PT2275781E - Contador de energia com alimentação por um m-bus - Google Patents

Description

DESCRICAO

Contador de energia com alimentação por um M-Bus 0 presente invento diz respeito ao domínio dos medidores de energia, nomeadamente os medidores de energia térmica e, mais especificamente, aos medidores de energia capazes de trocar dados série como um dispositivo principal por intermédio de um bus M-Bus. 0 M-Bus (de acordo com a terminologia anglo-saxónica "Meter Bus") é uma norma europeia relativamente recente que permite a leitura à distância de contadores de energia, nomeadamente do tipo eléctrica ou térmica.

Para permitir trocar dados série através do bus M-Bus, estes contadores de energia dispõem de uma interface de comunicação com o M-Bus, esta interface tendo, hoje em dia, a forma de um componente integrado comercializado pela Texas Instrument sob a referência TSS721 ou TSS721A. A figura 1 é um esquema funcional do circuito integrado TSS721, e a figura 2 ilustra um exemplo de utilização de um tal circuito integrado como interface para garantir a conversão de formato entre o calculador de um contador de energia e um M-Bus. 0 circuito integrado está equipado com um determinado número de ligações de entrada / saída. Entre estas, as ligações de entrada BUSL1 e BUSL2 destinam-se a estar ligadas aos dois condutores formando o M-Bus (não representado), a ligação de saída TX está apta a ser ligada ao borne de recepção RX-0 do microprocessador do contador, de preferência por intermédio de optoacopladores permitindo um isolamento galvânico, de forma a transmitir os dados provenientes do M-Bus, e a ligação de saída RX está apta a ser ligada ao borne de emissão TX-0 do 1 microprocessador do contador, sempre por intermédio de optoacopladores, para permitir a transmissão dos dados depois do contador para o M-Bus.

As especificações do circuito integrado TSS721 descrevem um determinado número de montagens possíveis e de utilizações específicas de determinadas ligações de saída. Em particular, a norma M-Bus prevê que o M-Bus possa ser utilizado, com vantagem, para alimentar o computador ou microprocessador do contador de energia. Para isto, a especificação do circuito integrado TSS721 prevê a utilização da ligação de saída VDD (ver figura 1) que envia uma tensão regulada para os 3,3 V.

No exemplo representado na figura 2, a ligação RIDD está ligada a uma resistência R38 de 30 kOhm, o que corresponde a uma configuração do circuito integrado a uma unidade de carga. Assim, o circuito integrado está configurado para uma corrente de M-Bus de 1,5 mA, e um contador de energia pode dispor de cerca de 1,2 mA, dado o consumo próprio do circuito integrado. Como consequência, a potência disponível enviada pelo circuito integrado é, no máximo, de 1,2 x 3,3, ou seja, cerca de 4 mW.

Esta tensão regulada provou ser bastante insuficiente para servir de alimentação aos contadores de energia. Mesmo se o consumo médio destes últimos é, em princípio, muito inferior aos 4 mW disponíveis, o seu consumo instantâneo pode ser superior. Por outro lado, para garantir uma determinada autonomia em caso de corte do BUS, o computador pode integrar capacidades e supercapacidades importantes, podendo ser carregadas rapidamente, o que requer uma potência importante.

Uma primeira solução consiste em configurar o circuito integrado com um conjunto de unidades de carga superior a 1. No entanto, o número de contadores de energia susceptíveis de serem ligados ao mesmo M-Bus diminui quando o número de 2 unidades de carga aumenta. Assim, resta um compromisso, e procura desenvolver-se contadores de energia que não consumem, se possível, mais de duas unidades de carga. Entretanto, mesmo com uma configuração de duas unidades de carga, ou seja 3 mA, a potência disponível é, no máximo, igual a 9 mW, o que continua a ser insuficiente para a aplicação em vista.

Por outro lado, a potência susceptível de ser enviada pelo circuito integrado TSS721/TSS721A é variável de acordo com os componentes e, acima de tudo, pode ser pontualmente reduzida mais significativamente, nomeadamente quando o circuito integrado é solicitado pelas suas funções de comunicação com o M-Bus.

Por outro lado, conhece-se, do documento EP 2045791, um dispositivo electrónico com um circuito de interface permitindo comunicar com uma ligação de 2 fios, e extrair da potência de alimentação para o dispositivo electrónico a partir da ligação de 2 fios. De acordo com este documento, o mesmo conversor DC-DC pode transmitir um sinal de informação proveniente de um detector na ligação de 2 fios modulando a corrente na ligação de 2 fios, e extrair a potência de alimentação da ligação de 2 fios. 0 presente invento tem como objectivo propor uma solução que permita, no quadro de um contador de energia com funcionalidade M-Bus cuja alimentação de energia é fornecida pelo M-Bus, utilizar um máximo de potência disponível, garantindo assim que o contador de energia alimentado pelo M-Bus, por intermédio de um circuito integrado do tipo componente TSS721 e TSS7221a, é tornado operacional o mais rapidamente possível.

Para isto, o presente invento tem como objectivo um contador de energia, em particular um contador de energia 3 térmica, capaz de trocar dados à distância por intermédio de uma ligação Μ-Bus, o contador de energia compreendendo um módulo computador que pode ser alimentado pela ligação Μ-Bus, e um circuito integrado capaz de ser usado como uma interface de comunicação entre o módulo computador e a ligação Μ-Bus, por um lado, e para entregar numa ligação de saida, um sinal de corrente continua para a alimentação do módulo computador , por outro lado, caracterizado por o contador de energia compreender ainda um módulo de alimentação de energia compreendendo um conversor DC-DC isolado galvanicamente, cuja entrada está ligada à dita ligação de saida e cujo ciclo de funcionamento é regulado pelo sinal de corrente continua. 0 circuito integrado é, por exemplo, do tipo TSS721/TSS721A, a ligação de saida sendo ainda constituída pela ligação STC do circuito integrado enviando um sinal de corrente contínua VStc· 0 conversor DC-DC compreende, de preferência, um transformador isolado galvanicamente, um módulo de comando compreendendo um meio de comutação e um oscilador comandando a abertura e o fecho do meio de comutação de acordo com o dito ciclo de funcionamento, e um amplificador operacional amplificando a diferença entre o valor do sinal de corrente contínua e uma tensão de referência e cuja saída envia um valor definido para a regulação do ciclo de funcionamento ao módulo de comando para adaptar a tensão pedida em função do valor do sinal de corrente continua. 0 contador de energia compreende ainda, com vantagem, um módulo de segurança substituindo o módulo de alimentação de energia para compensar as situações nas quais a presença do M-Bus não é detectada. 4 0 invento e as vantagens que obtém serão melhor entendidos através da descrição seguinte, feita com referência às figuras anexas, nas quais: a figura 1, já mencionada, ilustra um esquema funcional do circuito integrado TSS721/TSS721A comercializado pela Texas Instrument; a figura 2, já descrita, ilustra um exemplo de utilização do circuito integrado precedente como interface para garantir a conversão de formato entre o computador de um contador de energia e um Μ-Bus, para uma configuração para uma unidade de carga; A figura 3 ilustra, na forma de um esquema sinóptico simplificado, determinados aspectos da ligação entre o circuito integrado precedente e o computador de um contador de energia, de acordo com o presente invento; a figura 4 ilustra, esquematicamente, o principio de alimentação de acordo com uma forma de realização preferida do invento; a figura 5 é um exemplo de regulação, de acordo com o principio do invento, aquando de uma comunicação entre o contador e o M-Bus; A figura 6 é um esquema que permite comparar os desempenhos obtidos pelo invento relativamente a outras soluções. A figura 3 representa, sob forma esquemática, a relação entre um circuito integrado 1 do tipo TSS721A e o módulo computador 2 de um contador de energia térmica, de acordo com o invento. Para a função de comunicação com o M-Bus (não ilustrado) , as ligações TXI e RX do circuito integrado 1 são 5 ligadas, tipicamente, respectivamente às ligações RX-0 e TX-0 do módulo computador 2 por intermédio de optoacopladores 3 isolados galvanicamente.

No que diz respeito à função de alimentação de energia utilizando a energia do Μ-Bus, o contador de energia compreende ainda, de acordo com o invento, um módulo de alimentação de energia compreendendo um conversor DC-DC 4 isolado galvanicamente, cuja entrada está ligada a uma ligação de saida do circuito integrado 1 enviando um sinal de corrente contínua, e cujo ciclo de funcionamento é regulado pelo sinal de corrente contínua, como será explicado posteriormente em mais detalhe. Um módulo de segurança 5, constituído por supercondensadores de armazenamento, pode ainda ser utilizado, com vantagem, para constituir uma reserva de energia substituindo o módulo de alimentação 4, no caso de desistência do bus em durações limitadas. Nesse caso, uma alimentação de energia de 3 Volt é fornecida por este módulo de segurança ao local de alimentação de energia fornecido pelo conversor DC-DC. Um módulo de supervisão 6 permite fornecer ao computador, quer a tensão de saída do conversor DC-DC (Μ-Bus presente), quer a tensão de saída de 3 Volt do módulo de segurança 5 (sem M-Bus), garantindo também o funcionamento correcto do computador 2 numa duração limitada, mesmo em caso de corte do M-Bus.

Uma forma de realização preferida do invento e o detalhe da regulação serão agora explicados com referência às figuras 4 e 5.

Previamente, se for feita referência de novo ao esquema funcional da figura 1, verifica-se que a energia disponível à saída do circuito integrado 1 é dividida entre a corrente de saída IsTc-use na ligação STC, e a corrente LVdd na ligação VDD. Esta corrente LVdd é utilizada aquando das comunicações para a 6 alimentação dos optoacopladores da figura 3. De acordo com a forma de realização preferida do invento, irá utilizar-se, como ligação de saída do circuito integrado 1 ligado à entrada do conversor 4, a ligação STC enviando uma corrente contínua de 6,5 Volt em vez da ligação VDD preconizada pelas especificações do circuito integrado. Esta característica, combinada para a regulação do ciclo de funcionamento do conversor DC-DC 4 em função da tensão enviada à saída STC, permite obter uma potência utilizável à saída do circuito integrado muito próxima do máximo de potência que o circuito integrado pode fornecer. A relação do ciclo de funcionamento do conversor DC-DC em função da tensão enviada na ligação STC será agora explicada com referência às figuras 4 e 5. A figura 4 ilustra, sob a forma de um esquema sinóptico funcional, os componentes principais do conversor DC-DC 4 de acordo com o invento. Este conversor DC-DC utiliza tipicamente um transformador caracterizado pelo seu enrolamento principal 40 e o seu enrolamento secundário 41. A utilização do transformador garante o isolamento galvânico necessário à aplicação. Normalmente, o conversor 4 também dispõe, a montante do enrolamento primário 40, de um módulo de comando 42 compreendendo um meio de comutação, normalmente um transístor, e um oscilador comandando a abertura e fecho do transístor de acordo com um determinado ciclo de funcionamento. De acordo com o invento, o conversor 40 compreende ainda meios 43 que permitem regular o ciclo de funcionamento em função da corrente contínua presente na saída STC. Estes meios 43 são, aqui, um amplificador operacional que amplifica a diferença entre o valor da tensão de saída e uma tensão de referência Vref, e cuja saída Sreg envia, por consequência, um valor definido para a regulação do ciclo de funcionamento ao módulo de comando 42. 7

Assim, vigia-se em permanência a tensão disponível na ligação STC, e adapta-se a corrente pedida pela alimentação modulando o tempo de abertura do transístor em função desta tensão disponível.

Aquando das raras chamadas de corrente na ligação VDD, a corrente IsTc-use vai diminuindo e a tensão VStc vai passar abaixo do valor limite Vref. 0 conversor DC-DC irá adaptar-se reduzindo o seu ciclo de funcionamento, tipicamente reduzindo o tempo de fecho dos interruptores de comando do primário do transformador, para solicitar menos corrente. Pelo contrário, quando a tensão VStc passa por cima do valor limite Vref, o ciclo de funcionamento do conversor DC-DC vai aumentar, normalmente aumentando o tempo de fecho dos interruptores de comando, permitindo solicitar mais corrente. 0 invento aproveita assim o facto de, o circuito TSS721A sendo já por si mesmo uma fonte de corrente limitada, ser possível utilizar a quebra de tensão a seguir à utilização da corrente máxima disponível para regular o conversor. Assim, a corrente utilizada é sempre a máxima disponível: se a corrente disponível diminuir, como aquando de uma comunicação com o M-Bus, a redução diminui a corrente solicitada. A figura 5 ilustra um exemplo de variações dos sinais aquando da recepção de uma comunicação pelo módulo computador 2. Mais precisamente, a curva identificada por RX-0 ilustra o sinal recebido na ligação de recepção RX-0 do módulo computador 2, a curva identificada como VStc ilustra as variações correspondentes da tensão contínua na ligação de saída STC, e a curva Sreg representa as variações correspondentes da tensão de saída do amplificador operacional, agindo no oscilador de comando dos comutadores associados ao primário do transformador e, por consequência, no ciclo de funcionamento do conversor. 8

Constata-se nestas curvas que, aquando de uma comunicação no M-Bus, a tensão VStc diminui e a tensão de controlo aumenta para fazer diminuir o ciclo de funcionamento e, como consequência, a corrente consumida. 0 interesse do invento é visível na figura 6, que ilustra um exemplo de característica real de um circuito integrado TSS721 configurado para duas unidades de carga, mostrando em abcissa os valores de corrente I tirados na ligação STC, e em ordenadas os valores de tensão VStc- 0 valor identificado com Pmax corresponde à potência máxima susceptível de ser emitida pelo circuito integrado na ligação de saída STC, ou seja, 13,6 mW neste exemplo. Acrescentou-se ainda a este número as potência efectivamente emitidas pela ligação STC em diferentes situações. Assim, o ponto identificado com Ai corresponde à potência efectivamente emitida na ligação STC na ausência de qualquer regulação, ou seja, 6 mW neste exemplo. Com efeito, deve ser tomada em conta uma folga para a corrente susceptível de ser emitida na ligação VDD que se subtrai da corrente disponível na ligação STC. Além disso, as tolerâncias importantes que existem nos componentes (TSS721 e o transformador para os mais significativos) impõem um ponto de funcionamento típico muito afastado do óptimo. Em função das tolerâncias já referidas, o ponto de funcionamento real poderá aproximar-se do óptimo, mas também afastar-se. 0 ponto identificado com A2 corresponde à potência emitida efectivamente na ligação STC, efectuando uma regulação clássica com base na utilização de uma resistência de shunt (regulação corrente), ou seja, 9,7 mW neste exemplo. Também aí, deve ser considerada uma folga para ter em conta a corrente susceptível de ser retirada no ligação VDD que se subtrai da corrente disponível na ligação STC. Este modo de regulação permite, 9 contudo, a libertação das tolerâncias do transformador mas não do TSS721. 0 ponto de funcionamento deve ser dimensionado para o pior caso deste último e, por isso, ainda longe do óptimo.

Por fim, o ponto identificado com A3 corresponde à potência emitida eficazmente na ligação STC, efectuando a regulação em tensão de acordo com o invento, ou seja 13,3 mW neste exemplo, o que está muito próximo do máximo Pmax. Este último modo de regulação explora a corrente máxima disponível na ligação STC, independentemente da corrente na ligação VDD. Além disso, liberta-se da tolerância do transformador e, também, do TSS721 e garante, por isso, um ponto de funcionamento muito próximo do óptimo.

Lisboa, 16 de Janeiro de 2012. 10

Claims (3)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Contador de energia, em particular um contador de energia térmica, capaz de trocar dados à distância por intermédio de uma ligação Μ-Bus, o contador de energia compreendendo um módulo computador (2) que pode ser alimentado pela ligação Μ-Bus, e um circuito integrado (1) capaz de ser usado como uma interface de comunicação entre o módulo computador (2) e a ligação Μ-Bus, por um lado, e para entregar numa ligação de saída (10), um sinal de corrente contínua para a alimentação do módulo computador (2), por outro lado, caracterizado por o contador de energia compreender ainda um módulo de alimentação de energia (4) compreendendo um conversor DC-DC isolado galvanicamente, cuja entrada está ligada à dita ligação de saída (10) e cujo ciclo de funcionamento é regulado pelo sinal de corrente contínua.
2. 2. Contador de energia de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito conversor DC-DC (4) compreender um transformador (40, 41) isolado galvanicamente, um módulo de comando (42) compreendendo meios de comutação e um oscilador comandando a abertura e o fecho dos meios de comutação de acordo com o dito ciclo de funcionamento, e um amplificador operacional (43) que amplifica a diferença entre o valor do sinal de corrente contínua e uma tensão de referência (Vref) e cuja salda (Sreg) envia um valor definido para a regulação do ciclo de funcionamento ao módulo de comando (42) para adaptar a tensão pedida em função do valor do sinal de corrente contínua. 1
3. 3. Contador de energia de acordo com qualquer uma das compreender o módulo de Ltuações nas reivindicações precedentes, caracterizado por ainda um módulo de segurança (5) substituindo alimentação de energia (4) para compensar as s quais a presença do Μ-Bus não é detectada. Lisboa, 16 de Janeiro de 2012. 2