Miernik energii elektrycznej

Witam,
chciałem wykonać miernik energii elektrycznej którego schemat znalazłem na internecie (dokładniej tutaj [url=]https://github.com/tiagolobao/CS5490/wiki[/url] ). Miernik jest oparty o układ CS5490 który wykonuje potrzebne pomiary i odczytuje się go poprzez UART. Układem odczytującym będzie układ ESP8266.

Do schematu mam 4 pytanie odnośnie doboru elementów i ich wykorzystania, cześć rzeczy rozpracowałem ale nie mam pewności (rysunek).
1. Czy w części filetowej mają być elementy na 230v (R6 niekoniecznie ale R5 już tak)?
2. W części czerwonej będzie napięcie niskie? Taki wniosek wyciągam analizując układ.
3. Jako że jest to dalsza część za dzielnikiem napięcia który jest oznaczony kolorem filetowym to tutaj powinno być niskie napięcie?
4. Jak odczyt parametrów odbywać się będzie po WiFi nie ma potrzeby stosowania transoptorów bo połączenia fizycznego nie będzie? A ich zastosowanie miało by sens w przypadku rozdzielenia jeszcze zasilania dla ESP8266 i układu CS5490



Układ będzie całkowicie zamknięty i nie będzie z nim połączenia poprzez żadne przewody. Jedynie na czas programowania, a do obserwacji logów należało by się łączyć przez transoptory.

Trochę trudno dobrze odpowiedzieć na twoje pytania, bo są zadane "mało formalnym językiem"
Układ w większości jest niebezpieczny przy dotknięciu. Tylko kawałek podpięty do SV1, SV2 może być bezpieczny.

Ale spróbujmy:
1) Muszą być dobrze dobrane. Np przepięcia w sieci "domowej" sięgają spokojnie rzędu 1.5 kV...
2&3) Nie wiem co rozumiesz przez "niskie napięcie" jeśli "bezpieczne" to NIE.
Jeśli "poniżej 1kV AC" to tak.
Jeśli "W okolicy napięcia zasilania procesora, mierzone względem lokalnej masy" to TAK.
4) Transoptory i izolacja (zasilanie też musisz izolować) umożliwią ci jakikolwiek bezpieczny debug układu. Jeśli ESP nie będzie za izolacją to antenka od wi-fi też będzie raziła prądem. Możesz ją schować za obudową, ale ogólnie odradzałbym rezygnację z izolacji, za łatwo ulec pokusie "ot poprawię coś" i zaliczyć porażenie.

Fakt nie wyjaśniłem co rozumie poprzez napięcie niskie i wysokie, bo to że w całości działać będzie pod napięciem niebezpiecznym to widać ze schematu.

1. tutaj zdaje sobie sprawę z możliwości wystąpienia przepiec ale też układy muszą wytrzymywać spokojnie typową prace na 230V. I tutaj akurat z elementów np 0805 należy zbudować drabinkę 3/4 elementów. Co do przepiec akurat na tych schemacie nie ma ale w innym widziałem diody transil z równoległym kondensatorem.
2 i 3 chodzi bardziej o to że mogą być to układy w obudowie np 0603, ponieważ napięcie jakie tutaj panuje daje możliwość zastosowania elementów o wytrzymałości 50/75/100v. I chodziło mi tutaj w odniesieniu do lokalnej masy.
4. w układzie testowym to jak najbardziej tak, przy normalnym użytkowniku jest to zbędne. Natomiast całość takiego układu lepiej zabezpieczyć przez dotykiem z zewnątrz zamykając np w zaklejonej obudowie.

Jaki układ zasilania można zastosować dla układu CS5490 ponieważ jego masa zasilania musi być na masie jakby fazy? Widziałem układ oparty LM2594 ale sam układ trochę drogi. (taki układ widziałem tutaj https://forum.arduino.cc/index.php?topic=285870.15
a tutaj schemat. A też do końca nie rozumie jego zasady działania tutaj.

]Link[/url]

Zasilacz masz transformatorowy, w którym reaktancja kondensatora ogranicza prąd, w takim zasilaczu łatwo podnieść napięcie stosując inną diodę Zenera, za to podniesienie wydajności prądowej wymaga zwiększenia kondensatora, kondensator szybko staje się największym gabarytowo elementem układu, poza tym duży kondensator to tez problemy ze stratami na R1 ograniczającym prąd udarowy przy załączeniu.

Dlatego zastosowano rozwiązanie hybrydowe zasilacz beztransformatorowy daje 36V 10mA, które przetwornica przetwarza na 3,3V za to wydajność prądowa zwiększa się prawie dziesięciokrotnie.

Inny zasilacz który można zastosować to konwerter buck zasilany wyprostowanym napięciem sieci.

Hej

1) w sieci niskiego napięcia (sic!) czyli 230 VAC w Polsce, są i będą przepięcia. Zawsze. Od piorunów, przełączeń w sieci i tak dalej. Trzeba je brać pod uwagę. Pogooglaj "kategoria przepięciowa"/ "overvoltage category" Projektowanie pod 230 VAC jest po prostu głupie - przepięcia i tak przyjdą
2&3) w tym sensie masz rację. "małe" elementy powinny być OK, poza rezystorem do pomiaru prądu.
4) No niby tak, ale nie Masz rację, tylko że jak projektujesz coś do domu do zabawy to zawsze jest to prototyp, a jak byś projektował produkt, to jest katalog norm który musiałbyś przeczytać i nie zadawałbyś takich pytań

Układ zasilania powinien dostarczać dwóch izolowanych napięć. Jedno podłączone do sieci (fazy albo neutrala, jak wyjdzie z wtyczki, nie masz nad tym kontroli generalnie) oraz drugiego, zasilającego stronę izolowaną, tą której można dotknąć. Układ ze schematu to zasilacz beztransformatorowy, może dostarczyć pierwszego napięcia. Do amatorskiej konstrukcji rozważyłbym dwa zasilacze transformatorowe, jeśli masz miejsce. Spore ale tanie i pewne (łatwo zapewnić izolację). Izolowane przetwornice to osobny temat.

CosteC wrote:

Izolowane przetwornice to osobny temat.

Jakby miał główny zasilacz beztransformatorowy i dołożył gotową fabryczną przetwornicę izolowaną 3V3/3V3 albo 5V/5V, miało by to sens.
Rezystor do pomiaru prądu proponował bym jakiś solidny, co nie odparuje przy pierwszym zwarciu, przerwa w rezystorze zniszczy układ.
Np taki
https://www.tme.eu/pl/details/oar3r010flf/rezystory-3w/tt-electronics/

Można użyć małej przetwornicami DC/DC, ale napisałem , że to osobny temat bo wiele izolowanych przetwornic DC/DC nie spełnia wymagań aby być bezpieczne. Jasne da się, ale to nie jest trywialne. Małe transformatory 3-5W są prostsze w użyciu.

@CosteC
1, przyjrzę się temu
2, 3, dobrze że tutaj wyjaśniły się moje wątpliwości
4, w takim razie jak kiedyś będzie wersja ostateczna układu to nie będzie ich miała ale puki co będą

Jakie rozwiązanie transformatorowe 3-5W proponujesz? Ogólnie brałem pod uwagę małą przetwornicę Myrra48022 tylko osobne zasilanie dla CS5490 trochę komplikuje sprawę.


@jarek_lnx
jest jakiś sposób na obliczenie takiego kondensatora do przetwornicy czy tylko metoda prób i błędów?

Przetwornica oparta o LNK306 np da się wykonać ze wspólną masą na na przewodzie zasilającym? Patrząc na schemat może być to problem przez występujące diody?

Co do rezystora zdaje sobie sprawę z możliwości jego od parowanie wiec będę brał układ o możliwie największej mocy.

Myrra48022 - dobry wybór bo zapewnia bezpieczną izolację. IRM-01-5 jest śladowo tańszy jeśli wolisz prostokątne. Myślałem co prawda o czymś w stylu TEZ4/D/10.5V, ale cenowo raczej się nie opłaci - ręczne robienie zasilaczy to trochę przeszłość.

Markizzz wrote:

jest jakiś sposób na obliczenie takiego kondensatora do przetwornicy czy tylko metoda prób i błędów?

Przetwornica oparta o LNK306 np da się wykonać ze wspólną masą na na przewodzie zasilającym? Patrząc na schemat może być to problem przez występujące diody?

Co do rezystora zdaje sobie sprawę z możliwości jego od parowanie wiec będę brał układ o możliwie największej mocy.

Kondensator do zasilacza beztransformatorowego liczy się z reaktancji kondensatora i prądu który popłynie przez tą reaktancję 330nF daje w teorii 23,8mA prądu zwarciowego w praktyce można liczyć że 20mA z zasilacza z postownikiem dwupołówkowym i 10mA z jednopołowkowym.

LNK306 musiałby mieć zasilanie z prostownika jednopołówkowego.

Rezystor rezystorowi nie równy, drutowy wytrzyma większe przeciążenia niż cermetowy czy inny warstwowy (np węglowy) a najmniej wytrzyma metalizowany, nawet jeśli będą miały taka samą moc nominalną.
Podałem przykład rezystora z taśmy oporowej - tego nie przepalisz zwarciem.

@CosteC
ogólnie tak, ale w specyficznych sytuacjach opłacalne bo oszczędzamy miejsce jednak (ale to jak wymagamy nietypowego kształtu), ale to przy małych mocach.
Co do przetwornic izolowanych DC/DC z separacją galwaniczną to mają tutaj swój dział? Nie przeglądnąłem całościowo jeszcze forum i trochę się gubię w poszukiwaniach. Odseparowanie tych dwóch części to chyba najlepsza opcja.
Z tego co napotkałem to nie wolno używać już za bardzo prostowników jedno połówkowych (a mimo to się to robi) np Gosund SP111 (podobny układ zasilania do np LNK306), zastanawia mnie jak to dopuszczono do sprzedaży.

@jarek_lnx
Te zasilacza co są schemat jest w poście #3 mają jaką dokładną nazwę? Poszukał bym wiadomości z ciekawości.

Co do rezystora to już trafiłem swojego czasu na temat że rezystory zabezpieczające z TME są nic niewarte, tylko jak coś faktyczne elementy drutowe.

Natomiast dla rozważenia czysto teoretycznego przy kondensatorze 1uF i prostownikiem jedno połówkowym (dwu połówkowy dla projektu by nie przeszedł z tego co widzę) to prąd wyjściowy osiągnąłby wartość około 30mA ale przy napięciu 30V mamy około 900mW, korzystając z przetwornicy MC34063 (lub klony są tanie) i zakładając sprawność na poziomie 80% to energie na wyjściu będzie kolo niecałe 720mW, wiec przy napięciu 3.3V było by to koło 220mA. Dobrze kalkuluje ?

Wykorzystałem już fragment gotowej zaprojektowanej przetwornicy mc34063, Z tego co widziałem wcześniej R5 może być 0,5W a R13 3W lub więcej, ale wartości to przekopiowałem. A przez wspólną masę nie uda się wykorzystać mostka.

Osobiście proponuję odseparować zasilanie bo to najbezpieczniejsze. Użycie gotowego modułu załatwia problem separacji od sieci za 20 zł, pozostają transoptory ale tutaj laik może dać odstępu 6 mm pod prawie każdym transoptorem, wybrać jeszcze taki na 2.5-5 kV i powinno być OK. Projektowanie samemu wymaga dużej wiedzy, a niekoniecznie o to musi chodzić w tym projekcie.

Możesz też stronę sieciową zasilić z takiego samego modułu AC/DC jak stronę izolowaną. Seria IRM od Mean-Well kosztuje koło 18zł za 1 W, 2 W lub 3 W. Duże to też nie jest. Własne będzie pewnie mniejsze nieco, pytanie czy warto kombinować.

Jest dział "zasilanie". Nic bardziej specyficznego nie ma.

Co do prostowników jednopołówkowych - istnieją ograniczenia prawne (CE) na emisję harmonicznych prądu do sieci. Tylko są one różne dla różnych typów urządzeń. Np oświetleniowe mają bardzo ostre wymagania bo jest tego mnóstwo w każdym domu. Urządzenia IT (komputery) mają limit od 75 W o ile pamiętam, ale spawarki amatorskie mają bardzo rozluźnione limity bo z zasady nie pracują w sposób ciągły oraz jest ich bardzo mało, w dodatku bardzo by je podrażało gdyby miały spełnić te same wymogi co żarówka.

Efekt jest taki że taki LNK306 nie może być w żarówce ale może być jako zasilacz w mikserze (zgaduję)

Zamiast dwóch IRM-01-5 (wybrał bym IRM-02-05) nie lepiej wykorzystać jedną i do tego dołożyć np REE-0505S
[url=]https://pl.farnell.com/recom-power/ree-0505s/converter-dc-dc-1x-o-p-0-2a-5v/dp/2218599[/url]
osiągnie się ten sam efekt ale niższym kosztem tak naprawdę.

Sam nie bardzo widzę możliwość wykorzystania IRM-01-5 po stronie wysokiego napięcia (230v) bo to wiązało by się ze zwarciem mas wiec izolacja po tamtej stronie to raczej przeszkoda niż zaleta.

@Markizzz No właśnie zderzamy się tutaj z problemem izolacji zapewniającej bezpieczeństwo o którym pisałem wcześniej.
REE-0505S za 10 zł mniej daje efekt narażenia życia użytkownika, nawet przy założeniu uziemienia strony wtórnej (której użytkownik może dotknąć)
Czemu? Bo ma izolację jedynie na 500 V a wymagane jest bodajże 1.5 kV AC lub 2.1 kVDC testu długotrwałego (1 minuta) I to przy założeniu uziemienia strony wtórnej. Zakładam użycie licznika w domu, (kategoria przepięciowa II)
Czyli proponujesz użycie czegoś 3 razy za słabego

Czy możesz wyjaśnić problem "zwarcia mas"? Wbrew pozorom aby poprawnie zasilić stronę sieciową potrzebna jest izolacja albo zasilacz z prostownikiem jednopołówkowym.

Zły model wkleiłem chodziło mi o TEA 1-0505HI wartość izolacji jest dużo większa cena akceptowalna.

W sumie jest jak by odpowiednik tej REE-0505S jako RFMM-0505S

Ech, piszę, że temat izolacji jest trudny i trzeba się znać, ale chcesz powalczyć jak widzę.

1) RFMM-0505S jest gorszym produktem niż TEA1-0505HI. 4 kV DC przez 1 sekundę to nie to samo co 4 kV DC przez 60 sekund
2) Ochrona przed porażeniem prądem jest realizowana na różne sposoby, w tym przez uziemienie strony wtórnej czy izolację bezpieczeństwa (podstawową, podwójną i tak dalej) Izolacja funkcjonalna rozdziela obwody ale nie ma na celu ochrony przeciwporażeniowej. To jest duża różnica w wymaganiach.
3) TEA1-0505HI datasheet mówi, że nadaje się do izolacji funkcjonalnej gdy potrzeba izolacji bezpieczeństwa oraz nie jest certyfikowana tylko "zaprojektowana dla EN 60950-1". Niby wytrzymuje 4 kVDC przez 60 sekund....
4) Nie brałem pod uwagę żadnych dodatkowych wymogów takich jak grubość izolacji, odstępy powietrzne i powierzchniowe, odporność na przepięcia.

Z tych wszystkich powodów zaproponowałem rozwiązanie które na 100% spełnia wymagania dla urządzeń domowych: zasilacz zintegrowany z certyfikacją.
Pytanie czy byś wziął odpowiedzialność za produkt wg własnych rad. Wziąłbyś?

1. nie zwróciłem uwagi że podawali czas trwania tego przepięcia tylko na wartości w tabelce mój błąd
3. czyli do domowego projektu się nie nadaje, tylko jak coś do gotowego produktu który będzie sprzedawany na rynku. Taki gotowy produkt nie będzie już poprzez kable modyfikowane ewentualnie aktualizacja oprogramowania (dla esp8266) ale to tylko online. A zmiany oprogramowania na jakieś inne autorskie są już na własne ryzyko.

Jeszcze raz w kwestii izolowanych przetwornic DC/DC jeśli spełnia normę EN/UL60950 a na przyszłość IEC/UL 62368 np AM1DS-0505SH30JZ AIMTEC można uznać za bezpieczne dla takiego projektu? Jak tak to kiedy stosuje się schemat dla class B? Przyznaje że temat norm jest dość zakręcony.

A tak podsumowując to dla układu ESP8266 zasilanie przez IRM-02-5 a dla CS5490 to LNK306 (w zależności od poboru) i połączenie jednego z drugim poprzez transoptory? Czy ewentualnie ta powyższa przetwornica.

1) nie przepięcia. Chodzi o test izolacji. Są trzy podstawowe: przepięciowy, 1.2/20 us, krótkotrwały 1 s i długotrwały 60 s. Przynajmniej wg EN 61010-1 w które bym patrzyła jakbym robili licznik energii, na dzień dobry.
3) Produkt to produkt, inna rzecz. Tu rozważałem tylko to co kolega potrzebuje aby nikogo nie zabiło.

To co jest bezpieczne jest zależne od mnóstwa rzeczy: jaki to produkt (np medyczne mają inaczej) czy pracuje na poziomie morza czy w górach na 5000 mnpm, czy jest wilgotno, a może zimo, a może pył węglowy na tym siada bo to siedzi na dachu lokomotywy. Czy są przepięcia są duże czy małe?

"Class B" tyczy się emisji zakłóceń. Zupełnie inny temat Ja ględziłem tylko na temat zapobiegania porażeniu prądem.

Robię teraz projekt gdzie żaden z zasilaczy z TME nie może być użyty. Bo takie wymagania. Między innymi przepięcia do 8 kV. Takie życie

1. dwa razy czytałem a się machnąłem, natomiast urządzenie przez to że jest tam esp8266 i połączenie sieciowe można traktować jako urządzenie też IT.
3. rozumiem to, dlatego chciałem wiedzieć jak to w rzeczywistości bywa.

Wiadomo zastosowanie i miejsce użytkowania ma znaczenie, ale typowe domowe użytkowanie (poza łazienką) wewnątrz budynkowe.

Tak właśnie myślałem ale brak doświadczenia robi swoje.

Wiadomo czasem nie ma rozwiązań gotowych, ale z drugiej storny na TME świat się nie kończy

1) Trzeba by przejrzeć normy i zobaczyć co z tego wynika. Obstawiam, że raczej najbardziej wymagające warunki z obu
3) Jasne, i jak schowasz wnętrze i zabezpieczysz przed dotykiem to problem zasadniczo znika, tylko potem antena musi być w środku, żadnych USB, wymian baterii bez odłączania i tak daje.

Środowisko użycia jest krytyczne niestety i bardzo dużo zmienia w wymaganiach. Urządzenia domowo-biurowe mają najłatwiej. Np twój licznik energii, jeśli ma być blisko przyłącza, powinien być w klasie przepięciowej III. Ale nie wiem gdzie ma działać. Bo jak w bloku to klasa II wystarczy.

na TME świat się nie kończy, może gdzieś znajdziesz zasilacz z wzmocnioną izolacją na IV kategorię przepięciową. Ja nie dałem rady. 20-30W wystarczy.

Przyznam że wymagania o izolacji 8kV nie jest prawie możliwe do spełnienia przez użycie gotowca. Nawet sprzęt medyczne mają przewidziane niższe wymagania jak widzę bo typowo 4kV.

1. Ze względu na pobór energii bo pomiędzy w 2-4W cześć wymagań powinna być złagodzona jednak.
3. Takie urządzenie z założenia lepiej zbudować tak aby nie było możliwości dotknięcia czegokolwiek. Natomiast wiele płytek z esp8266 posiada antenę na pcb wiec nie będzie problemu ze schowaniem jej.

Pobór energii nie ma większego znaczenia jak chodzi o porażenie. 20 mA się przyjmuje za próg śmiertelny, limity są zdecydowanie niżej.

Rób jak chcesz, ale w prototypowanie układu na potencjale sieci jest dosyć upierdliwe, żeby nie napisać wprost że ryzykowne. Teraz pytanie czy to produkt, gdzie 20 zł jest ważne czy zabawka do domu gdzie 20 zł nie bardzo gra rolę.

Nie ma nic złego w budowaniu układów na potencjale sieci jeśli się wie, co się robi. Antena na potencjale sieci nie stwarza bezposredniego zagrożenia jeśli jest zaizolowana w całości, i poza obudowę nie wystają metalowe elementy. Radio siłą rzeczy jest formą separacji galwanicznej.
Imagine: obudowa typu zasilacz wtyczkowy, z którego wystaje krótki bat, a SMA jest cofnięte do wnętrza obudowy. Dostęp możliwy tylko cienkim drutem, jeśli ktoś chciałby się specjalnie podłączyć pod śmiechowe napięcie.
Czujniki obecności, smart switche, dimmery, etc, praktycznie nigdy separacji nie mają. Energio-mierniki też nie, bo drogo i gabarytowo jest przerzucić analogowe wartości przez barierę galwaniczną. Prąd łatwiej, napięcie trudniej.

Jeśli chodzi o development i debug, to na tym etapie konieczne jest zastosowanie trafa separacyjnego. W lepszej lub gorszej postaci. Jak się nie ma, co się lubi, to się bierze dwa trafa 230/x mocy dowolnej i łączy je w jedyny sensowny sposob - i ma się nawet podwójną separację galwaniczną (co zresztą idzie w kierunku urządzeń medycznych podłączanych do pacjenta, tam stosuje się nawet 4 stopnie separacji).
Gotowy, opracowany układ można podłączyć wtedy pod sieć, i używać.

To wszystko jest dosyć skomplikowane... Antena mówisz "typu bicz". A znajdziesz mi taką która ma w datasheecie wyszczególnioną izolację? Jak znajdziesz to potem musisz spełnić warunki odporności mechanicznej, bo jak plastik odpadnie to antena właściwą jest już niebezpieczna. Można oczywiście testować każdą sztukę...

Rodzaj izolacji i sposób jej realizacji ogólnie jest bardzo złożonym problemem i wymagania typu USB mogą dramatycznie podrożyć produkt, mimo tego że w procku takie USB i tak jest.

Co do stanowiska testowego, masz całkowitą rację, separacja jest konieczna w praktyce. Transformatory małej mocy nawet nie są drogie, zwłaszcza w porównaniu do kompletu prototypowych PCB.

Powodzenia

Jak dobrze rozumie to dla układu CS i ESP można taki układ zastosować zasilania.

Dla uproszenia prototypu uprościłem schemat poprzez stabilizatory napięcia, czyli układ ESP jest zasilany przez IRM-02-5 przez 5V następnie stabilizator obniża wartość do 3.3V.

Natomiast układ CS zasilany jest przez IRM-02-5, następnie separowany TEA 1-0505H którego masa wyjściowa jest wspólna z neutralnym sieci (230v), następnie napięcie jest obniżane przez stabilizator do 3.3V.

ESP i CS połączone poprzez transoptory w celu zabezpieczenia układu ESP przed zniszczeniem.