Inspiratie voor dit project was de AC/DC Power Meter die in september 2015 in Elektor is gepubliceerd. In eerste instantie vond ik die heel interessant en wilde ik er zelf ook een bouwen, maar ik vond dat het ontwerp enkele beperkingen en nadelen had, dus ik besloot een ‘verbeterd’ ontwerp te ontwikkelen. De zaken die ik wilde verbeteren waren:
 

  • het ingangscircuit: het moet mogelijk zijn om stroom en spanning onafhankelijk van elkaar te meten; de stroom door de aansluitkabels mag geen invloed hebben op de spanningsuitlezing;
  • de bemonsteringsfrequentie: de lage bemonsteringsfrequentie maakt het slechts mogelijk om de eerste acht harmonischen van een 50Hz-signaal te meten (met perfect filter). Ik wilde echter de eerste 40 harmonischen kunnen meten;
  • de bereiksomschakeling en de offsetcorrectie moeten automatisch worden uitgevoerd.

 

Dit betekent dat de ingangs- en versterkerschakeling volledig opnieuw moeten worden ontworpen. Ook is een microcontroller aan de ‘hete’ kant nodig, om automatische offsetcorrectie en autoranging mogelijk te maken. Het blokschema in figuur 1 toont de hoofdprint en (maximaal) drie ingangsprinten.

Figuur 1. Blokschema van de power analyzer.

De hoofdprint

Het schema (zie figuur 2) is grotendeels een kopie van het EasyPIC V7-board, met een grafisch LC-touchscreen als gebruikersinterface.

Figuur 2. Schema van de hoofdprint.

Een blokgolfoscillator (IC1) genereert een 12Vtt-blokgolf met een frequentie van ongeveer 150 kHz voor de voeding van de satellietprinten. De datacommunicatie met de ingangsprinten verloopt via I2C, waarbij de microcontroller op de hoofdprint de master is en de ingangsprinten de slaves.

Het voedingsgedeelte van de hoofdprint ondersteunt zowel een 12 V gestabiliseerde voeding als een 15...18 V ongestabiliseerde voeding. Selectie vindt plaats met soldeerverbinding (SJ1). Er zijn nog twee andere soldeerbruggen/jumpers: MAX1 en MAX2. Hiermee kan het aantal kanalen voor de master worden ingesteld: het sluiten van MAX1 betekent slechts één, het sluiten van MAX2 betekent twee en het sluiten van beide betekent drie kanalen (ingangsprinten). Sommige jumpers (in de schema’s en op de layout van de hoofdprint aangegeven met Jx) dienen slechts om een meerlaags print te vermijden.

De ingangsprint

Op de ingangsprinten (schema in figuur 3) wilde ik de spanning en de stroom onafhankelijk van elkaar kunnen meten.

Figuur 3. Schema van de ingangsprint.

Dat is niet volledig realiseerbaar, maar met de schakeling kunnen de laagspanningsingang en de stroomingang ongeveer ±1 V ten opzichte van elkaar zweven. Dit wordt gerealiseerd door de dioden D3, D4, D7, D8. Zonder verdere maatregelen zou de schakeling door verkeerd aansluiten kunnen worden beschadigd: de hoge potentiaal aan de V-Low-ingang en ook de stroomingang aan de laagspanningszijde. Om zulke schade te voorkomen wordt de schakeling rond T10...T14 en reedrelais K1 toegevoegd. Een eerste stroombegrenzing wordt gerealiseerd door R11: bij 750 V ingangsspanning is de maximale stroom 0,5 A. Als de stroom door R11 groter is dan ongeveer 10...20 mA, zal er een kleine stroom door R34 lopen, die door T11 en T13 wordt gedetecteerd. Dit zal het thyristorcircuit met T10 en T12 triggeren. Eenmaal getriggerd zal het thyristorcircuit in deze toestand blijven en T14 en K1 uitschakelen. Signaal OC geeft aan de microcontroller aan dat de beveiliging is geactiveerd. Als de voeding afwezig is, wordt K1 ook uitgeschakeld (V-laag losgekoppeld), dus dan is het circuit veilig. Om de werking te herstellen moet de voeding van de schakeling worden losgekoppeld en weer worden aangesloten.

De spanningsdeler levert 100 mV bij de maximale ingangsspanning van 750 VDC, de maximale AC-spanning zal ongeveer 500 V zijn. De spanningsval bij de 6,5mΩ-stroomsensor R62 is ongeveer 100 mV bij 15 ADC (ongeveer 10 AAC). De versterkers voor spanning en stroom zijn identiek, dus ik zal alleen de spanningsversterker beschrijven. T1, T2 en T4, T6 dienen als schakelaars om de verschilversterker te verbinden met het signaal van het ingangscircuit of om de ingang kort te sluiten om een offsetmeting mogelijk te maken. De waarde van de offset kan worden opgeslagen en later van de meting worden afgetrokken om een ‘schone meting’ mogelijk te maken. De versterker is een gewone instrumentatieversterker. T3, T5 schakelen de versterking van de eerste trap op 1x of 25x. IC5 maakt het differentiële signaal enkelzijdig. De laatste trap met IC4 kan de versterking naar keuze 1x of 5x schakelen. Er kunnen dus vier versterkingsfactoren zijn: 1x, 5x, 25x of 125x. De versterking wordt ingesteld door microcontroller IC13. De versterker zal een positief of negatief signaal genereren ten opzichte van COMV. Dit signaal is 0,5 maal VREF, wat wordt gegenereerd door de schakeling rond IC3. VREF bedraagt 4,5 V, dus COMV, COMI en CINV zijn 2,25 V. VREF en CINV zijn aangesloten op de ADC van de PIC-controller. De ADC van de hier gebruikte PIC18F26K80 kan worden omgezet naar 13 bit wanneer deze op de aangegeven manier wordt gebruikt (12 bit plus een tekenbit). Voor 750 V geeft dit een resolutie van ongeveer 200 mV per bit, en voor 6 V ongeveer 1,6 mV/bit. Ik vind dit voldoende voor dit doel.

Het I2C-adres van een ingangsprint wordt geprogrammeerd door SJ1 en SJ2 op het bord te sluiten of te openen. Het sluiten van SJ1 maakt de print tot kanaal 1, het sluiten van SJ2 maakt hem kanaal 2 en het sluiten van beide soldeerverbindingen levert kanaal 3.

Galvanische scheiding

De blokgolf die van de hoofdprint komt, wordt in de juiste verhouding (1:1) naar de transformator gevoerd. De gelijkrichters geven dan een uitgangsspanning van iets minder dan 6 V. Met parallelregelaars wordt dit omgezet naar ±5 V. De wikkelingen van de transformator hebben een isolatiewaarde van 900 V, dus de totale isolatie zal 1800 Vpiek zijn, mits de rest van de constructie in orde is. Het I2C-signaal gaat via IC14, die een isolatiewaarde heeft van 4 kVpiek. De ingangsprinten zullen dus volledig zweven ten opzichte van de hoofdprint en ten opzichte van elkaar.

Update van het de schakeling van de ingangsprint

Nadat de bouw van het eerste prototype bleek uit tests dat er enkele correcties nodig waren. De overspraak van het schakelsignaal naar het meetsignaal in de offsetschakelaars moest worden beperkt. Daarom zijn C41–R102 en C40–R103 toegevoegd. Het beveiligingscircuit reageerde op pieken, bijvoorbeeld wanneer een testkabel werd aangesloten. De gevoeligheid voor pieken is verlaagd door C33 toe te voegen. D14 en R101 beperken ook de gevoeligheid voor positieve signalen.

Wanneer de versterkers de hoogste versterking hebben (ongeveer 2750x) is een offsetregeling nodig. Deze regeling wordt uitgeschakeld als de versterking lager is. Afhankelijk van het teken van de offset moet er een keuze worden gemaakt met de soldeerjumper.

Helaas ben ik in het voedingsgedeelte een aantal ontkoppelingscondensatoren vergeten, deze moesten ook worden toegevoegd. De onderdelenlijst voor dit project in Open Office-formaat kan worden gedownload van [2]. Bestelcodes voor Farnell zijn gegeven, maar u kunt natuurlijk elke leverancier kiezen.

 

Software voor de ingangsprint

Het programma is geschreven in mikroBasic for PIC (V5.6.1) van MikroElektronika, een programmeertaal die relatief eenvoudig te begrijpen is.

Ik wilde dat een frequentiebereik van (iets) minder dan 50 Hz tot enkele honderden Hz verwerkt kon worden. Daarom moest het signaal ten minste 30 ms worden bemonsterd. Dan zijn er bij 50 Hz minstens drie nuldoorgangen, zodat we één periode kunnen detecteren. Maar dat is alleen waar als deze nuldoorgangen op gelijke afstand liggen. Bij een duty cycle ongelijk aan 50% bij 50 Hz is 30 ms niet voldoende, daarom heb ik gekozen voor 35 ms. Bij een duty-cycle van minder dan 25% is het mogelijk dat de frequentie bij 50 Hz niet correct wordt bepaald, bij hogere frequenties is er geen probleem. Signalen met minder dan drie nuldoorgangen tijdens de bemonsteringsperiode worden als DC behandeld.

De tweede vraag is hoeveel samples er in deze 35 ms worden genomen. Een samplefrequentie van 10 kHz of hoger zou ideaal zijn. Ik heb gekozen voor 357 samples bij 10,2 ks/s. Dit leidt tot een heeltallig veelvoud van samples voor 50Hz- en 60Hz-signalen. Deze frequenties kunnen dan met de hoogste nauwkeurigheid worden geanalyseerd.

Er is een bibliotheek met I2C-commando's in mikroBasic, maar deze zijn alleen voor een I2C-master. Voor een I2C-slave moest ik mijn eigen procedures schrijven. Deze zijn nodig om de communicatie met de hoofdprint (de I2C-master) in te stellen en te controleren. Deze laatste vraagt en toont alleen informatie van de ingangsprinten, (auto-)ranging en offset, alle signaalverwerking (inclusief sampling en filtering) wordt uitgevoerd op het (de) ingangsprint(en).

Fast Fourier-transformaties worden ook berekend op de satellietprinten. De berekeningen zijn niet door mij uitgevonden maar ‘geleend’ van [3]. Digitale filtering is gebaseerd op hoofdstuk 16 van The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing. Er wordt een Blackman-venster gebruikt en het filter heeft 13 coëfficiënten (M=12). De keuze van de lengte van het filter is een compromis tussen de rekentijd, het benodigde geheugen en de prestaties (d.w.z. onderdrukking van signalen boven 2,55 kHz en verzwakking van signalen onder 2,55 kHz).

Bouw

Er is een frontpaneel ontworpen (voor een 3-kanaals uitvoering), dat bij Schaeffer kan worden besteld. Ik heb een metalen behuizing gebruikt (bestelcode 1510827 bij Farnell, fabrikant Metcase, M5503110).

Figuur 4 toont enkele close-up’s van de hardware in deze behuizing, die een indruk geven van hoe de vermogensmeter eruit kan zien en hoe de units in de behuizing zijn bevestigd. Let op de kant-en-klare standaardvoeding die wordt gebruikt om de power analyzer van stroom te voorzien.

Figuur 4a. Hoofdprint en display bevestigd aan het frontpaneel.
Figuur 4b. Een ingangsprint bevestigd aan het frontpaneel. Let op de extra dikke isolatie (dikke rode tape) tussen print en frontpaneel.

Figuur 4c toont een van de twee extra bevestigingspunten, die zijn toegevoegd om te voorkomen dat het voorpaneel buigt wanneer de testsnoeren worden in- of uitgestoken.

Figuur 4c. Eén van de extra steunbeugels tussen frontpaneel en behuizing.

Er moet een extra gat in de boven- en onderkap worden geboord om de beugeltjes te bevestigen. Ik heb een metalen behuizing gebruikt, dus de behuizing moet worden aangesloten op de randaarde van het lichtnet, zie figuur 4d.

Figuur 4d. Verbinding veiligheidsrandaarde.

Ingebruikneming

Na het inschakelen verschijnt het Measurement Screen. Dit toont enkele eenheden en hun waarden voor het geselecteerde kanaal. Bovenin het scherm kunt u andere kanalen selecteren (indien gemonteerd).

Het scherm kan maximaal zeven meetwaarden weergeven, te selecteren in het configuratiescherm.

Ga eerst naar het Main Menu (rechtsboven in het scherm). Kies Configuration, waarna het configuratiescherm verschijnt met 16 waarden waaruit u kunt kiezen. De geselecteerde en weer te geven waarden worden gemarkeerd.

Sommige van deze waarden zullen vanzelfsprekend zijn, maar andere hebben enige uitleg nodig. Vdis en Idis (vervorming) worden berekend met behulp van:



waarbij Vn staat voor de amplitude van de n-de harmonische van het signaal.

 

Re-P betekent reëel-vermogen, P-VA betekent Vrms x Irms, Im-P betekent blindvermogen, en PF betekent vermogensfactor, dus Re-P / P-VA.

Als u kiest voor Eff-> komt u in het Efficiency Screen. Hier kunt u de formule kiezen die de vermogensrelatie beschrijft die u onderzoekt en vervolgens gaat u terug naar het configuratiescherm. Als u teruggaat naar het Measurement Screen, wordt daar de gekozen formule met de berekende waarde voor alle kanalen weergegeven.

Terug in het configuratiescherm kunt u ook kiezen voor Graphs->. Door hierop te drukken kunt u kiezen tussen Scope of FFT. Druk op Scope. Hier kunt u traces selecteren. Trace1 wordt altijd weergegeven. Een geselecteerd trace licht op. Alle traces kunnen worden ‘gekoppeld’ aan een kanaal en met V, I of P van dat kanaal. Het display zal ‘getriggerd’ worden door een positieve nuldoorgang van Trace 1. Het display geeft een indruk van de golfvorm van de signalen en hun faserelatie. Er worden twee perioden van het signaal weergegeven. De amplitude van de signalen is altijd hetzelfde: spanningssignalen hebben de maximale amplitude. Om de stroomsignalen te onderscheiden van de spanningssignalen worden de stroomsignalen met een amplitude van 80% en de vermogenssignalen met een amplitude van 60% weergegeven. Zie bijvoorbeeld de golfvormen van een transformator die in verzadiging gaat in figuur 6.

Figuur 6a. Meting van een transformator in verzadiging, FFT van de stroom.
Figuur 6b. Meting van een transformator in verzadiging, spanning en stroom.
Figuur 6c. Meting van een transformator in verzadiging, spanning en vermogen.

Het ’scoop-display toont geen absolute waarden, het is slechts een indicatie van de vorm en de faserelatie.

Druk na terugkeer in het grafische scherm op FFT. Dit toont de FFT-componenten van een geselecteerd signaal. Bovenin het scherm kunt u het kanaal, LINear of LOGaritmische weergave en V of I selecteren. De grootste harmonische (meestal maar niet noodzakelijk de eerste harmonische) wordt weergegeven op 100% of 0 dB. De horizontale schaal geeft het aantal harmonischen aan, niet de frequentie.

Bij het selecteren van de Logging-functie moet u eerst de tijdsperiode selecteren die u wilt toepassen. Mogelijke waarden liggen tussen 0,25 uur en 128 uur in stappen die een factor van 2 zijn. De volgende stap is het selecteren van het aantal traces dat u wilt loggen (maximaal drie). Elk trace kan gekoppeld worden aan een kanaal en vanuit dat kanaal kunt u kiezen voor V, I of P. Door op Continue te drukken start het logging onmiddellijk. Er wordt een alfanumeriek scherm getoond, waar u de gemiddelde, maximale en minimale waarde en de verstreken tijd kunt bekijken. U kunt ook naar het grafische scherm gaan. Bovenaan het scherm kunt u een ander spoor selecteren, als dat is ingeschakeld. Door op Return te drukken komt u terug in het hoofdscherm, waarbij de verzamelde gegevens verloren gaan.

U kunt de Crest-factor (V-CF of I-CF) selecteren in het configuratiescherm. Het deelt simpelweg de hoogste piekwaarde (positief of negatief) door de RMS-waarde van het signaal. Vergeet niet dat de bandbreedte van de meetversterkers 2,5 kHz is, dus deze functie is niet geschikt voor audio. Alleen tot pakweg 250 Hz, afhankelijk van uw smaak.

Kalibreren en afregelen

Vanuit het Main Screen kunt u naar het Calibration Screen gaan. U kunt kiezen tussen het kalibreren van het aanraakscherm en het kalibreren van de kanalen. Bij het eerste keer opstarten wordt de kalibratieprocedure van het aanraakscherm automatisch gepresenteerd. Gebruik een potlood of een houten stift om het aanraakscherm te kalibreren (en te gebruiken).

Bij de kanaalkalibratie wordt u eerst gevraagd om een kanaal te selecteren. Vervolgens komt de software op een scherm waar spanning, stroom en frequentie kunnen worden gemeten en aangepast. In dit scherm is de autoranging voor V en I uitgeschakeld, waardoor het eenvoudig is om de kalibratie voor elk bereik aan te passen. Met de pijltjes (< en >) kunt u de bereiken veranderen en de meetwaarde aanpassen.

De beste methode om de frequentie in te stellen is om een digitale oscilloscoop aan te sluiten op TP8 (signaal) en TP2 (GND) op de ingangsprint van het geselecteerde kanaal. Stel de zichtbare pulsbreedte in op 35,00 ms met de pijlen op de frequentielijn. De op één na beste methode om de frequentie aan te passen is het gebruik van een signaalbron met een gekalibreerde frequentie van 50 of 60 Hz en het aanpassen van de aflezing naar 50,00 of 60,00 Hz. De aflezing kan ±0,5% variëren.

Wanneer u klaar bent met het kalibreren van een kanaal, drukt u op ->OK. Vervolgens worden de kalibratiegegevens opgeslagen op de ingangsprint van het geselecteerde kanaal.

Wat mij betreft is dit project afgerond, er zullen geen grote toevoegingen of wijzigingen meer zijn. Maar ik ben graag bereid vragen te beantwoorden.

Dit artikel is gebaseerd op de informatie die op de projectpagina van Elektor Labs staat. Op deze pagina is meer gedetailleerde informatie over deze power analyzer inclusief software, PCB-ontwerpbestanden en BOM te vinden of te downloaden. De Eagle CAD-bestanden op Elektor Labs zijn up-to-date met de meest recente wijzigingen, maar nieuwere versies van de PCB’s zijn niet gebouwd en/of getest!


 

Vragen of opmerkingen?

Hebt u vragen of opmerkingen naar aanleiding van dit artikel? Stuur een e-mail naar de auteur of naar de redactie van Elektor, via redactie@elektor.com.
 

Bouw van de transformator

Ingrediënten (zoals genoemd onderaan in de onderdelenlijst): twee kernhelften, twee clips, een spoelvorm (allen voor EF20), draad met 900 V isolatie en diameter van max 1,3 mm.
Neem de spoelvorm en snijd de pinnen 2, 3, 4, 7, 8 en 9 eraf.
Leg met de draad 9 windingen tussen de pinnen 9 en 10. Hiermee wordt precies één laag gevuld.
Herhaal dit met 9 windingen tussen pinnen 5 en 6. Dit vult opnieuw één laag.
Druk de kernhelften erin en breng de clips aan. Er is geen luchtspleet.
Als alles goed is gegaan heeft u nu een transformator met gelijke primaire en secundaire inductie van ca. 125 μH.
De capaciteit tussen de primaire en secundaire winding bedraagt ca. 30 pF.
 

Hoe aan te sluiten

Er is een verschil tussen het aansluiten van de meetsnoeren voor het meten van het opgenomen vermogen van een belasting, of voor het meten van het door een bron geleverde vermogen, zoals te zien is in figuur 5.
Figuur 5. Aansluiting van de meetsnoeren.
Met de aangegeven methoden wordt de spanningsval van de aansluitsnoeren en het stroommeetgedeelte geëlimineerd. Het spanningsverschil tussen de I-aansluitingen en de V-aansluiting moet kleiner dan 0,5 V blijven, anders wordt het beveiligingscircuit in werking gesteld en moet de voeding worden uit- en weer ingeschakeld.
  

Streamers:
WAARSCHUWING. Het werken met hoge spanningen kan fataal zijn. De hier beschreven schakeling is niet geschikt voor beginners. Bouw of gebruik deze alleen, als u ervaring hebt met de omgang met hoge spanningen!

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Wilt u meer van die fantastische Elektor-artikelen?

 

--> Neem vandaag nog een abonnement op Elektor - u mist nooit meer een artikel, project of handleiding!

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------