Схема. Измеритель активной мощности на микросхеме ADE7755

В журнале «Радио» описан измеритель активной потребляемой электрической мощности [1], выполненный на микросхеме КР1095ПП1 [2]. К сожалению, эта микросхема отсутствует в широкой продаже, и, что более существенно, для ее питания необходим двуполярный источник стабилизированного напряжения со средней точкой. Вероятно, по этим причинам многие отечественные производители электронных счетчиков расходуемой электроэнергии применяют зарубежный аналог — специализированную микросхему ADE7755 [3], для питания которой достаточен простой стабилизированный однополярный блок питания.

Схема измерителя мощности, собранного из готовых блоков различных счетчиков, показана на рис. 1. Микросхема ADE7755 (DA1) включена в нем по типовой схеме [4].
Основные технические характеристики
Погрешность измерения активной мощности нагрузки, %, не более……….0,65
Допустимый интервал напряжения сети, В ………………………………………176…264
Интервал измеряемой мощности, Вт ……………………………………………….22…8800
Минимальный ток нагрузки, А ………………………………………………………0,1
Максимальный ток нагрузки, А ……………………………………………………..40
Допустимый коэффициент мощности нагрузки …………………………………0.5…1
Интервал температуры окружающей среды, °С ………………………………..-20…+60
Потребляемая мощность, Вт, не более …………………………………………..1
Схема Измеритель активной мощности на микросхеме ADE7755 1
Напряжение сети через ограничивающие ток конденсатор С6 и резистор R10 поступает на стабилитрон VD1, на котором выделяются прямоугольные импульсы амплитудой 15В. Далее их выпрямляет диод VD2 и сглаживает конденсатор С10, в результате чего на стабилизатор напряжения DA2 поступает постоянное напряжение около 14,3 В. Его выходное напряжение 5 В питает микросхему DA1. Для обеспечения помехоустойчивости цепи питания цифровых и аналоговых узлов микросхемы разделены. Питание последних осуществляется через дополнительный фильтр R13C12C13.

Напряжение U1 с шунта R1, пропорциональное току нагрузки, поступает на вход U1 (выводы 5 и 6) микросхемы DA1 через ФНЧ L2R6C8 и L3R7C7. Эти фильтры необходимы, чтобы избежать наложения спектральных составляющих при дискретизации сигналов в микросхеме DA1. Той же цели служит ФНЧ L1C3 и конденсаторы С1, С4. Напряжение сети, уменьшенное делителем R2— R4 до значения U2 (около 0,2 В), поступает на вход U2 (выводы 7 и 8) микросхемы DA1.
Частота импульсов F на выходе CF (вывод 22 DA1) пропорциональна активной мощности R потребляемой нагрузкой: F=k·P где k — коэффициент преобразования (Гц/Вт). Коэффициент k зависит от сопротивления резисторов R1 и R2, а также от цифровых управляющих сигналов на входах G0, G1, S0, S1, SCF (выводы 12—16) микросхемы DA1. На схеме рис. 1 эти входы подключены так, чтобы значение k было максимально. Коэффициент k вычисляют при калибровке прибора или подбирают при его налаживании. Импульсы длительностью 18 мкс с выхода CF микросхемы DA1 проходят через резистор R11 и излучающий диод оптрона U1. Фотодиод оптрона U1 соединен с цифровым частотомером. Оптрон U1 обеспечивает гальваническую развязку с частотомером, который может быть как промышленный, так и самостоятельно изготовленный, например, по публикациям [5, 6].

Следует отметить, что частота импульсов на выходе CF не постоянна. Она пульсирует с удвоенной частотой напряжения сети. Чтобы это не влияло на точность измерений, необходимо вести подсчет числа импульсов за достаточно длительный (не менее 10с) интервал времени.
В устройстве применены готовые блоки различных счетчиков электроэнергии, в частности, использована печатная плата с деталями от счетчика СЭА11М, чертежи которой приведены в [4, с. 19]. С платы удален прецизионный двенадцатирезисторный делитель напряжения сети. Он заменен делителем R2—R4. Имевшийся на ней транзисторный оптрон заменен диодным оптроном АОД101А (U1). Дополнительно установлены резистор R12 и разъем для подключения к частотомеру.
Схема Измеритель активной мощности на микросхеме ADE7755 2
В измерителе мощности применен датчик тока (шунт) R1 сопротивлением 350 мкОм промышленного изготовления. Благодаря составу сплава сопротивление шунта почти не зависит от температуры, поэтому его самостоятельное изготовление из меди не рекомендуется, так как это ухудшит температурную стабильность показаний прибора. Однако возможно применение стандартного готового шунта, например, от неисправного амперметра или авометра.
Вместо шунта можно использовать другой датчик тока, также применяемый в счетчиках — трансформатор тока на кольцевом магнитопроводе (Т1 на рис. 2). Его первичная обмотка (I) — проводник, проходящий через центральное отверстие магнитопровода. Вторичная обмотка (II) содержит некоторое расчетное число витков. Эта обмотка, помимо своей основной функции, также подавляет высокочастотные помехи, поэтому дроссели L2 и L3 не нужны. Подробные сведения о конструкции и расчете трансформатора тока приведены в статье [1]. На рис. 2 показан пример включения трансформатора тока Т60404-Е4626-Х101, который позволяет измерять ток до 40 А и содержит 2500 витков во вторичной обмотке. Сопротивление резисторов R6 и R7 должно быть увеличено до 12 кОм, чтобы ФНЧ R6C8 и R7C7 компенсировали фазовую погрешность трансформатора тока [7].

Подавая на входы G0, G1 (выводы 15 и 16) микросхемы DA1 различные комбинации логических уровней [3], можно дискретно увеличивать чувствительность микросхемы к току нагрузки в 2, 8 или 16 раз. Максимально допустимый ток нагрузки соответственно станет уменьшаться из-за перегрузки микросхемы.
В случае применения стандартного шунта 350 мкОм используют коэффициент усиления 16, для чего выводы 15 и 16 микросхемы DA1 соединяют с плюсом питания через резистор 1 кОм, как показано на рис. 1. Использование трансформатора тока согласно рис. 2 повышает чувствительность к току нагрузки в 16 раз, в результате чего соответственно уменьшаются пределы измеряемой мощности (до 1,4…550 Вт). Если необходимо сохранить прежний интервал измеряемой мощности, выбирают коэффициент усиления, равный 1. Для этого выводы 15 и 16 микросхемы DA1 соединяют с ее общим проводом — выводом 11.

Если для прибора применен металлический корпус, его нельзя соединять ни с общим проводом, ни с выводом 2 интегрального стабилизатора напряжения DA2, поскольку в обоих случаях корпус окажется гальванически связанным с электросетью. Металлический корпус можно соединить с контактом РЕ (защитное заземление) электрической вилки. Разумеется, если электрораспределительная сеть в доме соответствует современным требованиям. В противном случае корпус прибора лучше изготовить из изоляционного материала.
Дроссели L1 и L4 согласно [4] — проводники, пропущенные через ферритовые бусины. За неимением этих бусин автор воспользовался цилиндрическими ферритовыми магнитопроводами от дросселей ДМ-0,1. Через отверстие цилиндра пропущен провод ПЭВ-2 диаметром 0,61 мм. Дроссели L2 и L3 — ДМ-0,6.
Схема Измеритель активной мощности на микросхеме ADE7755 3
Пары резисторов R6R7, R2R5 и R14R15 должны быть подобраны так, чтобы различия их сопротивлений не превышали 1 %.
Предлагаемое устройство может быть сделано из любого электросчетчика на основе микросхемы ADE7755, например, СЭА11М, СОЕ-5020, СОЕ-5020К, СОЕ-5020М. Переделка электросчетчика очень проста: вначале из него удаляют шаговый двигатель с шестеренчатым механизмом. Затем на вывод 13 (S1) микросхемы ADE7755 необходимо подать высокий логический уровень. Для этого разрывают его соединение с общим проводом и подключают этот вывод через резистор сопротивлением 1 кОм к выводу 1 (DV+) микросхемы.

Наконец устанавливают элементы R11, U1, R12 и разъем для соединения с частотомером.
Устройство не требует налаживания, но необходима его калибровка. Для этого подключают к нему активную нагрузку, например, нагревательный элемент, измеряют ток нагрузки и напряжение на ней цифровыми приборами. Вычисляют мощность, потребляемую нагрузкой. Разделив потребляемую мощность на измеренную частоту, определяют коэффициент преобразования. Если необходимо, чтобы он имел определенное значение (например, десять в целой степени или какое-нибудь иное), подбирают резисторы R2 или также R1.
Процесс измерения мощности, потребляемой кипятильником с номинальной мощностью 0,5 кВт, иллюстрирует фото на рис. 3. Коэффициент преобразования в экземпляре автора равен 4.05 Вт/Гц. Частота импульсов — 113,6 Гц, что соответствует мощности 459 Вт.

От редакции. Двенадцатирезисторный прецизионный делитель напряжения сети необязательно удалять с платы счетчика как это сделал автор. С помощью этого делителя можно точно подобрать коэффициент преобразования мощности в частоту при налаживании предлагаемого устройства.

ЛИТЕРАТУРА
1. Евсеев А. Применение преобразователя мощность—частота серии КР1095ПП1 в электронных устройствах. — Радио, 2008 № 10, с. 28-31.
2. Евсеев Д., Зайцев Ю. Преобразователи мощность—частота серии КР1095ПП1. — Радио, 2008, №11, с.39-41.
3. Energy Metering 1C with Pulse Output ADE7755 —    www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADE7755.pdf
4. Anthony Collins A Low Cost Watt-Hour Energy Meter Based on the AD7755. —    www.analog.com/static/imported-files   application_notes/AN559.pdf .
5. Борисов В., Партин А. Частотомер с цифровой индикацией. — Радио, 1985 № 11 с. 49-51; № 12. с. 49, 50.
6. Зорин С., Королева И. Радиолюбительский частотомер. — Радио, 2002 № 6 с. 28, 29; № 7, с. 39, 40.
7. Current transformers for electronic watthour meters. —    www.vacuumschmelze.de/fileadmin/documents/broschueren/kbbrosch/Curr_Transf_neu_engl.pdf   .

С. КОСЕНКО, г. Воронеж
«Радио» №8 2010г.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *