít ảnh hưởng đến các hệ thống khác. Thay vào đó là sự phát xạ từ các hộ gia đình sẽ trở thành thành phần đóng góp chủ
yếu. Các đường dây điện bên trong các hộ gia đình không được che chắn và vì thế sự phát xạ là khá nghiêm trọng. Một giải pháp có thể sử dụng là khối lọc tín hiệu thông tin từ đầu vào căn nhà. Bên trong nhà, tần số và công suất phát được lựa chọn sao cho khả năng gây nhiễu là nhỏ nhất, khối lọc tín hiệu thông tin làm nhiệm vụ chuyển tiếp thông tin giữa hai kênh truyền là trong nhà và ngoài nhà.
2.2. Ghép nối với lƣới điện – xử lý tín hiệu
2.2.1. Mạch ghép tín hiệu
Có hai cách chủ yếu để phối ghép tín hiệu vào mạng điện:
- Phối ghép chế độ vi sai (differential mode): dây pha được dùng làm một đầu
cuối, và dây trung tính làm đầu cuối thứ hai. Trong trường hợp dây trung tính không tồn tại (ở mạng cao thế), dây đất có thể làm đầu cuối thứ hai.
- Phối ghép chế độ chung (common mode): dây pha và dây trung tính được
dùng với nhau, hình thành một đầu cuối thứ hai.
Trở kháng giữa các điểm phối ghép và điểm ngắn mạch đủ lớn để cho phép truyền tín hiệu. Tuy nhiên, khó khăn tồn tại trong cách này là phải có các thiết bị bảo vệ dòng dò, mà nhiều nước không cho phép sử dụng cách này vì gây nguy hiểm cho người sử dụng.
Trong nghiên cứu thực hiện mạch ghép nối vật lý, hai phương pháp sau có thể được sử dụng:
+ Ghép dung kháng, sử dụng tụ điện để ghép.
+ Ghép cảm kháng, sử dụng cuộn cảm để ghép tín hiệu. Ghép cảm kháng cung cấp sự cách ly vật lý giữa mạng điện và mạng thông tin, làm cho cài đặt an toàn hơn.
2.2.1.1. Mạch ghép dung kháng C
Nguyên lý của mạch phối ghép này là do tần số của tín hiệu cao hơn tần số của dòng điện 50Hz rất nhiều nên dòng điện xoay chiều 50Hz sẽ được cản lại bằng
một bộ lọc thông cao dùng tụ C, nhưng bộ lọc này phải có khả năng chịu được điện áp cao của lưới điện đặt lên, tức là tụ điện C phải là tụ cao áp chịu được điện áp lưới.
Trong sơ đồ (2.9. a): Tụ C và R tạo thành một bộ lọc thông cao, tần số lọc trung tâm được tính theo công thức sau: f0=1/2ΠRC
Với điều kiện là ứng với tần số điện lưới 50Hz thì Zc phải rất lớn so với R và tụ C phải có khả năng chịu được điện áp cao hơn điện áp lưới điện. Về mặt ngăn cản điện 220V - 50Hz thì Zc càng lớn càng tốt và R càng nhỏ càng tốt nhưng thực tế thì điều đó lại còn phải phụ thuộc vào tín hiệu cần truyền, do vậy Zc không thể tăng mãi được.
Hình 2.9: Mạch ghép dung kháng
Ví dụ yêu cầu ở đầu ra:
- Đối với dòng điện 220V- 50Hz là : UAC 220mV (suy giảm hơn 3dB) - Đối với tín hiệu thông tin 1MHz: Us suy giảm < 1dB
Do kết quả không nhất thiết phải chính xác một cách tuyệt đối mà chỉ cần nằm trong một khoảng nào đó nên ta có thể tính một cách gần đúng như sau:
6 220 * 220 1000 1 1000 ( 50 ) 2 . . 3, 2.10 AC C C AC AC V R U mV Z R Z R R f Hz f C RC (2.1) Với R= 1KΩ →C<3.2*10-9(F) ~3 (nF)
Tương tự với tần số 1MHz: 6 8 * 0.1 9 1 9 ( 10 ) 2 . . 18.10 v S v C C S S U R U U Z R Z R R f Hz f C RC (2.2) Với R= 1KΩ →C>18.10-11(F) ~0.2 (nF)
→ giá trị của R và C nằm trong khoảng trên sẽ thỏa mãn với điều kiện được đưa ra. Sơ đồ (a) tuy thõa mãn về nguyên lý nhưng thực tế sẽ không an toàn do điện cao áp vẫn tiếp xúc trực tiếp với mạch điện và người sử dụng có thể bị giật nếu chạm cào phần đó. Sơ đồ (b) cũng là tương tự với sơ đồ (a) với 1 2
1 2 * C C C C C nhưng sơ đồ
(b) sẽ an toàn hơn cho mạch điện và người sử dụng do tụ C1 và C2 sẽ cách ly hoàn toàn với mạch điện.
2.2.1.2 Mạch ghép kết hợp cảm kháng và dung kháng L-C
Mạch ghép dung kháng ở trên có ưu điểm là khá đơn giản, nhưng chỉ có thể làm việc tốt với điều kiện điện lưới là điện hạ thế (không quá lớn) và tần số của tín hiệu sóng mang cần truyền phải lớn hơn tần số dòng điện xoay chiều một khoảng nhất định. Nếu như điện áp của dòng điện lưới là vài KV trở lên hoặc tần số của tín hiệu chỉ khoảng vài chục KHz thì thực tế mạch sẽ không còn tác dụng như tính toán ở trên. Nguyên nhân là do R gần như không thay đổi trở kháng khi tần số thay đổi, vì thế mà bậc lọc của mạch chỉ là bậc nhất nên hiệu quả lọc không cao.
Do vậy đối với những trường hợp đó phải sử dụng các mạch phối hợp phức tạp hơn như mạch kết hợp LC. Có hai cách sử dụng L trong trường hợp này là dùng cuộn cảm đơn hay ghép biến áp. Việc ghép biến áp tuy phức tạp hơn nhưng đạt hiệu quả rất cao và rất an toàn cho người sử dụng do việc cách ly hoàn toàn phần mạch với lưới điện, điều đó còn có giá trị bảo vệ mạch điện rất tốt khi lưới điện gặp các sự cố như quá áp hay bị sét đánh. Khi hoạt động, cuộn cảm L mắc song song có vai trò cũng giống như tụ C là cho tần số cao là tần số của tín hiệu sóng mang đi qua và gây suy hao lớn với tần số thấp là tần số của dòng điện lưới.
Đối với cả sơ đồ thu và sơ đồ phát tín hiệu thì mạch phối ghép cũng gần giống nhau. Tuy nhiên, ZC ở mạch phát thường nhỏ hơn khá nhiều so với ZC ở mạch thu, do trở kháng ra ở mạch phát là nhỏ đóng vai trò là R nhỏ nên ZC không cần lớn để giảm suy hao cho tín hiệu phát đi.
Sơ đồ (c) là toàn bộ phối ghép với lưới điện cho lưới điện 3 pha.
2.2.1.3. Mạch phối ghép R-L-C phức tạp
Để đạt được hiệu quả cao hơn trong việc lọc tín hiệu, sự kết hợp giữa bộ lọc thông thấp chịu được điện áp cao và mạch lọc thông dải được sử dụng.
Trong các mạch thực tế thì sau tầng cách ly ở sơ đồ thu còn có các tầng lọc thông dải để lọc nhiễu.
2.2.2. Các bộ lọc tương tự
Có hai loại mạch lọc tương tự là mạch lọc tích cực và mạch lọc thụ động. Ở mạch lọc tích cực, tín hiệu nằm trong giải thông được cho qua bộ lọc rồi được
khuếch đại lớn hơn tín hiệu vào, còn ở mạch lọc thụ động thì tín hiệu nằm trong dải lọc sẽ được cho qua bộ lọc với sự suy hao nhất định nên tín hiệu ra sẽ nhỏ hơn tín hiệu vào.
2.2.2.1. Mạch lọc RC
Ở phạm vi tần số thấp khoảng 1 MHz trở lại, chế tạo các cuộn cảm rất cồng kềnh mà chất lượng lại không tốt nên mạch lọc RC thường được sử dụng. Do đặc điểm của tụ C là trở kháng càng giảm khi tần số càng tăng nên người ta có thể dựa vào đó để thiết kế các bộ lọc RC thông thấp hoặc thông cao.
Ưu điểm của bộ lọc thụ động RC là đơn giản, kích thước nhỏ gọn tuy nhiên hiệu quả lọc không cao vì chỉ là lọc bậc nhất.
Tần số trung tâm của mạch lọc được tính theo công thức sau:
0 1 2 f RC (với R: Ω, C: F, f0: Hz) (2.3)
Mạch lọc thông dải RC được tạo thành từ hai mạch lọc thông thấp và thông cao RC, để tăng khả năng lọc ta còn có thể các tầng lọc nối tiếp nhau.