Cálculo resistencia de carga para sensores no invasivos de tensión


A la hora de medir con un controlador la intensidad de un circuito de ca, existen shunts , modernamente sensores hall, pero ambos adolecen de ser intrusivos porque requieren interrumpir el circuito para conectar estos. Modernamente han aparecido sensores no intrusivos basados en un núcleo partido que se puede abrir para intercalar el fase del circuito a medir. En este ámbito destacan los sensores de corriente alterna SCT-013 , los cuales podríamos clasificarlos en dos grupos: los que proporcionan una corriente o los que proporcionan un voltaje siendo la gran diferencia entre ellos que en los primeros no viene incluida una resistencia de carga y en los segundos sí (el nombre resistencia de carga o resistencia «burden» se refiere a la función que hace, no a como están fabricadas siendo su función convertir la corriente en un voltaje limitado que podamos medir, por ejemplo, con un microcontrolador).

El sensor SCT-013-000 es el único que nos proporciona una corriente y por tanto no tiene resistencia de carga. Puede medir una corriente de entre 50 mA y 100 A. El resto de la familia de sensores SCT-013 sí que tienen incluida la resistencia de carga. Podemos encontrar varios modelos pero todos tienen un voltaje de salida entre 0V y 1V.

Esta tabla nos describe las principales características de la familia de sensores SCT disponible :

Elegir uno u otro sensor SCT-013 dependerá de las necesidades reales. Como vemos en la tabla anterior, deberá elegir la intensidad de corriente que mejor se acople a sus necesidades o bien seleccionar el modelo «personalizado» SCT-013-000.

En post por tanto vamos a trabajar con el SCT-013-000 debido a que no tiene resistencia de carga lo cual nos va a permitir seleccionar la resistencia de carga más adecuada para medir con masa precisión el consumo eléctrico de un electrodoméstico en concreto como por ejemplo podria ser un frigorífico.

Para conectar un sensor CT a un Arduino, la señal de salida del sensor CT debe acondicionarse para que cumpla con los requisitos de entrada de las entradas analógicas Arduino, es decir, un  voltaje positivo entre 0 V y el voltaje de referencia ADC.

Este ejemplo vemos una placa Arduino que funciona a 5 V y el EmonTx que funciona a 3,3 V. Asegúrese de utilizar el voltaje de suministro y el voltaje de polarización correctos en sus cálculos que correspondan a su configuración.

Esto se puede lograr con el siguiente circuito que consta de dos partes principales: 

  1. El sensor CT y la resistencia de carga
  2. El divisor de voltaje de polarización ( R1 y R2 )

Basta con sumar 2,5V y estaría resuelto. Esto lo haremos a través de un circuito conocido como circuito offset en DC,lo cual básicamente consiste en poner un divisor de tensión y un condensador (el condensador tiene que ser de 10μF y unos pocos cientos de voltios lo cual hace que la reactancia sea baja y la corriente alterna evite la resistencia).

El valor de las resistencias del divisor de tensión puede ser 10kΩ siempre y cuando lo alimentemos a través de la red eléctrica, pero si su dispositivo va a funcionar con baterías utilice unas resistencias de 470kΩ para que el consumo sea mínimo.

Cálculo de un tamaño de resistencia de carga adecuado

Si el sensor CT es del tipo de «salida de corriente» como el YHDC SCT-013-000 , la señal de corriente debe convertirse en una señal de voltaje con una resistencia de carga. Si se trata de un CT de salida de voltaje, puede omitir este paso y omitir la resistencia de carga, ya que la resistencia de carga está integrada en el CT.

Este es el cálculo de la citada resistencia:

1) Elija el rango actual que desea medir

El YHDC SCT-013-000 CT tiene un rango de corriente de 0 a 100 A. Para este ejemplo, elijamos 100 A como nuestra corriente máxima.

2) Convierta la corriente RMS máxima en corriente pico multiplicando por √2.

Corriente máxima primaria = corriente RMS × √2 = 100 A × 1,414 = 141,4 A

Resultado =141,4 Amp

3) Divida el pico de corriente por el número de vueltas en el TC para obtener el pico de corriente en la bobina secundaria.

El TC YHDC SCT-013-000 tiene 2000 vueltas, por lo que la corriente pico del secundario será:

Pico de corriente secundario = Pico de corriente primario / no. de vueltas = 141.4 A / 2000 = 0.0707A

Resultado 2= 0.07Amp

4) Para maximizar la resolución de la medición, el voltaje a través de la resistencia de carga en el pico de corriente debe ser igual a la mitad del voltaje de referencia analógico de Arduino. (AREF / 2)

Si está utilizando un Arduino que funciona a 5V: AREF / 2 será de 2,5 voltios. 

Entonces la resistencia de carga ideal será:

Resistencia de carga ideal = (AREF/2) / Pico de corriente secundario = 2,5 V / 0,0707 A = 35,4 Ω

Resultado 3= 35,4 ohmios

Es fácil adivinar que 35 Ω no es un valor de resistencia común. Los valores más cercanos a ambos lados de 35 Ω son 39 y 33 Ω. Elija siempre el valor más pequeño, o la corriente de carga máxima creará un voltaje más alto que AREF. Recomendamos una carga de 33 Ω ±1%. En algunos casos, el uso de 2 resistencias en serie estará más cerca del valor de carga ideal. Cuanto más lejos del ideal esté el valor, menor será la precisión.

Aquí están los mismos cálculos que arriba en una forma más compacta:

Resistencia de carga (ohmios) = (AREF * CT TURNS) / (2√2 * corriente primaria máx.)

emonTx V2

Si está utilizando un emonTx V2 alimentado por batería, AREF comenzará a 3,3 V y disminuirá lentamente a medida que el voltaje de la batería caiga a 2,7 V. Por lo tanto, la resistencia de carga ideal para el voltaje mínimo sería:

Resistencia de carga ideal = (AREF/2) / Pico de corriente secundario = 1,35 V / 0,0707 A = 19,1 Ω

19 Ω no es un valor común. Tenemos una opción de 18 o 22 Ω. Recomendamos utilizar una carga de 18 Ω ±1%.

emonTx V3

El emonTx V3 usa un regulador de 3.3V, por lo que es V CC y por lo tanto AREF, siempre será de 3.3V independientemente del voltaje de la batería. El emonTx V3 estándar usa resistencias de carga de 22 Ω para CT 1, 2 y 3, y una resistencia de 120 Ω para CT4, el canal de alta sensibilidad. 

2) Agregar un sesgo de CC

Si tuviera que conectar uno de los cables del TC a tierra y medir el voltaje del segundo cable, con respecto a tierra, el voltaje variaría de positivo a negativo con respecto a tierra. Sin embargo, las entradas analógicas de Arduino requieren un voltaje positivo. Al conectar el cable de CT que conectamos a tierra, a una fuente a la mitad del voltaje de suministro, el voltaje de salida de CT ahora oscilará por encima y por debajo de 2,5 V, por lo que permanecerá positivo.

Las resistencias R1 y R2 en el diagrama de circuito anterior son un divisor de voltaje que proporciona la fuente de 2,5 V (1,65 V para el emonTx). El condensador electrolítico C1 tiene una reactancia baja de unos pocos cientos de ohmios, y proporciona un camino para que la corriente alterna evite la resistencia. Un valor de 10 μF es adecuado por ejemplo de 100v.

Elegir un valor adecuado para las resistencias R1 y R2:

Una mayor resistencia reduce el consumo de energía en reposo por lo que podemos usar resistencias de 10 kΩ para monitores alimentados por la red. El emonTx utiliza resistencias de 470 kΩ para mantener el consumo de energía al mínimo, ya que está diseñado para funcionar con baterías durante varios meses.

Boceto de Arduino

Para usar el circuito descrito para medir la corriente RMS, con un voltaje RMS fijo asumido (por ejemplo, 240 V) para indicar la potencia aparente aproximada, podemos usar el siguiente código en Arduino:

// Include Emon Library
#include "EmonLib.h"
 
// Crear una instancia EnergyMonitor
EnergyMonitor energyMonitor;
 
// Voltaje de nuestra red eléctrica
float voltajeRed = 220.0;
 
void setup()
{
  Serial.begin(9600);
 
  // Iniciamos la clase indicando
  // Número de pin: donde tenemos conectado el SCT-013
  // Valor de calibración: valor obtenido de la calibración teórica
  energyMonitor.current(0, 2.6);
}
 
void loop()
{
  // Obtenemos el valor de la corriente eficaz
  // Pasamos el número de muestras que queremos tomar
  double Irms = energyMonitor.calcIrms(1484);
 
  // Calculamos la potencia aparente
  double potencia =  Irms * voltajeRed;
 
  // Mostramos la información por el monitor serie
  Serial.print("Potencia = ");
  Serial.print(potencia);
  Serial.print("    Irms = ");
  Serial.println(Irms);
}


Mas info en https://openenergymonitor.github.io/forum-archive/node/156.html

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