Sensore di corrente fai-da-te per Arduino: 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Ciao, spero che tu stia andando bene e in questo tutorial ti mostrerò come ho realizzato un sensore di corrente per Arduino utilizzando alcuni componenti elettronici di base e uno shunt fatto in casa. Questo shunt può facilmente gestire grandi quantità di corrente, circa 10-15 Ampere. Anche la precisione è abbastanza buona e sono stato in grado di ottenere risultati molto decenti misurando basse correnti intorno a 100 mA.

Forniture

1. Arduino Uno o equivalente e cavo di programmazione
2. OP-Amplificatore LM358
3. Ponticelli
4. Resistenza da 100 KOhm
5. Resistenza da 220 KOhm
6. Resistenza da 10 Kohm
7. Scheda Veroboard o Zero PCB
8. Shunt (da 8 a 10 milliohm)

Passaggio 1: raccolta delle parti necessarie

Le parti principali di cui avresti bisogno per questa build sono uno Shunt insieme all'amplificatore operazionale IC. Per la mia applicazione sto usando l'IC LM358 che è un doppio DIP IC OP-AMP a 8 pin di cui sto usando solo uno dell'amplificatore operazionale. Avrai anche bisogno di resistori per il circuito dell'amplificatore non invertente. Ho scelto 320K e 10K come mie resistenze. La scelta della tua resistenza dipende completamente dalla quantità di guadagno che vuoi avere. Ora l'OP-AMP è alimentato dai 5 volt di Arduino. Quindi dobbiamo assicurarci che la tensione di uscita dall'OP-AMP quando l'intera corrente passa attraverso lo shunt dovrebbe essere inferiore a 5 volt, preferibilmente 4 volt per mantenere un margine di errore. Se scegliamo un guadagno sufficientemente alto per un valore di corrente inferiore, l'OP-AMP andrà nella regione di saturazione e fornirà solo 5 volt oltre qualsiasi valore di corrente. Quindi assicurati di scegliere il valore del guadagno dell'amplificatore in modo appropriato. Avresti anche bisogno di un PCB o breadboard di prototipazione per provare questo circuito. Per il micro controller sto usando Arduino UNO per acquisire l'input dall'uscita dell'amplificatore. Puoi scegliere qualsiasi scheda Arduino equivalente che desideri.

Passaggio 2: creare il proprio resistore di shunt

Il cuore principale del progetto è il resistore shunt utilizzato per fornire la piccola caduta di tensione. Puoi facilmente fare questo shunt senza troppi problemi. Se si dispone di un filo di acciaio solido e spesso, è possibile tagliare una lunghezza ragionevole di quel filo e utilizzarlo come shunt. Un'altra alternativa a questo è recuperare resistori di shunt da multimetri vecchi o danneggiati, proprio come mostrato qui. L'intervallo di corrente che si desidera misurare dipende in gran parte dal valore del resistore di shunt. In genere è possibile utilizzare shunt nell'ordine da 8 a 10 milliohm.

Fase 3: Schema circuitale del progetto

Ecco l'intera teoria in sintesi e anche lo schema circuitale del modulo sensore di corrente che mostra l'implementazione della configurazione non invertente dell'OP-AMP fornendo il guadagno necessario. Ho anche collegato un condensatore da 0,1 uF all'uscita dell'OP-AMP per appianare la tensione di uscita e ridurre qualsiasi rumore ad alta frequenza se può verificarsi.

Passaggio 4: mettere tutto insieme…

Ora è finalmente giunto il momento di realizzare l'attuale modulo sensore con questi componenti. Per questo ho ritagliato un piccolo pezzo di veroboard e ho sistemato i miei componenti in modo tale da evitare l'uso di ponticelli o connettori e l'intero circuito potrebbe essere collegato utilizzando giunti di saldatura diretti. Per il collegamento del carico attraverso lo shunt, ho utilizzato terminali a vite, il che rende i collegamenti molto più ordinati e allo stesso tempo rende molto più facile commutare/sostituire carichi diversi per i quali voglio misurare la corrente. Assicurati di selezionare i terminali a vite di buona qualità che sono in grado di gestire grandi correnti. Ho allegato alcune immagini del processo di saldatura e come puoi vedere le tracce di saldatura sono venute abbastanza bene senza l'uso di ponticelli o connettori. Questo ha reso il mio modulo ancora più resistente. Per darti una prospettiva di quanto sia piccolo questo modulo, l'ho tenuto insieme a una moneta da 2 rupie indiane e la dimensione è quasi paragonabile. Questa piccola dimensione ti consente di adattare facilmente questo modulo ai tuoi progetti. Se puoi utilizzare componenti SMD, la dimensione può anche essere ridotta.

Passaggio 5: calibrazione del sensore per fornire letture corrette

Dopo la costruzione dell'intero modulo ecco che arriva una parte un po' delicata, calibrare o meglio inventare il codice necessario per misurare il valore corretto della corrente. Ora essenzialmente stiamo moltiplicando la caduta di tensione dello shunt per darci una tensione amplificata, abbastanza alta da consentire la registrazione della funzione analogRead() di Arduino. Ora che la resistenza è costante, la tensione di uscita è lineare rispetto all'ampiezza della corrente che passa attraverso lo shunt. Il modo semplice per calibrare questo modulo è utilizzare un multimetro effettivo per calcolare il valore della corrente che passa attraverso un determinato circuito. Nota questo valore di corrente, usando l'arduino e la funzione di monitoraggio seriale, vedi qual è il valore analogico che sta arrivando (compreso tra 0 e 1023. Utilizzare la variabile come tipo di dati float per ottenere valori migliori). Ora possiamo moltiplicare questo valore analogico con una costante per ottenere il nostro valore di corrente desiderato e poiché la relazione tra la tensione e la corrente è lineare, questa costante sarà quasi la stessa per l'intero intervallo di corrente, anche se potresti dover fare qualche piccolo aggiustamenti in seguito. Puoi provare con 4-5 valori correnti noti per ottenere il tuo valore costante. Citerò il codice che ho usato per questa dimostrazione.

Passaggio 6: Conclusioni finali

Questo sensore di corrente funziona abbastanza bene nella maggior parte delle applicazioni alimentate in CC e ha un errore inferiore a 70 mA se calibrato correttamente. Tuttavia ci sono alcune limitazioni di questo progetto, a correnti molto basse o molto alte, lo scostamento dal valore effettivo diventa significativo. Quindi sono necessarie alcune modifiche al codice per i casi limite. Un'alternativa è utilizzare un amplificatore per strumentazione, che ha circuiti precisi per amplificare tensioni molto piccole e può essere utilizzato anche nella parte alta del circuito. Anche il circuito può essere migliorato utilizzando un OP-AMP migliore ea basso rumore. Per la mia applicazione funziona bene e fornisce un output ripetibile. Sto progettando di realizzare un wattmetro, dove utilizzerei questo sistema di misurazione della corrente shunt. Spero che questa build vi sia piaciuta.