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Stromversorgung für Smart Meter

Intelligente Zähler vor Manipulationen und Stromausfällen schützen

27. Mai 2015, 14:28 Uhr | Rich Miron, Digi-Key Technical Content Team

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Schutz gegen Überstrom

So verfügt zum Beispiel die Produktreihe LinkSwitch-XT von Power Integrations über einen integrierten Schutz gegen Überstrom. In dem in Abbildung 1 gezeigten Schaltkreis wurde der Transformator so gestaltet, dass er ausreichend Induktivität für die Stromversorgung bereitstellt und damit auch bei einer Sättigung seines Kerns der erforderliche Strom geliefert werden kann. In dem Schaltkreis erfolgt mithilfe der vier Dioden D1-D4 die Gleichrichtung der eingehenden Netzwechselspannung. Zusammen mit den Kondensatoren C1 und C2 ist die Drossel L1 Teil eines Pi-Filters, mit dem auf Gegentakt zurückzuführende elektromagnetische Störungen (EMI) verringert werden. Der Stromrichter bedient sich des sogenannten Pulse-Skipping, um den Schaltkreis des Zählers mit Strom zu versorgen. Zu Beginn eines jeden Zyklus tastet der LinkSwitch-XT den Feedback-Pin FB ab. Wenn der Strom an diesem Pin mehr als 49 µA beträgt, wird der Schalter für diesen Zyklus deaktiviert. Liegt der Strom unter dem Grenzwert, wird der MOSFET für den nächsten Zyklus eingeschaltet. Die 1,1 V über der LED in U1, mit deren Hilfe der Schaltlogik die Regelung ermöglicht wird, und die Zener-Diode VR1 (3,9 V) ergeben zusammen die erforderliche Ausgangsspannung, in diesem Fall 5 V.

Bei einer Sättigung des Transformators greift die schnelle Strombegrenzung, um so den internen MOSFET des LinkSwitch-XT zu schützen. In der Zeit, in der die Strombegrenzung aktiv ist, entzieht sich jedoch der Ausgang der Regelung und der Zähler bleibt höchstwahrscheinlich stehen. Wenn bei einer versuchten Manipulation der Betrieb lückenlos weitergehen soll, kann als eine Möglichkeit der Transformator des Netzteils geschirmt werden oder der Ferritkern durch einen extrem widerstandsfähigen Eisenpulverkern mit verteiltem Luftspalt ersetzt werden – damit sind einige der Vorteile eines Lufttransformators gegeben, jedoch ohne die Effizienzverluste. Der Kern aus Eisenpulver verfügt über eine weitaus höhere Sättigungsstromdichte als der Ferritkern.

Der Altair900 von STMicroelectronics verfügt ebenfalls über einen Überstromschutz gegen Transformatorsättigung, verwendet dabei aber ein neuartiges Primärmesskonzept, um die Zahl der externen Bauteile möglichst gering zu halten. Dabei befinden sich ein robuster 900-V-Leistungsschalter sowie ein Niederspannungs-PWM-Controller (Pulsweitenmodulation) in einem Gehäuse; dazu kommt eine Evaluierungskarte, um die Prototyperstellung von Systemen zu vereinfachen.

Das Bauteil kann mithilfe der Rückkopplung von der Primärmessung eine konstante Ausgangsspannung bereitstellen. Damit sind ein Optokoppler, wie er bei anderen Lösungen verwendet wird, bzw. eine Sekundärspannungsreferenz und ein Stromsensor überflüssig. Selbst ohne diese, bleibt die Regelung präzise. Zudem ist es möglich, den maximal lieferbaren Ausgangsstrom einzustellen und damit die Sicherheit des Endprodukts sowie die Zuverlässigkeit im Fehlerfall zu erhöhen.

Der Schaltkreis kann sich selbst direkt aus dem gleichgerichteten Netz mit Strom versorgen, was besonders während der Konstantstromregelung nützlich ist, wenn die von der Wicklung erzeugte Rücklaufspannung unter den Grenzwert für die Unterspannungsabschaltung fällt. Wenn jedoch ein extrem niedriger Verbrauch mit Leerleistungsaufnahme gefordert ist, um den strengsten Energiesparvorgaben gerecht zu werden, muss das Bauteil mithilfe einer zusätzlichen Transformatorwicklung mit Strom versorgt werden.