Sposoby na oszczędzanie energii to jeden z naszych codziennych problemów.
Żeby stworzyć sobie obraz dotyczący potencjału oszczędzania energii, a tym samym ekonomicznego wydawania środków, przede wszystkim należy określić ile energii będzie zużywać dane rozwiązanie. W warunkach domowych oznacza to, że należy wiedzieć ile dane urządzenie zużywa energii elektrycznej. To, wydawać by się mogło, proste zadanie, wcale nie jest aż takie prymitywne.
Trochę teorii
Jaką moc pobiera lampa 40W, pracująca w sieci o napięciu 230V? To jeszcze nie koniec pytania. Dodamy jeden warunek - chodzi o świetlówkę. Czy odpowiedź dalej jest tak oczywista? A przecież nawet niektórzy specjaliści nie wiedzą, że taka lampa zużywa ponad 400mA, a jej moc to 50W! Spróbujemy to wyjaśnić.
Wiemy, że w przypadku prądu stałego, pełna moc potrzebna danemu urządzeniu równa się iloczynowi napięcia i natężenia:
P = U×I
Ten wzór działa też w przypadku prądu zmiennego, ale z dwoma zastrzeżeniami. Po pierwsze, kształty napięcia i prądu powinny być sinusoidą. A po drugie, powinny być współfazowe, co obserwuje się tylko w przypadku rezystancyjnego obciążenia sieci:
Żeby w tym przypadku wyliczyć wartość mocy, wystarczy zmierzyć napięcie i natężenie prądu dowolnym multimetrem z zakresem AC i pomnożyć otrzymane wartości. A jak to wygląda w pozostałych sytuacjach?
I tu pomiar mocy jest czynnością wcale nie taką prostą. Pełna moc dowolnego urządzenia elektrycznego jak wcześniej napisano jest równa iloczynowi bieżących wartości napięcia i natężenia prądu, ale to nie ona nas interesuje. Podobnie jak zwykły licznik energii elektrycznej mierzy tylko aktualnie zużywaną energię, tak dla nas najważniejsza jest tylko czynna składowa mocy, która zależy od różnych czynników.
W przypadku obciążenia, kiedy krzywe napięcia i natężenia są przesunięte względem siebie:
moc czynna jest wyliczana według wzoru:
P = U×I×cosφ
gdzie U i I to odpowiednie wartości napięcia i natężenia, a φ - kąt przesunięcia faz pomiędzy dwiema krzywymi. Trudność zmierzenia mocy „podręcznymi urządzeniami” w tym przypadku polega na tym, że wartość tego kąta nie jest wcześniej znana (chociaż my jeszcze możemy zmierzyć U i I za pomocą prostego multimetru). Druga trudność jest związana z tym, że obciążeń sieci o czysto reaktancyjnym charakterze zużycia w warunkach domowych nie jest zbyt wiele. O wiele częściej spotyka się tzw. zużycie o charakterze impulsowym, w którym linia krzywej napięcia nie ma kształtu sinusoidalnego (klasyczny przykład - żarówka włączona za pomocą ściemniacza tyrystorowego). W tym przypadku moc czynna również zawsze będzie mniejsza niż iloczyn aktualnych wartości U i I, przy czym przesunięcie faz obu krzywych może zarówno występować, jak i nie:
W tym przypadku moc czynną wyliczamy według wzoru:
P = U×I×λ
gdzie λ to ogólny współczynnik, uwzględniający zarówno przesunięcie faz pomiędzy napięciem i natężeniem, jak i zniekształconą linię napięcia, zwany współczynnikiem mocy. Stąd wynika, że w przypadku rezystancyjnego obciążenia? λ = 1, a w przypadku czysto reaktancyjnego obciążenia λ = cosφ.
Tu trzeba zauważyć, że w przypadku urządzeń elektrycznych, których zapotrzebowanie na energię wygląda jak pokazano na rysunku 3, „podręczne” przyrządy miernicze są zupełnie nieprzydatne. Tłumaczy się to tym, że proste multimetry zaledwie określają średnią wartość sinusoidalnego prądu zmiennego, co prowadzi do błędu. Aby poprawnie wykonać pomiar, należy skorzystać z urządzenia z funkcją TrueRMS, należącego do wyższej kategorii cenowej. Poza tym nadal nie znamy współczynnika λ.
Jak więc możemy zmierzyć moc danego urządzenia elektrycznego? Jednym ze sposobów jest zastosowanie zwykłego licznika energii elektrycznej:
Po podłączeniu takiego licznika i odczekaniu określonej ilości czasu otrzymamy informację o zużytej energii, co umożliwi nam obliczyć średnią wymaganą moc. Minusami takiej metody są niedokładność pomiaru, zależność czasu pomiaru od natężenia prądu, brak możliwości zmierzenia obciążeń krótkotrwałych i określenia λ.
Wstępne założenia projektu
Pewne braki zwykłego licznika energii elektrycznej i rezygnacja z profesjonalnego, ale drogiego watomierza skłoniły nas do zaprojektowania własnego urządzenia. Na początek określmy jakie warunki ma spełniać:
- automatyczny pomiar mocy czynnej w szerokim zakresie mocy, np. od 0,1 do 1000W;
- wyliczenie ilości energii zużytej w określonym czasie (max. 1 doba);
- czas pomiaru mocy nie dłuższy niż 2s;
- dokładność pomiaru nie mniejsza niż 1%;
- możliwość pomiaru bieżącej wartości napięcia;
- możliwość pomiaru bieżącej wartości natężenia prądu (niezależnie od jego kształtu);
- wyliczenie i przedstawienie współczynnika mocy λ.
Szukając odpowiedniego rozwiązania, trafiliśmy na serię układów scalonych dla liczników energii elektrycznej firmy Analog Devices [1]. Pomimo tego, że do naszego urządzenia najbardziej pasował układ scalony ADE7753, z różnych względów wybrany został ADE7756 [3].
Zgodnie ze specyfikacją producenta, układ scalony ADE7756 to bardzo precyzyjny, dający się programować licznik energii elektrycznej z szeregowym interfejsem. Jego schemat przedstawiono na poniższym rysunku:
Impulsy proporcjonalne do napięcia i natężenia prądu są odpowiednio podawane na analogowo-cyfrowe przetworniki ADC1 i ADC2 o napięciu wejściowym 2,4V. Tak więc impuls napięcia ulega obróbce cyfrowej w filtrze wyższych częstotliwości HPF1, a następnie jest mnożony przez impuls natężenia. Otrzymany w taki sposób impuls mocy czynnej przechodzi przez filtr niskich częstotliwości LPF2, po czym jest gromadzony w rejestrze aktywnej energii AENERGY, którego treść jest dostępna za pośrednictwem szeregowego interfejsu SPI. Oprócz tego, tenże sygnał jest podawany na przetwornik DFC, który tworzy impulsowe (częstotliwościowe) wyjście mocy na nóżce CF.
Konfiguracja układu scalonego odbywa się za pomocą rejestrów wzmocnienia napięcia (APGAIN), kalibracji przesunięcia faz napięcia i natężenia (PHCAL), korekcji zera mocy czynnej (APOS), kalibracji wyjścia częstotliwościowego CF (CFDIV). Oprócz interfejsu SPI i wyjścia częstotliwościowego CF, urządzenie posiada dodatkowe wyjścia ZX (synchronizowane z przechodzeniem mierzonego napięcia przez zero) i SAG (uaktywniające się przy spadku napięcia wejściowego). Układ scalony jest taktowany rezonatorem kwarcowym o częstotliwości 3,58MHz, podłączonym do wyjść CLKIN i CLKOUT.
Praca z układem scalonym wymaga podłączenia go do zewnętrznego terminalu lub mikrokontrolera, który posiada interfejs SPI. Dotyczy ona czytania i zapisu rejestrów, których pełną listę można znaleźć w załączonym dokumencie [3]. To, co jest dla nas ważne to możliwość odczytu nie tylko energii z rejestru AENERGY, nagromadzonej w określonym czasie, ale i tymczasowych wartości napięcia, natężenia i mocy z rejestru WAVEFORM. To umożliwia obliczenie wszystkich potrzebnych wartości elektrycznych za pomocą mikrokontrolera.
Układ elektryczny
Po lekturze odpowiednich materiałów ([2], [3], [4] i [5]) opracowaliśmy zasadniczy schemat watomierza, który został nazwany „WH-756”:
Obwody wejściowe zaprojektowano na układzie scalonym ADE7756 (DD2). Do pomiaru prądu zastosowano bocznik R7 o wartości ok. 25mΩ. Spadek napięcia na boczniku jest podawany na wejścia V1N, V1P układu scalonego DD2 za pomocą rezystorów R8 i R9, które razem z kondensatorami C7, C9 tworzą filtr dolnoprzepustowy, eliminujący oddziaływanie wyższych harmonicznych prądu na wynik pomiaru. Analogicznie napięcie sieci jest podawane na wejścia V2N, V2P poprzez dzielniki R2/R3 i R4/R5, których dolne elementy są bocznikowane kondensatorami C3, C5.
Układ scalony DD2 jest podłączony do napięcia zasilającego +5V, filtrowanego dodatkowo za pomocą kondensatorów C8 i C11. Taka sama para kondensatorów (С10 i С12) jest dodatkowo podłączana do wyjścia napięcia. Układ scalony jest taktowany standardowym rezonatorem kwarcowym ZQ2 o częstotliwości 3,58 MHz.
„Sercem” układu jest mikrokontroler DD1 typu ATMega8535, pracujący na częstotliwości 16MHz, utrzymywanej przez rezonator kwarcowy. Jeden z timerów mikrokontrolera jest wykorzystywany do wyliczania dokładnych przedziałów czasowych, co wymagało dodatkowego podłączenia rezonatora ZQ3 o wartości 32768Hz.
Mikrokontroler DD1 współpracuje z układem scalonym DD2 za pomocą interfejsu szeregowego SPI i sygnałów asynchronicznych, z portu D. Należy zauważyć, że w aktualnej wersji urządzenia WH-756 połączenie między 11 pinem DD2 (CF) i 20 pinem DD1 (PortD.6) nie jest stosowane i można z niego zrezygnować. Wyjście CF DD2 jest wykorzystywane jedynie w celu wizualizacji pomiaru mocy za pomocą diody HL2.
Sterowanie urządzeniem odbywa się za pomocą czterech przycisków SB1-SB4 - „W lewo”, „W prawo”, „W górę”, „W dół”. Każdy przycisk pełni funkcję zależną od aktualnego trybu pracy. Pomierzone wartości, a także pozostałe informacje są wyświetlane na standardowym alfanumerycznym wyświetlaczu LCD HG1 (16х2) ze sterownikiem HD44780 i podświetleniem. Kontrast wyświetlacza można ustawić przy pomocy rezystora strojeniowego R14.
Część układu służąca do pomiarów jest zasilana poprzez transformator T1 z bezpiecznikiem FU1, mostek diodowy VD1-VD4 i stabilizator DA1. Obwód główny jest podłączony przez bezpieczniki FU2 i FU3, których jednoczesne usunięcie umożliwia izolację części układu o niskim napięciu od napięcia sieciowego.
Uwaga! Urządzenie posiada bezpośrednie połączenie galwaniczne z przewodami układu zasilania 220/230V. Dlatego należy zachować wszelkie zasady bezpieczeństwa dotyczące pracy z obwodami o takim napięciu. Należy zachować szczególna ostrożność w momencie podłączania urządzenia!
Praca z urządzeniem
Watomierz prądu zmiennego WH-756 posiada dwa podstawowe tryby pracy, które umownie można nazwać trybem licznika energii elektrycznej i trybem watomierza. W momencie włączenia urządzenia zostaje wyświetlony ekran startowy z nazwą i informacją o autorze. Wciśnięcie przycisku „W lewo” umożliwia włączenie lub wyłączenie podświetlenia ekranu, a pozostałe przyciski pozwalają na przejście w pierwszy tryb pracy. W tym przypadku ekran wygląda następująco:
W trybie „licznik energii elektrycznej” w pierwszej linijce tekstu pojawia się informacja o czasie bieżącego pomiaru i aktualnej mocy. W momencie wejścia do tego trybu zarówno wartości pomiaru, jak i licznika energii automatycznie się aktualizują. W kolejnej linijce wyświetla się ilość zużytej energii elektrycznej, a także średnia moc w momencie pomiaru. Aktualizacja danych w tym trybie odbywa się raz na sekundę. Po upływie 23 godzin, 59 minut i 59 sekund pomiar zostaje automatycznie wstrzymany z zachowaniem ostatnich informacji na ekranie. Aby ponownie włączyć (reset wyników) możliwość pomiaru, należy wcisnąć przycisk „W prawo”. Przycisk „W lewo” przełącza podświetlenie wyświetlacza. Przejście do drugiego trybu pracy odbywa się po wciśnięciu przycisku „W dół”.
W trybie „watomierz” pierwsza linijka na ekranie zawiera wartości napięcia i natężenia prądu:
W następnej linijce widać wartości mocy czynnej i współczynnika mocy λ (PF). Dane są aktualizowane raz na dwie sekundy. Tu należy zauważyć, że ze względu na zastosowany układ scalony pomiar napięcia i natężenia wykonano w ciągu kolejnych 1-sekundowych cykli - przy szybko zmieniających się wartościach napięcia i natężenia prądu może wystąpić lekki błąd pomiaru λ. Również z powodu nieudokumentowanych właściwości układu scalonego DD2, dokładny pomiar napięcia i współczynnika mocy występuje tylko przy natężeniu powyżej 5-10mA (chociaż moc czynną jesteśmy w stanie dokładnie zmierzyć nawet przy mniejszym natężeniu!).
Aby zatrzymać informację na ekranie lub ponownie ją zaktualizować, w danym trybie wciskamy przycisk „W prawo”. W momencie wciśnięcia przycisku „W dół” nastąpi przejście do ekranu pomocy, a przycisku „W górę” - powrót urządzenia do pierwszego trybu pracy. Wszystkie przyciski należy trzymać w momencie przyciśnięcia nie dłużej niż 2s do uzyskania wymaganego wyniku.
Ekran pomocy zawiera informacje o bieżącej temperaturze układu scalonego DD2 i wersji firmware:
Stąd można wrócić do trybów „watomierz” i „licznik energii elektrycznej” za pomocą przycisków „W górę” i „W dół”. Działa również sterowanie podświetleniem za pomocą przycisku „W lewo”. Należy zwrócić uwagę, że podświetlenie wyłącza się automatycznie po 10 minutach od wybrania dowolnego ekranu urządzenia. Ma to na celu zmniejszenie zużycia energii, ponieważ podświetlenie zużywa o wiele więcej prądu niż wymaga tego pozostała część układu.
Kalibracja
Podobnie jak każdy przyrząd mierniczy, w celu osiągnięcia dokładności pomiaru nasz watomierz WH-756 wymaga wstępnej kalibracji. Informacje dotyczące kalibracji są zapisywane w EEPROM mikrokontrolera DD1 i nie wymagają częstej aktualizacji. Aby ułatwić przeprowadzenie kalibracji, w urządzeniu przewidziano kilka specjalnych funkcji. Pierwszą z nich jest automatyczne ustawienie zera napięcia i natężenia. Aby skorzystać z tej funkcji, należy w trybie „watomierz” oraz po odłączeniu bezpieczników FU2 i FU3 poczekać aż ustabilizują się wartości U i I, a następnie nacisnąć i przytrzymać przycisk „W lewo” aż do wyzerowania wartości. W razie potrzeby tę operację można powtórzyć kilka razy, aż do otrzymania stabilnych zerowych wartości napięcia i natężenia.
Kolejny etap to kalibracja wartości w realnych jednostkach, za pomocą wyboru odpowiednich ekranów. Pierwszy z nich wybiera się z trzeciego podstawowego ekranu (ekranu pomocy) za pomocą przycisku „W prawo”. W pierwszej linijce wpisuje się mierzoną wartość mocy w umownych jednostkach, a w kolejnej - wartość kalibrowaną przy pomocy aktualnego współczynnika w watach (dla porównania). Ta informacja jest potrzebna do wyliczenia współczynnika kalibracji KP według wzoru:
KP = P / Pact
gdzie Pact to rzeczywista moc prądu (w watach), P - moc w jednostkach umownych z pierwszej linijki danego ekranu. Analogiczne współczynniki dla napięcia i natężenia KU i KI na drugim i trzecim ekranie kalibracji wylicza się zgodnie ze wzorem:
KU = Uact / U
KI = Iact / I
Zaleca się wykonywać kalibrację przy aktywnym napięciu i znanych parametrach - przykładowo z wykorzystaniem kompletu żarówek o mocy od 10 do 500W. Wartości KP, KU i KI są zapisywane w EEPROM mikrokontrolera DD1 w formacie Single.
Obudowa i detale
W autorskim wariancie urządzenia WH-756 zastosowano plastikową obudowę o wymiarach 150х120х40mm:
W przednim panelu obudowy znajdują się przyciski SB1-SB4, wskaźnik CF i ekran HG2. Na górze zamontowano zwykłe gniazdko, do którego podłącza się urządzenie, które chcemy zmierzyć. Należy zwrócić uwagę, że gniazdko jest bezpośrednio podłączone do przewodu zasilającego za pośrednictwem bezpieczników FU2 i U3 i nie jest włączane wyłącznikiem zasilania urządzenia. W tylnej części zamontowano wyłącznik SA1 i bezpieczniki FU1-FU3:
Ponieważ urządzenie było wykonane w jednym egzemplarzu, a nie w celu seryjnej produkcji, nie została zaprojektowana dla niego osobna płytka drukowana. Elementy zamontowano na płytce uniwersalnej o wymiarach 110х50mm, którą można zobaczyć poniżej (bez bocznika, zasilacza i wyświetlacza):
Wszystkie rezystory, z wyjątkiem R2, R4 i R7 mają moc 0,25W. Rezystory R2 i R4 są na napięcie nie mniejsze niż 250V o mocy 1W. Bocznik R7 jest zbudowany z czterech połączonych równolegle rezystorów o wartości 0,1Ω każdy. Maksymalne nagrzewanie się bocznika w normalnych warunkach nie powinno mieć żadnego wpływu na dokładność pomiaru. Zworka J1 jest przeznaczona do programowania w układzie.
Zakończenie
Dokładne urządzenie cyfrowe, które umożliwia pomiar mocy, napięcia, natężenia i współczynnika mocy pozwala oszacować ilość zużytej energii elektrycznej różnych urządzeń wykorzystywanych w domu. Przykładowo w czasie testowania urządzenia odkryliśmy, że telewizor w trybie standby zużywa więcej niż 10W, co oznacza, że niepotrzebnie wykorzystuje prawie połowę mocy zużywanej przez domowy serwer NAS! To oczywiście sprowadza się do odłączenia od zasilania pewnych urządzeń, które w danym momencie nie są używane.
Źródło: http://radiokot.ru/circuit/digital/measure/76/
Literatura:
1. http://www.eltech.spb.ru/techinfo.html?aid=27
2. Clarke, J. Control your power costs with the Energy meter // Everyday Practical Electronics, 2007. №5, pp. 12-21, №6, pp. 52-61.
3. http://smd.hu/Data/Analog/ADE77xx/ADE7756/ADE7756_0.pdf
4. http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/an564.pdf
5. http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN578_a.pdf
Załączniki:
Firmware w wersji 4.4 + EEPROM
Żeby stworzyć sobie obraz dotyczący potencjału oszczędzania energii, a tym samym ekonomicznego wydawania środków, przede wszystkim należy określić ile energii będzie zużywać dane rozwiązanie. W warunkach domowych oznacza to, że należy wiedzieć ile dane urządzenie zużywa energii elektrycznej. To, wydawać by się mogło, proste zadanie, wcale nie jest aż takie prymitywne.
Trochę teorii
Jaką moc pobiera lampa 40W, pracująca w sieci o napięciu 230V? To jeszcze nie koniec pytania. Dodamy jeden warunek - chodzi o świetlówkę. Czy odpowiedź dalej jest tak oczywista? A przecież nawet niektórzy specjaliści nie wiedzą, że taka lampa zużywa ponad 400mA, a jej moc to 50W! Spróbujemy to wyjaśnić.
Wiemy, że w przypadku prądu stałego, pełna moc potrzebna danemu urządzeniu równa się iloczynowi napięcia i natężenia:
P = U×I
Ten wzór działa też w przypadku prądu zmiennego, ale z dwoma zastrzeżeniami. Po pierwsze, kształty napięcia i prądu powinny być sinusoidą. A po drugie, powinny być współfazowe, co obserwuje się tylko w przypadku rezystancyjnego obciążenia sieci:
Żeby w tym przypadku wyliczyć wartość mocy, wystarczy zmierzyć napięcie i natężenie prądu dowolnym multimetrem z zakresem AC i pomnożyć otrzymane wartości. A jak to wygląda w pozostałych sytuacjach?
I tu pomiar mocy jest czynnością wcale nie taką prostą. Pełna moc dowolnego urządzenia elektrycznego jak wcześniej napisano jest równa iloczynowi bieżących wartości napięcia i natężenia prądu, ale to nie ona nas interesuje. Podobnie jak zwykły licznik energii elektrycznej mierzy tylko aktualnie zużywaną energię, tak dla nas najważniejsza jest tylko czynna składowa mocy, która zależy od różnych czynników.
W przypadku obciążenia, kiedy krzywe napięcia i natężenia są przesunięte względem siebie:
moc czynna jest wyliczana według wzoru:
P = U×I×cosφ
gdzie U i I to odpowiednie wartości napięcia i natężenia, a φ - kąt przesunięcia faz pomiędzy dwiema krzywymi. Trudność zmierzenia mocy „podręcznymi urządzeniami” w tym przypadku polega na tym, że wartość tego kąta nie jest wcześniej znana (chociaż my jeszcze możemy zmierzyć U i I za pomocą prostego multimetru). Druga trudność jest związana z tym, że obciążeń sieci o czysto reaktancyjnym charakterze zużycia w warunkach domowych nie jest zbyt wiele. O wiele częściej spotyka się tzw. zużycie o charakterze impulsowym, w którym linia krzywej napięcia nie ma kształtu sinusoidalnego (klasyczny przykład - żarówka włączona za pomocą ściemniacza tyrystorowego). W tym przypadku moc czynna również zawsze będzie mniejsza niż iloczyn aktualnych wartości U i I, przy czym przesunięcie faz obu krzywych może zarówno występować, jak i nie:
W tym przypadku moc czynną wyliczamy według wzoru:
P = U×I×λ
gdzie λ to ogólny współczynnik, uwzględniający zarówno przesunięcie faz pomiędzy napięciem i natężeniem, jak i zniekształconą linię napięcia, zwany współczynnikiem mocy. Stąd wynika, że w przypadku rezystancyjnego obciążenia? λ = 1, a w przypadku czysto reaktancyjnego obciążenia λ = cosφ.
Tu trzeba zauważyć, że w przypadku urządzeń elektrycznych, których zapotrzebowanie na energię wygląda jak pokazano na rysunku 3, „podręczne” przyrządy miernicze są zupełnie nieprzydatne. Tłumaczy się to tym, że proste multimetry zaledwie określają średnią wartość sinusoidalnego prądu zmiennego, co prowadzi do błędu. Aby poprawnie wykonać pomiar, należy skorzystać z urządzenia z funkcją TrueRMS, należącego do wyższej kategorii cenowej. Poza tym nadal nie znamy współczynnika λ.
Jak więc możemy zmierzyć moc danego urządzenia elektrycznego? Jednym ze sposobów jest zastosowanie zwykłego licznika energii elektrycznej:
Po podłączeniu takiego licznika i odczekaniu określonej ilości czasu otrzymamy informację o zużytej energii, co umożliwi nam obliczyć średnią wymaganą moc. Minusami takiej metody są niedokładność pomiaru, zależność czasu pomiaru od natężenia prądu, brak możliwości zmierzenia obciążeń krótkotrwałych i określenia λ.
Wstępne założenia projektu
Pewne braki zwykłego licznika energii elektrycznej i rezygnacja z profesjonalnego, ale drogiego watomierza skłoniły nas do zaprojektowania własnego urządzenia. Na początek określmy jakie warunki ma spełniać:
- automatyczny pomiar mocy czynnej w szerokim zakresie mocy, np. od 0,1 do 1000W;
- wyliczenie ilości energii zużytej w określonym czasie (max. 1 doba);
- czas pomiaru mocy nie dłuższy niż 2s;
- dokładność pomiaru nie mniejsza niż 1%;
- możliwość pomiaru bieżącej wartości napięcia;
- możliwość pomiaru bieżącej wartości natężenia prądu (niezależnie od jego kształtu);
- wyliczenie i przedstawienie współczynnika mocy λ.
Szukając odpowiedniego rozwiązania, trafiliśmy na serię układów scalonych dla liczników energii elektrycznej firmy Analog Devices [1]. Pomimo tego, że do naszego urządzenia najbardziej pasował układ scalony ADE7753, z różnych względów wybrany został ADE7756 [3].
Zgodnie ze specyfikacją producenta, układ scalony ADE7756 to bardzo precyzyjny, dający się programować licznik energii elektrycznej z szeregowym interfejsem. Jego schemat przedstawiono na poniższym rysunku:
Impulsy proporcjonalne do napięcia i natężenia prądu są odpowiednio podawane na analogowo-cyfrowe przetworniki ADC1 i ADC2 o napięciu wejściowym 2,4V. Tak więc impuls napięcia ulega obróbce cyfrowej w filtrze wyższych częstotliwości HPF1, a następnie jest mnożony przez impuls natężenia. Otrzymany w taki sposób impuls mocy czynnej przechodzi przez filtr niskich częstotliwości LPF2, po czym jest gromadzony w rejestrze aktywnej energii AENERGY, którego treść jest dostępna za pośrednictwem szeregowego interfejsu SPI. Oprócz tego, tenże sygnał jest podawany na przetwornik DFC, który tworzy impulsowe (częstotliwościowe) wyjście mocy na nóżce CF.
Konfiguracja układu scalonego odbywa się za pomocą rejestrów wzmocnienia napięcia (APGAIN), kalibracji przesunięcia faz napięcia i natężenia (PHCAL), korekcji zera mocy czynnej (APOS), kalibracji wyjścia częstotliwościowego CF (CFDIV). Oprócz interfejsu SPI i wyjścia częstotliwościowego CF, urządzenie posiada dodatkowe wyjścia ZX (synchronizowane z przechodzeniem mierzonego napięcia przez zero) i SAG (uaktywniające się przy spadku napięcia wejściowego). Układ scalony jest taktowany rezonatorem kwarcowym o częstotliwości 3,58MHz, podłączonym do wyjść CLKIN i CLKOUT.
Praca z układem scalonym wymaga podłączenia go do zewnętrznego terminalu lub mikrokontrolera, który posiada interfejs SPI. Dotyczy ona czytania i zapisu rejestrów, których pełną listę można znaleźć w załączonym dokumencie [3]. To, co jest dla nas ważne to możliwość odczytu nie tylko energii z rejestru AENERGY, nagromadzonej w określonym czasie, ale i tymczasowych wartości napięcia, natężenia i mocy z rejestru WAVEFORM. To umożliwia obliczenie wszystkich potrzebnych wartości elektrycznych za pomocą mikrokontrolera.
Układ elektryczny
Po lekturze odpowiednich materiałów ([2], [3], [4] i [5]) opracowaliśmy zasadniczy schemat watomierza, który został nazwany „WH-756”:
Obwody wejściowe zaprojektowano na układzie scalonym ADE7756 (DD2). Do pomiaru prądu zastosowano bocznik R7 o wartości ok. 25mΩ. Spadek napięcia na boczniku jest podawany na wejścia V1N, V1P układu scalonego DD2 za pomocą rezystorów R8 i R9, które razem z kondensatorami C7, C9 tworzą filtr dolnoprzepustowy, eliminujący oddziaływanie wyższych harmonicznych prądu na wynik pomiaru. Analogicznie napięcie sieci jest podawane na wejścia V2N, V2P poprzez dzielniki R2/R3 i R4/R5, których dolne elementy są bocznikowane kondensatorami C3, C5.
Układ scalony DD2 jest podłączony do napięcia zasilającego +5V, filtrowanego dodatkowo za pomocą kondensatorów C8 i C11. Taka sama para kondensatorów (С10 i С12) jest dodatkowo podłączana do wyjścia napięcia. Układ scalony jest taktowany standardowym rezonatorem kwarcowym ZQ2 o częstotliwości 3,58 MHz.
„Sercem” układu jest mikrokontroler DD1 typu ATMega8535, pracujący na częstotliwości 16MHz, utrzymywanej przez rezonator kwarcowy. Jeden z timerów mikrokontrolera jest wykorzystywany do wyliczania dokładnych przedziałów czasowych, co wymagało dodatkowego podłączenia rezonatora ZQ3 o wartości 32768Hz.
Mikrokontroler DD1 współpracuje z układem scalonym DD2 za pomocą interfejsu szeregowego SPI i sygnałów asynchronicznych, z portu D. Należy zauważyć, że w aktualnej wersji urządzenia WH-756 połączenie między 11 pinem DD2 (CF) i 20 pinem DD1 (PortD.6) nie jest stosowane i można z niego zrezygnować. Wyjście CF DD2 jest wykorzystywane jedynie w celu wizualizacji pomiaru mocy za pomocą diody HL2.
Sterowanie urządzeniem odbywa się za pomocą czterech przycisków SB1-SB4 - „W lewo”, „W prawo”, „W górę”, „W dół”. Każdy przycisk pełni funkcję zależną od aktualnego trybu pracy. Pomierzone wartości, a także pozostałe informacje są wyświetlane na standardowym alfanumerycznym wyświetlaczu LCD HG1 (16х2) ze sterownikiem HD44780 i podświetleniem. Kontrast wyświetlacza można ustawić przy pomocy rezystora strojeniowego R14.
Część układu służąca do pomiarów jest zasilana poprzez transformator T1 z bezpiecznikiem FU1, mostek diodowy VD1-VD4 i stabilizator DA1. Obwód główny jest podłączony przez bezpieczniki FU2 i FU3, których jednoczesne usunięcie umożliwia izolację części układu o niskim napięciu od napięcia sieciowego.
Uwaga! Urządzenie posiada bezpośrednie połączenie galwaniczne z przewodami układu zasilania 220/230V. Dlatego należy zachować wszelkie zasady bezpieczeństwa dotyczące pracy z obwodami o takim napięciu. Należy zachować szczególna ostrożność w momencie podłączania urządzenia!
Praca z urządzeniem
Watomierz prądu zmiennego WH-756 posiada dwa podstawowe tryby pracy, które umownie można nazwać trybem licznika energii elektrycznej i trybem watomierza. W momencie włączenia urządzenia zostaje wyświetlony ekran startowy z nazwą i informacją o autorze. Wciśnięcie przycisku „W lewo” umożliwia włączenie lub wyłączenie podświetlenia ekranu, a pozostałe przyciski pozwalają na przejście w pierwszy tryb pracy. W tym przypadku ekran wygląda następująco:
W trybie „licznik energii elektrycznej” w pierwszej linijce tekstu pojawia się informacja o czasie bieżącego pomiaru i aktualnej mocy. W momencie wejścia do tego trybu zarówno wartości pomiaru, jak i licznika energii automatycznie się aktualizują. W kolejnej linijce wyświetla się ilość zużytej energii elektrycznej, a także średnia moc w momencie pomiaru. Aktualizacja danych w tym trybie odbywa się raz na sekundę. Po upływie 23 godzin, 59 minut i 59 sekund pomiar zostaje automatycznie wstrzymany z zachowaniem ostatnich informacji na ekranie. Aby ponownie włączyć (reset wyników) możliwość pomiaru, należy wcisnąć przycisk „W prawo”. Przycisk „W lewo” przełącza podświetlenie wyświetlacza. Przejście do drugiego trybu pracy odbywa się po wciśnięciu przycisku „W dół”.
W trybie „watomierz” pierwsza linijka na ekranie zawiera wartości napięcia i natężenia prądu:
W następnej linijce widać wartości mocy czynnej i współczynnika mocy λ (PF). Dane są aktualizowane raz na dwie sekundy. Tu należy zauważyć, że ze względu na zastosowany układ scalony pomiar napięcia i natężenia wykonano w ciągu kolejnych 1-sekundowych cykli - przy szybko zmieniających się wartościach napięcia i natężenia prądu może wystąpić lekki błąd pomiaru λ. Również z powodu nieudokumentowanych właściwości układu scalonego DD2, dokładny pomiar napięcia i współczynnika mocy występuje tylko przy natężeniu powyżej 5-10mA (chociaż moc czynną jesteśmy w stanie dokładnie zmierzyć nawet przy mniejszym natężeniu!).
Aby zatrzymać informację na ekranie lub ponownie ją zaktualizować, w danym trybie wciskamy przycisk „W prawo”. W momencie wciśnięcia przycisku „W dół” nastąpi przejście do ekranu pomocy, a przycisku „W górę” - powrót urządzenia do pierwszego trybu pracy. Wszystkie przyciski należy trzymać w momencie przyciśnięcia nie dłużej niż 2s do uzyskania wymaganego wyniku.
Ekran pomocy zawiera informacje o bieżącej temperaturze układu scalonego DD2 i wersji firmware:
Stąd można wrócić do trybów „watomierz” i „licznik energii elektrycznej” za pomocą przycisków „W górę” i „W dół”. Działa również sterowanie podświetleniem za pomocą przycisku „W lewo”. Należy zwrócić uwagę, że podświetlenie wyłącza się automatycznie po 10 minutach od wybrania dowolnego ekranu urządzenia. Ma to na celu zmniejszenie zużycia energii, ponieważ podświetlenie zużywa o wiele więcej prądu niż wymaga tego pozostała część układu.
Kalibracja
Podobnie jak każdy przyrząd mierniczy, w celu osiągnięcia dokładności pomiaru nasz watomierz WH-756 wymaga wstępnej kalibracji. Informacje dotyczące kalibracji są zapisywane w EEPROM mikrokontrolera DD1 i nie wymagają częstej aktualizacji. Aby ułatwić przeprowadzenie kalibracji, w urządzeniu przewidziano kilka specjalnych funkcji. Pierwszą z nich jest automatyczne ustawienie zera napięcia i natężenia. Aby skorzystać z tej funkcji, należy w trybie „watomierz” oraz po odłączeniu bezpieczników FU2 i FU3 poczekać aż ustabilizują się wartości U i I, a następnie nacisnąć i przytrzymać przycisk „W lewo” aż do wyzerowania wartości. W razie potrzeby tę operację można powtórzyć kilka razy, aż do otrzymania stabilnych zerowych wartości napięcia i natężenia.
Kolejny etap to kalibracja wartości w realnych jednostkach, za pomocą wyboru odpowiednich ekranów. Pierwszy z nich wybiera się z trzeciego podstawowego ekranu (ekranu pomocy) za pomocą przycisku „W prawo”. W pierwszej linijce wpisuje się mierzoną wartość mocy w umownych jednostkach, a w kolejnej - wartość kalibrowaną przy pomocy aktualnego współczynnika w watach (dla porównania). Ta informacja jest potrzebna do wyliczenia współczynnika kalibracji KP według wzoru:
KP = P / Pact
gdzie Pact to rzeczywista moc prądu (w watach), P - moc w jednostkach umownych z pierwszej linijki danego ekranu. Analogiczne współczynniki dla napięcia i natężenia KU i KI na drugim i trzecim ekranie kalibracji wylicza się zgodnie ze wzorem:
KU = Uact / U
KI = Iact / I
Zaleca się wykonywać kalibrację przy aktywnym napięciu i znanych parametrach - przykładowo z wykorzystaniem kompletu żarówek o mocy od 10 do 500W. Wartości KP, KU i KI są zapisywane w EEPROM mikrokontrolera DD1 w formacie Single.
Obudowa i detale
W autorskim wariancie urządzenia WH-756 zastosowano plastikową obudowę o wymiarach 150х120х40mm:
W przednim panelu obudowy znajdują się przyciski SB1-SB4, wskaźnik CF i ekran HG2. Na górze zamontowano zwykłe gniazdko, do którego podłącza się urządzenie, które chcemy zmierzyć. Należy zwrócić uwagę, że gniazdko jest bezpośrednio podłączone do przewodu zasilającego za pośrednictwem bezpieczników FU2 i U3 i nie jest włączane wyłącznikiem zasilania urządzenia. W tylnej części zamontowano wyłącznik SA1 i bezpieczniki FU1-FU3:
Ponieważ urządzenie było wykonane w jednym egzemplarzu, a nie w celu seryjnej produkcji, nie została zaprojektowana dla niego osobna płytka drukowana. Elementy zamontowano na płytce uniwersalnej o wymiarach 110х50mm, którą można zobaczyć poniżej (bez bocznika, zasilacza i wyświetlacza):
Wszystkie rezystory, z wyjątkiem R2, R4 i R7 mają moc 0,25W. Rezystory R2 i R4 są na napięcie nie mniejsze niż 250V o mocy 1W. Bocznik R7 jest zbudowany z czterech połączonych równolegle rezystorów o wartości 0,1Ω każdy. Maksymalne nagrzewanie się bocznika w normalnych warunkach nie powinno mieć żadnego wpływu na dokładność pomiaru. Zworka J1 jest przeznaczona do programowania w układzie.
Zakończenie
Dokładne urządzenie cyfrowe, które umożliwia pomiar mocy, napięcia, natężenia i współczynnika mocy pozwala oszacować ilość zużytej energii elektrycznej różnych urządzeń wykorzystywanych w domu. Przykładowo w czasie testowania urządzenia odkryliśmy, że telewizor w trybie standby zużywa więcej niż 10W, co oznacza, że niepotrzebnie wykorzystuje prawie połowę mocy zużywanej przez domowy serwer NAS! To oczywiście sprowadza się do odłączenia od zasilania pewnych urządzeń, które w danym momencie nie są używane.
Źródło: http://radiokot.ru/circuit/digital/measure/76/
Literatura:
1. http://www.eltech.spb.ru/techinfo.html?aid=27
2. Clarke, J. Control your power costs with the Energy meter // Everyday Practical Electronics, 2007. №5, pp. 12-21, №6, pp. 52-61.
3. http://smd.hu/Data/Analog/ADE77xx/ADE7756/ADE7756_0.pdf
4. http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/an564.pdf
5. http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN578_a.pdf
Załączniki:
Firmware w wersji 4.4 + EEPROM
Cool? Ranking DIY
