Измерение напряжения сети 220В 50Гц Опции

[Arlleex]

Здравствуйте.

Нужно измерить напряжение входной сети 220В, 50Гц. Точность порядка 2-5%.

В голове родилась простая схема:


Выпрямляем входное напряжение, делим с учетом максимального напряжения, допускаемого на входе АЦП, защищаем вход АЦП от перенапряжения диодом на 3,3В.

На входе АЦП получим уже выпрямленное напряжение, которое можно программно отфильтровать и использовать эти показания.

Корректно ли так делать?

Сообщение отредактировал Arlleex - Nov 4 2017, 12:14

[novikovfb]

такая схема будет измерять амплитудное значение, причем все импульсные помехи соберет тоже. ИМХО, стоит убрать конденсаторы и измерять не менее 24 раз за период, потом считать среднеквадратичное значение.

[Plain]

Вообще-то, все диоды тоже убрать.

[Arlleex]

novikovfb, а что плохого в измерении амплитудного значения? Поделить потом на корень из 2 и получить действующее, разве нет? Конденсаторы да, в этом случае нужно убрать тогда.

Plain, почему Вы предлагаете убрать все диоды? Чем это аргументируется? Убирая входной диодный мост есть риск подключить фазу сети к общему проводу микроконтроллерной платы, не вижу ничего хорошего в этом моменте...

[novikovfb]

novikovfb, а что плохого в измерении амплитудного значения? Поделить потом на корень из 2 и получить действующее, разве нет? Конденсаторы да, в этом случае нужно убрать тогда.

Plain, почему Вы предлагаете убрать все диоды? Чем это аргументируется? Убирая входной диодный мост есть риск подключить фазу сети к общему проводу микроконтроллерной платы, не вижу ничего хорошего в этом моменте...

Вы уверены, что Вас интересует амплитуда микросекундной помехи?
Если есть риск подключить общий провод микроконтроллерной платы хоть куда-то - такую схему вообще никак нельзя использовать: что через диодный мост, что без диодного моста она будет соединена с сетью 220 В и представляет опасность.
Чтобы убрать диоды нужно поставить АЦП, могущий измерять обе полярности, или ввести смещение между нулем сети и общим проводом АЦП.

[Arlleex]

А как тогда правильно делать?

Понятно, что совсем правильно иметь отдельный источник питания (от той же сети), подключать микроконтроллер к нему, измерять уже непосредственно сетевое напряжение (по моей даже схеме) и через оптроны, например, передавать на ПК данные по какому-нибудь интерфейсу (RS485, например).

Но это слишком аппаратно накладно в моем случае...

[Dmitry Dubrovenk...]

есть риск подключить фазу сети к общему проводу микроконтроллерной платы

А с диодным мостом он куда девается?
Я бы не стал убирать мост совсем по другой причине: так можно детектировать переход через ноль, соответственно измерять ещё и частоту.
Соответственно конденсаторы убрать надо.
А для защиты использовал бы какой-нибудь TVS.
Кстати, а как организовано питание МК?

[Arlleex]

Вот схема.

Плата управления уже изготовлена и давно работает.
Сейчас нужно немного доработать блок, оснастив платой измерения. Я ограничен в размерах платы и поэтому так морочусь с золотой серединой между правильностью и простотой, при этом ни в коем случае не опуская критерий безопасности устройства.

[Tanya]

Плата управления уже изготовлена и давно работает.
Сейчас нужно немного доработать блок, оснастив платой измерения. Я ограничен в размерах платы и поэтому так морочусь с золотой серединой между правильностью и простотой, при этом ни в коем случае не опуская критерий безопасности устройства.

А второй контроллер только напряжение сети должен измерять?

[novikovfb]

Вот схема.

Плата управления уже изготовлена и давно работает.
Сейчас нужно немного доработать блок, оснастив платой измерения. Я ограничен в размерах платы и поэтому так морочусь с золотой серединой между правильностью и простотой, при этом ни в коем случае не опуская критерий безопасности устройства.

Так делать нельзя. Как вариант - измерять напряжение и ток через трансформаторы, тогда можно убрать импульсный источник и измерять напряжение на вторичной обмотке через делитель.

[Arlleex]

Tanya, ну он обменивается еще по I2C с платой управления. На плате измерения будут стоять еще датчики тока, с них тоже показания снимаются и заводятся на АЦП. Еще этот МК включает/выключат симисторные цепи для коммутации нагрузки (через оптроны).

novikovfb, найти бы такие миниатюрные трансформаторы

Датчик тока

Ток будет мериться вот такими датчиками, их развязывать не нужно как я полагаю (они на эффекте Холла), я так понимаю изоляция есть.

Сообщение отредактировал Arlleex - Nov 4 2017, 14:08

[Dmitry Dubrovenk...]

Первым делом надо выяснить схемотехнику менвэловского БП.
Может конечно и произойдёт чудо, и он будет гальванически развязан, но как правило подобные БП таки имеют гальваническую связь первичной и вторичной сторон.
В общем маломощный трансформатор 1:1 будет очень кстати.

[Arlleex]

[Dmitry Dubrovenk...]

Да нужна не структурная (хотя это - тоже хорошо), а принципиальная схема.
Практически всегда там, между обмотками трансформатора, стоИт конденсатор.

[Arlleex]

Трансформаторы, так трансформаторы.

В природе существуют миниатюрные трансформаторы для подобных целей? 1:1 думаю был бы более чем достаточен, не обязательно понижающий. Кто-нибудь встречал подобные?

[Tanya]

Tanya, ну он обменивается еще по I2C с платой управления. На плате измерения будут стоять еще датчики тока, с них тоже показания снимаются и заводятся на АЦП. Еще этот МК включает/выключат симисторные цепи для коммутации нагрузки (через оптроны).

Вот и поставьте мелкий ПИК прямо на сеть. И пусть оптронами же и передает напряжение и ток.

[Dmitry Dubrovenk...]

И пусть оптронами же и передает напряжение и ток

Оптронами I2C?
Что-то не соображу как?
UART реализовывал, но с трансформатором проще, ИМХО.

[Arlleex]

Tanya, как мне уже кажется, поставить трансформаторы будет корректнее в моем случае. Предположительно, будет еще трехфазная сеть на 200В, измерять ее, видимо, тоже придется, поэтому сразу отмечаю оригинальное всеподходящее (в разумных пределах) решение.

Вот в ЧиД-е нашел трансформатор 1:1, маломощный и очень компактный:
Трансформатор

Вопрос в том, можно ли его применять для изоляции входного напряжения 220В от измерительных 220В? Я так понимаю первичная обмотка пойдет непосредственно в сеть 220В щитка, со вторичной снимаю 220В "развязанные" и там уже резистивным делителем добиваюсь нужной амплитуды для входного АЦП?

Хотя... При 50Гц реактивное сопротивление первой обмотки будет 0,1Ом. По постоянному в даташите пишут 1Ом. В итоге подключив к сети такой трансформатор он полыхнет мгновенно ИМХО. Правильно же?

Сообщение отредактировал Arlleex - Nov 4 2017, 15:09

[novikovfb]

Tanya, как мне уже кажется, поставить трансформаторы будет корректнее в моем случае. Предположительно, будет еще трехфазная сеть на 200В, измерять ее, видимо, тоже придется, поэтому сразу отмечаю оригинальное всеподходящее (в разумных пределах) решение.

Вот в ЧиД-е нашел трансформатор 1:1, маломощный и очень компактный:
Трансформатор

Вопрос в том, можно ли его применять для изоляции входного напряжения 220В от измерительных 220В? Я так понимаю первичная обмотка пойдет непосредственно в сеть 220В щитка, со вторичной снимаю 220В "развязанные" и там уже резистивным делителем добиваюсь нужной амплитуды для входного АЦП?

кто мешает найти трансформатор 220 -> 10 (или меньше) и резко уменьшить требования к делителю?

[Arlleex]

novikovfb, мешают размеры таких трансформаторов.
Смотрю на понижающие силовые трансформаторы, та же серия ТПК размером 32x27мм. А мне таких "монстров" 5шт. нужно где-то расположить

[Dmitry Dubrovenk...]

Смотрю на понижающие силовые трансформаторы

Силовые-то зачем?

[Tanya]

Оптронами I2C?
Что-то не соображу как?
UART реализовывал, но с трансформатором проще, ИМХО.

Подумалось, что ТС не имел в виду именно такой интерфейс. Важно, что последовательный.
А величину, например, напряжения можно передавать ШИМом, например (опять...), напряжение минус 200 вольт с хорошей точностью можно передать...

[blackfin]

novikovfb, мешают размеры таких трансформаторов.
Смотрю на понижающие силовые трансформаторы, та же серия ТПК размером 32x27мм. А мне таких "монстров" 5шт. нужно где-то расположить

Если бюджет позволяет, можно изолировать сигнал уже после АЦП: CN0194

[novikovfb]

Вот в ЧиД-е нашел трансформатор 1:1, маломощный и очень компактный:
Трансформатор

и что делать с этим трансформатором, предназначенным для управления затворами полевых транзисторов? Обратите внимание, у них максимальное произведение напряжения на длительность импульса от 22 до 40 В*мкс. Или Вы хотите развязку UART на них делать?

Сообщение отредактировал novikovfb - Nov 4 2017, 15:29

[Arlleex]

и что делать с этим трансформатором, предназначенным для управления затворами полевых транзисторов? Обратите внимание, у них максимальное произведение напряжения на длительность импульса от 22 до 40 В*мкс. Или Вы хотите развязку UART на них делать?

Нет, интерфейс там I2C уже жестко определен (он единственный, кто остался возможным для пользования). И никакой развязки интерфейсов не будет. Я вижу правильным в дальнейшем следовать методу развязки измеряемого напряжения.
Я имел в виду трансформатор для развязки сетевого напряжения от измеряемого напряжения. В том же посте я как раз и посчитал, какое сопротивление у обмотки будет при такой частоте. Порядка 1 Ома (я так понимаю те самые произведения длительности импульса на напряжение это и есть некий другой подход к подтверждению моих слов о сопротивлении входной первичной обмотки (?) - будет бабах).

Ну вот есть еще вот такой доступный в широкой продаже трансформатор:
Трансформатор

У него сопротивления по постоянному току 115Ом, значит много витков, значит высокая индуктивность, а значит, что реактивное сопротивление будет тоже большим и его можно воткнуть в 220В. Правда он 1:1, и опять же, придется ставить резисторный делитель на МОм с копейками. Такой трансформатор годен?

Сообщение отредактировал Arlleex - Nov 4 2017, 15:42

[LII]

Нужно измерить напряжение входной сети 220В, 50Гц.

Я решал подобную задачу, измерял 380В, остановился на таком варианте:
Резистивный делитель - RMS-DC преобразователь AD736 - конвертор напряжение-частота LM331 - оптрон - микроконтроллер.
Если нужно измерять несколько напряжений, то можно сделать один канал измерения, а для коммутации измеряемых напряжений использовать миниатюрные твердотельные оптореле, например вот такое: PRAB30S. Коммутируемое напряжение до 400В, ток управления - 0,5мА.

[blackfin]

Резистивный делитель - RMS-DC преобразователь AD736 - конвертор напряжение-частота LM331 - оптрон - микроконтроллер.

"Дьявол прячется в деталях.."

ТС так ни разу и не указал необходимую ему точность измерения..

А если точность "никакая" , то сойдет и схема на IL300:

[LII]

ТС так ни разу и не указал необходимую ему точность измерения..

... Точность порядка 2-5%.

[blackfin]

А, ну да...

Сообщение отредактировал Arlleex - Сегодня, 15:14

[k155la3]

А как тогда правильно делать?

Понятно, что совсем правильно иметь отдельный источник питания (от той же сети), подключать микроконтроллер к нему, измерять уже непосредственно сетевое напряжение (по моей даже схеме) и через оптроны, например, передавать на ПК данные по какому-нибудь интерфейсу (RS485, например).

Но это слишком аппаратно накладно в моем случае...

Посмотрите (теория) рефдес для электорсчетчика-мультиметра электросети (переменный ток 220)
slaa075.pdf Texas Instruments на gaw.ru
там используется интегрирующий АЦП.
У Ti в аппнотех есть и полнофункциональный 3-фазный счетчик. Схемотехнику можете посмотреть там.

[ZVA]

...Ну вот есть еще вот такой доступный в широкой продаже трансформатор.... Такой трансформатор годен?

Годен, именно для измерения напряжения применял.
но включать его нужно как ТТ, а не ТН.
Можно также использовать такой китай

[Tarbal]

Вы уверены, что Вас интересует амплитуда микросекундной помехи?
Если есть риск подключить общий провод микроконтроллерной платы хоть куда-то - такую схему вообще никак нельзя использовать: что через диодный мост, что без диодного моста она будет соединена с сетью 220 В и представляет опасность.
Чтобы убрать диоды нужно поставить АЦП, могущий измерять обе полярности, или ввести смещение между нулем сети и общим проводом АЦП.

С диодным мостом нет риска подключить фазу к общему проводу микроконтроллерной платы. Есть гарантия его подключения 50 раз в секунду. Так что используйте трансформатор или смиритесь гальванической связью вашего микроконтроллера с фазой, а считывайте данные через радио или оптику.

[=AK=]

Нужно измерить напряжение входной сети 220В, 50Гц. Точность порядка 2-5%.

Преобразователь напряжение-частота. Простейший вариант:
- зарядная цепь - резистор, диодный мостик, на выходе мостика - конденсатор
- разрядная цепь - динистор, резистор, светодиод оптрона

[Tarbal]

Преобразователь напряжение-частота. Простейший вариант:
- зарядная цепь - резистор, диодный мостик, на выходе мостика - конденсатор
- разрядная цепь - динистор, резистор, светодиод оптрона

Динистор нехорошо. Он неточный и от температуры зависит. Лучше компаратор с гистерезисом поставить.

[=AK=]

Динистор нехорошо. Он неточный и от температуры зависит. Лучше компаратор с гистерезисом поставить.

Динистор - это простейший вариант. Кстати, SMBD3 довольно стабилен до 50С, а при 75С напряжение падает всего на 5%.

Еще можно тиристор на двух транзисторах сделать, а порог срабатывания задать при помощи TL431.

[Arlleex]

Годен, именно для измерения напряжения применял.
но включать его нужно как ТТ, а не ТН.
Можно также использовать такой китай

Не понимаю, почему тот трансформатор нужно включать как ТТ. Я так понимаю, это схема, когда в цепи первичной обмотки последовательно включен еще резистор.
Но ведь (опять же, я так понимаю) его надо ставить тогда, когда индуктивность катушки слишком мала для данной частоты сети, а активное сопротивление по постоянному току очень мало (вследствие малого количества витков).

В том трансформаторе, который я привел, активное сопротивление не менее 150Ом, индуктивность 6мГн, считаем для 220В, 50Гц:

Rперв.обм. = 150 + 2*3,14*50*6/1000 = ~152Ом;
Iперв.обм. = 220*1.41/152 = 2А. Да. Многовато на первый взгляд для (скорее всего) столь тонкого провода первичной обмотки. Ставить резистор именно для ограничения тока через обмотку? Для этой цели преследуется включение вышеупомянутого трансформатора как ТТ, а не ТН?

[ZVA]

Не понимаю, почему тот трансформатор нужно включать как ТТ.

резистор R1 на входе задает ток в первичной цепи например 100кОм при 200В на входе даст 2мА. Tрансформатор с закороченной через низкоомньій резистор R2 вторичной обмоткой (для получения режима ТТ) практически на влияет на єтот ток. Но ток во вторичной цепи равен первичному т.к. ктт=1, измеряем напряжение на резисторе R2 и определяем U1=U2*R1/R2.

[Arlleex]

Ну да, справедливо.

Большое спасибо за помощь!

[jcxz]

Подумалось, что ТС не имел в виду именно такой интерфейс. Важно, что последовательный.

Можно другой, но и для I2C есть одночиповые решения для гальванической развязки. Воспользуйтесь гуглом.

Нет, интерфейс там I2C уже жестко определен (он единственный, кто остался возможным для пользования). И никакой развязки интерфейсов не будет. Я вижу правильным в дальнейшем следовать методу развязки измеряемого напряжения.

Если у Вас такие жёсткие требования по размерам, то прислушайтесь к совету Tanya и измеряйте параметры сети на силовой части гальванического барьера, а потом передавайте через барьер по изолированному I2C. Без трансформаторов!
Ещё лучше - воспользуйтесь готовым чипом измерителя параметров сети. Что-нить из серии ADE78xx. У Вас, как я вижу, совсем нет опыта в области измерения параметров сети, а задача эта не такая тривиальная как кажется.
Вроде даже кто-то из ADE78xx имеет I2C. Хотя не уверен. Или можно на другой стороне барьера поставить простой МК и опрашивать ADE по SPI через простую развязку, а уже этот МК посадить на I2C.
Схему подключения ADE78xx к сети можно взять из даташита на неё.

[Plain]

I2C уже жестко определен

Жуть какая-то... И кто ж этот тиран? Неужто левая нога заказчика?

[Alex11]

Есть еще ADE7912 и Ко, которые со встроенным барьером, там все проще гораздо.

[Arlleex]

Ну что же, я снова здесь
Родилась вот такая схема:


Итак, от сети 220В берет входное напряжение модульный развязанный источник питания (AC-DC на схеме) и преобразует его в постоянное +5В. От этих +5В будут питаться нужные компоненты всей схемы.
Также сетевое напряжение через резистор R1 подается на первичную обмотку согласующего (1:1) трансформатора T1. Резистор R2, нагружая вторичную обмотку трансформатора, определяет размах выходного напряжения относительно общего провода, исходя из сопротивлений R1 и R2. Затем это напряжение подается на операционный усилитель, включенный по схеме буферного повторителя, поскольку входное сопротивление SAR АЦП имеет достаточно низкое сопротивление (а в момент заряда конденсатора УВХ вообще определяется сопротивлением ключа, там буквально десятки или сотни Ом). ОУ выбран "rail-to-rail"-типа, чтобы ограничений по размаху амплитуд ниже напряжения питания не вносило искажений. Цепь R3C1 образует входной фильтр низких частот для ограничения полосы пропускания входного сигнала. После фильтра уже стоит непосредственно внешний АЦП последовательного приближения с внутренним источником опорного напряжения 2.5В.

Все корректно?

[@Ark]

... прислушайтесь к совету Tanya и измеряйте параметры сети на силовой части гальванического барьера, а потом передавайте через барьер по изолированному I2C.

Присоединяюсь к совету послушаться Tanya.

[LII]

Затем это напряжение подается на операционный усилитель, включенный по схеме буферного повторителя,

А Вы в курсе, что на выходе ОУ Вы получите только положительные полуволны, а отрицательные потеряете?

[Arlleex]

LII, да, видимо нужно не повторитель сделать, а инвертирующий усилитель...

[LII]

LII, да, видимо нужно не повторитель сделать, а инвертирующий усилитель...

Нет. Если ТС хочет получить на выходе ОУ обе полуволны, то на ОУ нужно подать двухполярное питание.

[Dmitry Dubrovenk...]

нужно не повторитель сделать, а инвертирующий усилитель

Нужно диодный мост поставить.

то на ОУ нужно подать двухполярное питание.

А смысл?
Как он его потом будет в однополярное АЦП заводить?


Сообщение отредактировал Dmitry Dubrovenko - Nov 11 2017, 16:45

[Arlleex]

Ну зачем же сразу двуполярное... Достаточно "сместить" входную синусоиду вверх на постоянное значение, и выходная синусоида будет уже в положительной области напряжений

[Сергей Борщ]

Убирая входной диодный мост есть риск подключить фазу сети к общему проводу микроконтроллерной платы, не вижу ничего хорошего в этом моменте...

Земля вашего устройства будет соединена с корпусом. С корпусом же соединен контакт защитного заземления разъема сетевого питания. Защитное заземление соединяется с нулем в щитке. Понравится это вашей схеме?

[jcxz]

Присоединяюсь к совету послушаться Tanya.

Бесполезно. Товарищ глух к здравому смыслу...

[k155la3]

Нет, интерфейс там I2C уже жестко определен (он единственный, кто остался возможным для пользования). И никакой развязки интерфейсов не будет. Я вижу правильным в дальнейшем следовать методу развязки измеряемого напряжения.
. . . .

Использование I2C для такого девайса крайне неправильно, с точки зрения надежности-помехозащиты.
То что на силовой сети может "пролетать" что угодно ясно для всех.
Так вот, любая импульсная помеха абсолютно законно введет Ваш узел I2C в ступор.
Или как минимум собьет прием-передачу или исказит данные. Это определено схемой-логикой управления I2C с
открытым коллектором-стоком. Не расчитано ОНО для работы в условиях помех. Используйте SPI или USART с push-pull.

[LII]

А смысл?
Как он его потом будет в однополярное АЦП заводить?

Я уже писал выше как. С помощью AD736. На вход подаётся переменное напряжение, на выходе получаем постоянное напряжение прямо пропорциональное действующему значению напряжения входного сигнала. Подавай на вход АЦП и измеряй. И никаких схемотехнических фокусов больше не нужно.

[Arlleex]

В общем все вполне даже работает, схему, естественно переделал для двуполярного питания ОУ и сместил рабочую точку "0" на половину диапазона АЦП.

Есть вопрос, не касающийся этого устройства, а более общий.
Если мне нужно узнать спектральный состав напряжения электрической сети, пусть 50Гц. Согласно ГОСТ 30804.4.30-2013 мерять нужно до 40-й гармоники. Ну пусть до 40-й гармоники. Значит, полоса исследуемого сигнала 2кГц.
Правильно ли я понимаю, что в этом случае понижать измеряемое напряжение для оценки с помощью трансформатора нельзя? Ведь сам трансформатор будет вносить гармонические искажения. Или же достаточно гарантировать, что полоса пропускания самого трансформатора должна превышать исследуемую полосу в несколько раз, и этого достаточно?