Sul blog di Elettronica Open Source puoi leggere non solo tutti gli articoli Premium riservati agli abbonati Platinum 2.0 e inseriti nella rivista Firmware 2.0 (insieme ad articoli tecnici, progetti, approfondimenti sulle tecnologie emergenti, news, tutorial a puntate, e molto altro) ma anche gli articoli della Rubrica Firmware Reload. In questa Rubrica del blog abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi evergreen per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. Nel progettare un circuito destinato alla misura della potenza istantanea o dell’energia consumata nel tempo, si può pensare di far ricorso ad un microcontrollore ed una manciata di componenti esterni. Tuttavia, a causa della mole di campionamenti e di calcoli necessari in questi casi, spesso la scelta migliore è quella di far ricorso ad un componente professionale espressamente progettato allo scopo, un versatile integrato come quello descritto in questo articolo.
Nel mondo dell’elettronica d’oggi, attento al consumo di potenza, le espressioni “monitoraggio dell’energia” e “monitoraggio della potenza” spesso vengono utilizzate l’una per l’altra, mentre in realtà hanno significati leggermente diversi così come le applicazioni e i vantaggi corrispondenti. L’energia spesso è definita come la potenza consumata nel corso del tempo e misurata in joule (J) o in kilowattora (kWh), mentre la potenza corrisponde alla dissipazione di energia a velocità costante ed è misurata in watt (W). Quindi, mentre un valore nominale di potenza in genere serve a indicare quanta energia elettrica sarà consumata da un dispositivo in un determinato istante, il valore dell’energia conferma “a posteriori” quanta energia elettrica è stata consumata effettivamente durante un periodo di tempo specificato. Quindi, sebbene l’obiettivo “verde” di un sistema di monitoraggio dell’energia in definitiva possa essere identico a quello di un sistema di monitoraggio della potenza, il primo potrebbe essere più utile nella maggior parte delle applicazioni poiché va un passo oltre tenendo conto delle variazioni dei livelli di potenza nel tempo. Lasciando da parte i carichi AC, i sistemi di monitoraggio dell’energia si diffondono sempre di più e si sono già affermati in varie applicazioni con carico DC. I contatori di energia palmari, montati su rack e in linea sono largamente disponibili e impiegabili da figure professionali come, ad esempio, i responsabili di impianto per rilevare i consumi e assegnare i costi dell’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 previsti. Dimensionando i carichi, gli utenti possono determinare quante luci, computer, batterie, ecc. è possibile collegare a un impianto in qualsiasi istante. I sistemi di monitoraggio dell’energia hanno anche un utilizzo ovvio in applicazioni di generazione di energia rinnovabile, come le turbine eoliche o i pannelli solari, per controllare costantemente quanta energia elettrica DC viene generata. Analogamente, veicoli e biciclette elettriche possono indicare l’energia consumata a chilometro e misurare quanta energia viene erogata dalla batteria o restituita alla stessa. Sebbene sia possibile realizzare una soluzione discreta per il monitoraggio dell’energia impiegando un microprocessore e vari altri componenti, questa opzione viene solitamente esclusa a causa della necessità di esecuzione di un elevato numero di operazioni, del polling continuo dei dati, dell’esecuzione dei calcoli e dell’analisi dei dati. Un circuito integrato di monitoraggio dei dati specificamente realizzato offre una soluzione semplice che allevia il peso della miriade di queste gravose operazioni e in cui la combinazione dei parametri misurati - tensione, corrente, livelli di potenza e di energia – consente di controllare istantaneamente la funzionalità dell’impianto. Allarmi a soglie programmabili possono essere tutto ciò che è necessario al fine di ottenere rilevazioni tempestive dei guasti, per consentire di intervenire preventivamente, prima che si verifichino eventi catastrofici. In alternativa, gli impianti possono essere ottimizzati semplicemente comprendendo come ne varia l’utilizzo; con questo tipo di informazioni, è possibile re-destinare preziose risorse, sottraendo operazioni ai dispositivi sovrautilizzati e trasferendole a quelli sottoutilizzati.
Figura 1: Diagramma a blocchi semplificato dell’LTC2946
IL MODELLO DI RUOLO DI UN MONITOR DI ENERGIA
I sistemi di monitoraggio dell’energia possono essere costruiti in molti modi diversi, il che non deve sorprendere, poiché per monitorare l’utilizzo dell’energia in un impianto è necessaria un’ampia gamma di componenti. Per misurare la corrente sono necessari un amplificatore e un resistore di rilevazione, ed è utile soprattutto che il valore della tensione di modo comune dell’amplificatore si estenda fino al valore di alimentazione positiva e trasferisca la sua uscita con un valore da rilevare rispetto a massa. Sono necessari partitori resistivi di precisione per misurare la tensione e, se occorre monitorare più di una tensione, si deve aggiungere un multiplexer all’elenco. Il componente successivo è un convertitore analogico-digitale (A/D) multicanale, dotato di un riferimento preciso e in grado di interfacciarsi al tempo stesso con un microprocessore, eventualmente condividendo delle linee I/O con circuiti integrati vicini. Le conversioni A/D andranno sincronizzate con la base dei tempi del microprocessore per poter monitorare il tempo. Il microprocessore deve anche moltiplicare la tensione per la corrente per calcolare la potenza e sommare i valori di quest’ultima nel periodo in cui si deve calcolare l’energia. Se per ogni parametro è necessario rilevare valori di soglia o valori minimi e massimi, occorre scrivere ulteriori istruzioni di programmazione che vanno eseguite costantemente. A causa della complessità dell’intero sistema e della difficoltà di trovare componenti adatti, il monitoraggio dell’energia si presta facilmente a una soluzione integrata. Integrando tutti i necessari blocchi funzionali in un contenitore di ridotte dimensioni MSOP o QFN da 4 x 3 mm, l’LTC2946 rende il monitoraggio dell’energia molto pratico in un’ampia gamma di applicazioni in cui una soluzione discreta è fuori discussione per motivi di spazio, complessità o costo. L’LTC2946 funziona con tensioni bassissime - sino a 2,7 V - ma può monitorare la tensione e la corrente di qualsiasi linea da 0 a 100 V, nonché la propria tensione di alimentazione e un ulteriore ingresso di tensione. Un regolatore shunt incorporato offre supporto per tensioni di alimentazione maggiori di 100 V. Ai fini della flessibilità, il resistore di rilevazione è esterno, consentendo all’LTC2946 di monitorare con precisione correnti comprese tra i milliampere e decine di ampere o più. Il convertitore A/D ha risoluzione di 12 bit e un errore non corretto totale (TUE, Total Unadjusted Error) di 0,4 % per la tensione e 0,6 % per la corrente. Il TUE dell’ingresso aggiuntivo del convertitore A/D (pin ADIN) è anch’esso uguale a 0,3 % ed è utilizzabile per funzioni di monitoraggio ausiliarie. L’LTC2946 integra anche un moltiplicatore digitale per calcolare il risultato relativo alla potenza su 24 bit, oltre a un accumulatore e un oscillatore per calcolare i risultati relativi al carico e all’energia a 32 bit. Tutti i valori, le misure, i dati sullo stato e sulla configurazione sono memorizzati in registri accessibili via I2C. L’LTC2946 trova impiego in molte applicazioni complesse e dagli spazi limitatissimi: sistemi RAID, di telecomunicazioni, trasporto, di monitoraggio dell’energia solare e di controllo/elaborazione industriali. Sono necessarie solo alcune semplici connessioni con questo dispositivo. La Figura 2 mostra una configurazione in cui l’LTC2946 monitora la corrente e la tensione d’ingresso di un microprocessore da 3,3 V mentre è alimentato a 12 V; i soli componenti esterni necessari sono un resistore di rilevazione e tre resistori di pull-up.
Figura 2: Contatore di energia sul ramo positivo con LTC2946
A causa dell’ampio intervallo di tensioni di funzionamento, l’LTC2946 è utile in molti differenti impianti a bassa e ad alta tensione. Non solo i pin di rilevazione e di alimentazione alla tensione nominale massima assoluta di 100 V offrono una notevole riserva, come in applicazioni a 48 V o -48 V, ma la funzionalità di monitoraggio con rilevazione di tensione nulla è altrettanto utile per il monitoraggio dei livelli di corrente in situazioni di cortocircuito o di interruzione di rete. 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 convertitore interno A/D Δ-Σ a 12 bit esegue automaticamente la pesatura e l’eliminazione dell’ampiezza del rumore d’ingresso nell’intervallo di misurazione, per cui il funzionamento in ambienti rumorosi non è un problema. Nella modalità di scansione, il convertitore A/D misura continuamente la tensione di rilevazione differenziale, la tensione di alimentazione o di rilevazione positiva e la tensione dell’ingresso aggiuntivo del convertitore A/D in sequenza con risoluzione, rispettivamente, di 25 μV, 25 mV e 0,5 mV. Le conversioni vengono aggiornate a un’elevata frequenza effettiva - sino a 20 Hz - nella modalità di scansione continua (secondo la frequenza alla quale viene eseguita la calibrazione interna), sebbene l’utente possa selezionare anche una modalità di “istantanea” per eseguire misure di un solo ingresso, selezionabile. In applicazioni in cui l’obiettivo è la conservazione dell’energia, spesso ci si aspetta che i circuiti integrati di monitoraggio di alte tensioni abbiano elevate correnti di riposo e quindi non siano utilizzabili; ma l’LTC2946 consuma solo 0,9 mA durante il monitoraggio di una linea a 48 V e può essere spento per ridurre l’assorbimento di corrente a soli 15 μA.
