Projekty AVT - Licznik Energii Elektrycznej z AD7750 cz.1.pdf - Elektronika Praktyczna - skiii18

Projekty AVT

Licznik energii

elektrycznej

z układem AD7750

2432

Część 1

Przy budowie licznika energii należy je−

szcze chwilowe wartości mocy całkować

w czasie.

Okazuje się, że zadanie to można zreali−

zować na drodze elektronicznej – analogowo

lub cyfrowo. W przypadku analogowego

licznika energii trzeba zastosować układ

mnożący, obwód uśredniający, przetwornik

napięcie/częstotliwość oraz licznik zliczający

wytworzone impulsy. Układ mnożący nie

tylko pomnoży wartości skuteczne prądu

i napięcia, ale niejako przy okazji uwzględni

wartość cosφ, czyli przesunięcie fazy między

prądem a napięciem. Matematyczne szcze−

góły są dość zawiłe, ale nie trzeba się w to

wgłębiać – końcowy wniosek jest prosty:

układ mnożący wzbogacony o pewne “dodat−

ki” określi moc czynną i to także wtedy, gdy

przebieg prądu (lub napięcia) jest odkształco−

ny i wcale nie przypomina sinusoidy.

Dużym utrudnieniem przy budowie tego

typu urządzenia “na piechotę”, czyli z oddziel−

nych bloków i podzespołów, jest znaczny sto−

pień skomplikowania oraz wymagania doty−

czące dokładności i stabilności. Dlatego do tej

pory budowa takich urządzeń na drodze elek−

tronicznej była raczej nieopłacalna – zdecydo−

waną przewagę miały mierniki i znane z na−

szych domów liczniki elektromechaniczne.

Ostatnio sytuacja radykalnie się zmieniła,

ponieważ firma Analog Devices wypuściła

na rynek układy scalone przeznaczone wła−

śnie do budowy elektronicznych liczników

energii elektrycznej. Niniejszy artykuł opisu−

je część pomiarową elektronicznego licznika

mocy czynnej i energii. Zaprezentowany mo−

duł jest precyzyjnym przetwornikiem moc

czynna/częstotliwość. Pomiar częstotliwości

wyjściowej impulsów daje informacje

o chwilowym poborze mocy. Impulsy wyj−

ściowe z takiego przetwornika mogą być zli−

czane przez jakikolwiek licznik, na przykład

elektromechaniczny lub z silnikiem kroko−

wym – taki układ będzie pełnił rolę licznika

energii. Największe możliwości daje podanie

tych impulsów do mikroprocesora, który je

odpowiednio przetworzy, obliczając zarówno

moc, jak i energię.

Jakiś czas temu uczestnicy Szkoły Kon−

struktorów mieli za zadanie zaprojektować

prosty licznik poboru mocy i energii elek−

trycznej. Zadanie było uproszczone do granic

możliwości, ponieważ pomiar mocy miał być

dokonywany jedynie na podstawie pomiaru

prądu, przy założeniu, że napięcie nie zmie−

nia swej wartości (co nie jest do końca

zgodne z prawdą) oraz że prąd i napięcie są

ze sobą zgodne w fazie (co jest słuszne jedy−

nie dla obciążenie o charakterze rezystancyj−

nym). Uczestnicy Szkoły poradzili sobie

z postawionym zadaniem i zaproponowali

układy przydatne w praktyce. Oczywiście

układy takie nie sprawdzą się w przypad−

kach, gdy obciążenie ma charakter indukcyj−

ny bądź pojemnościowy, a nie rezystancyjny.

Po opublikowaniu wspomnianego zadania,

do redakcji napłynęły pytania i opinie. Więk−

szość pochodziła od uczniów ostatnich klas

szkół średnich i dotyczyła możliwości wyko−

nania w ramach pracy dyplomowej podobne−

go urządzenia, ale bardziej precyzyjnego,

które pokazywałoby wartość mocy czynnej,

bądź ilość zużytej energii przy obciążeniu

o dowolnym charakterze.

Próba skonstruowania “prawdziwego”

i dokładnego miernika mocy czynnej albo

licznika energii prądu zmiennego wymaga

zbudowania układu, który uwzględniałby za−

równo wahania napięcia, jak i osławiony

“kosinus fi”. Moc czynna prądu zmiennego

wyraża się bowiem wzorem:

Koncepcja

Rysunek 1 pokazuje uproszczony sche−

mat blokowy układu scalonego AD7750. Ge−

neralnie jest to układ mnożący sygnały

z wejść różnicowych V1, V2 i dający na wyj−

ściach F1, F2, F OUT impulsy o częstotliwości

proporcjonalnej do iloczynu napięć V1*V2.

Ponieważ w praktycznych układach pracy

napięcie V1 jest proporcjonalne do prądu,

układ pełni funkcję przetwornika moc/czę−

stotliwość.

Kostka, wykonana w technologii CMOS,

jest zasilana pojedynczym napięciem 5V,

a dzięki przemyślanej konstrukcji zakres ro−

boczych napięć na wejściach pomiarowych

V1, V2 wynosi ±1V. Napięcia z wejść różni−

cowych V1, V2 są podawane na wzmacnia−

cze. W torze V1 − “prądowym” można usta−

wić wzmocnienie 16x lub 1x za pomocą wej−

ścia G1. W torze V2 – “napięciowym”

wzmocnienie zawsze wynosi 2x. Wzmocnio−

ne sygnały podawane są na przetworniki ana−

logowo−cyfrowe ADC1, ADC2. Dalsza

obróbka odbywa się na drodze cyfrowej. Sy−

gnał w torze “prądowym” może być cyfrowo

odfiltrowany, by usunąć składową stałą. Do−

konuje tego filtr górnoprzepustowy HPF.

Blok opóźnienia (DELAY) jest potrzebny,

żeby skompensować przesunięcie fazowe

P= U* I* cosφ

Elektronika dla Wszystkich

Czerwiec 2000

Projekty AVT

wnoszone przez filtr HPF. Sygnały z obu to−

rów są cyfrowo mnożone (MULT) i po odfil−

trowaniu składowych zmiennych napięcie

stałe zależne od mocy podawane jest na prze−

twornik napięcie/częstotliwość.

Ostatecznie układ scalony AD7750 jest

precyzyjnym przetwornikiem moc/częstotli−

wość. Częstotliwość impulsów występują−

cych na wyjściach F1, F2, F OUT jest wprost

proporcjonalna do pobieranej mocy czynnej.

Na wyjściach F1, F2 uzyskuje się ujemne

impulsy o jednakowej, bardzo małej często−

tliwości, przesunięte w fazie. Wykorzystywa−

ne są one do sterowania zewnętrznego liczni−

ka, np. elektromechanicznego – na jedną ki−

lowatogodzinę przypada 100 albo 1000 im−

pulsów. Umożliwia to zliczanie energii z do−

stany przez współpracujący system mikro−

procesorowy.

Układ scalony zawiera też źródło napięcia

odniesienia 2,5V i obwody do podłączenia

rezonatora kwarcowego.

Wejścia FS, S1, S2 służą do programowa−

nia trybu pracy. Kostka może pracować

w ośmiu trybach. Przy pracy w roli miernika

mocy i licznika energii wykorzystywane są

tryby nr 2 albo nr 6.

Układ scalony jest niewątpliwie bardzo

skomplikowany, przez co zrozumienie wszy−

stkich szczegółów jego działania i stosowa−

nia w poszczególnych trybach nie jest takie

proste. Nie należy się jednak tym przejmo−

wać. Do wykonania i praktycznego wykorzy−

stania układu scalonego w typowej aplikacji

nie są potrzebne

pełne informacje

z karty katalogo−

wej. Wszystko, co

jest niezbędne na

dobry początek,

zawarte jest w ni−

niejszym artykule,

a ściślej w pierw−

szej jego części.

Część druga arty−

kułu przeznaczona

jest dla zaawanso−

wanych i ciekaw−

skich, którzy ze−

chcą zmienić za−

kresy pomiarowe.

Jedynie jeśli ktoś

chciałby zastoso−

wać układ w zu−

pełnie nietypowej aplikacji (np. jako cztero−

Opis modułu

Schemat ideowy modułu miernika mocy

czynnej (licznika energii) pokazany jest na

rysunku 4 . Układ mierzy moc czynną pobie−

raną przez obciążenie i daje na wyjściach

przebieg impulsowy o częstotliwości wprost

proporcjonalnej do tej mocy.

Napięcie sieci energetycznej podane jest na

punkty C, D. Odbiornik bądź odbiorniki podłą−

czone są do punktów A, B. Elementy C6, R9,

D6, D7, D8, C11, U2, C12 to beztransformato−

rowy zasilacz i stabilizator napięcia 5V.

Spadek napięcia z rezystorów RS1, RS2

proporcjonalny do płynącego prądu, podawa−

ny jest przez obwody zabezpieczające z ele−

mentami R3, R4, D1...D4 na wejścia V1+,

V1− (nóżki 3, 4). Zielone diody świecące peł−

nią tu rolę diod Zenera. Na wejścia V2+, V2−

(nóżki 6, 7) przez dzielnik R1, R1A, PR1, R5

podawane jest napięcie będące drobnym

ułamkiem napięcia sieci.

Kondensatory C1..C4 współpracujące

z rezystorami R6, R3, R4, (R7+R8) tworzą

filtry antyaliasingowe, zapobiegające

przedostawaniu się na wejście układu scalo−

nego wyższych częstotliwości pochodzących

od krótkich impulsowych zakłóceń.

Połączenia obwodów wejść V1 i V2 mo−

gą się wydać dziwne. W zasadzie są to wej−

ścia symetryczne, ale pracują jako asyme−

tryczne. Bliższa analiza pokazuje, że wejścia

V1− oraz V2− są przez wspomniane obwody

ochronne połączone z... masą układu, a ści−

ślej z wyprowadzeniem masy analogowej –

AGND (n. 5). Ze względu na wymaganą pre−

cyzję i spodziewane spadki napięć na ścież−

kach i przewodach, zastosowano taki właśnie

rozkład połączeń, co znajduje odbicie także

na schemacie ideowym.

Dodatkowy rezystor R7 o wartości takiej

jak R5 służy wyrównaniu parametrów filtrów

współpracujących z wejściami V2+, V2−.

W precyzyjnych aplikacjach należałoby zre−

sztą zastosować selekcjonowane kondensato−

ry C1...C4 o dokładnie tej samej wartości,

a rezystancje R3, R4, (R5+R6), (R7+R8) też

powinny być identyczne. Rozrzut tych warto−

ści powoduje bowiem nawet przy przebiegu

o częstotliwości 50Hz pewne niewielkie błędy

fazowe, które obniżają dokładność. W podsta−

wowej aplikacji nie trzeba się nimi przejmo−

wać, bo są to niewielkie błędy, poniżej 0,5%.

Kondensatory C5, C10 filtrują napięcie od−

niesienia. Układ jest taktowany sygnałem uzy−

skiwanym z generatora z rezonatorem kwar−

cowym Y1. Dioda świecąca D5 sygnalizuje

niewłaściwe podłączenie układu – takie,

w którym klasyczny licznik elektromecha−

niczny kręciłby się do tyłu − w praktyce taka

sytuacja ma miejsce przy dołączeniu obciąże−

nia do punktów C, D, a napięcia sieci do punk−

tów A, B. W czasie normalnej pracy dioda ta

pozostaje wygaszona, a jej zaświecenie sygna−

lizuje błąd w podłączeniu i dla powrotu do po−

prawnej pracy wymaga wyłączenia zasilania.

Rys. 1 Schemat blokowy

Rys. 2 Przykładowy licznik

kładnością odpowiednio 0,01kWh (10Wh)

oraz 0,001kWh (1Wh).

Na pomocniczym wyjściu F OUT występu−

ją dodatnie impulsy, których częstotliwość

jest 16 (albo 32, zależnie od trybu pracy) ra−

zy większa niż na F1, F2, a przebieg z tego

wyjścia jest wykorzystywany do testowania

i kalibracji modułu. Może też być wykorzy−

ćwiartkowy układ mnożący, miernik mocy

pobranej i oddanej), powinien sięgnąć do

oryginalnej karty katalogowej.

Schemat blokowy przykładowego licznika

energii z układem AD7750 i elektromechanicz−

nym licznikiem pokazany jest na rysunku 2 .

W praktyce zamiast przekładnika prądowego

można zastosować rezystor szeregowy i mierzyć

na nim spadek napięcia, jak pokazuje rysunek 3 .

Czerwiec 2000

Elektronika dla Wszystkich

Projekty AVT

Wyjściami modułu są punkty E, F oraz G,

H. Moduł zasilany jest bezpośrednio z sieci

i będzie współpracował z jakimś licznikiem

lub mikroprocesorem. Aby zredukować nie−

bezpieczeństwo porażenia, przewidziano se−

parację za pomocą dwóch transoptorów OPT1

i OPT2. Pojawienie się impulsu dodatniego na

wyjściu układu scalonego powoduje przewo−

dzenie fototranzystora w transoptorze. Dalsze

obwody (licznik, mikroprocesor) należy wy−

konać we własnym zakresie według potrzeb.

Dzięki podłączeniu nóżki 2 do plusa za−

silania tor pomiaru

prądu wzmacnia

16−krotnie sygnał

z wejść V1+, V1−.

Umożliwia to za−

stosowanie boczni−

ka (RS1, RS2)

o bardzo małej re−

zystancji.

Nóżki 11...14 U1

pozwalają ustawić

tryb pracy układu

scalonego. W wersji

podstawowej wejście

FS (n. 11) jest połą−

czone do masy –

punkty Z, Z2 są połą−

czone odcinkiem

ścieżki. Układ pracu−

je wtedy w tzw. try−

bie 2, a przebieg na

nóżce 18 ma częstotliwość 16 razy większą od

częstotliwości przebiegu głównego na wyj−

ściach F1, F2. Połączenie nóżki 11 do plusa za−

silania oznacza pracę w tzw. trybie 6, gdy czę−

stotliwości na wyjściach F1 i F OUT są większe.

Kto nie ma ochoty, nie musi wgłębiać się

w szczegóły – będzie pracował w trybie 2.

Na schemacie pewne obwody zaznaczono

kolorem czerwonym. W drugiej części arty−

kułu podano informacje o możliwych zmia−

nach w tych obwodach – w wersji podstawo−

wej nie ma to znaczenia.

Montaż i uruchomienie

Układ można zmontować na płytce druko−

wanej, pokazanej na rysunku 5 . Warto zacząć

od wlutowania jedynej zwory umieszczonej

Rys. 3 Przykład do zastosowania

Uwaga!

W układzie występują

napięcia groźne dla życia

i zdrowia. Osoby niepełnolet−

nie mogą wykonać, urucho−

mić i skalibrować układ

tylko pod opieką wykwalifi−

kowanych osób dorosłych.

Rys. 4 Schemat ideowy

Elektronika dla Wszystkich

Czerwiec 2000

Projekty AVT

obok kondensatora C3, a potem montować

elementy, poczynając od najmniejszych. Sam

montaż jest klasyczny i nie powinien sprawić

trudności nawet początkującym. Delikatny

i dość kosztowny układ scalony AD7750 nale−

ży włożyć do podstawki po zmontowaniu

wszystkich innych elementów. Uwaga! W we−

rsji podstawowej punkty oznaczone X, Y, U,

W, Z, Z1, Z2 nie są wykorzystane – nie nale−

ży ich łączyć.

cy około 200...300W, co daje prąd bliski no−

minalnemu 1,5A. Należy zmierzyć prąd pły−

nący przez to obciążenie i napięcie na nim.

Ich iloczyn (U*I) da moc czynną P, pobiera−

ną aktualnie przez to obciążenie. Znając moc

należy obliczyć odpowiadającą jej częstotli−

wość na wyjściu F1 (F2). :

F1=0,2777(7)Hz/kW * P

W praktyce łatwiej mierzyć (w trybie 2 −

16 razy) większą częstotliwość na wyjściu

F OUT przeznaczonym właśnie do te−

stów i kalibracji. Dla tego wyjścia

współczynnik przetwarzania ma wy−

nosić 4,444(4)Hz/kW, czyli częstotli−

wość F OUT wyniesie:

F OUT =4,444(4)Hz/kW * P

Znając aktualnie pobieraną moc

i odpowiadającą jej częstotliwość, na−

leży ustawić taką częstotliwość za po−

mocą potencjometru PR1. Ponieważ

częstotliwości są bardzo małe, za−

miast nich należy mierzyć okres T,

czyli zamiast częstościomierza trzeba

użyć czasomierza, a potem policzyć

częstotliwość z zależności f=1/T.

Miernik zaleca się dołączyć nie

wprost do wyjść F1 bądź F OUT , tylko

za transoptorami, do punktów E−F,

bądź G−H, dobudowując prościutki

układ z zasilaczem (baterią) i rezysto−

rem według rysunku 6 .

Kto nie ma odpowiedniego mier−

nika, mierzącego dokładny czas

w zakresie sekundy....kilkunastu se−

kund, może wykorzystać sposób za−

stępczy ze stoperem: zliczać impulsy

z wyjścia Fout w dłuższym odcinku

czasu (kilka minut), a potem obliczyć

częstotliwość dzieląc liczbę impulsów przez

czas pomiaru. Można też za pomocą stopera

lub nawet zegarka zmierzyć czas, w jakim

pojawi się np. 10 impulsów na wyjściu F1,

a potem policzyć okres jednego cyklu i czę−

stotliwość. Czym dłuższy czas pomiaru (wię−

cej impulsów), tym większa dokładność. Do

liczenia impulsów podczas takiej kalibracji

nie będzie potrzebny żaden licznik – wystar−

czy liczyć je osobiście. Właśnie w tym celu

przewidziano czerwone diody świecące D9,

D10, które w wersji podstawowej nie są

montowane. Potrzebne będą jedynie do takiej

uproszczonej kalibracji – po ich wlutowaniu

należy przeciąć umieszczone pod nimi odcin−

ki ścieżek. Po kalibracji należy je zewrzeć,

by nie obniżać prądu płynącego przez trans−

optory.

Po opisanej kalibracji, czyli ustawieniu

właściwej częstotliwości, każde 1000 im−

pulsów na wyjściu F1 będzie oznaczać zu−

życie 1 kilowatogodziny energii. Podane in−

formacje wystarczą do wykonania użytecz−

nego układu. Kto chciałby bliżej poznać

układ AD7750 i jego pobratymców, znaj−

dzie wiele ważnych informacji w drugiej

części artykułu, w następnym numerze

EdW.

Piotr Górecki

Wykaz elementów

Rezystory

R1,R1A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187k Ω

R3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,7k Ω 1W

R4,R6,R8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4,7k Ω

R5,R7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 Ω

R9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .330 Ω 0,5W

R10−R12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1k Ω

RS1,RS2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,1 Ω 3W

PR1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100k Ω helitrim

Rys. 5 Schemat montażowy

Kondensator

C1−C4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3,3nF

C5, C9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF ceramiczny

C6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .330nF/400V

C7, C8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33pF

C10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10µF/16V

C11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1000µF/25V

C12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100µF/16V

W wersji podstawowej nie występują tak−

że diody świecące D9, D10. Nie trzeba ich

montować

Stopień trudności projektu wyznaczono

na trzy gwiazdki nie ze względu na kłopoty

montażowe, tylko ze względu na ryzyko po−

rażenia (zasilanie wprost z sieci) oraz na fakt,

że sam moduł nie stanowi kompletnego urzą−

dzenia – jest to jedynie przetwornik, który

będzie współpracował albo z jakimś liczni−

kiem, albo, co bardziej prawdopodobne –

z mikroprocesorem.

Układ zmontowany ze

sprawnych elementów bę−

dzie od razu działał, należy

go tylko skalibrować.

Uwaga! Podczas procesu

kalibracji należy zachować

szczególną ostrożność, po−

nieważ na elementach ukła−

du wystąpią potencjalnie

śmiertelne napięcia sieci.

Na czas kalibracji do

wyjść A, B należy podłączyć

obciążenie rezystancyjne

(np. grzałkę, żarówkę) o mo−

Półprzewodniki

D1−D4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED zielona 3mm

D5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED czerwona 3mm

D6, D7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4007

D8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .dioda Zenera 24V

*D9,D10 . . . . . . . . . . . . .LED czerwona (patrz tekst)

OPT1, OPT2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .CNY17

U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .AD7750

U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LM7805

Rys. 6 Obwody wyjściowe

Inne

Y1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .kwarc 3,58MHz

* Nie wchodzą w skład kitu.

Komplet podzespołów z płytką jest

dostępny w sieci handlowej AVT jako

kit szkolny AVT−2432

Czerwiec 2000

Elektronika dla Wszystkich

Projekty AVT - Licznik Energii Elektrycznej z AD7750 cz.1.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: