Cómo medir el consumo de energía con un sensor de efecto hall

Cuando la corriente atraviesa un cable, se forma un campo magnético “alrededor” del cable. (Si realiza muchas vueltas de cable, puede crear un electroimán …) La fuerza del campo magnético (flujo) variará con la corriente en el cable y la distancia a la que se encuentra.

En el cable de alimentación de su televisor, la corriente siempre se ejecutará en direcciones opuestas, por lo que los campos magnéticos se cancelarán entre sí.

Tendrás que separarlos. Luego puede usar su sensor de efecto biliar para medir la intensidad del campo magnético. Por supuesto, el televisor funciona con corriente alterna, por lo que el campo será sinusoidal y cambiará de dirección constantemente, por lo que no será tan simple como conectar un voltímetro. Deberá “observar” la corriente instantánea, escalarla en comparación con algunos valores calibrados para obtener amperios. Usted (supuestamente) conoce el voltaje de la red eléctrica, por lo que puede determinar los vatios. Puede integrar vatios para obtener energía (vatios-hora).

Mire los dispositivos llamados “abrazadera en el amperímetro”, vea cómo se ve uno comercial (aunque sospecho que pueden crear un transformador acoplado en lugar de un sensor de efecto Hall … a menudo tienen “placas” en las mandíbulas que parecen un transformador).

Los sensores de efecto hall analógicos generalmente se alimentan con un voltaje Vdd y su salida suele ser Vdd / 2 + g * B donde g es un factor de ganancia y B es la magnitud del campo magnético detectado. En cierto punto con una distancia r alrededor de un cable que transporta corriente I, la magnitud del campo magnético es B = μ0 * I / 2πr donde μ0 es constante. Entonces, la corriente en el cable crea un campo magnético a su alrededor, el sensor detecta ese campo. Según las ecuaciones anteriores, puede comprender que la distancia del eje de su cable desde el sensor atenúa linealmente la salida. Entonces, si usa cables muy delgados, acercará su eje al sensor y tendrá una mayor ganancia, pero puede transportar menos corriente. Sea preciso sobre la circunferencia del cable que usa y cómo lo ata con el sensor.

Entonces, en mi opinión, esto se debe encontrar empíricamente siguiendo las hojas de datos y probando diferentes modelos de sensores con diferentes ganancias, siempre usando la misma circunferencia de cable y configuración de colocación y descubriendo qué se ajusta mejor a sus límites y especificaciones de precisión.

No vale la pena hacer los cálculos usted mismo en un MCU si quiere mi opinión. Simplemente use circuitos integrados de medición de energía fácilmente disponibles. Por ejemplo, pruebe el ATM90E26 de Atmel.

Lo malo de ese IC de medición de energía (y la mayoría de las alternativas) es que espera que su tierra esté conectada al neutro medido de la red eléctrica, por lo que no puede aislarlo. Tiene 2 entradas diferenciales ADC, una para mediciones de corriente y otra para voltaje. Pero todas las entradas deben estar a +/- 300mV y las señales centradas alrededor del voltaje neutro a tierra. ¿Proporciona fácilmente una muestra de voltaje a través de un divisor de resistencia pero recuerda el sensor de pasillo? Se centra alrededor de Vdd / 2 no cero !! Es por eso que el sensor de hall no es oficialmente compatible, sino solo los transformadores de corriente y las bobinas rogowski.

La solución para este problema es alimentar el sensor hall a través de una fuente balanceada -Vdd / 2 a Vdd / 2. Por lo tanto, usa un regulador lineal con salida Vdd / 2 y luego un inversor de voltaje como la serie TPS60400 para invertir ese voltaje Vdd / 2 y crear el riel -Vdd / 2. Usted alimenta el sensor hall a través de esa fuente -Vdd / 2 a Vdd / 2 y tiene una salida centrada en cero. Ahora también puede atenuar la salida con un divisor de resistencia para que cumpla con los límites de entrada de ADC.

El chip sugerido anteriormente usa SPI para conectarse con la MCU principal y así es como lo calibra y lee las mediciones de energía. Si necesita aislamiento para el resto del circuito, necesita optoacopladores para la conexión SPI. Pero si va a tener todo el dispositivo dentro de una caja de plástico y partes metálicas aisladas del mundo exterior, debería estar bien para conectar las tierras y tener un diseño no aislado.

El chip de medición de energía le ofrece muchas formas de calibrarlo para que pueda medir con mayor precisión, pero creo que puede lograr una gran precisión con una calibración mínima. Definitivamente mejor que los “sistemas de medición de potencia” que simplifican demasiado las cosas simplemente convirtiendo tanto la corriente como el voltaje en cc y multiplicándolos o, lo que es peor, suponiendo 230V. No tener en cuenta el cambio de fase entre voltaje y corriente introduce un error de medición muy significativo y definitivamente debe evitarlo si desea algo que realmente mida la potencia con menos del 3% de error. Simplificar demasiado con las conversiones de CA a CC puede introducir incluso un 20% de error según mi experiencia.

Dos partes de la pregunta:

• Medida actual

El efecto hall se utilizará para medir la corriente en un núcleo del cable de alimentación.

Obtenga la hoja de datos del fabricante y las notas de aplicación para algunos consejos

Si tiene salida de corriente, necesita una resistencia de carga para expresar eso como un voltaje. Si tiene una salida de voltaje, necesitará escalar eso.

Pegue el voltaje de su medición, que es proporcional a la corriente, en una entrada analógica

El software necesitará leer eso muchas veces, porque es una sinusoide. Deberá ubicar los cruces por cero y luego calcular el RMS a partir de muestras entre ellos. Compare el resultado con un dvm y aplique un factor de calibración según sea necesario.

• Calcular el poder

No menciona ningún otro sensor, por lo que tendrá que asumir o tener una función para introducir el voltaje.

Multiplique el voltaje con su corriente medida y tendrá VA, que puede usar como vatios.

Si tiene un transductor de voltaje, también puede encontrar los cruces por cero, convertir el tiempo en un ángulo de fase y convertir VA a vatios con mayor precisión.

Hay diferentes tipos de sensores en general. Todos estos tienen 2 patas para conectar en serie entre la alimentación y la TV.

La forma más simple tiene 2 patas adicionales donde puede medir con su microvontroller un pequeño voltaje que es proporcional a la corriente a través de las patas de alimentación.

El otro tipo tiene más circuitos y tiene la capacidad de interpretar la corriente que fluye a través de las patas de alimentación, y la genera como una señal digital como UART, I2C, RS232 o algo diferente.

Se trata de qué HE obtienes y qué dice la hoja de datos 😉

Necesita un sensor de sala analógico. Tienen tales sensores ya configurados en una placa. Seleccione ese sensor en función del flujo de corriente más alto que espera, tal vez conéctelo a una regleta o use una abrazadera en el sensor de tipo de cable. SparkFun Sensor de corriente de efecto Hall Breakout – ACS712. La entrada al pin A / D del microcontrolador se centrará en 2.5 voltios para 0 amperios, consulte el gráfico de la hoja de datos de salida de voltaje versus corriente. Se podría suponer que el voltaje es constante (probablemente lo suficientemente cerca), por lo que los vatios utilizados son solo amperios por la constante de voltaje.