Трансформаторный датчик тока своими руками

Датчик тока для Arduino




Из этой статьи мы узнаем, как сделать датчик тока совместимый с Arduino и большинством других широко популярных микроконтроллеров. Этот проект отличается компактной конструкцией и схемой, основанной на SMD-компонентах.

Этот датчик тока можно легко использовать для измерения до 15А и даже при пиковом токе около 20А.

Шаг первый: шунтирующий резистор
Основным компонентом в этой схеме является шунтирующий резистор. Именно с помощью этого резистора измеряется небольшое падение напряжения и затем усиливается до измеримых значений Arduino. Важно, чтобы номинал этого резистора был достаточно мал, чтобы не создавать значительного падения напряжения в цепи. Малое сопротивление в диапазоне миллиомов также гарантирует, что общая рассеиваемая мощность очень мала и, следовательно, сам резистор не нагревается. Падение напряжения довольно мало, чтобы микроконтроллер мог напрямую его измерить, поэтому и используется операционный усилитель.


Шаг третий: изготовление печатной платы
После завершения проектирования схемы и макета мастер распечатал его в таком масштабе, чтобы размер печати соответствовал фактическому размеру печатной платы. Печатать нужно в зеркальном изображении. По размерам схемы вырезал заготовку для платы.

























Шаг шестой: кодирование и калибровка
Теперь нужно закодировать микроконтроллер и откалибровать значение датчика для получения точных показаний.
Мастер использовал Arduino Nano и среду Arduino IDE.

Код можно разбить на следующие шаги:
Инициализация библиотеки для OLED-дисплея (для этого он использовал библиотеку Adafruit)
Настройка аналогового вывода 0 как вход
Считывание аналоговое значение с выхода OP-Amp на аналоговом выводе 0
Умножение аналогового значения на коэффициент калибровки, чтобы получить правильное значение тока в амперах (или миллиамперах).
Отображение значения на OLED-дисплее
OP-Amp действует как неинвертирующий усилитель в данной схеме и вырабатывает напряжение, пропорциональное падению напряжения на шунте. Затем это напряжение измеряется с помощью АЦП Arduino, который выдает число от 0 до 1023 (10-битное разрешение АЦП в Arduino). Это число не равно фактическому текущему значению, поэтому нужно выполнить математические манипуляции в программном обеспечении, чтобы получить точное значение. В данном случае на помощь приходит мультиметр. Большинство мультиметров могут точно измерять ток до 10 А, поэтому его можно использовать в качестве эталона для определения калибровочного коэффициента.

Смысл заключается в том, чтобы использовать небольшую нагрузку вместе с источником питания с мильтиметром и токовым шунтом последовательно с нагрузкой.

Таким образом, здесь мультиметр может измерять фактический ток, потребляемый нагрузкой, и от нашего текущего модуля шунтирования мы можем получить соответствующее аналоговое значение через Arduino.

Источник

Простой индикатор протекающего переменного тока

Естественной и логичной идеей будет установить в разрыв цепи резистор и использовать падение напряжения на нем для свечения маломощного индикатора, лампочки или светодиода. Однако расчеты показывают, что резистор придется взять изрядной мощности, он будет сильно греться, падение напряжения на нем – практически бесполезная трата энергии. Например. Имеем три независимых проволочных нагревателя (3 фазы), каждый мощностью 500 Вт. Нужно во время работы печи иметь представление о целостности каждого. Вспомнив, что I=P/U выясним, что в цепи каждого нагревателя протекает ток 2.3 А. Чтобы получить падение напряжения на резисторе 5 вольт (для зажигания светодиода), придется рассеять на этом резисторе более 10 Вт. Т.е. мощность резистора должна быть несколько выше расчетной (габариты, масса), нагрев элемента предполагает его специальную установку – неплавящуюся изоляцию, вентиляцию и.т.д. Кроме того, как уже говорилось – теряем 5 вольт от, хорошо если 220.

Итак, последовательно включенный резистор применять неудобно. Существующие схемы индикаторов тока с цепочкой мощных диодов ничем не лучше, кроме прочего, придется учитывать и допустимые токи через диоды.

Значительно лучшими эксплуатационными показателями обладает трансформаторный датчик. Сопротивление его измерительной обмотки ничтожно, никакого нагрева, потери минимальны. Да, он дороже стоит (как все моточные изделия), больше весит. К счастью, кустарное техническое творчество не предполагает серийного производства с высокой окупаемостью. В качестве датчиков можно применить доработанные маломощные сетевые трансформаторы из старой износившейся или морально устаревшей бытовой техники. Здесь были применены трансформаторы питания от импортных пластиковых переносных кассетных магнитофонов с FM радио. Небольших размеров, моно, невысокого класса. Подобрал три почти одинаковых трансформатора. Еще один источник миниатюрных сетевых трансформаторов – старые сетевые «адаптеры» в небольшом корпусе-вилке. Старые их модели часто были с низкочастотным трансформатором.

Читайте также:  Самолетик своими руками с моторчиком

Что понадобилось для изготовления.

Набор инструмента для электромонтажа, паяльник с принадлежностями, мультиметр, фен технический для работы с термотрубками. Набор инструментов для мелкой слесарной работы, измерительный инструмент, ножницы по металлу, дрель электрическая или шуруповерт со сверлами, пара струбцин для гнутья, мелочи.

Доработка облегчилась благодаря удачной конструкции трансформаторов – в них обмотки расположены рядом, на сборном пластиковом каркасе (технологичность изготовления), а не поверх друг друга (выше эл. параметры). Доработка свелась к перемотке вторичной, низковольтной обмотки. Из-за особенности конструкции трансформаторов удалось сделать это без муторной сборки-разборки проклеенного сердечника из Ш-пластин.

Удалив внешнюю изоляцию вторичной обмотки, выяснил направление намотки провода. Отметил его спиртовым фломастером на магнитопроводе трансформатора.

Спилив выступающие части катушки ножовкой по металлу, вытолкнул, выбил внутренние ее части, удалил остатки изоляции, острым ножом срезал пластиковые заусенцы.

Намотал (продел в окно) провод новой вторичной обмотки. Для потребляемой мощности 500 Вт (2.3 А) применил гибкий монтажный провод сечением 0,5 мм2 в хорошей силиконовой изоляции. Без особенного труда влезло 3.5 витка.

При протекании указанного тока через измерительную обмотку, на высоковольтной обмотке получается около 90 вольт. Для индикации применил маленькую неоновую лампочку импортного производства, последовательно с токоограничивающим резистором. Резистор подобрал по яркости (не максимальной, но удобной) свечения. Получилось около 500 кОм.

Вычертил эскиз с размерами, с учетом поправок на сгибы. Перенес разметку на подходящий кусок листового материала. В углах сгибов накернил и просверлил тонким сверлом отверстия (не будет складки), зенковал отверстия крупным сверлом. Вырезал развертку ножницами по металлу.

Для сгибания развертки зажал ее на краю ровной железки – станины самодельного токарного станка по дереву. Прижал подходящей деревяшкой, то, что должно быть отогнуто выступает. Легкими ударами резиновой киянки отогнул лепестки, перевернул заготовку, отогнул лепестки на второй стороне. Остальное легко и точно сгибается руками.

Сердечник трансформатора набирается из отдельных изолированных друг от друга пластин, чтобы поумерить вредный его нагрев из-за вихревых токов (тов. Фуко), замыкать их нельзя. Для изоляции жестяной обоймы от магнитопровода потребуется еще одна аналогичная деталь из плотной бумаги. Применил ватманскую. Линии сгиба предварительно частично прорезаются или лучше – проминаются тупым ножом или чем-то подобным.

Датчик тока в сборе.

Два из трех датчиков тока в блоке управления трехфазным нагревателем печи. Индикаторные лампочки вынесены на переднюю панель, токоограничивающие резисторы смонтированы вместе с отходящими проводами, затянуты в термотрубку и скреплены вместе с остальным монтажом нейлоновыми ремешками и пластиковой спиралью.

Для размещения отдельного датчика тока вместе с индикатором, например, для сигнализации о невыключенном электроприборе в удаленном помещении удобно будет применить подходящую стандартную электрическую коробку.

Источник

Датчики электрического тока

Глобальные тренды — спрос на снижение выбросов CO2, повышение интенсивности энергосбережения — приводят к необходимости сбалансированного потребления энергии, для чего большую помощь могут оказать электронные схемы управления процессами. Наиболее распространённые случаи — это оптимизация эксплуатационных характеристик аккумуляторов, контроль скорости вращения двигателей и переходных процессов в серверах, управление солнечными батареями. Для операторов таких систем важно, в частности, знать, какой ток протекает в цепи. Неоценимую помощь в этом могут оказать датчики тока.

Почему необходимы датчики тока

Датчиками называют блоки, задача которых измерить некоторый параметр, а потом, сравнив его с эталонным для данной технической системы значением, подать соответствующий сигнал на исполнительный элемент схемы. Поскольку большинство систем используют электродвигатели, то наиболее распространёнными типами являются датчики тока и напряжения (общий вид последнего представлен на следующем рисунке).

Широкое внедрение таких устройств обусловлено развитием сенсорных методов управления, когда исходный сигнал — электрический или оптический — преобразуется в необходимые параметры управления.

По сравнению в другими управляющими технологиями (например, контакторного контроля) датчики обеспечивают следующие преимущества:

Малые размеры и вес часто позволяют изготавливать многофункциональные датчики, например, такие, которые могут контролировать несколько параметров цепи. Таковыми являются современные датчики тока и напряжения.

В состав таких детекторов входят:

Детекторы подразделяют на активные и пассивные. Первые не только передают конечный сигнал на управляющий элемент, но и управляют его действием.

Классификация и схемы подключения

Датчики тока предназначаются для оценки параметров постоянного и/или переменного тока. Сравнение выполняется двумя методами. В первом случае используется закон Ома. При установке шунтирующего резистора в соответствии с нагрузкой системы на нём создаётся напряжение, пропорциональное нагрузке системы. Напряжение на шунте может быть измерено дифференциальными усилителями, например, токовыми шунтирующими, операционными или разностными. Такие устройства используются для нагрузок, которые не превышают 100 А.

Читайте также:  Свеча оригами своими руками

Измерение переменного тока выполняется в соответствии с законами Ампера и Фарадея. При установке петли вокруг проводника с током там индуцируется напряжение. Этот метод измерения используется для нагрузок от 100 А до 1000 А.

Схема описанных измерений представлена на рисунке:

Измерение обычно производится при низком входном значении синфазного напряжения. При помощи чувствительного резистора датчик тока соединяется между нагрузкой и землей. Это необходимо, поскольку синфазное напряжение всегда учитывает наличие операционных усилителей. Нагрузка обеспечивает питание прибора, а выходное сопротивление заземляется. Недостатками данного способа считаются наличие помех, связанных с потенциалом нагрузки системы на землю, а также невозможность обнаружения коротких замыканий.

Для слежения работой мощных систем детектор присоединяют к усилителю между источником питания и нагрузкой. В результате непосредственно контролируются значения параметров, подаваемых источником питания. Это позволяет идентифицировать возможные короткие замыкания. Особенность подключения заключается в том, что диапазон синфазного напряжения на входе усилителя должен соответствовать напряжению питания нагрузки. Перед измерением выходного сигнала контролируемого устройства нагрузка заземляется.

Как функционирует датчик тока

Работа данного элемента включает следующие этапы:

Для выполнения указанных функций (в частности, реализации высокой точности измерений) к элементам детектора предъявляются следующие требования:

Монтажные схемы устройств, которые предназначены для контроля цепей постоянного и переменного тока представлены соответственно на рисунках.

Практика применения

Чаще всего данные изделия используются как измерители в схемах токовых реле, которые управляют режимами работы различного электроприводного оборудования и предохраняют его от экстремальных ситуаций.

Токовые реле способны защитить любое механическое устройство от заклинивания или других условий перегрузки, которые приводят к ощутимому увеличению нагрузки на двигатель. Функционально они определяют уровни тока и выдают выходной сигнал при достижении указанного значения. Такие реле используются для:

Чтобы удовлетворить требования разнообразного набора приложений, в настоящее время используется блочный принцип компоновки датчиков, включая применение USB-разъёмов, монтаж на DIN-рейку и кольцевые исполнения устройств. Это обеспечивает выполнение следующих функций:

В качестве примера рассмотрим схему датчика тока для управления работой водяного насоса, обеспечивающего подачу воды в дом.

Кавитация — это разрушительное состояние, вызванное присутствием пузырьков, которые образуются, когда центробежный насос или вертикальный турбинный насос работает с низким уровнем жидкости. Образующиеся пузырьки затем лопаются, что приводит к точечной коррозии и разрушению исполнительного узла насоса. Подобную ситуацию предотвращает токовое реле.

Когда насос работает в нормальном режиме, и жидкость полностью перекрывает его впускное отверстие, двигатель насоса потребляет номинальный рабочий ток. В случае снижения уровня воды потребляемый ток уменьшается. Если кнопка запуска нажата, одновременно включаются стартёр M и таймер TD. Реле CD настроено на максимальный ток, поэтому его контакт при первоначальном запуске двигателя не будет замкнут. При падении силы тока ниже установленного минимума реле включается, а, после истечения времени ожидания TD, включается в его нормально замкнутый контакт. Соответственно контакты CR размыкаются и обесточивают двигатель насоса.

Применение такого детектора исключает автоматический перезапуск насоса, поскольку оператору необходимо убедиться в том, что уровень жидкости перед впускным отверстием достаточен.

Датчик тока своими руками

Если приобрести стандартный датчик (наиболее известны конструкции от торговой марки Arduino) по каким-то соображениям невозможно, устройство можно изготовить и самостоятельно.

Общий вид устройства в сборе, сделанного своими руками, представлен на следующем рисунке. В данной схеме используется эффект Холла, когда разность управляющих потенциалов может изменяться при изменении месторасположения проводника в электромагнитном поле.

Видео по теме

Источник

Схемы датчиков тока на основе трансформатора тока

В статье предложены варианты пассивных и активных (на ОУ широкого применения и на специализированной микросхеме)датчиков, собранных на основе трансформатора тока.

Нередко требуется измерять или контролировать ток, потребляемый от электрической сети различными нагрузками, например электроприборами.

Для этих целей широко применяют как пассивные резистивные датчики и датчики на основе трансформаторов тока, самодельных или выпускаемых серийно, так и различные активные датчики на основе специализированных микросхем с гальванической развязкой от сети и без неё.

Когда на выходе необходимо получить постоянное напряжение, совместно с пассивными датчиками потребуется применение выпрямителей, усилителей ИТ. д., и такие датчики, конечно, более востребованы.

Датчик можно сделать пассивным, применив для получения постоянного напряжения простейший однополупериодный выпрямитель, или активным, с использованием различных микросхем.

В статье рассмотрены три варианта датчиков: на основе диодного выпрямителя, на основе выпрямителя на ОУ и на основе специализированной микросхемы ZXCT1009 [1, 2].

Рис. 1. Передаточные характеристики датчиков.

Принципиальная схема

Схема датчика на основе диодного однополупериодного выпрямителя показана на рис. 2 Конденсатор С1 подавляет импульсные сетевые помехи, выпрямитель собран на конденсаторе С2 и диоде VD1.

Читайте также:  Сваенабивной фундамент своими руками видео

На выходе интегрирующей цепи R1C3 формируется постоянное напряжение, пропорциональное среднему значению тока нагрузки.

Все детали установлены на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита, чертёж которой показан на рис. 3.

Рис. 2. Схема датчика на основе диодного однополупериодного выпрямителя.

Датчик налаживания не требует. Выпрямительный диод должен быть диодом Шоттки, но если чувствительность не нужна и датчик рассчитан на ток более 0,5 А, можно применить обычный выпрямительный или импульсный диод, например, серий 1N400x, 1N4148, КД522. Поскольку датчик пассивный, его чувствительность и крутизна передаточной характеристики относительно невелики (см. рис. 1).

Рис. 3. Печатная плата для схемы датчика.

Активный датчик тока

Чтобы повысить чувствительность, можно использовать активный датчик тока, например, применив ОУ. Схема такого варианта показана на рис. 4 На двух ОУ DA1.1 и DA1.2 собран двухполупериодный выпрямитель [3].

Рис. 4. Схема активного датчика тока на LM358AM.

Принцип работы такого выпрямителя основан на использовании ОУ с однополярным питанием. При подаче на неинвертирующий вход ОУ он будет усиливать сигнал положительной полуволны переменного напряжения и ограничивать сигнал отрицательной полуволны.

Конденсатор С1 подавляет импульсные и высокочастотные помехи. резистор R1 обеспечивает номинальный коэффициент трансформации трансформатора тока Т1. Резистор R2 и диод VD1 ограничивают минусовое напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA 1.1, исключая перегрузку входа ОУ по напряжению.

Подборкой резисторов R3-R6 можно подобрать желаемый коэффициент передачи устройства К = R6/R4. при этом соотношение сопротивления резисторов R3 и R5 находят из равенства R5/R3 = (К-1)/(К+1).

Выходной сигнал ОУ DA 1.2 поступает на интегрирующую RC-цепь R7C3, и на конденсаторе C3 формируется постоянное напряжение, пропорциональное среднему значению тока нагрузки.

Рис. 5. Печатная плата.

Рис. 6. Расположение деталей на печатной плате.

Рис. 7. Внешний вид собранного датчика.

Одна сторона платы (противоположная установке деталей) оставлена металлизированной, на ней лишь раззенкованы отверстия под крайние выводы разъёма ХР1.

В отверстия в левом нижнем и правом верхнем углах необходимо вставить и с обеих сторон платы пропаять отрезки лужёного провода. Плату можно изготовить из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита.

В этом случае вышеупомянутые отверстия в углах платы соединяют отрезком провода со стороны. противоположной расположению деталей. Внешний вид варианта смонтированной платы показан на рис. 7.

Еще одна схема датчика тока

Рис. 8. Схема датчика тока с измененными деталями.

Рис. 9. Печатная плата для схемы датчика тока.

Рис. 10. Внешний вид датчика тока.

Датчик тока на микросхеме ZXCT1009F

Упростить схему активного датчика и увеличить крутизну передаточной характеристики датчика тока можно, применив специализированную микросхему ZXCT1009F.

О возможности применения этой микросхемы для измерения переменного тока было рассказано в [2]. Схема устройства показана на рис. 11. Назначение элементов R1 и С1 такое же, как в ранее описанных устройствах.

Диод VD1 защищает вход микросхемы DA1 от нештатной полярности входного напряжения. Эта микросхема работает как однополупериодный выпрямитель, напряжение на выходе интегрирующей цепи R3C2 будет пропорционально среднему значению тока нагрузки.

Рис. 11. Схема датчика тока на микросхеме ZXCT1009F.

Рис. 12. Печатная плата.

Рис. 13. Размещение деталей на печатной плате.

При выборе напряжения питания активных датчиков не следует забывать о так называемом коэффициенте амплитуды Ка (или крест-факторе) потребляемого нагрузкой тока, который характеризует отношение амплитуды потребляемого тока Іа к его действующему (или эффективному) значению Іэф: Ка = Iа/Iэф.

Дело в том, что многие бытовые устройства, питающиеся от сети, имеют встроенный импульсный источник питания с выпрямителем на входе.

Рис. 14. Вид датчика.

Например, для датчика на ОУ (двухполупериодный выпрямитель) при Uвых = 2 В и Ка = 2 напряжение питания Uпит >= 4 В для ОУ структуры rail-to-rail или Uпит >= 5. 6 В для обычного ОУ.

Поскольку на микросхеме ZXCT1009F собран одполупериодный выпрямитель, при тех же условиях напряжение питания должно быть примерно в три раза больше, чем Uвых. При этом не следует забывать, что для питания самой микросхемы требуется напряжение не менее 1,5. 2 В.

Поскольку интегрирующие цепи на выходе датчиков высокоомные, к их выходам следует подключать нагрузку, сопротивление которой, по крайней мере, в десять раз больше сопротивления резистора в интегрирующей цепи.

Каждый из датчиков требует калибровки, которую можно провести с помощью амперметра действующего значения переменного тока, источника переменного напряжения, в качестве которого можно применить вторичную обмотку понижающего трансформатора, включённого в сеть, и мощного переменного резистора.

Источник

Поделиться с друзьями
admin
Оцените автора
( Пока оценок нет )
Здоровая спина
Adblock
detector