Wie sich Smart Meter zuverlässig schützen lassen

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ROHM Semiconductor GmbH

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Bourns Sensors GmbH

Bauteile zum Abfragen und Übermitteln der Stromwerte

Mittels niederohmiger Widerstände im Smart Meter lassen sich Stromwerte messen und übermitteln. Diese Lösung eignet sich ideal für Smart Meter in Privathaushalten, denn diese niederohmigen Widerstände sind präzise, kostengünstig und einfach in der Handhabung. In einem Energiezähler wird ein Widerstand seriell mit der Starkstrom-Verteilerschiene geschaltet, und der durchfließende Strom wird gemessen. Die Kalkulation basiert auf dem proportionalen Verhältnis von Spannung und Strom in einem Widerstand mit bekanntem Wert.

Dieser Stromwert wird mit der Momentanspannung multipliziert, so dass der Energieverbrauch zu jedem Zeitpunkt ermittelt und vom Mikrocontroller durchgehend überwacht werden kann. Mit einem Widerstand lässt sich der Versorgungsstrom begrenzen, so dass Schäden an anderen Komponenten verhindert werden. Bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen können Leistungswiderstände eingesetzt werden, um die Innentemperatur im Zähler zu erhöhen und stabilisieren. Die Leistungswiderstände der Serie CRT, PWR221T und PWR4522 von Bourns bieten eine derartige Funktionalität an.

Unterdrücken elektromagnetischer Störungen

Eine weitere Möglichkeit im Smart-Meter-Design sind passive Bauelemente zur Verringerung der Induktivität und zur Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen. Mit induktiven Bauelementen lassen sich Strommess-Sensoren von Leistungsrichtern in Filterschaltungen einer Stromversorgung isolieren. Zu den wenigen Induktoren, die sich zum HF-Filtertuning in diesen Hochfrequenzdesigns eignen, zählen die Bourns-Modelle 7400, 7500 und 2300. Bild 2 veranschaulicht das Design eines Energiezählers, in dem Strommesswiderstände, ein Widerstandspaar als Teiler für die Spannungsmessung und ein Impulsübertrager an der Schnittstelle zum Stromnetz, Mikrocontroller sowie Stromversorgung eingesetzt werden.

Schutzmechanismen für Smart Meter im Datail

Die Elektronik eines Smart Meters ist empfindlicher als bei herkömmlichen Zählern und erfordert Schaltungsschutzkomponenten wie TVS-Dioden, Schmelzsicherungen und PTCs zum Schutz vor Überstrom und Überspannung. Um den Mikrocontroller vor Leistungsspitzen zu schützen, ist beispielsweise ein rückstellender Schutzmechanismus mit schnellem Ansprechverhalten vonnöten. Hier eignet sich eine flinke, rückstellende Sicherung oder eine PTC-Sicherung. Für Anwendungen, die keine Rückstellfunktion erfordern, eignen sich Dünnschicht-Chipsicherungen. Mit Dioden lässt sich die Transientenspannung an den Ein- und Ausgangssignalen des Mikrocontrollers unterdrücken.

Schutz der Kommunikationsanschlüsse eines Smart Meters

Bei der drahtgebundenen sowie auch drahtlosen Kommunikation müssen die Kommunikationsschnittstellen mit Komponenten wie TVS-Dioden, PTCs, flinke Sicherungen, GDTs und induktiven Bauteilen geschützt werden. Bild 3 zeigt ein T1/E1-Schutzinterface für den Außenbetrieb. Dieses Beispiel beinhaltet Transformatoren, TVS-Dioden, Bourns-TISP-Thyristoren und Bourns-Multifuse-PPTC-Bauteile. Bourns hat eine umfassende Dokumentation erstellt, die so genannten PortNote-Lösungen. Diese Dokumente geben Konstrukteuren Orientierungshilfen bei der Auswahl geeigneter Schaltungsschutz-Topologien für bestimmte Anschluss-Schnittstellen.

Bewährte Komponenten für zuverlässigen Schutz

Im März 2012 veröffentlichte die Europäische Kommission eine Empfehlung für die Einführung von Smart-Metering-Systemen. Laut der Verordnung 2009/72/EC müssen 80% aller Energiezähler in der EU bis zum Jahr 2020 durch Smart Meter ersetzt werden, soweit dies wirtschaftlich angemessen ist. Der Smart-Meter-Markt nimmt gerade Fahrt auf; es ist daher umso wichtiger, dass schon zu Beginn des Entwicklungsprozesses auf einen zuverlässigen Schaltungsschutz geachtet wird.

Drahtlose Smart Meter können mit vielen verschiedenen Systemen interagieren. Darum ist sicherzustellen, dass das Schaltungsschutzniveau vom Endverbraucher zum Energieanbieter den jeweiligen Normen entspricht oder diese übertrifft. Die meisten Smart Meter enthalten verschiedene Anschlussmöglichkeiten und bieten damit höchste Flexibilität bei der Installation.

Die sorgfältige Auswahl der Komponenten ist wichtig

Damit intelligente Energiezähler zuverlässig laufen und kommunizieren, ist die sorgfältige Auswahl geeigneter Komponenten unerlässlich. Der erfasste Stromwert wird direkt an die Prozessoreinheit übermittelt, die hochpräzise arbeiten muss. Eine optimale Schaltungsschutzlösung hängt davon ab, welche Prozessoren und Kommunikationsprotokolle in einer bestimmten Installation verwendet werden. Bourns bietet zahlreiche Lösungen zur Integration mit zahlreichen Kommunikationsstandards an.

Komponenten für den Schutz von Smart Metern

Bourns ist seit vielen Jahrzehnten Anbieter von passiven Komponenten und Schaltungsschutzlösungen und baut auf kontinuierliche Innovation. Das Unternehmen bietet für die Kalibrierung und Strommessung Widerstände mit niedrigem Temperaturkoeffizienten und geringer Messtoleranz an; ebenso Leistungswiderstände mit hoher Impulsrate (z.B. PWR221T-50) oder integrierter Schmelzsicherung (z.B. PWR4522).

Zudem bietet das Unternehmen zahlreiche Technologien für den Überstrom- und Überspannungsschutz in Kommunikationsanschlüssen an. Die ChipGuard-Bausteine unterstützen Bandbreiten bis 3 GHz und sorgen für ESD-, EFT- und Überstromschutz. Das Produktportfolio beinhaltet außerdem induktive Bauelemente mit versiegelten Chips zum Filtern und Induktoren für HF-Wandler sowie EMI-Lösungen, die die gesetzlichen Vorgaben für Leitungs- und Strahlungsemissionen erfüllen.

* Len Stencel ist Applications Manager Telecom bei Bourns in Santa Clara, USA.

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