Aislamiento digital en aplicaciones de medición inteligente de energía

Los transformadores de corriente CC se han utilizado durante mucho tiempo para detectar corrientes CA en medidores de energía inteligentes, pero tienen inconvenientes y pueden ser costosos. Para algunas aplicaciones, las derivaciones resistivas son mejores sensores de corriente porque son económicas, altamente lineales e insensibles a las influencias magnéticas. Desafortunadamente, las derivaciones resistivas carecen del aislamiento eléctrico inherente de los transformadores de corriente. En aplicaciones como medidores de energía inteligentes que requieren aislamiento, los aisladores digitales con tecnología de fuente de alimentación discreta combinados con resistencias de derivación ofrecen una buena solución a este problema.

Contador inteligente a prueba de robos de una sola pasada

Considere el medidor inteligente antiinterferencia monofásico de la Figura 1. El circuito de integración frontal analógica (AFE) calcula la energía y monitorea la calidad de la carga midiendo la fase de corriente usando una derivación resistiva y la fase de voltaje usando un divisor de voltaje simple. En esta aplicación, la tensión de fase de la línea de alimentación sirve como referencia de tierra para el AFE. La medida de corriente de la línea neutra debe estar aislada para proteger el AFE de las altas tensiones. El AFE transmite las cantidades eléctricas calculadas a un microcontrolador (MCU) utilizando el estándar SPI o I.²Comunicación C. Luego, la MCU envía los datos a un módulo de comunicación, generalmente utilizando una interfaz UART donde se debe garantizar el aislamiento seguro y evitar los bucles de tierra. Por lo tanto, la MCU debe estar aislada del AFE compartiendo tierra con el módulo de comunicación (Isla 1), o del módulo de comunicación y compartiendo tierra con el AFE (Inserción 2).

El suministro de energía al medidor se deriva de las líneas eléctricas, pero la barrera de aislamiento de seguridad crea dos campos de energía. PS1 en la Figura 1 está en el mismo dominio que el escenario y se puede usar sin aislar el AFE. Sin embargo, la barrera de aislamiento de seguridad 1 o 2 requiere que se use una fuente de alimentación discreta, PS2, para alimentar la MCU y el módulo de comunicaciones (inserción 1) o solo el módulo de comunicaciones (inserción 2).

En resumen, varios puntos en un medidor de sabotaje monofásico requieren aislamiento:

• Detección de corriente de línea neutra
• Entre AFE y MCU (Inserción 1) o entre MCU y módulo de comunicación (Inserción 2)

Las señales que deben atravesar las barreras de aislamiento 1 y 2 son señales digitales. Se han desarrollado muchas tecnologías para aislar señales digitales. El enfoque tradicional utiliza optoacopladores con LED y fotodiodos. Sin embargo, existe tecnología más nueva en forma de aisladores digitales que utilizan transformadores a escala de chip. yoMellizos^® Los aisladores digitales, por ejemplo, ofrecen ventajas sobre los optoacopladores, incluida una mayor confiabilidad, un tamaño más pequeño, un menor consumo de energía, una mayor velocidad de comunicación, una mejor precisión de sincronización y facilidad de uso. La tecnología de aislamiento de chips también se puede combinar con otros circuitos semiconductores para lograr soluciones altamente integradas en un espacio reducido. Estos beneficios son mayores en aplicaciones con velocidades de datos más altas. La medición inteligente de energía es una de esas aplicaciones, ya que los nuevos medidores ahora requieren un flujo mucho mayor de información en tiempo real.

Los transformadores a escala de chip también se pueden usar en un convertidor DC-DC discreto, lo que permite integrar el aislamiento de datos y energía en un solo paquete. yoLos productos de acoplamiento brindan esta capacidad con Yo asiEnergía^® Convertidores discretos de CC a CC alojados en el mismo paquete discreto de montaje en superficie que los canales de datos remotos. Considere la corriente de línea neutra detectada en el ejemplo anterior. Un transformador de corriente se usa tradicionalmente porque proporciona aislamiento inherente, pero los transformadores de corriente deben ser tolerantes a CC para evitar la saturación, lo que aumenta su costo. También introducen un retraso de fase que varía con los componentes de frecuencia y, por lo tanto, es difícil de compensar en todo el espectro de frecuencias. Las derivaciones ofrecen ventajas significativas. Son más baratos, no pueden verse afectados por campos magnéticos externos de CA o CC y tendrían las mismas características que la derivación utilizada para detectar la corriente de fase. Sin embargo, no están inherentemente aislados. Esto se puede superar mediante el uso de aisladores digitales que incorporen un convertidor CC-CC integrado con canales de datos aislados. Esto permite una nueva estructura del contador inteligente antiinterferencias monofásico (Figura 2).

Esta nueva estructura utiliza AFE1 para medir las magnitudes eléctricas derivadas de la corriente de línea y AFE2 para medir las magnitudes eléctricas derivadas de las corrientes de neutro. Ambas corrientes se miden con derivaciones que son inmunes a los campos magnéticos externos, lo que elimina la preocupación por el sabotaje. El AFE2 se alimenta mediante un circuito integrado con una fuente de alimentación discreta basada en aisladores digitales. Se comunica con la MCU usando canales de datos discretos integrados en el mismo IC y usando la misma tecnología.

El mismo enfoque, que tiene un circuito integrado con una fuente de alimentación aislada así como canales de datos aislados, se puede aplicar al módulo de comunicación, ya que también se requiere una fuente de alimentación aislada y comunicación de datos a través de la barrera aislante.

Las ventajas de este enfoque en comparación con las fuentes de alimentación grandes, costosas y difíciles de verificar son obvias. La tecnología de aislamiento digital crea el convertidor CC-CC certificado por UL más pequeño de la industria. Los circuitos integrados tienen alta estabilidad térmica y mecánica, excelente resistencia química y buen desempeño ESD. Los diseñadores ahora pueden concentrarse en mejorar el diseño del sistema, sin preocuparse por el aislamiento.

Medidor inteligente trifásico

Se puede adoptar el mismo enfoque cuando se trata de medidores inteligentes trifásicos (Figura 3). En los sistemas tradicionales de cuatro hilos, la línea neutra se elige como referencia de tierra para el medidor AFE. Las corrientes de fase se miden mediante transformadores de corriente. La fuente de alimentación utiliza las tres fases para crear dos áreas: una que alimenta el AFE y otra que alimenta el módulo de comunicación, que debe estar aislado por razones de seguridad. La MCU se puede colocar en cualquier dominio para que haya una barrera de aislamiento entre la AFE y la MCU (inserción 1) o entre la MCU y el módulo de comunicación (inserción 2).

De manera similar al enfoque del medidor de manipulación indebida monofásico, utilizando tecnología de aislamiento digital, los sensores de corriente pueden reemplazarse por módulos aislados que usan derivaciones, y el módulo de comunicación puede alimentarse y comunicarse con la MCU usando un circuito integrado en el que el aislado los canales de energía y datos se comunican a través de la barrera de aislamiento (Figura 4).

Conclusión

Los transformadores tolerantes a la corriente CC se pueden reemplazar por aisladores y derivaciones digitales que utilizan tecnología a escala de chip para integrar tanto el aislamiento de datos como el de energía. Estos aisladores digitales tienen ventajas sobre los optoacopladores tradicionales y pueden soportar diferentes comunicaciones seriales: SPI, I²C o UART. De hecho, son una alternativa a los optoacopladores ya que ofrecen un mayor rendimiento, son más fáciles de usar y son más confiables.

Esto cambia la perspectiva del sistema de la arquitectura de medidores inteligentes:

• Tanto las corrientes de fase como las corrientes de neutro se pueden detectar con una derivación resistiva, lo que elimina la amenaza de sabotaje magnético y las dificultades para gestionar el retraso de fase del transformador de corriente.
• Los medidores monofásicos y trifásicos pueden usar una sola fuente de alimentación principal, utilizando circuitos integrados certificados por UL. Especialmente en medidores trifásicos, esto puede reducir significativamente la huella de la fuente de alimentación, lo que permite dimensiones de caja de medidor más pequeñas.