DCエネルギー計測の開発と技術的利点

DCエネルギーメータリングは、エネルギー請求の精度を向上させます

現在、世界中の政府がCO2排出量を削減するという長期的で複雑な課題に対処するための行動計画を実施しています。CO2排出は気候変動の主な原因とされており、新しい効率的なエネルギー変換技術や改良されたバッテリー化学への需要を急速に高めています。

今日では、より効率的で環境に優しいエネルギーソリューションへの需要が高まっています。初期の送電網の開発者は交流（AC）で世界に電力を供給することを容易に感じましたが、多くの分野で直流（DC）の方が効率を大幅に向上させる可能性があります。DCエネルギーの測定アプリケーションは多岐にわたり、電気自動車のDC充電ステーションが重要な開発の方向性となる可能性を秘めています。

近年では、バッテリーの容量や寿命を向上させる取り組みが大幅に進められるとともに、広範な電気自動車充電ネットワークの展開が進められています。このネットワークは、航続距離や充電時間に関する懸念を解消し、快適な長距離移動を可能にするために不可欠です。多くのエネルギー供給会社や民間企業は、150 kWまでの容量を持つ急速充電器を導入しており、公衆の関心は1つの充電ステーションで最大500 kWの容量を持つ超急速充電器にも向けられています。超急速充電ステーションでのメガワット級の局所的な充電ピーク電力や、それに伴う急速充電エネルギーの追加料金を考慮すると、電気自動車の充電は電力エネルギー交換の重要な市場になることが予想され、正確なエネルギー計測が課金目的のために必要とされます。

直流配電のもう一つの重要な応用はマイクログリッドです。これは、公共ユーティリティシステムの小型版のようなもので、安全で信頼性があり効率的な電源を必要とします。マイクログリッドは、病院や軍事基地などの環境で利用され、再生可能エネルギーの生成、燃料発電機、エネルギー貯蔵が組み合わさり、信頼性の高いエネルギー配電システムを形成する公共システムの一部としても機能することがあります。

マイクログリッドは建築構造にも活用されており、再生可能エネルギー発電機の広範な利用によって建物は自給自足の電力を確保できます。屋上の太陽光パネルや小型風力タービンによって発電された電力が単独運転に十分でありながら、公共電力網からの支援も受けられる仕組みになっています。

直流電源で稼働するデータセンターは、もう一つの重要な応用例です。電力が主要なコストの一つであることから、データセンター運営者は施設の電力効率を向上させるために、さまざまな技術やソリューションを積極的に検討しています。

データセンターの運用者は、直流配電に関連する利点を認識しています。それは交流（AC）と直流（DC）の間での変換を最小限に抑えるだけでなく、再生可能エネルギー源との統合をより簡単かつ効率的に実現することを可能にします。5%から25%のエネルギー節約を達成することで、送配電および変換効率を改善し、熱の発生を削減し、信頼性と可用性を2倍向上させると同時に、必要な床面積を33%削減することができます。多くの運用者が顧客の請求における電力消費を基準とした測定方法を採用する中で、正確な直流エネルギーの計測がますます重要になっています。

電気エネルギー計測には、故障や電気の改ざんを検知する能力が必要です

20世紀初頭、従来の交流メーターは完全に電気機械式でした。これらは、電圧コイルと電流コイルの組み合わせを使用して回転するアルミニウムディスクに渦電流を誘導していました。電圧コイルと電流コイルによって生成される磁束の積によるトルクがアルミニウムディスクに生じ、そのトルクは消費された電力量に比例しました。最終的に、アルミニウムディスクにブレーキング磁石が追加され、回転速度が実際の消費電力に正比例するように調整されました。一定時間内の回転数をカウントすることで、消費電力量を測定することができました。

現代の交流（AC）メーターは、はるかに複雑で正確であり、電力盗難を防ぐことも可能です。高度なスマートメーターは、絶対的な精度を監視し、現場での盗難の兆候を24時間検出することができます。モダンメーターであれ、従来のメーターであれ、ACメーターであれ、DCメーターであれ、それらはキロワット時インパルス定数とパーセンテージ精度レベルに基づいて分類されます。

負荷によって消費される電力（P = V × I）を測定するには、少なくとも1つの電流センサーと1つの電圧センサーが必要です。通常、低電圧側が接地されている場合、高電圧側を流れる電流が測定されます。この構成により、未測定の漏れ電流のリスクが最小化されます。しかし、設計のアーキテクチャによっては低電圧側で電流を測定することも可能であり、または両側で測定することも可能です。この技術では、負荷の両側で流れる電流を測定し比較することで、メーター内の障害検出や改ざん検出機能を実現することがよくあります。両側で電流を測定する場合、導体間の高電位を扱うために、少なくとも1つの絶縁付き電流センサーが必要です。

電圧は通常、抵抗性のポテンシャル・ディバイダーを使用して測定されます。この方法では、一連の抵抗を使用して電圧を比例的に減少させ、システムのADC入力と互換性のあるレベルに調整します。入力信号の振幅が大きいため、標準部品を使用することで正確な電圧測定を容易に実現できます。しかし、選定した部品の温度係数および電圧係数を考慮し、全温度範囲にわたる必要な精度を確保することが重要です。

超低入力電流の高速ADCを提供する

DCエネルギー計測アプリケーションにおいて、ADIのAD7779、AD8629、およびADA4528-1は重要な役割を果たしています。その中でも、AD7779は8チャネル同時サンプリングのADCで、チップ上に8つの完全なΣ-Δ ADCを統合しています。AD7779は非常に低い入力電流を特徴とし、センサーに直接接続することが可能です。各入力チャネルには、1、2、4、および8のゲインを持つプログラマブルゲインステージが含まれており、低振幅のセンサー出力をフルスケールADC入力範囲にマッピングすることで、信号チェーンの動的範囲を最大化します。AD7779は1 Vから3.6 VのVREFを受け入れることができます。アナログ入力はユニポーラ（0 V～VREF/GAIN）またはトゥルーバイポーラ（±VREF/GAIN/2 V）のアナログ入力信号を受け入れ、アナログ供給電圧は3.3 Vまたは±1.65 Vです。アナログ入力は、トゥルーディファレンシャル、疑似ディファレンシャル、またはシングルエンド信号を受け入れるように構成でき、さまざまなセンサー出力構成に適応します。

各チャンネルにはADC変調器とsinc3低遅延デジタルフィルターが含まれています。AD7779は出力データレート（ODR）の精密な制御のためにSRCを利用します。この制御は、ODR解像度がライン周波数が0.01Hz変化した場合でも整合性を維持する必要があるアプリケーションに役立ちます。SRCはシリアル・ペリフェラル・インターフェース（SPI）を通じてプログラム可能です。AD7779は2種類の異なるインターフェースをサポートしています：データ出力インターフェースとSPI制御インターフェースです。ADCデータ出力インターフェースは、AD7779からプロセッサへADC変換結果を送信することを専用としています。一方、SPIインターフェースはAD7779の構成レジスタを読み書き操作のために設定し、SAR ADCからデータを制御および取得するために使用されます。また、SPIインターフェースはΣ-Δ変換データを出力するように設定することも可能です。

AD7779は、AD7779内で診断に使用できる12ビットSAR ADCを搭載しており、システム測定機能専用にΣ-Δ ADCチャネルを割り当てる必要がありません。外部マルチプレクサ（3つの汎用入力/出力GPIOピンを使用して制御）および信号調整を通じて、SAR ADCは機能安全が求められるアプリケーション内でΣ-Δ ADC測定結果を検証するために活用することができます。さらに、AD7779 SAR ADCには、内部ノードを感知するために使用できるマルチプレクサも含まれています。

AD7779は、2.5 Vの基準電圧源および基準バッファを搭載しています。基準電圧源の温度係数は10 ppm/°C（代表値）です。AD7779は高解像度モードと低消費電力モードの2つの動作モードがあります。高解像度モードでは、1チャンネルあたり10.75 mWの消費電力でより高いダイナミックレンジを提供しますが、低消費電力モードでは、1チャンネルあたり3.37 mWの消費電力でダイナミックレンジの仕様が低くなります。AD7779の定格動作温度範囲は-40°Cから+105°Cで、最大動作温度は+125°Cです。

超低ノイズ、ドリフト、電流特性を備えたアンプ

ADIのAD8629アンプは、超低オフセット、ドリフト、バイアス電流を特徴としており、高精度用途に最適な選択肢です。このアンプは広帯域幅のオートゼロアンプであり、レールツーレールの入力および出力スイング機能を備え、さらに低ノイズ特性を持っています。AD8629は、単一電源電圧で2.7 Vから5 V（または±1.35 Vから±2.5 Vのデュアル電源電圧）で動作します。

AD8629は、これまで高価なオートゼロやチョッパー安定化アンプでしか得られなかった利点を提供します。このゼロドリフトアンプは、ADIの回路トポロジーを利用して、外付けのコンデンサを必要とせず、低コストで高精度かつ低ノイズ性能を実現します。さらに、AD8629は多くのチョッパー安定化アンプで発生するデジタルスイッチングノイズを大幅に低減します。

AD8629は、オフセット電圧がわずか1µV、オフセット電圧のドリフトが0.005µV/°C未満、そしてノイズが0.5µVピークツーピーク（0Hz〜10Hz）という特長を備えており、エラー要因が許容されない用途に適しています。このデバイスは、動作温度範囲内でほぼゼロドリフトを示すため、位置センサーや圧力センサー、医療機器、ひずみゲージアンプのようなアプリケーションに非常に有利です。また、AD8629のレールトゥレール入力および出力スイング機能によって、入力バイアスの複雑さを軽減し、信号対雑音比を向上させることが可能となり、多くのシステムにメリットを提供します。

AD8629は、定格温度範囲が-40°Cから+125°Cまでで、産業用温度範囲に対応しています。標準的な8ピンの狭型SOICおよびMSOPプラスチックパッケージで提供されています。

ADIの別のアンプであるADA4528は、超低ノイズのゼロドリフト・オペアンプで、レール・ツー・レールの入出力スイング機能を備えています。このアンプは、オフセット電圧が2.5 µV、オフセット電圧のドリフトが0.015 µV/°C、ノイズが97 µVピーク・トゥ・ピーク（0.1 Hz〜10 Hz、AV＝+100）という特長を持ち、誤差が許容されない用途に非常に適しています。

ADA4528は、2.2 Vから5.5 Vまでの幅広い電源電圧範囲で動作し、高い利得、優れたCMRR（コモンモード除去比）およびPSRR（電源除去比）仕様を提供します。そのため、位置センサーや圧力センサー、ストレインゲージ、医療用計測機器などのアプリケーションで低レベル信号を精密に増幅するための理想的な選択肢となります。

ADA4528は、公称温度範囲が-40°Cから+125°Cで、工業用温度範囲に対応しています。ADA4528-1は8リードMSOPおよび8リードLFCSPパッケージで提供され、ADA4528-2は8リードMSOPパッケージで提供されます。

ADA4528は、最大オフセット電圧2.5 µVおよび最大オフセット電圧ドリフト0.015 µV/°Cという特性により、微小電流信号の超低ドリフト100 V/V増幅に非常に適しています。そのため、AD7779のような同期サンプリング24ビットADCの増幅ステージに直接接続できます。このAD7779は、5 nV/°Cの入力基準ドリフトを特徴としています。1000:1の比率の抵抗分圧器をAD7779 ADCの入力に直接接続することで、高いDC電圧を正確に測定できます。

結論

DCエネルギー計測は、ACエネルギー計測と比較して高い精度を提供します。充電ステーション、マイクログリッド、データセンターなどの急成長市場やその他の用途において、DCエネルギー計測は公正な課金を可能にし、ACとDC間の変換の必要性を減らすことで、エネルギー損失を最小化します。また、再生可能エネルギー源との統合が容易かつ効率的であり、DC計測は開発の重要なトレンドとなっています。ADIは精密センサー技術における業界有数の専門家であり、厳格な基準を満たすための電流および電圧測定用の完全な信号チェーンを提供します。この記事で紹介されている製品は、DCエネルギー計測用途における最適な選択肢を代表するものです。