Cần đo điện áp xoay chiều để tính công suất thực, công suất biểu kiến và hệ số công suất. Phép đo này có thể được thực hiện một cách an toàn (không yêu cầu làm việc với điện áp cao) bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi nguồn AC sang AC. Máy biến áp trong bộ điều hợp cung cấp cách ly khỏi nguồn điện cao áp. Bài này trình bày ngắn gọn các thiết bị điện tử cần thiết để giao tiếp bộ chuyển đổi nguồn AC sang AC với Arduino.
Như trong trường hợp đo dòng điện bằng cảm biến CT, mục tiêu chính của thiết bị điện tử điều hòa tín hiệu được trình bày chi tiết bên dưới, là điều kiện đầu ra của bộ chuyển đổi nguồn AC để nó đáp ứng các yêu cầu của đầu vào tương tự Arduino: điện áp dương giữa 0V và điện áp tham chiếu ADC (Thường là 5V hoặc 3,3V – emontx).
Bộ đổi nguồn AC sang AC có sẵn ở nhiều mức điện áp. Điều quan trọng đầu tiên cần biết là định mức điện áp của bộ điều hợp của bạn. Chúng tôi đã lập danh sách tham khảo về các bộ điều hợp điện áp AC chính mà chúng tôi đã sử dụng (chúng tôi đã chuẩn hóa trên bộ điều hợp 9V RMS). Tín hiệu đầu ra từ bộ chuyển đổi điện áp xoay chiều là dạng sóng gần hình sin.
Nếu bạn có bộ chuyển đổi nguồn 9V (RMS), đỉnh điện áp dương là 12,7V, đỉnh âm -12,7V. Tuy nhiên, do điều chỉnh điện áp kém với loại bộ điều hợp này, khi bộ điều hợp không tải (như trong trường hợp này), đầu ra thường là 10-12V (RMS) cho điện áp đỉnh 14-17V. Điện áp đầu ra của máy biến áp tỷ lệ với điện áp đầu vào AC, xem bên dưới để biết các ghi chú về điện áp nguồn của Vương quốc Anh.
Thiết bị điện tử điều hòa tín hiệu cần chuyển đổi đầu ra của bộ điều hợp thành dạng sóng có đỉnh dương nhỏ hơn 5V (3.3V cho emonTx) và đỉnh âm hơn 0V. Vì vậy, chúng ta cần: thu nhỏ dạng sóng và thêm một phần bù để không có thành phần âm. Dạng sóng có thể được thu nhỏ bằng cách sử dụng bộ chia điện áp được kết nối qua các đầu cuối của bộ điều hợp và bù đắp (thiên vị) có thể được thêm vào bằng cách sử dụng nguồn điện áp được tạo bởi một bộ chia điện áp khác được kết nối qua nguồn điện của Arduino (giống như cách chúng tôi đã thêm thiên vị cho mạch cảm nhận hiện tại). Đây là sơ đồ mạch và các dạng sóng điện áp:
Các điện trở R1 và R2 tạo thành một bộ chia điện áp để giảm điện áp AC của bộ chuyển đổi điện. Các điện trở R3 và R4 cung cấp phân cực điện áp. Tụ điện C1 cung cấp đường dẫn trở kháng thấp tới mặt đất cho tín hiệu AC. Giá trị không quan trọng, giữa 1 μF và 10 μF sẽ là thỏa đáng. R1 và R2 cần được chọn để cung cấp đầu ra điện áp đỉnh ~ 1V. Đối với bộ chuyển đổi AC-AC có đầu ra 9V RMS, kết hợp điện trở 10k cho R1 và 100k cho R2 sẽ phù hợp:
peak_voltage_output = R1 / (R1 + R2) x peak_voltage_input = 10k / (10k + 100k) x 12.7V = 1.15V
Độ lệch điện áp do R3 và R4 cung cấp phải bằng một nửa điện áp nguồn cung cấp của Arduino. Như vậy, R3 và R4 cần phải có điện trở bằng nhau. Sức đề kháng cao hơn làm giảm tiêu thụ năng lượng. Đối với emonTx chạy bằng pin, nơi tiêu thụ điện năng thấp là quan trọng, chúng tôi sử dụng điện trở 470k cho R3 và R4. Nếu Arduino đang chạy ở 5V, dạng sóng kết quả có đỉnh dương là 2,5V + 1,15V = 3,65V và đỉnh âm là 1,35V đáp ứng các yêu cầu điện áp đầu vào tương tự của Arduino.
Điều này cũng để lại một số “khoảng trống” để giảm thiểu nguy cơ quá áp hoặc thấp hơn điện áp. Sự kết hợp 10k và 100k R1 và R2 hoạt động tốt đối với một emonTx được cấp nguồn ở 3,3V, với đỉnh dương là 2,8V và đỉnh âm là 0,5V. Nếu bạn muốn biết thông tin chi tiết về cách tính toán các giá trị tối ưu cho các thành phần, có tính đến dung sai của thành phần, hãy xem trang này.
Arduino sketch
Để sử dụng mạch trên cùng với phép đo dòng điện để đo công suất thực, công suất biểu kiến, hệ số công suất, Vrms và Irms, tham khảo Code Arduino chi tiết tại đây:
Nguồn phân cực điện áp tương đối đơn giản này có một số hạn chế. Xem Buffered Voltage Bias cho một mạch cung cấp hiệu suất nâng cao.
