Токовые клещи своими руками на ардуино

Добавил пользователь Cypher
Обновлено: 07.09.2024

Для замера больших токов, как правило, применяют бесконтактный метод, — особыми токовыми клещам. Токовые клещи – измерительное устройство, имеющее раздвижное кольцо, которым охватывают электропровод и на индикаторе прибора отображается величина протекающего тока.

Превосходство подобного метода бесспорно, — чтобы замерить силу тока нет нужды разрывать провод, что в особенности немаловажно при измерении больших токов. В данной статье приводится описание токовые клещи постоянного тока, которые вполне возможно сделать своими руками.

Описание конструкции самодельных токовых клещей

Ферритовое кольцо необходимо точно и аккуратно распилить либо разломить на 2-е половинки. Для этого ферритовое кольцо необходимо сначала подпилить алмазным надфилем или пилкой для ампул. Далее, поверхности разлома ошкурить мелкой шкуркой.

С одной стороны на первую половинку ферритового кольца приклеить прокладку из чертежного ватман. С другой стороны на другую половинку кольца наклеить датчик Холла. Приклеивать лучше всего эпоксидным клеем, только нужно проследить, чтобы датчик Холла хорошо прилегал к зоне разлома кольца.

Электронная схема токовых клещей

Принципиальная электрическая схема приставки к мультиметру изображена на рисунке 2. При протекании тока по электропроводу, вокруг него появляется магнитное поле, и датчик Холла фиксирует силовые линии, проходящие через него, и формирует некоторое постоянное напряжение на выходе.

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

Шаг 1: Необходимые детали и инструменты

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) * cosF

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) * sinF

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

Отношения между активной, реактивной и полной мощностью:

Активная мощность = полная мощность * cosF
Реактивная мощность = полная мощность * sinF
(кВА) ? = (кВт) ? + (кВАр) ?

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)

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.

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 4x6 см.

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

ACS712 —> Wemos

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.

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.

Можно сделать из ардуино амперметр с вольтметром?
подойдет такая схема?

Напряжение работает, но надо измерят падение напряжение имена так?
Может для амперметра нужна другая схема?

Нужен токовый шунт и операцонный усилитель для замера падения напряжения в мв на шунте, и считать ток.

Вот такую схему с защитой наваял для ЛБП, управляется с AVR и STM (или по Вашему Усмотрению), измеряемый ток зависит от шунта (я использовал 4 smd 2512 на 1 ом, до 3А норм при срабатывания защиты). Защита выхода полностью программная, поэтому можно ток отсечки можно выставлять по своему усмотрению.
УО копеешный LM358 (так их на микрухе два УО, сделал двухканальный измеритель VA), mosfet любой подходящий по параметрам.
Выводы J1: 2 - управление выходом (>2V открыт, иначе закрыт), 3 - напряжение с делителя (на вход ADC), 4 - измеряемый ток (тож на вход ADC), 5 - питание ОУ +5V.
Данные напряжения и тока в контроллере корректирую коэфициетами сравнивая с эталонным замером мультиметром. Шумы УО (а они есть) тож программно сглаживаем.

HellRaider

Мощность я правильно посчитал?
Если исполосовать 4 резистора по 1 ом то выходит, исполсуя 3 ампера, надо на них развеять 2,25 ватта? Это ОК?

Arhat109

В тех несложных схемах где я использовал данный блок, было не критично! По факту на выходе почти ноль!

Arhat109

Критично или нет, оно больше зависит от разводки питания, наличия в схеме нескольких источников (в т.ч. приборов, подключенных к Сети 220в) и возможности получить 1/2 от сетевого (128вольт) при разрыве земли на одном из участков. Сейчас, на вскидку, не припомню, но в юности помнится здорово шарашило по рукам, если в лабе не заземлишь все, используемые в схеме приборы .. да и не только по рукам.

Последнее время, все чаще вижу как пытаются рвать землю, что и поражает на схемах .. ну и на таких форумах народ часто жалуется почто и чем пробивается плата, подключенная к БП от сети И (одновременно) по USB к стационарному компу? Вот, примерно как тут.

Кстати, разрывая питание по земле .. разве Вы не получаете шанс запитать Ардуино по какому-нибудь пину через защитные его диоды?

dimonSha

Про стационарный комп и USB тут никто не говорил - оптрон в помощ. Схема простая, компактная и рабочая, по-факту мосфет нужен для отсечки питания, можете поставить реле с 5-ти вольтовым управлением, можно вообще ни чего не ставит, а управлять импульсным стабилизатором на входе (lm2575, lm2597 и т.п.).

Для измерения тока с помощью Arduino воспользуемся датчиком ACS712 от компании Allegro Microsystems. Данный датчик позволяет измерять переменный и постоянный ток в силовой, промышленной и бытовой электронике. Его можно использовать при управлении двигателями, обнаружении и управлении нагрузкой, создании защит от перегрузки по току.

Согласно документации Allegro, данные датчики не предназначены для применения их в автомобилях, для этих целей применяются ACS714.

Д атчик ACS712 поставляется в корпусе SOIC8 и предназначен для поверхностного монтажа. Выводы IP+ и IP- клеммы для измерения тока. FILTER - вывод для подключения конденсатора. VIOUT - аналоговый выход. VCC - питание датчика 5В. GND - земля.

Действие датчика основывается на эффекте Холла. Вблизи точного линейного датчика Холла расположена медная проводящая дорожка (на концах выводы IP+ и IP-) . Толщина медной дорожки обеспечивает выживание устройства при 5-кратном превышении тока. Её сопротивление 1,2 мОм. Протекающий через эт у дорожку ток , генерирует магнитное поле, которое воспринимается схемой Холла и преобразуется в пропорциональное напряжение.

Семейство датчиков ACS712 состоит из 3-х чипов на разные диапазоны измерения тока: 5 А ( ACS712ELCTR-05B-T ) , 20 А ( ACS712ELCTR-20A-T ) и 30А мпер ( ACS712ELCTR-30A-T ) .

Ниже представлены графики на которых видно, какой будет ток в зависимости от напряжения на выходе датчика:

При питании датчика от 5 вольт, если к его измеряемым клеммам не будет подключена нагрузка, выходное напряжение датчика будет равно 2,5В (рассчитывается по формуле VCC/2, где VCC - напряжение питания датчика) . 2,5В - это базовое напряжение датчика, которое нужно вычитать из измеренного напряжения.

Чувствительность датчик ов (Sens) изменяется в зависимости от диапазона измерения силы тока микросхемы и зависит от напряжения питания. С увеличением диапазона — уменьшается чувствительность. На графиках ниже представлены графики чувствительности в зависимости от диапазона измеряемого тока:

ACS712ELCTR-05B-T имеет чувствительность 185 мВ/А

ACS712ELCTR-20A-T чувствительность 100 мВ/А

ACS712ELCTR-30A-T чувствительность 66 мВ/А

Датчик облада е т низкой погрешностью ±1% , при температуре от 25 до 150°С. Это достигается благодаря его калибр овке на стадии производства . В процессе этой операции измеряется погрешность чувствительности и выходное напряжение в рабочей точке. Эти параметры измеряются при комнатной температуре и температуре в диапазоне 85…150°С. Данные заносятся в специальную память.

Среди прочих характеристик:
- Работа в диапазоне температур -40…85°C.
- Полоса пропускания 80 кГц.
- Почти нулевой магнитный гистерезис.

Подключение датчика ACS712 к Arduino.

Для подключения датчика к Arduin o удобнее использовать готовый модуль.

Внешний вид с 2-х сторон.

Принципиальная схема модуля. К разъёму Р1 подключается измеряемая цепь, к разъёму Р2 - микроконтроллер (в примере Ардуино). Измеряемая цепь изолирована от выводов микроконтроллера. Среднеквадратичное минимальное напряжение изоляции между контактами 1 - 4 и 5 - 8 - 2,1 кВ. Светодтод D1 сигнализирует о питающем напряжении на датчике. Считаю это бесполезной функцией, поскольку в готовых проектах подобные датчики спрятаны в каких то коробках и не находятся на видном месте.

Читайте также: