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Split Core Current Transformers
Os sensores da série SCT013 são transformadores de corrente não invasivos que medem a intensidade da corrente que atravessa um condutor sem necessidade de cortar ou modificar o próprio condutor. Podemos usar estes sensores com um processador, como o Arduino, para medir a intensidade da corrente ou a potência consumida por uma carga.
Os sensores SCT013 são transformadores de corrente, dispositivos de medição que fornecem uma leitura proporcional à intensidade da corrente que percorre um circuito. A medição é feita por indução eletromagnética.
Os sensores SCT013 têm um núcleo bipartido (semelhante a uma pinça) que permite colocá-los à volta de um condutor elétrico sem o cortar.
Na série SCT013, há modelos que fornecem a medição como saída de corrente ou saída de tensão. É preferível usar a saída de tensão porque a ligação é mais simples.
O erro de precisão do sensor pode ser de apenas 1 a 2%. Para garantir a máxima precisão, é essencial confirmar que o núcleo está bem fechado. Mesmo uma pequena folga de ar pode causar um desvio de 10%.
Como desvantagem, por ser uma carga indutiva, o SCT013 introduz uma variação do ângulo de fase, cujo valor depende da carga que o atravessa e pode chegar a 3º.
Os transformadores de corrente são componentes comuns na indústria e na distribuição elétrica, pois permitem monitorizar pontos de consumo onde outras formas de medição não são viáveis. Também são utilizados em vários instrumentos de medição, incluindo equipamentos portáteis, como pinças amperimétricas e analisadores de rede.
Por exemplo, em projetos de eletrónica e domótica, podemos usar os sensores de corrente SCT013 para medir o consumo elétrico de um dispositivo, verificar o estado de uma instalação elétrica e registar o consumo de eletricidade em monitores de energia domésticos. Também podemos consultar os dados da instalação pela Internet em tempo real.
PREÇO
A série SCT013 inclui vários modelos, que diferem na gama de medição e no tipo de saída. Fisicamente, são iguais, embora seja possível identificá-los pelo texto inscrito na caixa do produto.
| Modelo | SCT013-000 | SCT013-005 | SCT013-010 | SCT013-015 | SCT013-020 |
| Corrente de entrada | 0-100A | 0-5A | 0-10A | 0-15A | 0-20A |
| Tipo de saída | 0-50mA | 0-1V | 0-1V | 0-1V | 0-1V |
| Modelo | SCT013-025 | SCT013-030 | SCT013-050 | SCT013-060 | SCT013-100 |
| Corrente de entrada | 0-25A | 0-30A | 0-50A | 0-60A | 0-100A |
| Tipo de saída | 0-1V | 0-1V | 0-1V | 0-1V | 0-1V |
O preço de todos os modelos é semelhante, e podemos encontrá-los em vendedores internacionais, como eBay, Amazon ou AliExpress.
O modelo mais comum é o SCT013-000, cuja corrente máxima é de 100A e cuja saída de corrente é de 50mA (100A:50mA). A corrente máxima do SCT-013-030 é de 30A (30A/1V), e a sua saída de tensão é de 1V.
Por fim, embora seja útil dispor de uma ampla gama de medição, convém lembrar que um modelo para correntes mais elevadas terá menor precisão. Uma corrente de 30A a 230V corresponde a uma carga de 6 900W, suficiente para a maioria dos utilizadores domésticos.
Como funciona o SCT013?
Os sensores SCT013 são pequenos transformadores de corrente, ou TC. Os transformadores de corrente são instrumentos amplamente utilizados para efetuar medições.
Um transformador de corrente é semelhante a um transformador de tensão e baseia-se nos mesmos princípios de funcionamento (na realidade, eram anteriormente idênticos). No entanto, têm finalidades diferentes e, por isso, são concebidos e construídos de formas distintas.
Um transformador de corrente procura gerar no secundário uma corrente proporcional à corrente que passa pelo primário. Para isso, pretende-se que o primário tenha um número reduzido de espiras.
Podemos usar um transformador de corrente para construir sensores de corrente não invasivos. Nestes sensores, o núcleo ferromagnético pode ser separado para permitir a sua colocação à volta do condutor.
Assim, temos um transformador em que:
Quando a corrente alternada circula pelo condutor, gera um fluxo magnético no núcleo ferromagnético que, por sua vez, induz uma corrente elétrica no enrolamento secundário.
A relação de transformação da corrente depende da relação entre os números de espiras:
O primário é geralmente formado por uma única espira do condutor a medir. No entanto, é possível passar o condutor mais do que uma vez pelo interior da “pinça”. O número de espiras do secundário, integrado na sonda, varia entre 1000 e 2000, consoante o modelo SCT013.
Ao contrário dos transformadores de tensão, num transformador de corrente o circuito secundário nunca deve ser aberto, pois as tensões induzidas podem danificar o componente. Por este motivo, os sensores SCT013 incluem proteção: uma resistência de carga nos modelos com saída de tensão ou díodos de proteção nos modelos com saída de corrente.
Esquemas de montagem
Para compreender a ligação do sensor SCT013, temos de compreender e resolver três questões:
Saída de corrente do sensor
Ajuste da gama de tensão
Tensões positivas e negativas
SAÍDA DE CORRENTE DO SENSOR
Os SCT013 são transformadores de corrente, ou seja, fornecem a medição como um sinal de corrente proporcional à corrente que percorre o cabo. No entanto, os processadores só conseguem medir tensões.
Este problema é fácil de resolver. Para converter a saída de corrente numa saída de tensão, basta incluir uma resistência de carga.
Com exceção do modelo SCT013-000, todos os outros modelos SCT013 têm uma resistência de carga interna, pelo que a saída é um sinal de tensão de 1V. Assim, não é necessário acrescentar essa resistência.
O SCT013-000 é o único modelo sem resistência de carga interna, pelo que a sua saída é um sinal de ± 50mA. Basta ligar uma resistência de 33Ω em paralelo com o sensor.
Tensões positivas e negativas
Outra questão a resolver é que estamos a medir corrente alternada e a corrente induzida no secundário também é alternada. Depois de passar pela resistência de carga, interna ou externa, a saída de tensão continua a ser alternada.
No entanto, como sabemos, as entradas analógicas da maioria dos processadores, incluindo o Arduino, só conseguem medir tensões positivas.
Para medir a tensão à saída do transformador, temos várias opções, aqui ordenadas da menos recomendada para a mais recomendada:
Adaptação da gama de tensão
A última questão é a necessidade de adaptar a gama de tensões à saída do sensor. O Arduino só consegue efetuar medições entre 0 e Vcc. Além disso, quanto menor for a parte utilizada dessa gama, maior será a perda de precisão, pelo que devemos adaptar o sinal.
Por outro lado, devemos lembrar-nos de que, para tensões CA, se usam normalmente valores eficazes. Vejamos brevemente as equações da tensão de pico e da tensão de pico a pico:
Assim, para um sensor com uma saída de ±1V eficaz, a tensão de pico é de ±1,414V e a
No caso do SCT013-000, a saída será de ±50mA. Com uma resistência de carga externa de 33Ω, a tensão de saída é de ±1,65V eficazes, pelo que a tensão de pico é de ±2,33V e a tensão de pico a pico é de 4,66V.
Ligação elétrica
Já temos todos os componentes para medir a corrente da rede com um sensor SCT-013. Vamos usar um sensor com saída de tensão de ± 1V eficaz e resistência de carga interna, juntamente com um ADC como o ADS1115 em modo diferencial.
Ao ajustar o ganho do ADS1115 para 2,048V, a gama abrangerá os ± 1,414V. Com um sensor de 30A, teremos uma resolução de 1,87mA; com um sensor de 100A, será de 6,25mA.
Se usar um SCT013-000 com saída de ± 50mA, terá de acrescentar uma resistência de carga externa de 33Ω e ajustar o ganho do ADS1115 para 4,096V, de modo a abranger a gama de ± 2,33
Do lado do Arduino, a ligação consiste apenas em alimentar o módulo ADS1115, como vimos no artigo sobre o ADS1115.
Para efetuar a medição, é importante colocar apenas um condutor na “pinça” Se colocarmos vários condutores (dois numa instalação monofásica ou três numa instalação trifásica), os seus campos magnéticos anulam-se. O resultado é uma medição nula.
O sensor SCT013 tem uma ficha jack de 3,5 mm, muito comum em equipamentos de áudio, mas pouco prática para utilização em projetos de eletrónica. Para o ligar, podemos cortar o cabo ou adquirir uma tomada jack fêmea para soldar. Felizmente, estes conectores são fáceis de encontrar, embora cortar o cabo também seja uma opção.
Se não quiser usar um ADC externo, pode optar por uma solução mais tradicional, com um circuito que acrescenta um desvio até ao ponto médio da alimentação.
Daqui em diante, vamos pressupor que utiliza um Arduino com Vcc de 5V. Se usar outro processador ou um modelo de Arduino com outra Vcc (por exemplo, 3,3V), terá de ajustar os valores em conformidade.
Ao acrescentarmos um desvio de 2,5V CC, a gama final passou a ser de 1,08V a 3,92V, dentro da gama da entrada analógica do Arduino alimentado a 5V.
Exemplo de código.
Montagem com ADS1115
Se usar um SCT013 com saída de ±1V eficaz e um ADS1115, o código necessário será semelhante ao apresentado no artigo sobre o ADS1115. Deverá consultar a biblioteca da Adafruit para o ADS1115.
Para aumentar a velocidade de amostragem do ADS1115, temos de modificar o ficheiro ‘Adafruit_ADS1015.h’.
Com esta alteração, podemos reduzir o tempo de amostragem de cerca de 8 a 9 milissegundos (aproximadamente 100 hertz) para cerca de 1,8 milissegundos (aproximadamente 500 hertz). Ao afastarmo-nos do limite imposto pela frequência de Nyquist, melhoramos o desempenho da medição.
Outra versão utiliza os valores máximo e mínimo medidos e calcula o valor da medição com base no valor de pico. O resultado deverá ser semelhante ao do exemplo da soma dos quadrados. Para isso, pode substituir esta função pelas seguintes funções:
Podemos ver os resultados no monitor da porta série e representá-los num gráfico com o plotter série, integrá-los num projeto maior para os apresentar numa página Web ou guardá-los num cartão SD.
Neste caso, o exemplo é muito simples e só precisamos de efetuar a medição através de uma entrada analógica:
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