Проектируем счетчики электроэнергии, газа и воды категории Smart Meters на базе решений Littelfuse

26 января

учёт ресурсовLittelfuseстатьядискретные полупроводникипассивные ЭК и электромеханикаe-meterTVS-сборкиTVS-диоды

Константин Кузьминов (г. Заполярный)

Компоненты и решения Littelfuse обеспечат надежную работу и долгий срок службы умных счетчиков электроэнергии, газо- и водоснабжения. Обширная номенклатура, включающая в себя герконы семейств MDCM-4, MDSR-10 и MDSM-10, твердотельные реле PLA19x, CPC1хxх и СPC5хxх, тиристоры SIDACtor®, диодные сборки, термисторы, MOSFET/SiC MOSFET, TVS-диоды, плавкие и самовосстанавливающиеся предохранители и другие компоненты, соответствует современным требованиям, что упрощает проектирование и сертификацию современных интеллектуальных счетчиков коммунальных услуг.

Современные счетчики коммунальных услуг позволяют решить целый комплекс задач по снабжению населения и предприятий электроэнергией, водой и газом. Последнее поколение умных счетчиков, помимо обычного количественного учета, предоставляет поставщикам и потребителям информацию, необходимую для более разумного использования ресурсов. Такие счетчики в составе автоматизированных систем позволяют контролировать доступ к ресурсам, а также отслеживать и локализовать несанкционированные подключения. Кроме того, накопление статистических данных и возможность их сбора гораздо чаще чем один раз в расчетный период позволяют коммунальным службам прогнозировать нагрузку и износ сетей газо-, электро- и водоснабжения. Подобная информация позволяет минимизировать число аварийных ситуаций, сделав обслуживание превентивным. Потребителю такая система сбора данных сэкономит время благодаря отсутствию необходимости ручного сбора и предоставления данных, ведь в обычной квартире может быть в среднем 4…6 приборов учета, которые далеко не всегда легко доступны.

Переход от традиционных счетчиков к интеллектуальным ставит перед разработчиками ряд специфических задач по проектированию решений, совместимых с расширенной измерительной инфраструктурой (Advanced Metering Infrastructure, AMI). Это позволяет интегрировать интеллектуальные счетчики в быстрорастущий интернет вещей (Internet of Things, IoT), который поддерживает удаленную связь и обнаружение неисправностей. Однако одно осталось неизменным: коммунальные предприятия, устанавливающие подобные счетчики, нуждаются в том, чтобы они были достаточно надежными и работали в течение десятилетий, обеспечивая точные измерения в течение всего срока службы. Надежность работы обеспечивается целым комплексом решений, в числе которых присутствуют использование правильно подобранных компонентов защиты цепей, надежных датчиков и элементов управления мощностью. Компания Littelfuse предлагает различные варианты компонентов и решений, которые могут улучшить работу умных счетчиков.

Компоненты защиты

Как и любое электронное устройство, использующее в качестве источника питания сеть электроснабжения, счетчики электроэнергии обязаны соответствовать стандартам безопасности, иметь защиту от вредных воздействий извне, а также не допускать развития аварийного процесса в случае выхода из строя. Для обеспечения безопасности эксплуатации первым этапом защиты, как правило, идет обычный плавкий предохранитель. При всей своей простоте он надежно, бюджетно и эффективно защищает электросеть и первичные цепи питания счетчика от перегрузки по току, вызванной коротким замыканием в источнике питания. Керамические предохранители Littelfuse серий 215, 514 и 835 отвечают требованиям испытаний на единичную неисправность в соответствии со стандартами безопасности электросчетчиков. Все три серии выпускаются в корпусах как с аксиальными выводами, так и без них (рисунок 1). Для поверхностного монтажа предназначена серия 437 — керамические предохранители в исполнении SMD 1206. Для работы во взрывоопасных средах компания Littelfuse предлагает плавкие предохранители серий 259 в выводном корпусе и 304 в корпусе для поверхностного монтажа. Различия и особенности предохранителей приведены в таблице 1.

Рис 1. Плавкие предохранители производства компании Littelfuse

Рис 1. Плавкие предохранители производства компании Littelfuse

Таблица 1. Основные отличия предохранителей Littelfuse

Наименование Типоразмер, мм Скорость срабатывания Напряжение, В Ток срабатывания, А Особенности
215 5х20 С задержкой 250 0,125…20 Цилиндрический корпус (картридж)
216 5х20 Быстрая 250 0,05…16
514 6,3х32 Быстрая 500 1,6…12,5
835 5х20 С задержкой 250 4; 5; 6,3; 8
259 8х13 Быстрая 190 0,062…5 Взрывозащищенное исполнение
304 13,7х6,03х6,09 Быстрая 375 0,05…0,7
437 SMD 1206 Быстрая 125…32 0,25…8 Керамический корпус SMD

Сложная электроника в современных интеллектуальных счетчиках требует защиты от электростатических разрядов (ESD). Блок-схемы типичных бытовых счетчиков электроэнергии, газа и воды представлены на рисунках 2 и 3.

Рис. 2. Блок-схема счетчика электроэнергии

Рис. 2. Блок-схема счетчика электроэнергии

Рис. 3. Блок-схема счетчиков газа и воды

Рис. 3. Блок-схема счетчиков газа и воды

В результате грозовых разрядов, переключений индуктивных и емкостных нагрузок и прочих явлений, возникающих в результате штатной или нештатной работы электрооборудования, в электросети образуются различные переходные процессы. Всплески перенапряжений, величина которых может достигать 20 кВ, повреждают чувствительную электронику электросчетчика, потребляющего энергию из той же электрической сети, учет которой осуществляет. Для защиты входной силовой цепи разработчики обычно выбирают металл-оксидные варисторы (MOV) с номинальным напряжением, достаточно высоким, чтобы выдерживать напряжение сети переменного тока. Когда кратковременный переходный процесс перенапряжения превышает эти пределы, MOV быстро ограничивает его до безопасного уровня. Требуемый уровень защиты от перенапряжения определяет номинал и размер MOV. Для базовой защиты от перенапряжения 2…4 кВ может подойти 14-миллиметровый варистор. Для уровней защиты 20 кВ потребуется варистор большего размера с диаметром диска от 20 мм. В то же время при меньших уровнях защиты и при прогнозировании крайне редких срабатываний может оказаться целесообразным использование варисторов размером менее 14 мм, например, варисторов Littelfuse 10 и 7 мм серии UltraMOV®. Варисторы данной серии выпускаются диаметром диска 7, 10, 14, 20 мм для работы в диапазоне рабочего напряжения 130…625 В. Они соответствуют требованиям RoHS и способны выдержать ток импульса 1,75, 3,5, 6 и 10 кА, пропорционально диаметру. При выборе варисторов серии UltraMOV легко определить вариант покрытия корпуса: на основе эпоксидной смолы или с использованием безгалогенной огнестойкой полифенилен-эфирной смолы, так как данная информация входит в базовую часть наименования. Кроме того, компания Littelfuse выпускает варисторы SM7 (рисунок 4), имеющих SMD-корпус и обладающих характеристиками, аналогичными классическому варистору диаметром 7 мм.

Рис. 4. Варисторы SM7 в корпусе SMD

Рис. 4. Варисторы SM7 в корпусе SMD

Поскольку MOV являются пассивными устройствами с конечным сроком службы, с окончанием этого срока возникает ряд проблем: допустимое напряжение снижается, появляются риски избыточного нагрева от собственных токов утечки и теплового разрушения. Кроме того, MOV может выдержать лишь определенное количество всплесков перенапряжения до того как выйдет из строя, эта способность зависит от размера диска варистора и количества энергии, которые MOV сможет рассеять. По окончании срока службы или после критичного количества срабатываний варистор может представлять угрозу для всего устройства.

Таким образом, при выборе MOV, наряду с учетом необходимой устойчивости к пиковым скачкам напряжения, также важно учитывать ожидаемый срок службы системы. В качестве примера рассмотрим устройство счетчика электроэнергии, который рассчитан на срок службы 20 лет и требует защиты 6 кВ. Даже если 20-миллиметровый MOV может соответствовать критериям 6 кВ/3 кА, вероятно, в данной системе будет использован MOV 25 мм или больше, чтобы обеспечить счетчик электроэнергии возможностью выдерживать большее количество ударов перенапряжения в течение всего срока службы. Адекватное снижение характеристик используемых MOV важно для обеспечения работы системы в течение желаемого срока службы. Выбор варистора большего диаметра – не единственное решение для увеличения срока службы и/или обеспечения лучшей защиты. Технология изготовления и материал также определяют характеристики варистора. За счет специального состава диэлектрического материала варисторы серии C-III производства Littelfuse способны поглотить импульсы со значительно большим количеством энергии, чем варисторы других серий при сравнительно одинаковых иных характеристиках. Например, при повторном импульсе C-III диаметром 14 мм способен выдержать ток 5 кА, в то время как у MOV других типов это значение может быть несколько меньше (4,5 кА). Серия C-III выпускается с диаметром диска 10, 14, 20 мм и соответствует требованиям RoHS. Еще одна проблема использования MOV – ситуация, когда он подвергается длительному воздействию перенапряжения. В этом случае он может перейти в режим теплового разгона, что приведет к перегреву, выделению дыма и риску возгорания. Для исключения подобной ситуации в электрических счетчиках вместо обычного MOV часто выбирают варистор с термической защитой – TMOV и iTMOV (рисунок 5), которые способны защитить входную цепь питания интеллектуального счетчика от длительных перенапряжений.

Рис. 5. Варисторы TMOV и iTMOV с тепловой защитой

Рис. 5. Варисторы TMOV и iTMOV с тепловой защитой

Некоторые из новых спецификаций требуют, чтобы по окончании срока службы варисторы были защищены от отказов. Этому требованию также отвечают TMOV. Выработав свой ресурс, они отключаются от цепи в результате обрыва термопредохранителя, чтобы предотвратить катастрофические повреждения устройства. В отличие от TMOV, варисторы iTMOV имеют функцию индикации, чтобы предупредить систему о том, что варистор вышел из строя и требует замены. Устройство такого варистора и один из возможных вариантов использования индикаторного вывода изображены на рисунке 6.

Рис. 6. Устройство iTMOV и вариант его применения

Рис. 6. Устройство iTMOV и вариант его применения

Варисторы TMOV и iTMOV производства компании Littelfuse выпускаются двух типоразмеров: диаметром диска 14 и 20 мм.

Расшифровка наименования варистора полностью характеризует его особенности. В качестве примера рассмотрим наименования варисторов TMOV 14 RP 115 E и TMOV 20 RP 275 M. Здесь TMOV означает, что это варистор со встроенным термопредохранителем, числа 14 и 20 – типоразмер (диаметр, мм), 115 и 275 – максимальное рабочее (непрерывное) напряжение переменного тока при температуре 85°С, символ М обозначает наличие третьего вывода индикатора. Символы RP присутствуют во всех наименованиях и обозначают тип корпуса (круглый) и соответствие требованиям RoHS.

Основные особенности варисторов TMOV и iTMOV производства Littelfuse:

  • охват широкого спектра напряжений: 19 различных значений для каждого типоразмера в диапазоне 115…750 В АС (150…970 В DC);
  • максимальный ток для импульса с фронтом 8/20 мкс: 6 кА для варистора диаметром 14 мм, 10 кА – для варистора диаметром 20 мм;
  • максимальная энергия импульса (2 мс) 35…480 Дж;
  • температурный коэффициент (αV) при заданном испытательном токе < 0,01%/°C;
  • диапазон рабочих температур — 55…85°C;
  • соответствие стандартам RoHS, UL1449, IEC 61051-1 и -2, IEC 60950-1.

Для подавления импульсов перенапряжения в сочетании с варистором дополнительно используются защитные диоды – супрессоры (TVS). В то время, когда варистор на первом этапе защиты поглощает большую часть всплеска энергии, супрессор более точно ограничивает напряжение, не позволяя блоку питания выйти из строя. Компания Littelfuse выпускает обширную линейку TVS-диодов серий SMAJ, SMBJ и SMCJ (рисунок 7), которые способны обеспечить необходимую защиту блока питания счетчика.

Особенности TVS-диодов Littelfuse серий SMAJ, SMBJ и SMCJ:

  • пиковая импульсная мощность 400 Вт для SMAJ, 600 Вт для SMB и 1500 Вт для SMCJ;
  • широкий диапазон рабочих напряжений 5…440 В;
  • низкая индуктивность;
  • малое время отклика: менее 1 пс;
  • низкопрофильный SMD-корпус;
  • монтаж с допустимой температурой пайки 260°C в течение 30 с;
  • симметричный и несимметричный варианты;
  • низкий IR: менее 1 мкА при VBR >12 В;
  • диапазон рабочих температур -65…150°C;
  • соответствие RoHS и UL V-0.

Рис. 7. TVS SMCJ производства Littelfuse: а) маркировка несимметричного (однонаправленного) исполнения; б) маркировка симметричного исполнения

Рис. 7. TVS SMCJ производства Littelfuse: а) маркировка несимметричного (однонаправленного) исполнения; б) маркировка симметричного исполнения

Помимо источника питания, в защите нуждаются входные и выходные цепи микроконтроллера. Входные цепи, измеряющие значения напряжения и тока, обычно имеют в качестве фильтров большое количество резисторов и конденсаторов, однако это не обеспечивает защиту на 100%. Чтобы предотвратить повреждение микроконтроллера от импульсов перенапряжения, прошедших каскад фильтрации, используются компактные TVS-диоды, которые ограничивают напряжение до безопасного уровня. В такой же защите нуждаются и интерфейсы связи. Для обмена данными с коммунальной службой счетчик может использовать один или несколько интерфейсов: RS-232, RS-485, Ethernet, GSM, GPRS, Zigbee, связь по линии электропередачи (PLC) и прочие. Поскольку данные интерфейсы имеют различные скорости передачи данных и характеристики, для каждого из них требуется свой подход к защите. Варисторы TMOV являются оптимальным компонентом защиты от перенапряжения для PLC. Матрицы TVS-диодов с малой паразитной емкостью чаще всего используются для защиты беспроводных интерфейсов, таких как GPRS, GSM, Zigbee и прочих.

На рисунке 8 изображены матрицы TVS серии SESD производства компании Littelfuse. Отличительные особенности данной серии:

  • 2, 4 или 6 несимметричных TVS c общим анодом в корпусах DFN 0402, 1103 и 1004;
  • малая емкость 0,2 пФ;
  • защита от электростатического разряда ±22 кВ (IEC61000-4-2);
  • малое напряжение ограничения: 9 В при пиковом импульсном токе 2 А.

Рис. 8. Матрицы TVS с низкой паразитной емкостью серии SESD

Рис. 8. Матрицы TVS с низкой паразитной емкостью серии SESD

Применение сдвоенных TVS-диодов в корпусе SOT-23-3 серии AQxx-02HTG может оказаться более удобным, поскольку данный компонент может работать и как один симметричный супрессор, и как два несимметричных с общим анодом. Серия AQxx-02HTG имеет малые значения напряжения ограничения и тока утечки, а также имеет следующие основные характеристики:

  • защиту от ESD (IEC 61000-4-2) ±30 кВ и EFT (IEC 61000-4-4) 50 А (5/50 нс);
  • мощность 500 Вт (ток 33 А для AQ05) при волне импульса с фронтом 8/20 мкс (IEC 61000-4-5) ;
  • рабочие напряжения 5, 12, 15, 24 и 36 В;
  • соответствие требованиям AEC-Q101, RoHS и совместимость с PPAP.

Для защиты от грозовых разрядов линий связи стандартов T1/E1, T3/E3, DS3, 10/100/1000 Ethernet и прочих компания Littlfuse предлагает компонент LC03-3.3, способный выдержать ток 150 А (импульс с фронтом 8/20 мкс). Функциональная схема LC03-3.3 изображена на рисунке 9.

Рис. 9. Функциональная схема LC03-3.3

Рис. 9. Функциональная схема LC03-3.3

Проводные интерфейсы RS-232, RS-485 и Ethernet требуют использования газоразрядного компонента (GDT) и защитного тиристора с низкими значениями паразитной емкости, такого как SIDACtor® серии SEP0xx (рисунок 10). Предлагаемые компанией Littelfuse защитные тиристоры имеют рейтинг защиты от перенапряжений, соответствующий требованиям GR1089 Inter-building и ITU K.20/21 Enhanced Protection, обладают низким уровнем искажений и вносимых потерь, совместимы с 1000Base-T.

Рис. 10. Тиристор серии SEP0xx в корпусе 5x6 QFN для защиты высокоскоростных линий связи

Рис. 10. Тиристор серии SEP0xx в корпусе 5×6 QFN для защиты высокоскоростных линий связи

Оптоизоляторы, такие как Clare (теперь IXYS) серий CPC130x, CPC590x (рисунок 11) или CPC50xx могут использоваться для обеспечения гальванической развязки между микроконтроллером и трансивером.

Рис. 11. Структурная схема и внешний вид оптоизолятора CPC5903

Рис. 11. Структурная схема и внешний вид оптоизолятора CPC5903

Оптический изолятор CPC5902 отличается от CPC5903 тем, что в нем оба канала являются двунаправленными. Напряжение изоляции между сторонами составляет 3750 В. Оптоизоляторы серий CPC50xx и CPC130x имеют однонаправленные каналы и, в зависимости от исполнения, имеют 1 или 2 канала с изоляцией 3750…5000 В.

Дополнительные выходы интеллектуального счетчика нуждаются в защите от коротких замыканий и перенапряжений. Твердотельные реле серий CPC15xx (рисунок 12) и PLA19x производства компании Littelfuse в сочетании с TVS-диодами SMCJ и/или предохранителями серии 216 (таблица 1) способны обеспечить необходимую защиту.

Рис. 12. Возможные конфигурации нормально открытых реле CPC1540 и PLA19x и характеристика включения

Рис. 12. Возможные конфигурации нормально открытых реле CPC1540 и PLA19x и характеристика включения

Номинальный ток управления твердотельных реле серий CPC15xx и PLA19x – 5 мА, напряжение изоляции 3750 В AC для CPC15xx и 5000 В AC для PLA192, PLA193 и PLA194. В конфигурации только для постоянного напряжения максимальный ток коммутации увеличивается вдвое, в частности для CPC1540 он составляет 120 и 250 мА для AC/DC- и DC-конфигураций, соответственно. Характеристиками, схожими c серией PLA19х, обладает и твердотельное реле CPC1394, но оно не имеет общего вывода выходных транзисторов, то есть всегда работает в конфигурации AC/DC и исполнено в корпусе DIP-4. Поскольку счетчики имеют достаточно сложную компоновку и в процессе разработки форм-фактор компонентов имеет не последнее значение, нельзя не отметить твердотельное реле CPC1983YE. Как и CPC1394, оно всегда сконфигурировано в режиме AC/DC, но корпус имеет оригинальное вертикальное плоское исполнение (рисунок 13), что в некоторых случаях для топологии печатной платы может иметь решающее значение. Напряжение изоляции CPC1983YE составляет 4000 В АС, максимальное коммутируемое напряжение – 600 В, ток – 0,5 А, мощность рассеивания достигает 2400 Вт.

Рис. 13 Твердотельного реле CPC1983YE: корпус и размеры, мм (дюйм)

Рис. 13. Твердотельного реле CPC1983YE: корпус и размеры, мм (дюйм)

Интеллектуальные счетчики газа и воды обычно питаются от встроенного источника питания, рассчитанного на срок службы 10 лет. Чаще всего используются компоненты на основе литий-ионной технологии. Поскольку такие источники питания имеют значительную емкость и выходной ток, необходимо в цепях питания обеспечить защиту от коротких замыканий. Для решения этой задачи компания Littelfuse предлагает ряд миниатюрных самовосстанавливающихся предохранителей (PPTC) серий FemtoSMD и NanoSMD (рисунок 14). Для применения в электросчетчиках предлагается высоковольтный самовосстанавливающийся предохранитель TRF600-50, способный работать при напряжении до 250 В и разорвать цепь до 600 В. Основные характеристики PPTC приведены в таблице 2.

Рис. 14. Самовосстанавливающиеся предохранители FemtoSMD

Рис. 14. Самовосстанавливающиеся предохранители FemtoSMD

Таблица 2. Характеристики PPTC-предохранителей FemtoSMD, NanoSMD и TRF600-150

Наименование Типоразмер Рабочий ток
при 20°C, А
Ток срабатывания, А Рабочее напряжение, В Так, макс., А Сопротивление, макс., Ом
NanoSMD 1206 0,1…2 0,25…4 60…6 10…100 15…0,072
FemtoSMD 0603 0,05…0,35 15…6 40 30…1
TRF600-150 9,0х12,5х4,6 мм, выводной 0,15 0,3 250 3 10

При разработке защиты цепей питания на основе самовосстанавливающихся предохранителей следует учитывать их температурный коэффициент. График зависимости тока удержания и срабатывания от температуры для предохранителей FemtoSMD и NanoSMD изображен на рисунке 15.

Рис. 15. Зависимость токовых характеристик самовосстанавливающихся предохранителей от температуры окружающей среды

Рис. 15. Зависимость токовых характеристик самовосстанавливающихся предохранителей от температуры окружающей среды

Датчики 

Повышение окружающей температуры негативно влияет не только на характеристики компонентов защиты, но и на точность измерений интеллектуального счетчика. Для компенсации погрешности измерений часто используются датчики температуры с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). Компания Littelfuse предлагает ряд термисторов для поверхностного монтажа:

  • термисторы серий LL-31, LL-34 и LL-41 в цилиндрических корпусах MELF;
  • термисторы в чип-корпусах End-Banded типоразмеров 04021206;
  • безвыводные термисторы серии BC.

Для удаленного от основной платы монтажа Littelfuse предлагает широкий ряд термисторов, инкапсулированных в корпуса различного типа, некоторые из них показаны на рисунке 16.

Рис. 16. Термисторы в различных корпусах

Рис. 16. Термисторы в различных корпусах

Помимо определения температуры, термисторы могут выполнять и защитные функции, такие как ограничение броска тока при зарядке конденсатора.

Для максимального времени автономной работы счетчиков расхода газа и воды с батарейным питанием экономичность потребления энергии очень важна. Герконовые переключатели, используемые совместно с намагниченным энкодером – проверенная и точная технология учета расхода, которая не требует дополнительного электропитания. Импульс, вызванный срабатыванием контактов геркона, способен инициировать работу микроконтроллера, выведя его из спящего режима. После записи количества импульсов микроконтроллер возвращается в спящий режим, что помогает продлить срок службы батареи. В таком применении хорошо проявили себя герконы серий MDSR-10 и MDSM-10 (рисунок 17) производства компании Littelfuse.

Рис. 17. Герконы MDSR-10 (а) и MDSM-10 (б)

Рис. 17. Герконы MDSR-10 (а) и MDSM-10 (б)

Герконы MDSR-10 и MDSM-10 представляют собой сверхминиатюрный нормально разомкнутый переключатель со стеклянной оболочкой длиной 10,16 мм и диаметром 1,80 мм. Они способны коммутировать 200 В DC при мощности 10 Вт, обладают высоким сопротивлением изоляции (минимум 1 TОм) и низким сопротивлением контактов – менее 120 мОм. Время срабатывания геркона с учетом дребезга составляет 0,5 мс, время выключения – 0,1 мс.

Комплекс мер по защите интеллектуальных счетчиков включает в себя не только защиту от аварийных ситуаций и ESD, описанную выше, но и, к сожалению, человеческий фактор. Всегда будет определенный процент потребителей коммунальных услуг, которые попытаются взломать счетчики, чтобы манипулировать показаниями и суммой оплаты. Для борьбы с этим обычно используются различные стратегии обнаружения несанкционированного доступа. Наиболее часто используемый метод взлома – открытие крышки счетчика с целью повреждения, внесения помех в работу и прочих нарушений работоспособности счетчика. Установка геркона серий 59166 или MDCM-4 совместно с магнитом на крышке позволяет получить сигнал открытия счетчика. Другой метод взлома заключается в поднесении мощного магнита к корпусу счетчика. Мощное магнитное поле может вызвать насыщение магнитного трансформатора или повлиять на другие компоненты, например, магнитный энкодер расходомера. Использование в конструкции счетчика датчика Холла, например, IXYS MX887D, позволит отследить подобное вмешательство.

Компоненты управления мощностью

Компоненты управления мощностью широко используются в интеллектуальных счетчиках для функций вывода импульсов и переключения нагрузки. Твердотельные реле (SSR) имеют преимущество перед механическими благодаря отсутствию износа контактов и прочих явлений, присущих механической коммутации тока, а также экономичности. Используя твердотельные реле серий IXYS CPC139x и CPC19xx, можно управлять контакторами для последующего воздействия на различные силовые нагрузки. Выходы оптически изолированных SSR используются в счетчиках для передачи команд другому оборудованию, выполняющему различные аварийные действия и управление сетью ресурсов.

Внутренние источники питания электросчетчиков должны работать в очень широком диапазоне входного напряжения. Силовые полевые транзисторы с изолированным затвором, построенные на основе карбида кремния (SiC MOSFET), такие как N-канальные LSIC1MO120хххх и LSIC1MO170хxxx (рисунок 18) производства Littelfuse, способны работать при напряжениях свыше 1 кВ. Их использование повышает надежность и устойчивость преобразователя источника питания, что особенно важно при возможных всплесках перенапряжения в первичной сети.

Некоторые основные характеристики этих транзисторов приведены в таблице 3.

Рис. 18. SiC MOSFET LSIC1MO170E1000 в корпусе TO-247-3L

Рис. 18. SiC MOSFET LSIC1MO170E1000 в корпусе TO-247-3L

Таблица 3. Силовые SiC MOSFET производства компании Littelfuse

Наименование Сопротивление канала, Ом Макс. Ток при VGS = 20 В, А Мощность рассеивания, Вт Корпус
100°C 25°C
Напряжение до 1200 В
LSIC1MO120E0080 0,08 25 39 214 TO-247-3L
LSIC1MO120E0120 0,12 18 27 156
LSIC1MO120E0160 0,16 14 44 125
LSIC1MO120G0025 0,025 70 100 500 TO-247-4L
LSIC1MO120G0040 0,04 40 70 357
LSIC1MO120G0080 0,08 25 39 214
LSIC1MO120G0120 0,12 18 27 156
LSIC1MO120G0160 0,16 14 45 125
Напряжение до 1700 В
LSIC1MO170E0750 0,75 4,4 6,2 60 TO-247-3L
LSIC1MO170E1000 1 3,5 5,0 54
LSIC1MO170T0750 0,75 4,5 6,4 65 TO-263-7L

Помимо высоковольтных серий LSIC1MO120хххх и LSIC1MO170хxxx, в источниках питания электросчетчиков также могут использоваться N-канальные MOSFET серий Polar™ и Ultra Junction X2-Class.

Транзисторы серии Polar™ выпускаются в различных корпусах и диапазонах допустимых напряжений 100…1200 В и тока 0,1…200 А, обладают низким уровнем сопротивления открытого канала, а большое количество вариантов исполнения обеспечивает разработчику наилучший компромисс между производительностью и стоимостью. Транзисторы серии Ultra Junction X2-Class рассчитаны на работу при напряжении до 600…650 В и токе 22…80 А, обладают очень малым сопротивления канала в 17 мОм и оптимальны для применения в преобразователях с резонансным режимом с плавным переключением, обеспечивая низкие уровни динамических потерь и перенапряжений. Серия Ultra Junction X2-Class имеет встроенные быстрые диоды HiPerFET с очень мягкими характеристиками восстановления, что сводит к минимуму электромагнитные помехи (EMI), особенно в полумостовой и мостовой схемах.

Для обеспечения надежной и безопасной эксплуатации разработка, производство и тестирование интеллектуальных счетчиков обязаны регулироваться определенными стандартами, перечисленными в таблице 4.

Таблица 4. Стандарты

Стандарт Определение Область применения
UL 2735* Стандарт безопасности для счетчиков электроэнергии Регулирование электробезопасности счетчиков электроэнергии до 600 В, измеряющих, контролирующих, регистрирующих, передающих или принимающих информацию о производстве или потреблении электрической энергии
IEC 62052 Стандарт приборов учета электроэнергии Типовые испытания приборов учета электроэнергии для внутреннего и наружного использования. Применяется ко вновь изготавливаемому оборудованию, предназначенному для измерения электрической энергии в сетях 50…60 Гц с напряжением до 600 В.
IEC 62059 Стандарт надежности электроизмерительного оборудования Часть 11. Измерительное оборудование;
Часть 31. Требования безопасности продукта и испытания.
IEC 62053 Стандарт точности электросчетчиков активной энергии Часть 11. Электромеханические счетчики активной энергии (классы 0,5, 1 и 2);
Часть 21. Статические счетчики активной энергии (классы 1 и 2);
Часть 23. Статические счетчики реактивной энергии (классы 2 и 3);
Часть 24. Статические счетчики реактивной энергии на основной частоте (классы 0,5 S, 1 S и 1);
Часть 61. Потребляемая мощность и требования к напряжению
IEC 61000-4-2 Тестирование на подверженность ESD Проверка способности оборудования выдерживать повторяющиеся быстрые электрические переходные процессы и выбросы.
IEC 61000-4-4 Испытание на устойчивость к быстрым переходным процессам/выбросам Оценка помехоустойчивости оборудования при воздействии на него быстрых переходных процессов/выбросов на портах питания, сигнала, управления и заземления.
IEC 61000-4-5 Испытание на быстрое переходное перенапряжение Оценка устойчивости оборудования к перенапряжениям.

* Регион действия – Северная Америка.

Обширная база решений компании Littelfuse позволяет учесть современные требования к учету коммунальных услуг при проектировании интеллектуальных счетчиков электроэнергии, газо- и водоснабжения, обеспечивая их надежную и долгую работу. Для удобства ориентирования и быстрого сопоставления функциональности в интеллектуальных счетчиках в таблицу 5 сведены основные преимущества предлагаемых компонентов.

Таблица 5. Преимущества продукции Littelfuse для интеллектуальных счетчиков

Тип компонента Назначение в счетчике Наименование Преимущества/функционал Особенности
Варистор (MOV) Защита блока питания от выбросов перенапряжения, вызванных молниями и другими факторами Ultra MOV, CIII, TMOV, iTMOV Соответствие сертификатам безопасности UL/IEC, что упрощает и ускоряет сертификацию Способность к поглощению высокой энергии 40…530 Дж (2 мс)
Защита дополнительных каналов ввода/вывода от импульсов перенапряжения SM7 Повышение надежности работы, поддержка высокой целостности сигнала, экономия места за счет компактного форм-фактора SMD Отличная зажимная способность, малое добавочное сопротивление импульсным перенапряжениям
TVS-диод Защита чувствительных электронных компонентов и дополнительных каналов ввода/вывода от импульсов перенапряжения  SMCJ
SMAJ, SMBJ, SMCJ Повышение надежности системы путем ограничения выбросов перенапряжения в линиях электропередач до безопасных уровней Пиковая импульсная мощность до 1500 Вт (SMCJ), температурный профиль для бессвинцовой пайки
Плавкий предохранитель Защита силового каскада от перегрузки по току 215, 259/304, 437, 514, 835 Соответствие стандартам безопасности UL/IEC, что упрощает и ускоряет сертификацию Соответствие сертификации UL/IEC, малое сопротивление, ударопрочность, виброустойчивость
Защита дополнительных каналов ввода/вывода от перегрузки по току 216
Самовосстанавливающийся предохранитель (PPTC) Защита силового каскада от перегрузки по току TRF600-50, Femto, Nano Низкие эксплуатационные расходы, экономия места за счет компактного форм-фактора SMD, соответствие сертификатам безопасности UL/IEC, что упрощает и ускоряет сертификацию Сбрасываемая защита от перегрузки по току, доступность отсортированных и согласованных устройств с малым временем срабатывания, малое сопротивление, соответствие сертификации UL/IEC
Термистор (NTC) Ограничение тока в силовом каскаде в момент включения End-Banded Chip Защита конденсаторов от чрезмерного тока заряда в момент включения счетчика Уникальная конструкция, позволяющая работать с высокими уровнями тока и напряжения
Измерение температуры газа или воды End-Banded Chip, MELF, термисторы в корпусе для внешнего монтажа Экономия места за счет компактного форм-фактора, доступность компонентов с нестандартными значениями сопротивления Поверхностный монтаж, малая инерционность
MOSFET/SiC MOSFET Высокочастотный ключ в силовых цепях источника питания и заряда конденсатора в цепи предварительного регулятора напряжения PolarTM, LSIC1MO120хххх, LSIC1MO170хxxx X2-class Высокая удельная мощность и малое энергопотребление, обеспечивающие эффективность конструкции Низкие значения сопротивление канала, заряда затвора и индуктивности корпуса, обеспечивающие надежную коммутационную способность, высокую удельная мощность и очень малое тепловыделение
Диодная сборка Защита интерфейсов проводной связи от электростатических разрядов (ESD) AQxx-02HTG, LC03-3.3, SESD Обеспечение надежной работы канала связи при сохранении высокой целостности сигнала Соответствие ESD: IEC 61000-4-2 ±30 кВ, EFT: IEC 61000-4-4 50 А (5/50 нс), малое напряжение ограничения
Тиристор SIDACtor® Защита чувствительных электронных компонентов и дополнительных каналов ввода/вывода от импульсов перенапряжения SEP0xx Малые вносимые потери в канал связи, логарифмическая емкость, комбинированная защита между сигналами и землей, быстродействие, малое напряжение ограничения
Твердотельное реле Обеспечение изоляции выхода MCU для импульсного сигнала и M-Bus (Meter-Bus) PLA192, PLA193, PLA194, CPC130x, CPC1394, CPC15xx, CPC1983YE, CPC50xx, CPC590x Высокая надежность и электрическая изоляция, прочная конструкция, отсутствие генерации электромагнитных/радиочастотных помех (EMI/RFI) Изоляция между входом и выходом до 3750 В (AC), соответствие сертификации UL/IEC, малый ток управления
Геркон Предотвращение магнитно-индуцированного вмешательства MDCM-4, 59166, MDSR-10, MDSM-10 Отсутствие энергопотребления, обеспечивающее максимальный срок службы батареи Герметичный корпус, срабатывание контактов от магнитного поля
Измерение расхода газа и воды MDSR-10, MDSM-10

Литература

  1. CPC130x
  2. CPC590x
  3. CPC50xx
  4. CPC15xx
  5. PLA192
  6. PLA193
  7. PLA194
  8. CPC1394
  9. CPC15xx
  10. CPC1983YE
  11. CPC139x
  12. CPC19xx
  13. Ultra Junction X2-Class Series – 600V – 650V Automotive Qualified Ultra Junction X2-Class Power MOSFETs
•••

Наши информационные каналы

О компании Littelfuse

Компания Littelfuse является ведущим мировым производителем компонентов и устройств для защиты электрических и электронных цепей любого рода. Поставляемые компанией компоненты и системы, во многих случаях являются жизненно важными для устройств в практически всех отраслях и видах продукции: от бытовой электроники и автомобилей до электроэнергетики. Littelfuse предлагает наиболее широкий и полный спектр компонентов и систем защиты цепей на рынке электронных компонентов. Компания расширяет и н ...читать далее

Товары
Наименование