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來(lái)源：DigiKey 作者： Bill Schweber 有關(guān)“能量”和“功率”兩個(gè)詞的討論當(dāng)前依然不絕于耳。這兩個(gè)概念不僅在“微觀”層面上與電路或系統(tǒng)使用多少能量密切相關(guān)，而且還涉及到一些與交流線路能量和功率相關(guān)的考慮因素，主要是在能量使用、節(jié)能和可再生能源方面。下面我們一起了解這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)的真正含義，以及如何有效地對(duì)其進(jìn)行計(jì)量。 作為工程專業(yè)的學(xué)生，首先要學(xué)習(xí)的課程之一就是“能量”和“功率”的含義。這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)雖然存在關(guān)聯(lián)，卻又是明顯不同，而在非正式的談話和報(bào)告中，甚至在工程師之間，它們亦經(jīng)常互換使用。 按規(guī)范的說(shuō)法，能量是做功的能力，而功率則是收集或消耗能量的速率。從數(shù)學(xué)上說(shuō)，功率是能量的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，而能量是功率的時(shí)間積分。 在功率和能量分析中，均方根 (RMS) 電壓和電流值至關(guān)重要。從數(shù)學(xué)上說(shuō)，時(shí)變電壓 f(t) 的 RMS 值的計(jì)算方法如下： 
公式 1 其中 T = 波形周期。 請(qǐng)注意，對(duì)于基本的無(wú)失真正弦波，峰值交流電壓和 RMS 值之間的關(guān)系非常簡(jiǎn)單：
公式 2 一般情況下，RMS 值的含義是什么呢？通過(guò)將在相同負(fù)載下的未知交流信號(hào)發(fā)熱量與已知直流信號(hào)發(fā)熱量進(jìn)行比較，交流信號(hào)的 RMS 值則等同于在該負(fù)載下產(chǎn)生相同熱量所需的直流電流量。當(dāng)負(fù)載中的耗散功率相等時(shí)，已知直流電壓等于未知交流信號(hào)的 RMS 值。 例如，如果對(duì)某個(gè)阻性加熱元件施加 1 V 交流電 RMS，則產(chǎn)生的熱量等于 1 V 直流電所產(chǎn)生的熱量。事實(shí)上，在進(jìn)入電子時(shí)代之前的一些 RMS 直流電表使用的方案中，直流源和未知 RMS 源是讓相同的電阻器發(fā)熱。然后對(duì)直流源進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便讓電阻器溫度匹配；這樣就可以指示 RMS 值。 幸運(yùn)的是，通過(guò)使用全模擬計(jì)算配置，IC 讓確定 RMS 值變得非常簡(jiǎn)單（圖 1）。在此電路中，Analog Devices 的 AD628 可編程增益差分放大器（此處配置的衰減系數(shù)為 25）縮小了電源線路信號(hào)，然后將其施加到 Analog Devices 的 AD8436 RMS 至直流轉(zhuǎn)換器。
圖 1：這個(gè)雙 IC 全模擬電路提供直流輸出，代表交流電源線的 RMS 輸入。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 該差分放大器具有 ±120 V 的共模輸入和差模范圍，因而非常適合高壓電源線分流。在 RMS OUT 端提供交流波形 RMS 值的精確直流等效值。 當(dāng)今的交流線路實(shí)際情況提出更多要求 雖然全模擬 RMS-DC 方法行之有效，卻僅僅是提供 RMS 值。在當(dāng)今的電能管理環(huán)境中，除了 RMS 值之外，系統(tǒng)還必須掌握有關(guān)單相交流波形的更多信息。 實(shí)際上，由于交流電壓并非純凈的正弦波，而是相對(duì)于標(biāo)稱值具有很多偏差，而且還存在失真，因此讓這個(gè)問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。此外，負(fù)載很少是純電阻，因而電壓波形和電流波形之間存在相移。總的來(lái)說(shuō)，有一些屬性只能通過(guò)更多數(shù)字化驅(qū)動(dòng)的數(shù)值分析來(lái)確定。 鑒于交流線路的當(dāng)前現(xiàn)狀，Analog Devices 提供的具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能的 ADE9153A 電能計(jì)量 IC 能夠大展身手（圖 2）。其目標(biāo)應(yīng)用包括單相電度表、電能和功率測(cè)量、街道照明、智能配電系統(tǒng)、機(jī)器運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)等等。通過(guò) ADE9153A 的 10 MHz 高速串行外設(shè)接口 (SPI) 端口，可以訪問(wèn) ADE9153A 寄存器。該端口的供電電壓為 3.3 V，采用 32 引腳 LFCSP 封裝。
圖 2：具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能的 ADE9153A 電能計(jì)量 IC 面向單相應(yīng)用，其內(nèi)部模擬和數(shù)字功能塊可用于詳細(xì)的分析。（圖片來(lái)源：Analog Devices） ADE9153A 不僅僅是提供交流線路電壓和電流值的基本數(shù)字化功能。其先進(jìn)的計(jì)量引擎可以計(jì)算與電能/功率相關(guān)的重要結(jié)果，還可以計(jì)算線路電壓和電流、有功電能 (Wh)、基本無(wú)功電能 (VARh)、視在電能、電流和電壓 RMS。 此外，ADE9153A 還提供電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)，例如過(guò)零檢測(cè)、線路周期計(jì)算、角度測(cè)量、驟升和驟降、峰值和過(guò)流檢測(cè)、功率因數(shù) (PF) 測(cè)量。與此同時(shí)，該器件還能滿足監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定的各種標(biāo)準(zhǔn)，例如有功電能標(biāo)準(zhǔn)（IEC 62053-21；IEC 62053-22；EN50470-3；OIML R46；ANSI C12.20）和無(wú)功電能標(biāo)準(zhǔn)（IEC 62053-23 和 IEC 62053-24）。 性能源自傳感器通道 在使用任何先進(jìn)電能計(jì)量器件的情況下，所達(dá)到的實(shí)際性能在很大程度上取決于有效可靠的傳感器通道。ADE9153A 通過(guò)兩種方法解決這些問(wèn)題：電流和電壓傳感器的適當(dāng)物理連接、獨(dú)特的校準(zhǔn)機(jī)制。 ADE9153A 有兩個(gè)電流通道。通道 A 是一個(gè)優(yōu)化的復(fù)雜數(shù)據(jù)路徑，適合分流器使用。圖 3 顯示了簡(jiǎn)化和詳細(xì)版本。
圖 3：所示為簡(jiǎn)化的應(yīng)用電路，分流器電流傳感器位于電流通道 A（上）；還有詳細(xì)的電流通道 A 數(shù)據(jù)路徑（下）。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 通道 B 可用于電流互感器，圖 4 顯示了簡(jiǎn)化和詳細(xì)版本。請(qǐng)注意，電流通道 B 中包括一個(gè)數(shù)字積分器，可用于連接 di/dt 電流傳感器（例如羅氏線圈）。
圖 4：所示為應(yīng)用電路，在電流通道 B 上電流互感器用作電流傳感器（上）；還有詳細(xì)的電流通道 B 數(shù)據(jù)路徑（下）。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 同樣，ADE9153A 具有自帶數(shù)據(jù)路徑的單個(gè)電壓通道。圖 5 顯示了簡(jiǎn)化和詳細(xì)版本。
圖 5：所示為簡(jiǎn)化的應(yīng)用電路，通過(guò)電阻分壓器來(lái)感應(yīng)電壓（上）；還有電壓通道數(shù)據(jù)路徑的更詳細(xì)原理圖（下）。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 為了應(yīng)對(duì)通道校準(zhǔn)的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)，ADE9153A 提供了 mSure 自動(dòng)校準(zhǔn)功能，可以顯著減少校準(zhǔn)時(shí)間和工作量，并降低了設(shè)備成本。在將分流電阻器用作電流傳感器時(shí)，此功能讓計(jì)量表能夠自動(dòng)校準(zhǔn)電流和電壓通道，而無(wú)需準(zhǔn)確的源表或標(biāo)準(zhǔn)表。 只要為計(jì)量表加電，即可測(cè)量每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換常數(shù) (CC)。該值本身就足以執(zhí)行自動(dòng)校準(zhǔn)（CC 是 mSure 在估算傳感器和前端的傳遞函數(shù)時(shí)所返回的值）。mSure 自動(dòng)校準(zhǔn)支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 1 類和 2 類計(jì)量表。雖然沒(méi)有任何一個(gè)數(shù)字可以全面地體現(xiàn)該 IC 的精度，但我們可以大致推斷其精度為 1% 左右。 綜合應(yīng)用 諸如 ADE9153A 等先進(jìn) IC 雖然功能強(qiáng)大且十分精密，但要進(jìn)行組裝并發(fā)揮其全部潛力絕非易事。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Analog Devices 為 ADE9153A 編寫了一份長(zhǎng)達(dá) 50 頁(yè)的規(guī)格書(shū)，還附帶了其他一些文檔，其中提供有關(guān)印刷電路板布局最佳實(shí)踐的詳細(xì)信息，以及其他技術(shù)見(jiàn)解（請(qǐng)參見(jiàn)“相關(guān)內(nèi)容”）。 EV-ADE9153ASHIELDZ 評(píng)估擴(kuò)展板提供更多的設(shè)計(jì)導(dǎo)入支持，該板基于 Arduino 盾板平臺(tái)（圖 6）。這塊盾板帶有板載分流電阻器，可用于線路電流測(cè)量；并能對(duì)采用 ADE9153A 的電能計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行快速評(píng)估和原型開(kāi)發(fā)。
圖 6：EV-ADE9153ASHIELDZ 評(píng)估擴(kuò)展板是一種 Arduino 盾板，可加快對(duì)采用 ADE9153A 的電能計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估和原型開(kāi)發(fā)。（圖片來(lái)源：Analog Devices） 在線路電流測(cè)量中，板載分流器處理的標(biāo)稱電流為 5 A，最大電流為 10 A。該分流器支持最大 240 V RMS（標(biāo)稱值）相電壓測(cè)量。 另外，還提供適用于 ADE9153A 的 Arduino 資源庫(kù)和應(yīng)用實(shí)例，目的是簡(jiǎn)化大型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。若使用 mSure 自動(dòng)校準(zhǔn)功能，便可校準(zhǔn)該盾板來(lái)計(jì)量能量，并且在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn) 1% 的精度，無(wú)需使用成本昂貴的校準(zhǔn)設(shè)備。 結(jié)語(yǔ) 為了滿足當(dāng)前節(jié)能型交流線路測(cè)量要求，設(shè)計(jì)人員若是憑借基本的 RMS-DC 轉(zhuǎn)換器，則無(wú)法應(yīng)對(duì)所面臨的各種挑戰(zhàn)。相反，他們必須以數(shù)字化方式生成交流線路的電壓和電流值，然后應(yīng)用計(jì)算函數(shù)，確定很多必需的功率和能量參數(shù)。Analog Devices 的 ADE9153A 提供實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)所必需的功能和精度，而且提供電壓和電流輸入信號(hào)接口數(shù)據(jù)路徑、內(nèi)部計(jì)量引擎內(nèi)核和標(biāo)準(zhǔn) SPI 接口。 |
