Pomiar uA prądu przemiennego

Question

Witam.Potrzebuję pomocy w znalezieniu koncepcji...Chcę wykonać pomiar prądu przemiennego rzędu uA (0-500uA) przy napięciu sieciowym 230V. Pomiar m...

OldesMatuzalem · Answer

Witam,
do tego celu skonstruowano specjalne Wzmacniacze Operacyjne Izolowane, zobacz, np. Izolowany wzmacniacz operacyjny przeznaczony do aplikacji pomiarowych, choć znanych mi jest wiele innych podobnych typów, a wyprodukowanych wcześniej od tam pokazanego.

Pozdrawiam

Camael · Answer

Dzięki za trop!
Znalazłem taki ciekawy układ (link do datasheet):

TLP7920[Datasheet]

Zastanawiam się czy można go użyć w mojej aplikacji.

Kolejna kwestia to wspomniane wcześniej multimetry. Nawet stosunkowo niedrogi UT33A ma możliwość takiego pomiaru. Jak to jest realizowane?

OldesMatuzalem · Answer

Proszę...  Po pobieżnym przeczytaniu jego Noty Katalogowej myślę, że tak. Masz tam na wejściu (wysokonapięciowym, izolowanym) maksymalną różnicę napięć wejściowych 400mV [200mV - (-200mV)], a co do pomiaru prądu na rezystorze pomiarowym (boczniku) jest wystarczające. Pytanie jak z możliwością zakupu tego wzmacniacza?  Przecież to oczywiste, jest to Autonomiczny Miernik - razem z podzielnicą i wskazówkę nad tą podzielnicą - zamknięty w izolowanej obudowie z odpowiednią Klasą Izolacji.

TvWidget · Answer

Do czego konkretne ma to służyć ?Można zastosować transformator separujący 230V/230V i uziemić wyprowadzenie po wtórnej stronie.

Camael · Answer

Mam na myśli multimetry cyfrowe. Skoro przetwarzają sygnał cyfrowo w celu wyświetlenia wyniku na wyświetlaczu to robią to czego potrzebuję .Wzmacniacz jest dostępny - główne kryterium poszukiwań .Ma to być część składowa większego układu - ogólnie chodzi o rejestracje parametrów pracy urządzenia w którym jednym z kluczowych sygnałów jest właśnie sygnał prądowy rzędu pojedyńczych uA.. Sęk w tym, że przy napięciu sieciowym. Transformator zapewniłby separacje ale nadal mam wysokie napięcie a cel jest taki żeby bezpiecznie dostarczyć sygnał do mikrokontrolera.

TvWidget · Answer

Nie będzie już wysokiego napięcia.

Camael · Answer

W takim razie proszę rozwiń myśl bo nie do końca rozumiem .Chodzi Ci o podanie na uzwojenia pierwotne napięcia wydzielonego na boczniku?

TvWidget · Answer

Urządzenie możesz zasilać przez transformator separujący, a pomiar prądu zrobić po stronie wtórnej.

OldesMatuzalem · Answer

Ale są dostępne multimetry cyfrowe ze sprzęgiem światłowodowym, a po drugiej stronie jest interfejs USB i to podłączone do PC-eta.
A tym wszystkim zarządza dedykowany - od producenta multimetru - program, za pomocą którego można rejestrować - na HDD PC-eta - bieżące pomiary a ustawione na multimetrze.

krzysiek_krm · Answer

Witam,
proponowałbym Ci nieco inną koncepcję.
Do pomiaru prądu

Camael wrote:
Jeśli zastosuję bocznik 1kOhm to dostanę 1mV na każdy 1uA płynącego prądu - i wszystko fajnie ale jak to bezpiecznie wzmocnić ?

przy zastosowaniu odpowiedniego rezystora, na którym występuje określony spadek napięcia możesz wykorzystać gotowy układ, nazywany dość często przez producentów "Analog Front End (AFE)". Układ taki jest generalnie precyzyjnym przetwornikiem AD o dużej rozdzielczości (dość często typu sigma-delta), wyposażonym w precyzyjny wzmacniacz różnicowy o regulowanym wzmocnieniu. Niektóre układy mają jeden kanał pomiarowy (zapewne w Twoim przypadku wystarczy), niektóre mają wiele kanałów, nierzadko pracujących w pełni równolegle.
Cały ten "kombajn pomiarowy" możesz zasilić jakkolwiek, na przykład za pomocą akumulatora albo zasilacza wykorzystującego mały transformator albo zasilacza beztransformatorowego. Cały ten obwód pomiarowy będzie galwanicznie połączony z napięciem 230 V i będzie razem z tym napięciem "pływał" albo nie, jeżeli przypadkowo zostanie podłączony do zera sieci elektrycznej. Ponieważ w układzie pojawi się potencjalnie niebezpieczne napięcie sieci, będzie trzeba go izolować galwanicznie. Jest to dość proste, te układy do komunikacji z "resztą świata" używają typowego interfejsu, zazwyczaj SPI, są gotowe izolatory galwaniczne o stosownych parametrach przeznaczone specjalnie dla SPI.
Wspomniane układy produkowane są w wielu wersjach i wariantach przez praktycznie wszystkich znanych producentów: Analog, Texas, Maxim, Microchip, itp, nie są jakoś makabrycznie drogie.

Pozdrawiam

elektro16 · Answer

Witam
Zasilanie wzmacniacza można zrealizować na :
http://www.amtek.pl/pl/towar/tma-0512s-przetwornica-dc/dc-sip-7-1-wyj-096w/?SearchType=PF
Naprawiałem układy gdzie na każdy wzmacniacz (INAxxxx) były dwie takie przetwornice .

Pozdrawiam

OldesMatuzalem · Answer

Witam,  stosując Miniaturowy Izolowany Wzmacniacz produkcji Analog Device typu: AD202, AD204 nie potrzeba stosować dodatkowych izolowanych przetwornic/zasilaczy do zasilania strony wysokonapięciowej, ponieważ w/w ma to już wszystko wewnątrz zaimplementowane. Pozdrawiam

Camael · Answer

No tak ale odchodzi jakże ważny aspekt edukacyjny . Poza tym za mało kompaktowe - dobre do jakichś stacjonarnych laboratoryjnych pomiarów. Moje urządzenie ma zbierać więcej danych nie tylko natężenie prądu.Ciekawe wzmacniacze ale dość drogie. Trochę za drogie do mojej aplikacji . Mógłbyś polecić jakiś konkretny model? Może masz doświadczenie z jakimiś? Wystarczy jednokanałowy

_jta_ · Answer

Transformator raczej odpada, ze względu na mały prąd - w transformatorze zależność prądami uzwojeń nie jest liniowa, zwłaszcza w zakresie małych prądów. Są (a przynajmniej były) przekładniki prądowe, znacznie dokładniejsze od zwykłych transformatorów, bo robione specjalnie po to, by mierzyć prąd, ale raczej nie bywały na takie prądy, bo im mniejszy prąd, tym większe wymagania co do materiału rdzenia, i większa wrażliwość na zakłócenia obcym polem magnetycznym.

A jeśli już transformator, to z trzema uzwojeniami, plus wzmacniacz - przez jedno uzwojenie płynie mierzony prąd, przez drugie prąd ze wzmacniacza, który "stara się" o to, by napięcie indukowane w trzecim uzwojeniu było zerowe - z grubsza, wystarczy wejście wzmacniacza podłączyć do tego trzeciego, wyjście do drugiego; dokładniej, trzeba podłączyć we właściwą stronę, i może zrobić układ kompensacji częstotliwościowej - inaczej układ się wzbudza i nie działa tak, jak trzeba. Poza pierwszym uzwojeniem, pozostałe nie są na napięciu sieci i można mierzyć prąd drugiego uzwojenia - a on jest taki sam, jak prąd pierwszego.

Można oczywiście po stronie "pod napięciem sieci" podłączyć przetwornik U/f (może jeszcze jakiś wzmacniacz? 0.5V to może być trochę mało na sterowanie przetwornika U/f) i przesyłać jego sygnał przez transoptor (a wyjście transoptora można podpiąć pod uC). Wymaga to odrębnego zasilania dla przetwornika.

Albo ADC (przetwornik analogowo-cyfrowy) z wyjściem szeregowym (wejścia: enable - włączenie, zegar; wyjście: dane) i komunikacja z uC poprzez transoptor(y)? Najprostsza (ideowo) wersja, to trzy transoptory: dwa dla sygnałów z uC do ADC (enable i zegar), jeden dla danych z ADC do uC; inne możliwości, to dodatkowy uC do współpracy z przetwornikiem, który koduje dane i wysyła je przez jeden transoptor, bądź układ ze scalaków cyfrowych, który wykona takie kodowanie - chyba łatwiej z uC, wystarczy mieć 4 piny I/O. Tak jak z U/f, potrzebne będzie odrębne zasilanie.

Są transoptory przeznaczone do przesyłania sygnałów analogowych - nawet taka konstrukcja, że w jednej obudowie są dwa jednakowe transoptory ze wspólnym LED-em i na wyjściach powinno być to samo - jedno wyjście wykorzystuje "nadajnik sygnału", żeby mieć kontrolę tego, co dostanie "odbiornik", i w ten sposób dopasować prąd LED-a, żeby "odbiornik" dostał taki prąd, jaki "nadajnik" ma na wejściu. Można próbować przesłać sygnał przez zwykły transoptor, sprawdziwszy przedtem, jaką ma przekładnię, ale ta przekładnia może zależeć od temperatury, co by powodowało zafałszowanie pomiaru.

Teoretycznie, można zrobić układ ze wzmacniaczem operacyjnym, który będzie można podłączyć do opornika pomiarowego "na napięciu sieci", a na wyjściu mieć takie samo napięcie, jakie jest na tym oporniku - ale to przede wszystkim wymaga bardzo dokładnie dobranych oporników, i to może okazać się praktycznie niewykonalne.

See also:
24.11.2004 Ładowarka akumulatorków z płynną regulacją - LM 317
23.02.2003 Prostownik do ładowania akumulatorów (auto)

Camael · Answer

A gdyby tak faktycznie wzmacniacz izolowany np ten TLP7920.. jego wyjście można by puścić na przetwornik RMS/DC, potem na ADC mikrokontrolera i mieć od razu pomiar wartości skutecznej..

Te układy AFE (analog front end) też wyglądają ciekawie ale nie bardzo mogę znaleźć jakiś sensowny, w miarę prosty układ. Wiele jest specjalizowanych pod konkretne problemy np medyczne czy czujniki gazów, wielokanałowe z multiplekserami, a mi wystarczy jeden kanał.

W każdym razie bez wzmacniacza raczej się nie obejdzie - nie chciałbym wprowadzć wyższej oporności niż 1kohm, czyli potrzebny jest układ z rozdzielczością 1mV. Zakres idealnie gdyby był 0-1000mV (0-1000uA).

TvWidget · Answer

Napisałeś, że "Poszukujesz najprostszego możliwego i bezpiecznego rozwiązania".
Transformator separujący jest gotowym elementem i można go kupić od reki za kilkadziesiąt złotych.
https://www.tme.eu/pl/details/tmm30_a230_230v/transformatory-z-mocowaniem/breve-tufvassons/
Chyba nic prostszego nie znajdziesz. Po jego zastosowaniu możesz już "bezpiecznie dostarczyć sygnał do mikrokontrolera".

Camael · Answer

Owszem najprostszego ale prądy które mają być mierzone są rzędu pojedynczych uA w porywach do kilkudziesięciu. Pytanie czy trafo się do tego nadaje...

TvWidget · Answer

Transformator nie ma nic wspólnego z pomiarem prądu. Zapewnia on jedynie separację galwaniczną od napięcia sieciowego. Sam pomiar prądu jest już dość prostą sprawą. Na rezystorze pomiarowym będzie napięcie zmienne. Zapewne trzeba będzie je wzmocnić kilka razy i wyprostować. To tego wystarczy w zasadzie tylko jeden tranzystor i dioda.
https://www.elektroda.pl/rtvforum/files-rtvforum/wskaznik_vu_994.gif
Oczywiście możesz to też zrobić w bardziej wyrafinowany sposób np. używając jakiego popularnego wzmacniacza operacyjnego.
Poszukaj gotowych rozwiązań pod hasłem "miernik wysterowania".

_jta_ · Answer

TvWidget - piszesz nie na temat, tu problemem jest przekazanie napięcia o wartości do 1V między obwodami, pomiędzy którymi jest napięcie sieci.

Pytanie czy trafo się do tego nadaje...

Absolutnie nie. Mały prąd wytwarza słabe pole magnetyczne w rdzeniu, reakcja rdzenia na takie pole jest bardzo nieliniowa i zależy nawet od słabych pól zewnętrznych - wynik pomiaru niewiele miałby wspólnego z tym, co się mierzy.

Nie wiem, czy przetwornik U/f zapewni wystarczającą dokładność, ale może tak - LM331 (jest tani) ponoć ma liniowość 0.01% i częstotliwość do 100kHz; trzeba by było na napięcie z opornika pomiarowego nałożyć napięcie stałe, żeby 0V na oporniku dawało około 60kHz - nie należy wchodzić w zakres niskich częstotliwości, bo to psuje dokładność. Dość skomplikowane będzie wyliczanie prądu z sygnału, jaki dotrze do uC - odpada proste zliczanie impulsów w jednostce czasu, bo jego rozdzielczość jest około 0.2% skali przy pomiarze tylko średniego napięcia w połokresie, a sygnał 1V nie pokryje całej skali - uC musi precyzyjnie mierzyć czasy między impulsami i przeliczać je na częstotliwość.

ADC z wyjściem szeregowym daje dużo większe możliwości, ale tu już cena samego przetwornika będzie znacznie większa - pewnie za kilkanaście zł kupisz 12-bitowy z możliwością robienia 200 000 pomiarów na sekundę, ale nie prześlesz tego przez transoptor, może uda się przesłać z 5000 na sekundę (to zależy od szybkości transoptora, jeden pomiar wymaga kilkunastu impulsów), 14-bitowy z I2C jest w podobnej cenie i pewnie wyciągnie niewiele mniejszą prędkość, ale I2C wymaga nieco bardziej złożonego układu, jakkolwiek również trzech transoptorów.

Zobacz ADC w ofercie RS-Components - najtańszy o zadowalających parametrach byłby ADS7044IDCUT (niestety SMD - montaż powierzchniowy), do miliona pomiarów na sekundę, 12-bitowy, wejście różnicowe, cena około 10zł brutto (pytanie jaki koszt dostawy), błąd nieliniowości byłby chyba około 1uA. Lepiej byłoby znaleźć coś wolniejszego (bo ograniczeniem szybkości i tak będzie transoptor), a za to dokładniejszego. Lepszy byłby np. ADS8324EB, ale to już cena ponad 40zł.

Od Chińczyków można kupić płytkę z zamontowanym ADC, koszt rzędu 10zł, np. ADS1118 (16-bitowy); niestety długi czas czekania na dostawę, a podobne w Polsce są dużo droższe. Wyszukiwanie: ADC SPI na PL.AliExpress.com. Oferują głównie AD7705 (ma rozdzielczość 16 bitów, ale tylko do 500 odczytów na sekundę, i jakiś filtr do eliminacji częstotliwości sieci, więc raczej odpada) i ADS1118 (16 bitów, do 860 odczytów na sekundę); nie widzę 14-bitowych, a 12-bitowe będą trochę mało dokładne.

Niestety co lepsze ADC (np. ADS832, 16-bitowy, 250 000 / sekundę, czy nawet ADS7816) nie są dostępne u Chińczyków w zmontowanych modułach, a to jest SMD, i "trochę" kosztują (i u Chińczyków niewiele taniej, Farnell ma to za 41zł netto + chyba 15zł wysyłka); ADC7816 (12-bit, 200 000 / sekundę) jest w obudowie DIP, modułu też nie mają; oba są na AliExpress.

Jest jeszcze kwestia: potrzebujesz mierzyć chwilową wartość prądu, czy np. średnią wyprostowaną? W pierwszym przypadku potrzebna jest częstotliwość próbkowania co najmniej rzędu 1kHz dla sygnału 50Hz, w drugim może można mierzyć dużo wolniej.

See also:
24.11.2004 Ładowarka akumulatorków z płynną regulacją - LM 317
23.02.2003 Prostownik do ładowania akumulatorów (auto)

TvWidget · Answer

Nie zrozumiałeś tego co napisałem. Odbiornik wraz z rezystorem pomiarowym można zasilić przez transformator separujący. Dzięki temu dowolny punkt obwodu może stanowić "bezpieczną" masę. Inaczej mówiąc można będzie dotykać palcem do rezystora pomiarowego bez obawy porażenia. Cały problem sprowadzi się jedynie do pomiaru napięcia zmiennego w zakresie 0..1V

_jta_ · Answer

Nie wiemy, czy odbiornik, jaki ma autor tematu, można zasilać przez transformator separujący, i czy to byłoby rozwiązaniem problemu - może jest wymóg, żeby jeden przewód był uziemiony, a na drugim był robiony pomiar prądu? Choćby dlatego, że przy innym podłączeniu wyjdą inne wyniki, zmierzy się nie to, co trzeba?

A wzmacniacz na jednym tranzystorze z diodą, jaki podałeś, może służyć do zabawy, ale nie do pomiaru, bo dawałby grube zafałszowanie wyników. Do pomiaru to się robi inaczej. Zresztą, nie jest nawet wyjaśnione, czy autorowi chodzi o pomiar prądu średniego wyprostowanego, czy o pomiar wartości chwilowej prądu.

See also:
24.11.2004 Ładowarka akumulatorków z płynną regulacją - LM 317
23.02.2003 Prostownik do ładowania akumulatorów (auto)

Camael · Answer

W jednym z wariantów zastosowania prąd płynie między elektrodą a masą przez zjonizowane powietrze (w już istniejącym obiekcie). Myślę, że separacja całego odbiornika może namieszać. Mój układ ma być taką jakby "wstawką" w już istniejący układ - w celu pomiaru i rejestracji tego prądu. Idea jest taka żeby jak najmniej ingerować w opomiarowane urządzenie. Jeśli chodzi o częstotliwość pomiaru i jego rodzaj to wystarczy, że będę mógł odczytać wartość skuteczną prądu powiedzmy 4 razy na sekundę. Nie musi być true-rms - zresztą to już sprawa wtórna.

krzysiek_krm · Answer

Witam,
może coś tutaj:
http://www.microchip.com/ParamChartSearch/chart.aspx?branchID=11022&mid=10&lang=en&pageId=79
http://www.microchip.com/ParamChartSearch/chart.aspx?branchID=2042
http://www.microchip.com/ParamChartSearch/chart.aspx?branchID=2043

_jta_ · Answer

A co z tego można łatwo kupić w ilości jednostkowej, i na ile nadaje się do tego układu?

Zrobienie przetwarzania AC=>DC True-RMS jest dość trudne - pewnie są do tego jakieś scalaki, ale nie znam. W dość prosty sposób robi się "prostownik idealny" - znalazłem np.: temat 916962 i temat 518681 (27 Maj 2006 16:10, przy pomiarze prądu opornik na wejściu jest zbędny), oraz temat 309134. Ale pamiętam, że na forum były jeszcze inne układy...

W sumie można zrobić tak: prostownik idealny, filtr dolnoprzepustowy (razem ze 3 wzmacniacze operacyjne, potrzebne do nich zasilanie +-), to na wyjściu daje napięcie DC; to napięcie DC przetworzyć używając 16-bitowego ADC z wyjściem SPI, i jego sygnał przesłać przez transoptory do układu uC. Albo... bez prostownika i filtru, użyć 16-bitowego ADC mierzącego 860 razy na sekundę, niech uC to przelicza na sinusoidę i ustala, jakie było napięcie skuteczne. A może wystarczy mierzyć 200 razy na sekundę i z tego wyliczać True RMS?

See also:
24.11.2004 Ładowarka akumulatorków z płynną regulacją - LM 317
23.02.2003 Prostownik do ładowania akumulatorów (auto)

Camael · Answer

Istnieją scalaki konwertujące rms->DC np AD736 ale nigdy nie używałem. Zresztą nie potrzebuję true rms. Wystarczy wyliczanie wartości skutecznej. Wszystko rozbija się o bezpieczne dostarczenie sygnału do mikrokontrolera.

_jta_: A gdyby faktycznie wspomniany już wcześniej wzmacniacz izolowany (są gotowe układy)? i dalej to już prosto na odpowiednio szybki ADC.

_jta_ · Answer

TLP7920? Koszt około 40zł (dla 1 sztuki z dostawą, z Farnell-a, znaleziony przez Elecena.pl). Pytanie, czy dokładność będzie wystarczająca. Wygląda na to, że AMC1100 jest odrobinę tańszy (też w Farnell-u), nieco dokładniejszy (w tym ma lepszą liniowość i mniejszą zależność od temperatury), i ma większe wzmocnienie. Za to TLP7920 jest w obudowie przewlekanej, a AMC1100 tylko w SMD (jakkolwiek z rozstawem nóżek 2.54mm).

Mam wrażenie - ale wypadałoby jeszcze porównać dane - że pod względem dokładności najlepszy będzie 16-bitowy ADC na napięciu sieci z przesyłaniem danych cyfrowych, nieco gorszy (i najtańszy - ze 2zł) przetwornik U/f LM331, następny AMC1100, TLP7920, i na końcu 12-bitowy ADC (i pewnie lepszy 12-bitowy ADC dorówna AMC1100).

See also:
24.11.2004 Ładowarka akumulatorków z płynną regulacją - LM 317
23.02.2003 Prostownik do ładowania akumulatorów (auto)

Camael · Answer

To może ADC po stronie sieci, komunikacja po i2c a zamiast transoptorów gotowy cyfrowy izolator ?Np któryś z tych TUSzkoda tylko, że to wszystko SMD.

krzysiek_krm · Answer

Bez przesady, można kupić.  Autor musi zapoznać się z dokumentacją i podjąć decyzję.  W dzisiejszych czasach, wszechobecnych mikrokontrolerów, wszystkie potrzebne parametry sygnału (RMS, harmoniczne, współczynniki mocy i co tam jeszcze) po prostu się oblicza.  To jest akurat najlepszy pomysł: znacznie mniejszy pobór prądu, większe szybkości, gotowe układy dopasowane do typowej magistrali: SPI, I2C, itd.

TvWidget · Answer

Jeśli już idziemy w tą stronę to może umieścić uP po tzw. gorącej stronie, tam dokonać pomiaru i jego wynik przesyłać przez transoptor lub radiowo.