Αισθητήρες CT – Διασύνδεση με Arduino – Εκπαιδευτική Ρομποτική κ Τεχνολογία

Για να συνδέσετε έναν αισθητήρα CT σε ένα Arduino, το σήμα εξόδου από τον αισθητήρα CT πρέπει να ρυθμιστεί ώστε να πληροί τις απαιτήσεις εισόδου των αναλογικών εισόδων Arduino, δηλαδή μια θετική τάση μεταξύ 0V και της τάσης αναφοράς ADC.

Σημείωση: Αυτή η σελίδα δίνει το παράδειγμα μιας πλακέτας Arduino που λειτουργεί στα 5 V και της πλακέτας EmonTx που λειτουργεί στα 3,3 V. Βεβαιωθείτε ότι χρησιμοποιείτε τη σωστή τάση τροφοδοσίας και τάση πόλωσης στους υπολογισμούς σας που αντιστοιχούν στη ρύθμισή σας.

Υπάρχουν δύο διαμορφώσεις κυκλωμάτων, οι οποίες θεωρητικά επιτυγχάνουν το ίδιο αποτέλεσμα. Η πρώτη χρησιμοποιήθηκε στο emonTx V2 και στο emonPi. Έχει επισημανθεί ότι πολλά τροφοδοτικά διακοπτικής λειτουργίας περιλαμβάνουν έναν πυκνωτή συνδεδεμένο μεταξύ του αρνητικού άκρου της τροφοδοσίας δικτύου υψηλής τάσης DC με ανορθωμένο εναλλασσόμενο ρεύμα και του αρνητικού άκρου της δευτερεύουσας πλευρικής εξόδου, για τη μείωση των ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών από τις πρωτεύουσες κυματομορφές μεταγωγής. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την εισαγωγή θορύβου στην αναλογική είσοδο. Η δεύτερη διαμόρφωση, η οποία χρησιμοποιείται στο emonTx4 και στο emonPi2, αποφεύγει αυτό το πρόβλημα.

Το κύκλωμα αποτελείται από δύο κύρια μέρη, των οποίων οι λειτουργίες είναι να μετατρέπουν το ρεύμα του συνεχούς ρεύματος σε τάση σωστού πλάτους και να τοποθετούν αυτήν την τάση στο κέντρο του εύρους εισόδου του ADC.

Οι τάσεις και τα ρεύματα που εμφανίζονται αφορούν ένα Arduino 5 V, με εύρος 0 – 5 V για την αναλογική είσοδο, περίπου 1,6 V rms για ημιτονοειδές κύμα. Για τα emonTx V2 & V3 και το emonPi, το εύρος αναλογικής εισόδου είναι 0 – 3,3 V, επομένως η μέση τάση είναι 1,65 V και η αναλογική τάση εισόδου κυμαίνεται μεταξύ 0 και 3,3 V (περίπου 1 V rms για ημιτονοειδές κύμα). Για τα emonTx4 και emonPi2, το εύρος αναλογικής εισόδου είναι 0 – 1 V και προορίζεται για χρήση με μετασχηματιστές ρεύματος εξόδου 0,333 V rms, οι οποίοι δεν χρειάζονται φορτίο. Επομένως, αυτή η αντίσταση παραλείπεται.

Διαμόρφωση που χρησιμοποιείται στο emonTx V2 και στο emonPi

Σε αυτήν τη διαμόρφωση, το ρεύμα από το ct ρέει γύρω από τον βρόχο που περιλαμβάνει το ίδιο το ct και την αντίσταση φορτίου, η οποία αναπτύσσει τάση στα άκρα του φορτίου. (Σημείωση: Σε ένα ct εξόδου τάσης, το φορτίο βρίσκεται μέσα στο περίβλημα του ct) Οι δύο αντιστάσεις πόλωσης διαιρούν την τάση τροφοδοσίας σε δύο και το μεσαίο σημείο και το ένα άκρο του φορτίου βρίσκονται στα 2,5 V πάνω από το έδαφος. Ο πυκνωτής παρέχει ένα σχεδόν βραχυκύκλωμα στο εναλλασσόμενο ρεύμα, το οποίο στερεώνει σταθερά την τάση μεσαίου σημείου με ελάχιστη ή καθόλου συνιστώσα εναλλασσόμενου ρεύματος να υπερτίθεται πάνω του. Το άλλο άκρο του φορτίου συνδέεται απευθείας στην αναλογική είσοδο και έτσι η αναλογική είσοδος βλέπει την τάση φορτίου να υπερτίθεται στην τάση πόλωσης.

Και εδώ, το ρεύμα από το ct ρέει γύρω από τον βρόχο που περιλαμβάνει το ίδιο το ct και την αντίσταση φορτίου, και έτσι αναπτύσσει τάση στα άκρα του φορτίου. (Σημείωση: σε ένα ct εξόδου τάσης, το φορτίο βρίσκεται μέσα στο περίβλημα του ct) Αυτή τη φορά, το ένα άκρο του ct και το φορτίο συνδέονται σταθερά με τη γείωση.

Διαμόρφωση που χρησιμοποιείται στα emonTx4 και emonPi2

Και πάλι, οι δύο αντιστάσεις πόλωσης διαιρούν την τάση τροφοδοσίας στα δύο, έτσι ώστε το μεσαίο σημείο να βρίσκεται στα 2,5 V πάνω από το έδαφος και αυτό το σημείο να συνδέεται με την αναλογική είσοδο. Η διαφορά είναι ότι ο πυκνωτής παρέχει μια διαδρομή AC που συνδέει τα δύο τμήματα, ενώ παράλληλα εμποδίζει την πόλωση DC να φτάσει στο ct. Οι αντιστάσεις πόλωσης ασκούν πολύ μικρό φορτίο στο ct, αλλά το αποτέλεσμα αυτού αντισταθμίζεται στη βαθμονόμηση. Η τάση φορτίου υπερτίθεται στην τάση πόλωσης, έτσι ώστε η αναλογική είσοδος να βλέπει την τάση φορτίου να ποικίλλει πάνω και κάτω από το μεσαίο σημείο των 2,5 V, όπως φαίνεται.

Στο emonTx4, χρησιμοποιείται ένας αγωγός τάσης-εξόδου ct του οποίου η τάση εξόδου είναι ονομαστικά 0,333 V rms, επομένως δεν υπάρχει αντίσταση φορτίου, οι αντιστάσεις πόλωσης είναι άνισες και η τάση πόλωσης είναι 0,512 V.

Υπολογισμός κατάλληλου μεγέθους αντίστασης φορτίου

Εάν ο αισθητήρας CT είναι τύπου «εξόδου ρεύματος», όπως ο YHDC SCT-013-000 , το σήμα ρεύματος πρέπει να μετατραπεί σε σήμα τάσης με αντίσταση φορτίου. Εάν πρόκειται για CT εξόδου τάσης, μπορείτε να παραλείψετε αυτό το βήμα και να παραλείψετε την αντίσταση φορτίου, καθώς η αντίσταση φορτίου είναι ενσωματωμένη στον CT.

α) Επιλέξτε το τρέχον εύρος που θέλετε να μετρήσετε

Ο CT YHDC SCT-013-000 έχει εύρος ρεύματος από 0 έως 100 A. Για αυτό το παράδειγμα, ας επιλέξουμε 100 A ως μέγιστο ρεύμα.

β) Μετατρέψτε το μέγιστο ρεύμα RMS σε μέγιστο ρεύμα πολλαπλασιάζοντας επί √2.

Primary peak-current = RMS current × √2 = 100 A × 1.414 = 141.4A

γ) Διαιρέστε το μέγιστο ρεύμα με τον αριθμό των στροφών στο CT για να βρείτε το μέγιστο ρεύμα στο δευτερεύον πηνίο.

Το YHDC SCT-013-000 CT έχει 2000 σπείρες, επομένως το δευτερεύον μέγιστο ρεύμα θα είναι:

Secondary peak-current = Primary peak-current / no. of turns = 141.4 A / 2000 = 0.0707A

δ) Για τη μεγιστοποίηση της ανάλυσης μέτρησης, η τάση στα άκρα της αντίστασης φορτίου στο μέγιστο ρεύμα θα πρέπει να είναι ίση με το μισό της αναλογικής τάσης αναφοράς του Arduino. (AREF / 2)

Αν χρησιμοποιείτε ένα Arduino που λειτουργεί στα 5V: το AREF / 2 θα είναι 2,5 Volt. Έτσι, η ιδανική αντίσταση φορτίου θα είναι:

Ideal burden resistance = (AREF/2) / Secondary peak-current = 2.5 V / 0.0707 A = 35.4 Ω

Τα 35 Ω δεν είναι μια συνηθισμένη τιμή αντίστασης. Οι πλησιέστερες τιμές εκατέρωθεν των 35 Ω είναι 39 και 33 Ω. Να επιλέγετε πάντα τη μικρότερη τιμή, διαφορετικά το μέγιστο ρεύμα φορτίου θα δημιουργήσει τάση υψηλότερη από την AREF. Συνιστούμε φορτίο 33 Ω ±1%. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η χρήση 2 αντιστάσεων σε σειρά θα είναι πιο κοντά στην ιδανική τιμή φορτίου. Όσο πιο μακριά από την ιδανική είναι η τιμή, τόσο χαμηλότερη θα είναι η ακρίβεια.

Ακολουθούν οι ίδιοι υπολογισμοί όπως παραπάνω σε πιο συμπυκνωμένη μορφή:

Burden Resistor (ohms) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * max primary current)

Διαστασιολόγηση αντίστασης φορτίου για υλικό παρακολούθησης ενέργειας OpenEnergyMonitor .

emonTx V3 ( δείτε τον οδηγό )

Το emonTx V3 χρησιμοποιεί έναν ρυθμιστή 3,3V, επομένως είναι V _CC και επομένως AREF, θα είναι πάντα 3,3V ανεξάρτητα από την τάση της μπαταρίας. Το τυπικό emonTx V3 χρησιμοποιεί αντιστάσεις φορτίου 22Ω για τους CT 1, 2 και 3, και μια αντίσταση 120Ω για το CT4, το κανάλι υψηλής ευαισθησίας. Δείτε την τεχνική σελίδα του emonTx V3: https://docs.openenergymonitor.org/emontx3/technical.html .

emonPi ( δείτε τον οδηγό )

Το EmonPi έχει δύο κανάλια CT, και τα δύο με αντιστάσεις φορτίου 22Ω.

emonTx V2

Εάν χρησιμοποιείτε ένα emonTx V2 που τροφοδοτείται από μπαταρία, το AREF θα ξεκινήσει από τα 3,3 V και θα μειωθεί αργά καθώς η τάση της μπαταρίας πέφτει στα 2,7 V. Η ιδανική αντίσταση φορτίου για την ελάχιστη τάση θα ήταν επομένως:

Ideal burden resistance = (AREF/2) / Secondary peak-current = 1.35V / 0.0707A = 19.1 Ω

Τα 19 Ω δεν είναι μια συνηθισμένη τιμή. Έχουμε την επιλογή 18 ή 22 Ω. Συνιστούμε τη χρήση φορτίου 18 Ω ±1%.

Εργαλείο για τον υπολογισμό του μεγέθους της αντίστασης φορτίου, των στροφών CT και της μέγιστης Irms (ευχαριστίες στον Tyler Adkisson για την κατασκευή και την κοινοποίηση αυτού).

( Σημείωση : αυτό το εργαλείο δεν λαμβάνει υπόψη τη μέγιστη ισχύ εξόδου CT. Θα προκύψει κορεσμός και παραμόρφωση εάν ξεπεραστεί η μέγιστη έξοδος. Ούτε λαμβάνει υπόψη τις ανοχές των εξαρτημάτων, επομένως η τιμή της αντίστασης φορτίου θα πρέπει να μειωθεί κατά μερικά (~5) τοις εκατό, επιτρέποντας κάποιο “περιθώριο”. Υπάρχουν περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τις ανοχές των εξαρτημάτων στη διεύθυνση: ACAC Component tolerances. )

Προσθήκη πόλωσης DC

Αν συνδέσετε ένα από τα καλώδια CT στη γείωση και μετρήσετε την τάση του δεύτερου καλωδίου, σε σχέση με τη γείωση, η τάση θα ποικίλλει από θετική σε αρνητική σε σχέση με τη γείωση. Ωστόσο, οι αναλογικές είσοδοι Arduino απαιτούν θετική τάση. Συνδέοντας το καλώδιο CT που συνδέσαμε στη γείωση, σε μια πηγή στο μισό της τάσης τροφοδοσίας, η τάση εξόδου CT θα κυμαίνεται τώρα πάνω και κάτω από τα 2,5 V, παραμένοντας έτσι θετική.

Οι αντιστάσεις R1 και R2 στο παραπάνω διάγραμμα κυκλώματος είναι ένας διαιρέτης τάσης που παρέχει την πηγή 2,5 V (1,65 V για το emonTx). Ο πυκνωτής C1 έχει χαμηλή άεργη αντίσταση – μερικές εκατοντάδες ohms – και παρέχει μια διαδρομή για το εναλλασσόμενο ρεύμα για να παρακάμψει την αντίσταση. Μια τιμή 10 μF είναι κατάλληλη.

Επιλογή κατάλληλης τιμής για τις αντιστάσεις R1 και R2

Η υψηλότερη αντίσταση μειώνει την κατανάλωση ενέργειας σε κατάσταση ηρεμίας.

Χρησιμοποιούμε αντιστάσεις 10 kΩ για οθόνες που τροφοδοτούνται από το δίκτυο. Το emonTx χρησιμοποιεί αντιστάσεις 470 kΩ για να διατηρήσει την κατανάλωση ενέργειας στο ελάχιστο, καθώς προορίζεται να λειτουργεί με μπαταρίες για αρκετούς μήνες.

Σκίτσο Arduino

Για να χρησιμοποιήσετε το παραπάνω κύκλωμα για να μετρήσετε το ρεύμα RMS, με μια υποτιθέμενη σταθερή τάση RMS (π.χ. 240V) για να υποδείξετε την κατά προσέγγιση φαινομενική ισχύ, χρησιμοποιήστε αυτό το σκίτσο Arduino:
Σκίτσο Arduino – μόνο ρεύμα