Многофункциональный ваттметр с гальванической развязкой. Измеритель активной мощности, многоканальный счетчик - ваттметр МК ATmega8 Собираем ваттметр самостоятельно из готовых частей

В нашем быту используется много самых различных устройств имеющих различную мощность потребления. При необходимости это сделать многие задают вопрос, как правильно определить мощность, чтобы не перегрузить сеть ~220В, какой нужен прибор для этого и т.д. Чтобы измерить потребляемую устройством мощность нужен ваттметр, например телевизором, приемником, магнитофоном, самодельный усилителем и т. д.

Для использования в своих радиолюбительских целях можно изготовить простой радиолюбительский ваттметр. Погрешность данного прибора незначительная но вполне хватает для того чтобы его изготовить из нескольких деталей, что значительно удешевляет конструкцию прибора и позволяет его изготовить даже начинающему радиолюбителю с небольшим опытом конструирования. Принципиальная схема простого радиолюбительского ваттметра приведена на рис.1.

Основа прибора - уже известный вам вольтметр переменного тока, в который входят стрелочный индикатор РА1, диоды VD1, VD2 и резисторы R1, R3. Резистор R3 шунтирует индикатор - микроамперметр М2003, чтобы получился миллиамперметр с током отклонения стрелки примерно 1 мА, а подстроечным резистором R1 устанавливают точнее выбранный диапазон измерений, в данном случае 100 Вт.

Подключен вольтметр параллельно резистору R2, который стоит в цепи питания нагрузки - между сетевой вилкой ХР1 и розеткой XS1. Когда ваттметр включен в сеть, а в розетку вставлена вилка питания нагрузки, скажем, настольной лампы, через резистор R2 протекает ток тем больший, чем больше потребляемая нагрузкой мощность. А значит, от мощности нагрузки будет зависеть падение напряжения на резисторе R2 - его и измеряет вольтметр.

Какие детали понадобятся для постройки этого прибора? Прежде всего, конечно, стрелочный индикатор. Хотя в данном случае он такой же, что и в предыдущем приборе, возможно применение другого индикатора - с током полного отклонения стрелки 1 мА и любым внутренним сопротивлением. В этом варианте резистор R3 не понадобится. Диоды - любые из серии Д9, подстроечный резистор также любого типа, например СПО.

Резистор R2 - проволочный, весьма малого сопротивления - 2 Ома. Его можно изготовить самостоятельно из провода с высоким удельным сопротивлением, к примеру - нихром, константан, манганин, но скорее всего такой провод найти не удастся и под руками окажется лишь медный провод марки ПЭВ или ПЭЛ в лакостойкой изоляции.

Тогда отрежьте 3,6 м такого провода диаметром 0,2 мм, намотайте его на корпус резистора МЛТ-2 сопротивлением не менее 100 Ом и припаяйте концы провода к выводам резистора - сопротивление получившегося резистора будет равно примерно 2 Ома.

Деталей в приборе немного, и их можно смонтировать на небольшой планке из изоляционного материала, укрепленной на выводах стрелочного индикатора. Сам же индикатор размещают на лицевой панели корпуса, а на боковой стенке корпуса крепят сетевую розетку.

Настройка

Включив в розетку настольную лампу мощностью 100 Вт, подают на ваттметр сетевое напряжение и перемещением движка подстроечного резистора устанавливают стрелку индикатора на конечное деление шкалы.

Внимание!

Осторожно, устанавливать стрелку индикатора на конечное деление шкалы только отверткой с изолированной ручкой!

Шкала ваттметра будет неравномерная, поскольку в нем работают диоды. Поэтому целесообразно снять характеристику прибора, как это делали в предыдущей конструкции. Для этого нужно отключить резистор R2 и подавать с регулируемого источника постоянное напряжение (примерно от 0 до 1 В) на верхние по схеме контакты вилки ХР1 (плюс) и розетки XS1 (минус). Смещать движок подстроечного резистора при этом не следует.

После этого проверяют показания ваттметра, отсчитывая их с помощью графика - характеристики диода и включая в розетку прибора лампы разной мощности - 75 Вт, 60 Вт, 40 Вт. А возможно ли измерить нашим ваттметром сравнительно малые мощности потребления, скажем, 5 или 10 Вт?

Это реально, если знать одну “хитрость”. Вставьте в розетку ваттметра тройник и включите в одну из пар гнезд его лампу, например, мощностью 60 Вт. Затем вставьте в другую пару гнезд вилку контролируемого маломощного устройства, и заметьте приращение показаний индикатора - оно и будет равно потребляемой мощности устройства.

Для тех, кто захочет построить ваттметр на мощность 200 Вт или 500 Вт, рекомендуем уменьшить сопротивление резистора R2 соответственно до 1 и 0,5 Ома, чтобы избежать излишнего падения напряжения на нем. Возможен, естественно, вариант многопредельного ваттметра, если установить в нем переключатель и подключать вместо R2 резисторы разного номинала. Надеемся, что такой прибор вы сможете сконструировать самостоятельно и использовать его для своих радиолюбительских нужд.

Недавно зашёл (случайно) в один секонд хенд, и пока приятель искал себе старые джинсы по цене новых, на глаза мне попался интересный девайс - потребляемой мощности. Втыкается он в розетку, и уже к нему подключаем различные бытовые приборы и другую нагрузку мощностью до 2,5 кВт. Устройство предназначено для измерения мощности, тока и напряжения электроэнергии и контроля количества потребляемой электроэнергии от сети.

А учитывая смешную цену данного устройства - всего 8уе, купил не задумываясь, чему впоследствии был рад. Без всяких изменений в конструкции, данный бытовой ваттметр может измерять электрические параметры (переменный ток, напряжение) без подключения к сети 220В. Это происходит за счёт собственного питания - две маленькие батарейки по 1,5В.

Бытовой ваттметр собран в красивом и прочном корпусе. Да не маде ин чина, а настоящая европа - Гамбург. О чём и говорит наклейка на обратной стороне корпуса прибора.

Проверяем его возможности:

1. Измерение напряжения сети в вольтах (V),

2. Измерение тока нагрузки в амперах (A),

3. Измерение потребления мощности в ваттах,

4. Общее количество потребленной электроэнергии (KWh – киловатт-час) и стоимость потребленной электроэнергии.

Бытовой ваттметр может даже измерять стоимость электроэнергии, если вы введёте цену одного киловатт-часа. Причём если в сети пропадёт питание, показания всё равно запомнятся, за счёт резервных батареек. Кстати ваттметр работает и без них, но чтоб измерение можно было проводить автономно - они необходимы.

Конечно мы разберём корпус и заглянем внутрь. Здесь видна небольшая плата с залитым чипом, который выполняет обработку сигнала, снимаемого с датчика и вывод информации на ЖКИ дисплей.

Датчик собран на отдельной плате, на которой имеется и плавкий предохранитель. Уверен, что немного изменив схему, можно добиться от ваттметра измерения даже постоянного тока и напряжения.

Забыл сказать - данный бытовой ваттметр работает как своеобразный сигнализатор - предохранитель. Можно задать максимально допустимый уровень нагрузки, и как только мощность превысит это значение ваттметр начнёт подавать звуковые сигналы.

Только теперь я понял, как мне не хватало подобного прибора! Включая через него различные устройства - электродвигатели, микроволновые печи, сварочные инверторы и другую аппаратуру, можно сразу видеть нормально ли работает устройство. А переключая кнопкой mode режим измерений - вольты, амперы, ватты; можно без всякого мультиметра контролировать целый ряд важных параметров. Благодаря красивой синей подсветке, параметры видны даже в темноте. Думаю это именно тот случай, когда проще и дешевле прибор купить, чем спаять.

Обсудить статью БЫТОВОЙ ВАТТМЕТР

Разрабатывать такие приборы для постоянного тока не имеет смысла ввиду того, что в этом случае все очень просто вычисляется с помощью известных законов и математических формул, при этом из измерительных приборов потребуется только амперметр. Для переменного тока все немного сложнее и раньше аналоговые ваттметры для переменного тока, хоть и обеспечивали высокую точность, были сложны в производстве, не говоря уже о цифровых ваттметрах и возможности сборки подобных приборов в домашних условиях. Современные технологии и элементная база позволяют проектировать многофункциональные устройства при минимальных затратах. Дешевые микроконтроллеры (МК) с богатой периферией и мощными вычислительными способностями заметно упрощают создание различных систем автоматизации и управления. Интегрированная прецизионная аналоговая периферия, а в некоторых МК и подсистема цифровой обработки сигналов, дают возможность разрабатывать многофункциональные измерительные приборы.

Цифровой ваттметр, конструкцию которого мы рассмотрим, предназначен для измерения потребляемой мощности устройств, подключенных к сети переменного напряжения 207 - 235 В / 50 Гц. Основным элементом ваттметра является 8-разрядный PIC микроконтроллер компании серии , который с помощью внешних АЦП выполняет измерение протекающег через нагрузку тока, напряжения на нагрузке, вычисляет действующее значение напряжения (эффективное значение) в сети, действующее значение тока и среднее значение потребляемой мощности. Все указанные параметры отображаются на двухстрочном символьном ЖК индикаторе.

Прибор не имеет отдельного источника питания. Используется встроенный сетевой блок питания, благодаря чему микроконтроллерная часть прибора полностью изолирована от аналоговых узлов, находящихся под напряжением сети.

Принципиальная схема

Схема и проект печатной платы разработаны в бесплатной среде проектирования SoloPCB tools. Принципиальная схема прибора изображена на Рисунке 2. Полный список примененных компонентов приведен в Таблице 2.

Для вычисления потребляемой мощности нам необходимо знать напряжение на нагрузке и потребляемый нагрузкой ток. Напряжение, которое должно быть измерено, является напряжением сети переменного тока, поэтому необходимо учитывать, что оно может быть в диапазоне 207 В - 253 В. С целью повышения точности измерений необходимо выполнять измерение напряжения сети, а не использовать в расчетах фиксированное среднее значение 230 В.

Линии сети электропитания подключаются к разъему J1 (AC IN, вход переменного напряжения). Аналоговый узел для измерения напряжения сети состоит из резистивного делителя (R1, R2 R3), прецизионного источника опорного напряжения (U3) и АЦП (U5). Резистивный делитель, включенный между фазой и нейтралью, предназначен для понижающего масштабирования напряжения с коэффициентом R1/(R1+R2+R3)=1/201 . Таким образом мы понижаем пиковое значение напряжения величиной ±320 В в уровня ±1.59 В. Затем с помощью источника опорного напряжения REF03 () мы задаем смещение этого напряжения вверх на величину 2.5 В, и в результате диапазон ±320 В будет соответствовать входному диапазону АЦП 0.91 В - 4.09 В.

После масштабирования и смещения напряжение на резисторе R2 считывается аналого-цифровым преобразователем (U5) MCP3202 (Microchip) и передается в 12-разрядном формате по интерфейсу SPI в микроконтроллер. Для изолирования микроконтроллера от аналоговых узлов используются высокоскоростные оптопары HCPL-0630 . Второй канал АЦП используется для измерения опорного напряжения 2.5 В - это значение будет использоваться в качестве поправочного коэффициента в расчетах.

Линии сети переменного тока, нейтраль и заземление от разъема J1 непосредственно подключаются к выходному разъему J2 (AC OUT), линия фазы проходит через датчик тока (U4) ACS712-20A компании . Это малошумящий аналоговый датчик тока на основе эффекта Холла с гальванической развязкой от измеряемой линии и возможностью измерения постоянного и переменного тока. Для повышения шумовых характеристик и точности измерений имеется вывод для подключения фильтрующего конденсатора. При нулевом токе выходное напряжение датчика составляет 2.5 В. При протекании тока через выводы IP+ и IP- выходное напряжение датчика меняется в соответствии с масштабным коэффициентом 100 мВ/А, следовательно, при протекающем токе +20 А выходное напряжение составит 4.5 В и 0.5 В при токе -20 А. Аналоговое значение датчика тока преобразуется в цифровую форму с помощью еще одной микросхемы АЦП MCP3202.

Датчик тока имеет диапазон измерений ±20 А, но, учитывая ограничения по току для разъемов и держателя предохранителя, узел измерения переменного тока защищен предохранителем 16 А, включенным в фазовую линию.

Для питания аналоговых узлов и микроконтроллерной части используется трансформаторный блок питания (Рисунок 3). Трансформатор имеет две идентичные вторичные обмотки, с которых снимается переменное напряжение 6 В. Далее напряжение выпрямляется и стабилизируется с помощью микросхемы (U1, U2) с типовой схемой включения. Светодиоды D2 и D3 предназначены для индикации напряжения питания.

В ваттметре используется 8-разрядный МК PIC18F252. Он выполняет считывание значений напряжения и тока, выполняет вычисление их среднеквадратичных значений и среднее значение потребляемой мощности. Непосредственно к МК подключен ЖК индикатор, на котором отображаются указанные значения. Может использоваться как 4-, так и 8-битный режим работы. Для работы с внешними АЦП используется интегрированный в МК модуль SPI интерфейса. Несмотря на то, что в схеме используется кварцевый резонатор 20 МГц, микроконтроллер тактируется частотой 5 МГц. Для программирования микроконтроллера предусмотрен разъем ICSP (J3) (Рисунок 4).

Таблица 1. Список использованных компонентов.

Обозначение в схеме	Наименование, номинал	Корпус, примечание
U1, U2	78L05	SOT-89
U3	REF03	SO-8
U4	ACS712-20A	SO-8
U5, U10	MCP3202-BI/SN	SO-8
U6, U7, U8	HCPL-0630	SO-8
U9	PIC18F252-I/SO	SO-28
BR1, BR2	Диодный мост	800 В / 1 А
TR1	Трансформатор HR-E3013051	2 × 6 В, 1.5 VA
LCD1	TC1602D	Двухстрочный ЖК индикатор
C1, C18	470 мкФ 25 В	10 мм × 10 мм
C2, C17	100 мкФ 16 В	6.3 мм × 5.4 мм
C11, C12	22 пФ 50 В	smd 0805, керамика
C9	1 нФ 50 В	smd 0805, керамика
C2, C4, C5, C6, C7, C8,C10, C13, C22, C14, C15, C16, C17, C20	100 нФ 50 В	smd 0805, керамика
C21	1 мкФ 25 В	smd 1206, керамика
R16	0 Ом	smd 0805, 1%
R2, R3	1 МОм
R5, R6, R17	1 кОм
R1, R14, R15, R18, R19	10 кОм
R7, R8, R9, R13	2.5 кОм
R4, R10, R11, R12	330 Ом
D2, D3	Красный светодиод	smd 0805
D1	Диод Шоттки	1 А / 40 В, корпус SMA
Y1	Кварцевый резонатор 20 МГц
F1	Держатель предохранителя	Для поверхностного монтажа
J1, J2	Винтовой клемник 1×3	шаг 5.2 мм
J3	Штыревой разъем 1×5	шаг 2.5 мм

Печатная плата

Проект печатной платы тоже выполнен в среде SoloPCB. Проектирование прибора в качестве портативного устройства было хорошей идеей, при этом контур печатной платы был спроектирован в Autocad и затем экспортирован в среду SoloPCB (Рисунок 5).

Печатные проводники силовых линий (фаза, нейтраль, заземление), соединяющие входной (AC IN) и выходной (AC OUT) разъемы, сделаны широкими, насколько это возможно, все блокировочные конденсаторы расположены как можно ближе к микросхемам. Шины аналоговой (AGND) и цифровой «земли» (DGND) выполнены отдельными. Все компоненты расположены на верхнем слое.

Примечание:

При проектировании схемы и печатной платы в среде SoloPCB некоторые элементы, которые отсутствовали в библиотеках, были созданы вручную. Библиотека этих элементов входит в состав архива с проектными файлами, который вы сможете скачать в секции загрузок.

Программа микроконтроллера

Как мы заметили выше, микроконтроллер считывает значения напряжения и тока каждую 1 мс и накапливает 40 измерений каждого параметра, что соответствует двум периодам для частоты 50 Гц. Затем выполняется вычисление действующих значений и потребляемой мощности. Период 1 мс генерируется с помощью встроенного таймера Timer A, работающего в 16-битном режиме с выработкой сигнала прерывания по переполнению.

После получения всех выборок выполняется вычисление действующих (среднеквадратичных) значений напряжения и тока по формуле:

Следует заметить, что полученные выборки содержат также фазовое соотношение между напряжением и током. Таким образом, активная мощность переменного тока, которая вычисляется по формуле (V×I×cosθ ), может быть получена вычислением средней мощности с использованием следующей формулы:

Все вычисленные значения отображаются на экране ЖК индикатора. Для работы с индикатором применяется библиотека lcd.h для компилятора CCS C.

На рисунках ниже изображены измерения с помощью цифрового ваттметра: Рисунок 6 - потребляемая мощность паяльной станции в режиме нагрева, Рисунок 7 - водонагревателя мощностью 2 кВт.

Загрузки

Листинг исходного кода программы микроконтроллера (компилятор CCS C) -

Проектные файлы SoloPCB (схема, печатная плата, библиотеки элементов) -

Ваттметр - измерительный прибор, используемый для определения мощности электрического тока или электромагнитного поля. В быту такое устройство применяют для определения величины энергопотребления устройств электронной техники.

Одним из важных параметров, характеризующим состояние электрической сети является мощность. Она показывает величину работы, выполняемую электрическим током в единицу времени. Мощность всех бытовых устройств, одновременно включаемых в сеть переменного тока, должна быть в рамках допустимой мощности сети. Иначе возможны неприятности и проблемы – от выхода из строя техники до короткого замыкания и пожара в квартире.

Измеряют мощность специальным прибором называемым ваттметром. И если в цепи постоянного тока ее легко рассчитать умножением силы тока на напряжение, то в сети переменного тока не все так просто. Также ваттметром контролируют режим работы электроборудования, проводят испытания электрических установок и учитывают расход электрической энергии.

Измерению мощности предшествует измерение напряжения и силы тока участка цепи. В зависимости от методов измерения и последующего преобразования данных и показа результата измерений, все ваттметры делятся на аналоговые и цифровые:

Аналоговые ваттметры бывают самопишущие и показывающие. Они отражают активную мощность участка цепи. индикатор показывающего ваттметра имеет полукруглую шкалу и поворачивающуюся стрелку. Деления шкалы отградуированы в соответствии с необходимыми величинами мощности, измеряемой в ваттах (Вт).
Принцип их работы основан на взаимодействии двух катушек индуктивности. Одна из них – неподвижная с толстой обмоткой с небольшим числом витков и низким сопротивлением. Подключается по схеме последовательно с нагрузкой. Вторая индуктивность – подвижная выполнена из тонкого медного провода с большим числом витков, поэтому и сопротивление у нее достаточно большое. Подсоединяется в схему она параллельно нагрузке вместе с добавочным резистором (для исключения короткого замыкания между индуктивностями).
При измерении, в катушках генерируются магнитные поля. Их взаимодействие образует некоторый вращающий момент, отклоняющий подвижную катушку с подсоединенной к ней стрелкой индикатором на некоторый угол. Величина этого угла эквивалентна произведению силы тока и напряжения в текущий момент времени.
Схемы цифровых ваттметров измеряют как реактивную так активную, и мощность. Кроме того, на цифровом экране ваттметра выводиться (кроме показания мощности) также и напряжение, сила тока, а также расход энергии за единицу времени.
В основе работы цифрового ваттметра лежит предварительное измерение напряжения и тока. Для этого на его входе имеются: последовательно нагрузке – токовый датчик, параллельно – датчик напряжения. Датчики бывают сделанные на основе термисторов, термопар, измерительных трансформаторов, и других электронных компонентов. Мгновенные значения полученных величин методом аналого-цифрового преобразователя поступают на микрконтроллер. В нем происходят необходимые вычисления (вычисляется активная и реактивная составляющие мощности) и выдается результат в виде посылки данных на дисплей и подключенные внешние устройства.

Эти измерительные приборы имеют четыре клеммы (2 выхода и 2 входа,) для подсоединения. Две из них используются для подключения к последовательной (токовой) цепи – ее подключают первой, а две – для параллельной (цепи напряжения). Начало цепи напряжения (вход) подсоединяют к началу токовой (соединить контакты можно перемычкой) и с одним зажимом сети. Конец цепи напряжения (выход) подключают к другому зажиму сети, смотри схему.

Конструкция работает по принципу датчика трансформатора тока. В качестве него можно использовать самый обычный сетевой трансформатор с первичной обмоткой около 3000 витков на стальном сердечнике, а вторичная всего два витка. Отношение тока, следующих через первичную обмотку, обратно пропорционально числу витков.

Однополупериодный выпрямитель собран своими руками из германиевых диодов. Сопротивление R2 снижает чувствительность ваттметра в десять раз, если требуется измерить мощность потребления электрочайника, тепловентилятора и других подобных потребителей. Индикация выполнена на обычном стрелочным микроамперметре. Его шкалу градуируют, для удобства использования. Настройка осуществляется либо по эталонному цифровому ваттметру, либо по бытовому прибору, с известной мощностью, для этой цели хорошо подходят лампы накаливания. Или как вариант отключить все в квартире и замерить обычным прибором учета электрической энергии

Cхема простого ваттметра на Arduino

Здесь роли датчика выступает шунтирующий резистор, через который идет ток. С шунта выходят два дополнительных провода, подсоединяемые к двум каналам АЦП платы Ардуино. Разница напряжений с этих двух линий пропорциональна проходящему через сопротивление электрическому току. Ток можно вычислить по формуле:

I = (V 2 – V 1) / R

Т.к мощность в схеме постоянного тока это произведение напряжения и тока, то P = V 2 × I. Поэтому, благодаря простой формуле можно из амперметра сделать ваттметр и измерять потребляемую мощность. Схема подключения ватметра представлена ниже.

Программный код можно посмотреть