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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Energiezähler und insbesondere einen
elektronischen Festkörper-Wattstundenzähler.
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Wattstundenzähler bzw.
Elektroenergiezähler
sind weit verbreitet und werden in nahezu jedem Haushalt zur Bestimmung
der von dem Energieversorgungsunternehmen bereitgestellten Energiemenge
verwendet. Unabhängig
von dem spezifischen angewendeten Prinzip messen und erfassen alle
das Integral der Leistung in dem Schaltkreis, in dem sie verwendet
wird, in Bezug auf die Zeit. Allgemein wandelt ein Wattstundenzähler die
Leistung in ein mechanisches oder elektrisches Signal um, und ein
Zähler
integriert den Wert der Gesamtenergie, die durch den Wattstundenzähler geleitet
wurde, und zeigt diesen an. Wattstundenzähler können auf elektronischen oder
mechanischen Bauelementen basieren.
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Ein
recht mechanischer Ansatz eines Energiezählers ist ein elektrischer
Motor, der so implementiert ist, dass sein Drehmoment der in einem Haushalt
oder von jeder beliebigen elektronischen Schaltung, mit der er verbunden
ist, aufgenommenen Leistung entspricht. Ein Ferraris- bzw. Induktionsinstrument
wird für
die Messung von Wechselstromenergie verwendet. Die Verwendung von
Ferraris-Instrumenten ist äußerst weit
verbreitet, und diese messen den Energieverbrauch der überwiegenden Mehrheit
der Haushalts- und Industrieverbraucher elektrischer Leistung auf
der ganzen Welt. Ferraris-Instrumente
sind jedoch recht groß und
laut, und sie werden schrittweise durch elektronische Energiezähler ersetzt,
die zusätzliche
Merkmale wie Datenfernauslese (AMR, engl. „automatic meter reading") anbieten.
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Elektronische
Lösungen
beruhen vorzugsweise auf Shunt-Widerständen, die direkt in die zu messende
elektrische Leitung gekoppelt sind. Der Spannungsabfall über dem
Shunt-Bauelement entspricht dem Strom durch die elektrische Leitung.
Des Weiteren wird der Spannungspegel der elektrischen Leitung bestimmt.
Die dem Strom durch die elektrische Leitung und dem Spannungspegel
an der elektrischen Leitung entsprechenden analogen Spannungen werden
einer Analog-Digital-Wandlung unterzogen. Das Produkt der digitalen
Werte der Spannung und des Stroms stellt die durch die elektrische
Leitung momentan aufgenommene Leistung dar. Das Integral der momentanen
Leistung ist die verbrauchte Energie. An Stelle eines Shunt-Bauelements
kann ein Stromwandler zur Messung des Stroms verwendet werden. Andere
Lösungen
beruhen auf Rogowski-Spulen oder Hall-Sensoren. Die preiswerteste
Lösung
ist jedoch noch immer ein Shunt-Bauelement.
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Die
galvanische Trennung zwischen den Phasen ist eine größere Problematik,
die von Mehrphasen-Wattstundenzählern
gelöst
werden muss. Die elektronischen Vorrichtungen, die durch Shunt-Bauelemente
und Spannungsteiler mit der zu messenden elektrischen Leitung gekoppelt
sind, werden den hohen elektrischen Potentialen der elektrischen
Leitungen von bis zu mehreren Hundert Volt ausgesetzt. Integrierte
elektronische Vorrichtungen wie Analog-Digital-Wandler (ADCs) sind
jedoch nicht darauf ausgelegt, derart hohe Spannungen auszuhalten.
Deshalb muss zumindest ein Teil der mit der elektrischen Leitung
gekoppelten elektronischen Bauelemente galvanisch entkoppelt oder
getrennt sein, damit sie potentialfrei sein und das Potential der elektrischen
Leitung annehmen können.
Eine typische Lösung
zum Erreichen einer galvanischen Trennung ist in 1 gezeigt.
Es gibt drei elektrische Leitungen, die den drei Phasen P1, P2 und
P3 eines Haushalts- oder Industrie-Stromversorgungsnetzes entsprechen.
Drei Energiezähler-Eingangsteile EMFE1,
EMFE2, EMFE3 sind mit den Phasen P1, P2, P3 gekoppelt, um die Ströme und Spannungen
in jeder Phase zu messen. Die Energiezähler-Eingangsteile EMFE1 bis
EMFE3 umfassen Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung der analogen
Eingangsspannungen, die die Ströme
und Spannungen durch die elektrischen Leitungen darstellen, in Digitalwerte.
Die Digitalwerte werden an einen Steuerblock CNTL, zum Beispiel
einen Mikrocontroller, übertragen,
der die Leistung in jeder Phase P1, P2, P3 und die aufgenommene
Gesamtleistung bzw. -energie bestimmt. Das Ergebnis wird auf einer
Flüssigkristallanzeige
LCD angezeigt. Die galvanische Trennung zwischen der Steuerstufe
CNTL und den drei Energiezähler-Eingangsteilen
EMFE1 bis EMFE3 wird durch Verwendung von zumindest drei Optokopplern
OC1 bis OC3 hergestellt. Die Kopplung der drei Energiezähler mit
derselben Steuerstufe ist unmöglich,
da die momentanen Potentiale (Spannungspegel) an den drei Phasen
P1 bis P3 je nach spezifischen regionalen oder nationalen Normen
um Hunderte von Volt voneinander abweichen können. Folglich muss jedes Energiezähler-Eingangsteil
durch einen einzelnen Optokoppler galvanisch getrennt werden. Optokoppler
sind jedoch recht teuer und nehmen selbst einen wesentlichen Teil
der Energie auf, was nicht erwünscht
ist. Wenn mehr Informationen oder Daten zu übertragen sind, werden sogar
noch mehr Optokoppler benötigt. 2 zeigt
eine alternative Ausführung
eines Energiezählers
nach dem Stand der Technik, in dem eine der Phasen P1 direkt mit
einem Energiezähler-Eingangsteil
EMFE gekoppelt ist, das direkt in der Steuerstufe CNTL durch Bereitstellung
eines galvanisch getrennten Eingangs für die Steuerstufe EMFE bereitgestellt
wird. Hierdurch wird die Anzahl von benötigten Optokopplern verringert,
aber an sich reicht das nicht aus, um die Größe und die Kosten der Lösung auf
einen annehmbaren Wert zu senken.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen elektronischen Energiezähler bereitzustellen, der
weniger Leistung aufnimmt und preiswerter und weniger komplex ist
als Lösungen
nach dem Stand der Technik.
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Entsprechend
stellt die vorliegende Erfindung einen elektronischen Energiezähler bereit,
der einen ersten Sigma-Delta-Modulator mit einem galvanisch getrennten
digitalen Datenausgang umfasst. Eine Stromversorgungsstufe ist mit
einer ersten elektrischen Leitung gekoppelt, um dem ersten Sigma-Delta-Modulator
eine Versorgungsspannung bereitzustellen, und ein Shunt-Bauelement
ist ebenfalls mit der ersten elektrischen Leitung gekoppelt. Des Weiteren
ist der erste Sigma-Delta-Modulator mit einem Eingang mit dem Shunt-Bauelement
gekoppelt, um einen Strom durch die erste elektrische Leitung zu
messen. Der galvanisch getrennte Digitalausgang ist durch eine kapazitive
Trennschicht („capacitive isolation
barrier") vom Stromkreis
getrennt. Kapazitive Trennschicht bedeutet, dass die Trennschicht
eine galvanische Trennung und gleichzeitig eine ausreichende kapazitive
Kopplung durch die Schicht bereitstellt, die zur Signal- und/oder
Datenübertragung
verwendet werden kann. Auf diese Weise wird ein elektronischer Energiezähler bereitgestellt,
der als Einzelchip-Eingangsteil ausgeführt sein kann, das die Analog-Digital-Wandlung
als Sigma-Delta-Modulator integriert, und der deshalb kostengünstig ist,
lediglich eine geringe Menge an Leistung aufnimmt und eine geringe
Komplexität
aufweist. Die Verwendung einer kapazitiven Trennung ist äußerst vorteilhaft
im Vergleich zu herkömmlichen
Optokopplern, da die kapazitive Trennung preiswert in der Herstellung
ist und selbst keine Energie verbraucht. In Verbindung mit einem
Sigma-Delta-Modulator gibt es einen spezifischen Synergieeffekt
auf Grund der Tatsache, dass ein Sigma-Delta-Modulator typischerweise äußerst kurze
Bitwörter
ausgibt. Hierdurch wird es ermöglicht, dass
lediglich einige wenige Leitungen verwendet werden müssen, um
den Ausgang des Sigma-Delta-Modulators zu verbinden, und der Sigma-Delta-Modulator kann
mit der kapazitiven Trennung in einem einzelnen Gehäuse kombiniert
werden.
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Vorteilhafterweise
wird ein Sigma-Delta-Modulator verwendet, der lediglich einen Einzelbitstrom ausgibt.
Dies sorgt für
eine recht einfache Architektur mit einer einzelnen kapazitiven
Trennung für
den Ausgang des Sigma-Delta-Modulators.
Vorzugsweise kann der Sigma-Delta-Modulator zweiter Ordnung sein,
was eine recht kleine und einfache Architektur ist. Die Gesamtlösung, die
einen Sigma-Delta-Modulator kleiner Ordnung mit einem Einzelbitausgabestrom
umfasst, stellt einen äußerst preiswerten
aber höchst
effizienten Energiezähler
bereit.
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Vorzugsweise
umfasst der elektronische Energiezähler ebenfalls einen zweiten
Sigma-Delta-Modulator mit einem galvanisch getrennten digitalen
Datenausgang mit einer kapazitiven Trennschicht und einen mit der
ersten elektrischen Leitung gekoppelten Spannungsteiler. Der zweite
Sigma-Delta-Modulator
kann dann durch die Stromversorgungsstufe mit Spannung versorgt
werden und mit einem Eingang mit dem Spannungsteiler gekoppelt sein,
um einen Spannungspegel der ersten elektrischen Leitung zu messen.
Ein zweiter Sigma-Delta-Modulator ist mit der Stromversorgungsstufe
verbunden, und sein Eingang ist mit einem Spannungsteiler verbunden.
Der Spannungsteiler ist ebenfalls mit der ersten elektrischen Leitung
verbunden, so dass er so konfiguriert ist, dass er den Spannungspegel
der ersten elektrischen Leitung misst. Somit kann der Energiezähler zur
Messung von sowohl Spannung als auch Strom in einer elektrischen
Leitung im Haushalt oder in der Industrie verwendet werden. Der
Ausgang des Sigma-Delta-Modulators ist ein digitaler Datenausgang, der
mit einer kapazitiven Trennschicht versehen ist, so dass es ein
vom Stromkreis getrennter Ausgang ist. Da es an dem Ausgang eine
kapazitive Trennschicht gibt, die den Ausgang des Sigma-Delta-Modulators
vom Stromkreis trennt, kann das analoge Eingangsteil des Zählers dann
mit einem digitalen Datenausgang integriert werden. Digitale Daten
können
durch die Trennschicht unter Verwendung der kapazitiven Kopplung
der kapazitiven Trennschicht übertragen
werden.
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Der
erste Sigma-Delta-Modulator kann so konfiguriert sein, dass er an
dem vom Stromkreis getrennten digitalen Datenausgang einen Bitstrom
ausgibt, der den Strom durch die erste elektrische Leitung darstellt,
und der zweite Sigma-Delta-Modulator kann
so konfiguriert sein, dass er an dem vom Stromkreis getrennten digitalen
Datenausgang einen Bitstrom ausgibt, der den Spannungspegel der
ersten elektrischen Leitung darstellt. Sowohl der erste als auch
der zweite Sigma-Delta-Modulator können Ausgänge haben, die durch eine kapazitive
Trennschicht vom Stromkreis getrennt sind, so dass ihr analoges Eingangsteil
mit einem digitalen Datenausgang gekoppelt sein kann. Beide Sigma-Delta-Modulatoren können dann
Bitströme
ausgeben, die den Strom durch die elektrische Leitung bzw. deren
Spannungspegel darstellen.
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Vorteilhafterweise
kann der Energiezähler mit
einem galvanisch getrennten Eingang mit einer kapazitiven Trennschicht
zur Eingabe eines Taktsignals versehen sein. Dem Eingangsteil des
Energiemeters wird ein Taktsignal über einen galvanisch getrennten
Eingang des Zählers
zugeführt,
der durch eine kapazitive Trennschicht vom Stromkreis getrennt ist.
Eine derartige Bereitstellung eines Taktsignals für das Eingangsteil
ermöglicht
einen wirklich synchronen Betrieb mehrerer, in einem Array angeordneter
Energiezähler,
wodurch die Messung des Stroms durch und des Spannungsabfalls über alle Phasen
(stromführende
Leitungen), die häufig
in Haushalts- und Industrie-Energieversorgungsunternehmen
verwendet werden, ermöglicht
wird.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der untenstehenden
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und aus den beigefügten Zeichnungen.
Es zeigen:
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1 eine
vereinfachte schematische Darstellung eines herkömmlichen elektronischen Energiezählers;
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2 eine
alternative Ausführung
eines herkömmlichen
elektronischen Energiezählers;
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3 eine
vereinfachte schematische Darstellung eines elektronischen Energiezählers gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine
vereinfachte schematische Darstellung eines elektronischen Energiezählers gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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5 eine
vereinfachte schematische Darstellung eines elektronischen Energiezählers gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung;
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6 eine
vereinfachte schematische Darstellung eines elektronischen Energiezählers gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung; und
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7 eine
vereinfachte schematische Darstellung eines elektronischen Energiezählers gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung.
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3 zeigt
ein Eingangsteil eines elektronischen Energiezählers, das insbesondere in
einem Wattstundenzähler
zur Messung der Aufnahme von elektrischer Leistung in einer Haushalts-
oder Industrieumgebung verwendet werden kann. In diesem Beispiel
wird der Energiezähler
zur Messung des Stroms durch eine Phase bzw. stromführende Leitung
Px und ebenso zur Messung der Spannung zwischen der stromführenden
Leitung Px und einem Nullleiter N verwendet. Eine Stromversorgungsstufe PWR
hat einen Eingang mit der stromführenden
Leitung Px verbunden und einen Eingang mit dem Nullleiter N verbunden.
Der mit der stromführenden
Leitung Px verbundene Eingang ist ebenfalls die Referenzmasse REF
des Eingangsteils. Die Stromversorgungsstufe PWR hat zwei Ausgänge, die
jeweils mit einem Sigma-Delta-Modulator SD-MOD1 bzw. SD-MOD2 verbunden sind, so
dass die Stromversorgungsstufe PWR die beiden Sigma-Delta-Modulatoren
SD-MOD1 und SD-MOD2 mit Strom versorgen kann. Jeder Sigma-Delta-Modulator
hat zwei Eingänge.
Ein Sigma-Delta-Modulator
SD-MOD1 hat einen ersten Eingang, der mit der Phasenleitung Px verbunden
ist, und einen zweiten Eingang, der über einen Widerstand R1 mit
dem Nullleiter N verbunden ist. Ein zweiter Widerstand R2 ist zwischen
die beiden Eingänge
des Sigma-Delta-Modulators SD-MOD1 derart geschaltet, dass die Widerstände R1 und
R2 einen Spannungsteiler bilden. Der andere Sigma-Delta-Modulator SD-MOD2
hat zwei Eingänge,
die mit der stromführenden
Leitung Px und mit einem Shunt-Widerstand RSH,
der in die stromführende Leitung
Px zwischen einer Zusammenschaltung der stromführenden Leitung Px und den
beiden Eingängen
des Sigma-Delta-Modulators SD-MOD2 geschaltet ist, verbunden sind.
Beide Sigma-Delta-Modulatoren SD-MOD1 und SD-MOD2 haben digitale Datenausgänge, die
durch eine Trennschicht galvanisch getrennt sind. Es wird eine kapazitive
Kopplung durch die kapazitiven Trennschichten CB1 und CB2 bereitgestellt.
Die kapazitiven Elemente CB1 und CB2 an den Ausgängen der Sigma-Delta-Modulatoren
SD-MOD1 und SD-MOD2 bilden einen Teil der allgemeinen Trennschicht
ISO-BAR, die das gesamte Zählereingangsteil
galvanisch trennt. Die kapazitive Kopplung der kapazitiven Trennschicht
wird zur Übertragung
der Ausgangssignale von SD-MOD1 und SD-MOD2 durch die Schicht verwendet.
Im Vergleich zu einem Optokoppler ist die kapazitive Kopplung höchst vorteilhaft,
da sie preiswerter in der Herstellung ist und selbst keinen Strom
verbraucht. Jeder Sigma-Delta-Modulator kann zweiter Ordnung sein
und einen Einzelbitausgabestrom haben. Mit einer Einzelbitausgabe
des Sigma-Delta-Modulators kann für jeden Sigma-Delta-Modulator
ein einzelnes kapazitives Kopplungselement (d. h. ein einzelner Teil
einer kapazitiven Trennschicht) verwendet werden. All dies ermöglicht es,
dass der Energiezähler klein
und nicht sehr komplex ist.
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Die
Stromversorgungsstufe PWR führt
beiden Sigma-Delta-Modulatoren Strom zu, und das als Shunt-Widerstand
RSH ausgeführte Shunt-Bauelement misst
den durch die stromführende
Leitung Px fließenden
Strom. Der als Widerstandsanordnung R1 und R2 ausgeführte Spannungsteiler
misst die Spannung zwischen der stromführenden Leitung Px und dem
Nullleiter N. Die Sigma-Delta-Modulatoren SD-MOD1 und SD-MOD2 wandeln
die analogen Messdaten von dem Spannungsteiler R1, R2 bzw. dem Shunt-Widerstand
RSH in Digitaldaten um und stellen jeweils
durch Verwendung der kapazitiven Trennelemente CB1 bzw. CB2 eine
digitale Datenausgabe an der und durch die galvanische Trennschicht
bereit. Die Digitalausgabe OUT1 des ersten Modulators SD-MOD1 gibt
den Spannungsabfall zwischen der stromführenden Leitung Px und den
Nullleitern N an, und die Digitalausgabe OUT2 des zweiten Modulators
SD-MOD2 gibt die Höhe
des durch die stromführende
Leitung Px fließenden
Stroms an. Die Datenausgangssignale können dann zum Beispiel einem
Dezimator (in 3 nicht gezeigt) zugeführt werden,
um sie nach einer weiteren Verarbeitung in ein geeignetes Format
für eine
digitale Auslesevorrichtung wie eine LCD-Anzeige umzuwandeln.
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In
Wirklichkeit haben die meisten Elektriksysteme im Haushalt und in
der Industrie (zum Beispiel die Ringnetzverkabelung in einem Haus)
drei stromführende
Leitungen und einen Nullleiter, wobei die drei stromführenden
Leitungen drei verschiedene Phasen haben. 4 zeigt
einen elektronischen Energiezähler
gemäß einer
zweiten Ausführungsform der
Erfindung, der zur Messung des Stroms durch jede der drei stromführenden
Leitungen P1, P2 und P3 sowie der Spannung zwischen den stromführenden
Leitungen P1, P2 und P3 und einem Nullleiter geeignet ist. Die Anordnung
gemäß der zweiten
Ausführungsform
ist nahezu identisch mit der in 3 gezeigten
ersten Ausführungsform,
außer,
dass es drei Paare Sigma-Delta-Modulatoren SD-MOD11/SDMOD12, SD-MOD21/SD-MOD22 bzw.
SD-MOD31/SD-MOD32 gibt, wobei jedes Paar Sigma-Delta-Modulatoren
und ihre zugehörigen
Eingangsteile einzeln durch eine Trennschicht ISO-BAR galvanisch
getrennt ist. Der Zweck der einzelnen Trennung jedes Paars Sigma-Delta-Modulatoren SD-MOD11/SDMOD12, SD-MOD21/SD-MOD22
und SD-MOD31/SD-MOD32 voneinander besteht in der Trennung der verschiedenen
Phasen bzw. stromführenden
Leitungen voneinander. Über
einen Spannungsteiler, der aus einer Anordnung von je zwei Widerständen R11
und R21; R12 und R22; bzw. R13 und R23 gebildet wird, hat ein Sigma-Delta-Modulator
in jedem Paar einen Eingang mit dem Nullleiter N verbunden und einen
Eingang mit einer stromführenden
Leitung P1, P2 bzw. P3 verbunden, um die Spannung zwischen jeder
der stromführenden
Leitungen P1, P2 und P3 und dem Nullleiter zu messen. Der andere
Sigma-Delta-Modulator in jedem Paar hat zwei Eingänge, die
beide mit einer der stromführenden Leitungen
P1, P2 bzw. P3 verbunden sind, um den Strom durch jede der stromführenden
Leitungen P1, P2 und P3 von den Shunt-Widerständen RSH1,
RSH2 und RSH3, die
in den stromführenden
Leitungen P1, P2 bzw. P3 zwischen der Zusammenschaltung der Modulatoreingänge und
der stromführenden
Leitung P1, P2 bzw. P3 angeordnet sind, zu messen. Wiederum hat
jeder Sigma-Delta-Modulator einen galvanisch getrennten Digitalausgang,
der durch eine Trennschicht vom Stromkreis getrennt ist, durch die die
Daten unter Verwendung von kapazitiver Kopplung übertragen werden.
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Der
Betrieb des Energiezählers
ist identisch mit dem der ersten Ausführungsform. Eine Stromversorgungsstufe
(in 4 nicht gezeigt) versorgt jeden der Sigma-Delta-Modulatoren
mit Strom. Analoge Messungen der Spannung zwischen jeder der stromführenden
Leitungen P1, P2 und P3 und dem Nullleiter N von den Spannungsteilern
R11, R21; R12, R22; und R13, R23 werden durch einen Sigma-Delta-Modulator
in jedem Paar in digitale Ausgangssignale BV1, BV2 bzw. BV3 umgewandelt,
um eine digitale Darstellung der Spannung an dem Digitalausgang bereitzustellen.
Außerdem
werden analoge Messungen des Stroms durch die stromführenden
Leitungen P1, P2 und P3 von den Shunt-Widerständen RSH1, RSH2 und RSH3 durch
den anderen Sigma-Delta-Modulator
in jedem Paar in digitale Ausgangssignale BI1, BI2 bzw. BI3 umgewandelt,
um eine digitale Darstellung des Stroms an dem Digitalausgang bereitzustellen.
Die digitalen Ausgangssignale BV1, BV2 und BV3; bzw. BI1, BI2 und
BI3 können
dann durch ein geeignetes Mittel z. B. einen Dezimator umgewandelt werden,
so dass die Strom- und Spannungspegel von einer Vorrichtung wie
einer LCD-Anzeige ausgelesen werden können. Diese Anordnung gestattet
die gleichzeitige Messung von Strömen und Spannungen von mehreren
verschiedenen stromführenden Leitungen
ohne Modifizierung des Eingangsteils des Energiezählers.
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5 zeigt
einen elektronischen Energiezähler
gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung, der ein Beispiel dafür ist, wie die von den Sigma-Delta-Modulatoren
ausgegebenen digitalen Signale als Information über die in einem elektrischen System
aufgenommene Leistung ausgelesen werden können. Drei vom Stromkreis getrennte
Sigma-Delta-Modulatoren werden jeweils mit einer einzelnen galvanischen
Trennschicht ISO-BAR versehen, so dass sie voneinander galvanisch
getrennt sind und ebenfalls jeweils einen galvanisch getrennten
Digitalausgang haben. Analoge Eingangssignale P1, P2 und P3, die
den gemessenen Strom durch drei verschiedene stromführenden
Leitungen darstellen, werden den drei Sigma-Delta-Modulatoren zugeführt, die
jeweils ein digitales Ausgangssignal bereitstellen, das den Strom
durch die drei entsprechenden stromführenden Leitungen darstellt.
Die drei digitalen Ausgangssignale werden jeweils einem entsprechenden
Dezimator DEC zugeführt,
der innerhalb einer Steuerstufe CNTL, zum Beispiel in einem Mikrocontroller,
bereitgestellt wird. Die drei Dezimatoren DEC sind digitale Dezimierungsfilter,
die die drei digitalen Ausgangssignale von den vom Stromkreis getrennten
Sigma-Delta-Modulatoren in einen Wert des Integrals der gesamten
aufgenommenen Leistung in Bezug auf Zeit in Wattstunden umwandeln,
der dann von der Steuerstufe CNTL ausgegeben wird und zum Beispiel
auf einer Flüssigkristallananzeige
LCD (normalerweise in Kilowattstunden (kWh)) angezeigt werden kann.
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Die 6A und 6B zeigen
eine vierte Ausführungsform
eines elektronischen Energiezählers
gemäß der Erfindung. 6A gibt
einen allgemeinen Überblick über die
Ausführungsform,
in der ein vom Stromkreis getrennter Sigma-Delta-Modulator ISO-SD-MOD
ein Takteingangssignal sowie ein analoges Messeingangssignal Px
von einer elektrischen Leitung empfängt und eine digitale Datenausgabe
DATA bereitstellt. 6B zeigt den elektronischen
Energiezähler
ausführlicher.
Der vom Stromkreis getrennte Sigma-Delta-Modulator ISO-SD-MOD ist
durch eine Trennschicht vollständig galvanisch
getrennt und enhält
zwei separate Sigma-Delta-Modulatoren – von denen einer einen Eingang
für den
Empfang eines analogen Strommesssignals I von einer stromführenden
Leitung hat und der andere einen Eingang für den Empfang eines analogen
Spannungsmesssignals V hat, das den Spannungsabfall zwischen der
stromführenden
Leitung und einem Nullleiter angibt. Beide Sigma-Delta-Modulatoren
haben einen Takteingang für
den Empfang eines Taktsignals CLK. Der vom Stromkreis getrennte
Sigma-Delta-Modulator
ISO-SD-MOD hat einen galvanisch getrennten Eingang mit einer Trennschicht
und einem vom Stromkreis trennenden und kapazitiv koppelnden Element
(d. h. einem Kondensator) C1 zur Eingabe des Taktsignals CLK. Der
Sigma-Delta-Modulator, der das Strommesssignal I empfängt, hat
einen galvanisch getrennten digitalen Datenausgang mit einer kapazitiven
Trennschicht und einem kapazitiven Kopplungselement C2 zur Ausgabe
eines Strombitstroms BI, der den Strom durch die stromführende Leitung
darstellt, während der
Sigma-Delta-Modulator,
der das Spannungsmesssignal V empfängt, einen galvanisch getrennten digitalen
Datenausgang mit einem kapazitiven Element C3 zur Ausgabe eines
Spannungsbitstroms Bv hat, der den Spannungspegel der stromführenden Leitung
darstellt. Das Anlegen des Taktsignals CLK an die beiden Sigma-Delta-Modulatoren
gestattet einen echten synchronen Betrieb aller Eingangsteile, was
bedeutet, dass der Strom und die Spannung synchron gemessen werden
können,
so dass äußerst genaue
Messungen der Phasenbeziehung möglich
sind. Hierdurch werden keine umfangreichen Phasenkorrekturalgorithmen
mehr benötigt,
um äußerst genaue
Energiemessergebnisse zu erzielen. Ströme und Spannungen von allen
Phasen (stromführenden
Leitungen) können
gleichzeitig durch eine einzelne Steuerstufe gemessen werden.
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7 zeigt
eine alternative Ausführung
der in 5 gezeigten Ausführungsform. Anstatt drei vom
Stromkreis getrennte Sigma-Delta-Modulatoren mit
digitalen Ausgängen,
die mit einer Steuerstufe verbunden sind, bereitzustellen, werden
lediglich zwei vom Stromkreis getrennte Sigma-Delta-Modulatoren ISO-SD-MOD
außerhalb
der Steuerstufe bereitgestellt, wobei zwei weitere Sigma-Delta-ADCs SD-ADC
innerhalb der Steuerstufe CNTL bereitgestellt werden. Die vom Stromkreis
getrennten Sigma-Delta-Modulatoren ISO-SD-MOD sind mit Trennschichten
einzeln galvanisch getrennt und haben galvanisch getrennte digitale
Ausgänge,
die mit innerhalb der Steuerstufe CNLT angeordneten Dezimatoren
DEC verbunden sind. Einer der vom Stromkreis getrennten Sigma-Delta-Modulatoren
ISO-SD-MOD hat einen Eingang für
den Empfang eines Signals P2, und der andere vom Stromkreis getrennte
Sigma-Delta-Modulator
ISO-SD-MOD hat einen Eingang für
den Empfang eines Signals P3, wobei P2 und P3 Strom- und Spannungsmessinformationen von
zwei verschiedenen stromführenden
Leitungen enthalten. In einem Signal P1, das beiden der Sigma-Delta-ADCs
SD-ADC in der Steuerstufe CNTL zugeführt wird, sind Strom- und Spannungsmessinformationen
von einer dritten stromführenden
Leitung enthalten. Aus den vom Stromkreis getrennten Sigma-Delta-Modulatoren
ISO-SD-MOD werden Datenbitströme
ausgegeben, die den Strom durch die und die Spannungspegel der elektrischen
Leitungen darstellen. Der Unterschied in dieser Ausführungsform besteht
darin, dass die analogen Strom- und Spannungsmessinformationen von
der dritten stromführenden
Leitung durch die Sigma-Delta-ADCs in der Steuerstufe CNTL selbst
in digitale Daten umgewandelt werden. Wiederum kann die Steuerstufe
CNTL ein Standard-Mikrocontroller sein, der Strom- und Spannungsinformationen
von allen drei der stromführenden
Leitungen an eine LCD-Anzeige zum Auslesen als Digitaldaten ausgibt.
Die Bereitstellung der für
die Nachbearbeitung des Sigma-Delta-Modulators benötigten Dezimatorstufen
lediglich in der Steuerstufe verringert die Kosten und die Leistungsaufnahme
der Eingangsstufe. Auf Grund dieser Architektur profitiert der gesamte
Energiezähler
gemäß der vorliegenden
Erfindung ebenfalls von einer verringerten Bitgröße der Sigma-Delta-Modulatoren.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung obenstehend unter Bezugnahme auf bestimmte
Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist diese nicht auf diese Ausführungsformen
beschränkt,
und dem Fachmann fallen zweifellos weitere Alternativen ein, die
innerhalb des beanspruchten Schutzumfangs der Erfindung liegen.
Der elektronische Energiezähler gemäß der Erfindung
ist zum Beispiel nicht darauf beschränkt, dass er zum Erhalten von
Strom- und Spannungsinformationen von lediglich drei stromführenden
Leitungen verwendet wird – es
können,
entsprechend der Anzahl von stromführenden Leitungen, von denen
Messungen genommen werden müssen,
so viele Sigma-Delta-Modulator-Paare
oder einzelne vom Stromkreis getrennte Sigma-Delta-Modulatoren in
dem Zähler
bereitgestellt werden, wie benötigt
werden.
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Die
vorgestellte Erfindung kann zum Beispiel ebenfalls zur Messung des
Stroms durch den Nullleiter sowie durch die stromführende Leitung
mit Shunts verwendet werden, wie es in einigen Ländern erforderlich ist, um
Manipulationen aufzudecken und trotzdem die verbrauchte Energie
korrekt zu berechnen.