Meranie prúdu v jednosmerných obvodoch - Arduino

Meranie prúdu v jednosmerných obvodoch - Arduino
pridal deadawp 12.1. 2020 o 13:26

Dnes predstavím niekoľko dostupných senzorov pre Arduino, ktoré je možné použiť v projektoch na meranie jednosmerného prúdu. To znamená s menovitým napájacím napätím 5V s max. 5V výstupom.

Meranie prúdu
ACS712
Pre meranie jednosmerného prúdu (aj striedavého) je možné použiť senzor ACS712, označený aj ako ACS712ELC-XXA - XX označuje hodnotu amérov. Senzor využíva hallov snímač pre meranie pretekajúceho prúdu.

Dostupné sú verzie pre 5A, 20A, 30A. Pri všetkých verziách je nominálne napätie výstupu 2.5V pri 0A. Senzor má analógový výstup s rozsahom 0 až 5V.

Modul	5A	20A	30A
Napájacie napätie (Vcc)	5V	5V	5V
Merací rozsah	-5 až +5A	-20 až 20A	-30 až 30A
Napätie pri 0A	Vcc/2 --> 2.5V	Vcc/2 --> 2.5V	Vcc/2 --> 2.5V
Jednotkový krok	185mV / A	100mV / A	66mV / A
Označenie čipu	ACS712ELC-05A	ACS712ELC-20A	ACS712ELC-30A

Modul obsahuje svorkovnicu pre pripojenie vodiča, ktorým preteká prúd do série. Modul neobsahuje otvor pre uchytenie PCB. Existujú verzie od iných výrobcov, ktoré obsahujú aj montážne otvory, cena je však vyššia.

INA219
Ďalším z populárnych prúdových senzorov je INA219. Senzor funguje na I2C zbernici a je ho možné použiť na meranie jednosmerného prúdu, aj symetrického. Maximálny prúdový rozsah 0 až +-3.2A pri napätí až +-26V. Senzor meria an princípe úbytku napätie na bočníku 0.1ohm. Výhodou je možnosť využitia viacerých módov, pričom je možné zmenšiť parametra napätie a prúdového rozsahu, čím môžeme dynamicky zvýšiť rozlíšenie merania.

Najlepšie rozlíšenie má tretí mód, ktorý funguje na 16V, 400mA s rozlíšením 0.1mA. Senzor obsahuje na PCB aj plôšky A0, A1, ktoré je možné prepájkovať, čím je možné emulovať inú adresu, hodí sa v prípade využitia viacerých senzorov s jedným Arduinom, čo eliminuje nutnosť využívať I2C multiplexer. Výhoda je tak jednoduchá adresácia na I2C zbernici. Celkovo je tak možné prevádzkovať až 4 senzory INA219. Základná adresa je 0x40, s plôškou A0 0x41, s plôškou A1 0x44, s plôškami A0 a A1 0x45.

INA3221
Ďalším dostupným I2C senzorom z rodiny INA je modul vybavený čipom INA3221, ktorý umožňuje okrem merania prúdu aj meranie napätia - o tom však až nabudúce. Modul je vybavený až trojicou kanálov, na ktorých je možné merať prúd. Na modul sa pripája aj zdroj pre tieto tri kanály, na ktorých budeme vykonávať merania, rozsah napájania je 0-26V. Meranie je opäť na princípe úbytku napätia na bočníku, pričom tu je merateľný prúd limitovaný na úrovni 1.1A. Napájacie napätie modulu je 2.7 až 5.5V.

Obrovskou výhodou modulu s čipom INA3221 je jeho spotreba na úrovni 350μA. Hodí sa do aplikácii prevádzkovaných na batériu. Na druhú stranu nevýhodou je, že modul je dodávaný bez svorkovníc pre CH 1 až 3 kanály a pripojenie zdroja. Modul je vybavený aj plôškami A0, A1, teda je znova možné emulovať až 4 moduly na jednej I2C zbernici. Jednotlivé CH kanály obsahujú vývod CH a GND. To znamená, že spotrebič, na ktorom napätie meriame sa pripája k modulu paralélne - ako k voltmetru, nie do série ako pre ampérmeter.

ACS758
Hallov snímač s lineárnou charakteristikou, ktorý obsahuje aj elektroniku pre filtráciu, vďaka čomu sú jeho merania veľmi presné. Nájde uplatnenie aj v priemyselnom odvetví. Možno použiť na AC i DC. Výhodou je podpora operačného pracovného napätia v rozsahu 3 až 5V. Vhodné tak aj na použitie s 3V3 mikrokontrolérmi napr. ARM na doskách STM32 a pod...

WCS1700
Pre neinvazívnu metódu meraní je možné použiť aj prúdové senzory s hallovým snímačom, napríklad WCS1700, ktorý je možné použiť na jednosmerný aj striedavý prúd. Senzor obsahuje okrem analógového výstupu aj digitálny výstup, ktorý je možné nastaviť potenciometrom - trimrom. V konkrétnej aplikácii môže slúžiť ako identifikátor prekročenia istej prúdovej hranice.

V programovej implementácii je nutné senzor kalibrovať. Kalibračnú hodnotu je možné získať pri čítaní hodnôt zo senzora naprázdno pre dosiahnutie hodnoty 0mV. Na základe nameranej analógovej hodnoty z analógového výstupu senzora je možné túto hodnotu previesť na milivolty, napríklad funkciou map z rozsahu 0 - 1023 (ADC) na hodnotu 0 - 5000mV a následne s krokom 32mV/A previesť túto hodnotu na ampéry.

Zaujímavými sú prúdové hodnoty, ktoré je možné merať. Pre jednosmerný prúd je merací rozsah 0 až +-70A. Nakoľko je ADC prevodník s rozsahom 0-1023 pre meranie prúdu až 70A malý, merania týmto senzorom sú skôr orientačné. Pre presnejšie merania z jednotlivých senzorov je možné vzorkovať merania a tie priemerovať. Pri využití týchto senzorov so senzormi napätia je možné vyrátať aj výkon spotrebiča.