Cảm biến dòng điện là gì? Nguyên lý hoạt động của cảm biến dòng điện. Hướng dẫn sử dụng cảm biến dòng điện Hall SCT013 100A với arduino

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về cảm biến dòng điện, nguyên lý hoạt động, ứng dụng của cảm biến. Cách để đo dòng điện xoay chiều và xác định công suất của mạch bằng cảm biến dòng điện Hall SCT013 100A cùng với Arduino.

Mục lục:

Cảm biến dòng điện là gì?

Nguyên lý hoạt động của cảm biến dòng điện

Hướng dẫn sử dụng cảm biến dòng điện Hall SCT-013 100A với Arduino

  1. Cảm biến dòng điện là gì?

Cảm biến dòng điện thường được gọi là máy biến dòng hoặc CT (Current Transformer), là các thiết bị phát hiện dòng điện chạy trong dây bằng cách sử dụng từ trường và tạo ra tín hiệu tỷ lệ với dòng điện đó. Tín hiệu được tạo ra có thể là điện áp, dòng điện hoặc là đầu ra kỹ thuật số (tùy thuộc vào loại cảm biến). Tín hiệu được tạo ra sau đó có thể được sử dụng để hiển thị dòng điện đo được tỏng ampe kế, hoặc để lưu trữ, phân tích trong hệ thống thu thập dữ liệu hoặc có thể được sử dụng cho mục đích điều khiển.

Cảm biến dòng điện rất linh hoạt và có ưu điểm chính là không cần tiếp xúc với mạch để đo dòng điện xoay chiều. Nói cách khác, chúng ta không cần phải mở mạch điện mắc nối tiếp với tải mà chỉ cần cho một dây thiết bị cần giám sát qua cảm biến là đã có thể đo được dòng điện.

Các loại cảm biến dòng thông dụng hiện nay được chia làm 2 loại: split-core (lõi chia) và solid-core (lõi rắn).

  • CT lõi rắn hoặc lõi vòng: là các vòng hoàn chỉnh không có khả năng mở. Do đó, cáp phải được ngắt kết nối và đặt qua cảm biến dòng lõi rắn khi lắp đặt. Các cảm biến lõi rắn cung cấp độ chính xác cao.
CT lõi rắn - lõi vòng
  • CT lõi chia hoặc tách lõi: các cảm biến dòng lõi chia có thể được mở và ngắt xung quanh một dây dẫn giúp chúng dễ dàng lắp đặt hơn. Mặc dù chúng được coi là kém chính xác hơn các cảm biến dòng lõi rắn, nhưng chúng đủ chính xác để được sử dụng cho gần như tất cả các ứng dụng thực tế.
CT lõi chia - tách lõi
  • Các cách hoạt động của cảm biến dòng điện:

– Cảm biến dòng điện trực tiếp:

Cảm biến dòng điện trực tiếp phụ thuộc vào định luật Ohm. Bằng cách đặt một điện trở shunt sắp xếp với tải hệ thống, một điện áp được tạo ra trên điện trở shunt tỷ lệ thuận với dòng tải hệ thống. Điện áp trên shunt có thể được đo bằng các bộ khuếch đại vi sai, ví dụ như các bộ khuếch đại dòng shunt. Nó thường được thực hiện cho dòng tải <100A.

– Cảm biến dòng điện gián tiếp:

Cảm biến dòng điện gián tiếp phụ thuộc vào định luật Ampe và Faraday. Bằng cách đặt một vòng dây quanh một dây dẫn mang dòng điện, một điện áp được cảm ứng trên vòng dây tỷ lệ với dòng điện. Phương pháp cảm biến loại này được sử dụng cho dòng tải lớn lên đến 1000A.

2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến dòng điện

Để hiểu rõ hơn cảm biến dòng điện làm việc ra sao, nguyên lý như thế nào? Chúng ta sẽ tìm hiểu lại một số khái niệm vật lý:

– Để đo dòng điện mà khồng cần tiếp xúc với mạch, cảm biến dòng điện xoay chiều này sử dụng đặc tính từ của dòng điện.

  • Định luật Ampere:

Định luật Ampere nói rằng mọi dây dẫn mà dòng điện chạy qua đều tạo ra xung quanh nó một từ trường tỷ lệ với cường độ dòng điện.

Định luật Ampere
  • Dòng điện xoay chiều:

Dòng điện xoay chiều có đặc điểm là hoạt động giống như một sóng sin, do đó cường độ của nó thay đổi theo thời gian, từ cực đại dương đến cực đại âm. Dao động này có tần số có thể là 50Hz hoặc 60Hz tùy thuộc vào quốc gia hoặc khu vực.

Dòng điện xoay chiều

Vì từ trường tỷ lệ với giá trị dòng điện, nên từ trường tạo ra xung quanh vật dẫn do dòng điện xoay chiều mang theo sẽ thay đổi theo thời gian tùy theo sự biến thiên của nó.

  • Định luật Faraday – định luật cảm ứng điện từ:

Định luật Faraday nói rằng từ trường biến thiên theo thời gian tạo ra suất điện động trong cuộn dây tạo ra dòng điện tỷ lệ với cường độ của từ trường.

Định luật Faraday

Trong hình trên, chúng ta có thể hiểu luật này trong thực tế. Lưu ý rằng khi tiếp cận nam châm đến các vòng, chúng ta đang thay đổi từ trường và điện áp trên vôn kế (suất điện động) đang được chỉ ra đạt gần 20V. Khi kéo nam châm ra xa, ta có hiệu điện thế đi dần về 0V.

Tóm tắt:

  • Định luật Ampe: Một vật dẫn được dòng điện thì cảm ứng tạo thành từ trường xung quanh nó có giá trị tỉ lệ với cường độ dòng điện;
  • Dòng điện xoay chiều : Dòng điện xoay chiều thay đổi theo thời gian, tạo ra từ trường cũng thay đổi theo thời gian;
  • Định luật Faraday về cảm ứng:  Một từ trường biến thiên theo thời gian tạo ra một điện áp trong một vòng dây, và do đó một dòng điện, tỷ lệ với cường độ của từ trường.

Từ ba đặc tính ta có thể hiểu được nguyên lý làm việc của cảm biến:

Khi dòng điện chạy qua một dây dẫn, nó tạo ra một từ trường tỷ lệ xung quanh dây dẫn. Máy biến dòng sử dụng từ trường này để đo dòng điện.

Dòng điện xoay chiều thay đổi, khiến từ trường thay đổi liên tục. Trong một cảm biến dòng xoay chiều, dây được quấn quanh lõi. Từ trường được tạo ra bởi dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra một dòng điện hoặc điện áp tỷ lệ trong dây nằm trong cảm biến dòng. Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra một điện áp hoặc dòng điện nhất định mà một đồng hồ được kết nối với cảm biến có thể đọc và chuyển thành dòng điện chạy qua dây dẫn.

  • Ứng dụng của cảm biến dòng điện

Các cảm biến CT dòng có thể được sử dụng trong một loạt các ứng dụng:  để đo, giám sát dòng điện và bảo vệ động cơ AC, thiết bị chiếu sáng, máy nén khí, quản lý điện năng cơ sở hạ tầng… Chúng có thể giúp phát hiện lỗi trong máy móc và ngăn ngừa hư hỏng thiết bị.

3. Hướng dẫn sử dụng cảm biến dòng điện Hall SCT-013 100A với Arduino:

Đối với hướng dẫn này, chúng tôi sẽ sử dụng SCT-013. Nó có thể đo các giá trị từ 0 đến 100A của dòng điện xoay chiều. Đầu ra của nó sẽ có giá trị từ 0 đến 50mA tỷ lệ với giá trị hiện tại của dây dẫn chính. Vì Arduino chỉ đọc các giá trị điện áp, chúng ta sẽ cần phải xây dựng một mạch phụ để dòng điện này chạy qua một điện trở và do đó chúng tôi có thể chuyển đổi các giá trị dòng điện do cảm biến tạo ra thành các giá trị điện áp.

Các linh kiện cần chuẩn bị:

  • 1x Arduino Uno
  • 1x Cảm Biến Dòng Điện Hall SCT-013 100A YHDC
  • 1x Test board
  • 2x điện trở 10KΩ
  • 1x điện trở 33Ω
  • 1x tụ điện 100uF
  • Dây nối
sơ đồ cảm biến dòng điện

Ta có điện trở R1 làm giảm điện áp AC, điện trở R1 và R2 cung cấp điện áp phân cực cho DC. Tụ điện C1 cung cấp một trở kháng thấp để nối đất cho tín hiệu AC, giá trị trong khoảng 1uF đến 100uF là đủ tốt.

Ngõ ra dòng điện hiệu dùng của cảm biến dòng tối đa đạt 50mA, khi mà dòng điện ngõ vào đạt 100A. Do Arduino không thể đo được nguồn có giá trị âm nên chúng ta phải cộng thêm vào điện áp ngõ ra 2.5V của cảm biến Hall.

Vì vậy, ta có dòng điện cực đại đo được là:

Iin = 2 * i (rms) = 1,414 * 100A = 141,4 A

Biết rằng để dòng điện ở sơ cấp có cường độ 100A, thì ở thứ cấp là dòng điện có cường độ 50A, ta chỉ cần đấu vào công thức tỉ số biến đổi. Kết quả sẽ là:

N1 / N2 = I2 / I1

I1 = dòng điện trong sơ cấp (dòng điện cần đo);

I2 = dòng điện ở thứ cấp;

N1 = số phiếu bầu của sơ cấp (trong trường hợp của cảm biến này, N1 sẽ bằng 1);

N2 = số vòng ở thứ cấp.

N2 = 2000 lượt.

Dòng điện ở đầu ra cảm biến tỷ lệ nghịch với số vòng (ở đây là 2000):

Iout  = 141,4A / 2000 = 0,0077A

Arduino UNO chỉ đọc các mức điện áp (từ 0V đến 5V) trên các chân đầu vào tương tự của nó. Do đó, chúng ta cần chuyển đổi tín hiệu dòng điện xoay chiều SCT-013 sang giá trị điện áp mà Arduino có thể đọc được.

Bước đầu tiên là thêm một điện trở tải giữa các cực cảm biến hiện tại:

Khi dòng điện xoay chiều xung quanh, chúng ta sẽ chọn một điện trở tạo ra giá trị điện áp tối đa là 2,5V.

R (tải) = U (cảm biến) / I (cảm biến) = 2,5V / 0,0707A = 35,4Ω

Do giá trị điện trở trên không có trên thị trường nên ta có thể chọn trở 33Ω.

Bây giờ chúng ta có một tín hiệu điện áp xoay chiều thay đổi giữa 2,5V dương và 2,5V âm. Mà Arduino không thể đo điện áp âm, vì vậy chúng ta cần đặt tín hiệu 2,5 V để nó thay đổi trong khoảng từ 0V đến 5V. Ta phải sử dụng thêm 2 điện trở R1 và R2 có giá trị bằng nhau,  2 điện trở chỉ có tác dụng phân áp nên ta có thể chọn 10K – 470K, ở đây ta sử dụng trở 10KΩ.

Tụ C1 có chức năng giảm nhiễu tín hiệu ngõ ra, ở đây ra chọn là 100uF.

Sơ đồ kết nối mạch đầy đủ:

Sơ đồ kết nối cảm biến dòng điện hall SCT-013 100A với Arduino Uno

Lập trình:

Thư viện: https://github.com/openenergymonitor/EmonLib

Code tham khảo:

#include "EmonLib.h"
EnergyMonitor SCT013;
int pinSCT = A0; //cảm biến kết nối với chân A0
int vol = 230;
int cong_suat;
void setup()
{
SCT013.current(pinSCT, 60.606);
Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
double Irms = SCT013.calcIrms(1480); 
cong_suat = Irms * vol; 
Serial.print("Dong dien = ");
Serial.print(Irms);
Serial.println(" A");
Serial.print("Cong suat = ");
Serial.print(cong_suat);
Serial.println(" W");
delay(500);
Serial.print(".");
delay(500);
Serial.print(".");
delay(500);
Serial.println(".");
delay(500);
}


Sau khi kết nối mạch và nạp chương trình xong, ta tiến hành đo thực tế. Chỉ dùng một dây qua cảm biến, không dùng hai dây sẽ không đo được. Kết nối như hình bên dưới:                          

Cách kết nối cảm biến dòng điện với thiết bị cần đo

Kết quả đo một bóng đèn sợi đốt:

Kết quả đo dòng điện, công suất của đèn sợi đốt

Qua bài viết này, chúng ta đã hiểu cảm biến dòng điện là gì? Nguyên lý hoạt động của nó, và có thể tự làm một thiết bị để giám sát điện năng cho gia đình của bạn.