Auf einen Blick

Hausgeräte mit integrierter Energiemessung fördern das Umweltbewusstsein der Verbraucher. Die Konsumenten können dadurch Maßnahmen zur Senkung ihres Energieverbrauchs und damit auch zum Schutz der Umwelt ergreifen. Low-Cost-Sensoren und hochintegrierte Energiemess-ICs ermöglichen die kostengünstige Implementierung von Energiemesssystemen in Haushaltsgeräte.

Über den eigenen Energieverbrauch Bescheid zu wissen, ist ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zu mehr Umweltfreundlichkeit. Echtzeit-Energieverbrauchsdaten, die ein Smart Meter für einen kompletten Haushalt erfasst, sind deshalb sehr nützlich. Noch besser und sinnvoller ist es aber, wenn Informationen über den Energieverbrauch der einzelnen Hausgeräte zur Verfügung stehen.

Normen wie etwa die Energy Star befinden sich in der Überarbeitungsphase, um auch vernetzte Geräte zu berücksichtigen. Hausgeräte, die das Kriterium „vernetzt“ erfüllen, können für die Energy-Star-Qualifikation einen zusätzlichen Bonus hinsichtlich ihres Energieverbrauchs bekommen. Zudem tragen diese Geräte in der Liste der Energy-Star-qualifizierten Geräte das Prädikat „vernetzt“.

Eine Voraussetzung für diese Kennzeichnung ist, dass die betreffenden Geräte ihren Energieverbrauch messen und melden können. Hierfür wiederum sind kostengünstige Energiemess-Bauelemente erforderlich, die es möglich machen, Hausgeräte in großem Stil mit dieser Funktionalität auszustatten. Grundsätzlich lassen sich Hausgeräte mit Gas oder elektrisch betreiben, aber ein Großteil der Geräte benötigt nach wie vor Strom.

Die Tage der Stromfresser sind gezählt

Bild 1: Das Blockschaltbild eines Systems zur Energiemessung.

Bild 1: Das Blockschaltbild eines Systems zur Energiemessung.Texas Instruments

Zu den wichtigsten Bauelementen, die für die Energiemessung erforderlich sind, gehören Spannungs- und Stromsensoren, ein Analog-Front-End (AFE) zum Anschließen dieser Sensoren und ein Mikrocontroller für die notwendigen Berechnungen. Die Messergebnisse lassen sich entweder auf einem LCD-Bildschirm anzeigen oder über einen seriellen Bus an ein anderes Bauelement übertragen, das für die drahtlose Kommunikation zuständig ist (Bild 1).

Die Kosten sind ein vorrangiges Kriterium für Produkte, die für den Endverbraucher-Markt bestimmt sind. Schon die Designer der Energiemesssysteme müssen dies berücksichtigen. Da die Energiemessfunktion der einzelnen Geräte nicht zur Rechnungsstellung dient, sind die Genauigkeitsanforderungen hier nicht so hoch wie bei den Messsystemen der Energieversorgungs-Unternehmen (EVUs). Außerdem sind die zu messenden maximalen Stromstärken hier geringer als bei den Stromzählern der EVUs. Beides erlaubt die Verwendung kostengünstigerer Bauelemente.

Rund um den elektrischen Strom

Die Formel zur Berechung der Wirkenergie.

Die Formel zur Berechung der Wirkenergie.Texas Instruments

Elektrische Energie ist das Produkt aus Leistung und Zeit. Die Angabe erfolgt in Kilowattstunden (kWh). Da die Leistung wiederum das Produkt aus der Spannung und dem Strom zum jeweiligen Zeitpunkt ist, besteht der erste Schritt der Energiemessung darin, die Spannung und den Strom am Eingang zu messen. In der Formel zur Berechnung der Wirkenergie steht Vsamp für die abgetastete Spannung und Isamp für den abgetasteten Strom.

Einfache, aus Widerständen aufgebaute Spannungsteiler können als Spannungssensoren dienen. Die Widerstandswerte wählt man dabei so, dass sich die Netzwechselspannung auf ein für den verwendeten A/D-Wandler (ADC) geeignetes Niveau herunter dividieren lässt.

Bild 2a: Spannungserfassungs-Schaltungen für die Energiemessung.

Bild 2a: Spannungserfassungs-Schaltungen für die Energiemessung.Texas Instruments

Der Spannungsteiler (Bild 2a) teilt die Eingangsspannung durch 1000. Die Widerstände haben eine bestimmte Grenzspannung, bei deren Überschreiten Überschläge entlang des Widerstandskörpers auftreten können. Die Verwendung dreier Einzelwiderstände (R1, R2 und R3) anstatt eines einzigen 1-MΩ-Widerstands ermöglicht allerdings, Standard-Widerstände zu verwenden, ohne das Risiko ihre Maximalspannung zu überschreiten. Alternativ lassen sich Messwandler einsetzen, die gleichzeitig eine galvanische Isolation von der Netzspannung bewirken. Allerdings sind diese Bauelemente teurer als diskrete Widerstände. Die Wahl des Stromsensors hängt davon ab, für welche Art von Stromversorgung das jeweilige Hausgerät ausgelegt ist.

Bild 2b: Stromerfassungs-Schaltungen für die Energiemessung.

Bild 2b: Stromerfassungs-Schaltungen für die Energiemessung.Texas Instruments

In den USA benötigen beispielsweise Kühlschränke und Waschmaschinen einphasig 120 VAC, größere Geräte wie Wäschetrockner und Elektroherde laufen dagegen im Split-Phase-Betrieb mit 240 VAC. Bei einphasigen Geräten reicht es, einen niederohmigen Shunt-Widerstand in den Nullleiter einzufügen (Bild 2b). Der Strom lässt sich dann anhand des Spannungsabfalls an diesem Widerstand bestimmen. Während Shunt-Widerstände einerseits preisgünstig und auch einfach anzuwenden sind, haben sie andererseits keine galvanische Isolation. Die Split-Phase-Geräte benötigen zur Strommessung einen Stromwandler in jeder der beiden Phasenleitungen. Alternativ lassen sich eine Phasenleitung mit einem Stromwandler und der Nullleiter mit einem Shunt-Widerstand bestücken. Stromwandler haben den Vorteil der galvanischen Isolation, kosten aber mehr als Shunt-Widerstände.

Für gute Messergebnisse

An die Erfassungsstufe schließen sich passive Schnittstellenschaltungen an, die die Eingangssignale vor dem Weiterleiten an den ADC weiter aufbereiten. Unter Anderem entfernt ein Filter störendes Breitbandrauschen, das eine genaue Messung beeinträchtigen kann. Möglicherweise benötigt der Anwender einen zusätzlichen (hier nicht eingezeichneten) Pegelumsetzer, um zu gewährleisten, dass die Strom- und Spannungssignale den Eingangs-Spezifikationen des ADCs entsprechen. Für ein Einphasen-Gerät wie etwa einen Kühlschrank sind zwei ADCs notwendig – einer für den Strom und ein weiterer für die Spannung. Bei zweiphasig angeschlossenen Geräten sind dementsprechend schon vier ADCs erforderlich. In der Regel verwendet man ADCs mit 16 oder 24 Bit Auflösung und Simultaneous-Sampling-Fähigkeit, damit sich der Strom und die Spannung gleichzeitig erfassen lassen und präzise Energiemessungen möglich sind.

Aus den von den ADCs gewonnenen Daten errechnet der Mikrocontroller den Energieverbrauch. Zum Berechnen der Wirk-, Blind- und Scheinenergie benötigt er eine Bibliothek mit Rechenfunktionen für Quadratwurzel, Quadrierung und Division. Sind die Daten verarbeitet, lassen sie sich auf einem LCD-Bildschirm am Gerät selbst oder an einem separaten Terminal anzeigen. Dazu lässt sich der Mikrocontroller über eine serielle Leitung mit einem LCD-Treiber oder einem drahtlosen Kommunikationsmodul verbinden. Finden Sensoren ohne galvanische Isolation (zum Beispiel Shunt-Widerstände oder Spannungsteiler) Verwendung oder ist die Stromversorgung für AFE und Mikrocontroller netzbezogen, ist es wichtig, jede Verbindung, die zu anderen Geräten oder Systemen mit einer anderen Bezugsspannung führt, zu isolieren. Dies kann mit Optokopplern oder kapazitiven Isolations-ICs erfolgen.

Einsparungspotenziale erkennen

In heutige Energiemess-ICs sind viele der beschriebenen Bauelemente integriert, um die Realisierung kostengünstiger Varianten mit geringem Bauteileaufwand zu ermöglichen. Die Energiemess-ICs der Reihe MSP430AFE2xx von Texas Instruments etwa enthalten mehrere 24-Bit-Sigma-Delta-ADCs, PGAs (Programmable-Gain-Amplifier), serielle Peripheriefunktionen und als Software die MSP430-Energy-Library von TI. Damit lassen sich Energiemess-Schaltungen einfach und kostengünstig implementieren. Über eine standardisierte serielle Schnittstelle wie etwa SPI oder UART lassen sich die Daten an einen LCD-Treiber oder einen drahtlosen Kommunikationsbaustein wie den Zigbee-Netzwerkprozessor CC2530 von TI übertragen.

Softwareprogrammierbare Alternativen wie der MSP430AFE2xx verleihen Systemdesignern die nötige Flexibilität, um das System an die Anforderungen bestimmter Applikationen anzupassen. Zum Beispiel ist es möglich, ein nicht standardisiertes Kommunikationsprotokoll zur Übermittlung der Energieverbrauchsdaten an einen Host-Prozessor zu implementieren. Einen hohen Stellenwert hat der geringe Stromverbrauch des Mikrocontrollers MSP430AFE2xx, denn hierdurch lässt sich dieser mithilfe eines kostengünstigen kapazitiven Spannungsteilers mit Strom versorgen.