Měření spotřeby el. energie je stále ve většině případů spojeno s elektromechanickými elektroměry nebo zařízeními tvořenými množstvím diskrétních součástek. Dnes však již lze vše snadno realizovat pomocí jen několika málo součástek díky kompletním integrovaným obvodům, které v jedné součástce implementují nejen zpracování a výpočet hodnot a parametrů, ale i např. galvanické oddělovače. Jedním z jejich výrobců je i firma Teridian, kterou v ČR zastupuje firma HT-Eurep Electronic.

Trend ve zjednodušování a tedy i zlevňování přístrojů a zařízení stále pokračuje a výjimkou nejsou ani měřící zařízení. Jedním z předních světových výrobců ve vývoji a produkci kompletně integrovaných systémů SoC (System-On-Chip) v jedné součástce je firma Teridian. Jednou oblastí z jinak široké nabídky různých produktů jsou integrované obvody řady 71M65xx a 71M6403 pro měření, indikaci a regulaci spotřeby elektrické energie (Power Measurement, Metering & Control) a obvod 71M8100 pro zpracování signálů ze snímačů (Process Instrumentation).

Obvody řady 71M65xx pro měření spotřeby el. energie

V nabídce jsou obvody pro 3 druhy měření spotřeby elektrické energie využívající patentovanou firemní technologii Single Converter Technology™ dosahující přesnost až 0.1 Wh:

• Jednofázové měření - obvody 71M6511 a 71M6521
• Třífázové měření - obvod 71M6523
• Polyfázové měření - obvody 71M6513 a 71M6515

Jednotlivé obvody se mezi sebou hlavně liší provedením galvanicky oddělených měřících vstupů převodníku (Converter), resp. jejich počtem pro měření napětí a proudů, přičemž jádro i ostatní periferie jsou u všech stejné. Jejich základem je na jednom chipu implementovaný systém SoC (System-on-Chip) složený z programovatelného nezávislého 32bit. výpočetního jádra, které je ještě pro účely externí komunikace a řízení periferií doplněné o 8bitové 5 MHz MPU 80515. Tato kombinace společně s 22bitovým delta-sigma A/D převodníkem (ADC), RAM a Flash pamětí, MPU časovači a teplotně kompenzovaného obvodu reálného času RTC (Real Time Clock) umožňuje přesné měření, rychlou digitalizaci a výpočet všech uživatelem požadovaných hodnot a parametrů. Mezi ně mimo samotné měření spotřeby (Wh, VAh atd.) může například patřit zjištění a záznam okamžité nebo průměrné hodnoty proudu, napětí a příkonu, výpočet činného, jalového a zdánlivého výkonu, hodnoty účiníku apod.

Ty pak lze zobrazit na segmentovém nebo až 168 pixelovém LCD displeji, který lze přímo připojit pomocí integrovaného LCD budiče a nábojové pumpy umožňující napájení 5 V, i když je napájecí napětí obvodu jen 3.3 V, nebo přenést drátově i bezdrátově (infračervený přenos) prostřednictvím sériového UART rozhraní. Ten lze také využít třeba pro dálkové řízení, změny sazeb pro výpočet ceny energie apod. Až 22 univerzálními vstupy/výstupy pak lze generovat různé stavové informace, generovat pulzy množství spotřebované energie s nízkým jitterem nebo přivést různé řídící logické signály. Pro potřeby programování a ladění je zde vestavěný in-circuit emulátor (ICE) a výrobcem dodávané vývojové a monitorovací nástroje pro PC. Knihovny a příklady zdrojových kódů umožňují snadnější vývoj nových aplikací.

Společné i odlišné základní vlastnosti jednotlivých obvodů:

• Typ měření:
  • Jednofázové - 71M6511, 71M6521
  • Třífázové - 71M6523
  • Polyfázové - 71M6513 a 71M6515
• Měří: Wh, VARh, VAh, Vrms, Irms, účiník
• Přesnost: 0.1% až 0.5% WH v rozsahu 2000:1 nebo 1000:1
• Pro frekvence 40 - 70 Hz, kompenzace fáze
• Splňuje standardy IEC61036 / IEC62053 / ANSIC12.20
• Řízení: 32bit. výpočetní jádro + 8bit. MPU 80515
• Paměť: 8 až 64kB Flash, 2 až 7kB RAM
• Periferie:
  • Referenční zdroj napětí
  • RTC s tep. kompenzací, 2x čítač/časovač, watchdog
  • budič a nábojová pumpa pro LCD (128 pixelů)
  • bateriové zálohované napájení RTC a RAM
• Vstupy/výstupy:
  • 3 (71M6511), 4 (71M6523) nebo 6 měřících vstupů
  • 12 až 22 víceúčelových vstupů/výstupů
  • Wh, VAh nebo VARh impulzy s nízkým jitterem
• Komunikace:
  • 2x sériové rozhraní UART
  • Vysokorychlostní 5 nebo 10 MHZ sériové rozhraní SSI
  • Programovací rozhraní ICE
  • I2C pro externí EEPROM
• Napájení: 3.3V / cca 22mW
• Pouzdro: 64vývodové LQFP nebo 100vývodové epLQFP (Exposed Pad LQFP)

Integrovaný ETU 71M6403

Obvod 71M6403 představuje kompletně integrovanou citlivou elektronickou nadproudovou spoušť označovanou jako ETU (Electronic Trip Unit) pro vzduchem izolované jističe (ACB) nebo kompaktní jističe v zalisovaném pouzdře (MCCB).

Základ součástky je stejný s měřiči spotřeby řady 71M65 uvedené výše, tzn. na chipu je implementován systém SoC (System-on-Chip) tvořený programovatelným 32bitovým výpočetním jádrem, který je opět pro účely externí komunikaci a řízení periferií doplněný o 8bitové 5 MHz MPU 80515. Tato kombinace společně s 22bitovým delta-sigma A/D převodníkem (ADC), RAM a Flash pamětí, MPU časovači, obvodem reálného času RTC (Real Time Clock) a teplotní kompenzací zajišťuje přesné měření až 6 různých proudů. Pro jejich snímání je určeno 6 programovatelných proudových vstupů (kanálů), na které lze přímo připojit buď transformátory (měniče) proudu CT (Current Transformer) nebo velmi citlivé a přesné Rogowského cívky (Rogowski-Coils). K vyhodnocení časových účinků proudu je k dispozici přesný digitální integrátor proudu di/dt. S takovouto výbavou lze snadno měřit, hlídat a zjišťovat okamžitou skutečnou, střední, špičkovou či RMS hodnotu proudu, nadproud, zemnící a svodové proudy, zemní zkraty, zajišťovat ochranu proti oblouku apod. Navíc lze součástku naprogramovat na mnoho dalších požadovaných algoritmů pro potřeby měření a ochrany různých specifických zátěží.

Získané hodnoty lze také zobrazit na s LCD displeji přes integrovaný budič a nábojovou pumpu umožňující napájení 5 V, i když je napájecí napětí obvodu jen 3.3 V. Komunikovat lze prostřednictvím klasických sériových UART nebo rychlých SSI rozhraní. Pro potřeby programování a ladění je zde opět in-circuit emulátor (ICE) a výrobcem dodávané knihovny, zdrojáky, vývojové a monitorovací nástroje pro PC.

Základní vlastnosti:

• Řízení: nezávislé 32bit. výpočetní jádro + 8bit. MPU 80515
• Paměť: 64kB Flash, 7kB RAM
• Periferie:
  • RTC, 2x čítač/časovač, watchdog
  • teplotní senzor pro kompenzaci RTC
  • budič a nábojová pumpa pro LCD
  • zálohování napájení RTC a RAM
• Přesnost: lepší než 10ppm/°C
• Vstupy/výstupy:
  • 6 měřících proudových vstupů
  • Až 22 víceúčelových vstupů/výstupů
• Komunikace:
  • 2x sériové rozhraní UART
  • Vysokorychlostní sériové rozhraní SSI
  • Programovací rozhraní ICE
  • I2C pro externí EEPROM
• Napájení: 3.3V / 30mW
• Pouzdro: 100vývodové LQFP

Závěr

Zvyšování integrace obvodu pokračuje dál rychlým tempem a tak systémy, které dříve musely být realizovány velkým množstvím diskrétních součástek na složitém plošném spoji je dnes možné realizovat jen jedním integrovaným obvodem a několika okolními součástkami. Systémy se tak zmenšují a zlevňují a v případě nějaké poruchy se vyměňuje rovnou celá destička plošných spojů. Zde uvedené integrované obvody Teridian pro měření spotřeby elektřiny a ochranu zařízení před jejími účinky jsou toho typickým příkladem.

Pro bližší technické informace o jednotlivých obvodech pak odkazuji na pěkně zpracované anglické stránky firmy Teridian - www.teridian.com, kde jsou volně k dispozici datasheety a další informace. Zájemci o nákup či cenovou nabídku se pak mohou obrátit na pražskou firmu HT-Eurep Electronic s.r.o. - www.hte.cz, která tyto obvody firmy Teridian v ČR distrubuje.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy Teridian - www.teridian.com
• Domovské stránky českého distributora, firmy HT-Eurep Electronic s.r.o. - www.hte.cz
• Související články na automatizace.hw.cz: Co je, k čemu je a jak funguje Rogowského cívka ?