Делюсь идеей построения измерителя токов.

Измерение токов потребления устройств – это очень распространенная функция. Так как потребляемый ток устройства – это, пожалуй, один из основных параметров устройства. В сегодняшней статье речь пойдет об измерении тока устройств при питании от сети переменного тока напряжением 220 вольт. В статье не будет разбора всех методов измерения, а также их особенностей, преимуществ и недостатков. Вместо всего этого поделюсь как на практике удалось решить задачу модернизации одного устройства и расскажу о таком удачном инженерном приеме, можно сказать лайфхаке.

Итак, имеется устройство, которое выпускается в промышленных масштабах. Технология производства отлажена. Функционал устройства очень большой, имеется возможность подключения одно и трехфазных электросчетчиков разных производителей по RS485 интерфейсу. Коммутация   выполнена на мощных реле с гарантированным током переключения до 30А. Устройство имеет шикарный веб интерфейс управления и отображения информации о состоянии системы. И вот в эту систему нужно добавить измерение токов поканально. Предвидя вопрос: «Почему не использовать специализированные микросхемы?» Ответ – это сильно удорожает устройство и в системе уже есть возможность  поставить для этого три трехфазных электросчетчика и закрыть вопрос с метрологической точностью. Но это дополнительные внешние устройства, которые нужно приобретать, а хотелось, чтобы все было решаемо самим устройством, причем что бы цена комплектующих не сильно увеличилась. И очень хотелось иметь два диапазона измерения токов 0-2А и 0-16А. Так как к устройству могут быть подключены как маломощные потребители так и мощные, с током потребления до 20А  максимум. По характеру потребления различных линий (каналов) можно судить об активности устройства, его зависании, переходу в дежурный режим и так далее и при нарушении установленных паттернов система может сигнализировать об этом. И так опуская все промежуточные изыскания, переходим к реализации. В основу измерителя положена схема двухполупериодного активного выпрямителя без диодов и трансформатора токов типа AC1020.

Схема двухполупериодного выпрямителя достаточно хорошо описана в интернете. За основу взята идея Anthony H. Smith, которую коротко опишу тут.

Двухполупериодный выпрямитель можно сделать, не используя ни одного диода, если воспользоваться способностью некоторых операционных усилителей с однополярным питанием эффективно ограничивать сигнал на уровне земли при отрицательном напряжении на входе. Схема состоит из повторителя с единичным усилением (IC1a) и второго каскада (IC1b), на который поступает выходной сигнал повторителя V_O и инвертированный входной сигнал V_IN (Рис. 1). Напряжение V_OUT на выходе схемы определяется следующим выражением:

V_OUT = (1 + K)V_O – KV_IN (V)

где K = R3/R2.

Во время положительной полуволны входного сигнала повторитель передает входной сигнал так, что VO = VIN. Поэтому VOUT = (1 + K)VIN – KVIN = VIN.

Во время отрицательной полуволны входного сигнала выход повторителя «насыщается землей», отчего VO = 0. Поэтому VOUT = – KVIN. Выбрав R2 = R3, чтобы K = 1, получим VOUT = – VIN, т.е. схема будет инвертировать входной сигнал. Поэтому, если сигнал на входе симметричен относительно земли, сквозная передаточная функция будет иметь вид VOUT = |VIN|.

Важно, чтобы операционный усилитель был способен без повреждения воспринимать отрицательные сигналы, и не реверсировал при этом фазу. Диапазон допустимых входных напряжений должен включать землю. При отрицательном входном напряжении резистор R1 ограничивает входной ток на безопасном уровне порядка 10 мА.

Операционный усилитель должен иметь достаточное быстродействие, чтобы успевать восстанавливаться после «насыщения землей» к моменту, когда входной сигнал переходит в положительную область. В противном случае будет происходить искажение выходного сигнала, особенно заметное на высоких частотах. Используемый операционный усилитель имеет структуру Rail-to-Rail, размах выходного напряжения ограничен только величиной напряжения на положительной шине питания VS.

А вот дальше будет лайфхак, ведь нам нужен двухдиапазонный измеритель токов. Все очень просто если сделать соотношение сопротивления резисторов R3/R2, например, равное 10. Тогда мы сможем измерять ток отрицательной полуволны с коэффициентом равным 1, а ток положительной полуволны с коэффициентом усиления равным 10. Можно, конечно, задать и другой коэффициент усиления. Конечно, у этой схемы измерения есть небольшой недостаток, но он с лихвой окупается простотой реализации и незначительным увеличением расходов на комплектующие. И не забываем, что в системе уже есть возможность подключить электросчетчик по RS485 и измерять параметры сети с метрологической точность. Без калибровки такая схема измерения дает погрешность до 5%, но после проведения процедуры калибровки, которая требует наличия амперметра или клещей для измерения тока, погрешность измерения может составлять 1-2%. Это достаточная точность измерения для практического применения в устройстве различных алгоритмов реагирования на колебания тока в нагрузке.

Дальше приведу схему измерительной части на ОУ МСР607, осциллограммы напряжений при разных токах в нагрузке, а также оставлю ссылку на видео, чтобы посмотреть, как меняется напряжение на выходе ОУ в динамическом режиме.

Вот краткая характеристика трансформатора тока.

Фото блока коммутации устройства в котором используются действительно надежные коммутирующие элементы реле и розетки.

Осциллограммы напряжения на выходе ОУ при разных токах в нагрузке

Ссылка на видео, чтобы посмотреть, как меняется напряжение на выходе ОУ в динамическом режиме.

http://yakorev.com.ru/curent.mp4

Возможно кому то пригодится эта информация, так как не встречал подобного решения.

Благодарю за внимание.