Récemment, les compteurs d'électricité à induction sont devenus électroniques. Dans ces compteurs, le mécanisme de comptage ne tourne pas à l'aide de bobines de tension et de courant, mais à l'aide d'une électronique spécialisée. De plus, le microcontrôleur et l'affichage numérique, respectivement, peuvent être un moyen d'enregistrer et d'afficher des lectures. Tout cela a permis de réduire les dimensions globales des appareils, ainsi que de réduire leur coût.
La composition de presque tous les compteurs électroniques comprend une ou plusieurs puces informatiques spécialisées qui remplissent les fonctions de base de conversion et de mesure. L'entrée d'un tel microcircuit reçoit des informations sur la tension et l'intensité du courant des capteurs correspondants sous forme analogique. À l'intérieur de la puce, ces informations sont numérisées et converties d'une certaine manière. Il en résulte que des signaux impulsionnels sont générés à la sortie du microcircuit, dont la fréquence est proportionnelle à la puissance actuellement consommée de la charge connectée au compteur. Les impulsions arrivent au mécanisme de comptage, qui est un électroaimant, coordonné avec des engrenages sur roues avec des nombres. Dans le cas de compteurs plus chers à affichage numérique, un microcontrôleur supplémentaire est utilisé. Il se connecte au microcircuit ci-dessus et à un affichage numérique via une interface spécifique, accumule le résultat de la mesure de l'électricité dans une mémoire non volatile et fournit également des fonctionnalités supplémentaires de l'appareil.
Considérez plusieurs microcircuits et modèles de compteurs similaires qui sont venus à ma main.
Une image non assemblée ci-dessous montre l'un des compteurs monophasés les moins chers et les plus populaires "NEVA 103". Comme le montre la figure, le compteur est assez simple. La carte principale se compose d'un microcircuit spécialisé, de son kit de carrosserie et d'un ensemble stabilisateur de puissance basé sur un condensateur de ballast. Sur la carte supplémentaire, il y a une LED indiquant la charge consommée. Dans ce cas, 3200 impulsions par 1 kW * h. Il est également possible de prendre des impulsions à partir du bornier vert situé en haut du compteur. Le mécanisme de comptage se compose de sept roues avec des chiffres, une boîte de vitesses et un électro-aimant. Il affiche l'électricité calculée avec une précision de dixièmes de kW * h. Comme le montre la figure, la boîte de vitesses a un rapport de réduction de 200: 1. Selon mes remarques, cela signifie "200 impulsions pour 1 kWh". Autrement dit, 200 impulsions appliquées à l'électro-aimant contribueront à faire défiler la dernière roue rouge de 1 tour complet. Ce rapport est un multiple du rapport de l'indicateur LED, ce qui n'est pas accidentel. La boîte de vitesses avec un électroaimant est située dans une boîte métallique sous deux écrans afin de la protéger des interférences dues à un champ magnétique externe.
Dans ce modèle de compteur, la puce ADE7754 est utilisée. Considérez sa structure.
Les broches 5 et 6 reçoivent un signal analogique du shunt de courant, qui est situé sur les première et deuxième bornes du compteur (des dommages sont visibles sur la photo à cet endroit). Les broches 8 et 7 reçoivent un signal analogique proportionnel à la tension du réseau. Grâce aux broches 16 et 15, il est possible de régler le gain de l'amplificateur opérationnel interne, qui est responsable du courant. Les deux signaux à l'aide d'unités ADC sont convertis sous forme numérique et, après avoir passé une certaine correction et un certain filtrage, sont envoyés au multiplicateur. Le multiplicateur multiplie ces deux signaux, ce qui permet, selon les lois de la physique, d'obtenir à sa sortie des informations sur la consommation électrique actuelle. Ce signal est envoyé à un convertisseur spécialisé, qui génère des impulsions prêtes à l'emploi vers le dispositif de comptage (broches 23 et 24) et vers la LED de commande et la sortie de comptage (broche 22). Grâce aux broches 12, 13 et 14, les facteurs de fréquence et les modes des impulsions ci-dessus sont configurés.
Le schéma standard du kit carrosserie est presque un schéma du compteur considéré.
Le fil négatif commun est connecté à zéro 220V. La phase passe à la broche 8 à travers un diviseur sur les résistances, qui sert à réduire le niveau de la tension mesurée. Le signal du shunt entre également dans les entrées correspondantes de la puce via des résistances. Dans ce circuit conçu pour les tests, les broches de configuration 12-14 sont connectées à une unité logique. Selon le modèle du compteur, ils peuvent avoir une configuration différente. Dans cette brève revue, ces informations ne sont pas si importantes. L'indicateur LED est connecté à la broche correspondante en série avec l'isolement optique, de l'autre côté duquel un bornier est connecté pour supprimer les informations de comptage (K7 et K8).
De la même famille de microcircuits, il existe des analogues similaires pour les mesures triphasées. Très probablement, ils sont intégrés dans des compteurs triphasés bon marché. A titre d'exemple, la figure ci-dessous montre la structure de l'un de ces microcircuits, à savoir l'ADE7752.
Au lieu de deux nœuds ADC, 6 d'entre eux sont utilisés: 2 pour chaque phase. Les entrées négatives de la tension de l'ampli op sont combinées ensemble et sont sorties vers la broche 13 (zéro). Chacune des trois phases est connectée à son entrée positive de l'ampli-op (broches 14, 15, 16). Les signaux des shunts de courant pour chaque phase sont connectés par analogie avec l'exemple précédent. Pour chacune des trois phases, un signal caractérisant la puissance actuelle est extrait à l'aide de trois multiplicateurs. Ces signaux, en plus des filtres, passent par des nœuds supplémentaires, qui sont activés via la broche 17 et servent à permettre le fonctionnement du module mathématique. Ces trois signaux sont ensuite additionnés, obtenant ainsi la consommation électrique totale pour toutes les phases. Selon la configuration binaire de la broche 17, l'additionneur additionne soit les valeurs absolues des trois signaux, soit leurs modules. Cela est nécessaire pour certaines subtilités de mesure de l'électricité, dont les détails ne sont pas examinés ici. Ce signal est envoyé à un convertisseur similaire à l'exemple précédent avec un compteur monophasé. Son interface est également presque la même.
Il convient de noter que les microcircuits ci-dessus sont utilisés pour mesurer l'énergie active. Des compteurs plus chers sont capables de mesurer à la fois l'énergie active et réactive. Prenons par exemple la puce ADE7754. Comme on peut le voir sur la figure ci-dessous, sa structure est beaucoup plus compliquée que la structure des microcircuits des exemples précédents.
Le microcircuit mesure l'électricité triphasée active et réactive, possède une interface SPI pour connecter le microcontrôleur et une sortie CF (broche 1) pour l'enregistrement externe de l'électricité active. Toutes les autres informations du microcircuit sont lues par le microcontrôleur via l'interface. Grâce à lui, la configuration du microcircuit est réalisée, en particulier, l'installation de nombreuses constantes reflétées dans le schéma structurel. Par conséquent, ce microcircuit, contrairement aux deux exemples précédents, n'est pas autonome, et un microcontrôleur est nécessaire pour construire un compteur basé sur ce microcircuit. Vous pouvez observer visuellement dans le diagramme structurel les nœuds qui sont individuellement responsables de la mesure de l'énergie active et réactive. Tout est beaucoup plus compliqué ici que dans les deux exemples précédents.
À titre d'exemple, considérons un autre appareil intéressant: un compteur triphasé «Energomera TSE6803V P32». Comme le montre la photo ci-dessous, ce compteur n'a pas encore été utilisé. Je l'ai obtenu sous une forme non scellée avec des dommages mécaniques mineurs à l'extérieur. Avec tout cela, il était complètement en état de marche.
Comme vous pouvez le voir, en regardant la carte principale, l'appareil se compose de trois nœuds identiques (à droite), de circuits d'alimentation et d'un microcontrôleur. Sur le côté inférieur de la carte principale se trouvent trois modules identiques sur des cartes distinctes, un pour chaque nœud. Ces modules sont des microcircuits AD71056 avec le poids minimum requis. Cette puce est un compteur d'électricité monophasé.
Les modules sont scellés verticalement sur la carte principale. Des fils torsadés relient les shunts de courant à ces modules.
Pendant quelques heures, j'ai réussi à dessiner un schéma électrique de l'appareil. Examinons-le plus en détail.
Sur la droite dans le schéma général est un schéma d'un module monophasé, qui a été mentionné ci-dessus. La puce D1 de ce module AD71056 a un objectif similaire à la puce ADE7755 décrite précédemment. Une alimentation de 5 V est fournie au quatrième contact du module et un signal de tension au troisième. Les informations du deuxième contact sont prises sous forme d'impulsions sur la consommation d'énergie via la sortie CF de la puce D1. Le signal des shunts actuels passe par les contacts X1 et X2. Les entrées de configuration des microcircuits SCF, S1 et S0 dans ce cas sont situées sur les broches 8-10 et sont configurées en "0,1,1".
Chacun de ces trois modules dessert respectivement chaque phase. Le signal de mesure de la tension est fourni au module via une chaîne de quatre résistances et est prélevé sur la borne zéro («N»). Il convient de noter que le fil commun pour chaque module est la phase correspondante. Mais, le fil commun de l'ensemble du circuit est connecté à la borne zéro. Cette solution délicate pour alimenter chaque nœud du circuit est décrite ci-dessous.
Chacune des trois phases va aux diodes zener VD4, VD5 et VD6, respectivement, puis aux circuits RC ballast R1C1, R2C2 et R3C3, puis aux diodes zener VD1, VD2 et VD3, qui sont reliées à zéro par leurs anodes. A partir des trois premières diodes zener, la tension d'alimentation de chaque module U3, U2 et U1 est respectivement supprimée, redressée par les diodes VD10, VD11 et VD12. Les puces-régulateurs D1-D3 permettent d'obtenir une tension d'alimentation de 5V. La tension du circuit général est supprimée des diodes Zener VD1-VD3, redressée par les diodes VD7-VD9, collectée en un point et envoyée au régulateur D4, d'où 5V est retiré.
Le circuit général est un microcontrôleur (MK) D5 PIC16F720. Evidemment, il sert à collecter et traiter des informations sur la consommation électrique actuelle provenant de chaque module sous forme d'impulsions. Ces signaux proviennent des modules U3, U2 et U1 vers les broches de MK RA2, RA4 et RA5 via les jonctions optiques V1, V2 et V3, respectivement. En conséquence, sur les broches RC1 et RC2, le MK génère des impulsions pour le dispositif de comptage mécanique M1. Il est similaire à l'appareil décrit précédemment et a également un rapport de 200: 1. La résistance de la bobine est élevée et est d'environ 500 Ohms, ce qui vous permet de la connecter directement au MK sans circuits de transistor supplémentaires. Sur la broche RC0, le MK génère des impulsions pour l'indicateur LED HL2 et pour la sortie d'impulsions externe sur le connecteur XT1. Ce dernier est mis en œuvre grâce à l'isolement optique V4 et au transistor VT1. Dans ce modèle de compteur, le rapport est de 400 impulsions pour 1 kW * h. En pratique, lors du test de ce compteur (après une petite réparation), il a été constaté que la bobine électromagnétique du mécanisme de comptage fonctionne de manière synchrone avec le flash de la LED HL2, mais une fois (deux fois moins). Cela confirme la correspondance des ratios 400: 1 pour l'indicateur et 200: 1 pour le mécanisme de comptage, comme mentionné précédemment.
Sur le côté gauche de la carte, il y a une place pour le connecteur XS1 à 10 broches, qui sert à clignoter, ainsi que pour l'interface UART de MK.
Ainsi, le compteur triphasé «Energomera TSE6803V R32» se compose de trois microcircuits de mesure monophasés et d'un microcontrôleur qui traite les informations qu'ils contiennent.
En conclusion, il convient de noter qu'il existe un certain nombre de modèles de compteurs dont la fonctionnalité est beaucoup plus complexe. Par exemple, des compteurs avec surveillance à distance des relevés par ligne électrique, ou même via un module de communication mobile. Dans cet article, je n'ai considéré que les modèles les plus simples et les principes de base pour construire leurs circuits électriques. Je m'excuse à l'avance pour la terminologie peut-être incorrecte dans le texte, car j'ai essayé de m'exprimer en langage clair.