ES2375437T3

ES2375437T3 - Contador de energ�?a de alimentación por m-bus.

Info

Publication number: ES2375437T3
Application number: ES09305685T
Authority: ES
Inventors: Frédéric Staub; Hervé DURY
Original assignee: Itron France SAS
Current assignee: Itron France SAS
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2029-07-17
Also published as: PT2275781E; WO2011006836A1; EP2275781B8; CN102483334A; EP2275781B1; EP2275781A1; ATE539321T1

Abstract

Contador de energía, en particular contador de energía térmica, apto para intercambiar datos a distancia por intermedio de una conexión M-bus, comprendiendo el contador de energía un módulo calculador (2) susceptible de ser alimentado de potencia por la conexión M-bus, y un circuito integrado (1) apto, por una parte, para servir de interfaz de comunicación entre el módulo calculador (2) y la conexión M-bus y, por otra, para facilitar a una conexión de salida (10), una señal de tensión continua para la alimentación del módulo calculador (2), caracterizado porque el contador de energía comprende además un módulo de alimentación de potencia (4) que comprende un convertidor CC-CC aislado galvánicamente cuya entrada está conectada a la citada conexión de salida (10) y cuya relación cíclica es regulada por la señal de tensión continua.

Description

Contador de energia de alimentaci6n por M-bus.

La presente invenci6n se refiere al ambito de los contadores de energia, especialmente de los contadores de energia termica, y de modo mas particular, de los contadores de energia capaces de intercambiar datos series con un dispositivo maestro por intermedio de un bus M-bus.

El M-bus (tomado de la terminologia anglosajona « Meter Bus ») es una norma europea relativamente reciente que permite la lectura a distancia de acopladores de energia, especialmente de tipo electrico o termico.

Para permitir el intercambio de los datos series a traves del bus M-bus, tales contadores de energia disponen de una interfaz de comunicaci6n con el M-bus, siendo esta interfaz actualmente en forma de un componente integrado comercializado por Texas Instrument con la referencia TSS721 o TSS721A.

La figura 1 da un esquema funcional del circuito integrado TSS721 y la figura 2 ilustra un ejemplo de utilizaci6n de un circuito integrado de este tipo como interfaz para asegurar la conversi6n de formato entre el calculador de un contador de energia y un M-bus. El circuito integrado esta dotado de un cierto numero de conexiones de entrada/salida. Entre estas, las conexiones de entrada BUSL1 y BUSL2 estan destinadas a ser unidas a los dos conductores que forman el M-bus (no representado), la conexi6n de salida TX es apta para ser unida al borne de recepci6n RX-O del microprocesador del contador, preferentemente por intermedio de optoacopladores que permiten un aislamiento galvanico, para transmitir los datos que provienen del M-Bus, y la conexi6n de salida RX es apta para ser unida al borne de emisi6n TX-O del microprocesador del contador, siempre por intermedio de optoacopladores, para permitir la transmisi6n de los datos desde el contador hacia el M-bus.

Las especificaciones del circuito integrado TSS721 describen un cierto numero de montajes posibles y de utilizaciones especificas de ciertas conexiones de salida. En particular, la norma M-Bus preve que el M-bus pueda ser utilizado ventajosamente para alimentar de potencia al calculador o microprocesador del contador de energia. Para hacer esto, la especificaci6n del circuito integrado TSS721 preve utilizar la conexi6n de salida VDD (vease la figura 1) que facilita una tensi6n regulada a 3,3 voltios.

En el ejemplo representado en la figura 2, la conexi6n RIDD esta unida a una resistencia R38 de 3O KOhmios, lo que corresponde a una configuraci6n del circuito integrado de una unidad de carga. Asi, el circuito integrado esta configurado para una corriente de M-bus de 1,5 miliamperios, y el contador de energia puede disponer de aproximadamente 1,2 miliamperios, habida cuenta del consumo propio del circuito integrado. En consecuencia, la potencia disponible facilitada por el circuito integrado es como maximo de 1,2 x 3,3, o sea de aproximadamente 4 miliwatios.

Esta tensi6n regulada se considera muy insuficiente para servir de alimentaci6n para contadores de energia. Incuso si el consumo medio de estos ultimos es en principio muy inferior a los 4 miliwatios disponibles, su consumo instantaneo puede ser superior. Por otra parte, para asegurar una cierta autonomia en caso de corte del BUS, el calculador puede integrar importantes capacidades y supercapacidades que deben ser cargadas rapidamente, lo que necesita una potencia importante.

Una primera soluci6n consiste en configurar el circuito integrado con un numero de unidades de carga superior a 1. Sin embargo, el numero de contadores de energia susceptibles de ser conectados al mismo M-bus disminuye cuando el numero de unidades de carga aumenta. Asi, hay que llegar a un compromiso y se busca desarrollar contadores de energia que si es posible no consuman mas de dos unidades de carga. Sin embargo, incluso con una configuraci6n de dos unidades de carga, o sea de 3 miliamperios, la potencia disponible es como mucho igual a 9 miliwatios, lo que sigue siendo insuficiente para la aplicaci6n considerada.

Ademas, la potencia susceptible de ser facilitada por el circuito integrado TSS721/TSS721A es variable segun los componentes y sobre todo puede ser puntualmente pero significativamente reducida, especialmente cuando el circuito integrado es solicitado para funciones de comunicaci6n con el M-bus.

Por otra parte, por el documento EP 2 O45 791 se conoce un dispositivo electr6nico con un circuito de interfaz que permite comunicar con una conexi6n de 2 hilos, y extraer potencia de alimentaci6n para el dispositivo electr6nico a partir de la conexi6n de 2 hilos. De acuerdo con este documento, un mismo convertidor CC-CC es capaz de transmitir una senal de informaci6n que proviene de un detector por la conexi6n de 2 hilos modulando la corriente en la conexi6n de 2 hilos, y extraer la potencia de alimentaci6n de la conexi6n de 2 hilos.

La presente invenci6n tiene por objetivo proponer una soluci6n que permita, en el marco de un contador de energia con funcionalidad M-bus cuya alimentaci6n de potencia es facilitada por el M-bus, utilizar un maximo de potencia disponible, y garantizar asi que el calculador del contador de energia alimentado por el M-bus, por intermedio de un circuito integrado del tipo de componente TSS721/TSS721A, se haga operativo lo mas rapidamente posible.

Para hacer esto, la presente invenci6n tiene por objeto un contador de energia, en particular un contador de energia termica, apto para intercambiar datos a distancia por intermedio de una conexi6n M-bus, comprendiendo el contador

de energia un m6dulo calculador susceptible de ser alimentado de potencia por la conexi6n M-bus, y un circuito integrado apto, por una parte, para servir de interfaz de comunicaci6n entre el m6dulo calculador y la conexi6n Mbus y, por otra, para facilitar a una conexi6n de salida, una senal de tensi6n continua para la alimentaci6n del m6dulo calculador, caracterizado porque el contador de energia comprende ademas un m6dulo de alimentaci6n de potencia que comprende un convertidor CC-CC aislado galvanicamente cuya entrada esta conectada a la citada conexi6n de salida y cuya relaci6n ciclica es regulada por la senal de tensi6n continua.

El circuito integrado es por ejemplo del tipo TSS721/TSS721A, estando constituida entonces la conexi6n de salida por la conexi6n STC del circuito integrado que facilita una senal de tensi6n continua VSTC.

El convertidor CC-CC comprende preferentemente un trasformador aislado galvanicamente, un m6dulo de mando que comprende un medio interruptor y un oscilador que manda la apertura y el cierre del medio interruptor segun la citada relaci6n ciclica, y un amplificador operacional que amplifica la desviaci6n entre el valor de la senal de tensi6n continua y una tensi6n de referencia, y cuya salida facilita una consigna para la regulaci6n de la relaci6n ciclica en el m6dulo de mando de manera que adapta la corriente solicitada en funci6n del valor de la senal de tensi6n continua.

El contador de energia comprende, ademas, ventajosamente, un m6dulo de emergencia que sustituye al m6dulo de alimentaci6n de potencia para paliar las situaciones en las cuales la presencia del M-bus no es detectada.

La invenci6n y las ventajas que esta proporciona seran comprendidas mejor a la vista de la descripci6n que sigue, hecha refiriendose a las figuras anejas, en las cuales.

-: la figura 1, mencionada anteriormente, ilustra un esquema funcional del circuito integrado TSS721/TSS721A comercializado por Texas Instrument;

-: la figura 2, descrita anteriormente, ilustra un ejemplo de utilizaci6n del circuito integrado precedente como

interfaz para asegurar la conversi6n de formato entre el calculador de un contador de energia y un M-bus, para

una configuraci6n en una unidad de carga;

-: la figura 3 ilustra, en forma de sin6ptico simplificado, ciertos aspectos de la conexi6n entre el circuito integrado precedente y el calculador de un contador de energia, de acuerdo con la presente invenci6n;

-: la figura 4 ilustra esquematicamente el principio de la alimentaci6n de acuerdo con la puesta en practica preferida de la invenci6n;

-: la figura 5 da un ejemplo de regulaci6n de acuerdo con el principio de la invenci6n durante un comunicaci6n entre el contador y el M-bus;

-: la figura 6 es un diagrama que permite comparar las prestaciones obtenidas por la invenci6n con respecto a otras soluciones.

En la figura 3, se ha representado en forma esquematica la relaci6n entre un circuito integrado 1 de tipo TSS721A y el m6dulo calculador 2 de un contador de energia termica de acuerdo con la invenci6n. Para la funci6n de comunicaci6n con el M-bus (no representado), las conexiones TXI y RX del circuito integrado 1 son unidas clasicamente respectivamente a las conexiones RX-O y TX-O del m6dulo calculador 2 por intermedio de optoacopladores 3 aislados galvanicamente.

En lo que concierne a la funci6n de alimentaci6n de potencia utilizando la energia del M-Bus, el contador de energia comprende ademas, de acuerdo con la invenci6n, un m6dulo de alimentaci6n de potencia que comprende un convertidor CC-CC 4 aislado galvanicamente, cuya entrada esta conectada a una conexi6n de salida del circuito integrado 1 que facilita una senal de tensi6n continua, y cuya relaci6n ciclica es regulada por la senal de tensi6n continua, como se explicara posteriormente mas en detalle. Un m6dulo de emergencia 5, constituido por supercondensadores de almacenamiento, puede, ademas, ser utilizado ventajosamente para constituir una reserva de energia que sustituya al m6dulo de alimentaci6n 4 en el caso de ausencia del Bus en duraciones limitadas. En este caso, este m6dulo de emergencia facilita una alimentaci6n de potencia de 3 Voltios en lugar de la alimentaci6n de potencia facilitada por el convertidor CC-CC. Un m6dulo de supervisi6n 6 permite facilitar al calculador, ya sea la tensi6n de salida del convertidor CC-CC (M-bus presente), o bien la tensi6n de salida de 3 Voltios del m6dulo de emergencia 5 (M-Bus ausente), y garantiza asi el funcionamiento correcto del calculador 2 en una duraci6n limitada incluso en caso de corte del M-bus.

Refiriendose a las figuras 4 y 5, se va a explicar ahora una puesta en practica preferida de la invenci6n y el detalle de la regulaci6n.

Previamente, refiriendose de nuevo al esquema funcional de la figura 1, se observa que la energia disponible a la salida el circuito integrado 1 esta fraccionada entre la corriente de salida ISTC-uso en la conexi6n STC, y la corriente IVDD en la conexi6n VDD. Esta corriente IVDD es utilizada durante las comunicaciones para la alimentaci6n de los optoacopladores de la figura 3. De acuerdo con la puesta en practica preferida de la invenci6n, se va a utilizar como conexi6n de salida del circuito integrado 1 conectada a la entrada del convertidor 4, la conexi6n STC que facilita una

tensi6n continua de 6,5 voltios en lugar de la conexi6n VDD recomendada por las especificaciones del circuito integrado. Esta caracteristica, combinada con la regulaci6n de la relaci6n ciclica del convertidor CC-CC 4 en funci6n de la tensi6n facilitada en la salida STC, permite obtener una potencia utilizable a la salida del circuito integrado muy pr6xima al maximo de potencia que puede facilitar el circuito integrado.

Refiriendose a las figuras 4 y 5, se va a explicar ahora la regulaci6n de la relaci6n ciclica del convertidor CC-CC en funci6n de la tensi6n facilitada en la conexi6n STC.

En la figura 4, se han representado en forma de sin6ptico funcional los componentes principales del convertidor CC-CC 4 de acuerdo con la invenci6n. Este convertidor CC-CC utiliza clasicamente un transformador ilustrado por su arrollamiento primario 4O y su arrollamiento secundario 41. La utilizaci6n del transformador garantiza el aislamiento galvanico necesario para la aplicaci6n. Clasicamente, el convertidor 4 dispone igualmente aguas arriba del arrollamiento primario 4O, de un m6dulo de mando 42 que comprende un medio interruptor, tipicamente un transistor, y un oscilador que manda la apertura y el cierre del transistor de acuerdo con una relaci6n ciclica dada. De acuerdo con la invenci6n, el convertidor 4 comprende ademas medios 43 que permiten regular la relaci6n ciclica en funci6n de la tensi6n continua presente en la salida STC. Estos medios 43 estan realizados aqui por un amplificador operacional que amplifica la desviaci6n entre el valor de la tensi6n de salida y una tensi6n de referencia Vref, y cuya salida Sreg facilita en consecuencia una consigna para la regulaci6n de la relaci6n ciclica al m6dulo de mando 42. Asi, se vigila permanentemente la tensi6n disponible en la conexi6n STC, y se adapta la corriente solicitada por la alimentaci6n modulando el tiempo de apertura del transistor en funci6n de esta tensi6n disponible.

Durante raras solicitaciones de corriente en la conexi6n VDD, la corriente ISTC-uso disminuira y la tensi6n VSTC pasara por debajo del valor umbral Vref. El convertidor CC-CC se adaptara entonces reduciendo su relaci6n ciclica, tipicamente reduciendo el tiempo de cierre de los interruptores de mando del primario del transformador, de modo que solicite menos corriente. A la inversa, cuando la tensi6n VSTC sobrepasa por encima del umbral Vref, la relaci6n ciclica del convertidor CC-CC aumentara, tipicamente aumentando el tiempo de cierre de los interruptores de mando, permitiendo solicitar mas corriente.

La invenci6n saca asi partido del hecho de que, siendo a su vez el circuito TSS721A una fuente de corriente limitada, es posible utilizar la caida de tensi6n consecutiva a la utilizaci6n de la corriente maxima disponible para regular el convertidor. Asi, la corriente utilizada es siempre la maxima posible: si la corriente disponible se reduce, como durante una comunicaci6n con el M-bus, la regulaci6n reduce la corriente solicitada.

La figura 5 ilustra un ejemplo de variaciones de las senales durante la recepci6n de una comunicaci6n por el m6dulo calculador 2. De modo mas preciso, la curva indicada por RX-O ilustra la senal recibida en la conexi6n de recepci6n RX-O del m6dulo calculador 2, la curva indicada por VSTC ilustra las variaciones correspondientes de la tensi6n continua en la conexi6n de salida STC, y la curva Sreg representa las variaciones correspondientes de la tensi6n de salida del amplificador operacional que actua sobre el oscilador de mando de los interruptores asociados al primario del transformador, y por consiguiente sobre la relaci6n ciclica del convertidor. Se constata en estas curvas que, durante una comunicaci6n por el M-bus, la tensi6n VSTC disminuye y la tensi6n de control aumenta de manera que hace disminuir la relaci6n ciclica, y en consecuencia, la corriente consumida.

El interes de la invenci6n es visible en la figura 6 que ilustra un ejemplo de caracteristica real de un circuito integrado TSS721 configurado en dos unidades de carga, teniendo en abscisas los valores de corriente I sacada de la conexi6n STC, y en ordenadas los valores de tensi6n VSTC. El punto indicado por Pmaxcorresponde la potencia maxima susceptible de ser facilitada por el circuito integrado en la conexi6n de salida STC, o sea 13,6 miliwatios en este ejemplo. En esta figura, se han llevado ademas las potencias efectivamente facilitadas por la conexi6n STC en diferentes supuestos. Asi, el punto indicado por A1 corresponde a la potencia facilitada efectivamente en la conexi6n STC en ausencia de cualquier regulaci6n, o sea 6 miliwatios en este ejemplo. En efecto, debe tomarse un margen de manera que se tenga en cuenta la corriente susceptible de ser sacada de la patilla VDD que se resta de la corriente disponible en la conexi6n STC. Ademas, las tolerancias importantes que existen en los componentes (TSS721 y transformador para las mas significativas) imponen un punto de funcionamiento tipico muy alejado del 6ptimo. En funci6n de las tolerancias antes citadas, el punto de funcionamiento real podra aproximarse al 6ptimo pero tambien alejarse de el.

El punto indicado por A2 corresponde a la potencia facilitada efectivamente en la conexi6n STC efectuando una regulaci6n clasica basada en la utilizaci6n de una resistencia shunt (regulaci6n de corriente), o sea 9,7 miliwatios en este ejemplo. Aqui tambien, debe tomarse un margen de manera que se tenga en cuenta la corriente susceptible de ser sacada en la patilla VDD que se resta de la corriente disponible en la conexi6n STC. Sin embargo, este modo de regulaci6n permite liberarse de las tolerancias del transformador pero no del TSS721. El punto de funcionamiento debe estar dimensionado para el peor caso de este ultimo y por tanto tambien lejos del 6ptimo.

Finalmente, el punto indicado por A3 corresponde a la potencia facilitada efectivamente en la conexi6n STC efectuando la regulaci6n de tensi6n de acuerdo con la invenci6n, o sea 13,3 miliwatios en este ejemplo, lo que esta muy pr6xima al maximo Pmax. Este ultimo modo de regulaci6n explota la corriente maxima disponible en la conexi6n STC independientemente de la corriente sacada de la patilla VDD. Ademas, esta se libera de la tolerancia del transformador y tambien de la del TSS721 y por tanto asegura un punto de funcionamiento muy pr6ximo al 6ptimo.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Contador de energia, en particular contador de energia termica, apto para intercambiar datos a distancia por intermedio de una conexi6n M-bus, comprendiendo el contador de energia un m6dulo calculador (2) susceptible de ser alimentado de potencia por la conexi6n M-bus, y un circuito integrado (1) apto, por una parte, para servir de

5 interfaz de comunicaci6n entre el m6dulo calculador (2) y la conexi6n M-bus y, por otra, para facilitar a una conexi6n de salida (1O), una senal de tensi6n continua para la alimentaci6n del m6dulo calculador (2), caracterizado porque el contador de energia comprende ademas un m6dulo de alimentaci6n de potencia (4) que comprende un convertidor CC-CC aislado galvanicamente cuya entrada esta conectada a la citada conexi6n de salida (1O) y cuya relaci6n ciclica es regulada por la senal de tensi6n continua.

10 2. Contador de energia de acuerdo con la reivindicaci6n 1, caracterizado porque el citado convertidor CC-CC (4) comprende un transformador (4O, 41) aislado galvanicamente, un m6dulo de mando (42) que comprende un medio interruptor y un oscilador que manda la apertura y el cierre del medio interruptor segun la citada relaci6n ciclica, y un amplificador operacional (43) que amplifica la desviaci6n entre el valor de la senal de tensi6n continua y una tensi6n de referencia (Vref), y cuya salida (Sreg) facilita una consigna para la regulaci6n de la relaci6n ciclica al m6dulo de

15 mando (42) de manera que adapta la corriente solicitada en funci6n del valor de la senal de tensi6n continua.
3. Contador de energia de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende ademas un m6dulo de emergencia (5) que sustituye al m6dulo de alimentaci6n de potencia (4) para paliar las situaciones en las cuales la presencia del M-bus no es detectada.