Recientemente, en lugar de la inducción, los medidores de electricidad han sido electrónicos. En estos contadores, el mecanismo de conteo no gira con bobinas de voltaje y corriente, sino con dispositivos electrónicos especializados. Además, el microcontrolador y la pantalla digital, respectivamente, pueden ser un medio para grabar y mostrar lecturas. Todo esto permitió reducir las dimensiones generales de los dispositivos, así como reducir su costo.
La composición de casi cualquier medidor electrónico incluye uno o más chips informáticos especializados que realizan las funciones básicas de conversión y medición. La entrada de dicho microcircuito recibe información sobre el voltaje y la intensidad de corriente de los sensores correspondientes en forma analógica. Dentro del chip, esta información se digitaliza y se convierte de cierta manera. Como resultado, se generan señales de pulso a la salida del microcircuito, cuya frecuencia es proporcional a la potencia consumida actual de la carga conectada al medidor. Los pulsos llegan al mecanismo de conteo, que es un electroimán, coordinado con engranajes sobre ruedas con números. En el caso de medidores más caros con una pantalla digital, se utiliza un microcontrolador adicional. Se conecta al microcircuito anterior y a una pantalla digital a través de una interfaz específica, acumula el resultado de medir la electricidad en la memoria no volátil y también proporciona una funcionalidad adicional del dispositivo.
Considere varios microcircuitos y modelos de contadores similares que llegaron a mi mano.
Una imagen sin ensamblar a continuación muestra uno de los medidores monofásicos más baratos y populares "NEVA 103". Como se puede ver en la figura, el dispositivo contador es bastante simple. La placa principal consta de un microcircuito especializado, su kit de carrocería y un conjunto estabilizador de potencia basado en un condensador de lastre. En la placa adicional hay un LED que indica la carga consumida. En este caso, 3200 pulsos por 1 kW * h. También es posible tomar pulsos del bloque de terminales verde ubicado en la parte superior del mostrador. El mecanismo de conteo consta de siete ruedas con números, una caja de cambios y un electroimán. Muestra la electricidad calculada con una precisión de décimas de kW * h. Como se puede ver en la figura, la caja de cambios tiene una relación de transmisión de 200: 1. Según mis comentarios, esto significa "200 pulsos por 1 kWh". Es decir, 200 pulsos aplicados al electroimán contribuirán a desplazar la última rueda roja en 1 revolución completa. Esta relación es un múltiplo de la relación para el indicador LED, que no es accidental. La caja de engranajes con un electroimán está ubicada en una caja de metal debajo de dos pantallas para protegerla de la interferencia de un campo magnético externo.
En este modelo de contador, se utiliza el chip ADE7754. Considera su estructura.
Los pines 5 y 6 reciben una señal analógica de la derivación actual, que se encuentra en los terminales primero y segundo del medidor (el daño es visible en la foto en este lugar). Los pines 8 y 7 reciben una señal analógica proporcional al voltaje en la red. A través de los pines 16 y 15, es posible establecer la ganancia del amplificador operacional interno, que es responsable de la corriente. Ambas señales con la ayuda de unidades ADC se convierten en forma digital y, después de pasar una cierta corrección y filtrado, se alimentan al multiplicador. El multiplicador multiplica estas dos señales, como resultado de lo cual, de acuerdo con las leyes de la física, la información sobre el consumo de energía actual se obtiene a su salida. Esta señal se alimenta a un convertidor especializado, que genera pulsos preparados para el dispositivo de conteo (pines 23 y 24) y para el LED de control y la salida de conteo (pin 22). A través de los pines 12, 13 y 14, se configuran los factores y modos de frecuencia de los pulsos anteriores.
El esquema estándar del kit de carrocería es casi un esquema del contador en consideración.
El cable negativo común está conectado a cero 220V. La fase pasa al pin 8 a través de un divisor en las resistencias, que sirve para reducir el nivel del voltaje medido. La señal de la derivación ingresa a las entradas correspondientes del chip también a través de resistencias. En este circuito diseñado para pruebas, los pines de configuración 12-14 están conectados a una unidad lógica. Dependiendo del modelo del medidor, pueden tener una configuración diferente. En esta breve revisión, esta información no es tan importante. El indicador LED está conectado al pin correspondiente en serie con el aislamiento óptico, en el otro lado del cual está conectado un bloque de terminales para eliminar la información de conteo (K7 y K8).
De la misma familia de microcircuitos hay análogos similares para mediciones trifásicas. Lo más probable es que estén integrados en medidores trifásicos baratos. Como ejemplo, la siguiente figura muestra la estructura de uno de estos microcircuitos, a saber, ADE7752.
En lugar de dos nodos ADC, hay 6 de ellos utilizados: 2 para cada fase. Las entradas negativas del voltaje del amplificador operacional se combinan juntas y salen al pin 13 (cero). Cada una de las tres fases está conectada a su entrada positiva del amplificador operacional (pines 14, 15, 16). Las señales de las derivaciones de corriente para cada fase están conectadas por analogía con el ejemplo anterior. Para cada una de las tres fases, se extrae una señal que caracteriza la potencia actual utilizando tres multiplicadores. Estas señales, además de los filtros, pasan a través de nodos adicionales, que se activan a través del pin 17 y sirven para permitir el funcionamiento del módulo matemático. Luego se suman estas tres señales, obteniendo así el consumo total de energía para todas las fases. Dependiendo de la configuración binaria del pin 17, el sumador suma los valores absolutos de las tres señales o sus módulos. Esto es necesario para ciertas sutilezas de medición de electricidad, cuyos detalles no se consideran aquí. Esta señal se alimenta a un convertidor similar al ejemplo anterior con un medidor monofásico. Su interfaz también es casi la misma.
Vale la pena señalar que los microcircuitos anteriores se utilizan para medir la energía activa. Los medidores más caros son capaces de medir tanto la energía activa como la reactiva. Considere, por ejemplo, el chip ADE7754. Como se puede ver en la figura siguiente, su estructura es mucho más complicada que la estructura de los microcircuitos de los ejemplos anteriores.
El microcircuito mide la electricidad trifásica activa y reactiva, tiene una interfaz SPI para conectar el microcontrolador y una salida CF (pin 1) para el registro externo de la electricidad activa. El microcontrolador lee toda la otra información del microcircuito a través de la interfaz. A través de él, la configuración del microcircuito se lleva a cabo, en particular, la instalación de numerosas constantes reflejadas en el diagrama estructural. Como resultado, este microcircuito, a diferencia de los dos ejemplos anteriores, no es autónomo, y se requiere un microcontrolador para construir un contador basado en este microcircuito. Puede observar visualmente en el diagrama estructural los nodos que son individualmente responsables de medir la energía activa y reactiva. Aquí todo es mucho más complicado que en los dos ejemplos anteriores.
Como ejemplo, considere otro dispositivo interesante: un medidor trifásico “Energomera TSE6803V P32”. Como se puede ver en la foto a continuación, este contador aún no se ha operado. Lo conseguí sin sellar con daños mecánicos menores en el exterior. Con todo esto, estaba completamente en condiciones de trabajo.
Como puede ver, mirando la placa principal, el dispositivo consta de tres nodos idénticos (a la derecha), circuitos de alimentación y un microcontrolador. En el lado inferior de la placa principal hay tres módulos idénticos en placas separadas, uno para cada nodo. Estos módulos son microcircuitos AD71056 con el peso mínimo requerido. Este chip es un medidor de electricidad monofásico.
Los módulos están sellados verticalmente en la placa principal. Los cables trenzados conectan derivaciones de corriente a estos módulos.
Durante un par de horas, logré dibujar un diagrama eléctrico del dispositivo. Consideremos con más detalle.
A la derecha en el diagrama general hay un diagrama de un módulo monofásico, que se mencionó anteriormente. El chip D1 de este módulo AD71056 es similar en propósito al chip ADE7755 que se discutió anteriormente. Se suministra energía de 5V al cuarto contacto del módulo, y una señal de voltaje al tercero. La información del segundo contacto se toma en forma de pulsos sobre el consumo de energía a través de la salida CF del chip D1. La señal de las derivaciones actuales proviene de los contactos X1 y X2. Las entradas de configuración del microcircuito SCF, S1 y S0 en este caso se encuentran en los pines 8-10 y se configuran en "0,1,1".
Cada uno de estos tres módulos sirve a cada fase, respectivamente. La señal para medir el voltaje se suministra al módulo a través de una cadena de cuatro resistencias y se toma del terminal cero ("N"). Cabe señalar que el cable común para cada módulo es la fase correspondiente. Pero, el cable común de todo el circuito está conectado al terminal cero. Esta solución difícil para proporcionar energía a cada nodo en el circuito se describe a continuación.
Cada una de las tres fases va a los diodos zener VD4, VD5 y VD6, respectivamente, luego a los circuitos RC de lastre R1C1, R2C2 y R3C3, luego a los diodos zener VD1, VD2 y VD3, que están conectados por sus ánodos a cero. De los primeros tres diodos zener, la tensión de alimentación para cada módulo U3, U2 y U1 se elimina, respectivamente, rectificada por los diodos VD10, VD11 y VD12. Los reguladores de chips D1-D3 se utilizan para obtener una tensión de alimentación de 5V. El voltaje del circuito general se elimina de los diodos Zener VD1-VD3, rectificado por los diodos VD7-VD9, recogidos en un punto y alimentados al regulador D4, desde donde se eliminan 5V.
El circuito general es un microcontrolador (MK) D5 PIC16F720. Obviamente, sirve para recopilar y procesar información sobre el consumo de energía actual proveniente de cada módulo en forma de pulsos. Estas señales provienen de los módulos U3, U2 y U1 a los pines de MK RA2, RA4 y RA5 a través de las uniones ópticas V1, V2 y V3, respectivamente. Como resultado, en los pines RC1 y RC2, el MK genera pulsos para el dispositivo de conteo mecánico M1. Es similar al dispositivo discutido anteriormente, y también tiene una relación de 200: 1. La resistencia de la bobina es alta y es de aproximadamente 500 ohmios, lo que le permite conectarla directamente al MK sin circuitos de transistor adicionales. En el pin RC0, el MK genera pulsos para el indicador LED HL2 y para la salida de pulso externo en el conector XT1. Este último se implementa a través del aislamiento óptico V4 y el transistor VT1. En este modelo de medidor, la relación es de 400 pulsos por 1 kW * h. En la práctica, al probar este contador (después de una pequeña reparación), se notó que la bobina electromagnética del mecanismo de conteo funciona sincrónicamente con el flash del LED HL2, pero una vez (dos veces menos). Esto confirma la correspondencia de las proporciones 400: 1 para el indicador y 200: 1 para el mecanismo de conteo, como se mencionó anteriormente.
En el lado izquierdo de la placa hay un lugar para el conector XS1 de 10 pines, que sirve para flashear, así como para la interfaz UART de MK.
Por lo tanto, el medidor trifásico "Energomera TSE6803V R32" consta de tres microcircuitos de medición monofásicos y un microcontrolador que procesa la información de ellos.
En conclusión, vale la pena señalar que hay una serie de modelos de contador que son mucho más complejos en su funcionalidad. Por ejemplo, medidores con monitoreo remoto de lecturas por línea de alimentación, o incluso a través de un módulo de comunicación móvil. En este artículo, consideré solo los modelos más simples y los principios básicos para construir sus circuitos eléctricos. Pido disculpas de antemano por la terminología posiblemente incorrecta en el texto, ya que traté de exponer en lenguaje sencillo.