15kV ESD प्रतिरोधी सरल सर्किट और उच्च स्थिरता वाले डिजिटल पावर मीटर डिजाइन
1. समाधान का सारांश
यह समाधान उच्च प्रदर्शन और उच्च विश्वसनीयता वाले डिजिटल विद्युत मीटर के डिजाइन को प्रदान करने का लक्ष्य रखता है। समाधान का मुख्य हिस्सा मुख्य नियंत्रण चिप के लिए एक नवीन गुरु घड़ी सर्किट डिजाइन है, जो पारंपरिक डिजिटल विद्युत मीटरों की विद्युत-स्थैतिक विद्युत (ESD) के विरोध की अंतर्निहित कमजोरियों को प्रभावी रूप से समाधान करता है। मीटर 15kV गैर-संपर्क विद्युत-स्थैतिक विद्युत डिस्चार्ज परीक्षण को स्थिर रूप से पारित कर सकता है, साथ ही यह एक सरल सर्किट संरचना और उच्च घड़ी स्थिरता जैसी विशेषताओं का भी दावा करता है। यह उद्योगी विद्युत निगरानी की स्थितियों के लिए उपयुक्त है, जहाँ विश्वसनीयता और स्थिरता की आवश्यकता बहुत तीव्र होती है।
2. उद्योग की समस्याएँ और तकनीकी पृष्ठभूमि
2.1 उद्योग की समस्या: कमजोर विद्युत-स्थैतिक विद्युत विरोधी क्षमता
उद्योगी सेटिंग्स में, विद्युत-स्थैतिक विद्युत (ESD) इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की विफलता का प्रमुख कारण है। पारंपरिक डिजिटल विद्युत मीटर आमतौर पर मानक 15kV गैर-संपर्क ESD परीक्षण के दौरान व्यवहारिक विसंगतियों के कारण सिस्टम को रीसेट करने या फंक्शनल अनोमलियों का सामना करने की उच्च संभावना होती है, जो उच्च विश्वसनीयता वाले अनुप्रयोगों की आवश्यकताओं को पूरा नहीं करता है।
2.2 तकनीकी पृष्ठभूमि: मौजूदा समाधानों का विश्लेषण
मौजूदा डिजिटल विद्युत मीटरों में विद्युत-स्थैतिक विद्युत (ESD) के विरोध की चुनौती उनके मुख्य घड़ी आवृत्ति डिजाइन से उत्पन्न होती है:
- समाधान 1: उच्च आवृत्ति क्रिस्टल ऑसिलेटर की तत्काल जोड़ी: मुख्य नियंत्रण चिप 25MHz उच्च आवृत्ति क्रिस्टल ऑसिलेटर से तत्काल जोड़ा जाता है, जिसके लिए दो बाहरी कंपनसेशन कैपेसिटर की आवश्यकता होती है। यद्यपि संरचनात्मक रूप से सरल, यह डिजाइन चिप के I/O पोर्ट (कम ऊर्जा उपभोग के लिए डिजाइन किए गए) के आम तौर पर ESD प्रतिरोध कमजोर होता है। उच्च आवृत्ति सिग्नल ESD पल्स के तहत व्यवधान के लिए खुला होता है, जो सिस्टम को क्रैश करने की संभावना बढ़ा सकता है।
- समाधान 2: निम्न आवृत्ति क्रिस्टल ऑसिलेटर साथ आवृत्ति गुणन: एक निम्न आवृत्ति क्रिस्टल ऑसिलेटर का उपयोग किया जाता है और इसे एक आंतरिक फेज-लॉक लूप (PLL) के माध्यम से उच्च आवृत्ति तक गुणा किया जाता है। यह दृष्टिकोण तत्काल व्यवधान के विरुद्ध कुछ सुधार प्रदान करता है, लेकिन विद्युत-स्थैतिक कप्लिंग की समस्या को मूल स्तर पर हल नहीं करता, जिसके परिणामस्वरूप विरोधी प्रदर्शन अपर्याप्त रहता है।
दोनों पारंपरिक समाधानों को गंभीर विद्युत वातावरण में मीटर के स्थिर संचालन की गारंटी देने में कठिनाई होती है।
3. मीटर की समग्र संरचना और कार्य
इस समाधान का मीटर एक मॉड्यूलर डिजाइन का उपयोग करता है, जिसमें छह मुख्य मॉड्यूल होते हैं, जो एक संयुक्त विद्युत सप्लाई मॉड्यूल से चालित होते हैं। संरचना स्पष्ट है, और कार्य अच्छी तरह से परिभाषित हैं। प्रत्येक मॉड्यूल का मुख्य नियंत्रण चिप से कनेक्शन और कार्य निम्नानुसार है:
|
मॉड्यूल का नाम |
मुख्य घटक |
से जुड़ा है |
मुख्य कार्य |
|
मुख्य नियंत्रण चिप (1) |
मॉडल MSP430F5438A; AD कन्वर्टर, उच्च आवृत्ति ऑसिलेटर सर्किट, निम्न आवृत्ति ऑसिलेटर सर्किट साथ बिल्ट-इन कंपनसेशन कैपेसिटर; मुख्य आवृत्ति इनपुट केवल 32768Hz निम्न आवृत्ति क्रिस्टल (11) से जुड़ा है |
सिग्नल अधिग्रहण मॉड्यूल, वास्तविक समय की घड़ी, मेमोरी, डिस्प्ले नियंत्रण मॉड्यूल, संचार इंटरफेस |
सिस्टम नियंत्रण केंद्र; विद्युत पैरामीटर डेटा को प्रोसेस करता है; AD कन्वर्जन जैसे मुख्य कार्यों का प्रदर्शन करता है। |
|
सिग्नल अधिग्रहण सर्किट मॉड्यूल (2) |
तीन-फेज वोल्टेज अटेन्युएशन डिवाइडर सर्किट, तीन-फेज करंट ट्रांसफॉर्मर, ऑपरेशनल एम्प्लिफायर सर्किट |
तीन-फेज पावर ग्रिड, मुख्य नियंत्रण चिप |
पावर ग्रिड से तीन-फेज वोल्टेज और करंट सिग्नल अधिग्रहित करता है; विस्तार और लेवल कन्वर्जन के बाद मुख्य नियंत्रण चिप को भेजता है। |
|
वास्तविक समय की घड़ी (3) |
- |
मुख्य नियंत्रण चिप |
सटीक समय संदर्भ प्रदान करता है; घड़ी-संबंधित कार्यों का समर्थन करता है। |
|
आंतरिक जानकारी मेमोरी (4) |
- |
मुख्य नियंत्रण चिप |
मीटर के संचालन के दौरान उत्पन्न विभिन्न ऐतिहासिक डेटा और पैरामीटर को संग्रहित करता है। |
|
डिस्प्ले नियंत्रण मॉड्यूल (5) |
एलसीडी डिस्प्ले, नियंत्रण बटन |
मुख्य नियंत्रण चिप |
विद्युत पैरामीटर और स्थिति जानकारी प्रदर्शित करता है; उपयोगकर्ता बटन कमांड्स को प्राप्त करता है। |
|
संचार इंटरफेस (6) |
RS485 इंटरफेस |
मुख्य नियंत्रण चिप, दूरी से निगरानी करने वाला मेजबान |
दूरी से निगरानी करने वाले सिस्टम के साथ डेटा संचार की सक्षमता प्रदान करता है; वास्तविक समय में अधिग्रहित डेटा को अपलोड करता है। |
|
विद्युत सप्लाई मॉड्यूल (7) |
AC-DC ऑक्सिलियरी पावर सप्लाई; 5V, 3.3V, अलग-अलग 5V आउटपुट |
5V → सिग्नल अधिग्रहण मॉड्यूल; 3.3V → मुख्य नियंत्रण चिप, आदि; अलग-अलग 5V → संचार इंटरफेस |
सभी मॉड्यूलों के लिए स्थिर, अलग-अलग संचालन विद्युत प्रदान करता है, सिस्टम के सामान्य संचालन को सुनिश्चित करता है। |
4. मुख्य तकनीकी फायदे
4.1 उत्कृष्ट विद्युत-स्थैतिक विद्युत विरोधी क्षमता
इस समाधान का सबसे महत्वपूर्ण फायदा मुख्य घड़ी का नवीन डिजाइन है। व्यवधान प्रवण उच्च आवृत्ति क्रिस्टल तत्काल जोड़ी योजना को छोड़कर, मुख्य नियंत्रण चिप 32768Hz निम्न आवृत्ति क्रिस्टल को मुख्य आवृत्ति इनपुट के रूप में उपयोग करता है। क्योंकि निम्न आवृत्ति ऑसिलेशन सिग्नलों की बाहरी रेडिएशन तीव्रता कम होती है और वे बाहरी उच्च आवृत्ति शोर (जैसे ESD पल्स) से कप्लिंग व्यवधान के लिए कम प्रवण होते हैं, विरोधी प्रदर्शन मूल स्तर पर बहुत बढ़ जाता है। यह डिजाइन पारंपरिक मीटरों की समस्या को सफलतापूर्वक समाधान करता है, 15kV गैर-संपर्क ESD परीक्षण को स्थिर रूप से पारित करने और जटिल उद्योगी वातावरण में विश्वसनीय संचालन की गारंटी देता है।
4.2 सरल सर्किट संरचना
चुनित मुख्य नियंत्रण चिप (MSP430F5438A) के आंतरिक निम्न आवृत्ति ऑसिलेटर सर्किट के लिए बिल्ट-इन कंपनसेशन कैपेसिटर होते हैं। यह डिजाइन पारंपरिक उच्च आवृत्ति क्रिस्टल योजनाओं में आवश्यक दो बाहरी कंपनसेशन कैपेसिटर को खत्म करता है, PCB लेआउट को सरल बनाता है, घटकों की संख्या और सामग्री की लागत को कम करता है, उत्पादन सोल्डरिंग की जटिलता को कम करता है, और उत्पाद की संगतता और विश्वसनीयता को बढ़ाता है।
4.3 उच्च घड़ी स्थिरता
- स्थिर सिस्टम सॉफ्टवेयर घड़ी: 32768Hz क्रिस्टल, आवृत्ति विभाजन के बाद, एक सटीक 1Hz सेकंड क्लॉक सिग्नल उत्पन्न कर सकता है, जो सिस्टम की सॉफ्टवेयर घड़ी का आधार बनता है। इसकी स्थिरता और सटीकता सॉफ्टवेयर सिमुलेशन या उच्च आवृत्ति विभाजन से उत्पन्न घड़ियों से बहुत अधिक होती है।
- स्थिर मीटिंग घड़ी: मीटर में ऊर्जा मापन के लिए उपयोग किए जाने वाले ADC नमूना घड़ी भी इस स्थिर निम्न आवृत्ति घड़ी से उत्पन्न होती है, जो वोल्टेज, करंट, पावर और अन्य विद्युत पैरामीटर नमूना और कैलकुलेशन की सटीकता की गारंटी देती है। यह उच्च गुणवत्ता वाले ऊर्जा प्रबंधन के लिए डेटा का आधार प्रदान करता है।
5. सिस्टम का कार्य सिद्धांत
मीटर का कार्य प्रक्रिया निम्नानुसार है:
- पावर ऑन: विद्युत सप्लाई मॉड्यूल AC-DC ऑक्सिलियरी पावर सप्लाई के माध्यम से AC इनपुट प्राप्त करता है, इसे 5V, 3.3V, और अलग-अलग 5V वोल्टेज में परिवर्तित और अलग-अलग करता है। ये सिग्नल अधिग्रहण सर्किट, मुख्य नियंत्रण सिस्टम (वास्तविक समय की घड़ी, मेमोरी, डिस्प्ले नियंत्रण), और संचार इंटरफेस को आपूर्ति करते हैं, जिससे सभी मॉड्यूल तैयारी की स्थिति में आ जाते हैं।
- सिग्नल अधिग्रहण: सिग्नल अधिग्रहण सर्किट मॉड्यूल निरंतर तीन-फेज पावर ग्रिड से वोल्टेज और करंट सिग्नल अधिग्रहित करता है। प्रोसेसिंग (जैसे, विभाजन, करंट ट्रांसफॉर्मेशन, ऑप-एम्प्लिफायर द्वारा विस्तार, लेवल कन्वर्जन) के बाद, यह ग्रिड पैरामीटर को प्रतिनिधित्व करने वाले एनालॉग सिग्नल्स को मुख्य नियंत्रण चिप को भेजता है।
- सिग्नल प्रोसेसिंग: मुख्य नियंत्रण चिप पहले अपने इंटीग्रेटेड AD कन्वर्टर का उपयोग करके प्राप्त एनालॉग सिग्नल्स को डिजिटल सिग्नल्स में परिवर्तित करता है। इसके बाद, वास्तविक समय की घड़ी से टाइमस्टैम्प के साथ, यह डिजिटल सिग्नल्स पर गणना और विश्लेषण करता है, जिससे आवश्यक विद्युत पैरामीटर (जैसे, RMS वोल्टेज/करंट, सक्रिय/असक्रिय पावर, पावर फैक्टर, आवृत्ति) प्राप्त होते हैं।
- डेटा आउटपुट और इंटरक्शन:
- स्टोरेज: प्रोसेस किया गया डेटा आंतरिक जानकारी मेमोरी में सहेजा जाता है, जिससे ऐतिहासिक डेटा की जांच और लोड विश्लेषण किया जा सकता है।
- डिस्प्ले: डेटा एलसीडी डिस्प्ले पर वास्तविक समय में अपडेट करने के लिए डिस्प्ले नियंत्रण मॉड्यूल पर भेजा जाता है।
- संचार: डेटा वास्तविक समय में RS485 संचार इंटरफेस के माध्यम से दूरी से निगरानी करने वाले केंद्र पर अपलोड किया जाता है, जिससे दूरी से निगरानी की जा सकती है।
- नियंत्रण: उपयोगकर्ता डिस्प्ले मॉड्यूल पर बटन का उपयोग करके डेटा की जांच या पैरामीटर को सेट करने के लिए मीटर को स्थानीय रूप से संचालित कर सकते हैं।
