מאת: Brian Kennedy, Petre Minciunescu, Analog Devices
שנאי זרם בעלי יכולת עמידה בזרם ישר משמשים מזה זמן רב כחיישנים של זרמי חילופין במודדים חכמים של אנרגיה, אם כי יש להם חסרונות ולעתים הם עלולים להיות יקרים. עבור יישומים מסוימים, נגדי מיצד (shunt) נחשבים לחיישני זרם טובים יותר בזכות היותם זולים, ליניאריים ביותר וחסינים מפני השפעות מגנטיות. לרוע המזל, למיצדים התנגדותיים כאלו אין בידוד חשמלי פנימי כמו זה שיש לשנאי זרם. עבור יישומים שנדרש להם בידוד, כמו למשל מודדי אנרגיה חכמים, המבודדים הספרתיים שפועלים בטכנולוגיית אספקת מתח מבודדת ואשר משולבים בנגדי מיצד, מציעים פתרון טוב לבעיה זו.
איור 1. מודד חכם לפאזה אחת עם הגנה מפני חבלה
איור 2. מודד חכם לפאזה אחת עם הגנה מפני חבלה עם מעגלים משולבים המכילים שנאים ברמת השבב
מודדים חכמים לפאזה אחת עם הגנה מפני חבלה
נעיין לרגע במודד חכם לפאזה אחת עם הגנה מפני חבלה, המופיע באיור 1. המעגל המשולב של הממשק הקדמי (front end) האנלוגי (AFC) מחשב את האנרגיה ומנטר את האיכות של העומס על ידי מדידת זרם הפאזה באמצעות מיצד התנגדותי ואת מתח הפאזה באמצעות מחלק מתח פשוט. ביישום זה, מתח הפאזה של קו החשמל משמש כמתח ייחוס ההארקה של יחידת AFE. יש לבודד את מדידת הזרם של קו האפס על מנת להגן על יחידת AFE מפני המתח הגבוה. יחידת AFE משדרת את הכמויות החשמליות המחושבות לבקר מיקרו (MCU) באמצעות תקשורת SPI או I2C רגילה. בקר המיקרו שולח לאחר מכן את הנתונים למודול תקשורת, בדרך כלל דרך ממשק UART, שבו יש צורך להבטיח את הבידוד הבטוח ולמנוע לולאות הארקה (ground loop). לכן יש לבודד את בקר המיקרו מיחידת AFE, ולחבר אותו להארקה משותפת עם מודול התקשורת (בידוד 1) או לבודד אותו ממודול התקשורת ולחבר אותו להארקה משותפת עם יחידת ממשק AFE (בידוד 2).
אספקת המתח למודד נגזרת מקווי החשמל, אך שני תחומי מתח נוצרים על ידי מחסום הבידוד הקיים לבטיחות. PS1 המופיע באיור 1, נמצא באותו התחום שבו נמצאת הפאזה ואפשר להשתמש בו ללא בידוד יחידת AFE. עם זאת, למחסום הבידוד לבטיחות מספר 1 או למחסום הבידוד לבטיחות מספר 2 נדרש שימוש בספק כוח מבודד, PS2, על מנת לספק מתח לבקר המיקרו ולמודול התקשורת (בידוד מספר 1) או רק למודול התקשורת (בידוד מספר 2).
לסיכום, לריבוי של נקודות במודד לפאזה אחת עם הגנה מפני חבלה יש צורך ב:
בידוד של חישת הזרם בקו האפס
בידוד בין יחידת AFE לבין בקר המיקרו (בידוד מספר 1) או בין בקר המיקרו לבין מודול התקשורת (בידוד מספר 2).
האותות שאמורים לעבור את מחסום הבידוד מספר 1 או את מחסום הבידוד מספר 2 הם אותות ספרתיים. טכנולוגיות רבות פותחו עד כה לבידוד של אותות ספרתיים. בגישה המסורתית משתמשים במצמדים אופטיים עם נוריות LED ודיודות אור (“פוטו-דיודות”). עם זאת קיימות טכנולוגיות חדשות יותר בצורה של מבודדים ספרתיים שמשתמשים בשנאים ברמת השבב. המבודדים הספרתיים מסוג ®iCoupler לדוגמה, מציעים יתרונות בהשוואה למצמדים האופטיים, לרבות אמינות משופרת, גודל קטן יותר, צריכת הספק נמוכה יותר, מהירות תקשורת גבוהה יותר, דיוק רב יותר בתזמון וקלות שימוש. אפשר גם לשלב טכנולוגיית בידוד ברמת שבב עם מעגלים אחרים במוליכים למחצה על מנת ליצור פתרונות בעלי אינטגרציה גבוהה בעקבת מעגל קטנה. ליתרונות אלו יש עוצמה גבוהה ביותר ביישומים המשמשים עם קצבי נתונים גבוהים יותר. מדידה חכמה של אנרגיה היא אחת הדוגמאות לקבוצת יישומים זו מאחר שלמודדים החדישים יותר נדרשת כיום זרימה של מידע רב יותר בהרבה, ובזמן אמת.
אפשר גם להשתמש בשנאים ברמת השבב בממירי מתח ישר למתח ישר מבודדים, ולאפשר בכך שילוב של בידוד נתונים וגם של מתח אספקה במארז יחיד. מוצרי iCoupler מציעים את היכולת הזו עם ממירי המתח ישר למתח ישר המבודדים ®isoPower אשר משולבים באותו מארז להתקנה משטחית עם פרופיל נמוך, עם ערוצי הנתונים המבודדים. שים לב לחישת הזרם בקו האפס בדוגמה למעלה. נעשה שימוש מסורתי בשנאי זרם מאחר שהוא מספק בידוד מעצם מבנהו, אך שנאי זרם חייבים לעמוד בזרם ישר.
היתרונות של גישה זו ברורים לחלוטין כאשר משווים אותה לספקי כוח מבודדים, גדולים ויקרים, שקשה לקבל עבורם אישור. טכנולוגיית הבידוד הספרתי מאפשרת יצירה של ממירי מתח ישר למתח ישר בעלי אישור UL הקטנים בתעשייה. למעגלים המשולבים יש יציבות בחום גבוה, יציבות מכנית גבוהה, עמידות כימית מצוינת וביצועי פריקה אלקטרו-סטטית טובים. המתכננים יכולים מעתה להתמקד בשיפור תכנון המערכת ולא להיות מוטרדים בנושא הבידוד.
על מנת למנוע מצב שבו הם עוברים מצב רוויה, ותכונה זו מייקרת אותם בעלות. בנוסף, הם יוצרים השהיה שגודלה משתנה בהתאם לרכיבי התדירות, ועל כן קשה להוסיף פיצוי מתאים בספקטרום התדירויות כולו. לנגדי מיצד יש יתרונות טובים. הם זולים יותר, אין אפשרות להשפיע עליהם באמצעות שדות מגנטיים חיצוניים ישרים או חילופין ויש להם אופיינים זהים לאלו של נגדי המיצד המשמשים לחישת זרם הפאזה. ועם זאת, אין להם בידוד מובנה. אפשר להתגבר על בעיה זו באמצעות שימוש במבודדים ספרתיים שבהם יש שילוב של ממירי מתח ישר למתח ישר עם ערוצי נתונים מבודדים. כל זאת מאפשר יצירת מבנה חדש למודד החכם לפאזה אחת עם הגנה מפני חבלה (איור 2).
במבנה החדש נעשה שימוש ביחידת AFE מספר 1 למדידה של כמויות החשמל אשר נגזרות מזרם קו החשמל וביחידת AFE מספר 2, כדי למדוד את כמויות החשמל הנגזרות מזרמי קו האפס. שני הזרמים נמדדים באמצעות נגדי מיצד חסינים מפני שדות מגנטיים חיצוניים, ובכך מבטלים בעיות של חבלה אפשרית. יחידת AFE מספר 2 מקבלת אספקת מתח באמצעות מעגל משולב שמכיל ספק כוח מבודד המבוסס על מבודדים ספרתיים. היא יוצרת תקשורת עם בקר המיקרו באמצעות ערוצי נתונים מבודדים המשובצים בתוך אותו מעגל שמשולב באותה טכנולוגיה.
אפשר להשתמש בגישה זהה לזו – שימוש במעגל משולב המכיל ספק כוח מבודד עם ערוצי נתונים מבודדים – עבור מודול התקשורת, מאחר שגם עבורו יש צורך בספק כוח מבודד ובתקשורת נתונים דרך מחסום הבידוד.
איור 3. מודד תלת–פאזי חכם
איור 4. מודד תלת–פאזי חכם עם מעגלים משולבים המכילים שנאים ברמת שבב
מודד תלת–פאזי חכם
אפשר לנקוט בגישה זהה לתכנון של מודדים תלת-פאזיים חכמים (איור 3). במערכת קלאסית של ארבעה מוליכים, קו האפס נבחר להיות ייחוס ההארקה של יחידת AFE של המודד. זרמי הפאזות נמדדים באמצעות שנאי זרם. ספק הכוח משמש עם כל שלוש הפאזות על מנת ליצור שני תחומים: תחום אחד שמספק מתח ליחידת AFE ותחום שני שמספק מתח למודול התקשורת, אשר אותו חייבים לבודד מסיבות בטיחותיות. אפשר למקם את בקר המיקרו בכל אחד מהתחומים וליצור בכך מחסום בידוד אחד בין יחידת AFE לבין בקר המיקרו (בידוד מספר 1) או בין בקר המיקרו למודול התקשורת (בידוד מספר 2).
בדומה לגישה שננקטה ביחס למודד החד פאזי עם הגנה מפני חבלה בשימוש עם טכנולוגיית בידוד ספרתי, אפשר להחליף את חיישני הזרם במודולים מבודדים בשימוש עם נגדי מיצד, ומודול התקשורת יכול לקבל את אספקת המתח וליצור תקשורת עם בקר המיקרו באמצעות מעגל משולב המכיל את ספק הכוח המבודד ואת ערוצי התקשורת המבודדים, אשר מעבירים את התקשורת דרך מחסום הבידוד (איור 4).
מסקנות
את שנאי הזרם העמידים לזרם ישר אפשר להחליף בהצלחה רבה בנגדי מיצד ומבודדים ספרתיים, אשר משתמשים בטכנולוגיה ברמת השבב, על מנת לשלב הן בידוד של נתונים וגם בידוד של אספקת מתח. מבודדים ספרתיים אלו מספקים יתרונות לעומת המצמדים האופטיים המסורתיים ואפשר לתמוך במגוון סוגי תקשורת טורית: SPI, I2C או UART. הם מהווים חלופה אמיתית למצמדים האופטיים מפני שהם מציעים ביצועים טובים יותר, הם קלים יותר לשימוש ונחשבים לאמינים יותר.
באופן כזה משתנה נקודת המבט של תכנון מודדים חכמים:
אפשר לבצע חישה של זרמי הפאזה וקו האפס בעזרת מיצדים התנגדותיים ולבטל בכך את האיום של חבלה מגנטית ואת הקשיים הכרוכים בטיפול בהשהיות הפאזה הנוצרות בשנאי זרם.
אפשר להשתמש במודדים חד–פאזיים וגם במודדים תלת–פאזיים בספק כוח ראשי יחיד, באמצעות מעגלים משולבים בעלי אישור UL. שימוש כזה יכול להקטין באופן חד את עקבת המעגל של ספק הכוח, במיוחד במודדים תלת–פאזיים, ולאפשר שימוש במארז בעל ממדים קטנים יותר עבור המודד.
בריאן קנדי [Brian Kennedy] – הוא מהנדס יישומים בקבוצת תחום הבידוד של חברת Analog Devices. הוא עובד בחברת ADI מאפריל 2008 והוא אחראי על מוצרי הבידוד של מעגלים לספקי כוח. בריאן מחזיק בתואר בוגר מדעים בהנדסת חשמל (BSEE) מאת אוניברסיטת המדינה של ניו–יורק (בבפאלו).
פטר מינצ’יאונסקו [Petre Minciunescu] – הוא מהנדס מערכות בקבוצת מדידות האנרגיה של חברת Analog Devices. הוא עובד בחברת ADI משנת 2000 ומשמש אחראי על התמיכה במוצרי מעגלים משולבים למדידת אנרגיה. פטר מחזיק בתואר הנדסת חשמל מאת המוסד הפולי–טכני של בוקרשט שברומניה ובתואר Ph.D בבקרה ספרתית של מנועים א–סינכרוניים מאת אוניברסיטת Politechnico שבטורינו, איטליה.
