Funktionsprinzip eines elektronischen Zählers. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Stromzähler

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Um die über einen bestimmten Zeitraum verbrauchte elektrische Energie zu berechnen, ist es notwendig, die Momentanwerte der Wirkleistung über die Zeit zu integrieren. Bei einem Sinussignal entspricht die Leistung dem Produkt aus Spannung und Strom im Netzwerk zu einem bestimmten Zeitpunkt. Jeder Stromzähler funktioniert nach diesem Prinzip. In Abb. Abbildung 1 zeigt ein Blockschaltbild eines elektromechanischen Messgeräts.

Reis. 1. Blockschaltbild eines elektromechanischen Stromzählers

Die Implementierung eines digitalen Stromzählers (Abb. 2) erfordert spezielle ICs, die Signale vervielfachen und den resultierenden Wert in einer für den Mikrocontroller geeigneten Form bereitstellen können. Zum Beispiel ein Konverter von Wirkleistung in Pulswiederholfrequenz. Die vom Mikrocontroller gezählte Gesamtzahl der eingehenden Impulse ist direkt proportional zum verbrauchten Strom.

Reis. 2. Blockschaltbild eines digitalen Stromzählers

Eine ebenso wichtige Rolle spielen alle Arten von Servicefunktionen, wie z. B. der Fernzugriff auf den Zähler, Informationen über die gesammelte Energie und viele andere. Durch das Vorhandensein einer von einem Mikrocontroller gesteuerten Digitalanzeige können Sie verschiedene Informationsausgabemodi programmgesteuert einstellen, beispielsweise Informationen zum Energieverbrauch für jeden Monat, zu verschiedenen Tarifen usw. anzeigen.

Um einige nicht standardmäßige Funktionen auszuführen, beispielsweise die Ebenenkoordination, wird zusätzliche Software verwendet. Jetzt haben sie damit begonnen, spezielle ICs – Strom-Frequenz-Wandler – und spezielle Mikrocontroller zu produzieren, die ähnliche Wandler auf einem Chip enthalten. Für den Einsatz in kommunalen Induktionszählern sind sie jedoch oft zu teuer. Daher entwickeln viele globale Mikrocontroller-Hersteller spezielle Mikroschaltungen für solche Anwendungen.

Kommen wir nun zur Analyse des Aufbaus der einfachsten Version eines digitalen Zählers auf dem günstigsten (weniger als einen Dollar) 8-Bit-Mikrocontroller von Motorola. Die vorgestellte Lösung implementiert alle minimal erforderlichen Funktionen. Es basiert auf der Verwendung eines kostengünstigen IC-Power-to-Pulse-Frequenzumrichters KR1095PP1 und eines 8-Bit-Mikrocontrollers MC68HC05KJ1 (Abb. 3). Bei dieser Struktur muss der Mikrocontroller die Anzahl der Impulse summieren, Informationen auf dem Display anzeigen und diese in verschiedenen Notfallmodi schützen. Der betrachtete Zähler ist eigentlich ein digitales Funktionsanalog bestehender mechanischer Zähler, das für weitere Verbesserungen angepasst wurde.

Reis. 3. Hauptkomponenten des einfachsten digitalen Stromzählers

Von den Sensoren werden der Spannung und dem Strom im Netzwerk proportionale Signale entnommen und dem Eingang des Wandlers zugeführt. Der Wandler-IC multipliziert die Eingangssignale, um einen sofortigen Stromverbrauch zu erzeugen. Dieses Signal wird dem Eingang des Mikrocontrollers zugeführt, der es in Wh umwandelt und bei der Anhäufung der Signale die Zählerstände ändert. Häufige Ausfälle der Versorgungsspannung erfordern die Verwendung eines EEPROMs zur Speicherung der Zählerstände. Da Stromausfälle die häufigste Notsituation sind, ist ein solcher Schutz in jedem digitalen Zähler notwendig.

Der Programmalgorithmus (Abb. 4) für die einfachste Version eines solchen Zählers ist recht einfach. Beim Einschalten konfiguriert sich der Mikrocontroller entsprechend dem Programm, liest den zuletzt gespeicherten Wert aus dem EEPROM und zeigt ihn auf dem Display an. Der Controller wechselt dann in den Zählmodus der vom Wandler-IC kommenden Impulse und erhöht mit jedem Wh die Zählerstände.

Reis. 4. Algorithmus des Programms

Beim Schreiben in das EEPROM kann der akkumulierte Energiewert verloren gehen, wenn die Spannung abgeschaltet wird. Aus diesen Gründen wird der Wert der akkumulierten Energie zyklisch nacheinander durch eine bestimmte Anzahl von Zählerstandsänderungen, die je nach erforderlicher Genauigkeit per Software eingestellt werden, in das EEPROM geschrieben. Dadurch wird ein Verlust gespeicherter Energiedaten vermieden. Wenn Spannung auftritt, analysiert der Mikrocontroller alle Werte im EEPROM und wählt den letzten aus. Für minimale Verluste reicht es aus, Werte in Schritten von 100 Wh aufzuzeichnen. Dieser Wert kann im Programm geändert werden.

Die Schaltung des Digitalrechners ist in Abb. dargestellt. 5. Die 1-V-Versorgungsspannung und die Last werden an den Stecker X220 angeschlossen. Von den Strom- und Spannungssensoren werden die Signale an die Mikroschaltung des Wandlers KR1095PP1 mit Optokoppler-Isolierung des Frequenzausgangs gesendet. Der Zähler basiert auf dem Mikrocontroller MC68HC05KJ1 von Motorola, hergestellt in einem 16-Pin-Gehäuse (DIP oder SOIC) und mit 1,2 KB ROM und 64 Byte RAM. Um die angesammelte Energiemenge bei Stromausfällen zu speichern, wird ein kleinvolumiges EEPROM 24C00 (16 Byte) von Microchip verwendet. Das Display verwendet ein 8-Bit-7-Segment-LCD, das von jedem kostengünstigen Controller gesteuert wird, über das SPI- oder I2C-Protokoll mit dem zentralen Mikrocontroller kommuniziert und an den X2-Anschluss angeschlossen ist.

Die Implementierung des Algorithmus erforderte weniger als 1 KB Speicher und weniger als die Hälfte der Ein-/Ausgabeports des Mikrocontrollers MC68HC05KJ1. Seine Fähigkeiten reichen aus, um einige Servicefunktionen hinzuzufügen, beispielsweise den Anschluss von Zählern an ein Netzwerk über die RS-485-Schnittstelle. Mit dieser Funktion können Sie Informationen über die angesammelte Energie im Servicecenter erhalten und bei fehlender Zahlung den Strom abschalten. Mit einem Netzwerk solcher Zähler kann ein mehrstöckiges Wohngebäude ausgestattet werden. Alle Messwerte über das Netzwerk werden an die Leitstelle gesendet.

Von besonderem Interesse ist eine Familie von 8-Bit-Mikrocontrollern mit integriertem FLASH-Speicher. Da die Programmierung direkt auf der bestückten Platine möglich ist, ist der Programmcode geschützt und die Software kann ohne Installationsaufwand aktualisiert werden.

Reis. 5. Digitalrechner für digitalen Stromzähler

Noch interessanter ist die Option eines Stromzählers ohne externes EEPROM und teures externes nichtflüchtiges RAM. In Notsituationen ist es möglich, Messwerte und Serviceinformationen im internen FLASH-Speicher des Mikrocontrollers aufzuzeichnen. Dadurch wird auch die Vertraulichkeit der Informationen gewährleistet, was bei Verwendung eines externen Quarzes, der nicht vor unbefugtem Zugriff geschützt ist, nicht möglich ist. Solche beliebig komplexen Stromzähler lassen sich mit Motorola-Mikrocontrollern der HC08-Familie mit FLASH-Speicher auf einem Chip realisieren.

Der Übergang zu digitalen automatischen Strommess- und -steuerungssystemen ist eine Frage der Zeit. Die Vorteile solcher Systeme liegen auf der Hand. Ihr Preis wird ständig sinken. Und selbst auf dem einfachsten Mikrocontroller hat ein solcher digitaler Stromzähler offensichtliche Vorteile: Zuverlässigkeit durch völliges Fehlen von Reibelementen; Kompaktheit; die Möglichkeit, das Gehäuse unter Berücksichtigung der Innenausstattung moderner Wohngebäude herzustellen; Verlängerung des Überprüfungszeitraums um ein Vielfaches; Wartbarkeit und einfache Wartung und Bedienung. Mit geringen zusätzlichen Hardware- und Softwarekosten kann selbst der einfachste digitale Zähler über eine Reihe von Servicefunktionen verfügen, die bei allen mechanischen Zählern fehlen, zum Beispiel die Implementierung einer Mehrtarifzahlung für verbrauchte Energie, die Möglichkeit der automatisierten Abrechnung und Kontrolle von Strom verbraucht.

Veröffentlichung: cxem.net

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