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Sicher ist: Wenn irgendein Aspekt der Netzversorgung für eine bestimmte Anwendung entscheidend ist, sorgt meist eine AC-Leitungsüberwachung im Hintergrund dafür, dass ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. Für eine bestimmte Anwendung lässt sich die passende Netzleitungsüberwachung noch recht einfach finden: Zuerst ein Pflichtenheft erstellen, das die Anforderungen der Endanwendung umfasst. Zudem sind per galvanischer Trennung Sicherheitsstandards einzuhalten, und die Kostenabschätzung spielt ebenfalls eine Rolle. Für einzelne oder eine geringe Anzahl von Überwachungsanwendungen entwickeln manche Anwender ihre eigene AC-Leitungsüberwachung mittels Spannungs- und Stromwandlern (und möglicherweise mit Halleffekt-Stromsensoren). Die Ausgänge werden dann an externe Voltmeter oder andere Instrumente angeschlossen.

Leitungsüberwachung

Viele Endanwendungen benötigen eine AC-Leitungsüberwachung: Die immer größer werdenden Datenzentren überwachen nicht nur die Leistung, die sie zur Datenverarbeitung brauchen, sondern auch den Energieverbrauch der Infrastrukturausrüstung, also zum Beispiel von Heizung, Klimaanlage, Beleuchtung, Sicherheit und Kommuni­kation. Das Ziel ist dabei, alle Betriebsparameter mit maximalem Wirkungsgrad zu betreiben. Auch Erneuerbare-Energie-Systeme, wie Photovoltaik-Wechselrichter, erhöhen die Nachfrage nach einer AC-Leitungsüberwachung. Selbst auf Baustellen und in Infrastrukturprojekten kommt eine Netzleitungsüberwachung zum Einsatz, um portable Generatoren zu überwachen und teure Ausrüstung vor instabilen Frequenzen, Spannungs- und Stromspitzen und anderen Anomalien zu schützen. Hinzu kommt der langfristige Einsatz der Leitungsüberwachung in medizintechnischen Einrichtungen, Forschungslaboren und Industrieanlagen.

Dieser Ansatz mag zur Überwachung einfacher Ein/Aus-Anwendungen ausreichen; die Baugröße und elektromagnetische Interferenz (EMI) erschweren aber eine Skalierung und zukünftige Erweiterungen. Der simple Ansatz kann daher nicht mit der Größe, Genauigkeit und Widerstandsfähigkeit von AC-Leitungsüberwachungen auf Systemebene mithalten.

Bild 1: Funktionsschema einer Netzleitungsüberwachung.

Bild 1: Funktionsschema einer Netzleitungsüberwachung.Silicon Labs

Netzleitungsüberwachung im Detail

Unabhängig von ihrer Komplexität, verwenden die meisten modernen AC-Leitungsüberwachungen einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler. Die digitalisierten Daten werden dann von einem schnellen Prozessor vor Ort verarbeitet (Bild 1). Damit kann die Überwachungslösung viele nützliche Betriebsparameter indirekt ableiten: Spitzen- und durchschnittliche Ausgangsleistung, Leistungsfaktor, Phasenwinkel, harmonische Spannungsamplitude und die Netzfrequenz lassen sich über die Spannungs- und Stromdaten berechnen.

Die Wahl der richtigen AC-Leitungsüberwachung hängt von den Anforderungen der Endanwendung ab. Stromzähler dienen zum Beispiel als Grundlage zur Abrechnung des Strompreises. Für solche Präzisionsanwendungen muss die Netzleitungsüberwachung hochgenau und manipulationssicher sein. Dabei kommen separate ADCs (gleichzeitig angesteuert) zur Spannungs- und Strommessung zum Einsatz, auch um die Spannungs-Strom-Phasenverschiebungsfehler zu minimieren (Bild 2a). Diese Überwachung verwendet ebenfalls hochpräzise ADCs (zum Beispiel 24 Bit), um Systemstörungen gering zu halten und die erforderliche Anzahl effektiver Bits (ENOB – Effective Number of Bits) für hohe Messgenauigkeit bereitzustellen.

Bild 2: Beispiele einer AC-Leitungsüberwachung.

Bild 2: Beispiele einer AC-Leitungsüberwachung.Silicon Labs

Im Gegensatz dazu gibt es Anwendungen, bei denen nur grobe Leitungsfehler erkannt werden müssen und die Lasteffizienz zu messen ist. Ein solches System würde wesentlich weniger ausgereift sein als das Beispiel mit dem Stromzähler und einen kostengünstigen 10- bis 12-Bit-ADC (Bild 2b) verwenden. Gleiches gilt für Leitungsüberwachungen mit integrierter Signalverarbeitung. Der mathematische Overhead in einem Stromzähler würde einen Highend-Mikrocontroller oder einen DSP erfordern. Dabei könnte die gesamte Funktion der Leitungsüberwachung in einer kleinen Zustandsmaschine oder in einer kostengünstigen Standard-MCU untergebracht werden.

AC-Monitor-Analog-Frontend (ACAFE)

Anspruchsvolle Netzinstallationen benötigen eine hochpräzise und teure Leitungsüberwachung. Es gibt aber zahlreiche weniger anspruchsvolle Anwendungen, für die ein AC-Monitor-Analog-Frontend (ACAFE) genügt, das Daten misst, umwandelt und an externe Datenverarbeitungskomponenten weiterleitet. Der AC­AFE-Ansatz ist flexibel, da jeder Prozessor mit UART-, I2C- oder SPI-Port das AC-Monitor-Analog-Frontend direkt ansteuern und die gewandelten Daten erhalten kann (Bild 3). Das ACAFE lässt sich via Protokollwandler (zum Beispiel I2C zu USB) an PCs und andere Rechensysteme anschließen.

Bild 3: AFE-basierte Netzleitungsüberwachung.

Bild 3: AFE-basierte Netzleitungsüberwachung.Silicon Labs

Das ACAFE basiert auf einem isolierten, intelligenten ADC, zum Beispiel dem Si890x von Silicon Labs. Dieser Baustein enthält ein ADC-Subsystem mit SAR-ADC (10 Bit, 500 kSamples/s), einen vorgeschalteten 3-Kanal-Analog-Eingangs-Mulitplexer (MUX) und einen seriellen Verstärker mit programmierbarer Verstärkung von 1x oder 0,5x. Der ADC verfügt über eine interne Referenz, kann auf Wunsch aber auch eine externe Referenz verwenden. Zu den weiteren integrierten Funktionen zählen eine Zustandsmaschine, die alle Transaktionen zwischen Host-Controller und ACAFE steuert, ein serieller UART-, I2C- oder SPI-Port sowie ein galvanischer Isolator für bis zu 2,5 oder 5 kV, der Ein-/Ausgangs-Sicherheitsisolierung und eine Spannungspegelverschiebung gewährleistet. Diese hochintegrierte Einchip-ACAFE-Implementierung vereinfacht das Design und bietet eine hochleistungsfähige Überwachungsfunktion zu einem günstigen Preis.

Der passende Modus

Das ACAFE kann in einem von zwei wählbaren Modi arbeiten: Im Demand-Modus löst der externe Host-Controller eine einzelne ADC-Umwandlung auf Befehl aus. Dieser Modus eignet sich, wenn eine Wandlung zu einem bestimmten Zeitpunkt erfolgen soll, zum Beispiel aufgrund von Störungen oder bei bestimmten Systemzuständen. Das ACAFE kann auch im Burst-Modus betrieben werden, wobei es ADC-Wandlungen dauerhaft durchführt. Der System-Host-Prozessor kann je nach Bedarf zwischen beiden Modi wechseln.

Bild 4: ACAFE-Schaltkreis.

Bild 4: ACAFE-Schaltkreis.Silicon Labs

Die seriellen UART- und I2C-Ports arbeiten mit 250 kBit/s; der SPI-Port mit bis zu 2,4 MBit/s. Diese Ports sind durch Silicon Labs‘ CMOS-Isolator auf Wunsch bis 2,5 oder 5 kV isoliert. Bild 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel des ACAFE Si890x, wobei der Baustein als Einphasen-Netzleitungs- und Stromüberwachungsbaustein zum Einsatz kommt. Der Anwender stellt den netzseitigen Schnittstellen-Schaltkreis zur Verfügung: einen differenziellen Verstärker, VDDA-DC-Biasing mit Operationsverstärker, einen LDO und passive Bauelemente. Der Wechselstrom wird über den ADC-Eingang AIN0 gemessen; die Netzspannung wird über die Widerstände R17 und R18 skaliert und über die 1,5 V VREF pegelverschoben. Der Wechselstrom wird über den differenziellen Verstärker U1 gemessen, der mit dem Shunt-Widerstand R1 verbunden ist. Die Daten werden über den isolierten seriellen Port an den externen Controller oder Prozessor übertragen.

ACAFE-Test und -Evaluierung

Bild 5: ACAFE-Evaluierungsboard, Gehäuse und Leiterplatte.

Bild 5: ACAFE-Evaluierungsboard, Gehäuse und Leiterplatte.Silicon Labs

Das sofort einsatzfertige ACAFE-Evaluierungsmodul ermöglicht ein sicheres und einfaches Testen des ACAFE (Bild 5). Das Modul enthält eine voll implementierte Netzschnittstelle mit Bias-Versorgung und arbeitet mit allen drei Versionen der isolierten Si890x-ADCs. Anwender können jeden der Bausteine für Testzwecke auswählen. Das Modul enthält auch einen Host-Prozessor, der ADC-Wandlungsbefehle ausgibt und Daten empfängt. Der Host-Prozessor verfügt über zwei integrierte D/A-Wandler, welche die Digitalsignale zurück in Analogwerte wandeln, womit der Anwender die wiederhergestellten Analog-Signalformen auf einem Oszilloskop betrachten kann. Entwickler können den Flash-basierten Host-Controller mit einem Entwicklungskit von Silicon Labs auch umprogrammieren, um ihn auf ihre Bedürfnisse abzustimmen.

Elektrische Ereignisse

Die AC-Leitungsüberwachung überwacht die Netzleitung hinsichtlich potenziell schädlicher elektrischer Ereignisse. Diese Systeme sind in verschiedenen Formen, Größen und Funktionen erhältlich und lassen sich an die jeweilige Anwendung anpassen. Der ACAFE-Ansatz bietet dabei eine flexible, kleine und kostengünstige Netzleitungsüberwachungslösung, die sich zur Überwachung von Anwendungen mit mittlerer Komplexität eignet.

Don Alfano

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ist Director Power Products bei Silicon Laboratories in Austin, Texas

(lei)

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