Entwicklung und technologische Vorteile der DC-Energie-Messung

Die DC-Energiemessung erhöht die Genauigkeit bei der Energieabrechnung

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

Heute gibt es eine wachsende Nachfrage nach effizienteren und umweltfreundlicheren Energielösungen. Während es den frühen Netzentwicklern leichter fiel, die Welt mit Wechselstrom (AC) zu versorgen, bietet Gleichstrom (DC) in vielen Bereichen eine deutlich höhere Effizienz. Die Anwendungen der DC-Energiemessung sind vielfältig, wobei DC-Ladestationen für Elektrofahrzeuge zu einer kritischen Entwicklungsrichtung werden dürften.

In den letzten Jahren wurden bedeutende Anstrengungen unternommen, um die Batteriekapazität und Lebensdauer zu erhöhen, sowie ein weitreichendes Ladenetz für Elektrofahrzeuge aufzubauen. Dieses Netzwerk ist entscheidend, um Bedenken hinsichtlich der Reichweite oder der Ladezeiten zu beseitigen und komfortables Reisen über lange Distanzen zu ermöglichen. Viele Energieversorger und private Unternehmen setzen Schnellladegeräte mit einer Leistung von bis zu 150 kW ein, wobei auch das öffentliche Interesse an Ultra-Schnellladegeräten mit einer Kapazität von bis zu 500 kW pro Ladestation wächst. Angesichts der lokalen Ladeleistung im Megawattbereich bei Ultra-Schnellladestationen und den damit verbundenen Aufpreisen für schnelle Ladeenergie wird das Laden von Elektrofahrzeugen zu einem erheblichen Markt für den Austausch elektrischer Energie. Dies macht eine exakte Energieerfassung für Abrechnungszwecke erforderlich.

Eine weitere entscheidende Anwendung der Gleichstromverteilung sind Mikronetze, im Wesentlichen kleinere Versionen öffentlicher Versorgungssysteme, die sichere, zuverlässige und effiziente Energiequellen benötigen. Mikronetze werden in Umgebungen wie Krankenhäusern und Militärbasen eingesetzt und können sogar als Teil öffentlicher Systeme funktionieren, bei denen erneuerbare Energieerzeugung, Brennstoffgeneratoren und Energiespeicherung gemeinsam ein zuverlässiges Energieverteilungssystem schaffen.

Mikronetze werden auch in Gebäudestrukturen eingesetzt, wo der weit verbreitete Einsatz von erneuerbaren Energiequellen es den Gebäuden ermöglicht, eigenständig Strom zu produzieren. Die von Solarpanelen auf Dächern und kleinen Windturbinen erzeugte Energie reicht aus, um autark zu arbeiten, während weiterhin Unterstützung vom öffentlichen Netz gegeben ist.

Rechenzentren, die mit Gleichstrom betrieben werden, stellen eine weitere wichtige Anwendung dar. Betreiber von Rechenzentren prüfen aktiv verschiedene Technologien und Lösungen, um die Energieeffizienz ihrer Anlagen zu verbessern, da Strom einer ihrer größten Kostenfaktoren ist.

Betreiber von Rechenzentren erkennen die Vorteile, die mit der Verteilung von Gleichstrom verbunden sind, da diese nicht nur die Anzahl der Umwandlungen zwischen Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC) minimiert, sondern auch eine einfachere und effizientere Integration erneuerbarer Energiequellen erleichtert. Energieeinsparungen von 5 % bis 25 % können die Übertragungs- und Umwandlungseffizienz steigern, die Wärmeentwicklung reduzieren und die Zuverlässigkeit sowie Verfügbarkeit verdoppeln, während der benötigte Platzbedarf um 33 % verringert wird. Da viele Betreiber Messansätze auf Grundlage des Stromverbrauchs für die Abrechnung von Kunden übernehmen, wird eine präzise DC-Energie-Messung zunehmend wichtiger.

Die Messung von elektrischer Energie erfordert die Fähigkeit, Fehler und Strommanipulation zu erkennen.

Im frühen 20. Jahrhundert waren traditionelle Wechselstromzähler vollständig elektromechanisch. Sie nutzten eine Kombination aus Spannungs- und Stromspulen, um Wirbelströme in einer rotierenden Aluminiumscheibe zu induzieren. Das Drehmoment, das auf die Aluminiumscheibe ausgeübt wurde, war aufgrund des Produkts des durch die Spannungs- und Stromspulen erzeugten Magnetflusses proportional zum verbrauchten Strom. Schließlich wurde der Aluminiumscheibe ein Bremsemagnet hinzugefügt, um sicherzustellen, dass die Drehgeschwindigkeit direkt proportional zum tatsächlich verbrauchten Strom war. Durch das Zählen der Anzahl der Umdrehungen über einen bestimmten Zeitraum konnte der Stromverbrauch gemessen werden.

Moderne Wechselstromzähler sind wesentlich komplexer und präziser und können zudem Stromdiebstahl verhindern. Fortschrittliche Smart Meter können ihre absolute Genauigkeit überwachen und rund um die Uhr vor Ort Anzeichen von Diebstahl erkennen. Ob es sich um moderne Zähler, traditionelle Zähler, Wechselstromzähler oder Gleichstromzähler handelt, sie werden anhand ihrer Kilowattstunden-Impulskonstanten und prozentualen Genauigkeitsstufen klassifiziert.

Um die von einer Last verbrauchte Leistung zu messen (P = V × I), sind mindestens ein Stromsensor und ein Spannungssensor erforderlich. In der Regel wird der durch den Zähler fließende Strom auf der Hochspannungsseite gemessen, wenn die Niederspannungsseite auf Erdpotenzial liegt. Diese Konfiguration minimiert das Risiko von nicht gemessenem Leckstrom. Der Strom kann jedoch auch auf der Niederspannungsseite gemessen werden, falls die Designarchitektur dies erfordert, oder beide Seiten können gemessen werden. Die Technik beinhaltet häufig das Messen und Vergleichen der Stromstärken auf beiden Seiten der Last, um Fehlererkennung und Manipulationserkennung im Zähler zu ermöglichen. Beim Messen des Stroms auf beiden Seiten ist mindestens ein Stromsensor mit Isolierung erforderlich, um das hohe Potenzial zwischen den Leitern zu bewältigen.

Die Spannung wird normalerweise mithilfe von resistiven Spannungsteilern gemessen, bei denen eine Reihe von Widerständen verwendet wird, um die Spannung proportional auf ein Niveau zu reduzieren, das mit dem ADC-Eingang des Systems kompatibel ist. Eine präzise Spannungsmessung kann 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 hinweg sicherzustellen.

Stellen Sie einen hochgeschwindigkeits-ADC mit ultraniedrigem Eingangsstrom bereit

In Anwendungen zur DC-Energie-Messung spielen ADIs AD7779, AD8629 und ADA4528-1 eine bedeutende Rolle. Unter ihnen ist der AD7779 ein 8-Kanal-Simultaneous-Sampling-ADC, der 8 vollständige Σ-Δ-ADCs integrierterweise auf dem Chip bietet. Der AD7779 zeichnet sich durch einen äußerst niedrigen Eingangsstrom aus, wodurch eine direkte Verbindung zu Sensoren ermöglicht wird. Jeder Eingangskanal beinhaltet eine programmierbare Verstärkerstufe mit Verstärkungen von 1, 2, 4 und 8, wodurch Sensor-Ausgänge mit niedriger Amplitude auf den Vollbereich des ADC-Eingangs abgebildet werden können, was den dynamischen Bereich der Signalverarbeitung maximiert. Der AD7779 akzeptiert eine Referenzspannung (VREF) von 1 V bis 3,6 V. Die analogen Eingänge können unipolare Signale (0 V bis VREF/GAIN) oder echte bipolare Signale (±VREF/GAIN/2 V) verarbeiten, bei analogen Versorgungsspannungen von 3,3 V oder ±1,65 V. Der analoge Eingang kann so konfiguriert werden, dass er echte differenzielle, pseudo-differenzielle oder einfach-ended Signale akzeptiert, um an verschiedene Ausgangskonfigurationen von Sensoren angepasst zu werden.

Jeder Kanal umfasst einen ADC-Modulator und einen Sinc3-Digitalfilter mit geringer Latenz. Der AD7779 nutzt SRC für die präzise Steuerung der Output Data Rate (ODR). Diese Steuerung ist nützlich für Anwendungen, bei denen die ODR-Auflösung Kohärenz bewahren muss, wenn sich die Netzfrequenz um 0,01 Hz ändert. Der SRC kann über eine Serial Peripheral Interface (SPI) programmiert werden. Der AD7779 unterstützt zwei verschiedene Schnittstellen: eine Datenoutput-Schnittstelle und eine SPI-Steuerschnittstelle. Die ADC-Datenoutput-Schnittstelle ist speziell für die Übertragung von ADC-Umwandlungsergebnissen vom AD7779 zum Prozessor vorgesehen. Die SPI-Schnittstelle wird zur Konfiguration der Konfigurationsregister des AD7779 für Lese-/Schreiboperationen sowie zur Steuerung und zum Auslesen von Daten des SAR-ADCs verwendet. Die SPI-Schnittstelle kann ebenfalls so konfiguriert werden, dass sie Σ-Δ-Umwandlungsdaten ausgibt.

Der AD7779 verfügt über einen 12-Bit-SAR-ADC, der für Diagnosen innerhalb des AD7779 selbst verwendet werden kann, wodurch es nicht nötig ist, einen Σ-Δ-ADC-Kanal speziell für Systemmessfunktionen zu reservieren. Durch externe Multiplexer (gesteuert über 3 universelle Eingabe-/Ausgabe-Pins, GPIO-Pins) und Signalaufbereitung kann der SAR-ADC zur Überprüfung der Σ-Δ-ADC-Messergebnisse in Anwendungen genutzt werden, die funktionale Sicherheit erfordern. Darüber hinaus enthält der SAR-ADC des AD7779 einen Multiplexer, der zum Erfassen interner Knoten verwendet werden kann.

Der AD7779 integriert 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 Niedrigleistungsmodus. Der Hochauflösungsmodus bietet eine höhere Dynamikbereich bei einem Stromverbrauch von 10,75 mW pro Kanal, während der Niedrigleistungsmodus mit einer niedrigeren Dynamikbereich-Spezifikation und einem Stromverbrauch von 3,37 mW pro Kanal arbeitet. Der spezifizierte Betriebstemperaturbereich des AD7779 reicht von -40°C bis +105°C, mit einer maximalen Betriebstemperatur des Geräts von +125°C.

Ein Verstärker mit extrem niedrigem Rauschen, Drift und Strommerkmalen

Der Verstärker AD8629 von ADI zeichnet sich durch ultraniedrige Offset-, Drift- und Vorspannungsströme aus, was ihn zu einer idealen Wahl für Präzisionsanwendungen macht. Er ist ein Breitband-Auto-Null-Verstärker mit Rail-to-Rail-Eingangs- und Ausgangssignalbereich sowie niedrigen Rauschmerkmalen. Der AD8629 arbeitet mit einer Einzelversorgungsspannung von 2,7 V bis 5 V (oder mit einer Doppelversorgungsspannung von ±1,35 V bis ±2,5 V).

Der AD8629 bietet Vorteile, die zuvor nur bei teuren Auto-Null- oder Chopper-stabilisierten Verstärkern zu finden waren. Diese Null-Drift-Verstärker nutzen die Schaltungstopologie von ADI, um niedrige Kosten mit hoher Präzision und geringer Rauschleistung zu kombinieren, und das alles ohne externe Kondensatoren. Außerdem reduziert der AD8629 erheblich das digitale Umschaltgeräusch, das bei vielen Chopper-stabilisierten Verstärkern auftritt.

Der AD8629 weist eine Offsetspannung von lediglich 1 µV, eine Offsetspannungsdrift von weniger als 0,005 µV/°C und ein Rauschen von nur 0,5 µV Spitze-Spitze (0 Hz bis 10 Hz) auf, was ihn ideal für Anwendungen macht, bei denen Fehlerquellen nicht toleriert werden. Diese Bauteile zeigen nahezu keine Drift innerhalb ihres Betriebstemperaturbereichs, was sie besonders vorteilhaft für Anwendungen wie Positions- und Drucksensoren, medizinische Geräte und Verstärker für Dehnmessstreifen macht. Viele Systeme können von der Möglichkeit des AD8629 profitieren, Eingangs- und Ausgangsschwingungen bis zu den Versorgungsschienen zu erreichen, um die Komplexität der Eingangsbiasung zu reduzieren und höhere Signal-Rausch-Verhältnisse zu erzielen.

Der AD8629 hat einen spezifizierten Temperaturbereich von -40°C bis +125°C, der bis in industrielle Temperaturbereiche reicht. Er ist in standardmäßigen 8-Pin SOIC- und MSOP-Kunststoffgehäusen erhältlich.

Ein weiterer Verstärker von ADI, der ADA4528, ist ein ultra-rauscharmer, driftfreier Operationsverstärker mit Rail-to-Rail-Eingangs- und Ausgangsschwingfähigkeit. Er zeichnet sich durch eine Offset-Spannung von 2,5 µV, einen Offset-Spannungsdrift von 0,015 µV/°C und ein Rauschen von 97 µV Spitze-Spitze (0,1 Hz bis 10 Hz, AV = +100) aus, wodurch er sich hervorragend für Anwendungen eignet, bei denen Fehlerquellen nicht toleriert werden.

Der ADA4528 arbeitet über einen breiten Versorgungsspannungsbereich von 2,2 V bis 5,5 V und bietet eine hohe Verstärkung sowie hervorragende CMRR- und PSRR-Spezifikationen, wodurch er eine ideale Wahl für die präzise Verstärkung von niederpegeligen Signalen in Anwendungen wie Positions- und Drucksensoren, Dehnungsmessstreifen, medizinische Instrumente und mehr ist.

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

Mit einer maximalen Offset-Spannung von 2,5 µV und einer maximalen Offset-Spannungsdrift von 0,015 µV/°C ist der ADA4528 hervorragend geeignet, um ultra-niedrigen Drift und eine Verstärkung von 100 V/V für kleine Stromsignale bereitzustellen. Daher kann er direkt mit der Verstärkerstufe eines synchronen Abtast-24-Bit-ADCs wie dem AD7779 verbunden werden, der einen Eingangsreferenzdrift von 5 nV/°C aufweist. Durch die Verwendung eines Widerstandspotenzialteilers mit einem Verhältnis von 1000:1, der direkt an den Eingang des AD7779-ADCs angeschlossen ist, können hohe Gleichspannungen präzise gemessen werden.

Fazit

Die DC-Energiemessung bietet im Vergleich zur AC-Energiemessung eine höhere Genauigkeit. In schnell wachsenden Märkten wie Ladestationen, Mikronetzen, Rechenzentren und anderen Anwendungen ermöglicht die DC-Energiemessung eine faire Abrechnung und reduziert den Bedarf an Umwandlungen zwischen AC und DC, wodurch Energieverluste minimiert werden. Die Integration mit erneuerbaren Energiequellen ist ebenfalls einfacher und effizienter mit DC-Messungen, was sie zu einem bedeutenden Trend in der Entwicklung macht. ADI ist ein führender Branchenexperte für Präzisions-Sensortechnologie und bietet komplette Signalwege für präzise Strom- und Spannungsmessungen, um strenge Standards zu erfüllen. Die in diesem Artikel vorgestellten Produkte zählen zu den besten Optionen für Anwendungen der DC-Energiemessung.