Stromerkennung

.

Methoden zur Erfassung des Stroms, um den für die Messung am besten geeigneten zu finden.

Shunt:

Die einfachste Methode ist ein Shunt, den wir kaufen oder selbst mit Draht mit einem sehr niedrigen Wert oder mit einem Leistungswiderstand herstellen können.

Wie wir im Bild oben sehen können, Es gibt mehrere Shunts, Es gibt auch viele eingekapselte THT- oder SMD-Leiterplatten, eindeutig das letztere von geringerer Leistung, Aber im Grunde genommen reagieren diese Shunts auf Ohms Gesetz , wo wir einen Draht haben, der einen bestimmten Widerstandswert hat, zum Beispiel 0,1 Ohm, Dies bedeutet, dass wenn ein 10A-Strom durch ihn zirkuliert, Wir müssen eine Spannung an den Shunt-Klemmen messen

V = I. * R = 10A * 0.1R = 1 V.

Wie wir durch Anwendung des Ohmschen Gesetzes sehen können, können wir umgekehrt wissen, welcher Strom durch die Schaltung fließt, indem wir einfach die Spannung im Shunt messen.
Shunts sind leider schwer zu bekommen oder teuer, dafür können wir es durch einen Leistungswiderstand ersetzen, Zum Beispiel ein 0,1R 10W Keramikwiderstand, aber wir müssen die Verlustleistung von 10W berücksichtigen, für Ohms Machtgesetz wo

P = I ^ 2 * R ,

Durch Lösen der Gleichung können wir den maximalen Strom ermitteln, den wir durch den Widerstand von 0,1 R 10 W zirkulieren können, ohne 10 W zu überschreiten,

I = sqrt (P / R) = sqrt (10W / 0,1R)= 10A,

bedeutet, dass der maximale Strom, der in diesem Widerstand zirkulieren kann, 10A beträgt, wenn wir zum Beispiel eine Last anschließen, die verbraucht 6,5 Zu diesem Zeitpunkt müssen wir nach dem Ohmschen Gesetz eine Spannung von messen

V = I. * R = 6,5A * 0.1R = 0,65 V = 650 mV

und die Verlustleistung in diesem Widerstand wird sein

P = I ^ 2 * R = 6,5 A ^ 2 * 0.1R = 4,22 W..

Der Vorteil dieser Stromerfassungsmethode besteht darin, dass der Widerstand eine lineare Komponente ist, Dies bedeutet, dass der Spannungswert proportional zum durchfließenden Strom linear ist.

Der Nachteil ist, dass der Widerstand eine Kontaktkomponente ist, die sich im zu messenden Stromkreis befinden muss, es ist in keiner Weise isoliert.

Hier sehen wir ein Beispiel für die Stromerkennung, um den Strom einer Lampe von zu messen 100 W angetrieben a 230 V CA., Die im Widerstand gemessene Spannung beträgt 0,0435 V, Wenn wir das Ohmsche Gesetz anwenden, können wir berechnen

I = V. / R = 0,0435 / 0,1 = 0,435 = 435 mA.

HALLE:
Eine hybride Messmethode wird als Hall-Effekt bezeichnet, Der Hall-Effekt ist die Potentialdifferenz, die durch die Trennung von Ladungen vom elektrischen Feld in einem Leiter erzeugt wird, durch den ein elektrischer Strom zirkuliert.
Wenn wir einen bestimmten elektrischen Kanal nehmen und einen elektrischen Strom in eine Richtung zirkulieren lassen, Es besteht die Tendenz, eine Trennung zwischen elektrischen Ladungen zu erzeugen, die orthogonal zum Fluss des angelegten Stroms sind, indem dieser Leiter einem Magnetfeld ausgesetzt wird, Die Ladungen, die sich an den orthogonalen Enden des Stroms befinden, nehmen zu und diese Ladungen verursachen eine Potentialdifferenz, die mit einem Voltmeter gemessen werden kann und die proportional zu dem an sie angelegten Magnetfeld ist.

Ein Hall-Effekt-Sensor ist in verschiedenen Formaten erhältlich, Eine sehr häufige ist jedoch die Kapselung ähnlich einem Transistor mit niedrigem Signal, Beispielsweise ist UGN3503 ein analoger Hall-Effekt-Sensor (Es gibt auch digitale Ausgänge, mit Datenprotokoll , mit 3 Achsen, 6 Achsen, usw. …) Das einzige, was wir brauchen, um den UGN3503-Sensor zu polarisieren, ist eine Quelle a 5 V ist ein Multimeter zur Messung seiner Leistung.

Die folgende Abbildung zeigt eine Möglichkeit, Strom mithilfe einer Sensorspule mit einem Ringkern zu erfassen.

Derzeit gibt es viele Arten von Hall-Effekt-Sensoren und Stromsensoren, Es gibt jedoch eine sehr beliebte, die ausschließlich zur Erfassung des Stroms entwickelt wurde (abwechselnd oder direkt) basierend auf einer integrierten Schaltung, in der sich ein Hall-Effekt-Sensor befindet, Das gleiche Innere hat einen Leiter, durch den der zu messende elektrische Strom zirkuliert, und auf diesem Leiter ruht ein Hall-Effekt-Sensor, der das vom Leiter erzeugte Magnetfeld misst.
Der Sensor ist der ACS712, der in drei Versionen erhältlich ist, 5EIN, 20A e 30A, Dieser Sensor muss mit 5 V betrieben werden und liefert einen Spannungsausgang, der proportional zum gemessenen Stromwert ist, Der Nachteil dieses Geräts ist, dass wir den Stromkreis wie beim Shunt unterbrechen und in Reihe mit der Last schalten müssen, obwohl der aktuelle Teil mit der internen Elektronik isoliert ist, Wir müssen den Stromkreis unterbrechen und wir haben Strombegrenzungen.

Dieser Sensor ist bereits modular mit einer Platine ausgestattet, Klemmen und Stromversorgung werden zusammen mit einem externen Zähler implementiert (Mikrocontroller, Voltmeter, Oszilloskop, usw. … ).

Stromwandler:

Dies ist eine sehr verbreitete Methode, wenn Hochstrommessungen durchgeführt werden müssen, da es eine nicht-invasive und kontaktlose Methode ist, Wir müssen den zu messenden Stromkreis nicht unterbrechen, wodurch wir höhere Messströme erhalten, Es kann auch als Streaming bezeichnet werden.

Ein Stromwandler ist ein einfacher Transformator, der auf zwei Wicklungen und einem Kern basiert und den Magnetkreis zwischen beiden Wicklungen durch Reduzierung der Magnetleckage erleichtert.

Dies ist eine Methode, die in aktuellen Klemmen weit verbreitet ist, in dem wir einen Leiter in ihnen passieren und dann den Strom berührungslos messen.

Ein Nachteil des Stromwandlers gegenüber einem Shunt besteht darin, dass er nicht so linear ist wie der Shunt, Das Magnetfeld, das in dem durch den Anschluss verlaufenden Leiter erzeugt wird, ist zu schwach, Daher wird ein ferromagnetischer Kern verwendet, der die Empfindlichkeit dank seiner größeren Permeabilität erhöht, die den Magnetkreis begünstigt, Dieser ferromagnetische Kern hat keine lineare Reaktion und dies verringert die Qualität der Messung.

Diese Spule kann zwar auch ohne ferromagnetischen Kern hergestellt werden, mit einem Luftkern und dies ist linear, Die Luft hat jedoch eine viel geringere Durchlässigkeit als die ferromagnetische, daher nimmt die Induktivität der Spule ab und um diese Abnahme zu kompensieren, muss erhöht werden. die Anzahl der Windungen im Induktor.

Ampere Gesetz:

Das Ampere-Gesetz besagt, dass ein durch einen Leiter fließender elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt, Diese Feldstärke ist proportional zum Strom, den der Leiter fließt.

Das im Leiter erzeugte Magnetfeld ist ein kreisförmiges Winkelfeld senkrecht zum Leiter.

Taube:

B: Magnetfeld

dl: Längenunterschied

u0: Permeabilität

ich: Intensität

Wenn wir das geschlossene Integral lösen, wir werden bei bleiben:

Magnetfeld zurücksetzen:

Wenn wir dieses Gesetz eher auf einen Toroid als auf einen geraden Leiter anwenden:

Wie können wir sehen, Wir haben die Variable N hinzugefügt, in die wir die Anzahl der Windungen des Toroids einfügen, Um den Wert des Magnetfeldes klar zu kennen, müssen wir auch wissen, welche Permeabilität der verwendete Magnetkreis hat.

Elektronik:

Wir werden ein wenig reden’ der Elektronik und der für unser Projekt geschaffenen Schaltung.

Wie bereits erwähnt,, für den ACS712-Stromsensor oder für den Shunt, Wir brauchen keine andere Signalaufbereitungsschaltung, aber im Fall des Toroids, Wir müssen den Strom in Spannung umwandeln und dann verstärken, um ihn in das Messgerät einzufügen.

Der Operationsverstärker als Strom-Spannungs-Wandler, auch als Transimpedanzkonfiguration bekannt.

Diese Konfiguration erzeugt eine Ausgangsspannung proportional zu einem Eingangsstrom, mit einer sehr niedrigen Eingangsimpedanz.

Zu diesem Transimpedanzwandler wird ein Integrator als Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz nahe 50 Hz hinzugefügt, Hinzufügen eines 330nF-Kondensators parallel zum Rückkopplungswiderstand.

Schließlich werden wir einen anderen Verstärker verwenden, um die Verstärkung des ersten zu erhöhen, Wir können auch eine Serienvoreinstellung für den Rückkopplungswiderstand verwenden, um die Verstärkung zu variieren und das Messgerät an unsere Skala anzupassen.

Hier können wir die letzte Schaltung sehen, mit der ersten Stufe der Transimpedanz und Integration, dann eine zweite Stufe der Verstärkung.

Die Schaltung benötigt eine symmetrische Quelle, damit sich die Wellenform nicht verformt, daher wurde eine schwimmende Masse erzeugt.

Die verwendete integrierte Schaltung ist ein doppelter LM358-Allzweck-Operationsverstärker, Es wäre jedoch ideal, einen Rail-to-Rail-Typ wie LMV358 zu verwenden, um die gesamte Versorgungsspannung zu nutzen.

Der Toroid hat einen Durchmesser von 25 mm pro 10 mm breit, sind gemacht worden 10 dreht sich und das zu erkennende Kabel verläuft direkt durch die Mitte.

Amilcare Grüße