Recentemente, no lugar da indução, os medidores de eletricidade passaram a ser eletrônicos. Nesses contadores, o mecanismo de contagem não é girado usando bobinas de tensão e corrente, mas usando eletrônicos especializados. Além disso, o microcontrolador e o display digital, respectivamente, podem ser um meio de gravar e exibir leituras. Tudo isso permitiu reduzir as dimensões gerais dos dispositivos, bem como reduzir seus custos.
A composição de praticamente qualquer medidor eletrônico inclui um ou mais chips de computação especializados que executam as funções básicas de conversão e medição. A entrada desse microcircuito recebe informações sobre a tensão e a força da corrente dos sensores correspondentes em forma analógica. Dentro do chip, essas informações são digitalizadas e convertidas de uma certa maneira. Como resultado, sinais de pulso são gerados na saída do microcircuito, cuja frequência é proporcional à energia consumida pela corrente da carga conectada ao medidor. Os pulsos chegam ao mecanismo de contagem, que é um eletroímã, coordenado com engrenagens sobre rodas com números. No caso de medidores mais caros com display digital, é usado um microcontrolador adicional. Ele se conecta ao microcircuito acima e a um display digital por meio de uma interface específica, acumula o resultado da medição de eletricidade na memória não volátil e também fornece funcionalidade adicional ao dispositivo.
Considere vários microcircuitos e modelos de balcão semelhantes que chegaram à minha mão.
Uma imagem desmontada abaixo mostra um dos medidores monofásicos mais baratos e populares “NEVA 103”. Como pode ser visto na figura, o contador é bastante simples. A placa principal consiste em um microcircuito especializado, seu kit de corpo e um conjunto de estabilizador de energia baseado em um capacitor de lastro. Na placa adicional, há um LED indicando a carga consumida. Nesse caso, 3200 pulsos por 1 kW * h. Também é possível receber pulsos do bloco de terminais verde localizado na parte superior do balcão. O mecanismo de contagem consiste em sete rodas com números, uma caixa de velocidades e um eletroímã. Ele exibe a eletricidade calculada com uma precisão de décimos de kW * h. Como pode ser visto na figura, a caixa de velocidades tem uma relação de transmissão de 200: 1. De acordo com minhas observações, isso significa "200 pulsos por 1 kWh". Ou seja, 200 pulsos aplicados ao eletroímã contribuirão para rolar a última roda vermelha em 1 volta completa. Essa taxa é um múltiplo da taxa do indicador LED, o que não é acidental. A caixa de engrenagens com um eletroímã está localizada em uma caixa de metal sob duas telas para protegê-la contra interferências de um campo magnético externo.
Nesse modelo de contador, o chip ADE7754 é usado. Considere sua estrutura.
Os pinos 5 e 6 recebem um sinal analógico do shunt de corrente, localizado no primeiro e no segundo terminais do medidor (danos são visíveis na foto neste local). Os pinos 8 e 7 recebem um sinal analógico proporcional à tensão na rede. Através dos pinos 16 e 15, é possível definir o ganho do amplificador operacional interno, responsável pela corrente. Ambos os sinais, com a ajuda das unidades ADC, são convertidos para o formato digital e, após uma certa correção e filtragem, são alimentados ao multiplicador. O multiplicador multiplica esses dois sinais, como resultado, de acordo com as leis da física, informações sobre o consumo atual de energia são obtidas na saída. Esse sinal é alimentado a um conversor especializado, que gera pulsos prontos para o dispositivo de contagem (pinos 23 e 24) e para o LED de controle e saída de contagem (pino 22). Através dos pinos 12, 13 e 14, são configurados fatores de frequência e modos dos pulsos acima.
O esquema padrão do kit de corpo é quase um esquema do contador em consideração.
O fio negativo comum está conectado a zero 220V. A fase passa pelo pino 8 através de um divisor nos resistores, o que serve para reduzir o nível da tensão medida. O sinal do shunt entra nas entradas correspondentes do chip também através de resistores. Neste circuito projetado para teste, os pinos de configuração 12-14 são conectados a uma unidade lógica. Dependendo do modelo do medidor, eles podem ter uma configuração diferente. Nesta breve revisão, essas informações não são tão importantes. O indicador LED é conectado ao pino correspondente em série com o isolamento óptico, do outro lado do qual está conectado um bloco de terminais para remover as informações de contagem (K7 e K8).
Da mesma família de microcircuitos, existem análogos semelhantes para medições trifásicas. Provavelmente, eles são construídos em medidores trifásicos baratos. Como exemplo, a figura abaixo mostra a estrutura de um desses microcircuitos, a saber ADE7752.
Em vez de dois nós ADC, existem 6 deles usados: 2 para cada fase. As entradas negativas da tensão do amplificador operacional são combinadas e produzidas no pino 13 (zero). Cada uma das três fases está conectada à sua entrada positiva do amplificador operacional (pinos 14, 15, 16). Os sinais das derivações de corrente para cada fase são conectados por analogia com o exemplo anterior. Para cada uma das três fases, um sinal que caracteriza a potência atual é extraído usando três multiplicadores. Esses sinais, além dos filtros, passam por nós adicionais, que são ativados pelo pino 17 e servem para permitir a operação do módulo matemático. Em seguida, esses três sinais são somados, obtendo assim o consumo total de energia para todas as fases. Dependendo da configuração binária do pino 17, o somador soma os valores absolutos dos três sinais ou seus módulos. Isso é necessário para certas sutilezas da medição de eletricidade, cujos detalhes não são considerados aqui. Este sinal é alimentado a um conversor semelhante ao exemplo anterior com um medidor monofásico. Sua interface também é quase a mesma.
Vale ressaltar que os microcircuitos acima são usados para medir a energia ativa. Medidores mais caros são capazes de medir energia ativa e reativa. Considere, por exemplo, o chip ADE7754. Como pode ser visto na figura abaixo, sua estrutura é muito mais complicada do que a estrutura de microcircuitos dos exemplos anteriores.
O microcircuito mede a eletricidade trifásica ativa e reativa, possui uma interface SPI para conectar o microcontrolador e uma saída CF (pino 1) para registro externo de eletricidade ativa. Todas as outras informações do microcircuito são lidas pelo microcontrolador através da interface. Através dele, a configuração do microcircuito é realizada, em particular, a instalação de inúmeras constantes refletidas no diagrama estrutural. Como resultado, esse microcircuito, diferentemente dos dois exemplos anteriores, não é autônomo e é necessário um microcontrolador para construir um contador com base nesse microcircuito. Você pode observar visualmente no diagrama estrutural os nós que são individualmente responsáveis por medir a energia ativa e reativa. Tudo é muito mais complicado aqui do que nos dois exemplos anteriores.
Como exemplo, considere outro dispositivo interessante: um medidor trifásico “Energomera TSE6803V P32”. Como pode ser visto na foto abaixo, este contador ainda não foi operado. Consegui em uma forma não lacrada, com pequenos danos mecânicos por fora. Com tudo isso, ele estava completamente em condições de trabalho.
Como você pode ver, olhando para a placa principal, o dispositivo consiste em três nós idênticos (à direita), circuitos de energia e um microcontrolador. No lado inferior da placa principal, existem três módulos idênticos em placas separadas, uma para cada nó. Esses módulos são microcircuitos AD71056 com o peso mínimo necessário. Este chip é um medidor monofásico de eletricidade.
Os módulos são selados verticalmente na placa principal. Os fios trançados conectam derivações de corrente a esses módulos.
Por algumas horas, consegui desenhar um diagrama elétrico do dispositivo. Vamos considerar com mais detalhes.
À direita no diagrama geral, há um diagrama de um módulo monofásico, mencionado acima. O chip D1 deste módulo AD71056 é semelhante em propósito ao chip ADE7755 discutido anteriormente. Uma alimentação de 5V é fornecida ao quarto contato do módulo e um sinal de tensão ao terceiro. As informações do segundo contato são obtidas na forma de pulsos sobre o consumo de energia através da saída CF do chip D1. O sinal dos desvios de corrente vem através dos contatos X1 e X2. As entradas de configuração do microcircuito SCF, S1 e S0 neste caso estão localizadas nos pinos 8-10 e estão configuradas em "0,1,1".
Cada um desses três módulos atende a cada fase, respectivamente. O sinal para medir a tensão é fornecido ao módulo através de uma corrente de quatro resistores e é retirado do terminal zero ("N"). Note-se que o fio comum para cada módulo é a fase correspondente. Mas, o fio comum de todo o circuito está conectado ao terminal zero. Esta solução complicada para fornecer energia a cada nó no circuito é descrita abaixo.
Cada uma das três fases vai para os diodos Zener VD4, VD5 e VD6, respectivamente, depois para os circuitos RC de lastro R1C1, R2C2 e R3C3, depois para os diodos zener VD1, VD2 e VD3, que são conectados por seus anodos a zero. Dos três primeiros diodos zener, a tensão de alimentação para cada módulo U3, U2 e U1 é removida, respectivamente, retificada pelos diodos VD10, VD11 e VD12. Os reguladores de chips D1-D3 são usados para obter uma tensão de alimentação de 5V. A tensão do circuito geral é removida dos diodos Zener VD1-VD3, retificados pelos diodos VD7-VD9, coletados em um ponto e alimentados ao regulador D4, de onde 5V é removido.
O circuito geral é um microcontrolador (MK) D5 PIC16F720. Obviamente, serve para coletar e processar informações sobre o consumo de energia atual proveniente de cada módulo na forma de pulsos. Esses sinais vêm dos módulos U3, U2 e U1 para os pinos do MK RA2, RA4 e RA5 através das junções ópticas V1, V2 e V3, respectivamente. Como resultado, nos pinos RC1 e RC2, o MK gera pulsos para o dispositivo de contagem mecânico M1. É semelhante ao dispositivo discutido anteriormente e também possui uma proporção de 200: 1. A resistência da bobina é alta e é de cerca de 500 Ohms, o que permite conectá-la diretamente ao MK sem circuitos adicionais de transistor. No pino RC0, o MK gera pulsos para o indicador LED HL2 e para a saída de pulso externa no conector XT1. Este último é implementado através do isolamento óptico V4 e do transistor VT1. Neste modelo de medidor, a proporção é de 400 pulsos por 1 kW * h. Na prática, ao testar esse contador (após um pequeno reparo), percebeu-se que a bobina eletromagnética do mecanismo de contagem trabalha em sincronia com o flash do LED HL2, mas a cada duas vezes (duas vezes menos). Isso confirma a correspondência das proporções 400: 1 para o indicador e 200: 1 para o mecanismo de contagem, conforme mencionado anteriormente.
No lado esquerdo da placa, há um lugar para o conector XS1 de 10 pinos, que serve para piscar, bem como para a interface UART do MK.
Assim, o medidor trifásico “Energomera TSE6803V R32” consiste em três microcircuitos de medição monofásicos e um microcontrolador que processa informações a partir deles.
Em conclusão, vale a pena notar que existem vários modelos de contador que são muito mais complexos em sua funcionalidade. Por exemplo, medidores com monitoramento remoto de leituras por linha de energia ou mesmo através de um módulo de comunicação móvel. Neste artigo, considerei apenas os modelos mais simples e os princípios básicos para a construção de seus circuitos elétricos. Peço desculpas antecipadamente pela terminologia possivelmente incorreta no texto, pois tentei estabelecer em linguagem simples.