Меню

Модуль измерения переменного тока

МозгоЧины

#самоделки #инструкции #ремонт_техники #изобретения

МозгоЧины

#самоделки #инструкции #ремонт_техники #изобретения

Счетчик электроэнергии на Arduino своими руками

Счетчик электроэнергии на Arduino своими руками

В сегодняшней статье мы поговорим о том, как сделать простой счетчик электроэнергии с поддержкой Wi-Fi своими руками.

Шаг 1: Необходимые детали и инструменты

  • Wemos D1 mini pro;
  • Датчик тока ACS712;
  • OLED дисплей;
  • 5В блок питания;
  • Монтажная плата 4 х 6 см;
  • Провода;
  • Гнезда под «гребенку»;
  • Перемычки;
  • Винтовые клеммы;
  • Стойки;
  • Вилка+розетка
  • Самозажимные клеммы;
  • Тумблер.
  • Паяльник;
  • Клеевой пистолет;
  • Кусачки / стриппер.

Шаг 2: Как это работает?

Питание поступает от сети переменного тока и проходит через предохранитель, для предотвращения повреждения печатной платы во время короткого замыкания.

Провода переменного тока расходятся в два направления:

  • К нагрузке через датчик тока (ACS712);
  • 230V AC / 5V DC к блоку питания.

Блок питания 5 В обеспечивает питание микроконтроллера (Arduino / Wemos), датчика тока (ACS712) и OLED-дисплея.

Величина тока, определяется датчиком тока (ACS712). Считанное значение подается на аналоговый вывод (A0) платы Arduino / Wemos. Как только аналоговый сигнал заходит в Arduino, расчет мощности выполняется по алгоритму приложения Arduino.

Расчетное значение отображаются на 0,96-дюймовом дисплее OLED.

Встроенный WiFi-чип Wemos подключен к домашнему маршрутизатору и связан с приложением Blynk. Таким образом, можно контролировать параметры, а также калибровать и изменять различные настройки со своего смартфона через OTA.

Шаг 3: Матчасть

В цепях переменного тока ток изменяются синусоидально со временем.

Активная мощность (P): мощность, используемая устройством для производства полезной работы. Она выражается в кВт.

  • Активная мощность = напряжение (V) * ток (I) * cosΦ

Реактивная мощность (Q): мощность, которая не была передана в нагрузку, а привела к потерям на нагрев и излучение. Не приносит никакой полезной работы. Она выражается в кВАр.

  • Реактивная мощность = напряжение (V) * ток (I) * sinΦ

Полная мощность (S): определяется, как произведение действующего значение напряжения на действующее значение тока. Также может быть определена, как сумма активной и реактивной мощности. Выражается в кВА

  • Полная мощность = напряжение (V) * ток (I)

Отношения между активной, реактивной и полной мощностью:

  • Активная мощность = полная мощность * cosΦ
  • Реактивная мощность = полная мощность * sinΦ
  • (кВА) ² = (кВт) ² + (кВАр) ²

Коэффициент мощности (пф): отношение активной мощности к полной мощности в цепи.

  • Коэффициент мощности = активная мощность / полная мощность

Из вышесказанного ясно, что мы можем измерить любую мощность, а также коэффициент мощности, измеряя напряжение и ток.

Шаг 4: Датчик тока

Величина переменного тока измеряется с помощью трансформатора тока, но для этого проекта был выбран ACS712 — датчик тока с эффектом Холла, который измеряет ток при наведении. Обнаруженное магнитное поле вокруг провода, дает эквивалентное аналоговое выходное напряжение. Затем напряжения обрабатывается микроконтроллером для измерения тока, протекающего через нагрузку.

Шаг 5: Измерение тока с помощью ACS712

Выходной сигнал датчика тока ACS712 представляет собой волну. Нам необходимо рассчитать среднеквадратичное значение тока, это можно сделать следующим образом.

  • Измеряем напряжения Vpp (полную амплитуду);
  • Делим напряжение Vpp на два, чтобы получить амплитудное напряжение Vp;
  • Умножаем полученное значение на 0,707, получив действующее напряжение (Vrms)

Затем умножим на чувствительность датчика тока (ACS712), чтобы получить действующее значение тока.

  • Vp = Vpp / 2
  • Vrms = Vp x 0,707
  • Irms = Vrms x Чувствительность

Чувствительность модуля ACS712:

  • 5A составляет 185 мВ / A;
  • модуля 20A — 100 мВ / A;
  • модуля 30A — 66 мВ / A.

Подключение датчика (ACS712 Arduino / Wemos)

  • VCC = 5 В
  • OUT = A0
  • GND = GND

Шаг 6: Расчет мощности

Причина не использовать датчик напряжения связана с ограниченным количеством аналоговых выводов Wemos (только один). Хотя дополнительный датчик можно подключить с помощью АЦП, такого как ADS1115.

Коэффициент мощности нагрузки можно изменить во время программирования или из приложения для смартфона.

  • Активная мощность (Вт) = Vrms x Irms x Pf
  • Vrms = 230 В (известно)
  • Pf = 0,85 (известно)
  • Irms = чтение с текущего датчика (неизвестно)

Шаг 7: Приложение Blynk

Так как на плате Wemos есть встроенный чип WiFi. Преимущества использования платы Wemos: калибровка датчика и изменение значения параметров со смартфона через OTA без физического повторного программирования микроконтроллера.

Blynk — это приложение, которое обеспечивает полный контроль над Arduino, ESP8266, Rasberry, Intel Edison и многими другими аппаратными средствами. Приложение совместимо как с Android, так и с iPhone. В Blynk все работает на «Energy». Когда вы создаете новую учетную запись, вы получаете 2000 фунтов стерлингов, чтобы начать эксперимент; Каждый виджет нуждается в энергии для работы. Для этого проекта вам нужно 2400 фунтов стерлингов, поэтому вы должны приобрести дополнительную энергию 400 фунтов стерлингов (стоимость менее 1 доллара США)

  • Датчик — 2 х 200 = 400;
  • Отображение маркировки — 2 x 400 = 800;
  • Ползунки — 4 х 200 = 800;
  • Меню — 1x 400 = 400.

Общая энергия, необходимая для этого проекта = 400 + 800 + 800 + 400 = 2400

Выполним следующие шаги:

Загружаем приложение Blynk
Авторизация

Чтобы подключить приложение Blynk к оборудованию, нужно авторизироваться.

  • Создаем новую учетную запись в приложении Blynk.
  • Нажмём значок QR в верхней строке меню. Создадим клон этого проекта, отсканировав QR-код, показанный выше. Как только он будет успешно обнаружен, весь проект будет немедленно загружен на телефоне.
  • После создания проекта будет выслано письмо на электронную почту.
  • Проверим свою электронную почту и пройдём авторизацию.
Подготовка Arduino IDE для Wemos Board

Чтобы загрузить код Arduino на Wemos, вы должны следовать этим инструкциям

Устанавливаем библиотеки

Импортируем библиотеку в Arduino IDE

Загрузим библиотеки для дисплея OLED:

Эскиз Arduino

После установки вышеуказанных библиотек вставим код Arduino, приведенный ниже.

Введем код авторизации с шага 1, ssid и пароль вашего роутера.

Шаг 8: Подготовка монтажной платы

Чтобы сделать поделку аккуратной и красивой, соберем схему на макетной плате 4×6 см.

  • Плата Wemos (2 x 8-контактный гнездовой разъем);
  • Плата питания 5 В постоянного тока (3-контактный гнездовой разъем);
  • Модуль датчика тока (3-контактный гнездовой разъем);
  • OLED-дисплей (4-контактный гнездовой разъем).

Припаиваем 2-контактную винтовую клемму для подачи питания переменного тока на блок питания.

ACS712 —> Wemos

  • Vcc—-> 5V;
  • Gnd —-> GND;
  • Vout—->A0.

OLED—> Wemos

  • Vcc—-> 5V
  • Gnd—-> GND
  • SCL—-> D1
  • SDA—->D2

Модуль питания:

  • Провода переменного тока (2 контакта) модуля питания подключен к винтовой клемме.
  • Выход V1 подключен к Wemos 5V, а вывод GND подключен к выводу Wemos GND.

Шаг 9: 3D-печатный корпус

Чтобы придать самоделке привлекательный вид, специально был спроектирован корпус (Autodesk Fusion 360). Он состоит из двух частей: основы и крышки. Шаблон.

Нижняя часть проектировалась под плату (4 х 6 см), датчик тока и держатель предохранителей.

Крышка предназначена для установки розетки переменного тока и OLED-дисплея.

Шаг 10: Схема подключения переменного тока

Шнур питания переменного тока имеет 3 провода: фазный (красный), нейтральный (черный) и заземляющий (зеленый).

Красный провод от шнура питания подключен к одной клемме предохранителя. Другая клемма предохранителя подключена к подпружиненным 2-контактному разъему. Черный провод напрямую подключен к подпружиненному разъему.

Затем красный провод подключаем к клемме «L» разъема переменного тока, а зеленый провод (заземление) подключается к центральной клемме (обозначается буквой G).

Клемма нейтрали подключена к одной клемме датчика тока ACS712. Другая клемма ACS712 подключена обратно к подпружиненному разъему.

После завершения всех внешних подключений тщательно осмотрим плату и очистим ее от остатков паяльного флюса.

Примечание. Не прикасайтесь к элементам схемы, пока они находится под напряжением. Любое случайное прикосновение может привести к негативным последствиям для здоровья и жизни человека. Соблюдайте меры безопасности во время работы.

Шаг 11: Устанавливаем компоненты

Монтируем компоненты (розетку, тумблер и OLED-дисплей) в слоты верхней крышки, как показано на рисунке. Затем крепим все винтами. Нижняя часть имеет 4 стойки для крепления основной платы.

Установим держатель предохранителя и датчика тока в гнездо в нижней части корпуса. Затем укладываем все провода.

Наконец, устанавливаем крышку.

Шаг 12: Финальные испытания

Подключим шнур питания счетчика к розетке.

Изменим следующие параметры из приложения Blynk:

  • Ползунок CALIBRATE, регулирует значение нулевого тока, когда нагрузка не подключена;
  • Измерим напряжение в доме с помощью мультиметра и установим значение ползунка VOLTAGE;
  • Устанавливаем коэффициент мощности;
  • Введём тариф на электроэнергию в регионе.

Затем подключим прибор к розетке счетчика.

На этом все, спасибо за внимание!

( Специально для МозгоЧинов )

Источник

Микросхемы для измерения тока со встроенным шунтом

Применение токоизмерительных микросхем с внешним шунтирующим резистором не способно обеспечить прецизионную точность измерения. Чтобы решить эту проблему, компания Texas Instruments выпускает токоизмерительные микросхемы со встроенным шунтом: INA250 – интегральный преобразователь тока в напряжение, и INA260, конвертирующую измеренный сигнал в цифровой код с возможностью его передачи по интерфейсам I²C и SMBus™.

Полупроводниковые интегральные измерители тока широко применяются в различном оборудовании, позволяя непосредственно контролировать протекающий по цепи ток. Принцип их действия аналогичен используемому в традиционных измерительных приборах методу с вычислением тока по напряжению, измеренному на резисторе. Он включается в разрыв цепи, называется шунтом и имеет достаточно малое сопротивление, чтобы не влиять на работу оборудования, и достаточно высокую предельную мощность, чтобы пропускать через него максимально возможный рабочий ток нагрузки. Значение тока вычисляется согласно закону Ома по величине напряжения на резисторе известного номинала.

Читайте также:  Форма тока в импульсном трансформаторе

Интегральные измерители тока используются для контроля режимов работы различного оборудования в промышленности и на транспорте, в телекоммуникационных системах, источниках питания серверов и в инверторах солнечных батарей. Интегральные измерители тока со встроенным шунтом позволяют решать подобные задачи с повышенной точностью и меньшими затратами.

Микросхемы TI со встроенным шунтом для измерения тока

В обширном ассортименте продукции компании Texas Instruments (TI) нашлось место и для измерителей тока со встроенным шунтом. Представляем два типа подобных микросхем, каждая из которых предназначена для решения различных специфических задач. Используя встроенный шунт, микросхемы INA250 и INA260 позволяют измерять двунаправленный ток нагрузки со стороны шины питания или шины заземления.

Интеграция в микросхемы прецизионного резистора для контроля тока обеспечивает высокую точность измерения, сравнимую с калиброванной, и минимальную зависимость характеристик от колебаний температуры. Кроме того, обе микросхемы используют оптимизированное 4-точечное подключение токоизмерительного шунта (схема Кельвина).

INA250

Микросхема INA250 является токоизмерительным усилителем с выходным напряжением, пропорциональным измеряемому току. Прецизионный встроенный резисторный шунт позволяет с высокой точностью измерять ток при синфазном напряжении, которое может изменяться от 0 до 36 В независимо от величины напряжения питания микросхемы.

Семейство INA250 доступно с четырьмя типами шкалы выходного напряжения: 200 мВ/A, 500 мВ/A, 800 мВ/A и 2 В/A. Все микросхемы рассчитаны на номинальный ток до 15 А (10 А – при максимальной температуре 125°C). Однополярное напряжение питания для INA250 составляет 2,7…36 В, а максимальный потребляемый ток достигает 300 мкА. Микросхема работает в расширенном температурном диапазоне -40…125°C и выпускается в 16-выводном корпусе типа TSSOP.

Основные характеристики INA250

  • Встроенный прецизионный резисторный шунт
    • сопротивление шунта: 2 мОм
    • допустимая погрешность сопротивления шунта: 0,1% (макс.);
    • номинальный измеряемый ток: до 15 A при температуре -40…85°C;
    • температурный коэффициент: 10 ppm/°C в диапазоне 0…125°C.
  • Повышенная точность измерения:
    • погрешность коэффициента усиления (шунт и усилитель): 0,3% (макс.);
    • ток смещения: 50 мА (макс., для INA250A2).
  • Четыре коэффициента усиления
    • INA250A1: 200 мВ/A;
    • INA250A2: 500 мВ/A;
    • INA250A3: 800 мВ/A;
    • INA250A4: 2 В/A.
  • Широкий диапазон синфазного сигнала: -0,1…36 В
  • Рабочий диапазон температур: -40…125°C

INA260

Микросхема INA260 предназначена для контроля тока, мощности и напряжения с использованием встроенного шунтирующего резистора высокой точности. Цифровой выход этого интегрального монитора обеспечивает совместимость с шинами I²C и SMBus™.

Микросхема обеспечивает высокую точность измерений тока и мощности в сочетании с возможностью обнаружения превышения тока в режиме синфазных напряжений, уровень которых может изменяться от 0 до 36 В независимо от напряжения питания. У INA260 можно задать до 16 адресов для работы нескольких микросхем на единой шине I²C. Цифровой интерфейс позволяет программировать критические уровни тока, время преобразования и усреднение аналого-цифрового преобразователя (ЦАП). Для упрощения использования измерителя внутренний множитель обеспечивает прямые отсчеты тока в амперах и мощности в ваттах.

Выполненный в 16-ти выводном корпусе TSSOP интегральный измеритель INA260 работает от источника питания напряжением 2,7…5,5 В при среднем потребляемом токе 310 мкА в диапазоне рабочих температур -40…125°C.

Основные характеристики INA260

  • Интегрированный резисторный шунт высокой точности
    • сопротивление шунта: 2 мОм;
    • эквивалентная погрешность: не более 0,1%;
    • номинальный ток: до 15 A при температуре -40…85°C;
    • температурный коэффициент: 10 ppm/°C (0…125°C).
  • Измеряемое шинное напряжение: 0…36 В
  • Измерение в цепи между источником питания и нагрузкой или между нагрузкой и общим проводом
  • Считываемые данные о токе, напряжении и мощности
  • Повышенная точность
    • системная погрешность усиления: 0,15% (макс.);
    • ток смещения: 5 мА (макс.).
  • Настраиваемые функции усреднения
  • 16 программируемых адресов
  • Напряжение питания: 2,7…5,5 В;
  • Корпус типа TSSOP, 16 выводов.

Датчики тока с интегрированным резистором упрощают разработку печатной платы

Наиболее распространенным методом для измерения протекающего в цепи тока является определение его величины через измеренное значение напряжения на шунтирующем или токоизмерительном резисторе. Для достижения высокой точности измерения необходимо оценить характеристики и подобрать используемые в процессе измерения резистор и усилитель.

При этом чрезвычайно большое значение для сохранения точности измерения имеет также правильная трассировка цепей между токоизмерительным резистором и усилителем тока на печатной плате.

На рисунке 1 представлена типичная принципиальная схема токоизмерительного усилителя с цепями подключения шунтирующего резистора (Rsense) в качестве датчика.

Рис. 1. Измерение тока между источником питания и нагрузкой

Рис. 1. Измерение тока между источником питания и нагрузкой

При использовании токоизмерительного усилителя в разработке весьма важен выбор параметров шунтирующего резистора. В первую очередь выбираются номинальное сопротивление и мощность этого резистора. Номинал резистора подбирают, исходя из желаемого максимального падения напряжения на нем при максимальном ожидаемом токе, или же исходя из планируемой потери мощности на этом резисторе.

После выбора величины и мощности токоизмерительного резистора определяется допустимое отклонение от номинального значения его сопротивления, так как это напрямую повлияет на точность воспринимаемого напряжения и измеряемый ток.

Однако есть еще один параметр, на первый взгляд не вполне очевидный, о котором часто забывают – это температурный коэффициент резистора. Температурный коэффициент часто указывается в размерности миллионная доля на градус Цельсия (ppm/°C). Он важен, поскольку температура резистора будет расти за счет мощности, рассеиваемой при протекании большого тока через этот компонент. Часто бывает так, что в недорогих резисторах с классом точности менее 1% наблюдается изменение рабочих параметров под влиянием температуры.

Когда резистор выбран, для повышения точности измерений необходимо обратить особое внимание на трассировку дорожек печатной платы, ведущих к нему. Чтобы достигнуть высокой точности измерения тока, необходимо использовать схему Кельвина, основанную на четырех точках подключения к токоизмерительному резистору. Первые два соединения нужны для контроля протекающего тока, а два других – для контроля падения напряжения на резисторе. На рисунке 2 показаны различные варианты подключений для контроля тока, протекающего через резистор.

Рис. 2. Варианты подключения токоизмерительного резистора

Рис. 2. Варианты подключения токоизмерительного резистора

Одной из наиболее распространенных ошибок является подключение входов чувствительного по току усилителя к дорожкам печатной платы, показанное на рисунке 2а, вместо непосредственного подключения к резистору.

Другие допустимые варианты подключения к резистору для измерения тока представлены на рисунках 2б…г. Показанная на рисунке 2г компоновка использует независимое двухпроводное подключение для каждого вывода токоизмерительного резистора. Такой метод наиболее часто используется для резисторных шунтов с сопротивлением менее 0,5 мОм, когда паяное соединение способно серьезно изменить сопротивление шунта. Трудно сказать, какой метод компоновки точек подключения даст наилучшие результаты в окончательном варианте печатной платы, так как точность резистора во многом зависит от точки измерения, используемой при его производстве.

Если значение резистора было измерено с внутренней стороны контактных площадок, то наилучший результат измерения обеспечит компоновка, показанная на рисунке 2в. Если значение резистора было измерено на боковой стороне площадок – компоновка, показанная на рисунке 2б, даст наивысшую точность.

Сложность в выборе оптимальной компоновки печатной платы заключается в том, что производители шунтирующих резисторов далеко не всегда дают рекомендации по трассировке печатной платы для оптимизации точности измерения тока, не говоря уже о точках измерения сопротивления, используемых в производственном процессе.

Все эти сложности в значительной степени устраняются при использовании усилителя с интегрированным токоизмерительным резистором, как в случае микросхем INA250 и INA260. Соединения с токоизмерительным резистором уже оптимизированы для достижения наивысшей точности измерения независимо от температуры.

INA250 – это простой токоизмерительный усилитель с аналоговым выходом, в то время как INA260 является датчиком тока с цифровым I²C-интерфейсом, через который транслируются значения тока, мощности и напряжения.

Блок-схема INA250 вместе с соединениями для резистора показана на рисунке 3. Резистор в составе INA250 имеет внешние выводы, которые позволяют фильтровать напряжение на шунте или подключать его непосредственно к токочувствительному усилителю. Внутренние соединения шунтирующего резистора минимизируют проблемы, возникающие при трассировке печатной платы.

Рис. 3. Блок-схема INA250 с подключением внутреннего резистора

Рис. 3. Блок-схема INA250 с подключением внутреннего резистора

Коэффициент усиления усилителя оптимизирован для каждого резистора, так что общая системная погрешность усиления сравнима с вариантом использования токоизмерительного резистора с точностью 0,1% или выше. Технология интегрированного шунта, используемая в INA250 и INA260, позволяет пропускать рабочие токи до 15 А.

Выбор компонентов упрощается благодаря тому, что характеристики точности для INA250 и INA260 даны с учетом токоизмерительного резистора. У INA250 общая максимальная системная погрешность коэффициента усиления составляет 0,3% при комнатной температуре и 0,75% в температурном диапазоне -40…125°С.

Для микросхем без встроенного шунтирующего резистора расчет точности, то есть общей погрешности усиления системы, должен учитывать погрешность и дрейф коэффициента усиления, номинальное значение и нестабильность сопротивления резистора. В связи с этим могут возникать трудности при подборе компонентов, соответствующих заданным требованиям точности системы.

INA260 выдает измеренные значения в цифровом виде, при этом максимальная общая погрешность коэффициента усиления при комнатной температуре составляет 0,15%. Эта цифра уже включает в себя и учитывает разброс значений интегрированного резистора и погрешность коэффициента усиления прибора. Соединения с токоизмерительным резистором выполнены внутри корпуса и откалиброваны для каждого устройства, что устраняет различия в сопротивлении, обусловленные точкой подключения.

Читайте также:  Аппарат токов для лечения

Интегрированный шунт позволяет обеспечить более высокую точность и снизить общую стоимость решения в разработках, где требуется прецизионная точность измерения тока. Для достижения в дискретном решении точности, обеспечиваемой в INA260, потребуется токоизмерительный усилитель с погрешностью коэффициента усиления менее 0,1% и резистор достаточно высокой точности – не менее 0,05%. В настоящее время резисторы повышенной мощности с погрешностью менее 0,1% продаются по достаточно высокой цене.

Еще одно преимущество интегрированного в INA260 резистора заключается в том, что его величина уже откалибрована, так что считываемые значения тока легко преобразуются в амперы. Другие цифровые измерители могут требовать программной обработки показаний с токоизмерительного резистора, или же она выполняется в основном процессоре системы.

Используемая в INA250 и INA260 технология интегрированного шунта обеспечивает высокую точность измерения тока, упрощает компоновку при проектировании печатной платы и выявление общей системной ошибки, и при этом может быть дешевле равноценных по точности дискретных решений.

При измерении с повышенной точностью больших токов, превышающих 15 А, могут быть подключены параллельно несколько микросхем INA250, как показано в техническом описании микросхемы, или могут быть использованы несколько INA260, показания которых суммируются в системном процессоре.

Если параллельное использование нескольких микросхем для контроля токов более 15 А нецелесообразно из-за увеличивающихся размеров платы, можно использовать другие микросхемы с аналоговым и цифровым выходом, например, INA210, INA226, INA233, с применением внешних шунтирующих резисторов.

Типовые варианты интегральных измерителей тока

На основе серийно производимых микросхем INA250 и INA260 компания TI разработала и предлагает ряд готовых типовых решений для демонстрации процесса измерений тока. Полностью собранные платы TIDA-00614 и TIDA-01608 были специально разработаны для тестирования и оценки производительности интегральных измерителей тока с встроенным шунтом в конкретных условиях. Но подчеркивая демонстрационный характер изделий, компания отмечает, что именно эти платы не продаются в готовом виде. Для знакомства с возможностями микросхем предусмотрены другие отладочные платы – INA260EVM и INA250EVM.

TIDA-00614 – двунаправленный измеритель тока с интегральным шунтом на 30 А

Эта плата (рисунок 4) позволяет точно измерять ток в диапазоне до 30 А на шине с синфазным напряжением до 36 В при температурах -40…85°С. Ток нагрузки делится примерно пополам между цепями двух шунтирующих резисторов. Соответствующее току первого канала напряжение с выхода усилителя (OUT) поступает на вход REF второго канала. Устройство суммирует выходные напряжения двух микросхем INA250A2 и генерирует общее выходное напряжение относительно вывода GND. Схема измерительной платы TIDA-00614 представлена на рисунке 5.

Рис. 4. Плата TIDA-00614

Рис. 4. Плата TIDA-00614

Особенности TIDA-00614

  • Компактная конструкция с хорошими температурными характеристиками
  • Устойчивое измерение тока до 30 А с помощью двух усилителей с параллельно подключенными интегрированными токоизмерительными шунтами
  • Возможность конфигурирования для полного и частичного, положительного и отрицательного диапазонов измерения двунаправленного тока
  • В комплект устройства входят документация, проектные данные и файлы макета платы.

Рис. 5. Электрическая схема токоизмерительной платы TIDA-00614

Рис. 5. Электрическая схема токоизмерительной платы TIDA-00614

TIDA-01608 – изолированный датчик тока с интегрированным резисторным шунтом и интерфейсом I²C

На рисунке 6 представлена собранная плата измерителя TIDA-01608, а на рисунке 7 – принципиальная схема устройства. Плата позволяет с высокой точностью измерять ток на шине с напряжением в сотни вольт и служит примером устройств, разрабатываемых для оборудования солнечной энергетики и серверных блоков питания с их потребностью в широком диапазоне входного напряжения высокого уровня. На плате TIDA-01608 размещены: микросхема INA260 с интегрированным резистивным шунтом для измерения тока, два двунаправленных буфера P82B96, упрощающие соединение I²C, цифровой изолятор ISOW7842, который обеспечивает гальваническую развязку измерительных и управляющих цепей. Измеряемое микросхемой INA260 синфазное напряжение ограничено уровнем 36 В, поэтому использование ISOW7842 позволяет разработчику решить задачу измерения тока в высоковольтных цепях.

Рис. 6. Плата TIDA-01608

Рис. 6. Плата TIDA-01608

Особенности TIDA-01608

  • Измерение тока высоковольтной шины (±1 кВ)
  • Изолированные цепи нагрузки с высоким напряжением
  • Совместимость с шиной I²C
  • Усиленная изоляция цифрового интерфейса I²C с микроконтроллером
  • Системная погрешность 1%

Рис. 7. Электрическая схема токоизмерительной платы TIDA-01608

Рис. 7. Электрическая схема токоизмерительной платы TIDA-01608

Заключение

Микросхема INA250 является интегральным преобразователем «ток-напряжение», а INA260 применяется в качестве конвертора измеряемого аналогового сигнала в цифровой код. Оба типа микросхем позволяют контролировать как ток, потребляемый нагрузкой от шины питания, так и ток, вытекающий из нагрузки в шину заземления.

Микросхемы со встроенным резистивным шунтом INA250 и INA260 обладают целым рядом преимуществ в сравнении с другими интегральными измерителями, использующими внешний шунт. INA250 и INA260 с встроенным прецизионным шунтом обеспечивают гарантированную точность измерения и позволяют сократить занимаемую на плате площадь, трудоемкость и стоимость реализации измерителя тока.

Источник

Использование датчика тока ACS712. Часть 1 — Теория

Allegro ACS712

Измерение и контроль протекающего тока являются принципиальным требованием для широкого круга приложений, включая схемы защиты от перегрузки по току, зарядные устройства, импульсные источники питания, программируемые источники тока и пр. Один из простейших методов измерения тока –использование резистора с малым сопротивлением, – шунта между нагрузкой и общим проводом, падение напряжения на котором пропорционально протекающему току. Несмотря на то, что данный метод очень прост в реализации, точность измерений оставляет желать лучшего, т.к. сопротивление шунта зависит от температуры, которая не является постоянной. Кроме того, такой метод не позволяет организовать гальваническую развязку между нагрузкой и измерителем тока, что очень важно в приложениях, где нагрузка питается высоким напряжением.

Датчик тока Allegro ACS712

Основные недостатки измерения тока с помощью резистивного шунта:

  • нагрузка не имеет прямой связи с «землей»;
  • нелинейность измерений, обусловленная температурным дрейфом сопротивления резистора;
  • отсутствие гальванической развязки между нагрузкой и схемой измерения.

В статье мы рассмотрим экономичный и прецизионный интегральный датчик тока Allegro ACS712, принцип его работы, основанный на эффекте Холла, характеристики и способ подключения к микроконтроллеру для измерения постоянного тока. Статья разделена на две части: первая посвящена устройству и характеристикам датчика, вторая – интерфейсу с микроконтроллером и работе с датчиком.

Датчик тока ACS712 основан на принципе, открытом в 1879 году Эдвином Холлом (Edwin Hall), и названным его именем. Эффект Холла состоит в следующем: если проводник с током помещен в магнитное поле, то на его краях возникает ЭДС, направленная перпендикулярно, как к направлению тока, так и к направлению магнитного поля. Эффект иллюстрируется Рисунком 2. Через тонкую пластину полупроводникового материала, называемую элементом Холла, протекает ток I. При наличии магнитного поля на движущиеся носители заряда (электроны) действует сила Лоренца, искривляющая траекторию движения электронов, что приводит к перераспределению объемных зарядов в элементе Холла. Вследствие этого на краях пластины, параллельных направлению протекания тока, возникает ЭДС, называемая ЭДС Холла. Эта ЭДС пропорциональна векторному произведению индукции B на плотность тока I и имеет типовое значение порядка нескольких микровольт.

Микросхема ACS712 выпускается в миниатюрном 8-выводном корпусе SOIC для поверхностного монтажа (Рисунок 3). Она состоит из прецизионного линейного датчика Холла с малым напряжением смещения и медного проводника, проходящего у поверхности чипа и выполняющего роль сигнального пути для тока (Рисунок 4). Протекающий через этот проводник ток, создает магнитное поле, воспринимаемое встроенным в кристалл элементом Холла. Сила магнитного поля линейно зависит от проходящего тока. Встроенный формирователь сигнала фильтрует создаваемое чувствительным элементом напряжение и усиливает его до уровня, который может быть измерен с помощью АЦП микроконтроллера.

Микросхема ACS712 в корпусе SOIC

Внутренняя конструкция датчика тока ACS712

На Рисунке 5 показано расположение выводов ACS712 и типовая схема его включения. Выводы 1, 2 и 3,4 образуют проводящий путь для измеряемого тока с внутренним сопротивлением порядка 1.2 мОм, что определяет очень малые потери мощности. Его толщина выбрана такой, чтобы прибор выдерживал силу тока в пять раз превышающую максимально допустимое значение. Контакты силового проводника электрически изолированы от выводов датчика (выводы 5 – 8). Расчетная прочность изоляции составляет 2.1 кВ с.к.з.

В низкочастотных приложениях часто требуется включить на выходе устройства простой RC фильтр, чтобы улучшить отношение сигнал-шум. ACS712 содержит внутренний резистор RF, соединяющий выход встроенного усилителя сигнала со входом выходной буферной схемы (см. Рисунок 6). Один из выводов резистора доступен на выводе 6 микросхемы, к которому подключается внешний конденсатор CF. Следует отметить, что использование конденсатора фильтра приводит к увеличению времени нарастания выходного сигнала датчика и, следовательно, ограничивает полосу пропускания входного сигнала. Максимальная полоса пропускания составляет 80 кГц при емкости фильтрующего конденсатора равной нулю. С ростом емкости CF полоса пропускания уменьшается. Для снижения уровеня шума при номинальных условиях рекомендуется устанавливать конденсатор CF емкостью 1 нФ.

Чувствительность и выходное напряжение ACS712

Выходное напряжение датчика пропорционально току, протекающему через проводящий путь (от выводов 1 и 2 к выводам 3 и 4). Выпускается три варианта токового датчика для разных диапазонов измерения:

  • ±5 А (ACS712-05B),
  • ±20 А (ACS712-20B),
  • ±30 А (ACS712-30A)
Читайте также:  Что опасно для двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Соответствующие уровни чувствительности составляют 185 мВ/А, 100 мА/В и 66 мВ/A. При нулевом токе, протекающем через датчик, выходное напряжение равно половине напряжения питания (Vcc/2). Необходимо заметить, что выходное напряжение при нулевом токе и чувствительность ACS712 пропорциональны напряжению питания. Это особенно полезно при использовании датчика совместно с АЦП.

Точность любого АЦП зависит от стабильности источника опорного напряжения. В большинстве схем на микроконтроллерах в качестве опорного используется напряжение питания. Поэтому при нестабильном напряжении питания измерения не могут быть точными. Однако если опорным напряжением АЦП сделать напряжение питания датчика ACS712, его выходное напряжение будет компенсировать любые ошибки аналого-цифрового преобразования, обусловленные флуктуациями опорного напряжения.

Рассмотрим эту ситуацию на конкретном примере. Допустим, что для опорного напряжения АЦП и питания датчика ACS712 используется общий источник Vcc = 5.0 В. При нулевом токе через датчик его выходное напряжение составит Vcc/2 = 2.5 В. Если АЦП 10-разрядный (0…1023), то преобразованному выходному напряжению датчика будет соответствовать число 512. Теперь предположим, что вследствие дрейфа напряжение источника питания установилось на уровне 4.5 В. Соответственно, на выходе датчика будет 4.5 В/2 = 2.25 В, но результатом преобразования, все равно, будет число 512, так как опорное напряжение АЦП тоже снизилось до 4.5 В. Точно также, и чувствительность датчика снизится в 4.5/5 = 0.9 раз, составив 166.5 мВ/А вместо 185 мВ/А. Как видите, любые колебания опорного напряжения не будут источником ошибок при аналого-цифровом преобразовании выходного напряжения датчика ACS712.

На Рисунке 7 представлены номинальные передаточные характеристики датчика ACS712-05B при напряжении питания 5.0 В. Дрейф выходного напряжения в рабочем диапазоне температур минимален благодаря инновационной технологии стабилизации.

Часть 2 — Подключение датчика к микроконтроллеру и работа с ним

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

Источник



Датчик тока (Trema-модуль V2.0)

Общие сведения:

Trema-модуль Датчик тока — это аналоговый модуль, позволяющий определять силу как постоянного, так и переменного тока до 5А. Для определения силы тока протекающего по исследуемой цепи, нужно один из её проводов подключить через клеммник на плате модуля. Потенциал на выходе модуля «S» (Signal) будет меняться в соответствии с направлением и силой измеряемого тока.

Видео:

Спецификация:

  • Чип ACS712ELCTR-05B-T.
  • Питание модуля: 5 В постоянного тока.
  • Измеряемый постоянный ток: ±5 А.
  • Измеряемый переменный ток:

5 А.

  • Максимальное напряжение исследуемой цепи: 300 В.
  • Частота измеряемого переменного тока: до 60 Гц.
  • Сопротивление между выводами клеммника: 1,2 мОм.
  • Потенциал на выходе «S» при отсутствии измеряемого тока: Vcc/2 В.
  • Чувствительность модуля: 130,7 мВ/A. (Ток в 1 А смещает потенциал выхода «S» на 130,7 мВ).
  • Рабочая температура: -40 . 85 °C.
  • Габариты модуля 30×30 мм.
  • Все модули линейки «Trema» выполнены в одном формате

    Подключение:

    Trema-модуль Датчик тока (5А) является аналоговым модулем, а значит его выход «S» (Signal) подключается к любому аналоговому входу Arduino.

    В комплекте имеется кабель для быстрого и удобного подключения модуля к Trema Shield .

    Модуль удобно подключать 3 способами, в зависимости от ситуации:

    Способ — 1 : Используя проводной шлейф и Piranha UNO

    Используя провода «Папа — Мама», подключаем напрямую к контроллеру Piranha UNO

    Способ — 2 : Используя Trema Set Shield

    Модуль можно подключить к любому из аналоговых входов Trema Set Shield.

    Способ — 3 : Используя проводной шлейф и Shield

    Используя 3-х проводной шлейф, к Trema Shield, Trema-Power Shield, Motor Shield, Trema Shield NANO и тд.

    Питание:

    Входное напряжение питания 5 В постоянного тока, подаётся на выводы «V» (Vcc) и «G» (GND) модуля.

    Подробнее о модуле:

    Trema-модуль Датчик тока (5А) построен на базе чипа ACS712 (Analog Current Sensor). Выводы чипа подключённые к клеммнику модуля соединены внутри чипа медной дорожкой, расположенной вблизи датчика Холла. При наличии тока протекающего по этой медной дорожке, генерируемое им магнитное поле, воспринимается датчиком Холла и преобразуется в напряжение на выходе чипа, пропорциональное силе тока. Таким образом выводы подключаемые к исследуемой цепи (ток которой измеряется) электрически изолированы от выхода и шины питания модуля. Для улучшения соотношения сигнал-шум, на выходе Trema модуля установлен RC-фильтр.

    Для определения силы тока протекающего по исследуемой цепи, нужно один из проводов этой цепи подключить через клеммник на плате модуля.

    Подключение датчика тока к Arduino

    Ток протекающий через клеммы Trema-модуля Датчик тока (5А) генерирует магнитное поле, которое воспринимается датчиком Холла и преобразуется в напряжение на выходе «S» модуля, пропорциональное силе и направлению измеряемого тока.

    Для работы с модулем предлагаем воспользоваться библиотекой iarduino_ACS712, в которой реализовано по 4 функции для работы с постоянным и переменным током:

    • 4 функции для работы с постоянным током: setZeroVDC(), getZeroVDC(), readDC(), calibrationDC().
    • 4 функции для работы с переменным током: setZeroVAC(), getZeroVAC(), readAC(), calibrationAC().

    Перечисленные функции идентичны по назначению и отличаются лишь окончанием DC (для постоянного тока) / AC (для переменного тока).

    Чтение силы тока осуществляется вызовом функции readDC() или readAC(), например, float i = readDC() // прочитать силу постоянного тока в переменную i. Функция не только возвращает силу тока в амперах, но и автоматически сглаживает выводимые показания (чем чаще вызывается функция, тем сильнее сглаживание показаний — показания меняются плавнее).

    Если показания возвращаемые функцией readDC() или readAC() отличаются от реально измеренных, то их можно откорректировать вызвав функцию calibrationDC() или calibrationAC(), с параметром в виде числа от 0 до 1023 (по умолчанию 511). Данная функция удобна если для корректировки показаний датчика тока используется подстроечный резистор, подключённый к свободному аналоговому входу Arduino, показание АЦП которой как раз лежат в диапазоне от 0 до 1023. Например, calibrationDC(analogRead(A5)); // Показания возвращаемые функцией readDC() корректируются потенциометром подключённым к выводу A5.

    Напряжение на выходе модуля «S» может измениться при подключении модуля к цепи измеряемого тока, даже если цепь обесточена. На это могут повлиять такие факторы как: токи утечки, электромагнитные и магнитные поля создаваемые другими цепями, или устройствами, намагниченные предметы вблизи модуля и т.д. Значит, перед началом работы с модулем, нужно указать напряжение на выходе «S» которое соответствует отсутствию тока в подключённой цепи. Это напряжение указывается через функцию setZeroVDC() или setZeroVAC(), например, setZeroVDC(2.5); // напряжение на выходе модуля при отсутствии измеряемого постоянного тока соответствует значению 2,5 В. Так же эта функция может быть использована если Вам требуется измерить не реальное значение тока, а отклонение показаний от требуемой силы тока.

    Получить среднее значение напряжения на выходе «S» модуля можно вызвав функцию getZeroVDC() или getZeroVAC(), например, float i = getZeroVDC(); // сохранить среднее значение напряжения в переменную i. Функция вернёт усреднённое напряжение в вольтах на выходе модуля, которое соответствует текущему току в измеряемой цепи. Далее это значение можно использовать в качестве параметра для функции setZeroVDC() или setZeroVAC().

    Если Вы желаете использовать модуль для измерения тока в разных цепях, то в коде setup можно указать: float i = getZeroVDC(); setZeroVDC(i); // получить и установить среднее значение напряжения на выходе модуля, например, соответствующее отсутствию постоянного тока в измеряемой цепи. Но тогда при каждом старте скетча, ток в цепи действительно должен отсутствовать.

    Если Вы желаете использовать модуль для измерения тока в одной и той же цепи, то можно считать напряжение на выходе модуля (при отсутствии измеряемого тока) используя функцию getZeroVDC() или getZeroVAC(), только один раз. Запомнить полученное значение. И переписать скетч, где в коде setup вызывать только функцию setZeroVDC() или setZeroVAC() с указанием этого значения, не вызывая функцию getZeroVDC() или getZeroVAC(). Например, setZeroVDC(2.5); Тогда обесточивать цепь при старте скетча не потребуется.

    Подробнее про установку библиотеки читайте в нашей инструкции..

    Примеры:

    Измерение постоянного тока:

    В данном скетче, Trema датчик тока 5A используется для вывода измеренного постоянного тока в монитор последовательного порта. Следующий скетч предназначен для измерения переменного тока и отличается от данного скетча только тем, что в нём изменены окончания функций библиотеки iarduino_ACS712 (вместо DC указано AC).

    Измерение переменного тока:

    В данном скетче, Trema датчик тока 5A используется для вывода измеренного переменного тока в монитор последовательного порта. Данный скетч отличается от предыдущего только тем, что в нём изменены окончания функций библиотеки iarduino_ACS712 (вместо DC указано AC).

    Измерение переменного тока с регулировкой показаний:

    Как видно из предыдущих скетчей, функция calibrationDC() или calibrationAC(), позволяет откорректировать выводимые показания, но её удобно использовать с подстроечным резистором подключённым к свободному аналоговому входу Arduino, что и сделано в следующем скетче:

    В данном скетче, показания силы тока, можно корректировать поворотом потенциометра. Центральное положение потенциометра будет означать отсутствие корректировки, а его поворот влево или вправо, будет линейно уменьшать или увеличивать показания. Аналогичным образом можно создать скетч для измерения постоянного тока с регулировкой показаний. Все представленные скетчи имеются в примерах библиотеки iarduino_ACS712.

    Описание основных функций библиотеки:

    Библиотека iarduino_ACS712 предназначена для работы только с Trema датчиком тока 5A .

    Источник