Dejan PETROVIĆ

1. jul 2020.

Na tržištu postoje mnogi uređaji koji nam omogućavaju da vidimo real-time potrošnju električne energije. Pritom ne mislimo isključivo na naizmeničnu struju - iz gradske mreže. Svako ko je mejkerske krvi verovatno nije odoleo da otvori jedan takav uređaj i vidi šta ima unutra. Osim toga, uz malo znanja i sami možemo da napravimo sličan uređaj. U tekstu ispod ćemo pomenuti neke od senzora i aktuatora koji mere struju. Mi se nećemo dublje upuštati u fizičke veličine napona, struje i snage, jer to zaista nema smisla s obzirom na to da časopis ima samo 116 strana. Dakle, podrazumevaćemo vaše poznavanje osnova elektrotehnike.

Krenućemo od ZMCt103 strujnog transformatora preko koga merimo naizmeničnu struju i snagu. Prema tehničkoj dokumentaciji, ovaj transformator spada u „0,2” klasu tačnosti. U stanju je da meri monofaznu struju do pet ampera, što znači da je kod trofazne struje potrebno upotrebiti tri ovakva transformatora. Transformator je u stanju da radi sa izolovanim naponima do 4500 volti.

Transformator je, zapravo, to što mu i naziv govori, namotaj oko feritnog jezgra u plastičnom kućištu, izolovan epoksidnom smolom. Ovo je sekundarni namotaj, a primarni je, zapravo, žica provučena kroz namotaje. Da bi se merila struja, potrebno je jednu od dve žice koje idu ka potrošaču provući kroz petomilimetarski otvor ovog transformatora. Apsolutno nije bitno da li smo provukli fazu ili nulu, a takođe nije bitan ni smer. Imamo samo dva izvoda koja povezujemo sa mikrokontrolerom, a između kojih je postavljen Burden otpornik od 200 oma. Otpornik generiše napon proporcionalan struji na sekundarnom namotaju. Mi ćemo koristiti Atmegu 328p sa petovoltnom logikom, tako da jedan pin ide na 5V, a drugi na neki od analognih inputa. Redosled nije bitan. Prilikom očitavanja na izlaznom pinu imaćemo proporcionalna očitavanja u odnosu 1000:1. U krajnjoj računici to je: 5 A : 5 mA.

Treba znati da sekundarni namotaj ovog transformatora (jedan od dva izvoda) ne sme biti otvoren. Otvoren namotaj na sekundaru dok kroz primarni (provučena žica potrošača) teče struja stvoriće beskonačnu impedansu koja može stvoriti visoke i opasne napone. Kod nekih modela ovog transformatora ovaj problem je rešen Zener diodom, ili u našem slučaju Burden otpornikom. Ali, treba znati da se transformator može nabaviti i bez štampane pločice, a samim tim i otpornika na njoj.

Za ovaj transformator koristili smo EmonLib.h biblioteku koju možete preuzeti odavde: i.sk.rs/357554. U našem primeru smo uz nekoliko kalkulacija dobili jačinu struje u amperima, kao i potrošnju u vatima za povezani potrošač. U našem slučaju je to LED sijalica od tri vata. Uz par kalibracija dobili smo vrlo jasna i stabilna očitavanja, ali za ozbiljnu kalibraciju je potrebno više od obične LED sijalice.

#include "EmonLib.h"

EnergyMonitor emon;

int napon = 220; //napon u voltima

double calibr =0.004; //kalibracija odstupanja

int sensor= A0;

double Irms = 0;

double val = 0;

void setup(){

Serial.begin(9600);

emon.current(sensor, 6); //pin, kalibracija

//odbacivanje prvih pet ocitavanja

for(int x =0; x <5; x++){

val =val+ emon.calcIrms(1480);

delayMicroseconds(1);

val =0;

}

}

void loop(){

Irms =0;

val =0;

//srednja vrednost iz 100 uzoraka

for(int x =0; x <100; x++){

val =val+ emon.calcIrms(1480);

delayMicroseconds(1);

}

//umanjenje odstupanja

Irms = val /100;

Irms = Irms - calibr;

if(Irms < calibr || Irms < 0){

Irms =0;

}

Serial.print("Struja : ");

Serial.print(Irms, 3);

Serial.print(" A ");

Serial.print(" Potrosnja struje : ");

Serial.print(Irms * napon);

Serial.println(" Watts ");

delay(2000);

}

U „goloj” varijanti, ZMCt103 je pogodan da nam signalizira da li kroz određeni provodnik struja teče, da li je naša elektronika uključila određeni uređaj i da na taj način budemo sigurni da, recimo, sijalica zaista sija. Osim ako nije pregorela, a i to možemo ispratiti foto-otpornikom. Po drugom scenariju, preko ovog transformatora možemo biti sigurni da je pumpa za vodu zaista uključena. Za malo veću preciznost, pogodniji je isti ovaj modul, ali sa elektronskim pojačivačem (Op-Amp).

Kod ovog modula transformator dolazi sa malo više komponenata, od kojih je svakako najzanimljiviji LM356 pojačivač napona u paru sa potenciometrom od sto kilooma. Ovaj modul dolazi sa četiri izvoda u dva strujna kruga. Imamo VCC i GND za napajanje samog modula, ali i GND i OUT za povezivanje sa mikrokontrolerom. Prilikom kalibracije se ova dva poslednja povezuju sa osciloskopom, a preko potenciometra se podešava oblik talasa. Amplituda talasa se povećava sa povećanjem struje, ali ne više od jedne polovine napona na VCC koji može biti između pet i 30 volti. Skeč je isti kao i kod transformatora iznad.

Alegrov senzor sa oznakom ACS712 meri i naizmeničnu, ali i - jednosmernu struju. Dolazi u SOIC8 pakovanju i zgodan je za detekciju potrošnje električne struje i upravljanje, za ugradnju u prekidačka napajanja i limitaciju potrošnje. Čip se sastoji od Hall senzora sa bakarnim provodnikom. Prolazak struje ovim bakarnim provodnikom stvara magnetno polje koje Hallov senzor konvertuje u proporcionalni napon. S obzirom na to da je senzor jako blizu bakarnom provodniku i preciznost očitavanja je velika. Izvodi bakarnog provodnika su električno izolovani od senzora i nema potrebe za korišćenjem optoizolatora, niti bojazni za MCU.

Naš primerak je došao u formi modula sa tri pina, VCC, OUT i GND. Na sebi već ima kondenzator na Filter izvodu ovog čipa. U nastavku oznake stoji ELC-20A, što se odnosi na raspon merenja (plus/minus 20 ampera) i osetljivost od sto milivolti po amperu (mV/A). Na suprotnoj strani su dva terminala gde, ako ćemo senzor koristiti za AC polaritet, naravno, nije bitan, ali za DC jeste. Modul, međutim, dolazi bez oznaka (+/-), što se lako isprati ako se prelista tehnička dokumentacija. Da bismo ga koristili, potrebno ga je redno vezati sa potrošačem, što kod AC potrošača i visokog napona znači i veliku obazrivost.

Za ovaj modul koristili smo ACS712.h biblioteku koju možete preuzeti odavde: i.sk.rs/357555. Biblioteka omogućava merenja DC struje, AC struje, kalibraciju Nulte tačke, a tu je i Wattmetar. S obzirom na to da je ovo analogni senzor koji u našem slučaju komunicira sa 10-bitnim Arduinom, nije se mogao pohvaliti preciznošću. Možemo ga koristiti za detekciju potrošnje, kao i za njenu približnu vrednost.

Digitalni senzor INA219 dolazi iz Texas Instrumentsa i sa mikrokontrolerom komunicira putem I2C interfejsa, a na raspolaganju nam je čak 16 adresa. INA219 je strujni šant (shunt) i monitor snage. Čip prati pad šant napona, kao i napon napajanja. Preko kalibracionih vrednosti koje se programiraju, INA219 omogućava direktna očitavanja DC struje u amperima, sa naponima od 0 do 26 volti. Preko množilaca se dodatno izračunava i snaga u vatima. Za napajanje čipa koriste se naponi od tri do 5,5 volti, gde sam čip troši maksimalno jedan miliamper.

Čip dolazi u SOT23-8 i SOIC-8 pakovanjima i za razvoj projekta svakako je pogodniji u formi modula, kao što smo i mi uradili. Prvo što primećujemo na modulu je poveći otpornik R100 (2512), to jest, od 0,1 oma. S obzirom na to da je maksimalna ulazna snaga pojačala +/-320mV, to znači da naš modul može da meri do +/- 3,2 ampera. Interni 12-bitni analogno-digitalni konvertor daje rezoluciju od 0,8 miliampera. Ovo se može korigovati unutrašnjim pojačanjem ili zamenom otpornika. I2C adresa se dobija preko dva selektora, a modul omogućava njih četiri. Imamo čak šest pinova gde GND i VCC povezujemo na 5V našeg Una, a SDA i SCL na A4 i A5. V+ i V- idu na potrošača, bez obzira na to da li su u pitanju izvodi pinova ili terminala, govorimo o istim vodovima.

Za INA219 smo koristili Adafruit_INA219 biblioteku koja se može preuzeti preko Library menadžera u okviru IDE. Biblioteka iz senzora izvlači Bus ili ulazni napon, zatim šant i napon potrošača, a na kraju još struju i snagu.

Bidirekcioni pojačivač sa oznakom MAX471 je čip koji se više ne proizvodi, ali se i dalje može naći po online prodavnicama, pa smo ga zato uvrstili u ovu grupu aktuatora. Namenjen je za ugradnju u prenosne računare, telefone i druge portabl uređaje koji rade na baterije, a gde je potrebno pratiti napajanje. Ovo integralno kolo ne mora da se koristi isključivo kod uređaja na baterije, jer se na isti način može koristiti i kod DC napajanja. MAX471 ima integrisan otpornik (Rsense) od 35 milioma (mΩ), osetljiv na struju, i može da meri struju baterija do +/- 3 ampera. Izlaz sa MAX471 može se konvertovati u GND referentni napon uz pomoć samo jednog otpornika, što omogućava širok raspon struja i napona baterija. Kao kec u rukavu MAX471 ima SIGN izvod kao open-collector. Ovaj izlaz pokazuje smer struje, pa je pogodan kod projekata gde je potrebno pratiti smer struje, to jest, da li se baterija puni ili prazni. Za napajanje čipa mogu se koristiti naponi od tri do 36 volti, a sa 100 mikroapera potrošnje svrstavamo ga u low-power uređaje.

Od svojih osam izvoda, SHDN (shutdown) se povezuje na GND pri normalnoj upotrebi. Ako je HIGH, struja napajanja je manja od pet mikroampera. Izvodi 2 i 3 zajedno čine RS+ i uz RS- (izvodi 6, 7) zatvaraju krug unutrašnjeg otpornika osetljivog na napon. Oznake + i - označavaju smer samo ako se SIGN koristi. GND ne treba pojašnjavati, dok smo SIGN već pomenuli. Struja na OUT izvodu je proporcionalna magnitudi struje koja prolazi kroz Rsense. Ako ovaj izvod povežemo sa GND preko 2K otpornika, dobićemo napon jednak 1V/A od onoga što je Rsense registrovao.

Modul koji smo nabavili dolazi sa dva para terminala za ulaz i izlaz (VIN i VOUT). Za povezivanje sa mikrokontrolerom koristimo četiri pina sa oznakama VT, AT, GND i GND. VT i AT idu na analogne pinove mikrokontrolera. Na terminale povezujemo izvor i potrošača. U zavisnosti od scenarija, to može biti baterija na ulazu i LED na izlazu ili bilo šta drugo. Ali može ta ista baterija biti i na izlazu dok će na ulazu biti struja napajanja. Na taj način možemo očitati kojom strujom se naša baterija puni.

#define VTpin A0

#define ATpin A1

void setup(){

Serial.begin(9600);

}

void loop(){

int VTread = analogRead(VTpin);

int ATread = analogRead(ATpin);

float voltage = VTread * (5.0 / 1024.0) * 5.0;

float current = ATread * (5.0 / 1024.0);

float watt = voltage * current;

Serial.print("Napon: ");

Serial.println(voltage, 3);

Serial.print("Jačina: ");

Serial.println(current,3);

Serial.print("Snaga: ");

Serial.println(watt,3);

Serial.println();

delay(500);

}

U primeru iznad imamo definisane analogne pinove mikrokontrolera na koje povezujemo VT i AT sa modula. S obzirom na to da je u pitanju Uno i 10-bitna rezolucija, kalkulacijama dolazimo do napona, jačine struje i snage. Na taj način lako možemo videti koliko struje troši crvena LED preko otpornika od 220 oma, ako se napaja 18650 baterijom od 3,7 volti, kao na slici ispod.