Laboratorio
Disección de un medidor electrónico trifásico

El medidor de energía eléctrica o contador eléctrico es el instrumento de medición, con fines comerciales, más difundido en el mundo. Se trata de un dispositivo que mide el consumo de energía eléctrica de un circuito o un servicio eléctrico.
Los medidores pueden clasificarse en tres grupos según sus características constructivas:

1- Medidores electromecánicos: o medidores de inducción, compuesto por un conversor electromecánico (básicamente un wattímetro con su sistema móvil de giro libre) que actúa sobre un disco, cuya velocidad de giro es proporcional a la potencia demandada, provisto de un dispositivo integrador.
2- Medidores electromecánicos con registrador electrónico: el disco giratorio del medidor de inducción se configura para generar un tren de pulsos (un valor determinado por cada rotación del disco, por ejemplo 5 pulsos) mediante un captador óptico o magnético que censa marcas grabadas en su cara superior. Estos pulsos son procesados por un sistema digital el cual calcula y registra valores de energía y de demanda. El medidor y el registrador pueden estar alojados en la misma unidad o en módulos separados.
3- Medidores totalmente electrónicos: (o de estado sólido) la medición de energía y el registro se realizan por medio de un proceso analógico-digital (sistema totalmente electrónico) utilizando un microprocesador y memorias. A su vez, de acuerdo a las facilidades implementadas, estos medidores se clasifican como:
3a- Medidores de demanda: miden y almacenan la energía total y una única demanda en las 24 hs. (un solo período, una sola tarifa).
3b- Medidores multitarifa: miden y almacenan energía y demanda en diferentes tramos de tiempo de las 24 hs., a los que le corresponden diferentes tarifas (cuadrantes múltiples). Pueden registrar también la energía reactiva, factor de potencia, y parámetros especiales adicionales.

Procederemos la disección de un medidor digital trifásico Ampy 5192A hasta llegar a sus más mínimos componentes y analizaremos la función de cada uno de los elementos principales de su circuito.
El siguiente es un esquema de bloques del medidor analizado:

Esquema de bloques del medidor electrónico trifásico

Se trata de un Medidor de energía Activa y Reactiva, Trifásico, Monotarifa de 220 / 380V-240 / 415V por fase, frecuencia 50Hz, rango de corriente 5-120A. Contiene 3 elementos de medición independientes que permiten medir el consumo de energía en hasta 4 hilos. Mide y registra energía activa (kWh) con precisión clase 1,0 y energía reactiva (kVAr) con precisión Clase 2,0. Posee 2 LEDs rojos montados en el panel frontal del medidor que emiten pulsos con una relación de 1.000 pulsos por kWh y kVArh medidos en los 3 elementos para la registración de energía.

Medidor digital trifásico Ampy 5192A

Para la apertura del equipo se debe retirar la tapa de bornera y los dos tornillos de seguridad de la tapa ubicados a ambos lados del panel frontal o tapa de carcaza. 

Apertura del equipo  

Una vez extraídos los tornillos, se retira la tapa de carcaza del medidor tirando de la misma de manera suave hacia el frente.
En la siguiente figura se observa el panel frontal del medidor de ambos lados y los elementos principales del mismo:

El panel frontal del medidor visto de frente

El panel frontal del medidor de su lado posterior

1- Pulsadores de lectura
2- Orificios para visualización de LEDs emisores de pulsos de kWh y kVArh
3- Visores para emisor y receptor del puerto óptico
4- Visor para el display


Una vez retirada la tapa observamos el frente de la placa de circuito impreso:

El frente de la placa de circuito impreso.

La misma esta construida con tecnología de montaje superficial SMD (Surface Mount Device) y en ella reconocemos los siguientes componentes principales:

1- Display
2- Circuitos de medición de corriente
3- Circuitos de medición de tensión
4- Puerto óptico de comunicación
5- LEDs emisores de pulsos de energía activa y energía reactiva
6- Pulsador de lectura
7- Microprocesador
8- Memoria
9- Cristal oscilador
10- Cables de conexión de entrada de circuitos de medición



1- Display
Observamos un display de cristal líquido LCD (Liquid Crystal Display) que contiene cuatro dígitos alfanuméricos, ocho numéricos de 8 mm de altura y ocho números indicadores de función en su sector inferior.
Este equipo se encuentra configurado para indicar la presencia de tensión en las fases con los números de función 1,2 y 3 y exhibir en su pantalla en forma cíclica los estados de energía activa y reactiva diferenciados por los indicadores 4 y 5 respectivamente. (ver ¿Como se lee un medidor electrónico AMPY?)
Los kWh totales medidos son almacenados internamente con 3 decimales. Los kWh totales son visualizados en la pantalla del medidor con un máximo de 2 decimales a menos que, programados vía Puerto óptico, se muestren 3 decimales con propósito de prueba. 

El display de cristal líquido LCD (Liquid Crystal Display). 

2- Circuitos de medición de corriente
La corriente es medida mediante sendos shunts ubicados entre los bornes de entrada y salida de corriente del medidor en cada fase. El valor de la resistencia eléctrica del shunt es conocido con precisión y se utiliza para determinar la intensidad de corriente que fluye a través de esta carga, mediante la medición de la diferencia de tensión o voltaje a través de ella, valiéndose para ello de la ley de Ohm. 

Detalle de un shunt ubicado entre los bornes de entrada y salida de corriente del medidor.  

Los terminales de estos shunt son conectados a los circuitos de corriente de la placa mediante tres pares de cables rojo y negro trenzados.
Ya en la placa se procede al filtrado de línea y adaptación de las señales para su conversión analógica-digital. En la siguiente figura se ve en detalle el circuito de corriente correspondiente a la fase 2 en donde se destaca el integrado LMC60 de National Semiconductor que es un doble amplificador operacional de tecnología CMOS. 

Detalle del circuito de corriente correspondiente a la fase 2 en donde se destaca el integrado LMC60 de National Semiconductor que es un doble amplificador operacional de tecnología CMOS. 

3- Circuitos de medición de tensión
La medición de tensión se consigue al dividir la tensión de línea mediante sendos divisores resistivos. En la figura observamos las resistencias de precisión de metal film de 330 Ohm y 2 watts de disipación. 

Resistencias de precisión de metal film de 330 Ohm y 2 watts de disipación. 

4- Puerto óptico de comunicación
El medidor cuenta con un puerto de comunicación que utiliza una señal de interfase óptica (Flag) basada en el protocolo IEC 1107 para lo que se han dispuesto en la placa un emisor (LED infrarojo) y un receptor (detector infrarojo). 

Puerto óptico de comunicación.  

5- LEDs emisores de pulsos de energía activa y energía reactiva
El equipo cuenta con 2 LEDs rojos de alto brillo, montados en la placa y de visualización directa desde el panel frontal del medidor, que emiten pulsos con una relación de 1.000 pulsos por kWh (LED superior) y kVArh (LED inferior) medidos en los 3 elementos para la registración de energía.
Por debajo de la Corriente de Arranque, el medidor ingresa en modo antideslizante. En este estado el LED de registración del medidor queda permanentemente encendido y no se incrementan sus registros. El LED permanece encendido hasta que la corriente del medidor (recibida o entregada) aumenta más allá del valor de la Corriente de Arranque. 

El equipo cuenta con 2 LEDs rojos de alto brillo. 

6- Pulsador de lectura
Un Botón de Lectura es provisto en el panel frontal para permitir ver al usuario información en la pantalla del medidor en un ciclo predeterminado. En la imagen se observa el pulsador soldado en la placa. 

Pulsador de lectura. 

7- Microcontrolador
El microcontrolador M30620ECFP de Mitsubishi Microcomputers, también llamado microcomputadora de un solo chip, es el cerebro del medidor. Este chip de cien contactos trae integradas todas las funciones necesarias para la medición y registro de datos: microprocesador o CPU, memoria de programa ROM (128K bytes), memoria de datos RAM (10K bytes), puertos de entrada y salida programables, conversión DA y AD, comunicación serie de entrada y salida además de funciones de control de energía.
El microcontrolador es responsable del control de la interfaz analógica y de todos los cálculos de energía. 

El microcontrolador  M30620ECFP de Mitsubishi Microcomputers. 


8- Memoria
Toda la información del medidor es registrada en una memoria FRAM FM24C16a de Ramtron controlada por el microprocesador. Todos los registros de kWh son almacenados en la memoria y actualizados cada 1/100 kWh. La memoria FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) utiliza una película o film ferroeléctrico en capacitores integrados dentro de un chip para almacenar los datos. Sus características más importantes son que operan a muy alta frecuencia, pueden regrabarse gran cantidad de veces (el fabricante informa que pueden realizarse 10exp.12 ciclos de lectura-escritura o un millón de veces mas que una memoria EEPROM), tienen muy bajo consumo y son no-volátiles (el fabricante garantiza una retención de datos mayor a 45 años). Además ofrecen elevada protección contra manipulaciones por lo que resultan ser ideales para este tipo de aplicaciones. 

Memoria FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) FM24C16a. 

9- Cristal oscilador
Este elemento tiene la función de fijar la frecuencia de trabajo del microprocesador (señal de reloj). El oscilador de cristal se caracteriza por su estabilidad de frecuencia y pureza de fase, dada por el resonador de cuarzo. Dentro de la carcasa de metal hay una pequeña pieza de cristal de cuarzo que está cortado con precisión para que vibre a una frecuencia específica al aplicarle una tensión. 

Cristal oscilador. 

10- Cables de conexión a bornera
Con estos conductores se realizan las conexiones eléctricas entre bornes de entrada y salida del medidor con los circuitos de medición y la fuente de alimentación del equipo. En la imagen también se observa el puente o microswitch instalado en cada fase para tareas de prueba y calibración. 

Con estos conductores se realizan las conexiones eléctricas entre bornes de entrada y salida del medidor con los circuitos de medición y la fuente de alimentación del equipo. 


Extrayendo la placa por su sector superior y girándola sobre los cables de conexión a la bornera observamos la cara posterior del circuito impreso: 

Extracción de la placa. 

En la misma se destacan los siguientes componentes:

11- Inductores toroidales
12- Varistores
13- Capacitores de filtrado
 


La placa de circuito impreso vista desde su cara posterior. 

11- Inductores toroidales
Encontramos un inductor con núcleo toroidal de de ferrite por cada fase que cumple la función de adaptación de la señal para su medición. 

Inductor toroidal. 

12- Varistores (MOV Metal oxid varistor)
Son componentes cerámicos de altísima densidad con características eléctricas no óhmicas. Su función es restringir sobretensiones transitorias o sea tienen la función de mantener el valor del potencial eléctrico cuando ocurre un gran aumento del campo eléctrico aplicado. Los varistores son también conocidos como resistores no lineales pues su resistencia disminuye con el aumento del potencial aplicado. 

Varistor (MOV Metal oxid varistor) 

13- Capacitores de filtrado
Estos capacitaores de film de poliéster metalizado (Metalized polyester film capacitor) tienen la función de filtro de línea o supresión de ruidos e interferencias. 

Capacitores de film de poliéster metalizado (Metalized polyester film capacitor)  


Referencias

IEC1036 1996 - Medidores estáticos de energía activa de corriente alterna (clases 1 y 2)

IEC1268 1996 - Medidores estáticos de energía activa de corriente alterna (clases 2 y 3)

BS5685 1979 Part 1 - Especificaciones Clase 0.5, 1.0 y 2.0 para medidores de energía activa mono y trifásicos, mono y multitarifa.
IEC1038 1993 - Tramos horarios para tarifa y control de carga.
IEC1107 - Intercambio de datos para lectura del medidor, tarifa y control de carga. Intercambio local directo.
SI 1566 1998 - Regulaciones de medidores (Certificación) 1998.


Detalle de un borne de conexión del medidor. 


Por: Leandro Kessler


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