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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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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Konzentration auf Schwachlastbedingungen

Eine alternative Architektur besteht darin, zunächst eine ungeregelte isolierte DC-Niederspannungsversorgung bereitzustellen, mit deren Hilfe dann ein hocheffizienter Wandler versorgt wird. Damit wird die Belastung des Leistungsreglers in puncto Isolierung verringert und es werden einige Verbesserungen bei Messschaltkreisen erreicht, die nur unregelmäßig in Betrieb sind – typisch für intelligente Zähler, die nur gelegentlich aktiviert werden, um Proben zu nehmen. Die Konzentration auf Schwachlastbedingungen trägt dazu bei, die Effizienz insgesamt zu verbessern. Der TPS54061 von Texas Instruments ist ein Beispiel für einen hocheffizienten Wandler mit speziellen Funktionen, der auf eine besonders geringe Last ausgelegt ist. So emuliert der vom Wandler verwendetet Low-Side-MOSFET eine Diode, sobald der Drosselstrom null erreicht.

Der TPS54061 wurde speziell für geringe Lasten konzipiert und verwendet kein Pulse-Skipping; als Regler mit fester Frequenz weist er unter Betriebsbedingungen eine vorhersagbare Welligkeit und vorhersagbares Rauschen der Ausgangsspannung auf. Im Hinblick auf die Gesamtgröße ist die optimale Einsatzart für den Regler der diskontinuierliche Leitungsbetrieb (Discontinuous Conduction Mode, DCM), da damit passive Elemente wie Drosseln klein gehalten werden. Stabil bleibt der Wandler mit keramischen Ausgangskondensatoren oder günstigen Aluminium-Elektrolytkondensatoren.

ICs für Gas- und Wasserzähler

Gas- und Wasserzähler stellen strenge Anforderungen an die Effizienz und verfügen deshalb über energiesparende Ruhemodi, um so die Lebensdauer der Batterie zu verbessern. Für solche Anwendungen hat TI den TPS65290 entwickelt, einen Leistungsmanagement-IC, der in einem breiten Bereich von Lastbedingungen betrieben werden kann – von Bruchteilen eines Mikroamperes bis hin zu einigen Hundert Milliampere. Das Bauteil arbeitet über einen breiten Eingangsspannungsbereich von 2,2 V bis 5 V und verfügt über eine immer eingeschaltete Stromversorgung mit sehr niedrigem Ruhestrom, einen 500-mA-Abwärts-/Aufwärtswandler, einen 150-mA-Regler mit geringer Ausfallspannung und acht Leistungsverteilungsschalter, um damit ein hohes Maß an Leistungssteuerung im Hinblick auf die Messelektronik zu erreichen. So kann ein Leistungsschalter zum Beispiel den Mikrocontroller im Schlafmodus halten und gleichzeitig die Stromversorgung der analogen Sensoren unterbrechen, wenn diese nicht verwendet werden.
Der Abwärts-/Aufwärtswandler kann entweder im PWM- oder im PFM-Modus (Pulsfrequenzmodulation) arbeiten, wobei der letztere bei sehr geringen Lasten zum Einsatz kommt. Das Bauteil kann so konfiguriert werden, dass es nur im PWM-Modus läuft, falls die Ausgangswelligkeit ein Problem darstellt.

Bei Stromzählern besteht bei einem Ausfall der externen Stromversorgung die Gefahr, dass auch der Zähler ausfällt. Weiterhin besteht die Gefahr, dass die Batterie in einem Gas- oder Wasserzähler frühzeitig ausfällt. Deshalb ist eine Reserveenergie liefernde Quelle nötig. Eine Möglichkeit ist die Verwendung eines Akkumulators, wobei hier jedoch ein Ladeschaltkreis erforderlich ist, um den Akku stets auf Höchstleistung zu halten, und das für einen Einsatz in vergleichsweise seltenen Situationen. Zudem lautet eine zentrale Anforderung an eine unmittelbar zur Verfügung stehende Reservequelle, dass sie bei den für Außengeräte benötigten niedrigen Temperaturen arbeiten kann. Der Zähler kann dann sofort die Statusinformationen an den Remote-Hub übermitteln, der die Nutzungsdaten und Alarmmeldungen sammelt.

Superkondensator statt Akku

Eine effektive Alternative zu einem Akku ist die Verwendung eines Zweischichtkondensators oder Superkondensators. Dieser kann relativ unkompliziert in einen Schaltkreis integriert werden, da er genug Energie speichern kann, um vorübergehend die Basisfunktionen eines intelligenten Zählers aufrechtzuerhalten, ohne dabei auf eine komplexe Schaltlogik angewiesen zu sein.

Die UK-Reihe von Nichicon wurde entwickelt, um den Bedürfnissen der Hersteller von intelligenten Zählern zu entsprechen, die Kondensatoren mit geringerem Widerstand und der Fähigkeit zum Betrieb bei niedrigen Temperaturen (garantiert bis -40°C) benötigen.
Die RG-Reihe von Panasonic mit Zweischichtkondensatoren ist eine weitere Möglichkeit, um vorübergehend eine Reserveenergie liefernde Quelle bereitzustellen, mit einer Kapazität von bis zu 1 F.

Auch wenn intelligente Verbrauchszähler hohe Anforderungen stellen: Es gibt Lösungen, um Probleme wie das der Manipulation zu lösen und um die Toleranz gegenüber Stromausfällen zu vergrößern, damit der Zähler dem Energieversorger zumindest signalisieren kann, dass er ein Problem hat und Wartungsarbeiten erforderlich sind.