Ваттметр, вольтметр, амперметр, измеритель коэффициента мощности класса TrueRMS на базе микросхемы ADE7756

Автор: Секретный Кот
Опубликовано 16.08.2012
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2012!"

Энергосбережение без преувеличения можно считать лейтмотивом нашего времени. Человечество вынуждено экономить, чтобы продлить свою относительно безбедную жизнь на планете. Даже люди, далёкие от технических тонкостей и не стеснённые в средствах, вынуждены применять энергосберегающие решения, иногда сами того не подозревая. Значительную роль в этом играет реклама, красочно расписывающая преимущества новых технологий, оставляя «ненужные подробности» за кадром.

Нужно ли экономить электроэнергию? Вряд ли ответ на этот вопрос вызывает у кого-то сомнения. Но вот как и где это целесообразно сделать, ответит далеко не каждый. Дело в том, что экономия энергии не всегда означает сбережение в денежном выражении. Например, частое включение/выключение света приводит к ускоренному перегоранию ламп, стоимость которых может многократно превысить цену сэкономленного электричества. Или можно отказаться от режима Standby в домашней аппаратуре, отключая её из розетки – потеряв при этом все преимущества дистанционного и таймерного управления, то есть комфорт. Окупит ли сэкономленная сумма эти неудобства?
Чтобы получить точное представление о потенциале энергосбережения и экономии средств в том или ином случае, в первую очередь необходимо определить энергоёмкость исследуемого решения. В условиях личного хозяйства это означает, что нужно знать мощность и количество электроэнергии, потребляемые интересующим нас электроприбором. Эта, простая на первый взгляд, задача на практике оборачивается далеко не самым примитивным решением.

Немного теории

Какой ток потребляет 40-ваттная лампочка от сети, напряжение в которой 220 вольт? Стоп-стоп, не торопитесь с ответом. Добавим ещё одно маленькое условие: лампочка эта люминесцентная ;). Ну что, ответ по-прежнему очевиден? А ведь иногда и маститым (с виду) специалистам по электросетям невдомёк, что такая лампа потребляет ток свыше 400 мА, а активную мощность почти 50 Вт! Можно ли выяснить это простыми измерительными средствами? Попробуем разобраться.
Как известно из курса электротехники, в случае постоянного тока потребляемая прибором полная (она же активная) мощность равна произведению тока на напряжение:

P = U×I

Эта формула справедлива и для переменного тока, но с двумя оговорками. Во-первых, в этом случае значения тока и напряжения должны быть среднеквадратичными. А во-вторых, кривые напряжения и тока должны быть синфазными, что наблюдается только в случае активной (резистивной) нагрузки (рис. 1):



Чтобы узнать мощность в этом случае, достаточно измерить ток и напряжение сети любым мультиметром, и перемножить полученные числа. Здесь нужно сказать, что в быту не так уж и много нагрузок чисто резистивного характера. Наряду с медленно, но верно отмирающими лампами накаливания можно назвать разве что некоторые отопительные приборы, утюги, электроплиты и чайники. Вот, собственно, и всё! А как же быть в остальных случаях?
И тут измерение мощности становится достаточно нетривиальным делом. Полная мощность любого электроприбора по-прежнему равна произведению действующих значений тока и напряжения, но нас уже интересует не она. Так как бытовой электросчётчик измеряет (и соответственно предъявляет к оплате) только потребляемую активную энергию, для нас важна только активная составляющая мощности, зависящая от многих факторов.
В случае чисто реактивной нагрузки, когда кривые тока и напряжения сдвинуты во времени относительно друг друга (рис. 2):



активная мощность определяется по формуле

P = U×I×cosφ

где U, I – соответственно действующие значения напряжения и тока, а φ – угол сдвига фаз между соответствующими кривыми. Сложность измерения мощности «подручными средствами» в данном случае заключается в том, что этот угол заранее неизвестен (хотя мы по-прежнему можем узнать U и I при помощи простейшего мультиметра). Вторая сложность состоит в том, что нагрузок с чисто реактивным характером потребления в быту также не очень много. Гораздо чаще встречается так называемый импульсный характер потребления, при котором форма кривой тока не является синусоидальной (классический пример – лампа накаливания, включённая через тиристорный диммер). В этом случае активная мощность также всегда будет меньше произведения действующих значений U и I, причём фазовый сдвиг этих кривых может как присутствовать, так и отсутствовать (рис. 3):



В этом случае активную мощность можно рассчитать по формуле

P = U×I×λ

где λ – общий коэффициент, учитывающий как сдвиг фаз между напряжением и током, так и искаженную форму тока, получивший название коэффициента мощности. Очевидно, что для активной нагрузки λ = 1, а в случае чисто реактивной нагрузки λ = cosφ.
Здесь нелишне отметить, что для электроприборов, имеющих характер потребления энергии, показанный на рис. 3, «подручные» средства измерения и вовсе непригодны. Это объясняется тем, что недорогие мультиметры реализуют упрощённый принцип определения действующего значения переменного тока, рассчитанные только на его синусоидальную форму, что приводит к существенным погрешностям. Для корректного измерения необходимо использовать прибор класса TrueRMS, принадлежащий также к соответствующей ценовой категории :(. Кроме этого, нам по-прежнему неизвестен коэффициент λ.
Каким же образом измерить мощность электроприбора в общем случае? Одним из способов является применение для этой цели обычного контрольного электросчётчика (рис. 4):



Подключив интересующую нас нагрузку через такой счётчик, через определённый период времени мы получим информацию об израсходованной электроэнергии, что позволит рассчитать среднюю потребляемую мощность. Недостатками такого подхода являются невысокая точность, ярко выраженная зависимость времени измерения от мощности нагрузки, невозможность измерения характеристик динамических нагрузок и определения λ.

Основа прибора

Забраковав применение обычного электросчётчика и оставив за скобками возможность приобретения дорогостоящего профессионального ваттметра, рассмотрим возможность построения собственного измерительного прибора. Вначале сформулируем общие требования к нему:

• автоматическое измерение активной мощности в широком диапазоне мощностей, например от 0,1 до 1000 Вт;
• подсчёт электроэнергии, потреблённой за определённый период времени (максимум – 1 сутки);
• время измерения мощности не более 2 сек;
• точность измерения не хуже 1%;
• возможность измерения действующего значения напряжения;
• возможность измерения действующего значения тока (независимо от формы кривой);
• расчёт и отображение коэффициента мощности λ.

В процессе поисков подходящего решения взгляд автора упал на серию микросхем для электросчётчиков производства компании Analog Devices [1]. Кроме этого, была обнаружена статья, посвящённая любительскому ваттметру в журнале Everyday Practical Electronics [2] (к сожалению, авторы реализовали в нём только измерение мощности и энергии). Несмотря на то, что наиболее подходящей микросхемой для построения прибора оказалась ADE7753, окончательный выбор по ряду причин (в числе которых не последней оказалась доставаемость в России) был сделан в пользу ADE7756 [3].
Согласно спецификации изготовителя, микросхема ADE7756 представляет собой программируемый высокоточный счётчик электрической энергии с последовательным интерфейсом. Её структурная схема приведена на рис. 5:



Сигналы, пропорциональные току и напряжению нагрузки, подаются соответственно на аналого-цифровые преобразователи ADC1 и ADC2 с опорным напряжением 2,4 В. Затем токовый сигнал подвергается цифровой обработке в фильтре верхних частот HPF1, после чего перемножается с сигналом напряжения. Полученный таким образом сигнал активной мощности пропускается через фильтр нижних частот LPF2, после чего накапливается в регистре активной энергии AENERGY, содержимое которого доступно через последовательный интерфейс SPI. Кроме этого, этот же сигнал подаётся на преобразователь DFC, формирующий импульсный (частотный) выход индикации мощности на выводе CF.
Настройка работы микросхемы производится при помощи регистров усиления тока (APGAIN), калибровки фазового сдвига напряжения и тока (PHCAL), коррекции нуля активной мощности (APOS), калибровки выходной частоты CF (CFDIV). Кроме интерфейса SPI и частотного выхода CF, имеются также дополнительные выходы ZX (синхронизированный с переходом измеряемого напряжения через ноль) и SAG (активизируемый при недопустимом снижении входного напряжения). Микросхема тактируется кварцевым резонатором с частотой 3,58 МГц, подключаемым к выводам CLKIN и CLKOUT.
Для работы с микросхемой необходимо её подключение к внешнему терминалу или микроконтроллеру, имеющему интерфейс SPI. Сама работа заключается в чтении и записи регистров, полный перечень которых приведён в документе [3]. Важной для нашего случая особенностью является возможность считывания не только накопленной за определённый период времени энергии из регистра AENERGY, но также и мгновенных значений напряжения, тока и мощности из регистра WAVEFORM. Это позволяет рассчитать все необходимые электрические характеристики нагрузки с помощью микроконтроллера.

Электрическая схема

В результате ознакомления с материалами [2], [3], [4] и [5] была разработана принципиальная схема ваттметра, получившего условное название WH-756 (рис. 6):



Входные цепи построены на базе микросхемы ADE7756 (DD2). В качестве датчика тока используется резистивный шунт R7 сопротивлением около 25 мОм. Напряжение, выделяющееся на шунте, подаётся на входы V1N, V1P микросхемы DD2 через резисторы R8 и R9, которые совместно с конденсаторами С7, С9 формируют фильтры нижних частот, отсекающие влияние высших гармоник тока на результат измерения. Аналогичным образом напряжение сети подаётся на входы V2N, V2P через делители R2/R3 и R4/R5, нижние плечи которых зашунтированы конденсаторами С3, С5.
Микросхема DD2 подключается к питающему напряжению +5 В, дополнительно отфильтрованному при помощи конденсаторов С8 и С11. Такая же пара конденсаторов (С10 и С12) дополнительно подключается к выходу опорного напряжения. Микросхема тактируется стандартным кварцевым резонатором ZQ2 на частоту 3,58 МГц.
«Сердцем» системы является управляющий микроконтроллер DD1 типа ATMega8535, работающий на частоте 16 МГц, обеспечиваемой кварцевым резонатором ZQ1. Один из таймеров микроконтроллера используется для отсчёта точных интервалов времени, для чего потребовалось дополнительное подключение часового резонатора ZQ3 номиналом 32768 Гц.
Микроконтроллер DD1 осуществляет взаимодействие с микросхемой DD2 при помощи аппаратного последовательного интерфейса SPI и асинхронных сигналов, подключённых к порту D. Необходимо отметить, что в текущей реализации прибора WH-756 соединение между 11 выводом DD2 (CF) и 20 выводом DD1 (PortD.6) не используется и его можно не выполнять. Выход CF DD2 используется только для визуальной индикации измерения мощности при помощи светодиода HL2.
Управление прибором осуществляется при помощи четырёх кнопок SB1-SB4, имеющих условные наименования «Влево», «Вправо», «Вверх», «Вниз». Каждая кнопка выполняет функцию, зависящую от текущего режима работы. Отображение измеренных величин и другой информации производится на стандартном знакосинтезирующем ЖК индикаторе HG1 (16х2) с контроллером серии HD44780 и подсветкой. Настройка контрастности индикатора производится с помощью подстроечного резистора R14.
Измерительная часть схемы питается от сети через трансформатор Т1 с предохранителем FU1, диодный мост VD1-VD4 и стабилизатор DA1. Силовая часть подключена через предохранители FU2 и FU3, одновременное удаление которых позволяет полностью изолировать низковольтную часть схемы от сетевого напряжения.

ВНИМАНИЕ! Схема устройства имеет непосредственную гальваническую связь с проводами электросети 220/230 В. Следует соблюдать все правила монтажа и электробезопасности, применимые к цепям соответствующего напряжения. Необходимо проявлять крайнюю внимательность и осторожность при подключении устройства!

Работа с прибором

Ваттметр переменного тока WH-756 имеет два основных режима работы, которые условно могут быть названы режимом электросчётчика и режимом ваттметра. При включении прибор отображает стартовую заставку, содержащую его название и сведения о разработчике. Нажатие кнопки «Влево» позволяет включить или выключить подсветку экрана, остальные кнопки переводят прибор в первый режим работы. В этом случае экран примет вид, показанный на рис. 7:



В режиме работы «электросчётчик» в первой строке экрана выводится время текущего измерения и текущая мощность подключённой нагрузки. При входе в этот режим время измерения и счётчик накопленной энергии автоматически обнуляются. В нижней строке отображается количество израсходованной электроэнергии, а также средняя мощность за время измерения. Обновление информации на экране в этом режиме осуществляется 1 раз в секунду. По истечении 23 часов, 59 минут и 59 секунд измерение автоматически приостанавливается с фиксацией информации на экране. Для того, чтобы произвести перезапуск (сброс результатов) измерения, необходимо нажать кнопку «Вправо». Кнопка «Влево» переключает подсветку индикатора. Переход ко второму режиму измерения производится по нажатию кнопки «Вниз».
В режиме работы «ваттметр» первая строка экрана содержит измеренные значения напряжения сети и тока нагрузки (рис. 8):



В нижней строке приводятся значения активной мощности нагрузки и коэффициента мощности λ (PF). Информация обновляется на экране 1 раз примерно в 2 секунды. Здесь необходимо отметить, что в силу особенностей применяемой микросхемы измерение напряжения и тока сделано последовательными циклами по 1 сек, следовательно при измерении нагрузок с быстро меняющимся током, а также при быстро меняющемся напряжении сети может возникать некоторая погрешность расчёта λ. Также в силу недокументированных особенностей микросхемы DD2 корректное измерение тока и коэффициента мощности осуществляется только при токах свыше 5-10 мА (хотя активная мощность и при меньших токах измеряется корректно!).
Для того, чтобы «заморозить» информацию на экране или возобновить её обновление, в этом режиме используется кнопка «Вправо». При нажатии кнопки «Вниз» происходит переход к справочному экрану, а кнопка «Вверх» возвращает прибор в первый режим работы. Все кнопки необходимо удерживать после нажатия не более 2 сек до завершения требуемого действия.
Справочный экран (рис. 9) содержит сведения о текущей температуре микросхемы DD2 и версии прошивки:



Отсюда можно вернуться к режимам «ваттметр» и «электросчётчик» (нажатием кнопок «Вверх» и «Вниз» соответственно). Работает также управление подсветкой с помощью кнопки «Влево». Обратим внимание на то, что подсветка экрана автоматически отключается через 10 минут после входа в любой экран прибора. Это сделано для снижения нагрузки на блок питания, так как подсветка потребляет ток, многократно превышающий потребление всей остальной схемы.

Калибровка

Как и любой метрологический прибор, для достижения достаточной точности измерений ваттметр WH-756 требует проведения предварительной калибровки. Калибровочная информация записывается в EEPROM микроконтроллера DD1 и не требует частого обновления. Для облегчения выполнения калибровки в приборе предусмотрено несколько специальных функций, первой из которых является автоматическая установка нуля напряжения и тока. Для вызова этой функции необходимо в режиме работы «ваттметр» при удалённых предохранителях FU2 и FU3 дождаться стабилизации показаний U и I, после чего нажать и удерживать кнопку «Влево» до обнуления показаний. При необходимости эту операцию можно повторить несколько раз, до достижения стабильных нулевых значений напряжения и тока.
Следующим этапом является калибровка отображаемых значений в реальных единицах, осуществляемая при помощи набора калибровочных экранов. Первый из них вызывается из третьего (справочного) основного экрана нажатием кнопки «Вправо». В верхней строке приводится измеренное значение мощности в условных единицах, а в нижней строке – калиброванное с помощью текущего коэффициента значение в ваттах (для справки). Эта информация нужна для расчёта калибровочного коэффициента K_P по формуле:

K_P = P / Pact

где Pact – реальная мощность нагрузки (в ваттах), P – мощность в условных единицах из первой строки экрана. Аналогичные коэффициенты для тока и напряжения K_U и K_I на втором и третьем калибровочном экранах рассчитываются по формулам

K_U = Uact / U
K_I = Iact / I

Калибровку рекомендуется выполнять на активной нагрузке с известными параметрами, например с использованием набора ламп накаливания мощностью от 10 до 500 ватт. Значения K_P, K_U и K_I записываются в EEPROM микроконтроллера DD1 в формате Single.

Корпус, детали

Авторский вариант прибора WH-756 собран в универсальном пластмассовом корпусе типа 15-2(B3) с габаритами 150х120х40 мм (рис. 10):



На лицевую панель корпуса выведены кнопки SB1-SB4, индикатор CF и экран HG2. Вверху закреплена стандартная двухконтактная розетка, к которой подключаются исследуемые нагрузки. Важно обратить внимание на то, что эта розетка напрямую подключена к шнуру питания через предохранители FU2 и FU3 и не коммутируется выключателем питания прибора. На задней панели установлены выключатель SA1 и предохранители FU1-FU3 (рис. 11):



Так как прибор был изготовлен в единственном экземпляре и его серийное изготовление не предполагалось, печатная плата для него не разрабатывалась. Детали установлены на макетной плате размерами 110х50 мм, внешний вид которой (без шунта, блока питания и индикатора) показан на рис. 12:



Микросхемы в DIP-корпусах установлены на монтажные панели, резисторы и конденсаторы применены корпусные. Все резисторы, кроме R2, R4 и R7 – типа МЛТ-0,125. Резисторы R2 и R4 на напряжение не ниже 250 В мощностью 1 ватт. Шунт R7 составлен из четырёх параллельно соединённых резисторов типа SQP-15W номиналом 0,1 Ом каждый. Максимально возможный в реальных условиях нагрев этого шунта не способен оказать какое-либо влияние на точность измерений. Разъём J1 предназначен для внутрисхемного программирования.

Заключение

Точный цифровой прибор, обеспечивающий измерение мощности, напряжения, тока и коэффициента мощности сетевых нагрузок, позволяет оценить потенциал энергосбережения различных устройств, находящихся в личном пользовании. Например, при проведении обмеров автор выяснил, что один из телевизоров в дежурном режиме потреблял более 10 ватт, то есть впустую потреблял почти половину мощности, расходуемой с пользой домашним NAS-сервером! Разумеется, это позволяет сделать выводы о необходимости полного отключения подобных нагрузок от сети, когда они не используются. В целом среди результатов обмеров оказалось столько показательных и даже иногда неожиданных чисел, что это заслуживает написания отдельной статьи.

Литература, источники

1. https://www.eltech.spb.ru/techinfo.html?aid=27
2. Clarke, J. Control your power costs with the Energy meter // Everyday Practical Electronics, 2007. №5, pp. 12-21, №6, pp. 52-61.
3. https://smd.hu/Data/Analog/ADE77xx/ADE7756/ADE7756_0.pdf
4. https://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/an564.pdf
5. https://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/AN578_a.pdf

Файлы:
Прошивка версии 4.4 + EEPROM

Все вопросы в Форум.