Current Transformer Design: So gelingt die Projektierung 

Wenn Sie den Strom von einer Wechselstromquelle messen müssen, kann ein Current Transformer Design, also ein Design mit Stromwandler, eine kostengünstige und genaue Option sein. Sie können Stromwandler (auch Current Transformer) finden, die speziell für Anwendungen zwischen 50/60Hz-Netzleitungen entwickelt wurden, sowie welche für viel höhere Frequenzen, die sich besser für industrielle/wissenschaftliche Maschinen oder Prozessüberwachung eignen. Stromwandler sind berührungslos und nicht-invasiv, was bedeutet, dass Sie bei vielen Modellen keinen Wechselstrom durch Ihre Leiterplatte leiten müssen. Stattdessen wird ein Draht durch die Öffnung eines Stromwandlers geführt, oder der Stromwandler selbst kann sich öffnen, damit er an einem Draht einrasten kann.

Der Draht dient sowohl als einzelne Windung des Transformators als auch als Primärspule. Der Körper selbst hat zehntausende von Windungen, die die Sekundärspule bilden. Im Gegensatz zu Spannungswandlern hat ein er ein umgekehrtes Verhältnis. Das bedeutet, dass ein er mit einem Verhältnis von 1000:1 für 1 A über den primären Draht 0,001 A in der Sekundärseite erzeugt.

Sie können diese mit Windungsverhältnissen finden, die für Messungen von einem einzelnen Ampere bis zu Tausenden von Ampere und darüber hinaus geeignet sind, so dass sie in einem viel breiteren Anwendungsspektrum eingesetzt werden können als PCB-montierte/leitende Stromsensoren.

In diesem Projekt werden wir uns mit Möglichkeiten befassen, um den Output eines Current Transformer Design für die Schnittstelle mit einem Mikrocontroller in etwas Nützlicheres umzuwandeln. Auf den ersten Blick scheint dies eine einfache Aufgabe zu sein, aber je mehr man in die Tiefe geht, desto interessanter werden Current Transformer, vor allem, wenn man sie vorher noch nicht verwendet hat. Daher wird dieses Projekt etwas praktischer und praxisorientierter sein als einige meiner früheren Projekte. Zunächst werden wir uns die Lochrasterplatine, den Funktionsgenerator und das Oszilloskop ansehen. Dann werden wir eine Präzisionsgleichrichter-Platine bauen, um einen Stromwandler mit einem Mikrocontroller-ADC-Input optimal nutzen zu können. Die PCB- und Schaltplan-Dateien für dieses Projekt finden Sie auf GitHub.

Grundleistung eines Current Tranformer

Mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes (V = IR) können wir den vom Transformator abgegebenen Strom in eine nutzbare Spannung umwandeln. Ich verwende für diesen Artikel einen Talema AC1010 als Stromwandler. Bei diesem Sensor erzeugt ein 100-Ohm-Lastwiderstand eine Effektivspannung von 1 V für 10 A auf einem Draht durch den Stromwandler.

Nachdem Sie den Transformator und den Widerstand parallel geschaltet haben, könnten Sie einfach ein Ende der Struktur mit der Masse und das andere Ende mit dem ADC verbinden, um Ihre Messwerte zu erhalten. Das ist aber wahrscheinlich keine besonders gute Idee. Ich stelle dieses Schema nur vor, um die einfachste Möglichkeit zu zeigen, wie man Current Transformer Design erstellen kann.

So würde der Ausgang des ADC auf meinem Oszilloskop aussehen. Dies ist ein Ausgang meines Funktionsgenerators zur Simulation einer 7-A-Last und nicht der tatsächliche Stromsensorausgang - dazu kommen wir gleich.

Es gibt hier ein paar wichtige Dinge zu beachten:

• Der Spitze-Spitze-Wert des Signals beträgt 2 Volt, aber ich sagte, dass es eine 7 Ampere (d.h. 0,7V) Last ist!
• Die Wellenform ist AC, also +1V bis -1V, was einem Mikrocontroller nicht gefällt.

Stromwandler wandeln lediglich den Strom auf der Leitung um, so dass Ihr tatsächlicher Strom dem Effektivwert (RMS) der Wellenform entspricht. Der Funktionsgenerator gibt eine nahezu perfekte Sinuswelle aus, aber abhängig von Ihrer Last ist der Strom in einem tatsächlichen Stromwandlerkreis nicht unbedingt so perfekt. Eine grobe Stromschätzung könnte durch Ablesen der Spitzenspannung ermittelt werden, aber für eine genaue Strommessung müssen Sie viele Messungen durchführen, um die Gesamtfläche unter der Kurve zu bestimmen, die die Stromaufnahme darstellt.

Mit einem 2V Spitze-Spitze-Wert, der um Masse zentriert ist, ist dies nicht sehr mikrocontrollerfreundlich. Wir müssen also etwas mit dem Signal tun, um es besser nutzbar zu machen.

Masse des Current Transformer Design ausgleichenDa der Stromwandler einfach eine schwebende Spannung über dem Lastwiderstand ist, können wir nur einen Hinweis auf die Transformatorspannung bekommen, wenn wir ihn an Masse legen. Anstatt ihn an Masse zu legen, können wir stattdessen ein Bein an eine Bias-Gleichspannung binden, die durch einen Widerstandsteiler erhalten wird. Auf diese Weise bekommen wir stattdessen einen DC-Offset zur AC-Wellenform.

Hierbei handelt es sich um einen einfachen Spannungsteiler, bei dem die Hälfte der 3,3V-Eingangsspannung in der Mitte zwischen den Widerständen liegt, wodurch sich ein DC-Offset von 1,65V ergibt. Nun sollte unsere 2V Spitze-Spitze-Wellenform um 1,65V in einem Bereich von 0,65V bis 2,65V schwingen.

Wir können dies mit dem Oszilloskop zeigen. Ich verwende einige sehr billige Massenwiderstände, die mir in der Mitte des Spannungsteilers nicht ganz 1,65 V liefern. Blau ist das 2 V Spitze-Spitze-Signal, und gelb ist das Signal mit dem DC-Offset.

Ich habe ein 1,1 kW-Heizpad für ein bevorstehendes Projekt. Wenn ich es durch den AC1010 und die gleichen Widerstände laufen lasse, erhalte ich eine Sinuswelle mit Offset-Spannung. Beachten Sie, dass die Wellenform nicht so perfekt ist wie die des Funktionsgenerators; reale Lasten werden fast nie perfekte Sinuswellen sein.

ADC-Auflösung

Der Nachteil dieser Messmethode ist, dass wir die Spannung der Wellenform versetzt haben, um sie innerhalb des Bereichs unseres ADCs zu halten. Das bedeutet, dass wir einen großen Teil des Spannungsbereichs nicht effektiv nutzen.

Ein relativ kostengünstiger moderner ARM Cortex-Mikrocontroller verfügt über einen 12-Bit-ADC, während einige neuere standardmäßig mit 14-Bit- oder 16-Bit-ADCs und einige ältere mit 10-Bit-ADCs ausgestattet sind. Für diesen Artikel werde ich jedoch unter der Prämisse eines 12-Bit-ADC arbeiten.

Ein einfacher 12-Bit-ADC wird uns 212 oder 4096 mögliche Werte liefern. Angewandt auf einen Bereich von 3300 mV ergibt dies eine Auflösung von etwa 0,8 mV. Die oben abgebildete Last hat einen gesamten Spitze-Spitze-Spannungsbereich von 1219mV und sollte bei einer Last von 4,5-4,7A liegen. Die 1219 mV geben uns 1523 mögliche Werte für die bei unserer berechneten Auflösung angezeigte Spannung, was bei Verwendung unseres 100-Ohm-Lastwiderstandes etwa 3mA pro ADC-Wert ergibt (denken Sie daran: es ist RMS!). Das ist mehr als genug für diesen 10-Ampere-Sensor. Wenn Sie jedoch anfangen, immer größere Amperezahlen zu lesen oder einen Current Transformer mit viel mehr Windungen als den AC1010 verwenden, wird dies Ihren Anforderungen wahrscheinlich nicht gerecht.

Dennoch ist diese Offset-Gleichspannung immer noch die einfachste Art zum Auslesen, da insgesamt nur 3 Widerstände benötigt werden. Sie sollten auch TVS-Dioden einbauen, um die Last zu klemmen und sicherzustellen, dass sie während einer Stromspitze die maximale Nennspannung des Mikrocontrollers nicht überschreitet.

Der Präzisionsgleichrichter im Current Transformer Design

Sie könnten einen Brückengleichrichter verwenden, um die Wellenform aus dem Stromwandler gleichzurichten, aber die Vorwärtsspannung der Dioden würde Ihre Stromerfassungsfähigkeit stark reduzieren. Eine Diode könnte problemlos mehr als die Hälfte Ihres Stromerfassungsbereichs entfernen, so dass alles unter der Hälfte des Ampere-Bereichs des Sensors unlesbar wird. Noch schlimmer ist, dass sich die Vorwärtsspannungen einer Diode je nach Spannung, Temperatur und anderen Bedingungen ändern, so dass Ihre gleichgerichtete Spannung wahrscheinlich nicht besonders nützlich sein wird.Anstelle eines einfachen Brückengleichrichters können wir einen Präzisionsgleichrichter mit zwei Operationsverstärkern bauen. Mit einem einzigen Operationsverstärker erhalten Sie einen Einweggleichrichter, der für einige Strommessungen ausreichend sein kann. Die zusätzlichen Komponentenkosten für einen Vollweggleichrichter sind jedoch so gering, so dass wir ihn auch in Situationen einsetzen können, in denen ein Halbweggleichrichter ausreichen würde. Präzisionsgleichrichter sind bei messtechnischen Anwendungen wie dieser üblich und eine fantastische Möglichkeit, um eine nutzbare Spannung zu erzeugen. Da Sie Operationsverstärker verwenden, können Sie, wenn Sie schon dabei sind, auch direkt die gleichgerichtete Wellenform verstärken.

Ich verwende einen billigen AD8542-Operationsverstärker, der zwei Verstärker in einem Gehäuse hat. Obwohl die Abstimmung von Operationsverstärkern heutzutage erstaunlich genau ist, erhöht die Tatsache, dass sich beide Verstärker im gleichen Gehäuse befinden, die Wahrscheinlichkeit erheblich, dass beide Verstärker dieselbe Verstärkung anwenden, was sehr wichtig ist. In meinem endgültigen Design werde ich aus dem gleichen Grund auch 0,1%-Widerstände verwenden.

Schließlich habe ich noch einen einfachen 600Hz-RC-Filter am Ausgang des Operationsverstärkers, um eventuell aufgenommenes Wechselstrom-Rauschen zu entfernen. Dieser Filter hat eine so hohe Grenzfrequenz, dass es das 50Hz-Signal nicht beeinflusst.

Der Prototyp auf meiner Lochrasterplatine verwendet jedoch mysteriöse Widerstände, die angeblich 5% betragen, so dass unsere Ergebnisse nicht ganz so genau sind.

Beachten Sie, dass die negative Welle eine etwas niedrigere Spannung hat als die positive Welle. Das liegt daran, dass die Widerstände, die ich benutze, nicht besonders gut abgestimmt sind.

Da wir dies mit dem Heizelement als Last testen, ist der Fehler nicht so auffällig. Wie zuvor ist blau die Wellenform, die aus dem Stromwandler kommt, und gelb der Ausgang des Präzisionsgleichrichters.

Da ich dem Operationsverstärker eine Masse-Referenz (statt einer negativen Spannung zum arbeiten) gebe, haben wir einen leichten DC-Offset von 103 mV für das gleichgerichtete Signal. Dieser Offset ist für meine Anwendung akzeptabel, da er konsistent ist und daher während des Platinentests in den Mikrocontroller programmiert werden kann.

ADC-Auflösung

Für die gleiche Last, die mit der Spannungs-Offset-Methode aufgebracht wurde, hatten wir 1219 mV Signal. Mit dem Präzisionsgleichrichter und einer 2-fachen Verstärkung am Ausgang haben wir jedoch effektiv 2066 mV als Spitze-Spitze-Wert für dieses Signal. Wir haben unsere Auflösung also gerade verdoppelt!

Da wir diesmal auch in der Lage sind, die ursprüngliche Wellenform mit dem Oszilloskop zu betrachten, können wir die Effektivspannung für die Wellenform berechnen, um die Stromaufnahme zu bestimmen. Die 442,9 mV sollten bedeuten, dass wir 4,429 A durch die Heizung ziehen. Wenn das korrekt ist, ergibt unser 12-Bit-ADC eine Strommessauflösung von 1,71 mA, was für meine Anwendung gut genug ist.

Stimmt der Stromsensor?

Die Frage ist, wie kann ich überprüfen, ob die aktuelle Messung korrekt oder zumindest nahe dran ist? Jedes Gerät hat seine eigene Toleranz und Präzision, und die logarithmischen Graphen des Datenblatts AC1010 machen es etwas schwierig, die Toleranz für dieses Teil mit dem 100-Ohm-Lastwiderstand abzulesen. Stattdessen können wir berechnen, was unsere erwartete Last ist, und dies mit der gemessenen Wellenform des Sensors vergleichen. Im Idealfall würde ich dies mit mehreren Lasten tun, aber für diesen Artikel werde ich nur die eine verwenden, um zu sehen, ob wir dem erwarteten Ergebnis annähernd nahe kommen.

Messung des Heizelements

Ich verwendete eine 4-Leiter-Widerstandsmessung, um das Heizelement zu messen. Nachdem ich mein Multimeter eine Zeit lang die Messwerte mitteln ließ, pendelte es sich bei 50,262 Ohm ein.

Messung des Bürdenwiderstands

Wenn man bedenkt, wie schlecht einige der von mir verwendeten 10k-Widerstände sind, war ich angenehm überrascht, als ich feststellte, dass der von mir verwendete 100-Ohm-Lastwiderstand 99,983 Ohm beträgt.

Messung der AC-Leistung

Nach der Überraschung, dass der Bürdenwiderstand so nahe am angegebenen Wert lag, erwartete ich nicht dasselbe von meiner Wechselspannung. Andere Länder, in denen ich gelebt habe, behaupten, es seien 240V, aber ich habe 270 VAC an der Wand gemessen. In Großbritannien sind es 240V +10/-20%, und mein Haus bekommt 239,632V! Das finde ich ziemlich beeindruckend.

Alles zusammenfügen

Nun zurück zum Ohmschen Gesetz, V = IR, unsere 239,623 V über einer 50,262-Ohm-Last bedeutet, dass wir 4,76766 A sehen sollten. Beim letzten Test mit dem Präzisionsgleichrichter haben wir 4,429 V RMS vom Sensor gemessen. Mit dem 99,983-Ohm-Lastwiderstand sollte dies 4,4297 A entsprechen, was bedeutet, dass wir etwa 7% weniger haben.

Man kann präzisere Stromwandler kaufen, diese sind jedoch billig und 10% Toleranz sind für meine Anwendung ausreichend.

Das Design des Präzisionsgleichrichters

Der Präzisionsgleichrichter ist eine relativ einfache Konstruktion und in messtechnischen Präzisionsanwendungen sehr verbreitet. Der erste Operationsverstärker invertiert das Signal, und der Bezug auf Masse schaltet die negative Spannung aus, so dass wir nur ein positives, halb gleichgerichtetes Signal erhalten. Um die Symmetrie der gleichgerichteten Wellenform zu gewährleisten, liegt die Verstärkung des ersten Operationsverstärkers bei Eins (R3 = R6). Der zweite Operationsverstärker kombiniert die beiden Signale, und wenn die Widerstände R8 und R5 auf 5k und 10k eingestellt sind, verdoppeln wir die Ausgangsspannung.

Überlegungen zur maximalen Spannung

Die maximale Spannung, die die Operationsverstärker ausgeben können, ist V+ minus der Diodenvorwärtsspannung. Dies sollte bei dem Design des Präzisionsgleichrichters berücksichtigt werden. Wenn die Verstärkung bei dem Versuch, den gesamten Spannungsbereich zu nutzen, den der ADC lesen kann, zu hoch ist, wird der obere Teil der Wellenform abgeschnitten.

Überlegungen zur maximalen Stromstärke

Sie sollten auch etwas Spielraum für Stromspitzen lassen. Die tatsächliche Strombelastung, die dieser Sensor messen wird, sollte unter der Last von 1100 W liegen, die ich zu Testzwecken angelegt habe. Aber selbst bei voller Reichweite hat dieser Präzisionsgleichrichter bei voller 10A-Last einen Output von etwa 2,8 V. Das sollte für meine Anwendung mehr als ausreichend sein, aber denken Sie daran, nur für den Fall, dass es nicht für Ihre Anwendungen geeignet ist.

Lassen Sie uns eine Leiterplatte entwerfen!

Das Platinendesign für dieses Projekt ist sehr einfach, da es nur eine Handvoll Komponenten und nichts Hochfrequentes enthält. Es wäre ein sehr gutes erstes PCB-Projekt für einen neuen Altium-Anwender.

Ich plane, 6 dieser Stromwandler in einem bevorstehenden Projekt einzusetzen, daher wollte ich daran arbeiten, das Design so klein wie möglich zu halten. Ich habe der Platine eine Steckverriegelung der Serie Molex SL 70553 hinzugefügt, wodurch sie zu einer praktischen, eigenständigen Platine für die Strommessung innerhalb einer Maschine oder anderen Anlage wird. Da dieser die Breite der Steckverbinder und die Länge der Platine bestimmt, haben wir am Ende eine Fläche von 25 x 25 mm, in der wir die Schaltung layouten können. Ich verwende 0603 Bauteile, um dieses Projekt "anfängerfreundlich" für die Montage und das Handlöten zu machen. Die MSOP-8-Version des AD8542-Operationsverstärkers könnte dem etwas entgegenstehen, aber er ist auch in einem SOIC-8-Gehäuse erhältlich, das leicht in den zusätzlichen Platz auf der Leiterplatte eingebaut werden könnte. Eine Änderung des Designs zur Verwendung des größeren ICs könnte eine gute Übung für einen Anfänger sein.

Ich habe auch einige große 1206 Entkopplungskondensatoren zum Design hinzugefügt. Wenn sich diese Platine am Ende eines Kabels befindet, ist es immer schön, ein wenig zusätzliche Kapazität zu haben.

Da dieses Current Transformer Design je nach dem Land, in dem Sie leben, entweder 50 Hz oder 60 Hz beträgt, gibt es keine Signale, die eine Impedanzanpassung oder andere Überlegungen benötigen, die den Leiterplatten-Designprozess komplizieren.

Der Stromwandler sieht in dieser 3D-Ansicht enorm aus, was wirklich zeigt, wie klein diese Platine ist. Tatsächlich ist der AC1010 kleiner als ich erwartet hatte, obwohl ich ihn in 3D modelliert habe, um ihn zu meiner Open-Source-Bibliothek von Altium hinzuzufügen.

Eine Anmerkung zum Schaltplan

Wenn Sie planen, dies mit einem 15 A- oder 20 A-Modell zu verwenden, sollten Sie in Erwägung ziehen, den 5k-Widerstand gegen einen 10k-Widerstand oder vielleicht sogar einen noch höheren Widerstand auszutauschen, um sicherzustellen, dass die Verstärkung der zweiten Operationsverstärkerstufe das Signal nicht abschneidet. Der 5k-Widerstand eignet sich gut für den 10A-Sensor.

Zum Schluss

Hoffentlich hat dieses Projekt die Current Transformer Designs für Sie ein wenig entmystifiziert. Die PCB-Designdateien und Schaltpläne für dieses Projekt finden Sie auf GitHub. Das Design ist kostenlos und open source, nutzen Sie es also gerne in jeder gewünschten Weise.

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