Аспекты конструирования, связанные с устойчивостью счетчика к электромагнитным помехам

Компоненты и технологии, № 2'2003

Аспекты конструирования счетчика электроэнергии,

связанные с устойчивостью к электромагнитным помехам

В прошлом номере журнала была опубликована статья, посвященная созданию недорогого счетчика электроэнергии на базе микросхемы А07755. Сегодня мы рассмотрим некоторые особенности конструирования счетчика, связанные с устойчивостью к электромагнитным помехам.

Энтони Коллинз

В разделе 4.5 стандарта 1ЕС1036 сказано: «Счетчик должен быть разработан так, чтобы проведенные или излученные электромагнитные помехи, а также электростатические разряды не повреждали счетчик и не оказывали на его работу существенного влияния». Речь здесь идет о следующих воздействиях:

1. электростатические разряды;

2. электромагнитные высокочастотные поля;

3. быстрые импульсы тока, вызванные переходными процессами.

Все меры предосторожности и схемотехнические средства (такие, как ферритовые бусины, конденсаторы, фильтрующие напряжение сети, большие по размерам резисторы для поверхностного монтажа, технически грамотная разводка печатной платы, предусматривающая хорошее заземление) способствуют определенному повышению степени защиты электроники счетчика от различных видов электромагнитных помех. Однако некоторые средства (например, ферритовые бусинки) играют более важную роль в защите схемы от определенных видов помех (таких, как радиочастотные помехи и импульсы от переходных процессов). Ниже обсуждается характер воздействия всех перечисленных помех и рассматриваются средства защиты, применяющиеся в каждом случае.

Электростатический разряд

Хотя многие чувствительные электронные компоненты содержат на кристалле определенные средства защиты от электростатического разряда, эти средства не могут защитить от грубых разрядов, которые описаны ниже. Другая проблема заключается в том, что эффект от электростатических разрядов кумулятивный, то есть устройство может выжить после электростатического разряда, но это не значит, что оно и в будущем останется исправным после многократного повторения таких же разрядов. Лучше всего избегать разряда или подавлять его до того, как он подействует на чувствительную электронику. То же самое можно сказать и о других видах электромагнитных воздействий. Данный тест

проводится в соответствии с 1ЕС1000-4-2 в следующих условиях:

• контактный разряд;

• нагрузочный тест 4 категории;

• тест на напряжение 8 кВ;

• количество разрядов = 10.

Часто бывает, что дополнительные компоненты для защиты устройства не нужны. С учетом некоторых деталей уже имеющиеся в схеме компоненты могут играть двойную роль. Например, счетчик должен быть защищен от электростатического разряда в той точке, где он взаимодействует с «внешним миром», то есть в точке соединения с шунтом. Микросхема ЛБ7755 соединена с шунтом через два низкочастотных (антиалайзинговых) фильтра, которые необходимы для работы АЦП. Этого ИС-фильтра также может быть достаточно для защиты микросхем, выполненных по технологии КМОП, от электростатических разрядов. Однако некоторые меры должны быть предусмотрены. Например, резисторы не должны быть проволочными, так как разряд может легко преодолеть такой резистор. Кроме того, резисторы должны быть большого размера, чтобы предотвратить искровой разряд через резистор. В данной конструкции в антиалайзинговом фильтре использовались резисторы для поверхностного монтажа мощностью 1/8 Вт типоразмера 1206. Также для соединения с шунтом были применены две фер-ритовые бусины. Такой дроссель особенно эффективен для замедления быстрого нарастания тока, вызванного электростатическим разрядом. Высокочастотная энергия импульса рассеивается в феррите, прежде чем она окажет воздействие на чувствительные компоненты устройства (свойства ферритовой бусины будут обсуждены ниже). С выводами счетчика напрямую соединена схема блока питания. Таким образом, разряд будет рассеиваться на фер-ритовой бусине, фильтрующем конденсаторе (С16) и диодах выпрямителя Б2 и Б3. Защита аналогового входа У2Р обеспечена большим импедансом схемы делителя, который используется для калибровки.

Еще один очень широко распространенный и недорогой способ защиты от электростатического разряда — использование разрядных промежутков

Компоненты и технологии, № 2'2003

на компонентной стороне печатной платы (рис. 1). Однако, так как счетчик будет, скорее всего, работать на открытом воздухе и будет часто подвергаться электростатическим разрядам, этот способ не рекомендуется для некоторых чувствительных точек, таких, как точки соединения с шунтом. Многократные разряды могут привести к появлению нагара в искровом промежутке, что может вызвать короткое замыкание или привнести в схему дополнительный импеданс, который со временем повлияет на точность прибора. В данной конструкции искровой промежуток был введен в схему источника питания после варистора (обозначенного на схеме аббревиатурой MOV — metal oxide varistor), чтобы блокировать любые высоковольтные и быстрые разряды.

К ВНЕШНИМ ЦЕПЯМ

ДОРОЖКА

6-9 ММ, БЕЗ

ПОКРЫТИЯ

ПРИПОЕМ

IX

I «и I

ИМПУЛЬС РАЗРЯЖАЕТСЯ ЧЕРЕЗ ИСКРОВОЙ ПРОМЕЖУТОК_____________

СИГНАЛЬНОЕ

Рис. 1. Блокировка прохождения высоковольтных импульсов при помощи искрового промежутка

НЧ-фильтр. Это предотвращает эффект наложения спектра (aliasing). При выборе соответствующих компонентов и при добавлении некоторых дополнительных элементов (таких, как ферритовые бусины) эти антиалайзинго-вые фильтры также выполняют функцию высокоэффективных радиочастотных фильтров. В предыдущей статье на рис. 7 показана несколько идеализированная амплитудно-частотная характеристика антиалайзингового фильтра, подключенного к аналоговому входу. Если мы имеем дело с высокой частотой (больше 1 МГц), то необходимо учитывать паразитные реактивные составляющие каждого компонента схемы. На рис. 2 показаны схемы антиалайзинговых фильтров, а также паразитные элементы. Малые величины паразитных емкостей и индуктивностей начинают играть роль с повышением частоты, и, следовательно, должны приниматься во внимание.

Электромагнитные ВЧ-поля

Тестирование проводилось в соответствии со стандартом 1ЕС100-4-3. Интегральные микросхемы, как правило, наиболее уязвимы к радиочастотным воздействиям в полосе частот 20-200 МГц. Сигналы более высокой частоты обычно шунтируются паразитными емкостями. Обычно для интегральной микросхемы воздействие радиочастотного сигнала в полосе 20-200 МГц является широкополосным в принципе, то есть не существует какой-то частоты помехи, которая влекла бы больше неприятностей, чем другая. Однако чувствительность к каким-то определенным частотам может быть более выражена ввиду резонансных свойств разводки печатной платы. Эти резонансы могут вызвать дополнительное усиление на определенных частотах, и для чувствительного устройства это может стать причиной проблем. Большая часть радиочастотных помех попадает в устройство через соединительный кабель. Это место соединения должно быть защищено. Существуют следующие способы защиты устройства:

1. минимизировать рабочую полосу частот схемы;

2. изолировать чувствительные элементы системы.

Минимизация полосы частот

В данной конструкции требуемая полоса частот составляет всего 2 кГц. Это существенно облегчает задачу уменьшения эффекта влияния радиочастотных помех. Точки входа кабеля должны быть снабжены низкочастотными фильтрами, чтобы подавить высокочастотные шумы, воздействующие на систему. Выход шунта подключен ко входу Л07755 через

Рис. 2. Антиалайзинговые фильтры с паразитными элементами

Ï

О

ш

X 150

5

§100

а.

С

О

и 50

LI 1806 В 151R Зависимость Z, R, Xl от частоты

1 10 100 1000 ЧАСТОТА, МГц

Рис. 3. Частотная характеристика ферритовых бусин (73 и 74) в антиалайзинговом фильтре

Добиться минимизации величин паразитных элементов можно при использовании компонентов малого размера с минимальной длиной выводов (для поверхностного монтажа). Так как точное значение импеданса не известно (оно зависит от импеданса источника электрического напряжения), то для минимизации возможных резонансных явлений необходимо принять ряд мер общего характера. Резонансы, которые возникают в результате взаимодействия импеданса источника и фильтров, могут привести к увеличению усиления на определенных частотах и таким образом увеличить уязвимость устройства к действию помех на этих частотах. Компоненты с потерями (то есть имеющие значимую резистивную составляющую), такие, как конденсаторы с диэлектриком, обладающим потерями (например, типа X7R) и ферритовые бусины — это идеальные для данного случая компоненты, способствующие уменьшению добротности входных цепей. Радиочастотная энергия рассеивается в виде тепла, прежде чем окажет воздействие на другие элементы схемы. Ферритовые бусины 2З и Z4 играют при этом важную роль. На рис. З показано, каким образом импеданс ферритовых бусин зависит от частоты.

Из графиков на рис. З видно, что феррито-вые бусины-дроссели становятся резистивными на высоких частотах. Также обратите вни-

мание, что импеданс ферритовых бусин возрастает с частотой, поэтому они подавляют только высокочастотные составляющие.

Изоляция

Соединение с шунтом — единственное место, где микросхема ЛБ7755 соединяется (через антиалайзинговые фильтры) с «внешним миром». Устройство также соединяется с линиями фазы и нейтрали для того, чтобы обеспечить питание схемы и получить сигнал напряжения для канала У2. Ферритовая бусина 21 и фильтрующий конденсатор С16 должны значительно ослаблять любые радиочастотные воздействия на схему источника питания.

Другой возможный путь для радиочастотных помех — сигнальное заземление устройства. Для того чтобы обеспечить изоляцию сигнального заземления ИС ЛБ7755 от внешней точки заземления системы (К4), используется метод «крепостного рва». На рис. 4 показан принцип этого метода, называемого «разделением» или «крепостным рвом».

Чувствительные к радиочастотам части схемы защищены от радиочастотных помех, поступающих в устройство через входы и выходы. На участке, к которому подсоединены входы и выходы устройства, нет шин питания и земли. Это уменьшает число путей, по которым попадают в устройство радиочастотные помехи; этот метод называется «крепостным рвом». Разумеется, цепи питания, заземления и сигналов должны пересекать этот «крепостной ров», и на рис. 4 показано, как это сделать безопасным образом с помощью ферритовой бусины. Не забывайте, что ферритовая бусина обладает большим импедансом на высокой частоте (см. рис. 3).

Компоненты и технологии, № 2'2003

Испытание на устойчивость к электрическим импульсам

Этот тест позволяет оценить устойчивость устройства к импульсным воздействиям. Тестирование производится в соответствии со стандартом 1ЕС1000-4-4 при строго определенных условиях. От подобных электрических импульсов, возможно, обеспечить защиту труднее всего, так как они воздействуют на устройство через соединение с внешними цепями, то есть с электрической сетью. Рис. 5 иллюстрирует физические свойства нормированного электрического импульса, который используется в стандарте 1ЕС1000-4-4. Возможно, наиболее неприятный с точки зрения устойчивой работы устройства параметр этого импульса — это не амплитуда (которая составляет 4 кВ), а высокочастотная составляющая, возникающая за счет предполагаемой высокой скорости нарастания импульса. Большая скорость нарастания означает высокочастотные помехи, которые воздействуют на компоненты устройства через паразитные емкости и т. п. На дорожках печатной платы и в цепи сигнального заземления, обладающих индуктивностью, могут возникнуть дифференциальные сигналы значительной амплитуды. Эти сигналы могут повлиять на работу чувствительных электронных компонентов схемы. Цифровые системы подвергаются риску повреждения данных. Длительность воздействия на аналоговые электронные устройства обычно ограничивается только длительностью импульса помехи.

4 кВ л 5 — НС

\

4—™  50 нс

\

ВРЕМЯ Рис. 5. Характеристики одиночного электрического импульса

ные поля»), также с равным успехом применима для электрических импульсов. Электронная схема должна быть изолирована насколько возможно от источника помех посредством специальной разводки (например, метода «крепостного рва») и фильтрации сигнальных цепей и цепей питания. Кроме того, конденсатор емкостью 0,01 мкФ (С16) помещен между сетевыми линиями в качестве низ-коимпедансного шунта для дифференциальных электрических импульсов. Паразитная индуктивность, возникающая за счет выводов и дорожек печатной платы, приводит к тому, что варистор (МОУ) не будет достаточно эффективен в отношении подавления дифференциального электрического импульса. Варистор очень эффективен при подавлении мощных, относительно продолжительных импульсов, например, вызванных разрядами молнии и т. п. Работа варистора рассматривается в следующем разделе.

Варистор типа Б20К275

В данной конструкции использовался варистор типа S20K275 фирмы Siemens. Варистор — это, в сущности, нелинейный резистор, сопротивление которого уменьшается при увеличении напряжения. Варистор обычно включается параллельно устройству или схеме, которую необходимо защитить. В течение высоковольтного импульса варистор действует как низко-импедансный шунт и таким образом предохраняет от высокого напряжения защищаемую схему. При этом импульс высокого напряжения полностью падает на внутреннем сопротивлении источника этого импульса, то есть внутреннем сопротивлении источника сетевого питания. Рис. 6 иллюстрирует данный принцип.

На графике рис. 6 показано, каким образом можно оценить значения тока и напряжения на варисторе при заданном напряжении импульса и внутреннем сопротивлении источника импульса. Нагрузочная линия (прямая, соединяющая на графике точку, соответствующую напряжению холостого хода с точкой короткого замыкания) проведена на том же

Еще одна возможная проблема, связанная с электрическим импульсом, заключается в том, что его действие, подобно действию электростатического разряда, обычно является кумулятивным для электронных компонентов. Энергия электрического импульса может доходить до 0,004 Дж и вызывать ток в 40 А на нагрузке сопротивлением 50 Ом (см. рис. 8). Таким образом, воздействие многократных электрических импульсов, которое может быть результатом переключения индуктивной нагрузки и т. п., может негативно сказаться на долговременной надежности компонентов устройства. Лучший подход в данном случае заключается в том, чтобы защитить компоненты устройства, чувствительные к импульсу.

Методика защиты, описанная в последнем разделе («Электромагнитные высокочастот-

V»,

источник С

высоковольтного ВАРИСТОР ІГ

ИМПУЛЬСА MOV Г

Vb,Vmov -

"НАГРУЗОЧНАЯ КРИВАЯ" ИСТОЧНИКА

высоковольтного

ИМПУЛЬСА

ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ

ХАРАКТЕРИСТИКА

ВАРИСТОРА

* Данные взяты из каталога

SIEMENS MATSUSHITA COMPONENTS SIOV METAL OXIDE VARISTOR CATALOG

Рис. 6. Принцип работы схемы защиты на варисторе

графике, что и вольт-амперная характеристика варистора. Точке, где эти две характеристики пересекаются, соответствуют напряжение и ток через варистор в момент срабатывания защиты. Необходимо со всей возможной тщательностью отнестись к оценке тока короткого замыкания. При расчете импеданса источника (то есть сети) необходимо принимать во внимание частотный спектр импульса, так как импеданс может быть разным на различных частотах. При тестировании прибора на устойчивость к высоковольтному импульсу значение импеданса сети принимается равным 50 Ом. Рассмотрим стандарты IEC1000-4-4 и IEC1000-4-5, регламентирующие методы тестирования прибора на устойчивость к импульсам высокого напряжения.

Стандарт IEC1000-4-4 и варистор типа S20K275

Несмотря на то, что рассмотренный выше графический метод вполне эффективен, все же наилучшим подходом является компьютерное моделирование, так как оно способствует лучшему пониманию принципов работы варистора. Фирма EPCOS Components предоставляет SPICE-модели для всех поставляемых варисторов; эти модели весьма полезны при расчете режимов работы прибора при различных тестах на устойчивость, предусмотренных стандартом. Для более подробного ознакомления со SPICE-моделями фирмы EPCOS и их применением воспользуйтесь сайтом http://www.epcos.de.

Стандарт IEC1000-4-4 регламентирует методику оценки действия повторяющихся маломощных, высоковольтных, с большой скоростью нарастания импульсов на электронное устройство. Этот тест предполагает имитацию импульсных помех, подобных тем, которые возникают при переключениях

На рис. 7 показана схема, предназначенная для воспроизведения электрических импульсов в соответствии со стандартом IEC1000-4-4. Характеристики, обеспечиваемые данной схемой, следующие:

• Максимальная энергия — 0,004 Дж/импульс при напряжении 2 кВ на нагрузке 50 Ом.

• Импеданс источника — 50 Ом ± 20%.

• Емкость конденсатора, блокирующего постоянный ток — 0,01 мкФ.

• Время нарастания импульса — 5 нс ± 30%.

• Длительность импульса по уровню 50% от максимального — 50 нс ± 30%.

• Форма импульса показана на рис. 5. Выходной сигнал этого генератора, подключенного к чисто резистивной нагрузке сопро-

Компоненты и технологии, № 2'2003

тивлением 50 Ом, показан на рис. 8. Без нагрузки амплитуда выходного импульса генератора составляет 4 кВ. Таким образом, так как внутреннее сопротивление генератора равно 50 Ом (нормируется стандартом ІЕС1000 4 4), соотношение амплитуд выходного импульса без нагрузки и с нагрузкой сопротивлением 50 Ом будет составлять 2:1.

вООУт20А-|-81М

МОЩНОСТЬ

/

ТОК (ЧЕРЕЗ НАГРУЗКУ 50 Ом]

200У-- 5А

Рис. 9. Выходной сигнал генератора на нагрузке сопротивлением 50 Ом с подключенным варистором

3,00 3,04 3,08 3,12 3,16 3,20

На графике на рис. 8 также показаны ток и мгновенная мощность (У-І) на нагрузке. Суммарная энергия импульса представляет собой интеграл мощности и может быть приблизительно вычислена методом прямоугольника, как показано. Она равна приблизительно 4 мДж при напряжении 2 кВ, что соответствует спецификации.

На рис. 9 показаны кривые напряжения на выходе генератора на нагрузке 50 Ом с подключенным параллельно варистором и небольшой индуктивностью (5 нГн). Индуктивность подключена для того, чтобы учесть паразитные индуктивности дорожек печатной платы и выводов элементов. Хотя результат моделирования показывает, что электрический импульс был ослаблен (до 600 В) и большая часть энергии была рассеяна на варисторе (только 0,8 мДж пришлось на нагрузку 50 Ом), необходимо учитывать, что паразитные индуктивности и емкости могут привести к тому, что варистор будет неэффективен. Для примера на рис. 10 показана форма сигнала в той же схеме, но индуктивность увеличена до 1 мкГн; такая индуктивность вполне может быть получена, если не будет уделено соответствующее внимание разводке платы. Тогда амплитуда импульса опять может достигать 2 кВ.

Если подключен конденсатор С16 (0,01 мкФ), то он обеспечивает для дифференциальных электрических импульсов низкоимпедансный

путь. Рис. 11 иллюстрирует эффект, достигаемый подключением конденсатора С16. Здесь величина паразитной индуктивности ^1) по-прежнему составляет 1 мкГн; к нагрузке присоединен варистор. На графике показан ток через конденсатор С16 и напряжение на нагрузке в 50 Ом. Конденсатор С16 обеспечивает низкоимпедансный путь для электрического импульса. Обратите внимание, что пиковый ток через конденсатор С16 составляет 80 А. В результате этого амплитуда электрического импульса значительно уменьшается.

ТОКЧЕРЕЗС16

НАПРЯЖЕНИЕ НА НАГРУЗКЕ 30 Ом

У

3,4 3,6

ІРЕМЯ, мкс

Рис. 11. Выходной сигнал генератора на нагрузке сопротивлением 50 Ом с подключенным варистором, индуктивностью в 1 мкГн и конденсатором С16 0,01 мкФ

ЭУЛ I—¿0-1 ЬУ/2 0^0 Я2 И цп д о^н

_1+0,5кУ утемку -С1 20\і? 1 3,9£ї У 50£2

ІХ1 «Ц ПОпрС

Рис. 12. Генератор импульсов в соответствии со стандартом ІЕС1000-4-5

имеет выходной импеданс 2 Ом. Этим импедансом определяется соотношение максимального напряжения при разомкнутой цепи к масимальному току при замкнутой цепи.

На рис. 13 показаны формы тока и напряжения на выходе генератора. Характеристики данного комбинированного генератора следующие. При разомкнутой цепи:

• Напряжение от 0,5 кВ до 4,0 кВ (минимум).

• Форма сигнала показана на рис. 13.

• Разброс значения выходного напряжения ±10%.

При короткозамкнутом выходе:

• Ток от 250 А до 2000 А.

• Форма сигнала показана на рис. 13.

• Разброс значения тока ±10%.

Частота повторений импульсов — 1 импульс за 60 с.

Рис. 13. Напряжение на разомкнутом выходе и ток при короткозамкнутом выходе генератора

При подавлении подобного рода мощных и продолжительных импульсов варистор очень эффективен. На рис. 14 показано напряжение на варисторе при подключении его к генератору, изображенному на рис. 12. Также показаны формы тока и мгновенной мощности. Энергию, рассеянную на варисторе, нетрудно оценить методом прямоугольника, как показано.

Стандарт ІЕС1000-4-5

Стандарт ІЕС1000-4-5 утверждает общие правила оценки функционирования системы, которая подвергается воздействию мощных помех по проводам питания и соединительным кабелям. На рис. 12 показана схема, которая используется для генерации комбинированного импульса, описанного в стандарте ІЕС1000-4-5. Этот генератор выдает импульс напряжения 1,2 мкс/50 мкс без нагрузки и импульс тока 8 мкс/20 мкс при короткозамкнутом выходе, поэтому данный генератор носит название гибридного. Генератор импульсов

Ограничение импульсного тока через варистор

Максимальный импульсный ток (и, следовательно, рассеиваемая энергия), который может выдержать варистор, зависит от того, сколько раз варистор будет подвергаться таким импульсам в процессе эксплуатации. Ресурс варистора сокращается всякий раз, как он подвергается воздействию импульса тока. В техническом описании варистора указывается максимальный неповторяющийся импульсный ток для импульсов длительностью

Компоненты и технологии, № 2'2003

8 мкс/20 мкс. Если импульс тока будет более продолжительным и если он может появиться более чем один раз за время работы варистора, данный максимальный ток необходимо ограничить. На рис. 15 показаны характеристики варистора S20K275. Предполагая длительность импульсов равной 30 мкс и максимальный ток, как показано на рис. 14, максимальное число импульсов, которое может выдержать данный варистор без критического ухудшения параметров, равно 10. После многократных перегрузок (10 раз в данном случае) напряжение защиты варистора будет изменяться. Вначале оно несколько увеличится, затем будет быстро падать.

частей устройства, которые наиболее чувствительны к шумам и электромагнитным помехам. Так как все этапы преобразования сигнала и его цифровая обработка происходят в ИС ЛБ7755, то надежность работы устройства определяется в первую очередь тем, как защищена микросхема ЛБ7755.

Для того чтобы обеспечить точность в широком динамическом диапазоне, та часть платы, которая ответственна за обработку сигналов, должна находиться в условиях минимального электрического шума. Шум приводит к росту погрешности в процессе аналогово-цифрового преобразования, выполняемого ИС ЛБ7755. Обычным источником шума в любом устройстве со смешанными сигналами является шум шины «земли», идущей к источнику питания. Здесь высокочастотный шум (возникающий из-за того, что цифровые сигналы имеют высокую скорость нарастания) может влиять на аналоговую часть устройства, так как шины «земли» аналоговой и цифровой частей имеют общий участок, идущий к источнику питания. Рис. 16 поясняет этот принцип.

Результаты теста на электромагнитную совместимость

Данная разработка была полностью тестирована на электромагнитную совместимость независимыми специалистами. Тестирование было проведено фирмой Integrity Design & Test Services Inc. (США). Конструкция была также тестирована на уровень излучения (EN 55022 Класс B) в соответствии с требованиями стандарта IEC1036:1996.

Кроме того, конструкция была протестирована на устойчивость к электростатическому разряду, радиочастотному излучению, импульсному радиочастотному излучению и электрическим импульсам в соответствии со стандартом IEC1036:1996.

Копия сертификата на данную конструкцию приведена в руководстве по применению, доступному по адресу: http://www.analog.com/ UploadedFiles/Application_Notes/80576942AN5 59.pdf.

Разработка печатной платы

При разработке печатной платы необходимо учитывать как устойчивость устройства к проведенным или излученным электромагнитным помехам, так и работу аналоговой части устройства. К счастью, разработано много приемов конструирования печатных плат, эффективных с точки зрения аналоговой и аналого-цифровой производительности системы, а также способствующих улучшению помехоустойчивости устройства. Основная идея заключается в изоляции тех

АНАЛОГОВАЯ ЧАСТЬ

СХЕМЫ ЦИФРОВАЯ ЧАСТЬ

СХЕМЫ

( Л Р— ллпД

rw

у ЗАЗЕМЛЕНИЕ /ІШУМА

+ ОБЩИЙ VLUYMA - ІШУМА х Z - +

ИМПЕДАНС Z

Рис. 16. Влияние цифрового шума через общий

импеданс «земли»

и измеряемые сигналы и может отрицательно повлиять на точность прибора (в результате влияния помех от источника питания на аналоговые входы), если не будут приняты должные меры при разводке печатной платы. Кроме того, частично схема делителя для канала У2 (канала напряжения) находится на цифровой части платы. Это помогает избежать возможного влияния на канал У1 за счет того, что обеспечивается насколько возможно малая амплитуда аналогового сигнала на аналоговой («тихой») части платы. Напоминаем, что при сопротивлении шунта 350 мкОм диапазон напряжения на входе канала У1 изменяется в пределах от 35 мкВ до 14 мВ (от 2 до 800%-1Ь). На рис. 17 показан предварительный эскиз размещения компонентов на печатной плате счетчика электроэнергии.

ИЗОЛИРОВАННАЯ ОБЛАСТЬ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ 'ЗЕМЛИ" СОЕДИНЕНЫ С ОТДЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ 'ЗЕМЛИ" ПОСРЕДСТВОМ

^ ФЕРРИТОВОЙ БУСИНЫ

ТОК ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ 32 мА

1/1

'V ЭТО НАПРЯЖЕНИЕ ДЕЙСТВУЕТ КАК

ВХОД СИНФАЗНОЕ НА ВХОДЕ VI

Рис. 17. Эскиз компоновки печатной платы счетчика на ИС АЭ7755

Общепринятый метод преодоления такого рода неприятностей заключается в использовании отдельных цепей заземления, идущих к источнику питания, для аналоговой и цифровой частей схемы. Кроме того, необходимо приложить все усилия для того, чтобы импеданс этих цепей был по возможности низким. При разработке печатной платы для ИС АЭ7755 были предусмотрены отдельные заземляющие поверхности для того, чтобы изолировать друг от друга цепи заземления, идущие к источнику питания. Использование заземляющих поверхностей также гарантирует, что будет обеспечен очень низкий импеданс заземления.

Микросхема АЭ7755 и чувствительные к помехам сигнальные пути расположены в «тихой» части платы, которая изолирована от шумных компонентов устройства, таких, как источник питания, мигающий светодиод и т. д. Так как в устройстве используется источник питания с гасящим конденсатором, значительный ток (приблизительно 32 мА при напряжении сети 220 В) будет возвращаться по заземлению в фазный провод (точку заземления устройства). Эта проблема проиллюстрирована на рис. 17. При размещении источника питания на цифровой части печатной платы обеспечивается удаленность пути этого обратного тока от ИС АЭ7755 и аналоговых входных сигналов. Этот ток имеет ту же частоту, что

Разделение поверхностей на печатной плате, как показано на рис. 17, также позволяет нам применить метод «крепостного рва» с целью повысить устойчивость системы к электромагнитным помехам. Цифровая часть печатной платы — это место, куда подключаются линии фазы и нейтрали. Эта часть платы содержит схему подавления импульсных помех (варистор, ферритовый дроссель и т. д.) и схему источника питания. Поверхности «земли» соединены посредством ферритовой бусины, которая способствует изоляции аналоговой «земли» от высокочастотных помех.

Результаты поверки и тестирования счетчика

100

ТОК, А

Рис. 18. Погрешность измерения в % при 25 °С, 220 В, коэффициент мощности РР = +0,57-0,5, частота — 50 Гц

Компоненты и технологии, № 2'2003

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

-0,1

-0,2

-0,3

-0,4

-0,5

PF -0 £

/ PF = 1 PF +Í

і Ч / / і"

*

.1 1 10 100 ТОК, А

Рис. 19. Погрешность измерения в % при 70 °С, 220 В, коэффициент мощности РР = +0,5/-0,5, частота — 50 Гц

/

✓ =5 »-*

/

10 100 ТОК, А

Рис. 20. Погрешность измерения в % при -25 °С, 220 В, коэффициент мощности РР = +0,5/-0,5, частота — 50 Гц

Тестирование на электромагнитное излучение (EMC) N55022:1994 и на электромагнитную совместимость (EMC) EN 61000-4-2, EN 61000-4-3, EN 61000-4-4, ENV 50204

Копии сертификатов тестирования данной конструкции приведены в руководстве по применению, доступному по адресу:

http://www.analog.com/UploadedFiles/

Application_Notes/80576942AN559.pdf.

Стандарты ANSI C12.16 и IEC1039

ANSI C12.16-1991 представляет собой стандарт, в котором описываются требования к полупроводниковым электронным счетчикам. Так как в данном руководстве по применению при разработке конструкции мы ссылались на стандарт IEC 1036, в этом разделе мы рассмотрим некоторые из ключевых спецификаций стандарта IEC1036 в соответствующих эквивалентах стандарта ANSI. Это поможет избежать возможной путаницы, вызванной тем, что в этих стандартах некоторые термины имеют различное значение.

Класс — стандарт IEC1036

Класс прибора в стандарте IEC1036 зависит от точности этого прибора. Например, счетчик класса 1 обладает погрешностью не более

УК1

аК2

3л

ÍZ3

Щи

J10

11

»Е

«и

п

о

11

I

11

C12IJ

CloU

° 1*1°  Ыо

R1 О ПО

но

R2 О

j7 АЯ

JÍ о

ашм о

С19 О

J2

J14L J13L J12L

°Н 1-°:

"(Ю

СУ Со щ

cPR) U *17

„ J15L И

° 1ИТ1И~1лдн О ІГИГІІімн

О 18~ИИ~Илзн 01И~МВ~И1л2н

ощлжл °

ЙС7 J1,H(T

т

О

О

Па

sDaE

ANALOG

DEVICES

°

AD7755 О °

о ENERGY METER о о о REV В 8/99  о

^ о О Ґ^\ \

Рис. 21. Схема сборки печатной платы

О

о

«.

MOVI

О

о

о

о

С17

О R22

О

о

Ю

о

и О __

о о

О о

J

Ю f о lO \а

О

о imoci

СЮ“ R14

=^стіиот r23 jy О “ о lili R10 О ООП«“ о с6 OIIII И1

о от

о

о

R9

I

R8

О О

Рис. 22. Схема сборки печатной платы

1%. Счетчик класса 0,5 будет иметь максимальное отклонение 0,5% и т. д. В стандарте ANSI С12.16 класс определяется максимальным током, с которым может работать счетчик при заданной точности. Здесь имеются следующие классы: 10, 20, 100, 200 и 320. Это соответствует максимальному току через счетчик 10, 20, 100, 200 и 320 А соответственно.

Базовый ток (1Ь) — стандарт 1ЕС1036

Базовый ток (1Ь) — это величина тока, относительно которой нормируется рабочий диапазон счетчика. В стандарте 1ЕС1036 определяется класс точности прибора в динамическом диапазоне 0,05-1Ь<1<1МЛХ. Эта величина тока также используется при тестировании

-Q-

Компоненты и технологии, № 2'2003

Z3 VAL

K1 @—1ayv\2

Z4 VAL

K2@—!Lnnn?

К ЦЕПИ КАЛИБРОВКИ CALHIGH CALLOW

Ґ1 R15 N ЗЗОкП

Ґ1 R16 U ЗЗОкП

R20 20П

J+C13 -LC12

10|jF 6,3V

R22 10П

0,1 mF

DVDD U1 FI

ACDC AD7755 F2

AVDD CF

NCI DGND

VIP REVP

VIN NC2

V2N CKLOUT

V2P CLKIN

RESET GO

REF G1

AGND SO

SCF SI

C6-L C5-0,1 MFT IOmFT V 6,3 V V

1 ВНЕШНИИ И.О.Н.

JIILOfi J11H on

Рис. 25. Принципиальная схема счетчика электроэнергии на микросхеме АЭ7755, часть 1

счетчика на максимально допустимые величины различных параметров, таких, как диапазон рабочего напряжения или частоты сети. Наиболее близкий эквивалент в стандарте ANSI С12.16 — это тестовый ток. Значения тестового тока для счетчиков различного класса (с различным максимальным током) приведены ниже:

Class 10 — 2.5 A;

Class 20 — 2.5 A;

Class 100 — 15 A;

Class 200 — 30 A;

Class 320 — 50 A.

IMAX — стандарт IEC1036

IMAX — это максимальный ток, при котором счетчик обеспечивает заданную точность. Эта величина соответствует классу счетчика в стандарте ANSI C12.16. Например, счетчик с максимальным током IMAX равным 20 А в стандарте IEC1036 соответствует счетчику класса 20 в стандарте ANSI C12.16.

CALHIGH

J1 0 J2 0 J3 0 J4 0 J5 0 J6 0 J7 0 J8 0 J9 0 J10 0 CALLOW

R5 R6 R 7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14

300Ш 150Ш 75 кП 39кП 18кП 9,1 кП 5,1 кП 2,2 Idi 1,2кП 560Q

ЦЕПЬ КАЛИБРОВКИ

Рис. 26. Принципиальная схема счетчика электроэнергии на микросхеме АЭ7755, часть 2

Порог отключения по отсутствию нагрузки

Микросхема ЛБ7755 имеет встроенную схему отключения «самохода» счетчика. ИС ЛБ7755 не будет выдавать импульсы на выходах СБ, Б1 и Б2, если выходная частота снизилась до определенного уровня. Схема отключения «самохода» гарантирует, что счетчик не будет регистрировать расход электроэнергии, когда нагрузка отсутствует. В стандарте

IEC1036 (1996-09), в разделе 4.6.4 нормируется начальный ток, который не должен превышать более 0,4%-Ib при коэффициенте мощности PF = 1. В данной конструкции начальный ток составляет 7,8 мА или 0,16%-Ib. См. раздел «Порог выключения по отсутствию нагрузки» в техническом описании ИС AD7755 (это техническое описание имеется в переводе на русский язык на сайте Представительства Analog Devices в СНГ и Балтии по адресу http://www.analog.spb.ru).