Un Energy Monitor Versatile – Seconda Parte

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.

ALIMENTAZIONE DEL MONITOR DI ENERGIA

L’LTC2946 può essere alimentato da un’ampia gamma di sorgenti, il che semplifica drasticamente il processo di progettazione per qualsiasi applicazione. La Figura 1 mostra l’LTC2946 impiegato per il monitoraggio di una linea a tensione compresa fra 4 e 80 V.

Figura 1: L’LTC2946 è alimentato dalla linea
che viene monitorata

Non è necessaria nessuna tensione di polarizzazione secondaria, poiché il pin di alimentazione VDD può essere collegato direttamente alla linea monitorata. Se l’LTC2946 viene utilizzato per il monitoraggio di una tensione che può scendere sino a 0 V, può essere alimentato da un alimentatore secondario collegato a VDD, in un ampio intervallo di tensioni come illustrato nella Figura 2.

Figura 2: L’LTC2946 è alimentato da una linea secondaria, con ampio intervallo di tensioni

Analogamente, se è presente un’alimentazione di basso valore - sino a 2,7 V - l’LTC2946 può essere configurato come illustrato nella Figura 3 per ridurre al minimo il consumo di energia.

Figura 3: L’LTC2946 è alimentato da una linea secondaria a bassa tensione

Per alimentatori con tensioni superiori a ± 100 V, è utilizzabile il regolatore lineare incorporato collegato al pin INTVCC , in configurazioni tanto verso la linea positiva quanto quella negativa, per alimentare l’LTC2946 tramite un resistore di shunt esterno. La Figura 4 mostra un sistema di monitoraggio della potenza regolatore di shunt sul ramo positivo, con intervallo di monitoraggio dell’ingresso di oltre 100 V.

Figura 4: L’LTC2946 è alimentato dalla linea che viene monitorata

La massa dell’LTC2946 è separata da quella del circuito mediante RSHUNT e limitata con un circuito di clamping a 6,3 V sotto la tensione d’ingresso. A causa dei diversi livelli di massa, il livello dei segnali I2C dell’LTC2946 dovrebbe essere spostato per le comunicazioni con altri componenti il cui riferimento è a massa; sarebbe inoltre necessario uno specchio di corrente per misurare la tensione esterna dell’ingresso aggiuntivo del convertitore A/D. La Figura 5 mostra l’LTC2946 alimentato da un alimentatore a tensione inferiore a -100 V.

Figura 5: L’LTC2946 è alimentato da una linea secondaria, con ampio intervallo di tensioni

In questa topologia, la configurazione con regolatore di shunt sul ramo negativo consente il funzionamento fissando la tensione a INTVCC, mediante un circuito di limitazione a 6,3V sopra il valore di ingresso, che in questo caso è, appunto, il ramo negativo. Come illustrato nella Figura 6, non è necessario un resistore di shunt se l’alimentazione all’ingresso e i transitori sono limitati a una tensione inferiore a -100 V, mentre VDD misura la tensione di alimentazione alla massa del circuito rispetto alla massa dell’LTC2946.

Figura 6: L’LTC2946 è alimentato da una linea secondaria a bassa tensione

COMODITÀ DIGITALI

Coerentemente con le sue versatili opzioni di alimentazione, l’LTC2946 include una miriade di comode funzionalità digitali che semplificano i progetti. La più evidente è l’integrazione di un accumulatore e un moltiplicatore che forniscono agli utenti valori del carico e dell’energia a 32 bit e della potenza a 24 bit, alleviando il sistema host dal compito di eseguire il polling dei dati relativi alla corrente e tensione, e di eseguire eventualmente calcoli aggiuntivi. L’LTC2946 calcola la potenza moltiplicando la corrente misurata per la tensione misurata, entrambe a 12 bit. Nella modalità di funzionamento continuo, viene misurata la differenza di potenziale per ottenere i dati sulla corrente di carico; tuttavia, per quanto riguarda i dati sulla tensione è possibile scegliere tra la tensione di alimentazione, la tensione di rilevazione positiva o la tensione dell’ingresso aggiuntivo del convertitore A/D. Viene quindi calcolato un valore della potenza a 24 bit ogni volta che viene eseguita una misura di corrente. Infine, gli accumulatori del carico e dell’energia vengono incrementati con i dati sulla corrente e sulla potenza; sono in grado di memorizzare molti mesi di dati a livelli nominali dei due parametri. L’LTC2946 è dotato di registri di minimo e massimo per la corrente, la tensione e la potenza, il che elimina la necessità del polling software continuo e libera il bus I2C e il sistema host dalla necessità di dover eseguire altre operazioni. Oltre a rilevare e memorizzare valori max/min, l’LTC2946 impiega registri dei limiti min/max utilizzabili per generare un avviso se viene superato uno qualsiasi dei limiti, eliminando una volta di più la necessità che il microprocessore esegua costantemente il polling sull’LTC2946 e analizzi i dati. L’LTC2946 può anche essere configurato in modo da generare un avviso di overflow dopo che è stata erogata una specifica quantità di energia o di carico o quando è trascorso un periodo di tempo preimpostato. Per un sistema di monitoraggio dell’energia, un avviso può essere tanto prezioso quanto i registri di massimo e minimo. La Figura 7 mostra che l’LTC2946 genera un segnale di avviso tramite software e hardware. I dati misurati vengono confrontati con un’ampia gamma di soglie definibili dall’utente - di sovratensione, sottotensione, sovracorrente, sottocorrente, sovrapotenza e sottopotenza - e monitorabili simultaneamente; un registro di stato informa quindi l’utente su quali soglie parametriche sono state superate, mentre i valori di guasto effettivi vengono memorizzati in un altro registro e possono essere esaminati successivamente. Un registro di avviso separato 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. Per comunicare con i dispositivi esterni l’LTC2946 impiega un’interfaccia I2C con perfezionamenti unici. Sono disponibili nove indirizzi di dispositivi I2C, per cui è possibile prevedere facilmente più LTC2946 nello stesso sistema. Tutti i dispositivi LTC2946 rispondono anche a un indirizzo comune, cosicché il bus master può scrivere simultaneamente su numerosi LTC2946, indipendentemente dai loro indirizzi individuali. 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 33ms (condizione di bus bloccato). Un’utile linea dati I2C separata elimina la necessità di utilizzare splitter o combinatori I2C ai fini della trasmissione bidirezionale e della ricezione dei dati attraverso un ambiente isolato. Inoltre, l’opzione LTC2946-1 presenta un’uscita dati invertita per l’uso con configurazioni a optoisolatore invertente.

Figura 7: Generazione di un avviso di guasto con l’LTC2946

CONCLUSIONI

L’LTC2946 è un versatile sistema di monitoraggio dell’energia a livello di scheda, perfetto per un’ampia gamma di applicazioni, offrendo agli utenti un metodo semplice ma molto efficace di monitorare varie grandezze: corrente, tensione, potenza, energia, carico e tempo. I blocchi funzionali dalle prestazioni elevate consentono all’LTC2946 di monitorare agevolmente linee di alimentazione positive e negative, da 0 V a 100 V, con il massimo livello di precisione nella sua classe. Gli utenti hanno un’ampia scelta di configurazioni di polarizzazione, grazie ai pin di alimentazione e di monitoraggio di alte tensioni indipendenti, mentre un regolatore incorporato consente l’impiego con tensioni di alimentazione superiori a 100 V. Alle sofisticate funzionalità analogiche dell’LTC2946 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 I2C.

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