La scelta di un monitor di una linea di alimentazione è un compito abbastanza semplice. Per lo sviluppatore il primo passo è creare un elenco di specifiche in grado di soddisfare le esigenze dell'applicazione finale. Una volta completata questa fase, le altre considerazioni riguardano la conformità con gli standard di sicurezza relativi all'isolamento galvanico e la valutazione del costo della soluzione. I vantaggi dei monitor a livello di sistema sono la flessibilità, le ridotte dimensioni, l'alta precisione, l'elevata affidabilità, la versatilità di connessione e la semplicità d'uso. Nel caso di applicazioni di monitoraggio singole (o che coinvolgono un numero ridotto di unità), gli utenti potrebbero sviluppare in proprio i loro monitor utilizzando una combinazione di trasformatori di tensione e corrente (e possibilmente sensori di corrente a effetto Hall) e collegando le uscite a voltmetri esterni o altri strumenti. Anche se un approccio di questo tipo potrebbe rivelarsi efficace e vantaggioso nel caso di semplici applicazioni on/off, le dimensioni dei monitor e le problematiche legate alle interferenze elettromagnetiche di solito pregiudicano future evoluzioni. In definitiva, approcci di questo tipo non sono competitivi, in termini di dimensioni, precisione e affidabilità, con i monitor per linee di alimentazione in c.c. a livello di sistema.
Uno sguardo in profondità
Indipendentemente dalla complessità, molti monitor di una linea di alimentazione in c.a. utilizzano uno o più convertitori A/D per convertire i segnali analogici della linea elettrica in un formato digitale e un processore locale ad alta velocità per la loro elaborazione. Un approccio di questo tipo consente al monitor di linea di ricavare indirettamente numerosi parametri operativi utili mediante calcoli diretti. Parametri come ad esempio potenza media di uscita e di picco, fattore di potenza, ampiezza della tensione armonica e frequenza di linea sono spesso calcolati manipolando i dati relativi alla tensione e alla corrente. La scelta di un monitor della linea di alimentazione in c.a. è determinata dalle esigenze dell'applicazione finale. Per esempio, i contatori delle utenze, che rappresentano il nucleo centrale del processo di fatturazione, possono influire negativamente sui profitti della società erogatrice del servizio o sul portafoglio dell'utente se le caratteristiche e le funzionalità del contatore stesso non sono più che adeguate. Per applicazioni di precisione di questo tipo, il monitor di linea deve essere progettato in modo da garantire un funzionamento accurato e una protezione adatta contro eventuali manomissioni, nonché utilizzare convertitori A/D separati (innescati simultaneamente) per misurare tensione e corrente e minimizzare l'errore di sfasamento fra tensione e corrente. Un monitor di questo tipo dovrebbe prevedere convertitori A/D di elevata precisione (ad esempio 24 bit) capaci di assicurare che le prestazioni, in termini rumore del sistema, permettano di ottenere il numero effettivo di bit in funzione della precisione di misura nominale richiesta. Si prenda ora in considerazione un'applicazione differente in cui è semplicemente richiesta la rilevazione dei guasti di linea e la misura dell'efficienza del carico. Un sistema di questo tipo sarà sicuramente meno sofisticato rispetto al precedente e richiederà l'impiego di convertitori A/D a basso costo con risoluzione dell'ordine di 10-12 bit. Un discorso del tutto analogo è valido per monitor di linea con funzioni di elaborazione dei segnali integrata. Il sovraccarico, in termini di elaborazione matematica, tipico di un contatore delle utenze richiederà l'uso di una Mcu o un Dsp di fascia alta, mentre nel caso di applicazioni di monitoraggio dei guasti di linea sarà sufficiente una semplice macchina a stati o una Mcu di fascia bassa.
Un front end analogico per il monitoraggio in c.a.
Mentre le più sofisticate installazioni in c.a. richiedono apparecchiature di monitoraggio costose e di elevate precisione, esistono numerose applicazioni con requisiti meno severi per le quali è sufficiente un front end analogico per il monitoraggio in c.a. detto anche Acafe (Ac monitor analog front end) in grado di misurare, convertire e trasmettere dati a dispositivi esterni di elaborazione dati. Il vantaggio di questo approccio è la sua intrinseca flessibilità: ciascun processore dotato di porta Uart, I2C o Spi può comandare direttamente il front end analogico e ricevere i dati convertiti risultanti. Un Acafe di questo tipo può connettersi a personal computer o ad altri sistemi di elaborazione mediante l'aggiunta di un convertitore di protocollo (ad esempio da I2C a Usb) tra il front end e il dispositivo di elaborazione. Un dispositivo Acafe è basato su un convertitore A/D smart isolato su chip singolo (in questo caso un membro della famiglia Si890x di Silicon Labs). Si tratta di un sottosistema di conversione che prevede un convertitore A/D a 10 bit in architettura Sar operante a 500 ksps preceduto da un multiplexer di ingresso analogico a 3 canali in serie a un amplificatore di guadagno le cui impostazioni sono programmabili dall'utilizzatore (x1 o x0,5). Il convertitore A/D dispone di un riferimento interno, ma è prevista la possibilità di utilizzare un riferimento esterno. Tra le altre funzionalità presenti a bordo del chip si possono segnalare una macchina a stati di controllo, che sovraintende a tutte le transazioni tra il controllore host e il dispositivo Acafe, un Uart, una porta seriale I2C o Spi e un isolatore galvanico con tensione nominale di 2,5 o 5 kV che garantisce l'isolamento di sicurezza tra ingresso e uscita e la traslazione di livello della tensione. Un dispositivo Acafe integrato in un singolo package come quello descritto semplifica la progettazione e assicura elevate prestazioni di monitoraggio a costi estremamente contenuti. Acafe può operare secondo due modalità selezionabili dall'utilizzatore. In modalità Demand, il controllore host esterno attiva a richiesta una singola conversione dell'Adc. Questa modalità è utile nei casi in cui la conversione debba essere eseguita in un istante specifico a causa di fenomeni quali il rumore o allo stato del sistema. Il dispositivo può operare anche in modalità Burst: in questo caso le conversioni A/D vengono eseguite su base continua. Il processore host del sistema può commutare da una modalità all'altra in base alle necessità. Le porte seriali Uart e I2C operano a velocità dell'ordine di 250 kbps, mentre la porta Spi può raggiungere velocità di 2,4 Mbps. Queste porte sono isolate mediante un isolatore in tecnologia Cmos di Silicon Labs che può supportare tensioni di 2,5 o 5 kV in base all'esigenza dell'utilizzatore.
Modulo di valutazione di Acafe
Il modulo di valutazione “chiavi in mano” di Acafe ne semplifica la valutazione. Questo modulo contiene un'interfaccia completa lato linea con l'alimentazione di polarizzazione e può operare con tutte e tre le versioni dei convertitori A/D isolati della famiglia Si890x, ciascuno dei quali può essere scelto manualmente dall'utente per la valutazione. Il modulo contiene anche un processore host che può inviare comandi per la conversione A/D e ricevere dati. Il processore host integra due convertitori D/A in grado di ripristinare i segnali in forma digitale nella forma analogica consentendo all'utente di visualizzare le forme d'onda analogiche ricostruite sullo schermo di un oscilloscopio. Gli sviluppatori possono anche riprogrammare il controllore host basato su flash in modo da soddisfare le loro specifiche esigenze utilizzando un kit di sviluppo di Silicon Labs.
