Аналоговые решения и компоненты питания для электросчетчиков – Belling, SGMICRO и Shinhom

Электросчётчики стали неотъемлемой частью энергосистем и используются повсеместно для точного измерения объема потребленной электроэнергии. Однако сегодня выполняют и дополнительные задачи, такие как мониторинг качества электроэнергии, обнаружение перегрузок и интеграцию в «умный дом».

Развитие технологий в области электроники и связи привело к значительным изменениям в конструкции и функционале электросчетчиков. Простые устройства, которые лишь фиксировали показания, постепенно уступили место интеллектуальным системам, способным собирать и передавать данные в режиме реального времени. Они помогают оптимизировать работу энергосетей, прогнозировать нагрузки и предотвращать аварии.

Ключевой составляющей устройства электросчетчиков является микроэлектроника. Благодаря современным схемотехническим решениям она обеспечивает высокую точность измерений и надежную передачу данных при минимальном энергопотреблении.

Электросчетчики подразделяются на однофазные и трехфазные в зависимости от типа электрической сети, в которой они используются. Они отличаются сферой применения и схемотехническими решениями, обеспечивающими их работу.

Однофазные счетчики предназначены для работы в сетях с напряжением 220 В и частотой 50 Гц, которые наиболее распространены в жилых домах и малых коммерческих объектах. Измеряют потребление энергии только в одной фазе, что делает их конструкцию сравнительно простой.

Трехфазные счетчики предназначены для работы в сетях с напряжением 380 В, которые используются на промышленных объектах, крупных предприятиях и в зданиях с высоким энергопотреблением. Такие счетчики могут работать как в трехфазных сетях с симметричной нагрузкой, так и с асимметричной. Приборы характеризуются более сложной конструкцией по сравнению с однофазными счетчиками и расширенным функционалом (учет перекоса фаз, гармоник и других параметров).

Современные разработки в области электросхемотехники позволяют создавать универсальные решения для любых потребностей, делая учет энергии точным и удобным.

Далее в статье:

1. Система-на-кристалле (SoC)
2. Преобразователи
3. Трансформаторы
4. Стабилизаторы
5. Дроссели
6. Драйвер ЖК-дисплеев
7. Цифровые изоляторы

Рассмотрим структуру однофазного счетчика электроэнергии, которая представлена на рисунке ниже.

Как видно из рисунка, основу современных счетчиков электроэнергии составляет специальная микросхема – система-на-кристалле (SoC), которая обеспечивает съем параметров электросети (напряжение, ток) и их преобразование в полезную информацию для последующей цифровой системы (например, микроконтроллера) или для непосредственного вывода на дисплей.

Такие микросхемы выпускает китайская компания Shanghai Belling Corp., Ltd. (далее Belling), которая входит в линейку поставок компании Матрикс Электроника.

Belling была основана Шанхайским муниципальным бюро приборостроения и компанией Shanghai Bell в сентябре 1988 года и на сегодняшний день является крупным в Китае производителем полупроводниковых устройств, таких как микросхемы управления питанием, АЦП, ЦАП, полевые транзисторы, память EEPROM, цифровые изоляторы и, конечно, микросхемы для счетчиков электроэнергии.

Микросхемы для электросчетчиков Belling не уступают по качеству измерителям электроэнергии серии ADE компании Analog Devices и могут служить в качестве их функциональной замены.

Компания выпускает довольно широкий ассортимент микросхем для однофазных счетчиков электроэнергии, основные из которых перечислены в таблице ниже.

Рассмотрим структуру и принцип работы SoC Belling на примере BL0940. Функциональную блок-схему этой микросхемы можно увидеть ниже.

Система-на-кристалле BL0940 со внутренней системой тактирования (Internal Clock), схемой сброса по питанию (Power On/Reset), LDO-стабилизатором и ИОН (Reference Voltage) сочетает в себе 2 высокоточных АЦП на основе сигма-дельта модуляторов (SDM) с программируемыми усилителями (PGA) на входах для одновременного измерения тока и напряжения.

Эта микросхема может измерять и вычислять электрические параметры, такие как среднеквадратичные ток и напряжение, активную мощность, моментальное значение тока (для защиты от перегрузки по току), а также обеспечивает обнаружение температуры за счет датчика температуры (Temperature Sensor). Все вычисления выполняются в процессоре цифровой обработки сигналов (DSP), а выводятся данные через интерфейс UART или SPI.

Характеристики и особенности:

• диапазон тока от 10 мА до 35 А при 1 МОм;
• диапазон активной энергии от 1 Вт до 7700 Вт при 1 МОм и 220 В;
• измерение среднеквадратичного напряжения и тока, мгновенного тока, активной мощности, активной энергии;
• погрешность усиления составляет менее 1% без калибровки, когда периферийные компоненты соответствуют определенным условиям;
• токовый канал поддерживает функцию контроля перегрузки по току, порог и время отклика можно настроить;
• имеется логический выход при пересечении синусоидой напряжения нуля;
• встроенный регистр формы сигнала для анализа типа нагрузки;
• SPI работает на частоте до 900 кГц, UART работает со скоростью 4800 бит/с;
• встроенная функция мониторинга питания, сброс микросхемы, когда напряжение питания ниже 2,7 В;
• встроенный источник опорного напряжения 1,218 В;
• встроенная схема генератора 4 МГц;
• источник питания 3,3 В, низкое энергопотребление 10 мВт.

Для питания различных компонентов внутри счетчика необходим, как минимум AC/DC преобразователь, который сможет преобразовать переменное напряжение сети 220 В в постоянное напряжение питания компонентов (например, 5 В или 3,3 В) или в промежуточное постоянное напряжение, которое затем уменьшит LDO-стабилизатор или DC/DC преобразователь.

Компания Belling выпускает микросхемы AC/DC преобразователей как с регулированием по первичной цепи преобразователя (PSR), так и по вторичной цепи (SSR).

В качестве PSR-преобразователя можно взять BL8802, выпускаемый в корпусе DIP-7. Он оснащен полевым транзистором на 1000 В и обеспечивает выходную мощность 15 Вт.

Ниже на рисунке показана типичная цепь AC/DC преобразователя на основе BL8802.

Для формирования схемы с SSR-преобразователем можно взять ШИМ-преобразователь BL8851 в корпусе SOT23-6. Он обеспечивает выходную мощность 60 Вт и при этом использует внешний полевой транзистор.

Схема на его основе BL8851 показана ниже.

Как можно заметить по рисункам выше, в цепях электросчетчика используются индуктивные элементы трансформаторного типа.

Потребность в них может закрыть компания Shaanxi Shinhom Enterprise (далее Shinhom), которая также представлена в нашей линейке поставок.

Shinhom является крупным предприятием по производству высококачественных магнитных компонентов в Китае. Штаб-квартира компании и четыре производственных фабрики общей площадью более 12 тыс. кв. м. находятся в Китае в городе Сиань.

В ассортимент продукции входят трансформаторы различных типов ферритовые сердечники, катушки индуктивности, фильтры электромагнитных помех и т.п. За более чем 30 лет работы компания разработала более двухсот серий магнитных компонентов.

Продукция Shinhom отличается высоким качеством при среднем уровне цен. Она применяется в автомобилестроении, компьютерном оборудовании, мобильных устройствах, медицинской и коммуникационной технике, измерительных приборах и системах специального назначения.

Ранее на схемах вы также могли видеть трансформатор напряжения, преобразующий сетевое напряжение в меньшее переменное напряжение, подаваемое на вход измерительной системы.

Герметичные трансформаторы напряжения серии TCV3XXX компании Shinhom для установки на плату предназначены для применений, где первичный сигнал напряжения переменного тока должен быть точно преобразован в более низкий сигнал переменного тока вторичной цепи.

Они выдерживают 2500 В на протяжении 1 минуты и могут выдержать до 5000 В импульсного выброса напряжения.

Ниже в таблице приведены основные характеристики трансформаторов напряжения серии TCV3XXX компании Shinhom.

Кроме того, Shinhom выпускает обратноходовые трансформаторы (Flyback Transformer), которые могут быть использованы в составе AC/DC преобразователей. Они специально предназначены для приложений, требующих преобразования напряжения, гальванической развязки и накопления энергии.

Данные компоненты работают по принципу накопления энергии в магнитном сердечнике во время «включения» цепи с последующим высвобождением этой накопленной энергии во время «выключения». Это позволяет генерировать несколько выходных напряжений или формировать один выходной канал высокого напряжения.

Обратноходовые трансформаторы компании Shinhom выпускаются в форматах E16, EL19, EF20, E25, ERL28, ETD34, ETD39 и ETD44, отличающихся мощностью (от 1 до 180 Вт) и размерами. Они могут выдерживать до 4000 В между первичной и вторичной обмотками и иметь выходных цепей в количестве от 1 до 4 в зависимости от модели.

Для питания системы-на-кристалле и/или микроконтроллера может потребоваться LDO-стабилизатор, который выдает более стабильное низкое напряжение. Из линейки производителей Матрикс Электроники компания SGMICRO предлагает очень широкий ассортимент LDO-стабилизаторов для разных задач.

Компания SGMICRO Corp была основана в 2004 году в Пекине. Она специализируется на разработке высококачественных аналоговых микросхем и микросхем питания. Продукция используется в мобильных телефонах, телевизорах, DVD-плеерах, цифровых камерах и др.

Компания гарантирует превосходное качество и надежность каждой производимой микросхемы, благодаря своей строгой и постоянно совершенствующейся системе контроля.

Среди линейки LDO-стабилизаторов можно выделить некоторые модели, которые оптимально подойдут для использования в составе счетчиков электроэнергии. Например, SGM2232, который выпускается в компактных корпусах SOT223-5 и SOT23-5, обладает высоким коэффициентом подавления нестабильности питания (PSRR = 84 дБ при 1 кГц), что важно в схемах электросчетчиков, которые расположены близко к помехообразующим силовым линиям.

При этом данный LDO-стабилизатор имеет высоковольтный вход (от 4 В до 40 В), благодаря чему необязательно использовать AC/DC преобразователи с низким выходным напряжением. Выходное напряжение при этом может быть от 2,5 В до 5 В, а выходной ток 150 мА.

Как видно на структурной схеме SGM2232 ниже, этот LDO-стабилизатор имеет дополнительные защиты, такие как ограничение по току и защита при превышении температуры (current limit and thermal protection).

Для питания различных компонентов внутри счетчиков с высокой плотностью монтажа можно также использовать LDO-стабилизатор SGM2211 в более компактном корпусе TDFN-2×2-6AL размером 2×2 мм (есть также версия в корпусе SOT23-5). Он тоже характеризуется довольно высоким PSRR (100 дБ при 1 кГц) и может выдавать до 500 мА выходного тока. Его диапазон входных напряжений составляет от 2,7 В до 20 В, а выходные напряжения могут быть от 1,2 В до 5 В. Помимо этого, он обладает достаточно низким током покоя (43 мкА). На рисунке ниже показана его структурная схема.

В современных электросчетчиках помимо прочего также используется батарейка, которая позволяет питать устройство после отключения электричества для того, чтобы некоторое время обеспечивать подсчет и сохранение текущих даты и времени, а также других логируемых параметров.

Для этого используют отдельный DC/DC преобразователь и малопотребляющий LDO-стабилизатор, который может питаться как от этого преобразователя, так и от батарейки, и в свою очередь питать вычислительную часть устройства. Такую комбинацию предоставляет SGMICRO в виде DC/DC преобразователя SGM61307 и LDO-стабилизатора SGM2047.

SGM61307 представляет собой понижающий стабилизатор с выходным током 600 мА и диапазоном входных напряжений от 4 В до 36 В. Работает он с частотой до 2 МГц и коэффициентом заполнения до 98%. Выпускается в корпусе SOT23-6. Встроенная функция плавного пуска и схема компенсации контура упрощают внешнюю схемотехнику и экономят время и средства разработчиков.

К функциям защиты SGM61307 относятся ограничение тока, защита от короткого замыкания, отключение по превышении температуры с автоматическим восстановлением и защита от перенапряжения на выходе.

Как можно видеть на схеме подключения выше используется дроссель. Потребность в этом компоненте может также закрыть компания Shinhom благодаря своим компактным дросселям для поверхностного монтажа. Компания выпускает компоненты подобного типа в нескольких сериях с емкостями от 1 мкГн до 4700 мкГн.

SGM2047, выпускаемый в очень компактном корпусе XTDFN-1×1-4L, а также в корпусе SOT23-5, представляет собой LDO-стабилизатор с очень малым энергопотреблением.

Его ток покоя может составлять до 0,6 мкА, а потребляемый ток в режиме холостого хода до 0,065 мкА. Он может выдавать до 200 мА выходного тока, при этом входное напряжение может составлять от 1,7 В до 5,5 В, а выходное от 0,6 В до 3,6 В.

К защитным функциям можно отнести режим отключения с логическим управлением, ограничение тока короткого замыкания и отключение при превышении температуры. SGM2047A имеет функцию автоматического разряда для быстрого разряда линии выходного напряжения в отключенном состоянии.

Для отображения информации в счетчиках электроэнергии, как правило используются сегментные ЖК-дисплеи (LCD). Для того, чтобы не тратить вычислительные мощности микроконтроллера и не занимать лишние выводы для управления такими ЖК-дисплеями, используются специальные драйверы.

Компания Belling выпускает драйверы сегментных ЖК-дисплеев серии BL550xx с интерфейсом I2C. Компоненты представлены в таблице ниже.

Рассмотрим один компонент из этой серии – BL55077. Это драйвер ЖК-дисплея, который генерирует сигналы управления для статических и мультиплексных ЖК-дисплеев, содержащих до 4 сигнальных электродов и до 40 сегментных электродов, а также легко включается в каскадное соединение для управления многосегментными ЖК-дисплеями.

BL55077 совместим с большинством микропроцессоров/микроконтроллеров и соединяется с ними через двухпроводную двунаправленную шину I2C. Нагрузка на обслуживание канала связи существенно снижена за счет буфера ОЗУ индикатора с функцией авто-инкремента адреса, за счет аппаратной субадресации устройства и за счет переключения буфера индикатора (режимы статического и дуплексного управления).

Структурную схему драйвера и его подключение можно видеть на рисунках ниже.

Для обеспечения более высокого уровня электробезопасности и сохранения низковольтной вычислительно-индикационной схемы в случае нештатных выбросов энергии в первичной цепи между SoC и микроконтроллером желательно обеспечить гальваническую развязку. Это можно реализовать за счет использования цифровых изоляторов компании Belling.

Belling выпускает двухканальные и четырехканальные цифровые изоляторы серий BL712x и BL714x. Они имеют степень изоляции 3750 и 5000 В ср.кв., скорость передачи данных 100 Мб/с и напряжение питания от 2,5 В до 5,5 В.

Основные параметры изоляторов Belling мы представили в таблице ниже.

При использовании интерфейса UART в рамках передачи данных между SoC и микроконтроллером можно применить цифровой изолятор BL7121AL в случае, если задействуются только линии RX и TX, или BL7141WL в случае, если помимо этих двух линий также задействуются линии CF и ZX.

При использовании интерфейса SPI также можно задействовать BL7141WL.

Рассмотрев структуру и компоненты однофазного электросчетчика, перейдем к трехфазному счетчику, у которого часть элементов будет совпадать с однофазным, но в части приема сигналов и вычисления параметров будут некоторые отличия.

Как видно из рисунка выше, теперь у нас имеются 3 фазы (A, B и C) и нейтраль (N). Электрические показатели (напряжение и ток) снимаются с каждой фазы относительно нейтрали с помощью трех АЦП (или более, если напряжения и токи измеряются отдельными компонентами). Полученные сигналы отправляются в блок метрологии, где происходит их обработка и вычисление других электрических параметров (мощности, среднеквадратичных значений и т.д.). Далее полученные значения отправляются в микроконтроллер (МК), а затем на дисплей и/или по проводному или беспроводному интерфейсу в случае «умного» счетчика.

Компания Belling выпускает полноценную систему-на-кристалле BL6552 для применения в цепях трехфазных счетчиков, которая совмещает в себе семь АЦП для напряжений и токов каждой фазы и блок метрологии. Для передачи обработанных данных в микроконтроллер или другую цифровую систему могут использоваться интерфейсы UART или SPI.

Помимо семи высокоточных сигма-дельта АЦП в BL6552 сочетаются схема опорного напряжения, датчик температур и дополнительные модули цепей аналоговой обработки сигналов, а также схемы цифровой обработки сигналов для вычисления активной и реактивной мощности, силы фазного тока, действующего значения напряжения, коэффициента мощности и прочих электрических параметров, а также для фиксации пиков тока и напряжения, обнаружения перехода через ноль и выдачи формы сигнала в реальном времени.

BL6552 использует метод расчета потока данных для обработки различных сигналов и имеет хорошую надежность в случае внешних помех. Встроенная схема контроля напряжения питания может обеспечить нормальную работу во время включения и выключения питания.

Характеристики и особенности:

• высокая точность, входной динамический диапазон измерения 8000:1, нелинейная погрешность составляет менее 0,1%;
• высокая стабильность, нелинейная погрешность измерения реактивной энергии в пределах входного динамического диапазона 8000:1 составляет менее 0,1%;
• обеспечивает измерение тока нейтрали;
• обеспечивает измерение активной, реактивной и полной мощности (24 бита, с поддержкой двух методов расчета);
• обеспечивает измерение эффективного значения напряжения и тока фазы (24 бита), при этом относительная погрешность в диапазоне 3000:1 составляет менее 0,1%;
• предоставление данных выборки по форме сигнала напряжения и тока фазы и тока нейтрали (24 бита);
• обеспечивает измерение показателей общей (фундаментальной и гармонической) активной, реактивной и полной (24 бита) энергии;
• обеспечивает измерение общей (фундаментальной и гармонической) активной и реактивной энергии за линейный цикл;
• обеспечивает измерение общей (фундаментальной и гармонической) положительной и отрицательной энергии за линейный цикл;
• обеспечивает измерение комбинированной реактивной энергии и реактивной энергии, измеренной в четырех квадрантах;
• регистрирует 300 осциллограмм в реальном времени в неделю;
• быстрый импульсный выход с активной и реактивной энергией;
• обеспечивает обнаружение потери и обрыва фазы;
• обеспечивает обнаружение потери тока;
• обеспечивает обнаружение пиков тока, напряжения и перехода через ноль;
• обеспечивает измерение частоты линии напряжения;
• имеется возможность по мере необходимости подать сигнал запроса прерывания с внешнего микроконтроллера;
• интерфейс передачи данных UART/SPI;
• встроенный источник опорного напряжения;
• питание от одного источника 3,3 В;
• корпус QFN36.

Таким образом, ассортимент продукции, представленный компаниями Belling, SGMICRO и Shinhom полностью удовлетворяет потребности в компонентах для производства счетчиков электроэнергии.

Если хотите обсудить возможные решения для вашего бизнеса, не стесняйтесь обращаться к нам. Мы всегда готовы помочь Вам выбрать оптимальные компоненты для ваших проектов!