Подключение трансформатора тока к микроконтроллеру

Часть 1 — Теория

Подключение датчика тока к микроконтроллеру

Ознакомившись с основами теории, мы можем переходить к вопросу считывания, преобразования и визуализации данных. Другими словами мы спроектируем простой измеритель постоянного тока.

Подключение трансформатора тока к микроконтроллеру

Аналоговый выход датчика подключается к одному из каналов АЦП микроконтроллера. Все необходимые преобразования и вычисления реализуются в программе микроконтроллера. Для отображения данных используется 2-строчный символьный ЖК индикатор.

Экспериментальная схема

Для экспериментов с датчиком тока необходимо собрать конструкцию согласно схеме, приведенной на Рисунке 8. Автор использовал для этого макетную плату и модуль на базе микроконтроллера (Рисунок 9).

Модуль датчика тока ACS712-05B можно приобрести готовый (на eBay он продается совсем недорого), или изготовить самостоятельно. Емкость конденсатора фильтра выбрана равной 1 нФ, по питанию установлен блокировочный конденсатор 0.1 мкФ.

Для индикации включения питания припаян светодиод с гасящим резистором.

Питание и выходной сигнал датчика подведены на разъем с одной стороны платы модуля, 2-контактный разъем для измерения протекающего тока расположен с противоположной стороны.

Подключение трансформатора тока к микроконтроллеру
Рисунок 8. Схема подключения модуля датчика ACS712 и ЖК индикатора к микроконтроллеру.
Подключение трансформатора тока к микроконтроллеру
Рисунок 9. Макетная и отладочная платы для проведения экспериментов.

Для экспериментов по измерению тока регулируемый источник постоянного напряжения подключим к токоизмерительным выводам датчика через последовательный резистор 2.7 Ом / 2 Вт. Выход датчика подключен к порту RA0/AN0 (вывод 17) микроконтроллера. Двухстрочный символьный ЖК индикатор подключен к порту B микроконтроллера и работает в 4-битном режиме.

Микроконтроллер питается напряжением +5 В, это же напряжение используется в качестве опорного для АЦП. Необходимые вычисления и преобразования реализуются в программе микроконтроллера.

Математические выражения, используемые в процессе преобразования, приведены ниже.

Чувствительность датчика тока Sens = 0.185 В/А. При питании Vcc = 5 В и опорном напряжении Vref = 5 В расчетные соотношения будут следующими:

Выходной код АЦП

Подключение трансформатора тока к микроконтроллеру

где

Подключение трансформатора тока к микроконтроллеру

Следовательно

Подключение трансформатора тока к микроконтроллеру

В итоге, формула для вычисления тока получается следующей:

Подключение трансформатора тока к микроконтроллеру

Важное замечание. Представленные выше соотношения основаны на предположении, что напряжение питания и опорное напряжение для АЦП равны 5 В. Однако последнее выражение, связывающее ток I и выходной код АЦП Count, сохраняет силу даже при флуктуациях напряжения источника питания. Об этом шла речь в теоретической части описания.

Из последнего выражения видно, что разрешение датчика по току составляет 26.4 мА, чему соответствуют 513 отсчетов АЦП, что на один отсчет превышает ожидаемый результат.

Таким образом, мы можем заключить, что данная реализация не позволяет измерять малые токи.

Для увеличения разрешения и повышения чувствительности при измерении малых токов потребуется использование операционного усилителя. Пример такой схемы показан на Рисунке 10.

Подключение трансформатора тока к микроконтроллеру
Рисунок 10. Схема модуля датчика ACS712 для измерения малых токов.

Программа микроконтроллера

Программа микроконтроллера PIC16F1847 написана на языке Си и скомпилирована в среде mikroC Pro (mikroElektronika). Результаты измерений отображаются на двухстрочном ЖК индикаторе с точностью до двух десятичных знаков.

Выход

При нулевом входном токе выходное напряжение датчика ACS712 в идеальном случае должно быть строго Vcc/2, т.е. с АЦП должно быть считано число 512. Дрейф выходного напряжения датчика на 4.

9 мВ вызывает смещение результата преобразования на 1 младший разряд АЦП (Рисунок 11). (Для Vref = 5.0 В, разрешение 10-битного АЦП будет 5/1024= 4.9 мВ), что соответствует 26 мА входного тока.

Заметим, что для уменьшения влияния флуктуаций желательно производить несколько измерений, и затем усреднять их результаты.

Подключение трансформатора тока к микроконтроллеру
Рисунок 11. Смещение 20 мА при нулевом токе через датчик ACS712.

Если выходное напряжение регулируемого источника питания установить равным 1 В, через резистор должен протекать ток порядка 370 мА. Измеренное значение тока в эксперименте – 390 мА, что превышает правильный результат на одну единицу младшего разряда АЦП (Рисунок 12).

Подключение трансформатора тока к микроконтроллеру
Рисунок 12. Показания индикатора при измерении тока 370 мА.

При напряжении 2 В индикатор покажет 760 мА.

На этом мы завершим обсуждение датчика тока ACS712. Однако мы не коснулись еще одного вопроса. Как с помощью этого датчика измерять переменный ток? Имейте ввиду, что датчик обеспечивает мгновенный отклик, соответствующий току, протекающему через измерительные выводы.

Если ток течет в положительном направлении (от выводов 1 и 2 к выводам 3 и 4), чувствительность датчика положительная, и выходное напряжение больше Vcc/2. Если же ток меняет направление, чувствительность будет отрицательной, и выходное напряжение датчика опустится ниже уровня Vcc/2.

Это означает, что при измерении переменного сигнала АЦП микроконтроллера должен делать выборки достаточно быстро, чтобы иметь возможность вычислять среднеквадратичное значение тока.

Загрузки

Исходный код программы микроконтроллера и файл для прошивки — скачать

Подключение датчика переменного тока SCT-013-000 к Arduino, ESP8266 или NodeMCU

Датчик тока SCT-013-030 представляет собой неинвазивный датчик тока, принцип которого похож на работу трансформатора. Силовой кабель пропускается через датчик, и по сути является первичной обмоткой трансформатора с одним витком.

На магнитопровод намотан тонкий медный провод в несколько тысяч витков (например, для модели SCT-013-030 количество витков вторичной обмотки составляет 2000). Таким образом, 100А переменного тока силового кабеля создают 50 мА тока во вторичной обмотке.

Соответственно, двухжильный вывод датчика и создает переменный ток, величина которого пряма пропорциональна току силового кабеля.

Принцип работы и схема подключения

АЦП
микроконтроллеров способно воспринимать только напряжение, а не ток. Соответственно,
вторичную обмотку нужно нагрузить нагрузочным резистором – на его концах и
появится напряжение. Однако это напряжение будет переменным, а АЦП
микроконтроллера способно воспринимать только положительное напряжение.

Для
этого необходимо поднять ноль на половину напряжение питания микроконтроллера;
для Arduino это
будет половина от 5В, для NodeMCU–
половина от 3,3В. Делается это классическим делителем напряжения из двух
одинаковых резисторов по 10 кОм каждый. Кроме того, стоит поставит конденсатор
между землей и половиной питания.

Таким образом, принципиальная схема будет
иметь вид:

Подключение трансформатора тока к микроконтроллеру

  • Идеальный
    нагрузочный резистор для микроконтроллеров с питанием 5В – 35,4 Ом (можно взять
    на 33 Ома)
  • Идеальный
    нагрузочный резистор для микроконтроллера с питанием 3,3В – 19,1 Ом. (можно
    взять на 18 Ом при работе микроконтроллера от батарей или 22 Ома при работе от сети)
  • В
    качестве конденсатора достаточно взять любой подходящий на 10 мкФ.

Чтобы
самостоятельно рассчитать значения нагрузочных резисторов, можно
воспользоваться формулами с официального сайта производителя https://openenergymonitor.org/forum-archive/node/156.html

Распиновка
штекера датчика (хотя лично я использовал для отладки dupont-кабель, а впоследствии пайку):

Подключение трансформатора тока к микроконтроллеру

Для работы с подобным датчиком и подобным обвесом есть библиотека EmonLib. Скачать можно тут:https://github.com/openenergymonitor/EmonLib

Готового
примера из библиотеки достаточно, чтобы понять, как оно работает:

  • #include «EmonLib.h»
  • EnergyMonitor emon1;
  • void setup(){
  • Serial.begin(9600);
  • emon1.current(0, 80);
  • }
  • void loop(){
  • double Irms = emon1.calcIrms(1480);
  • Serial.println(Irms);
  • }

Функция emon1.current(0, 80) – имеет два параметра. Первый параметр, номер аналогового порта, куда подключен датчик, второй – калибровочный коэффициент, который лично я подбирал экспериментальным путем. В моем случае (нагрузочный резистор 22 Ом, напряжение питания 3,3В, коэффициент составил 80). Калибровать лучше всего сторонним амперметром переменного тока.

Дальнейшее
развитие идеи и замечания

  • Нелинейность датчика составляет приблизительно 3% от максимально измеряемого тока. То есть в случае 100A-ного датчика показания будут гулять в +-3A. [источник Datasheet]. Для меньшего предельного тока выбирайте подходящий датчик, не покупайте «с запасом» по уровню тока.
  • У меня снятое напряжение с датчика отправляется на собственный сервер Blynk, что позволяет грубо отслеживать энергопотребление удаленного от меня дома.
  • Стоит отдельно сказать о том, что датчик показывает именно ток. При стабильном сетевом напряжении в 230 вольт этот ток можно перевести в ватты или киловатты, просто умножив ток на сетевое напряжение. Однако в сельской местности напряжение периодически проседает, и это необходимо учитывать.
  • При отладке я чуть мозг себе не сломал из-за херово работающего dupont-контакта на аналоговый порт. Убедитесь в качественном контакте, чтобы не терять зря целый вечер, как я.
  • Датчик ловит большом количество электромагнитных шумов даже при полном отсутствии какой бы то ни было нагрузки (особенно, около ртутных ламп-трубок, особенно, если он рассчитан на 100А), поэтому это тоже стоит учитывать и, возможно, ставить какой-от программный фильтр. В моем случае датчик обнаруживал в воздухе около 0,03-0,05А тока.
  • Подключить датчик SCT-013-000 к Raspberry не выйдет, так как он отдает аналоговый сигнал, а «голый», без обвеса шилдами raspberry не обладает АЦП. Либо надо покупать шилд АЦП для малинки, либо, что проще, использовать в качестве АЦП Arduino Nano и Arduino Micro, а на «малинку» отдавать уже готовые значения. Притом на Ардуино можно организовать даже примитивный программный фильтр.
Читайте также:  Советы по устранению боли в спине

Трансформатор тока для детектирования включений нагрузки в сети 220В

Подключение трансформатора тока к микроконтроллеруСердечник и вторичная обмотка самодельного трансформатора тока

Недавно у меня возникла необходимость определять на микроконтроллере моменты включения/выключения погружного насоса с поплавковым выключателем, запитанного от сети 220В, т.е. по сути определять наличие потребляемого тока в цепи питания насоса. Когда речь идет об измерениях в сети 220В, то в первую очередь стоит подумать о том, как обеспечить качественную гальваническую развязку, т.е. отсутствие электрического контакта между высоковольтными и низковольтными цепями.

Пожалуй самым простым и быстрым решением было бы взять готовый модуль на эффекте Холла (например на микросхеме ACS712). Однако мне такой вариант не подошёл по двум причинам.

Во-первых, он требует питания 5В, а у меня всё было запитано от 3.3В.

Во-вторых, он включается в разрыв измеряемой цепи, а мне было очень важно не нарушить работу насоса даже в случае ошибки проектирования или выхода из строя датчика.

Как ни странно, нагуглить готовое решение без специальных модулей для такой казалось бы простой задачи не удалось, поэтому здесь хочу поделиться опытом расчета и изготовления простейших измерительных трансформаторов тока.

Принцип работы трансформатора тока

Пожалуй каждый, кто когда-нибудь работал с аналоговой электроникой, сталкивался наводками от сети 220В. Казалось бы, если от этих наводок так сложно избавиться, то может быть и определить включение нагрузки должно быть очень легко? Однако всё оказалось не совсем так просто.

Действительно, простейший измерительный трансформатор тока можно сделать из мотка обычного двухжильного силового кабеля — по одной из жил запустить измеряемый ток, а с другой снимать полезный сигнал.

Попробуем прикинуть (хотя бы по порядку величины), какое напряжение образуется на концах «сигнальной» жилы, если через «силовую» пропустить ток к целевой нагрузке? Может этого будет уже достаточно для решения поставленной задачи?

Моток кабеля в такой конфигурации по сути представляет собой трансформатор с воздушным сердечником. Ток, проходящий через витки силовой жилы, формирует переменное магнитное поле. Это поле создаёт электродвижущую силу ЭДС индукции в каждом витке сигнальной жилы. Величина ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока проходящего через окружённую витком поверхность:

Если предположить, что витки в мотке кабеля уложены достаточно плотно, а ток в измерительной жиле равен нулю, то магнитный поток через все витки будет одинаковым, и его можно будет посчитать как произведение индуктивности одного витка , числа витков и тока в силовой жиле . ЭДС во всех измерительных витках будет одинакова и суммарное напряжение на концах сигнальной жилы будет равно произведению числа витков на ЭДС в одном витке:

В бытовой сети переменного тока , где — частота, равная 50 Гц, а — амплитудное значение силы тока. Значение можно определить исходя из мощности нагрузки и действующего значения напряжения , равного 230 В. В итоге для производной тока по времени получаем такую формулу:

Например, для нагрузки мощностью 1 кВт, подключённой к обычной бытовой сети с напряжением 230 В, вычисленная по этой формуле амплитуда производной тока по времени получится чуть меньше 2000 ампер в секунду.

Индуктивность одного витка посчитаем исходя из радиуса нашего мотка и радиуса проволоки, из которой сделана жила кабеля :

Здесь — магнитная постоянная. Для мотка кабеля диаметром 10 см, имеющего жилы диаметром 2 мм, индуктивность витка получается около 0.25 мкГн. Если такой моток сделать из кабеля длиной 10 метров, то получится около 30 витков. В итоге для нашей нагрузки в 1 кВт напряжение на разомкнутой сигнальной жиле получится таким:

Значение получается вполне детектируемое, но что произойдёт в момент включения или выключения нагрузки, когда ток может изменяться в десятки или даже сотни раз быстрее, чем при нормальной работе? В этом случае вместо 450 мВ на концах сигнальной жилы может быть скачок напряжения в несколько десятков или даже сотню вольт, который вполне может повредить вход микроконтроллера.

Чтобы решить проблему с зависимостью ЭДС индукции от частоты сигнала, в трансформаторах тока используется совсем другой режим работы — вместо того, чтобы разомкнуть вторичную обмотку и измерять на ней напряжение, она замыкается накоротко и измеряется проходящий через неё ток.

Как только в сигнальной жиле появляется ток, он создаёт своё собственное магнитное поле, направленное противоположно исходному. В идеальном случае ток в сигнальной жиле мгновенно вырастет настолько, что полностью компенсирует магнитный поток силовой жилы.

Для рассмотренного выше случая с одинаковым числом витков силы тока в двух жилах окажутся равны, а ЭДС индукции в сигнальной жиле будет стремиться к нулю.

При разном числе витков отношение токов в силовой и сигнальной обмотках будет определяться отношением числа витков: , а суммарный магнитный поток и ЭДС индукции также будут стремиться к нулю.

Конструкция трансформатора тока

В реальном мире у сигнальной жилы есть ненулевое пассивное сопротивление и для создания в ней тока необходимо ненулевое значение ЭДС индукции, а значит магнитный поток силовой обмотки должен быть скомпенсирован не полностью.

Чтобы ток в сигнальной обмотке был максимально близок к идеальному, нужно максимизировать отношение напряжения разомкнутой обмотки к реальному падению напряжения, необходимому для создания этого тока.

Этого можно добиться разными способами:

  • снижением целевого падения напряжения на сигнальной обмотке
  • увеличением числа витков силовой обмотки
  • увеличением числа витков сигнальной обмотки
  • увеличением индуктивности каждого витка

Минимизировать напряжение на сигнальной обмотке можно за счёт более чувствительной схемы измерения тока. В самом простом случае ток преобразуется в напряжение на шунтирующем резисторе и падение напряжения определяется диапазоном детектируемых токов и характеристиками аналогового входа микроконтроллера.

Существенно увеличить число витков в силовой обмотке сложно, т.к. через неё подключается нагрузка, а значит у неё должно быть и сечение достаточно большое, и изоляция надёжная.

А вот в сигнальной обмотке число витков можно увеличить весьма значительно, причём поскольку ток в сигнальной обмотке обратно пропорционален числу витков в ней, сечение провода также можно существенно уменьшить.

Именно поэтому в токовых трансформаторах в сигнальной обмотке обычно значительно больше витков, чем в силовой.

Индуктивность каждого витка можно очень сильно увеличить с помощью ферромагнитного магнитопровода.

Обычная электротехническая сталь увеличивает магнитную индукцию в несколько тысяч раз, а также концентрирует магнитное поле внутри магнитопровода, обеспечивая полноту прохождения магнитного потока через витки сигнальной обмотки.

Например один виток на ферритовом кольце R36x23x15 PC40 имеет индуктивность около 3 мкГн, что в 12 раз больше, чем те 0.25 мкГн, которые у нас получились для витка в мотке кабеля намного больших размеров.

Наличие магнитопровода в конструкции трансформатора приводит и к некоторым ограничениям:

  • Напряжённость поля внутри сердечника ограничена эффектом магнитного насыщения, т.е. чем больше измеряемый ток — тем больше должно быть сечение сердечника, чтобы распределить магнитное поле по большей площади.
  • Сердечник должен успевать перемагничиваться вслед за изменением магнитного поля силовой обмотке, т.е. частота изменения измеряемого тока ограничена характеристиками материала сердечника.
  • При перемагничивании сердечника выделяется тепло, что ограничивает произведение частоты изменения тока на величину магнитного поля.

Все эти ограничения однако больше влияют на конструкцию силовых трансформаторов, а для измерительного трансформатора достаточно легко можно обеспечить очень большой запас по каждому из этих ограничений.

От теории к практике

Токовый трансформатор SCT-013

Трансформаторы тока повсеместно используются для измерений в сети 220В.

Можно купить готовый трансформатор и через простенькую аналоговую схему подключить его к микроконтроллеру, но возможность и желание ждать заказа есть не всегда, так что мы будем делать самодельный из подручных материалов — в надежде, что это получится и быстрее, и дешевле, и интереснее. Важно сказать, что у меня не было задачи сильно оптимизировать конструкцию — нужно было сделать быстро, просто и понятно, чтобы работало и не ломалось.

Читайте также:  Специфика ортопедической вальгусной шины

Чтобы получить достаточный запас по ЭДС индукции, но сохранить при этом небольшие габариты, я использовал в качестве магнитопровода ферритовое кольцо R36x23x15 PC40 (такое можно купить в ряде магазинов радиодеталей меньше чем за 100 рублей).

Первичную обмотку я сделал обычным силовым проводом, просто пропустив его несколько раз через кольцо. А сигнальную обмотку намотал тонким монтажным проводом с сечением 30AWG — таким просто удобнее сделать нужное число витков. Плотность и аккуратность намотки в данном случае были не важны, т.к.

достаточно было всего лишь обнаружить включение нагрузки, а не измерять потребляемый ток.

Чтобы оценить запас по ЭДС индукции, я посчитал ожидаемое напряжение на разомкнутой сигнальной обмотке при работающей нагрузке. Для этого сначала вычислил индуктивность одного витка провода на магнитопроводе:

Здесь — магнитная проницаемость материала (2300 для феррита PC40), — внешний радиус ферритового кольца,  — внутренний радиус,  — высота. Получилось значение около 3 мкГн.

Дальше я взял паспортную мощность погружного насоса, включения которого нужно было детектировать (320 Вт), и посчитал амплитуду напряжения на разомкнутой обмотке в зависимости от числа витков в первичной и вторичной обмотках:

Самодельный трансформатор тока, подключённый в цепь с тестовой нагрузкой

Поиграв с числом витков, я решил сделать 6 витков первичной обмотки и 130 витков вторичной. Так получился запас ЭДС около 1.

5 В и амплитуда тока в короткозамкнутой сигнальной обмотке чуть меньше 100 мА, что при использовании резистора на 5 Ом соответствует падению напряжения около 0.5 В.

Больше витков силового кабеля было бы сложнее впихнуть в просвет кольца, да и ток в сигнальной обмотке не хотелось делать слишком большим (т.к. она сделана из довольно тонкого провода).

При меньшем числе витков первичной обмотки для получения хорошего запаса по ЭДС пришлось бы сильно увеличить число витков во вторичной обмотке — а значит гораздо больше возиться с намоткой и получить для детектирования в несколько раз меньший ток.

Схема подключения к микроконтроллеру

На выходе трансформатора тока, шунтированного резистором, получается переменное напряжение, которое нужно как-то детектировать с помощью микроконтроллера.

Сначала я собирался использовать для этого диодный выпрямитель, однако это оказалось не очень удачной идеей. Дело в том, что на открытом диоде присутствует довольно значительный перепад напряжения, особенно если это не диод Шоттки.

Кроме того, детектировать переменный сигнал известной частоты проще в плане соотношения сигнал/шум.

В итоге я решил просто подать напряжение на шунтирующем резисторе (собранном из двух параллельно включённых резисторов R3 и R4 номиналом по 10 Ом) через токоограничивающий резистор R5 на АЦП-вход микроконтроллера A0. А чтобы выставить уровень напряжения при отсутствии тока в обмотке, сделал простой резистивный делитель R1/R2 со стабилизирующим конденсатором C1.

Схема подключения трансформатора тока к микроконтроллеру

Таким образом, при выключенной нагрузке на входе микроконтроллера будет напряжение, равное половине напряжения питания. А при включённой — колебания частотой 50 Гц вокруг половины напряжения питания с амплитудой, пропорциональной мощности нагрузки.

Резистор R5 не будет влиять на измерения, т.к. при нормальной работе ток через него пренебрежимо мал.

Но если по каким-то причинам на выходе трансформатора возникнет скачок напряжения, превышающий половину напряжения питания, в микроконтроллере откроется защитный диод D1 или D2, соединяющий вход с одной из линий питания.

В этом случае через резистор R5 потечёт ток, и напряжение будет падать на этом резисторе, а не на диоде. Таким образом, резистор R5 защищает вход микроконтроллера от скачков напряжения.

Код для микроконтроллера

Поскольку в моём случае достаточно было детектировать сам факт включения нагрузки, код получился очень простым:

int measureCurrent(){
int i;
const int cnt = 10;
int minv = 1025;
int maxv = -1;
for(i = 0; i < cnt; i++) { int value = analogRead(A0); if (value > maxv) {
maxv = value;
}
if (value < minv) { minv = value; } delay(2); } return maxv - minv; }

В течение одного периода колебаний измеряется максимальное и минимальное значение на АЦП и величина тока определяется по разности между ними. При включённном насосе функция возвращает значение более 200 отсчётов, а при выключенном — меньше 10.

График значений функции measureCurrent() в зависимости от времени

Заключение

В итоге получилась довольно простая, надёжная и дешёвая система детектирования включений погружного насоса. Она непрерывно работает уже 7 месяцев и пока не потребовала каких-либо вмешательств.

Сделать свой собственный трансформатор тока оказалось совсем несложно и достаточно интересно. Я постарался максимально подробно изложить здесь полученный при этом опыт. Надеюсь, эта статья позволит кому-нибудь быстрее разобраться в принципах работы трансформатора тока и реализовать свои собственные проекты с использованием этого элемента.

UPD: В х подсказали очень дешёвый вариант готового трансформатора тока — ZMCT103C, судя по характеристикам его вполне можно было бы использовать для решения моей задачи.

Датчик тока и напряжения на эффеке холла

Классификация датчиков

По своей сути каждый датчик является составной частью регулирующих, сигнальных, измерительных и управляющих приборов.

С его помощью преобразуется та или иная контролируемая величина в определенный тип сигнала, позволяющий измерять, обрабатывать, регистрировать, передавать и хранить полученную информацию. В некоторых случаях датчик может оказывать воздействие на подконтрольные процессы.

Всеми этими качествами в полной мере обладает датчик тока, используемый во многих устройства и микросхемах. Он преобразует воздействие электрического тока в сигналы, удобные для дальнейшего использования.

Датчики, применяемые в различных устройствах, классифицируются в соответствии с определенными признаками. По возможности измерений входных величин, они могут быть: электрическими, пневматическими, датчиками скорости, механических перемещений, давления, ускорения, усилия, температур и других параметров. Среди них измерение электрических и магнитных величин занимает примерно 4%.

Каждый датчик преобразует входную величину в какой-либо выходной параметр. В зависимости от этого, контрольные устройства могут быть неэлектрическими и электрическими.

  ТРАНСФОРМАТОР ТОКА – УСТРОЙСТВО И НАЗНАЧЕНИЕ

Среди последних чаще всего встречаются:

  • Датчики постоянного тока
  • Датчики амплитуды переменного тока
  • Датчики сопротивления и другие аналогичные приборы.

Основным достоинством электрических датчиков является возможность передачи информации на определенные расстояния с высокой скоростью. Применение цифрового кода обеспечивает высокую точность, быстродействие и повышенную чувствительность измерительных приборов.

Пример использования

Датчик тока подключается к нагрузке в разрыв цепи через колодки под винт. Для работы с датчиком мы можно использовать библиотеку TroykaCurrent, которая переводит значения аналогового выхода датчика в миллиамперы. В листинге 1 представлен скетч для измерения постоянного тока. Листинг 1

// пин подключения контакта OUT #define PIN_OUT A0 // подключение библиотеки #include // создание объекта ACS712 dataI(PIN_OUT); void setup() { // запуск последовательного порта Serial.begin(9600); } void loop() { // вывод показаний в последовательный порт Serial.

print(«i = «); Serial.print(dataI.readCurrentDC()); Serial.println(» A»); delay(1000); } Загружаем скетч на плату Arduino, подключаем нагрузку к источнику питания 12В и смотрим значение тока при подключении хоппера выдачи монет (рис.

4) и двигателя для вендингового аппарата (рис. 6).

Рисунок 3. Подключение хоппера выдачи монет к источнику питания 12В.

Рисунок 4. Измерение силы тока при подключении хоппера выдачи монет к источнику питания 12В.

Рисунок 5. Подключение двигателя для вендингового аппарата к источнику питания 12В.

Рисунок 6. Измерение силы тока при подключении двигателя для вендингового аппарата к источнику питания 12В.

В листинге 2 представлен скетч для измерения переменного тока.

Листинг 2

// пин подключения контакта OUT #define PIN_OUT A0 // подключение библиотеки #include // создание объекта ACS712 dataI(PIN_OUT); void setup() { // запуск последовательного порта Serial.begin(9600); } void loop() { // вывод показаний в последовательный порт Serial.

print(«Current is «); Serial.print(dataI.readCurrentAC()); Serial.println(» A»); delay(1000); }

Основные виды датчиков тока

Датчиками тока являются устройства, с помощью которых определяется сила постоянного или переменного тока в электрических цепях.

В их конструкцию входят магнитопровод с зазором и компенсационной обмоткой, датчик Холла, а также электронная плата, выполняющая обработку электрических сигналов.

Основным чувствительным элементом служит датчик Холла, закрепляемый в зазоре магнитопровода и соединяемый со входом усилителя.

  Как работает схема триггера на транзисторах

Принцип действия в целом одинаковый для всех подобных устройств. Под действием измеряемого тока возникает магнитное поле, затем, с помощью датчика Холла осуществляется выработка соответствующего напряжения. Далее это напряжение усиливается на выходе и подается на выходную обмотку.

Читайте также:  Какой провод нужен для заземления частного дома

Датчики прямого усиления (O/L)

Обладают небольшими размерами и массой, низким энергопотреблением. Диапазон преобразований сигналов существенно расширен. Позволяет избежать потерь в первичной цепи.

Работа устройства базируется на магнитном поле, которое создает первичный ток Ip. Далее происходит концентрация магнитного поля в магнитной цепи и его дальнейшее преобразование элементом Холла в воздушном зазоре.

Сигнал, полученный с элемента Холла усиливается и на выходе образуется пропорциональная копия первичного тока.

Датчики тока (Eta)

Характеризуются широким диапазоном частот и расширенным диапазоном преобразований. Преимуществами данных устройств является низкое энергопотребление и незначительное время задержки.

Работа устройства поддерживается однополярным питанием от 0 до +5 вольт. Действие прибора основано на комбинированной технологии, в которой используется компенсационный тип и прямое усиление.

Это способствует существенному улучшению характеристик датчика и более сбалансированному функционированию.

Датчики тока и трансформаторы тока

  • Контроль и измерение тока – это принципиальное требование для множества приложений, а также для схем защиты от перегрузок тока, импульсных источников питания, программируемых источников тока, зарядных устройств и др.
  • Датчики тока
  • Самый простой способ измерения тока – применить датчик постоянного тока, состоящий из резистора с незначительным сопротивлением, – шунта включенного последовательно с нагрузкой, где падение напряжения будет пропорционально протекающему току.

Этот метод, хотя и самый простой в реализации, требует более точного измерения, так как от непостоянной температуры зависит сопротивление шунта. К тому же этим способом невозможно организовать между измерителем и нагрузкой тока гальваническую развязку, необходимую в приложениях, так как питание нагрузки происходит благодаря высокому напряжению.

Недостатки измерения тока, часто встречающиеся при использовании резисторного шунта:

  • нагрузка не поступает напрямую на «землю»;
  • между схемой и нагрузкой измерения нет гальванической развязки;
  • нелинейность измерений, которая обусловлена из-за температурного дрейфа сопротивления резистора.

Для подобных измерений применяют прецизионный интегральный датчик тока Холла, к примеру, Allegro ACS712 (Рисунок 1). Этот прибор подключается к микроконтроллеру и передает данные о протекающем токе в проводнике. Принцип работы прибора основывается на простом эффекте Холла.

Рисунок 1.

При возникновении магнитного поля на быстро движущиеся электроны начинает оказывать влияние сила Лоренца, которая искривляет путь движения электронов, следствие чего происходит перераспределение зарядов в элементе Холла.

Прибор ACS712 выпускается в SOIC 8-ми выводном корпусе и предназначен для поверхностного монтажа.

Микросхема имеет встроенный датчик тока Холла, состоящего из малого напряжения смещения и медного проводника, расположенного на поверхности чипа.

Во время протекания тока через этот проводник, создается магнитное поле, которое воспринимается встроенным кристаллом элемента Холла. Встроенная схема формирования сигнала повышает уровень напряжения для возможности измерения внешним АЦП.

На Рисунке 2 изображена схема подключения ACS712 к внешним устройствам. На выводах 1-4 образуется проводящий путь измерения тока, внутреннее сопротивление которого порядка 1.2 МОм. Прочность изоляции пробора составляет 2.1 кВ.

Рисунок 2.

Любой АЦП имеет зависимость точности измерения и стабильности опорного напряжения. В применении микроконтроллерной техники, это напряжение часто выбирается из основного питающего. Поэтому для точных измерений нужно тщательно подходить к выбору источника опорного напряжения.

При подключении датчика тока в микроконтроллер заливается программа, основное тело которой можно видеть на Листинге 1.

void set (void){ Serial. begin(2400); } void loop(){ { float average = 1; for (int i = 0; i++; i < 100) { average = average + (.0264 * analog_Read(A6) -13.21) / 100; delay(100ms); } Serial. println(average); } }

  1. Результирующие данные можно передавать через COM-порт или другие доступные интерфейсы.
  2. Трансформаторы тока
  3. В электроустановках переменного напряжения для измерения силы тока применяют токовые трансформаторы.
  4. Основной класс трансформатора тока разделяется на восемь групп:
  1. По назначению (защитные, лабораторные, измерительные и промежуточные);
  2. По принципу установки (наружная, внутренняя установка, встроенные в машины и электрические аппараты, переносные и накладные);
  3. По конструктивным особенностям первичной обмотки трансформатора (одновитковые, многовитковые, шинные);
  4. По типу установки (опорные и проходные);
  5. По исполнению изоляции (бумажно-маслянная, сухая, газонаполненная);
  6. По ступеням трансформации и коэффициент трансформатора тока (одноступенчатые, каскадные), ВАХ характеристики;
  7. По допустимому рабочему напряжению (до 1000 В и выше 1000 В);
  8. Особые трансформаторы тока (пояс Роговского, нулевой последовательности).

Применение трансформатора тока повышает безопасность работы с контрольно-измерительными приборами, так как высоковольтные и низковольтные цепи имеют гальваническую развязку.

Первичная обмотка трансформатора включается последовательно в цепь измерения. Далее сигнал преобразуется во вторичный ток трансформатора тока.

На первичной обмотке чаще всего располагают несколько витков провода большого сечения. Измерительные трансформаторы тока работают совершенно в других условиях, например, в случаях с силовыми трансформаторами.

Вторичный ток трансформатора тока имеет небольшие значения.

Принцип работы токового трансформатора иллюстрирован на Рисунке 3. Через силовую обмотку протекает ток. Вокруг контура формируется магнитный поток, передающийся через магнитопровод. После пересечения перпендикулярно расположенных обмоток, образуется ЭДС, под влиянием которой возникает вторичный ток трансформатора тока.

  • Рисунок 3.
  • Промышленный трансформатор тока имеет подобный вид, как на Рисунке 4.
  • Рисунок 4.

Подключение трансформатора тока по схеме полной звезды представлено на Рисунке 5. Данная защита реагирует на любые типы короткого замыкания. При КЗ на землюгеометрическая сумма токов в реле будет сосредоточена в нулевом проводе. Поэтому реле в нулевом проводе может реагировать на утечки токов и короткое замыкание на землю.

Рисунок 5.

Волоконно-оптические датчики тока

Волоконно-оптические датчики тока работают по принципу эффекта Фарадея. В процессе распространения линий поляризованного света, сквозь оптические неактивные вещества наблюдается искривление угловой плоскости поляризации. Простой пример реализации данного датчика представлен на рисунке 6.

На Рисунке 7 показан пример реализации системы использования волоконного датчика тока, работающий по протоколу МЭК 61850-9-2LE.

Узнайте условия разработки промышленной электроники, отправив запрос на

Время выполнения запроса: 0,00291299819946 секунд.

Как подключить нагрузку к микроконтроллеру

Для подключения нагрузки к микроконтроллеру понадобятся следующие вещи:

  • сам микроконтроллер
  • биполярный транзистор NPN типа
  • два резистора R1(500Ом) и R2(5кОм)

Итак. Максимальный ток на вывод микроконтроллера составляет 20мА, напряжение на выходе составляет 5В. К примеру, мы хотим подключить к микроконтроллеру шаговый двигатель постоянного тока с управляющим напряжением 12В, током 200мА. Схема подключения следующая:

  • Подключение нагрузки к микроконтроллеру Раз ток вывода микроконтроллера может составлять максимум 20мА, а получить на нужно 200мА, то необходимо подобрать NPN транзистор с минимальным коэффициентом усиления
  • hFE = 200мА / 20мА = 10
  • Вообще говоря, плохим тоном считается выдавать из микрика максимальные 20мА, поэтому давайте рассчитывать на выход 10мА. Итак, настроились на снижение нагрузки на наш микроконтроллер вдвое, теперь будем подбирать транзистор с минимальным коэффициентом
  • hFE = 200мА / 10мА = 20
  • В таком случае максимальный ток коллектора, а соответственно и ток нагрузки составит
  • Ic=Ib*hFE=0,01А*20=0,2А=200мА
  • Итак, выберем любой подходящий нам транзистор, например буржуйский BC337.
  • Характеристики биполярного NPN транзистора BC337 следующие:
  • Vcb max = 50V
  • Vce max = 45V
  • Veb max = 5V
  • Ic max = 0.8A
  • hFE = 100

О, Боже! hFE=100! Это значит, что ток на нагрузке будет равен Ic=0,01*100=1А?

Нет! В этом случае транзистор откроется нараспашку, будет готов выдавать максимально допустимый для него ток 0,8А(см.характеристики выше), но фактически ток в цепи коллектор-эмиттер составит ток потребления двигателя (в нашем случае двигатель «кушает» 200мА).

В первую очередь нам необходимо подобрать резистор R1 для того, чтобы он ограничивал ток, выходящий из микроконтроллера. Расчет простой: необходимо напряжение питания 5В поделить на максимальный ток базы 10мА

R1 = 5В / 0.01А = 500Ом

Резистор R2 не является нагрузкой, он нужен для того, чтобы после снятия напряжения с базы, остатки тока между микроконтроллером и базой транзистора стравливались на землю. Иначе возможен случай, когда транзистор останется в открытом состоянии после снятия управляющего импульса. Рекомендуемый номинал резистора R2 — в 10 раз больше R1

  1. R2 = R1 * 10 = 5кОм
  2. Все просто!
  3. Теперь берем в руки паяльник, провода, отладочную плату и смело вперёд!
  4. Если у вас остались вопросы по данной теме, рекомендуем:

  Сети напряжением до и свыше 1000 вольт. В чем различия?

  • прочитать статьи электричество и резистор
  • оставить ниже комментарий с вопросом. Мы ответим и поможем =)

Автор публикации

не в сети 1 год

wandrys

877

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector