Praktyczne aplikacje scalonych układów AFE (13). Front-endy do zastosowań energetycznych (1)

Konwencjonalne liczniki energii elektrycznej, niezbędne do rozliczania jej odbiorców przez zakłady energetyczne, coraz częściej są zastępowane przez nowoczesne urządzenia ze zdalnym odczytem, umożliwiające określanie zużycia energii bez konieczności samodzielnego spisywania stanu licznika. Rozwiązanie takie sprawdza się szczególnie w czasie pandemii, w której każdy sposób na ograniczanie transmisji wirusa w społeczeństwie okazuje się na wagę złota. Wyparcie (w dużej mierze) liczników indukcyjnych przez ich nieporównanie nowocześniejsze, cyfrowe odpowiedniki ma jednak także szereg innych zalet – mierniki elektroniczne są dokładniejsze, oferują rozmaite funkcje pomiarowe, a także… skutecznie utrudniają dokonywanie kradzieży energii przez amatorów „prądu za darmo”. Co ciekawe, tematyka „sabotowania” liczników energii jest na tyle powszechna, że najnowsze front-endy pomiarowe przeznaczone do tego typu urządzeń są wyposażane w rozbudowane funkcje anti-tamper.

W tym odcinku Poradnika Implementacji zebraliśmy najistotniejsze informacje na temat pojęć związanych z metrologią mocy i energii oraz norm, do których odwołania najczęściej występują w notach katalogowych poszczególnych układów AFE.

Krótkie przypomnienie podstawowych pojęć

Przed omówieniem konkretnych propozycji układowych warto dokonać ekspresowego podsumowania najważniejszych zagadnień teoretycznych, związanych z pomiarami mocy i energii. Moc w obwodach prądu stałego jest określona przez iloczyn napięcia panującego na odbiorniku oraz natężenia przepływającego prądu (1):

     (1)

W przypadku sinusoidalnego prądu przemiennego o częstotliwości f wartość chwilową określa ogólny wzór (2):

     (2)

gdzie:

i(t) – wartość natężenia prądu w momencie t,
ω = 2πf,
IA – amplituda prądu,
φ – przesunięcie fazowe,
f – częstotliwość

Mamy do czynienia z określonym kątem fazowym, którego znak oraz wartość wynikają z charakteru odbiornika: indukcyjna część reaktancji (XL) powoduje opóźnienie prądu względem napięcia, zaś pojemnościowa (XC) – opóźnienie napięcia względem prądu (rysunek 1).

Rysunek 1. Zależności czasowe w przykładowym obwodzie szeregowym RLC (https://t.ly/OltO)

Złożenie czystej rezystancji (R) oraz reaktancji wypadkowej (X=XL–XC) prowadzi do powstania określonego kąta przesunięcia fazowego, co można zobrazować na wykresie wektorowym (rysunek 2).

Rysunek 2. Sposób tworzenia wykresu wektorowego impedancji (https://t.ly/vRn6)

Ten sam kąt fazowy odnosi się także do trójkąta mocy (rysunek 3), określającego powiązania pomiędzy:

• mocą czynną P [W] (według powszechnie stosowanej definicji jest to moc, która „pracuje”, czyli może wydzielić się w odbiorniku rezystancyjnym w postaci ciepła),
• mocą bierną Q [Var] („nieużyteczną”, odpowiedzialną za powstawanie strat przesyłowych) oraz
• mocą pozorną S [VA] (będącą prostym iloczynem wartości skutecznych prądu i napięcia).

Rysunek 3. Trójkąt mocy (https://t.ly/Sf5g)

Energia elektryczna W, pobrana przez dany odbiornik o mocy czynnej P w określonym przedziale czasowym t, lub – ujmując sprawę nieco ogólniej – przez odbiornik o mocy chwilowej p(t) w czasie od t1 do t2 – jest zdefiniowana wzorem (3):

     (3)

W przypadku rozliczeń poboru energii używane jest także pojęcie energii biernej – moc bierna Q [Var] – przemnożona przez czas – daje jednostkę zwaną (kilo)warogodziną [(k)Varh].

Kierunek przepływu energii

Warto zwrócić uwagę na fakt, że kąt fazowy pozwala rozróżnić nie tylko rodzaj obciążenia, ale także – co ciekawe – kierunek przepływu energii. W powszechnie przyjętym ujęciu kwadranty I i IV na płaszczyźnie P-Q (rysunek 4) odpowiadają za pobór mocy przez obciążenie (kąt fazowy pomiędzy –90° a +90°), zaś kwadranty II i III – wytwarzanie mocy.

Rysunek 4. Podział płaszczyzny PQ na kwadranty z oznaczeniami kierunku przepływu mocy (consume – pobieranie mocy przez obciążenie, generate – wytwarzanie mocy przez obciążenie) (https://t.ly/JcwC)

Na pierwszy rzut oka podejście takie może wydawać się mało intuicyjne, jednak zasadę określania kierunku przepływu energii dobrze obrazuje przebieg mocy chwilowej w funkcji czasu – a więc „sygnał mocy”, który moglibyśmy zapisać jako p(t). Na rysunkach 5, 6 i 7 sygnał p(t) został przedstawiony żółtą krzywą.

Rysunek 5. Przebieg sygnału mocy p(t) w funkcji czasu dla obciążenia o charakterze idealnej rezystancji (https://t.ly/UOAe)

Rysunek 6. Przebieg sygnału mocy p(t) w funkcji czasu dla obciążenia o charakterze indukcyjnym (https://t.ly/UOAe)

Rysunek 7. Przebieg sygnału mocy p(t) w funkcji czasu w układzie generowania energii przez obciążenie (https://t.ly/UOAe)

Przy idealnie rezystancyjnym charakterze obciążenia całość p(t) ma znak nieujemny, a więc – co logiczne – moc chwilowa zeruje się w momencie przejścia przez zero krzywych prądu i napięcia (rysunek 5). Stopniowe zwiększanie kąta fazowego powoduje „przechodzenie” części sygnału na dolną półpłaszczyznę wykresu, co obrazuje efekt oscylowania mocy biernej w układzie – część energii jest (w każdym okresie napięcia/prądu sieciowego) oddawana do źródła (rysunek 6). W skrajnym przypadku energia przepływa w całości od obciążenia do źródła (zatem obciążenie w istocie staje się... źródłem energii) – całość sygnału mocy p(t) przyjmuje wtedy wartości niedodatnie. Pole pod krzywymi na przedstawionych wykresach obrazuje właśnie energię – jest ona wszak niczym innym, jak całką sygnału mocy chwilowej p(t) po czasie t – patrz równanie (3). Pojęcie kierunku przepływu energii zyskuje szczególnego znaczenia w urządzeniach przeznaczonych do pracy w instalacjach opartych na odnawialnych źródłach energii (OZE), służących prosumentom – odbiorcom energii, którzy są w stanie sprzedawać jej nadwyżkę, wygenerowaną lokalnie np. z wykorzystaniem paneli fotowoltaicznych – „z powrotem” do sieci elektroenergetycznej. Rosnąca popularność tego typu źródeł energii sprawia, że także w świecie układów AFE pojawia się coraz więcej rozwiązań przygotowanych do tej grupy aplikacji.

Współczynnik mocy – podstawowa definicja

Z rysunku 3 nietrudno wywnioskować, że moc pozorną można wyrazić za pomocą równania (4):

   (4)

Sama moc pozorna nie daje jednak bezpośredniej informacji o udziale mocy czynnej i biernej w całkowitym bilansie energetycznym urządzenia. Niezwykle istotnym parametrem jest zatem współczynnik mocy PF (power factor), określający stosunek mocy czynnej do mocy pozornej (5):

     (5)

Pojęcie współczynnika mocy jest szczególnie istotne zarówno w dużych instalacjach elektroenergetycznych, jak i w niewielkich zasilaczach impulsowych. Korektory współczynnika mocy w przypadku dużych, przemysłowych obciążeń o charakterze silnie indukcyjnym bazują zatem na bateriach kondensatorów, które umożliwiają zmniejszenie przesunięcia fazowego pomiędzy prądem i napięciem, a co za tym idzie – redukcję strat przesyłowych. W mniejszej skali korekcja odbywa się na drodze odpowiedniego sterowania elementami kluczującymi w zasilaczach SMPS – w taki sposób, by faza uśrednionego przebiegu prądowego „trafiała” w odpowiednie punkty sygnału napięcia.

Harmoniczne

Podane wzory i zasady sprawdzają się doskonale w przypadku „czystych” odbiorników, jednak w praktyce sytuacja jak zwykle jest znacznie bardziej skomplikowana. Współczesne odbiorniki energii (głównie zasilacze impulsowe) wprowadzają do sieci spore zniekształcenia harmoniczne, co wynika z impulsowego charakteru przebiegów prądowych. Podczas gdy kształt przebiegu napięcia sieciowego pozostaje zwykle względnie zbliżony do sinusoidy, to impulsowy pobór prądu sprawia, że przebieg mocy chwilowej w funkcji czasu [a więc także sygnał mocy” p(t)] zawiera szereg wyższych harmonicznych (rysunek 8).

Rysunek 8. Przykładowy zrzut ekranu z analizatora jakości energii elektrycznej – widmo częstotliwościowe przebiegu prądowego (https://t.ly/paeo)

Aktywne układy korektorów współczynnika mocy (PFC – power factor correction) także nie ułatwiają ograniczania zakłóceń przewodzonych, gdyż dokonują korekcji fazy podstawowej składowej sygnału prądowego za cenę… wzrostu udziału składowych wyższego rzędu.

Z powodu złożonego charakteru strat związanych z harmonicznymi prądu, w praktyce przy określaniu współczynnika mocy wykorzystuje się dodatkowy czynnik, który – pomnożony przez cosinus kąta fazowego – umożliwia pełniejsze zobrazowanie poziomu strat w systemie. Ów czynnik bazuje na wartości poziomu zniekształceń harmonicznych (THD) – wynikowe równanie pozwalające na obliczenie „praktycznego” współczynnika mocy (TPF – true power factor) ma postać (6):

     (6)

gdzie:

THDi – współczynnik zawartości harmonicznych przebiegu prądowego.

Metody pomiaru prądu

Podstawowy schemat układu do pomiaru mocy i energii pobieranej przez obciążenie (rysunek 9) stanowi dobry punkt wyjścia do rozważań teoretycznych, ale niewiele wnosi do tematu konkretnych, praktycznych realizacji układowych.

Rysunek 9. Podstawowy, uproszczony schemat układu do poboru mocy urządzenia sieciowego (https://t.ly/dLwY)

W najprostszej wersji każdy watomierz musi zawierać przynajmniej:

• kanał pomiaru napięcia,
• kanał pomiaru prądu,
• mnożnik sygnałów,
• układ do pomiaru kąta fazowego.

W przypadku liczników energii, do ww. funkcjonalności dochodzi także przyrostowa rejestracja mocy chwilowej w dziedzinie czasu, co wynika wprost z równania (3). Aspekt ten jest ważny zwłaszcza ze względu na zastosowane w układzie/oprogramowaniu metody uśredniania, filtracji, etc. – zbyt niska rozdzielczość czasowa może wprowadzać błąd pomiaru w przypadku szybkozmiennych profili poboru mocy.

Taka konfiguracja daje (teoretycznie) możliwość wyznaczenia wszystkich parametrów, które opisaliśmy wcześniej: mocy (energii) czynnej, biernej i pozornej oraz współczynnika mocy, zdefiniowanego jako cosinus kąta fazowego. Zastosowanie układów pomiarowych z szybkimi przetwornikami ADC oraz procesora sygnałowego DSP umożliwia przeniesienie całości obliczeń do domeny cyfrowej, a dodatkowo pozwala na przeprowadzenie analizy harmonicznych lub przynajmniej – intencjonalnego ograniczenia pomiaru mocy do harmonicznej podstawowej.

Sam pomiar napięcia można w większości przypadków zrealizować w dość prosty sposób (tj. przez zastosowanie dzielnika napięciowego z rezystorami o odpowiednio dużej wytrzymałości na przebicie). Pomiar natężenia prądu wymaga natomiast zastosowania jednej z poniższych technik pomiaru:

• pomiar napięcia na boczniku,
• pomiar za pomocą przekładnika prądowego,
• pomiar za pomocą cewki Rogowskiego,
• pomiar za pomocą czujnika Halla.

Poszczególne rozwiązania różnią się – oprócz dokładności pomiarowej i zakresu mierzonych prądów – także innymi, podstawowymi parametrami, spośród których warto wymienić:

• Poziom izolacji – z oczywistych przyczyn prosty układ bocznikowy nie ma żadnej izolacji, dzielącej go galwanicznie od właściwego układu pomiarowego; Cewki Rogowskiego oraz przekładniki oferują możliwość pomiaru bezkontaktowego, stąd solidna izolacja nie stanowi dla nich najmniejszej przeszkody. Pośrednim (w pewnym sensie) rozwiązaniem są scalone czujniki hallotronowe, które zapewniają dość wysoki poziom separacji galwanicznej przy rozmiarach zbliżonych do pasywnych boczników.
• Straty – sporą wadę boczników stanowią straty napięcia na rezystancji bocznika (proporcjonalne do rezystancji nominalnej i natężenia prądu), a – co za tym idzie – także wzrost temperatury i związane z nim pogorszenie dokładności pomiarowej, dlatego układ taki nadaje się raczej do mniejszych obciążeń. Cewki Rogowskiego i przekładniki sprawdzają się natomiast doskonale w pomiarach nawet bardzo wysokich natężeń prądu przy możliwości dość elastycznego wyboru skali czułości, odpowiedniej do danego zastosowania. Niewielkie straty przy małych i średnich prądach oferują także czujniki hallotronowe, w których przewodnik współpracujący z sensorem półprzewodnikowym ma rezystancję zminimalizowaną do technicznych granic możliwości.
• Rozmiary – przekładniki w większości przypadków są elementami dość dużymi (choć nie aż tak, jak typowe cewki Rogowskiego), stąd ich zastosowanie w niewielkich układach (np. monitorach poziomu mocy w niewielkich watomierzach wtyczkowych czy modułach IoT dla automatyki budynkowej) staje się problematyczne. Dla porównania, niewielkie boczniki SMD i scalone czujniki prądu można zmieścić na praktycznie każdej płytce drukowanej.
• Koszty – boczniki doskonale sprawdzają się w rozwiązaniach budżetowych, podobnie jak tańsze modele przekładników do montażu na PCB; profesjonalne cewki Rogowskiego są rozwiązaniami dość kosztownymi, choć gwoli ścisłości warto dodać, że istnieją metody na wykonanie takiego elementu w postaci… odpowiednio ukształtowanej płytki drukowanej (interesujący przykład pokazano na fotografii 1). Czujniki hallotronowe i mniejsze przekładniki należą natomiast do relatywnie tanich rozwiązań, zwykle niewiele droższych od dobrych boczników SMT.
• Przesunięcie fazowe – w zakresie relatywnie niskich częstotliwości, z jakimi mamy do czynienia przy pomiarach prądu przemiennego w użytecznym zakresie harmonicznych, niewielki bocznik bezindukcyjny nie wprowadza praktycznie żadnego przesunięcia fazowego. W przypadku cewek Rogowskiego i przekładników przesunięcie może jednak istotnie wpływać na dokładność pomiaru kąta fazowego, a co za tym idzie – także obliczanych na jego podstawie parametrów (mocy lub energii biernej i pozornej, współczynnika PF), stąd pojawia się konieczność układowej (lub programowej) kompensacji kąta fazowego dla kanału prądowego. Czujniki hallotronowe, z uwagi na dość rozbudowany tor przetwarzania sygnału, także wymagają odpowiedniej kompensacji przesunięcia fazowego.

Fotografia 1. Cewki Rogowskiego wykonane w postaci obwodu drukowanego (https://t.ly/lFy1U)

Czytelników zainteresowanych niektórymi praktycznymi aspektami pomiarów prądu odsyłamy do lektury artykułów „Pomiary natężenia prądu w systemach wbudowanych. Praktyczny poradnik”, opublikowanych na łamach EP 06/2021 i EP 07/2021.

Akty prawne i normy dotyczące urządzeń do pomiaru mocy oraz energii

W notach katalogowych front-endów czołowych producentów półprzewodników można natrafić na liczne odwołania do norm branżowych, najczęściej określanych skrótami EN50470, IEC 62053, IEC 61000-4-7 czy IEC 61000-4-30. Warto zatem przynajmniej z grubsza scharakteryzować znaczenie tych określeń.

Zagadnienie pomiarów mocy urządzeń oraz poboru energii w instalacjach mieszkalnych, przemysłowych i innych obejmuje szereg aspektów związanych z dokładnością, powtarzalnością, niezawodnością, identyfikowalnością, zastosowanym systemem jednostek miary, itd. Kwestię urządzeń do pomiaru energii elektrycznej, gazomierzy, ciepłomierzy, wodomierzy, a nawet taksometrów czy analizatorów spalin reguluje obecnie dyrektywa MID (Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2014/32/UE z dnia 26 lutego 2014 r. w sprawie harmonizacji ustawodawstw państw członkowskich odnoszących się do udostępniania na rynku przyrządów pomiarowych), która zastąpiła starą dyrektywę 2004/22/WE.

Załącznik MI-003 dyrektywy MID określa podstawowe warunki dot. dokładności pomiarów w poszczególnych podzakresach prądu obciążenia (definiując trzy klasy pomiarowe A, B i C, przy czym klasa C jest najdokładniejsza), definiuje także wykorzystywaną do prezentacji jednostkę energii (kWh lub MWh) i dopuszczalną podatność na długotrwałe czynniki zaburzające (m.in. odwrócenie kolejności faz, niezrównoważenie napięcia w licznikach wielofazowych czy też zakłócenia EMI). Dokładniejsze wymogi oraz praktyczne zalecenia dla projektantów urządzeń pomiarowych są zawarte w konkretnych normach, obejmujących poszczególne obszary aplikacyjne.

W tekście Decyzji Wykonawczej Komisji UE 2021/1402 z dnia 25 sierpnia 2021 r. można znaleźć następujące odniesienia do norm zharmonizowanych dla dyrektywy 2014/32/UE:

• EN 62058-11:2010 (Urządzenia do pomiarów energii elektrycznej (prądu przemiennego) – Odbiór sprzętu – Część 11: Ogólne metody odbioru sprzętu),
• EN 62058-21:2010 (Urządzenia do pomiarów energii elektrycznej (prądu przemiennego) – Odbiór sprzętu – Część 21: Wymagania szczegółowe dotyczące liczników indukcyjnych energii czynnej (klasy 0,5, 1 i 2 oraz klas A i B)),
• EN 62058-31:2010 (Urządzenia do pomiarów energii elektrycznej (prądu przemiennego) – Odbiór sprzętu – Część 31: Wymagania szczegółowe dotyczące liczników statycznych energii czynnej (klasy 0,2 S, 0,5 S, 1 i 2 oraz klas A i B)),
• EN 62059-32-1:2012 (Urządzenia do pomiaru energii elektrycznej prądu przemiennego – Niezawodność – Część 32-1: Trwałość – Badanie stabilności charakterystyk metrologicznych przy zastosowaniu podwyższonej temperatury).

Konstruktorzy liczników energii mają jednak do dyspozycji znacznie szerszy zakres norm, spośród których warto wymienić:

• PN-EN 50470-1:2008 – Urządzenia do pomiarów energii elektrycznej (prądu przemiennego) – Część 1: Wymagania ogólne, badania i warunki badań – Urządzenia do pomiarów (klas A, B i C),
• PN-EN 50470-3:2009 – Urządzenia do pomiarów energii elektrycznej (prądu przemiennego) – Część 3: Wymagania szczegółowe – Liczniki statyczne energii czynnej (klas A, B i C),
• PN-EN IEC 62052-11:2021-05 – Urządzenia do pomiarów energii elektrycznej – Wymagania ogólne, badania i warunki badań – Część 11: Urządzenia do pomiarów,
• PN-EN IEC 62053-21:2021-05 – Urządzenia do pomiarów energii elektrycznej – Wymagania szczegółowe – Część 21: Liczniki statyczne energii czynnej prądu przemiennego (klas 0,5, 1, i 2),
• PN-EN IEC 62053-22:2021-05 – Urządzenia do pomiarów energii elektrycznej – Wymagania szczegółowe – Część 22: Liczniki statyczne energii czynnej prądu przemiennego (klas 0,1S, 0,2S i 0,5S),
• PN-EN IEC 62053-23:2021-05 – Urządzenia do pomiarów energii elektrycznej – Wymagania szczegółowe – Część 23: Liczniki statyczne energii biernej (klas 2 i 3),
• PN-EN IEC 62053-24:2021-05 – Urządzenia do pomiarów energii elektrycznej – Wymagania szczegółowe – Część 24: Liczniki statyczne energii biernej dla częstotliwości podstawowej (klas 0,5S, 1S, 1, 2 i 3),
• ANSI C12.20-2015 – Electricity Meters – 0.1, 0.2, and 0.5 Accuracy Classes.

Najbardziej zaawansowane front-endy do pomiaru parametrów energii elektrycznej (zwłaszcza te oferowane przez firmę Analog Devices) nadają się jednak nie tylko do zastosowania w licznikach statycznych, ale nawet w analizatorach jakości energii – w tym przypadku warto zapoznać się także z następującymi normami:

• PN-EN 61000-4-7:2007 – Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 4-7: Metody badań i pomiarów – Ogólny przewodnik dotyczący pomiarów harmonicznych i interharmonicznych oraz przyrządów pomiarowych, dla sieci zasilających i przyłączonych do nich urządzeń (w paśmie do 9 kHz),
• PN-EN 61000-4-30:2015-05 – Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) – Część 4-30: Metody badań i pomiarów – Metody pomiaru jakości energii,
• PN-EN 62586-1:2018-01 – Pomiar jakości energii elektrycznej w sieciach zasilających – Część 1: Przyrządy do pomiaru jakości energii (PQI).

Front-endy do pomiaru napięcia i prądu AC, mocy oraz energii

Układy AFE przeznaczone do aplikacji metrologicznych (watomierzy oraz liczników energii) tworzą szeroką i zróżnicowaną grupę, na którą składają się propozycje wielu czołowych producentów półprzewodników. Wszystkie umożliwiają jednoczesny pomiar napięcia i prądu w jednym lub kilku kanałach (co jest konieczne dla pracy w układach trójfazowych), różnią się natomiast znajdującymi się na ich pokładzie dodatkowymi blokami funkcjonalnymi – silnikami obliczeniowymi DSP, buforami próbek, układami anti-tamper i wieloma innymi. Najbardziej zaawansowane układy, za sprawą obecności – obok właściwego front-endu analogowego – także rdzenia CPU, pamięci oraz rozmaitych bloków peryferyjnych stanowią raczej specjalistyczne mikrokontrolery z własnymi AFE niż front-endy jako takie. W tym odcinku rozpoczniemy nasz przegląd od dość uniwersalnych front-endów, które wprowadziła na rynek firma Texas Instruments.

ADS131M02/3/4/6/8

Marketingowcy Texas Instruments, co ciekawe, nie wydzielili w ofercie amerykańskiego giganta konkretnej grupy produktów przeznaczonych do pracy w roli front-endów „energetycznych”. Zamiast tego, w sekcji portalu internetowego TI poświęconej licznikom energii, można znaleźć serię dość uniwersalnych, 2-, 3-, 4-, 6- lub 8-kanałowych przetworników ADC, zdolnych do wprowadzania automatycznej korekty przesunięcia fazowego pomiędzy próbkami uzyskiwanymi z poszczególnych torów pomiarowych (rysunek 10).

Rysunek 10. Różnica fazy pomiędzy sygnałami mierzonymi przez dwa kanały front-endu (https://t.ly/uO0V)

Zadaniem przesuwników w aplikacjach liczników energii lub watomierzy jest kompensacja różnicy kąta fazowego pomiędzy sygnałem napięciowym (pozyskiwanym najczęściej z dzielnika, zatem pozbawionym istotnego metrologicznie przesunięcia fazy) a sygnałem „prądowym” (czyli napięciem wyjściowym przekładnika, cewki Rogowskiego czy też scalonego czujnika prądu).

Rysunek 11. Schemat blokowy front-endu ADS131M02 (https://t.ly/Bzjd)

Schemat blokowy najmniejszego, dwukanałowego układu z omawianej rodziny ADS131M02 – pokazano na rysunku 11. Dwa różnicowe wzmacniacze PGA o wzmocnieniu 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 lub 128 V/V i poziomie szumu od 0,42 μVrms (250 Sps, 128 V/V) do 75,34 μVrms (64 kSps, 1 V/V) pełnią funkcję buforów dla 24-bitowych przetworników delta-sigma. Każdy z kanałów ma filtr cyfrowy, cyfrowo przestrajany przesuwnik fazy oraz blok kalibracji wzmocnienia i offsetu napięciowego. Przed wzmacniaczami znajdują się (niepokazane na schemacie) multipleksery, umożliwiające – oprócz połączenia z odpowiadającymi im wejściami PGA – zwarcie wejść do masy lub podanie sygnału testowego (DC) w dowolnie wybranej polaryzacji (rysunek 12).

Rysunek 12. Schemat multipleksera wejściowego w pojedynczym kanale front-endu ADS131M02 (https://t.ly/Bzjd)

Wbudowane źródło napięcia odniesienia o napięciu nominalnym 1,2 V, dokładności ±0,1% i dryfie temperaturowym 7,5 ppm/°C (20 ppm/°C max.) umożliwia uzyskanie pełnej skali pomiarowej od (±1,2 V) przy wzmocnieniu 1 V/V do ±9,375 mV (przy wzmocnieniu 128 V/V).

Rysunek 13. Schemat blokowy zespołu filtrów cyfrowych front-endu ADS131M02 (https://t.ly/Bzjd)

Rozbudowany blok filtrów cyfrowych (rysunek 13) zarówno obsługuje normalny tryb filtracji dolnoprzepustowej, jak i wspiera tryb filtracji z krótkim czasem ustalania (fast settling), załączany po pierwszym ustabilizowaniu napięcia zasilania lub po planowym resecie front-endu, w celu skrócenia czasu do uzyskania pierwszych odczytów z ADC. W tym samym bloku jest też realizowana wspomniana wcześniej funkcja kompensacji fazowej. Każdy kanał zawiera ponadto konfigurowalny cyfrowo filtr górnoprzepustowy (rysunek 14), niwelujący potencjalne błędy wynikające z offsetów stałonapięciowych lub składowej stałej sygnału (co może być przydatne także w innych, „nieenergetycznych” aplikacjach).

Rysunek 14. Schemat multipleksera wejściowego w pojedynczym kanale front-endu ADS131M02 (https://t.ly/Bzjd)

Producent wspomina w nocie katalogowej o jeszcze jednej, bardzo użytecznej cesze opisywanej rodziny front-endów – trybach niskiego poboru mocy. Choć w przypadku urządzenia przez cały czas zasilanego z sieci energetycznej (a za takie można przecież uznać licznik energii) podobne rozwiązanie może wydawać się jedynie proekologicznym chwytem marketingowym, to w rzeczywistości ma ono niezwykle ważne zadanie w nowoczesnych, inteligentnych urządzeniach do pomiaru zużycia prądu – pozwala chronić dostawców energii przed sabotowaniem liczników poprzez odłączenie przewodu neutralnego. Więcej informacji na temat tego typu kradzieży (oraz metod, które pozwalają na jej detekcję) podamy w kolejnym odcinku Poradnika Implementacji.

Dodatkową funkcją zwiększającą niezawodność i bezpieczeństwo komunikacji z procesorem nadrzędnym (za pośrednictwem interfejsu SPI) jest wielopoziomowa obsługa sum kontrolnych (CRC), aplikowanych zarówno w odniesieniu do danych przesyłanych do/z układu, jak i do wartości wewnętrznych rejestrów konfiguracyjnych.

Podsumowanie

W tym miesiącu, nieco nietypowo, skupiliśmy się głównie na teoretycznych i normalizacyjnych aspektach front-endów, prezentując (na początek) zaledwie jedną rodzinę układów. Decyzja taka wynika wprost z obszerności oferty dostępnych na rynku, metrologicznych układów AFE i jej ścisłego powiązania z wymaganiami, stawianymi współczesnym licznikom energii oraz innym urządzeniom, działającym w oparciu o pomiar mocy (chwilowy lub przyrostowy). Przedstawiliśmy też interesujący przykład dość uniwersalnego front-endu, który – choć może z powodzeniem pełnić funkcję przetwornika ADC do rozmaitych systemów akwizycji danych – ma pewne szczególne funkcjonalności, ułatwiające budowę liczników energii. Uzbrojeni w najważniejsze informacje, w przyszłym miesiącu zajmiemy się prezentacją kolejnych przykładów AFE z ofert takich producentów, jak Microchip, ST Microelectronics czy Cirrus Logic.

inż. Przemysław Musz, EP