Un contatore di energia da 30A degno di nota

Se dite a qualcuno di avere installato un sistema di pannelli solari sul tetto della vostra abitazione, probabilmente vi saranno fatte molte domande, come “Quanti pannelli?” o “Qual è la capacità del sistema?” La maggior parte delle persone cercherà di valutare la potenza nominale del sistema in un modo un po’ complicato. Potrebbe quindi procedere a chiedere qual è l’efficienza dei pannelli, se l’impianto elettrico dell’abitazione è ancora collegato alla rete di utenza o qual è stato il costo dell’intero sistema – tutte domande perfettamente valide. Se invece preferite, come me, spiegare prima il quadro generale della situazione (e ridurre al minimo le domande), provate a iniziare la conversazione spiegando quanta energia consumate e generate, perché a differenza della potenza, alla fine è l’energia ciò che conta, poiché è il vero parametro di misura delle prestazioni di qualsiasi sistema per quanto riguarda sia il consumo che la generazione di energia elettrica. 

Introduzione

Il monitoraggio dell’energia presenta vantaggi analoghi in molte applicazioni, non solo in quelle di utilizzo dell’energia solare. I contatori di energia palmari, montati su rack e in linea sono largamente disponibili e impiegabili da figure come i responsabili di impianto per rilevare e assegnare l’energia elettrica sfruttata da apparecchiature e reparti, oltre che per molti altri scopi; questi ultimi possono includere anche la determinazione dell’andamento del carico, ossia delle variazioni previste del consumo di energia, che vengono confrontate con l’utilizzo attuale, consentendo di individuare le aree potenzialmente problematiche sulla base delle deviazioni dagli andamenti modellati. Dimensionando i carichi, è possibile determinare quanti dispositivi – luci, computer, batterie, ecc. – sono collegabili a un impianto in qualsiasi istante. Veicoli e biciclette elettriche possono indicare l’energia consumata a chilometro e misurare quanta energia viene erogata dalla batteria o restituita alla stessa.   Nonostante esista un gran numero di applicazioni di monitoraggio dell’energia, sono molto pochi i circuiti integrati di monitoraggio dell’energia disponibili sul mercato. Molti ingegneri sono abituati a progettare sistemi impiegando circuiti integrati di monitoraggio della potenza, come LTC2945 da 100V di Linear Technology, e servendosi di un microprocessore per tenere traccia sia della potenza che del tempo, calcolando inoltre l’energia; sebbene non sia necessario creare un programma software complesso, lo svantaggio principale di questa soluzione è che vengono impegnate risorse di elaborazione. Il modello LTC2946 di Linear Technology, anch’esso da 100V, è una soluzione più elegante che esegue misure dirette dell’energia, offrendo agli utenti la flessibilità di scegliere la resistenza di rilevamento; tuttavia, le misure di correnti elevate risultano complesse. Linear Technology ha quindi finalmente introdotto LTC2947, che incorpora una resistenza che permette di misurare fino a 30A e grazie al quale il monitoraggio dell’energia diventa estremamente pratico per le applicazioni più difficili d’oggi.

La resistenza di rilevamento rivisitata

Quando si progetta un circuito integrato di monitoraggio dell’energia o di alimentazione che utilizza una resistenza come elemento di rilevamento della corrente, calcolarla in genere è semplice: basta applicare la legge di Ohm, dividendo la tensione a fondo scala del convertitore di dati per la corrente di carico; si visita quindi il sito web di un distributore di prodotti elettrici ed elettronici per controllare quali valori di resistori sono effettivamente disponibili. Abbastanza semplice, finché non si iniziano misure di correnti a due cifre.   Consideriamo, per esempio, LTC2946 che grazie alla vasta funzionalità consentita dal bus I2C può monitorare l’energia, la carica e la potenza, e la cui tensione a fondo scala è pari a circa 100mV. Se LTC2946 viene impiegato per misurare una corrente di 30A su una linea di alimentazione, è necessaria una resistenza di rilevamento di 3,3 mΩ – facilmente disponibile, ma la cui dissipazione di potenza sarebbe uguale a 2,9W! In tutto il mondo pochissime persone, forse nessuna, sarebbero disposte a dissipare una tale potenza per eseguire una semplice misura di energia. Inoltre, a causa della notevole dissipazione di potenza, la soluzione non sarebbe “standard” in alcun senso e quindi risulterebbe alquanto costosa. Per esempio, Digi-Key offre la resistenza di rilevamento Vishay CSM3637P da 3,3mΩ ±1% e 5W, illustrata nella Figura 1a, al prezzo di $ 6,90 per mille unità. Il voluminoso package a lamina metallica di 6mm x 3mm x 0,6mm la rende praticamente un dissipatore da 5W difficile da montare.

Figura 1a: misura di energia in una linea di alimentazione da 30A mediante l’LTC2946 e una resistenza di rilevamento di 3,3mΩ

Figura 1: misura di energia in una linea di alimentazione da 30A mediante l’LTC2946 e una resistenza di rilevamento di 3,3mΩ (a) - misura di energia in una linea di alimentazione da 6A mediante l’LTC2946 e una resistenza di rilevamento di 16mΩ (b)

Se si utilizza LTC2946 per eseguire misure di correnti inferiori sulla linea di alimentazione, diciamo 6A, è necessaria una resistenza di rilevamento di 16mΩ e il valore della dissipazione di potenza sarebbe più accettabile: 0,57W. Digi-Key offre la resistenza di rilevamento Panasonic ERJ8CW da 16mΩ ±1% e 1W, illustrata nella Figura 1b, al ragionevole prezzo di $ 0,09 per mille unità; la resistenza è ospitata in un compatto package 1206 di 3,2mm x 1,6mm x 0,65mm, che non è difficile da montare e che non aumenterebbe di molto l’ingombro complessivo sulla scheda. Si ottiene così una soluzione per il monitoraggio dell’energia con precisione del 2,4% e impiegabile nella gamma di temperature di funzionamento compresa fra ˗40°C e 85°C; tale precisione potrebbe essere insufficiente per alcune applicazioni, poiché non tiene conto di eventuali imprecisioni dovute agli effetti termocoppia creati da connessioni esterne (ossia, conduttori e tracce) tra LTC2946 e la resistenza di rilevamento.  Che si desideri misurare una corrente di 30A o di 6A sulla linea di alimentazione, un’alternativa più semplice a LTC2946 sarebbe costituita dal circuito integrato di monitoraggio dell’energia LTC2947, illustrato nella Figura 2, che incorpora una resistenza di rilevamento di 300µΩ ed elimina vari problemi derivanti dall’uso di resistenze di rilevamento esterne per misurare correnti elevate: dissipazione della potenza, precisione, deriva di temperatura e altri ancora. Quando si misura una corrente a fondo scala di 30A, la caduta di tensione ai capi della resistenza di rilevamento incorporata nell’integrato LTC2947 è di soli 10mV, causando una dissipazione di potenza uguale a solo un quarto di watt circa – o uguale a 10mW quando si misura una corrente di 6A. Oltre alla bassa dissipazione di potenza, LTC2947 offre un’elevata gamma dinamica grazie al basso offset: solo 9mA (ovvero 2,7µV). La precisione delle letture di energia con compensazione della temperatura è garantita a 1,2% alla temperatura ambiente o a 1,5% nell’intera gamma delle temperature di funzionamento, ossia da -40°C a 85°C. Inoltre, LTC2947 è ospitato in un package QFN a 32 pin di 4mm x 6mm, per cui non dà problemi in progetti in cui lo spazio è limitato.

Figura 2: circuito integrato LTC2947 per il monitoraggio dell’energia o della potenza con resistenza di rilevamento incorporata

Figura 2: circuito integrato LTC2947 per il monitoraggio dell’energia o della potenza con resistenza di rilevamento incorporata

Misure di energia

Il circuito integrato LTC2947 misura molti parametri: corrente, tensione, potenza, carica, energia, temperatura e tempo (fare riferimento al diagramma a blocchi della Figura 3). Utilizza tre convertitori A/D Δ∑, due dei quali misurano la tensione e la corrente, mentre il terzo calcola la potenza. In modalità di funzionamento continuo, i convertitori A/D eseguono costantemente e simultaneamente misure di corrente, tensione, potenza e temperatura aggiornando i corrispondenti registri interni ogni 100ms. Una modalità “esecuzione singola” avvia un set di misure round-robin. Quando non occorre eseguire alcuna misura, LTC2947 può passare automaticamente alla modalità di arresto, in cui il consumo totale di corrente è ridotto a meno di 10µA, o nella modalità di inattività, in cui tutti i circuiti rimangono inseriti e pronti a passare alla modalità di funzionamento continuo, di esecuzione singola o di arresto.

Figura 3: diagramma a blocchi dell’integrato LTC2947

Figura 3: diagramma a blocchi dell’integrato LTC2947

La precisione – pari a 1,3% – con cui LTC2947 esegue le misure di energia è veramente dovuta al modo unico con cui il circuito integrato calcola la potenza. A differenza degli attuali dispositivi di monitoraggio della potenza, che viene moltiplicata alla velocità con cui opera il convertitore A/D, LTC2947 implementa uno schema di misura unico che assicura la massima precisione delle misure di potenza. Ciascuno dei tre convertitori A/D dell’integrato LTC2947 è pensato per una specifica attività. Il primo convertitore AD misura la corrente da -30A a 30A e utilizza una calibrazione di offset continua per far sì che la media di tutti i campioni d’ingresso sia calcolata con uguali fattori di pesatura e che non venga perso nessun campione.  Il secondo convertitore A/D misura sia la temperatura interna che la tensione differenziale mentre il primo convertitore A/D misura la corrente. Il valore della temperatura viene trasmesso al sistema host e utilizzato internamente dall’integrato LTC2947 per compensare la deriva di temperatura della resistenza di rilevamento interna della corrente, in modo da ottenere misure di corrente più precise. Grazie alla gamma operativa di tensioni rail-to-rail da 0V a 15V, LTC2947 è utile in molte tipologie di sistemi. Non solo i pin di rilevamento e di alimentazione alla massima tensione nominale assoluta di 20V offrono notevole headroom per applicazioni a 12V, ma la funzione di monitoraggio a tensione nulla è altrettanto utile per rilevare i livelli di corrente in situazioni di cortocircuito o di interruzione della corrente. Livelli di corrente di guasto a zero volt possono indicare subito se c’è un problema all’alimentatore o al carico, senza bisogno di circuiti aggiuntivi.   Il fattore determinante dell’efficacia dell’integrato LTC2947 nell’esecuzione di misure di energia e potenza è rappresentato a tutti gli effetti dal terzo convertitore A/D, che moltiplica corrente e tensione a una frequenza di campionamento di 5MHz prima di calcolare qualsiasi valore medio. Va tenuto presente che nei tipici circuiti integrati di monitoraggio della potenza o energia, si utilizzano uno o due convertitori A/D per misurare sia la corrente che la tensione, e i risultati vengono moltiplicati per ottenere la potenza; ma poiché normalmente si impiegano convertitori A/D Δ∑, i valori che vengono moltiplicati sono intrinsecamente quelli medi di corrente e tensione, che contribuiranno sempre a un certo errore per quanto riguarda la potenza. Anziché moltiplicare valori medi, LTC2947 moltiplica le letture originali (filtro di pre-decimazione) di corrente e tensione, quindi converte il risultato. In tal modo LTC2947 è in grado di misurare con precisione la potenza in presenza di variazioni nella corrente e tensione sino a 50kHz – ben oltre la sua frequenza di conversione. Ciò potrebbe accadere, ad esempio, se la potenza viene erogata da una batteria la cui impedenza sia notevole.   La Figura 4 mostra un esempio di una forma d’onda di corrente e tensione che presenta variazioni di fase in un intervallo di 20µs e come la potenza sarebbe calcolata in modo diverso in tipici circuiti integrati di monitoraggio dell’energia o della potenza rispetto all’integrato LTC2947. Infatti in tali circuiti integrati la potenza viene calcolata moltiplicando i valori medi di corrente e tensione, mentre con l’integrato LTC2947, la potenza viene calcolata come media del prodotti dei campioni (in questo esempio si utilizzano due campioni). Il valore della potenza calcolato con LTC2947, 102W, è più vicino a quello effettivo, mentre il valore calcolato con un tipico circuito integrato di monitoraggio dell’energia o della potenza è pari a 110W, quindi con un errore del 7,8%. Il circuito integrato LTC2947 evita questo errore e mantiene la precisione con segnali di frequenza sino a 50kHz.

Figura 4: esempio di calcolo tipico della potenza rispetto al calcolo della potenza mediante l’LTC2947

Figura 4: esempio di calcolo tipico della potenza rispetto al calcolo della potenza mediante l’integrato LTC2947

Poiché la carica e l’energia corrispondono, rispettivamente, alla corrente e alla potenza consumata nel corso del tempo, LTC2947 integra la corrente e la potenza in funzione del tempo per calcolare la carica e l’energia che fluiscono nel carico o lo lasciano. Inoltre tiene traccia del tempo accumulato totale utilizzato per l’integrazione, per la quale la base dei tempi può essere fornita da un clock interno con precisione dell’1%; in alternativa, si può usare una base dei tempi esterna da 100kHz a 25MHz. I dati relativi alla carica possono essere utili specialmente in applicazioni con batterie, nelle quali la carica è solo uno dei molti prerequisiti per la precisa determinazione dello stato di carica di una batteria. Non solo: i dati relativi all’energia sono più frequenti in applicazioni “di ogni giorno”, poiché consentono di utilizzare il carico dinamico anziché dipendere da letture di potenza statiche per le varie attività.

Comodità digitale

Il circuito digitale LTC2947 offre molte comode funzioni digitali che semplificano i progetti, la più evidente delle quali è l’integrazione di un moltiplicatore e un accumulatore che forniscono agli utenti valori della carica e dell’energia a 48 bit e della potenza a 24 bit, alleviando il compito del sistema host di eseguire il polling dei dati relativi alla corrente e tensione, ed eseguendo calcoli aggiuntivi. Un alimentatore digitale separato da 1,8V a 5,5V consente agli utenti di ottenere livelli logici a tensione diversa da quella dell’alimentatore monitorato.  Il circuito integrato LTC2947 dispone di registri di minimo e massimo per la corrente, tensione, potenza e temperatura, il che elimina la necessità del polling software continuo e libera il bus e il sistema host dalla necessità di eseguire altre operazioni. Oltre a rilevare e memorizzare valori max/min, LTC2947 impiega appositi registri per generare un avviso se viene superata una qualsiasi delle soglie, eliminando una volta di più la necessità che il microprocessore esegua costantemente il polling sull’integrato LTC2947 e analizzi i dati. Inoltre, LTC2947 può essere configurato in modo da generare un avviso di overflow dopo che è stata erogata una specifica quantità di energia o di carica oppure quando è trascorso un periodo di tempo preimpostato. Per un sistema di monitoraggio dell’energia, una risposta di avviso può essere tanto preziosa quanto registri di massimo e minimo, per cui è disponibile un registro di avviso separato che consente all’utente di selezionare quali parametri risponderanno in conformità al protocollo di risposta di avviso SMBus, dove viene trasmesso il valore ARA (Alert Response Address) e il pin /ALERT viene portato al livello basso per segnalare al sistema host l’esistenza di un evento di avviso.   L’utente può configurare i pin dell’integrato LTC2947 per supportare un’interfaccia I2C o SPI standard per la comunicazione con apparecchiature esterne. Sono disponibili sei indirizzi di dispositivi I2C, per cui è possibile progettare facilmente più LTC2947 nello stesso sistema. Un apposito timer ripristina la macchina di stato I2C interna per consentire la ripresa delle normali comunicazioni nel caso che i segnali I2C rimangano a livello basso per oltre 50ms (condizione di bus bloccato) per un motivo qualsiasi; questa apprezzata funzione di protezione in caso di bus bloccato evita che un sistema host cerchi di rimediare manualmente a una condizione di bus bloccato a livello basso, poiché ne potrebbe conseguire un ripristino del sistema che causerebbe altri problemi, costoso e lungo. Il circuito integrato LTC2947 fornisce anche una linea dati I2C divisa, molto utile perché elimina la necessità di usare splitter o combinatori I2C ai fini della trasmissione bidirezionale e della ricezione dei dati attraverso un contorno di isolamento.

Conclusione

Il circuito integrato LTC2947 è un utile dispositivo per il monitoraggio dell’energia a livello di scheda che incorpora una resistenza di rilevamento di 300 µΩ per eliminare i problemi frequenti che si presentano a causa della resistenza di rilevamento quando si devono misurare correnti elevate. A qualsiasi livello di corrente, tre esclusivi convertitori A/D forniscono all’utente letture molto precise di numerose grandezze: corrente, tensione, potenza, energia, carica, temperatura e tempo. La gamma di correnti, da ˗30A a 30A, e di tensioni, da 0V a 15V, consente all’integrato LTC2947 di funzionare in un vasto ventaglio di applicazioni, comprese quelle in cui sono presenti correnti bidirezionali. Alle sofisticate funzionalità analogiche dell’integrato LTC2947 si coniugano funzionalità digitali ugualmente preziose, che riducono l’uso di risorse del sistema host: un moltiplicatore, un accumulatore, registri di min/max, avvisi configurabili e un’avanzata interfaccia SPI o I2C. Con un ingombro di soli 24mm2 sulla scheda, l’LTC2947 è il dispositivo più notevole della linea di soluzioni finora sviluppate da Linear Technology per il monitoraggio della potenza.

 

di Christopher Gobok  Senior Product Marketing Engineer, Mixed Signal Products Linear Technology Corporation

 

 

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 17 gennaio 2017

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