Ваттметр своими руками Peacefair PZEM-021

Microchip PIC18F252

Каждый, наверное, когда-нибудь задумывался над вопросом, сколько потребляет тот или иной бытовой электроприбор. Например, сколько энергии потребляет телевизор в дежурном режиме? Как изменяется энергопотребление холодильника в различных режимах работы? Для этих целей вам потребуется ваттметр переменного тока, и в статье мы подробно рассмотрим конструкцию одного из вариантов прибора (Рисунок 1).

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 Microchip серии PIC18F252, 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.

Цифровой ваттметр — Своими Руками

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.

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.

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.

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 (Analog Devices) 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.

Классификация ваттметров

До того, как выполняется измерение мощности ваттметром, на исследуемом участке предварительно измеряется сила тока и напряжение. Для того чтобы получить наглядную итоговую информацию, эти данные следует преобразовать с помощью ваттметров, которые могут быть аналоговыми и цифровыми.

Большая часть всех измерений в течение длительного времени проводилась аналоговыми устройствами, в свою очередь разделяющихся на категории показывающих и самопишущих. Они отображают значение активной мощности на заданном участке цепи. Типичным представителем считается показывающий прибор с полукруглой шкалой и поворачивающейся стрелкой. На шкалу нанесена градуировка, соответствующая величинам нарастающей мощности, которую он измеряет в ваттах.

Другой тип – ваттметр цифровой относится к измерительным приборам, способным выполнять замеры не только активной, но и реактивной мощности. Все подобные устройства оборудованы дисплеем, на который кроме мощности, выводятся показания силы тока, напряжения, расхода электроэнергии за определенный период времени. Наиболее совершенные приборы подключаются и позволяют выводить полученные данные на компьютер, расположенный удаленно от места проведения измерений.

Список использованных компонентов

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.

СХЕМА ПРОСТОГО ВАТТМЕТРА

Если нужно сделать прибор для измерения потребляемой мощности бытовой техники. Не обязательно усложнять схему микроконтроллерами, ЖК индикаторами и прочими дорогими радиокомпонентами. В этой конструкции не понадобятся даже транзисторы. Достаточно часть тока от потребителя через небольшой трансформатор подать на диодный выпрямитель, а дальше на стрелочный индикатор, чтоб иметь достаточно точный индикатор мощности до 1 киловатта. При необходимости можно увеличить этот диапазон хоть до 10 кВт.

Измеритель мощности переменного тока

Основа работы устройства — трансформатор тока, который по сути то же самое что обычный трансформатор. Одна обмотка у него 3000 витков тонкой проволоки, намотанной на железном сердечнике — это вторичная обмотка. Первичная обмотка представляет собой пару витков сетевого шнура. Отношение тока, протекающего через первичную сторону и вторичную обмотки, является обратным соотношением числа витков. Линейность будет правда не идеальной, но для средней точности пойдёт. В конце концов 540 ватт потребляет устройство или 580 — не слишком важно. Однополупериодный выпрямитель представляет собой конденсатор небольшой ёмкости и германиевые диоды, прямое падение напряжения при переходе измряется индикатором на 100 мкА. Выбрать предел измерений 1000 Вт и 100 Вт можно подключив резистор параллельно стрелочной головке.

При испытаниях и настройке (подбирая сопротивления), использовалась 100 Вт лампа накаливания и прожектор на 500Вт. То есть подключайте нагрузку, мощность которой вы знаете заранее, и по ней выставляйте нужные показания индикатора. Готовый ваттметр можно разместить в любой пластиковой коробочке, или же встроить в сетевой фильтр. В этом случае нужно будет найти небольшой стрелочник, типа индикатора уровня записи от старого магнитофона.

Originally posted 2019-04-16 17:00:44. Republished by Blog Post Promoter

Источник

Принцип действия аналогового ваттметра

Основой конструкции наиболее распространенных аналоговых ваттметров является электродинамическая система. Приборы этого типа дают возможность сделать максимально точные замеры и получить необходимые результаты.

Принцип действия ваттметра аналогового типа осуществляется на основе двух взаимодействующих катушек. Первая катушка является неподвижной, в ее конструкции используется толстый обмоточный провод с небольшим количеством витков и незначительным сопротивлением. Подключение этой катушки выполняется последовательно с потребителем.

Вторая катушка находится в движении. Для ее обмотки применяется тонкий проводник с большим числом витков и высоким сопротивлением. Эта катушка подключается параллельно с потребителем и оборудуется дополнительным сопротивлением для защиты от коротких замыканий обмоток.

Когда ваттметр включается в сеть, в обмотках его катушек появляются магнитные поля, взаимодействующие между собой. За счет этого взаимодействия происходит образование момента вращения, отклоняющего движущуюся обмотку на величину расчетного угла. На данный показатель оказывает влияние произведение силы тока и напряжения в установленный момент времени.