Новые компоненты STMicroelectronics для учета электроэнергии

3 ноября

учёт ресурсовSTMicroelectronicsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалыУчет энергииSigma-Delta

Александр Русу (г. Одесса)

Микросхемы STPM32, STPM33 и STPM34 производства STMicroelectronics являются наиболее точными и высокопроизводительными представителями своего семейства и способны максимально точно измерять параметры электрической сети в системах электроснабжения переменного тока, а также осуществлять их первичную обработку. Отладочные платы на базе STPM3х являются практически готовыми решениями, которые позволяют реализовать высокоточные измерительные приборы и модули с минимальными затратами времени и средств на реализацию ваших решений.

Необходимость внедрения автоматизированных систем контроля и учета всех видов энергоресурсов, в том числе и электроэнергии, является необходимостью современного мира. Непрерывный контроль и анализ качества потребления электрической энергии в режиме реального времени позволяет не только своевременно обнаружить аварийные ситуации, например, утечки тока, вызванные нарушением изоляции в распределительных сетях, а также оптимизировать энергопотребление системы в целом, что снижает и экономические затраты предприятия, и экологическую нагрузку, создаваемую им на окружающую среду. Современные системы учета энергоресурсов работают в автоматическом режиме и могут круглосуточно контролировать параметры энергопотребления без участия человека, информируя операторов лишь при обнаружении ситуаций, выходящих за рамки предустановленных сценариев.

Очевидно, что реализация вышеперечисленных функций невозможна без наличия специализированных инструментов, позволяющих не только измерять параметры энергопотребления, но и преобразовывать их в форму, удобную для последующей обработки цифровыми интеллектуальными системами. На сегодняшний день микросхемы, предназначенные для измерения параметров потребления электрической энергии в промышленных системах электроснабжения переменного тока, разрабатываются многими ведущими производителями электронных компонентов. Среди них одно из первых мест занимает компания STMicroelectronics, уже много лет являющаяся одним из лидеров производства микроконтроллеров и решений для цифровой обработки сигналов. Не так давно в каталогах этой компании появились новые микросхемы, позволяющие измерять параметры энергопотребления с более высокой точностью.

Общие сведения о микросхемах STPM3х

Микросхемы STPM32, STPM33 и STPM34 являются дальнейшим совершенствованием линейки метрологических приборов производства компании STMicroelectronics (рисунок 1). Как видно из рисунка, на момент написания статьи микросхемы STPM3х являются наиболее точными и высокопроизводительными приборами в данном семействе, способными не только измерять параметры электрических процессов в системах электроснабжения переменного тока, но и выполнять их первичную обработку, благодаря наличию цифрового сигнального процессора (ЦСП).

Рис. 1. Семейство метрологических микросхем компании STMicroelectronics

Рис. 1. Семейство метрологических микросхем компании STMicroelectronics

Микросхемы STPM3х могут иметь до четырех независимых измерительных каналов. В частности, микросхемы STPM31 имеют по одному каналу для измерения напряжения и тока, STPM32 – один канал для измерения напряжения и два канала для измерения тока, а STPM33 – по два измерительных канала для каждого из параметров (рисунок 2). Такой модельный ряд позволяет выбрать микросхему, максимально походящую для конкретной задачи. Например, микросхемы STPM31 идеально подходят для классических однофазных счетчиков, STPM33 – для двухфазных, в том числе и для систем с расщепленной фазой (Split-Phase Power Systems), а микросхемы STPM32, благодаря наличию двух каналов для измерения тока, могут использоваться в различных узкоспециализированных приложениях. Так, в однофазных системах электроснабжения микросхемы STPM32 могут измерять ток и в фазном, и в нулевом проводах, что позволяет определять не только количество потребленной энергии, но и наличие скрытых повреждений, например, утечек тока на землю через поврежденную изоляцию или факт несанкционированного вмешательства в систему.

Рис. 2. Структурная схема микросхем STPM34

Рис. 2. Структурная схема микросхем STPM34

Каждый аналоговый входной сигнал оцифровывается индивидуальным 24-разрядным сигма-дельта-АЦП, что позволяет значительно повысить скорость формирования цифровой информации и расширить диапазон рабочих частот измерительных трактов до 3,6 кГц. Оцифрованные данные через общий цифровой фильтр поступают на цифровой сигнальный процессор, выполняющий расчет и анализ параметров энергопотребления.

Результатом измерений микросхем STPM3х являются мгновенные и действующие (среднеквадратические) значения напряжений и токов, мгновенные и средние значения всех видов мощности (активной, реактивной и полной), а также количество потребленной активной и реактивной энергии. Кроме этого, микросхемы STPM3х определяют также и частоту напряжения в сети, что является необходимым условием для корректных расчетов. Результаты измерений сохраняются во внутренних регистрах микросхем STPM3х и могут быть в любой момент переданы центральному процессору по интерфейсам SPI или UART с возможностью автоматического формирования контрольной суммы для проверки целостности передаваемых данных.

Микросхемы STPM3х имеют два настраиваемых импульсных канала (LED1 и LED2), рассчитанных на подключение одиночных светодиодных индикаторов, с помощью которых можно информировать пользователя, например, о количестве потребленной энергии. В этом случае один импульс соответствует некоторому настраиваемому количеству потребленных киловатт-часов. Кроме этого, в микросхемах STPM3х также предусмотрены два программируемых цифровых выхода: INT1 и INT2 (в микросхемах STPM31 – только канал INT1), предназначенных для оперативного информирования центрального процессора о возникновении аварийных ситуаций, например, о наличии перегрузки по току.

Опорные напряжения VREF1 и VREF2, необходимые для работы АЦП, являются индивидуальными для каждой пары измерительных каналов (напряжение + ток) и могут формироваться как внешними, так и внутренними узлами микросхемы. Особенностью встроенных источников опорных напряжений (ИОН) VREF1 и VREF2 является наличие независимой настройки выходного напряжения с разными уровнями термокомпенсации, что позволяет значительно уменьшить влияние температуры на точность измерений.

Кроме этого, микросхемы STPM3х содержат полный комплект вспомогательных узлов, необходимых для работы, в том числе тактовый генератор, LDO-стабилизаторы напряжения питания внутренних узлов, источники опорных напряжений и многие другие. Это позволило значительно уменьшить количество внешних компонентов, требуемых для работы микросхем STPM3х, и, соответственно, площадь печатной платы, необходимой для размещения измерительных узлов на их основе. Двухканальные микросхемы STPM32 выпускаются в корпусах QFN24L с размерами 4х4х1 мм, а STPM33 и STPM34 – в корпусах QFN32L с размерами 5х5х1 мм. Диапазон рабочих температур всех модификаций STPM3х находится в диапазоне -40…85⁰С.

Ключевыми преимуществами линейки STPM3х являются:

  • высокая точность измерений активной мощности: максимальная погрешность измерений зависит от динамического диапазона измеряемых сигналов и не превышает 0,5% для диапазона 10000:1 и 0,1% для диапазона 5000:1;
  • повышенная точность измерений реактивной мощности: максимальная погрешность не превышает 0,1% в динамическом диапазоне 2000:1;
  • соответствие стандартам EN 50470-x, IEC 62053-2x и ANSI12.2x, что позволяет использовать их в сертифицированных приборах для учета электроэнергии переменного тока промышленной сети с частотой 50/60 Гц (параметры микросхем STPM3х превосходят большинство требований этих стандартов);
  • два варианта расчета полной мощности: на основании действующих значений напряжения и тока и на основании результатов расчета активной и реактивной мощности;
  • измерение мгновенных и средних значений мощности;
  • измерение мгновенных и действующих значений напряжения и токов;
  • обнаружение провалов и всплесков напряжения, а также перегрузки по току с возможностью формирования сигналов прерывания на линиях INT1 или ITN2;
  • два коммуникационных интерфейса (UART и SPI) с возможностью расчета контрольной суммы для проверки целостности передаваемой информации;
  • два программируемых выхода LED1 и LED2, которые можно использовать для управления светодиодными индикаторами или формирования дополнительных прерываний центральному процессору;
  • использование 24-разрядного сигма-дельта-АЦП второго порядка в каждом измерительном канале;
  • использование малошумящих чопперных операционных усилителей с малым уровнем напряжения смещения и программируемым коэффициентом усиления в каждом канале измерения тока;
  • расширенная полоса пропускания измерительных трактов: до 3,6 кГц при неравномерности 3 дБ;
  • малое значение напряжения питания 3,3 В ±10%, совместимое с напряжением питания распространенных микроконтроллеров;
  • малый потребляемый ток (4 мА для STPM32);
  • возможность работы с несколькими источниками тактового сигнала 16 МГц (внешним источником или внутренним генератором, стабилизированным внешним кварцевым резонатором);
  • два источника опорных напряжений с независимой настройкой выходного напряжения и коэффициента термокомпенсации (типовые значения 1,23 В, 10 ppm/°C);
  • наличие интегрированного LDO-стабилизатора с выходным напряжением 3,0 В для питания внутренних узлов микросхемы;
  • малогабаритный корпус QFN24L (для STPM32) или QFN32L (для STPM33/34);
  • широкий диапазон рабочих температур -40…85°С.

Особенности измерительных каналов 

Основным отличием каналов, предназначенных для измерения тока, от каналов, используемых для измерения напряжения, является наличие дополнительного усилителя со встроенной схемой компенсации дрейфа напряжения смещения, позволяющего усиливать сигналы с датчиков тока, уровня которых обычно не достаточно для непосредственной оцифровки. Коэффициент передачи по напряжению этих усилителей программируется и может принимать одно из четырех значений, позволяющих работать с сигналами, имеющими максимальную амплитуду, равную ±37,7, ±75, ±150 и ±300 мВ.

Каждая пара измерительных каналов (напряжение + ток) имеет собственный источник опорного напряжения (VREF1 для первой пары каналов и VREF2 для второй), который может быть как внутренним, так и внешним. Внутренние источники опорного напряжения являются термокомпенсированными, и их выходное напряжение зависит от температуры (рисунок 3). Это позволяет, с одной стороны, максимально адаптировать параметры измерительного канала под конкретную пару датчиков, а с другой – максимально упростить калибровку уже собранного прибора. Фактически после проведения калибровки всего в одной точке измерительный прибор на основе микросхем STPM3х может соответствовать классу точности 0.2.

Рис. 3. Зависимость выходного напряжения источников опорного напряжения VREF1 и VREF2 от температуры при разных значениях конфигурационных битов TC

Рис. 3. Зависимость выходного напряжения источников опорного напряжения VREF1 и VREF2 от температуры при разных значениях конфигурационных битов TC

Возможность регулировки коэффициента передачи по напряжению каждого усилителя в совокупности с возможностью формирования индивидуального опорного напряжения для каждой пары измерительных каналов позволяют максимально адаптировать измерительный тракт под конкретные датчики напряжения и тока, используемые в устройстве. В качестве датчиков напряжения могут использоваться резистивные делители или трансформаторы напряжения. Токовые каналы микросхем STPM3х могут работать с первичными преобразователями тока в напряжение на основе токовых шунтов (токоизмерительных резисторов), трансформаторов тока, а также датчиков на основе пояса Роговского (катушек Роговского). При этом каждый усилитель токового канала имеет возможность автоматической коррекции коэффициента усиления, что позволяет повысить точность измерения тока при использовании датчиков, характеристики которых зависят от температуры.

Каждый измерительный канал микросхем STPM3х имеет возможность индивидуальной настройки, что позволяет компенсировать расхождения в коэффициенте передачи напряжения (для датчиков напряжения), коэффициенте преобразования тока в напряжение (для датчиков тока) первичных преобразователей, напряжении смещения, а также времени передачи сигнала (фазового сдвига). Для проведения калибровки необходимо подключить настраиваемый прибор к источнику эталонных сигналов (напряжения и тока) и, руководствуясь рекомендациями, приведенными в технической документации на микросхему, определить калибровочные значения для каждого из настраиваемых параметров. Калибровку достаточно проводить в единственной точке, после чего измерительный прибор будет обеспечивать требуемую точность во всем диапазоне измеряемых сигналов и рабочих температур.

Область применений

Микросхемы STPM3х являются высокоинтегрированными решениями, требующими для своей работы всего нескольких пассивных внешних компонентов (рисунок 4). Основной областью применения микросхем STPM3х являются прецизионные счетчики электрической энергии, предназначенные для проведения измерений с классом точности 0.2. Однако список приложений, где можно использовать эти микросхемы, не ограничивается только этим типом метрологических приборов. Микросхемы данного класса можно применять в любых устройствах и системах, где требуется анализ количества и качества электрической энергии, проходящей через системы электроснабжения переменного тока промышленной частоты 50/60 Гц.

Рис. 4. Принципиальная схема измерительной части прибора на основе STPM34, предназначенного для измерения параметров электроснабжения в двухфазной сети переменного тока 50/60 Гц

Рис. 4. Принципиальная схема измерительной части прибора на основе STPM34, предназначенного для измерения параметров электроснабжения в двухфазной сети переменного тока 50/60 Гц

К примеру, микросхемы STPM3х могут стать хорошей основой для измерительных модулей современных интеллектуальных автоматизированных систем типа «умный дом» или «умный город», для которых анализ, контроль и оптимизация уровня потребления электроэнергии являются одними из основных функций. Микросхемы STPM3х также могут входить в состав систем гарантированного питания медицинского, телекоммуникационного и информационного оборудования, например, в качестве измерительного узла источников бесперебойного питания, для которых быстрая реакция на события в системе электроснабжения так же важна, как и количество потребленной электрической энергии. Кроме этого, измерители на основе микросхем этого типа могут использоваться в различном промышленном оборудовании, электроинструментах, интеллектуальных системах освещения, инверторах солнечных и ветряных электростанций и любых других приложениях, требующих для своей работы цифровой информации о параметрах напряжения и тока системы электроснабжения, а также количества и качества потребляемой энергии.

Средства для разработки

Несмотря на относительную простоту, формирование навыков практической работы с микросхемами STPM3х требует определенного времени. Наиболее сложным этапом работы с любыми новыми продуктами, в том числе и с микросхемами STPM3х, является этап первичного ознакомления, когда даже небольшая ошибка, например, в трассировке проводников печатной платы, может стать причиной принятия ошибочного решения о несоответствии нового прибора требованиям технического задания. Понимая этого, компания STMicroelectronics разработала линейку отладочных плат, с помощью которых можно в кратчайшие сроки начать работу с требуемым продуктом, не отвлекаясь на решение стандартных инженерных задач.

Для разработки однофазных энергометров оптимально подходит оценочная плата EVALSTPM32 на основе микросхемы STPM32 (рисунок 5), в состав которой входят встроенный резистивный датчик тока (токовый шунт), а также полный набор компонентов, необходимых для начала работы над проектом. На основе этой платы можно создать, например, однофазный счетчик электрической энергии с классом точности 0.2, способный работать в сетях переменного тока с частотой 50/60 Гц ±10% при напряжении 140…300 В (действующее значение). Встроенный токовый шунт позволяет измерять энергопотребление нагрузок с номинальным током, не превышающим 5 А (действующее значение), при этом схема кратковременно выдерживает пусковые токи с действующими значениями до 100 А.

Рис. 5. Внешний вид оценочной платы EVALSTPM32

Рис. 5. Внешний вид оценочной платы EVALSTPM32

Два светодиода, установленных на плате, по умолчанию настроены для отображения величины активной и реактивной мощностей, проходящих через систему. При необходимости плата может быть переконфигурирована через интерфейсы SPI или UART, сигналы которых выведены на соответствующие разъемы печатной платы. Кроме этого, на плате установлен преобразователь уровней сигнала, позволяющий подключаться к микросхеме по интерфейсу RS232 через разъем DE-9.

Считывание результатов измерений и настройка микросхемы могут осуществляться по интерфейсам SPI, UART или RS232. При этом не следует забывать, что сигналы этих интерфейсов имеют гальваническую связь с системой электроснабжения, поэтому при их использовании следует соблюдать требования электробезопасности во избежание поражения электрическим током. Для безопасной работы с платой EVALSTPM32 рекомендуется использовать плату STEVAL-IPE023V1 (рисунок 6), специально разработанную для обмена данными с метрологическими микросхемами STMicroelectronics. Плата STEVAL-IPE023V1 фактически является изолированным преобразователем USB в SPI и поддерживает работу со специализированным программным обеспечением, например, STSW-STPM001, разработанным для современных компьютерных операционных систем с графическим интерфейсом.

Рис. 6. Внешний вид преобразователя интерфейсов STEVAL-IPE023V1

Рис. 6. Внешний вид преобразователя интерфейсов STEVAL-IPE023V1

Оценочная плата EVALSTPM33 (рисунок 7) на основе микросхемы STPM33 имеет практически такие же электрические характеристики и список поддерживаемых функций, как и плата EVALSTPM32. Главным различием этих оценочных плат является наличие у микросхемы STPM33 дополнительного канала для измерения тока, что позволяет после подключения соответствующего датчика измерять ток и фазного, и нулевого проводов, тем самым реализуя дополнительную функцию защиты от несанкционированного вмешательства, определяемого по обрыву нулевого провода. Плата EVALSTPM33 имеет два датчика тока, один из которых выполнен на основе токоизмерительного резистивного шунта, а второй – на основе токового трансформатора. Список поддерживаемых интерфейсов и параметры эксплуатации обеих плат идентичны.

Рис. 7. Внешний вид оценочной платы EVALSTPM33

Рис. 7. Внешний вид оценочной платы EVALSTPM33

Приложения для двухфазных систем электроснабжения на основе микросхем STPM34 быстрее всего получится разработать с помощью оценочной платы EVALSTPM34 (рисунок 8), содержащей по два канала для измерения напряжения и тока. В комплект платы входят два измерительных трансформатора, с помощью которых можно получать информацию о величине тока нагрузки без электрического контакта с силовыми питающими шинами. Электрические характеристики, список поддерживаемых интерфейсов и условия эксплуатации платы EVALSTPM34 аналогичны соответствующим параметрам плат EVALSTPM32 и EVALSTPM33.

Рис. 8. Внешний вид оценочной платы EVALSTPM34

Рис. 8. Внешний вид оценочной платы EVALSTPM34

Экономия времени и средств с STMicroelectronics

Точное измерение параметров электрических процессов в системах электроснабжения переменного тока промышленной частоты кажется простым лишь на первый взгляд. Работа в сложном динамическом режиме, высокий уровень высокочастотных шумов и наличие электромагнитных помех требуют применения достаточно сложных методов обработки оцифрованных значений. Компания STMicroelectronics применила комплексный подход к этому вопросу, предоставив разработчикам практически готовые решения, позволяющие реализовать высокоточные измерительные приборы и модули с минимальными затратами времени и средств на реализацию своих прикладных решений.

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
STPM32TR (ST)
STPM33TR (ST)
STPM33 (ST)
STPM34TR (ST)
EVALSTPM32 (ST)
STEVAL-IPE023V1 (ST)
EVALSTPM33 (ST)