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Robust und zuverlässig:: Elektronische Smart Meter-Sicherungen

Das Herzstück ein- und dreiphasiger Smart Meter ist ein Schaltnetzteil auf Basis kostengünstiger Flyback-Topologie (Sperrwandler). Für die Herausforderungen der Sperrwandler-Topologien in Smart Metern mit mehreren Ausgängen bietet TI den aktiven Stromkreisschutz-Baustein eFuse.

eFuse Bildquelle: © Texas Instruments

Die Arbeitsweise des in Bild 1 gezeigten Sperrwandlers ist wie folgt: Zunächst wird bei eingeschaltetem Primärschalter Energie aus der eingangsseitigen Quelle im Übertrager gespeichert. Wenn der Schalter abschaltet, ändert die Spannung am Übertrager ihre Polarität, sodass die Freilaufdiode am Ausgang in Durchlassrichtung vorgespannt und Energie an den Ausgang bzw. die Ausgänge übertragen wird. Bei der Sperrwandler-Topologie kann ein Ausgang positive oder negative Polarität haben (definiert durch den Punkt an der Übertragerwicklung).

Sperrwandler Bildquelle: © Texas Instruments

Bild 1. Prinzipschaltbild eines Sperrwandlers

Werden mehrere Ausgänge benötigt, verwendet man einen Übertrager mit mehreren Sekundärwicklungen, an die jeweils eine Schaltung aus Diode und Kondensator angeschlossen wird (Bild 2).  

Sperrwandler mit mehreren Ausgängen Bildquelle: © Texas Instruments

Bild 2. Sperrwandler mit mehreren Ausgängen

 

In Bild 3 ist das Blockschaltbild eines Schaltnetzteils für ein ein- bzw. dreiphasiges Smart Meter dargestellt. Die typischen Ausgangsspannungen sind: 

 

•    3,3 V zur Versorgung des Mikrocontrollers

•    12 V für das Trennrelais

•    6 - 9 V für isolierte RS-485/RS-232-Schnittstellen

•    16 V für die Kommunikation mit speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS)

•    3,8 - 4,2 V GSM/GPRS-Modems (Global System for Mobile Comm./General Packet Radio Service)

•    3,3 V für das Sub-Gigahertz-Funkmodul

•    3,3 V für das 2,4 GHz Funkmodul  

Schaltnetzteil Bildquelle: © Texas Instruments

Bild 3. Schema des Schaltnetzteils für ein Smart Meters

In der Sperrwandler-Topologie mit mehreren Ausgängen, wie sie in Smart Metern verwendet wird, fungiert ein Ausgang als Master, während die anderen als Slaves behandelt werden. Bei dem Master handelt es sich um den Ausgang, auf den die Regelung wirkt. Dieser Ausgang wird also genau geregelt, während bei den anderen Ausgängen nur eine Quasi-Regelung erfolgt. Mit verschiedenen Techniken wie AC- oder DC-Schichtwicklungen oder gewichteter Rückkopplung lässt sich die Regelung verbessern. Dennoch halten der Überlast- und der Kurzschlussschutz in einer Stromversorgung mit mehreren Ausgängen viele Herausforderungen bereit.