Интегрални схеми и компоненти за измерване на енергопотребление - част II

Димитър Колев

В първата часта на статията, публикувана в бр. 2/2022 на сп. Инженеринг ревю, бяха представени методите за измерване на електропотребление и използваните за тази цел сензори – шунтове, токови трансформатори, бобини на Роговски. Тук продължаваме с преглед на интегралните схеми, предназначени за реализация на системи за измерване на електропотребление

ИС за реализиране на системи за измерване на енергопотребление

Серията MCP39xxx на Microchip, представена в табл. 1, включва специализирани ИС (Energy Meter), завършени входни блокове (AFE) и такива за наблюдение на локални консуматори (Power Monitoring). Друга платформа за измерване на електропотребление на същия производител са интегралните схеми SAM4Cх, включващи микроконтролер, AFE/ADC, както и нужните компоненти за радио- или мрежова комуникация (табл. 2).

MCP3905А/L/06 са класически едночипови електромери с честотен изход, а MCP3909 поддържа SPI сериен интерфейс. Те отговарят на стандарта IEC 62053, както и на предхождащите го IEC1036/61036/687. Интегралните схеми поддържат честотен изход, пропорционален на средната активна мощност, както и високочестотен изход, пропорционален на моментната енергия, който обикновено се използва при калибриране. MCP3905L предлага също изход с ограничена широчинно-импулсна модулация (ШИМ) и драйвер за електромери с ниска консумация и управление на електромеханичен брояч. Включени са и два 16-битови, Delta-Sigma АЦП с широк обхват. Поддържат се малки шунтови резистори (<200 микроома), като измереният пад върху тях се подава на входни усилватели с програмируемо усилване (Programmable Gain Amplifiers, PGA) с обхват 1:16 (MCP3905A/L) и 1:32 (MCP3906). ИС разполагат със стабилен източник на опорно напрежение с толеранс по-малък от 15 ppm/°C, специално калибриран за целия индустриален температурен обхват. Интегриран е и блок за цифрова обработка (Digital Signal Processor, DSP), както и блок, който предотвратява грешно измерване при липса на товар (No-load Threshold). Блокът Power-On Reset (POR) спира работата при ниско захранващо напрежение, за да се избегне некоректно измерване. ИС поддържа и тамперен извод за индикация при измерване на негативна енергия. Обща блокова схема на фамилията е представена на фиг. 1.

От серията AFE MCP3901-19 специално внимание заслужава ИС MCP3914. Тя осигурява в един корпус 8 вградени синхронни АЦП, 8 PGA, блок за фазова компенсация, източник на опорно напрежение, калибровъчни регистри, както и бърз, 20 MHz SPI интерфейс. Освен в електромери, интегралната схема може да се използва и за други измервателни, автомобилни, медицински и търговски приложения

Серията MCP39F5xx е предназначена за измерване и наблюдение на локални контакти/консуматори или приложения, наричани още smart plug. MCP39F511N e типичен пример – включва двуканален 24-битов Delta-Sigma АЦП за токови измервания, 10-битов SAR АЦП за измерване на напрежение, 16-битов изчислителен блок, EEPROM памет, гъвкав двупроводен комуникационен интерфейс, както и вграден опорен източник на напрежение.

Фамилията CS54xx на Cirrus Logic, представена в табл. 3, включва едночипови електромери – CS5463/80/84 съответно с 2/3/4 измервателни канала, както и AFE интегралната схема CS5490. Характерна особеност е наличието на вграден температурен сензор (фиг. 2).

Analog Devices също имат своя фамилия (табл. 4) от едночипови ADE9xxx, както и комплекти от измервателни AFE с изчислителни/интерфейсни функции. Типичен пример е комплектът ADE7978 със съответни изолирани входове ADE7932/33 и неизолирани входове ADE7923 (фиг. 3). ADE78xx e типичен пример за единични и многоканални AFE. Серията ADE77xx осигурява също локално измерване и наблюдение тип smart plug.

ST Microelectronics имат компактен набор от няколко ИС, които поддържат всички видове измервания и изчисления (табл. 5). Интересна особеност е, че серията STPM32/33/34 (фиг. 4) има вградени два прецизни опорни източника и вътрешен 3 V регулатор. Серията STMPS2 е наречена “smart sensor” и представлява 2-канална AFE ИС, ориентирана както към приложение за точно измерване на енергия, така и за интерфейс към моторни токови сензори, везни, датчици за налягане и др.

Последни в този преглед, но не и по-важност, са фамилиите интегрални схеми на Texas Instruments и Renesas. Тези производители наблягат повече на специализирани микроконтролери, които предлагат възможно най-много памет, бързина и специализирана периферия – входове за всички видове сензори, изходи за LCD индикатори, часовник за реално време RTC, както и разнообразни комуникационни интерфейси към външен контролер, мрежова и радиокомуникация. В таблица 6 са представени специализираните контролери на TI, a в таблица 7 тези на Renesas, като към тях са включени и комуникационни интегрални схеми.