Entwicklung und technologische Vorteile der DC-Energiemessung

DC-Energiemessung verbessert die Genauigkeit in der Energieabrechnung

Regierungen weltweit setzen derzeit Aktionspläne um, um die langfristige und komplexe Herausforderung der Reduzierung von CO2-Emissionen anzugehen. CO2-Emissionen wurden als ein Hauptfaktor für die Folgen des Klimawandels identifiziert, was die schnelle Nachfrage nach neuen, effizienten Energiewandlungstechnologien und verbesserter Batterietechnik vorantreibt. 

Heute gibt es eine wachsende Nachfrage nach effizienteren und umweltfreundlichen Energielösungen. Während es den frühen Netzentwicklern leichter fiel, die Welt mit Wechselstrom (AC) zu versorgen, bietet Gleichstrom (DC) in vielen Bereichen eine deutlich verbesserte Effizienz. Anwendungen für DC-Energiemessung sind vielfältig, wobei Gleichstromladestationen für Elektrofahrzeuge eine entscheidende Entwicklungsrichtung darstellen werden.

In den letzten Jahren wurden bedeutende Anstrengungen unternommen, um die Batteriekapazität und Lebensdauer zu erhöhen, zusammen mit der Einführung eines weit verbreiteten Ladenetzwerks für Elektrofahrzeuge. Dieses Netzwerk ist entscheidend, um Bedenken hinsichtlich der Reichweite oder der Ladezeiten zu beseitigen und so komfortable Reisen über lange Distanzen zu ermöglichen. Viele Energieversorger und private Unternehmen installieren Schnellladestationen mit Kapazitäten von bis zu 150 kW, wobei auch das öffentliche Interesse an ultraschnellen Ladegeräten geweckt wird, die bis zu 500 kW pro Ladestation leisten können. Angesichts der lokalen Lade-Spitzenleistung von Megawatt an ultraschnellen Ladestationen und der damit verbundenen schnellen Lade-Energiepreme, wird das Laden von Elektrofahrzeugen zu einem erheblichen Markt für den Austausch von elektrischer Energie, was eine genaue Energiemessung für Abrechnungszwecke erfordert.

Eine weitere wichtige Anwendung der Gleichstromverteilung sind Mikronetze, im Wesentlichen kleinere Versionen von öffentlichen Versorgungsnetzen, die sichere, zuverlässige und effiziente Stromquellen erfordern. Mikronetze werden in Einrichtungen wie Krankenhäusern und Militärbasen eingesetzt und können sogar als Teil öffentlicher Systeme fungieren, in denen die Erzeugung erneuerbarer Energien, Kraftstoffgeneratoren und Energiespeicherung gemeinsam ein zuverlässiges Energieverteilungssystem schaffen.

Mikronetze werden auch in Gebäudestrukturen eingesetzt, wo der weit verbreitete Einsatz von erneuerbaren Energieerzeugern es Gebäuden ermöglicht, eigenständige Stromversorgung zu gewährleisten. Die durch Solarpaneele auf dem Dach und kleine Windturbinen erzeugte Energie reicht aus für einen autarken Betrieb, während dennoch Unterstützung vom öffentlichen Netz besteht.

Rechenzentren, die durch Gleichstromversorgung betrieben werden, sind eine weitere wichtige Anwendung. Betreiber von Rechenzentren prüfen aktiv verschiedene Technologien und Lösungen, um die Energieeffizienz ihrer Einrichtungen zu verbessern, da Energie einer ihrer größten Kostenfaktoren ist.

Betreiber von Rechenzentren erkennen die Vorteile der Gleichstromverteilung, die nicht nur den Bedarf an minimalen Umwandlungen zwischen Wechselstrom und Gleichstrom minimiert, sondern auch die leichtere und effizientere Integration erneuerbarer Energiequellen erleichtert. Energieeinsparungen von 5 % bis 25 % können die Übertragungs- und Umwandlungseffizienz verbessern, die Wärmeentwicklung reduzieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit verdoppeln, während der benötigte Platzbedarf um 33 % verringert wird. Da viele Betreiber Messansätze basierend auf dem Stromverbrauch zur Abrechnung von Kunden übernehmen, wird die präzise Messung von Gleichstromenergie immer wichtiger.

Die Messung der elektrischen Energie erfordert die Fähigkeit, Fehler und Manipulationen des Stroms zu erkennen

Im frühen 20. Jahrhundert waren traditionelle AC-Zähler vollständig elektromechanisch. Sie nutzten eine Kombination aus Spannungs- und Stromspulen, um Wirbelströme in einer rotierenden Aluminiumscheibe zu induzieren. Das auf die Aluminiumscheibe wirkende Drehmoment, das durch das Produkt des von den Spannungs- und Stromspulen erzeugten magnetischen Flusses entsteht, war proportional zum verbrauchten Strom. Schließlich wurde der Aluminiumscheibe ein Bremsmagnet hinzugefügt, um sicherzustellen, dass die Drehgeschwindigkeit direkt proportional zur tatsächlich verbrauchten Leistung war. Durch Zählen der Anzahl der Umdrehungen über einen bestimmten Zeitraum konnte der Stromverbrauch gemessen werden.

Moderne Wechselstromzähler sind weitaus komplexer und genauer und können auch Stromdiebstahl verhindern. Fortschrittliche Smart-Meter können ihre absolute Genauigkeit überwachen und rund um die Uhr Anzeichen von Diebstahl vor Ort erkennen. Ob es sich um moderne Zähler, traditionelle Zähler, Wechselstromzähler oder Gleichstromzähler handelt, sie werden basierend auf ihren Kilowattstundenimpuls-Konstanten und prozentualen Genauigkeitsstufen klassifiziert.

Um die von einer Last verbrauchte Leistung (P = V × I) zu messen, sind mindestens ein Stromsensor und ein Spannungssensor erforderlich. Typischerweise wird der durch das Messgerät fließende Strom auf der Hochspannungsseite gemessen, wenn die Niederspannungsseite auf Erdpotenzial ist. Diese Konfiguration minimiert das Risiko von nicht gemessenem Leckstrom. Allerdings kann der Strom auch auf der Niederspannungsseite gemessen werden, wenn es die Architektur des Designs erfordert, oder beide Seiten können gemessen werden. Die Technik beinhaltet oft das Messen und Vergleichen des Stroms auf beiden Seiten der Last, um Fehlererkennungs- und Manipulationserkennungsmöglichkeiten im Messgerät zu aktivieren. Wenn der Strom auf beiden Seiten gemessen wird, ist mindestens ein Stromsensor mit Isolation notwendig, um das hohe Potenzial zwischen den Leitern zu bewältigen.

Die Spannung wird üblicherweise mithilfe von resistiven Spannungsteilern gemessen, bei denen eine Reihe von Widerständen verwendet wird, um die Spannung proportional auf ein mit dem ADC-Eingang des Systems kompatibles Niveau zu reduzieren. Präzise Spannungsmessungen können problemlos mit Standardkomponenten erreicht werden, da die Amplitude des Eingangssignals groß ist. Es ist jedoch wichtig, den Temperaturkoeffizienten und den Spannungskoeffizienten der ausgewählten Komponenten zu berücksichtigen, um die erforderliche Genauigkeit über den gesamten Temperaturbereich zu gewährleisten.

Bieten Sie einen Hochgeschwindigkeits-ADC mit extrem niedrigem Eingangsstrom an

In Anwendungen zur Energieerfassung im DC-Bereich spielen die Bauteile AD7779, AD8629 und ADA4528-1 von ADI eine bedeutende Rolle. Unter ihnen ist der AD7779 ein 8-Kanal simultaner Abtast-ADC, der 8 vollständige Σ-Δ-ADCs auf einem Chip integriert. Der AD7779 zeichnet sich durch einen extrem niedrigen Eingangsstrom aus, der eine direkte Verbindung zu Sensoren ermöglicht. Jeder Eingangskanal enthält eine programmierbare Verstärkerstufe mit Verstärkungen von 1, 2, 4 und 8, was es ermöglicht, Sensorausgänge mit niedriger Amplitude an den Vollbereich des ADC-Eingangsbereichs anzupassen und so den Dynamikbereich der Signalkette zu maximieren. Der AD7779 akzeptiert VREF von 1 V bis 3,6 V. Die analogen Eingänge akzeptieren unipolare (0 V bis VREF/GAIN) oder echte bipolare (±VREF/GAIN/2 V) analoge Eingangssignale, mit analogen Versorgungsspannungen von 3,3 V oder ±1,65 V. Der analoge Eingang kann konfiguriert werden, um echte Differenzial-, pseudo-differenzielle oder single-ended Signale zu akzeptieren, um verschiedenen Sensor-Ausgangskonfigurationen zu entsprechen.

Jeder Kanal enthält einen ADC-Modulator und einen Sinc3 Digitalfilter mit niedriger Latenz. Der AD7779 nutzt SRC zur Feineinstellung der Ausgabendatenrate (ODR). Diese Steuerung ist nützlich für Anwendungen, bei denen die ODR-Auflösung beibehalten werden muss, wenn sich die Netzfrequenz um 0,01 Hz ändert. SRC kann über eine Serial Peripheral Interface (SPI) programmiert werden. Der AD7779 unterstützt zwei verschiedene Schnittstellen: eine Datenausgabeschnittstelle und eine SPI-Steuerschnittstelle. Die ADC-Datenausgabeschnittstelle ist darauf ausgelegt, ADC-Umwandlungsergebnisse vom AD7779 an den Prozessor zu senden. Die SPI-Schnittstelle wird zur Konfiguration der AD7779-Konfigurationsregister für Lese-/Schreiboperationen sowie zur Steuerung und zum Auslesen von Daten des SAR-ADCs verwendet. Die SPI-Schnittstelle kann auch darauf konfiguriert werden, Σ-Δ-Umwandlungsdaten auszugeben.

Der AD7779 verfügt über einen 12-Bit SAR ADC, der für Diagnosen innerhalb des AD7779 verwendet werden kann, wodurch die Notwendigkeit entfällt, einen Σ-Δ ADC-Kanal speziell für Systemmessfunktionen zu reservieren. Durch externe Multiplexer (gesteuert über 3 allgemeine Ein-/Ausgabe-GPIO-Pins) und Signalaufbereitung kann der SAR ADC zur Überprüfung von Σ-Δ ADC-Messergebnissen in Anwendungen verwendet werden, die funktionale Sicherheit erfordern. Zudem enthält der AD7779 SAR ADC einen Multiplexer, der zur Erfassung interner Knoten verwendet werden kann.

Der AD7779 enthält eine 2,5 V-Referenzspannungsquelle und einen Referenzpuffer. Der Temperaturkoeffizient der Referenzspannungsquelle beträgt 10 ppm/°C (typisch). Der AD7779 arbeitet in zwei Modi: Hochauflösungsmodus und Energiesparmodus. Der Hochauflösungsmodus bietet einen höheren Dynamikbereich bei einem Energieverbrauch von 10,75 mW pro Kanal, während der Energiesparmodus mit einer niedrigeren Dynamikbereichsspezifikation bei einem Energieverbrauch von 3,37 mW pro Kanal arbeitet. Der spezifizierte Betriebstemperaturbereich für den AD7779 liegt bei -40°C bis +105°C, mit einer maximalen Betriebstemperatur des Geräts von +125°C.

Ein Verstärker mit extrem niedrigem Rauschen, Drift und Stromcharakteristik

Der AD8629-Verstärker von ADI zeichnet sich durch extrem niedrigen Offset, Drift und Vorspannungsströme aus, was ihn zu einer idealen Wahl für Präzisionsanwendungen macht. Es handelt sich um einen Breitband-Auto-Zero-Verstärker mit Rail-to-Rail-Eingangs- und Ausgangsschwungfähigkeit sowie geringen Rauschmerkmalen. Der AD8629 arbeitet mit einer Einzelversorgungsspannung von 2,7 V bis 5 V (oder einer Doppelversorgungsspannung von ±1,35 V bis ±2,5 V).

Der AD8629 bietet Vorteile, die bisher nur in teuren Auto-Zero- oder Chopper-stabilisierten Verstärkern zu finden waren. Diese Driftkompensationsverstärker nutzen ADI's Schaltungstopologie, um niedrige Kosten mit hoher Präzision und geringer Rauschleistung zu kombinieren, und das alles ohne den Bedarf an externen Kondensatoren. Außerdem reduziert der AD8629 das digitale Schaltgeräusch, das in vielen Chopper-stabilisierten Verstärkern vorhanden ist, erheblich.

Der AD8629 zeichnet sich durch eine Offsetspannung von nur 1 µV, eine Offsetspannungsdrift von weniger als 0,005 µV/°C und ein Rauschen von nur 0,5 µV Spitze-zu-Spitze (0 Hz bis 10 Hz) aus, was ihn für Anwendungen geeignet macht, bei denen Fehlerquellen nicht toleriert werden. Diese Geräte weisen innerhalb ihres Betriebstemperaturbereichs nahezu keine Drift auf, was sie besonders vorteilhaft für Anwendungen wie Positions- und Drucksensoren, medizinische Geräte und Dehnmessstreifenverstärker macht. Viele Systeme können von den Rail-to-Rail-Eingangs- und Ausgangsschwungkannent des AD8629 profitieren, um die Eingangs-Bias-Komplexität zu reduzieren und höhere Signal-Rausch-Verhältnisse zu erreichen.

Der AD8629 hat einen bewerteten Temperaturbereich von -40°C bis +125°C und erstreckt sich in industrielle Temperaturbereiche. Er ist in Standard 8-Pin Narrow SOIC- und MSOP-Kunststoffgehäusen erhältlich.

Ein weiterer Verstärker von ADI, der ADA4528, ist ein rauscharm, driftfreier Operationsverstärker mit echten Rail-to-Rail Ein- und Ausgangsschwingungsfähigkeiten. Er verfügt über eine Offsetspannung von 2,5 µV, eine Offsetspannungsdrift von 0,015 µV/°C und ein Rauschen von 97 µV Spitze-Spitze (0,1 Hz bis 10 Hz, AV = +100), was ihn sehr geeignet für Anwendungen macht, bei denen Fehlerquellen nicht erlaubt sind.

Der ADA4528 arbeitet über einen breiten Versorgungsspannungsbereich von 2,2 V bis 5,5 V und bietet hohe Verstärkung, ausgezeichnete CMRR- und PSRR-Spezifikationen, was ihn zu einer idealen Wahl für die präzise Verstärkung von niedrigpegeligen Signalen in Anwendungen wie Positions- und Drucksensoren, Dehnmessstreifen, medizinischen Instrumenten und mehr macht.

Der ADA4528 hat einen spezifizierten Temperaturbereich von -40°C bis +125°C und erstreckt sich in industrielle Temperaturbereiche. Der ADA4528-1 ist in MSOP-8- und LFCSP-8-Gehäusen erhältlich, während der ADA4528-2 in einem MSOP-8-Gehäuse verfügbar ist.

Mit einer maximalen Offsetspannung von 2,5 µV und einer maximalen Offsetspannungsdrift von 0,015 µV/°C eignet sich der ADA4528 gut für eine Ultra-Niedrig-Drift-Verstärkung von 100 V/V für kleine Stromsignale. Daher kann er direkt an die Verstärkerstufe eines synchronen, 24-Bit-ADCs wie den AD7779 angeschlossen werden, der eine Eingangsreferenzdrift von 5 nV/℃ aufweist. Mit einem direkt an den Eingang des AD7779 ADC angeschlossenen Widerstandsteiler mit einem Verhältnis von 1000:1 können hohe Gleichspannungen präzise gemessen werden.

Fazit

Die Gleichstrom-Energiemessung bietet eine höhere Genauigkeit im Vergleich zur Wechselstrom-Energiemessung. In schnell wachsenden Märkten wie Ladestationen, Microgrids, Rechenzentren und anderen Anwendungen sorgt die Gleichstrom-Energiemessung für eine faire Abrechnung und reduziert den Bedarf an Umwandlungen zwischen Wechsel- und Gleichstrom, wodurch Energieverluste minimiert werden. Die Integration mit erneuerbaren Energiequellen ist ebenfalls einfacher und effizienter mit der Gleichstrommessung, was sie zu einem bedeutenden Trend in der Entwicklung macht. ADI ist führender Branchenexperte für Präzisionssensortechnologie und bietet vollständige Signalwege für präzise Strom- und Spannungsmessungen, um strenge Standards zu erfüllen. Die in diesem Artikel besprochenen Produkte gehören zu den besten Optionen für Gleichstrom-Energiemessungsanwendungen.