CC BY
30Семейство микросхем
для контроля за расходом электроэнергии фирмы Cirrus Logic
Проблема замены устаревших электромеханических счетчиков расхода электроэнергии электронными стоит сегодня достаточно остро. Применение цифровых электронных счетчиков имеет такие немаловажные преимущества, как возможность контроля за подачей напряжения и характеристиками сети, дистанционного измерения потребляемой мощности, высокую точность измерений и малое собственное энергопотребление счетчика, а также легкость съема показаний. С целью удовлетворения растущей потребности промышленности в подобных устройствах, фирмой Cirrus Logic было разработано и серийно выпускается целое семейство микросхем, предназначенных для измерения потребляемой мощности в одно- и трехфазных сетях переменного тока.
Алексей Сигаев ервой выпущенной в рамках данного семей-
ства микросхемой является чип 085460 — phantom@tversu.ru измеритель потребляемой от однофазной се-
ти переменного тока мощности. Структурная схема этого устройства представлена на рис. 1. Микросхема содержит в себе входной усилитель с программируемым коэффициентом усиления, двухканальный дельта-сигма АЦП, высокоскоростной модуль вычисления значений потребляемой энергии, мгновенных значений мощности, 1ИМ8 и УИМ8, а также двунаправленный последовательный интерфейс для связи с микроконтроллером. Для исключения влияния постоянной составляющей на измеряемые показатели микросхема содержит также два цифровых фильтра (для значений тока и напряжения), обеспечивающих эффективное подавление частот ниже 0,5 Гц. Измеритель С85460 оптимизирован для ис-
Рис. 1
пользования в качестве датчика тока шунта или трансформатора тока, а в качестве датчика напряжения — резисторного делителя или трансформатора. Также чип имеет выход, частота сигнала на котором зависит от измеренного значения потребляемой энергии. Питание аналоговой части микросхемы может быть как однополярным (+5 В), так и двухполярным (±2,5 В), а цифровая часть допускает напряжение питания от 3 до 5 В; собственное энергопотребление микросхемы составляет при этом менее 12 мВт в рабочем режиме. CS5460 содержит также встроенный источник опорного напряжения 2,5 В, имеющий стабильность 60 ppm/°C, что дает возможность обойтись без применения внешних ИОН, а наличие схемы калибровки позволяет достичь точности измерения показателей до 0,1% в динамическом диапазоне 1000:1.
Структурная схема законченной конструкции счетчика расхода электроэнергии, выполненного на базе CS5460, представлена на рис. 2. Помимо CS5460 и соответствующих входных цепей, схема содержит также управляющий микроконтроллер (8052), устройство отображения информации (LCD или механический индикатор) и канал связи с персональным компьютером или устройством снятия показаний. Как видно из схемы, реализация с использованием CS5460 счетчиков расхода электроэнергии требует наличия минимума внешних компонентов, что позволяет создавать достаточно недорогие устройства, предназначенные для замены электромеханических аналогов.
Дальнейшим шагом в развитии семейства микросхем для контроля за расходом электроэнергии стал выпуск усовершенствованной модификации чипа CS5460, которая получила название CS5460A. Основное отличие заключается в том, что новое устройство позволяет реализовывать на его основе счетчики расхода электроэнергии без использования микроконтроллеров. Это обеспечивается благодаря тому,
Volteg*
Tiaiuluiniv
К?
Opfl0A<|l
enoloq ,41_______
Input
I leader
Pevro/ Supply
0.1 “
ID U
VA* vfw
0,1 j,tf
vw
w.
— —r vi m JUN
- XOUT
CS346C
ч * V1N-
jl «fsrr
V K7
W t INN* 50l
Ф SDO
*t"— sax
I С л 1ЯТ
W * INN. tOUT
1 Ш
VtCTlN
* VtEfOUT
0.1 Ilf
VA POND
1 •
ICO
Vp
Port 2
D052 К
-!W -SO TX
• INTO BX
••PI 1
-PI.? Pnti a
J
Mmliuniait
lofnKw
4
U'
Daughter r Boortl
I IduJvi
UNt
H !L I
2503 1
1 Nr \n!
fo
Service
Рис. 2
что при подаче питания микросхема может считывать калибровочные данные и начальные параметры из внешней EEPROM (режим Auto Boot). Помимо этого, отличие от CS5460 состоит еще и в наличии у CS5460A встроенного драйвера механического счетчика или шагового двигателя, что позволяет максимально удешевить конструкцию потребительской системы измерения расхода электроэнергии. В остальном же новая микросхема полностью повторяет своего предшественника и является совместимой с ним по расположению выводов.
В дополнение к практически функционально законченной системе измерения расхода электроэнергии фирма Cirrus Logic выпустила и две микросхемы дельта-сигма АЦП, предназначенные для использования в системах измерения потребляемой мощности. Эти микросхемы являются практически идентичными и отличаются только числом каналов (1 + 1 у CS5471 и 3+3 у CS5451), что определяет область их применения: CS5451 предназначена для измерения мощности в трехфазных сетях переменного тока, а CS5471 — для измерений в однофазных сетях. На
рис. 3. приведена структурная схема более простого одноканального варианта — CS5471. Обе микросхемы имеют двухполярное (+3, -2 В) питание аналоговой части и потребляют в рабочем режиме порядка 20 мВт. При этом оба АЦП содержат встроенный преобразователь для получения отрицательного питающего напряжения -2 В из положительного 3 В, что значительно упрощает их использование. В состав чипов входит также источник опорного напряжения 1,2 В, имеющий стабильность 25 ppm/°C. Входные цепи CS54x1 практически аналогичны входным цепям CS5460 и отличаются от них только коэффициентом усиления входного усилителя. Выдача результатов измерений осуществляется через высокоскоростной последовательный канал, позволяющий подключить эти АЦП к любому современному микроконтроллеру или процессору цифровой обработки сигналов.
В целом, семейство микросхем для контроля за расходом электроэнергии фирмы Cirrus Logic позволяет решать практически любые задачи по его измерению, а также измерению мгновенных значений потребляемой мощности, IRMS и VRMS. Н
