Sensor no invasivo: YHDC SCT013 CT utilizado con Arduino

La serie SCT013 son sensores de transformadores de corriente no invasivos que miden la intensidad de una corriente que atraviesa un conductor sin necesidad de cortar o modificar el propio conductor. Podemos utilizar estos sensores con un procesador, como Arduino, para medir la intensidad o la potencia consumida por una carga.

Los sensores SCT013 son transformadores de corriente, dispositivos de instrumentación que proporcionan una medida proporcional a la intensidad que atraviesa un circuito. La medición se realiza por inducción electromagnética.

Los sensores SCT013 tienen un núcleo dividido (como una pinza) que permite al usuario encenderlo para envolver equipos eléctricos sin tener que cortarlos.

En la serie SCT013 hay modelos que proporcionan la medida como salida de corriente o de tensión. Es más preferible utilizar la salida de tensión porque la conexión es más sencilla.

La precisión del sensor puede variar sólo entre un 1% y un 2%. Para garantizar la máxima precisión, es fundamental confirmar que el núcleo se ha cerrado correctamente. Incluso un pequeño espacio de aire puede causar una desviación del 10%.

Como desventaja, al ser una carga inductiva, el SCT013 introduce una variación del ángulo de fase, cuyo valor es función de la carga que lo atraviesa, pudiendo llegar hasta 3º.

Los transformadores de corriente son componentes habituales tanto en el mundo industrial como en la distribución eléctrica, ya que permiten controlar los puntos de consumo cuando no existe otra forma de medida. También se consideran instrumentos de medida múltiple, incluso en equipos portátiles como pinzas perimetrales o analizadores de redes.

Por ejemplo, en nuestros proyectos de electrónica y domótica, podemos utilizar los sensores de corriente SCT013 para medir el consumo eléctrico de un dispositivo, comprobar el estado de una instalación eléctrica y registrar el consumo de electricidad en monitores de energía domésticos. una instalación o incluso acceder a través de Internet en tiempo real.

PRECIO

La serie SCT013 tiene varios modelos que pueden cambiar el rango de medición y la forma de salida. Físicamente son iguales, aunque es posible identificarlos por el texto escrito en la carcasa del producto.

El precio de todos los modelos es similar, y buscamos vendedores internacionales como eBay, Amazon o AliExpress.

El modelo más común es el SCT013-000, cuya corriente máxima es de 100A, la salida de corriente es de 50mA (100A:50mA), la corriente máxima del SCT-013-030 es de 30A (30A/1V), y la salida de tensión es de 1V.

Por último, aunque es importante disponer de una amplia gama de medidas, hay que tener en cuenta que un modelo de mayor intensidad dará lugar a una menor precisión. Una intensidad de 30A a 230V corresponde a una carga de 6.900W, que es suficiente para la mayoría de los usuarios domésticos.

¿Cómo funciona el SCT013?

Los sensores SCT013 son pequeños transformadores de corriente, o TC. Los transformadores de corriente son instrumentos muy utilizados para medir elementos.

Un transformador de corriente es similar a un transformador de tensión y se basa en los mismos principios de funcionamiento (de hecho, antes eran idénticos). Sin embargo, tienen objetivos distintos y, por eso, se diseñan y construyen de forma diferente.

Un transformador de corriente busca generar en el secundario una intensidad proporcional a la que pasa por el primario. Para ello, se desea que el primario esté formado por un número reducido de espiras.

Podemos utilizar el transformador de corriente para construir sensores de corriente no intrusivos. En el sensor de corriente, el núcleo ferromagnético puede separarse para que el conductor pueda abrirse y enrollarse.

Por lo tanto, tenemos un transformador, es:

• El cable por el que circula la corriente a medir es el devanado primario
• La "pinza" es el núcleo magnético.
• El bobinado secundario está integrado como parte de la sonda.

Cuando la corriente alterna circula por el conductor, se genera un flujo magnético en el núcleo ferromagnético, que a su vez genera una corriente eléctrica en el devanado secundario.

La relación de transformación de la intensidad depende de la relación entre el número de vueltas:

El primario suele estar formado por una única espira realizada por el conductor a medir. Aunque, es posible bobinar el conductor haciendo que éste pase más de una vez por el interior de la "pinza". El número de espiras del secundario, integrado en la sonda, varía de 1000-2000, según los modelos del SCT013.

A diferencia de los transformadores de tensión, en un transformador de corriente nunca debe abrirse el circuito secundario, ya que las corrientes inducidas podrían dañar el componente. Por este motivo, los sensores del SCT13 disponen de protecciones: resistencia de carga en los sensores de salida por tensión, o diodos de protección en los sensores de salida por la corriente.

Diagramas de montaje

Para comprender la conexión del sensor SCT013, tenemos que entender y resolver tres problemas:

 Salida del sensor en intensidad

 Ajuste del rango de tensión

 Estrés positivo y negativo

SALIDA DEL SENSOR EN INTENSIDAD

Los SCT013 son transformadores de corriente, es decir, la medición se obtiene como una señal de intensidad proporcional a la corriente que circula por el cable,. Los transformadores, sin embargo, sólo son capaces de medir tensiones.

Este problema es fácil de resolver. Para convertir la salida en intensidad en una salida en tensión, sólo tenemos que incluir una resistencia (resistencia de carga).

A excepción del modelo SCT013-000, todos los demás modelos SCT013 tienen una resistencia de carga interna para que la salida sea una señal de tensión de 1V. Por ello, no será motivo de preocupación.

Sólo en el caso del SCT013-000, no hay carga interna de resistencia, por lo que la salida es una señal de ± 50mA. Una resistencia de 33Ω en paralelo con el sensor será suficiente.

Tensiones positivas y negativas

Otro problema que tenemos que resolver es que estamos midiendo corriente alterna, y la intensidad inducida en el secundario es alterna. Tras atravesar la carga de resistencia, ya sea interna o externa, la tensión de salida también es alterna.

Sin embargo, como sabemos, las entradas analógicas de la mayoría de los procesadores de corriente, incluido Arduino, sólo pueden medir tensiones positivas.

Para medir la tensión a la salida del transformador, tenemos varias opciones, ordenadas aquí de menos a más recomendables:

1. Rectificar la señal a través de un puente de diodos, y medir la onda como valores positivos. No es aconsejable dado que perdemos información sobre si estamos en el semiperiodo negativo o positivo, y porque tendremos la caída de tensión del diodo, y, lo que es peor, el diodo no conduce por debajo de una tensión lo que significa que la señal se distorsionará en las uniones por cero.
2. Añade un offset en DC usando dos resistencias y un condensador que proporcionen un punto medio entre GND y Vcc. Mucho mejor si además añadimos un amplificador operacional como seguidor de tensión.
3. Añade un ADC con entrada diferencial, que permite medir tensiones positivas y negativas, como el ADS1115. Esta es la opción que vamos a utilizar.

Adaptación del rango de tensión

El último problema es la necesidad de adaptar el rango de tensiones a la salida del sensor. Arduino sólo puede realizar medidas entre 0 y Vcc. Además, cuanto menor sea el rango, mayor será la pérdida de precisión, por lo que debemos adaptarnos a este rango.

Por otro lado, debemos recordar que cuando se trata de tensión alterna, se suelen utilizar valores eficaces. Repasa brevemente las ecuaciones de tensión de pico y de pico a pico:

Por lo tanto, para un sensor con una salida de ±1V RMS, la tensión de pico es de ±1,414V y el

En el caso del SCT013-000, la salida será de ±50mA. Con una resistencia de carga externa de 33Ω, la tensión de salida es de ±1,65V RMS, por lo que la tensión de pico es de ±2,33V y la tensión pico a pico es de 4,66V.

Conexión eléctrica

Ya tenemos todos los componentes para medir la intensidad de la red con un sensor SCT-013. Utilizaremos un sensor con salida de tensión ± 1V RMS y resistencia de carga interna, junto, con un ADC como el ADS1115 en modo diferencial.

Ajustando la ganancia del ADS1115 a 2,048V lo situaremos dentro del rango de ± 1,414V. En el caso de un sensor de 30A tendremos una precisión de 1,87mA, y de 6,25 mA para un sensor de 100A.

Si se utiliza un SCT013-000 con una salida de ± 50mA, tendremos que añadir una resistencia de carga externa de 33Ω y elevar la ganancia del ADS1115 a 4,096V para cumplir con el rango de ± 2,33

La conexión, vista desde Arduino, sólo sería la alimentación del módulo ADS1115 como vimos en la entrada sobre el ADS1115.

Para la medición, es importante que utilicemos un solo conductor en la "pinza" Si utilizamos varios conductores (dos conductores para una instalación monofásica y tres para una instalación trifásica), el papel del conductor quedará abolido. Esto produce una inductancia nula y, por tanto, una medición vacía.

El sensor SCT013 tiene un conector Jack 3.5, muy común en el campo del audio, pero que no es suficiente para utilizarlo en nuestros proyectos electrónicos. Para poder conectarlo, debemos cortar el cable o conseguir un conector hembra de nuestro cable de soldadura. Afortunadamente, estos terminales son fáciles de conseguir, pero no descartes cortar los cables.

Si no quieres usar un ADC externo, también puedes usar una solución más tradicional que añade un circuito que nos permite añadir un offset central.

A partir de ahora, asumiremos que utilizas un Arduino con Vcc 5V. Si utilizas otro procesador o un modelo de Arduino con otra Vcc (por ejemplo, 3,3V), deberás corregir la pieza en consecuencia.

Cuando añadimos un punto de desplazamiento de 2,5 V CC, el rango final fue de 1,08 V a 3,92 V, con Arduino alimentado a 5 V sobre el rango de entrada analógica.

Ejemplo de código.

Montaje con ADS1115

Si utiliza un componente con SCT013 con salida ±1V RMS y ADS1115, el código requerido es similar al código que vemos en la entrada al ADS1115. Necesitas consultar la librería de Adafruit para ADS1115.

Para muestrear el ADS1115 a mayor velocidad, necesitamos modificar el archivo, 'Adafruit_ADS1015.h'.

Con esta modificación, podremos reducir el tiempo de muestreo de unos 8-9 milisegundos (unos 100 hercios) a unos 1,8 milisegundos (unos 500 hercios). Al salir de la frecuencia de Nyquist, mejoramos el comportamiento de la medición.

Otra versión utiliza los valores máximo y mínimo medidos y, a continuación, calcula el valor medido basándose en el valor máximo. El resultado debería ser similar al visto en el ejemplo de la suma cuadrada. Para ello, puede sustituir esta función por las siguientes:

Podemos ver los resultados en el monitor del puerto serie, y dibujarlos con un trazador serie, recogerlo en un proyecto más grande para mostrarlo en una página web, o registrarlo en SD.

MONTAJE CON RESISTENCIA Y PUNTO MEDIO

En este caso, el ejemplo es muy sencillo y sólo necesitamos medir a través de la entrada analógica: