Läsa av spänning 230v och få in det i en mcu?

Elektronikrelaterade (på komponentnivå) frågor och funderingar.
MiaM
Inlägg: 9903
Blev medlem: 6 maj 2009, 22:19:19

Re: Läsa av spänning 230v och få in det i en mcu?

Inlägg av MiaM »

Gammal tråd. Vill bara tillägga att för nätspänning så är det bra att ha ett par motstånd i serie istället för ett enda, även om det enda motståndet tål effekten, för att klara spänningen bättre. Jämför tråden Felkonstruktion ger felorsak jag ej förstår där det diskuteras problem just med att dela ner nätspänning med motstånd och mata en mikrokontroller.

Om det inte behövs galvanisk isolation så är det nog enklare att göra ungefär som i den länkade tråden, fast bra (dvs dimensionera skyddskomponenterna och välja motstånden så att de tål spänningsspikar på elnätet), så kan mikrokontrollern "lyssna" på vågformen om det kan vara till nån nytta. Om flera nätspänningar med samma nollreferens ska mätas så sparar du också en del på att ha elnät-nolla som signaljord på mikrokontrollern. Skicka sen data seriellt till eventuell annan mikrokontroller som ska vara galvaniskt skiljd, och tänk på att optokopplaren eller motsvarande bör uppfylla kraven på isolation mellan strömförande del och beröringsbar ledande del, åtminstone om den isolerade mikrokontrollern ska ha kontakt med några prylar som inte är starkström.

Sidospår: Varför tillverkas/tillverkades det motstånd som "inte går att använda"? Dvs motstånd vars max spänning ihop med resistans ger en så låg effekt att nästa lägre standardeffekttålighet eller än lägre hade räckt? Typ tänker på sånt som t.ex. 10 MOhm 1W i vanlig halvliten kolmotståndskapsling. En snabb googling visar att en vanlig typ av sådana motstånd tål 800V och vid dessa 800V så blir effekten ungefär en femtondel av en watt.
Användarvisningsbild
psynoise
EF Sponsor
Inlägg: 7154
Blev medlem: 26 juni 2003, 19:23:36
Ort: Landvetter

Re: Läsa av spänning 230v och få in det i en mcu?

Inlägg av psynoise »

Svar på sidospår. De tillverkas eftersom kunder vill ha 10 MΩ utan att införa en ny komponentfamilj eller i värsta fall en ny leverantör. Det underlättar för produktion att hålla nere antalet komponentfamiljer och leverantörer. Det blir helt enkelt mindre att hålla reda på.
E Kafeman
Inlägg: 3238
Blev medlem: 29 april 2012, 18:06:22

Re: Läsa av spänning 230v och få in det i en mcu?

Inlägg av E Kafeman »

Så är det med de flesta komponenter, dess max data är inte möjlig att utnyttja i alla lägen. Max rekommenderad effekt för en lysdiod gäller bara när lysdioden inte är maximalt rekommenderad varm, max spänning, max ström och max effekt för en transistor inträffar aldrig samtidigt. Även för motstånd finns flera sådan begränsande parametrar.
Ett standard smd motstånd som tål 800 Volt är inte rekommenderad som spänningsdelare av nätspänning, 240 Volt, även om de sedan ändå används där för att ge billig produktions-kostnad i kretsar som är svårinspekterade i efterhand.

Det är stor skillnad att detektera nät-spänning alternativt att mäta nätspänning och stegen svårer, att mäta nätspänning fasläge och samma strömmen samt dess fasläge.
Detektera med relä specificerat för användning vid nätspänning är bra för då har någon annan redan tänkt ett antal steg vad gäller säkerheten i funktionen, men man får nöja sej med rätt grov detektering av spänningsområde.

Det riktigt svåra kommer när ska designa något sådant är om man även ska ha tillförlitlig konstruktion, något som inte feldetekterar vid mindre överspänningar på nätet, vilket lätt kan vara spikar på några kilovolt och frekvenser på flera hunda kHz som kan uppstå som resultat av förändringar av induktiva laster på annat håll i samma nät eller att åskan härjar några kilometer längre bort.
Ska man även mäta dessa extremhändelser så krävs genomtänkt design.

Man sätter vanligen upp en kravspec som sedan påverkar design och val av komponenter. Ju högre krav, ju mer komplicerat och dyrare.
Det är vanligt att man har två-tre olika kravnivåer ur design-synpunkt, en nivå där skyddskretsar till fullo återhämtar funktionen, en nivå som kräver t.ex. byta av skyddskretsar och en nivå där överspänning ger okontrollerad totalskada.
DC-pwr_9-6.jpg
Vill man att egenbyggda spänningsdetektorn inte ska förse resten av elektroniken med sådana överspänningar så måste man designa för detta. Standard motstånd som tål 800 Volt innan överslag faller bort som spänningsdelare, då de kommer ge högre spänningar helt fri väg, utan spänningsdelning alls in till resten av elektroniken. Av olika skäl är det alltid olämpligt vad gäller funktions-säkerhet att detektera nätspänning mha neddelning via resistorkedjor som enda åtgärd. Vill man absolut göra så och dessutom göra det med SMD 0805 och mindre finns särskilda motstånd för ändamålet men med egenskapen att de brinner av med garanterat avbrott istället för att riskera att bli tillfälliga kortslutningar vid överspänning.

Ska man veta med lite precision vilken nätpänning man mäter så vill man ofta mäta relativt nollan. Det är däremot aldrig rekommenderat att direkt koppla nollan till den egna elektronikens noll-referens. Det finns miljoner skäl varför man inte gör så. Rätt vad det är skiljs förmodade nollan bort från egna nollan t.ex. genom dubbelbrytare och det är aldrig garantier att nollan är knuten till absolut jord, i synnerhet inte i trefas-system.
Mäter man spänning i ett kraftverk där stora strömmar kan vara aktuella kan man aldrig mäta/övervaka spännings-fönster utan att mäta relativt den lokal nollan eller relativt övriga två faser.
Lokala nollan är en sak vid t.ex. en generator och en helt annan sak vid den kapacitiva faskompenseraren, några meter bort. Koppla samman nollan i signaltrådar från dessa bägge och man har byggt sej ett tomtebloss som antänds när man minst anar det. Detta är inte ett ovanligt problem även i professionella anläggningar där man inte tänkt helt färdigt vad som kan hända vid olika driftsituationer.

Transformatorkoppling gör det enklare att inte koppla in okända noll-potentialer i egna elektroniken. En bra transformator och någon har redan dimensionerat enligt datablad vilken isolation som finns mellan primär och sekundär-lindningar. Sådan isolation är något som man ofta snålar med i de billigaste väggvårtorna som har fulltrafo. Däremot säljer alla större elgrossister mättransformatorer avsedda för att kunna mäta även när det finns mycket skräp på elnätet. Aningen dyra kanske men det är vad den extra driftsäkerheten kostar.
En sådan trafo kan tåla 10 kV på ingången utan att ge överslag till sekundären men man får fortfarande omsättningspänningen på sekundära sidan, vilket man brukar skydda sej mot mha diod-kopplingar.

Billigast och enklast vid måttligt stökigt elnät är optokopplare. De har tydliga datablad på vad de tål på ingång och vilken isolation som utlovas till utgång. Med lite tur finns förslag på lämplig inkoppling mot elnät i dess datablad. Det består som enklast av några motstånd och några kondensatorer, alla klassade för den driftspänning man tänkt och med marginal och en eventuell backspänningsdiod om det inte redan finns inbyggt i optokopplaren.
En fördel med optokopplare är att den yttre spärrdioden kan vara en vanlig lysdiod och och det är ofta enkelt att lägga en lysdiod i serie med transistorn på insidan. Då får man visuell driftinfo både före och efter optokopplaren.

Vill man vara ambitiös, garantera sej mot att transienter får svårare att slå sönder något går det lägga till konventionella överspänningsskydd. Det jag möjligen lägger till brukar vara en kondensator över optokopplaren med värde avsett att slöa ner värsta spännings-flankerna utan att slöa ner spänningsdetektering eller nämnvärt påverka nollgenomgångs-detektering som man ofta vill kunna mäta med MCU eller använda för andra styrändamål. Beror på situationen, men typiskt 10nF. Behöver inte vara särskilt spänningstålig då transienter förutsätts vara hanterat innan i optokopplaren men kondensatorn gör ändå att optokopplaren i sej kan lättare börja dra ström innan en eventuell transient hinner växa till sej för mycket.

Ska man mäta spänningar noggrant så tänk på att dioder i optokopplare liksom yttre dioder har temperaturberoende spänningsfall.
Vill man mäta noggrant med optokopplare så använder man ofta kapslar med dubbla optokopplare där den ena ger kontrollerad återkoppling.
Det blir ändå individuella skillnader mellan olika kopplare, liksom spridning av motståndsvärden. Vill man slippa manuell fintrimning så finns optokopplare med inbyggd A/D och seriell digital utgång men dessa brukar vara rätt dyra.

Är det mindre viktigt att mäta inom millisekunder och att man bara vill veta om det finns nätspänning så likriktar och filtrerar man efter opto-kopplaren.
Att man gör det efter trafon, likriktar på sekundärsidan, är självklart kanske, men det är ofta att föredra att göra på samma sätt för optokopplare för god funktion.

Även om det är tänkt att vara en kabel som endast är tänkt att leda någon mA från där man känner av nätspänningen är säkring eller annat överströmsskydd bra.
Uppstår kortslutning av att kabel kommer i kläm eller att det blir oavsiktligt fel av t.ex. att mättrafon börjar smälta plasten runt omkring så är det alltid bra med överströmsskydd och eller säkring. Det är ofta att föredra att mättrafon placeras nära mätobjektet, skild från elektroniken, och sedan leda sekundärspänningen via egna kablar till platsen där man har t.ex. övervakningscentral med svagströms-elektronik.

Relä-variant är att föredra för den som inte själv är van att designa inom vad elektroniska komponenter klarar enligt datablad och kanske inte kan förutse vilka överraskningar nätet man ansluter till kan erbjuda. Det är en lösning som inte erbjuder så många sätt att koppla fel.

Det finns färdiga kopplingar på PCB att köpa om man föredrar optokopplare.
Kan inte svara på om det är genomtänkt design men ser ut att innehålla säkerhets-motstånd och erbjuda viss isolation och duger om det inte är absolut driftsäkerhet som krävs för att detektera hushålls-el: https://www.aliexpress.com/item/1005002884499045.html
Säkerhetsmoståndet av denna typ brukar garantera avbrott utan kortslutande jonisering enligt ett antal olika termer, tid/temperatur/ström/spänning. Typisk maxspänning 6-8 kV för dessa motstånd. Ytterligare högre spänningstålighet kräver fysiskt större motstånd.
Exempel: https://www.vitrohm.com/content/files/v ... asheet.pdf

I vissa sammanhang, typ i samband med åska i närheten vill man att motståndet kortvarigt ska tåla höga puls-effekter då strömmen i pulsen kan uppgå till tusentals ampere. Ett konventionellt motstånd exploderar oftast vid extrema puls-energier. Exempel: https://www.firstohm.com.tw/en/category ... -MM-P.html

Det går givetvis att göra livet lättare för konventionella komponenter även för övervakning av mer störda miljöer om man själv "åsk-säkrar" den.
Typisk sådan koppling:
Overvoltage.jpg

Vill man inte bara detektera utan lite mer noggrant mäta spänningen så föredrar jag optokopplare med inbyggd möjlighet till feedback: https://www.vishay.com/docs/83622/il300.pdf

Långt från alla ospecade små-trafos lämpar sej i krävande miljöer. Det man söker när man ska designa en helhet är att varje delkomponent ska ha verifierbara egenskaper som visar att den kommer fungera enligt uppsatt kravspec. Därför finns transformatorer särskilt avsedda för sådan mätning och väl specade med avseende på transienter osv: https://www.lem.com/sites/default/files ... v_25-p.pdf

Apropå att använda spännings testmejslar med eller utan beröring, de enklaste innehåller en glimlampa i serie med ett motstånd. Det är en antik men fortfarande fungerande hobby-design som användes innan lysdioder fanns, att använda glimlampa för detektering av högre spänningar. Den är i sin egen konstruktion delvis självskyddande mot transienter och har god livslängd relativt vanliga glödlampor. Vanligen sågade man av toppen på en BC107 för att skapa sej en billig foto-transistor som detekterade när lampan lyste. Man stoppade in glimlampan från ett håll in i ett plaströr och transistorn från det andra hållet. De monterades från olika håll för att få säkrare isolering.
Som plaströr dög ljustät kasserad kulspetspenna i plast som förseglades med epoxi-lim och gärna ett lager svart färg. En typisk neonlampa, glimlampa, tänder vid ca 60 Volt och måste förses med seriella motstånd som belastas med resten av mätspänningen. I forna hobby-tider var det då viktigt med kolmasse-motstånd som vanligen tålde impulser bättre än metallfilms-motstånd och för bra spänningstålighet hämtades långa motstånd från en kasserad rörradio.

Enkla men någorlunda dugliga neddelare av högre spänningar är sk. kapacitiva neddelare som kan hittas i ledlampor avsedda för nätspänning. Det kräver för ändamålet lämpliga kondensatorer och motstånd och är dugligt när man inte kräver annat än en måttlig driftsäker spänning-neddelare som sedan kan kopplas till en konventionell opto-kopplare.

Det finns för ändamålet specifika IC som tagit fram för denna typ av kapacitiva droppers som även innehåller strömbegränsare och temperatur-säkring vilket ger en eventuell optokopllare ytterligare en lager av skydd och kan ge tillförlitlig detektering om spänningsnärvaro över ett större spänningsspan. Det är något snarlikt som man hittar i vissa spänningsprovare , sådana med en lysdiod-rad och två test-spetsar. Sådan kan innehålla en transistorbaserad strömbegränsare som ersättning helt eller delvis av ett seriellt neddelningsmotstånd.
En fördel med strömbegränsaren är att lysdioderna som detekterar olika spänningar då lyser med ungefär samma styrka över ett större spänningsområde.
På samma sätt kan optokopplaren detektera en absolut nivå över ett större inspänningsområde om den ges samma ström oavsett inspänning.

Kapacitiv strömkopplare/strömbegränsare är en rätt enkel lösning och tror att det finns flera Youtube-instruktioner angående säkra komponentval. Kommer inte ihåg men BigClive eller Diodgonewild tror jag brukar ägna sej åt att analysera säkerhet i olika LED-lampors designer.

I princip så duger ett enda motstånd i serie med en optokopplare för att detektera nätspänning. Antag att för fullt utstyrd fototrissa behöva 1 mA in på lysdioden så då duger ett motstånd på 270kOhm. Lysdioden kommer i princip bara lysa svagare vid lägre spänning ned till kanske 3 Volt så det är ingen on/off-detektering typ som för ett relä och absoluta detekteringen blir beroende av varje enskilds kopplare och temperatur.
Vanliga relän avsedda för nätspänning har liknande problem liksom glimlampor,, att när de väl aktiverat så kan de fortsätta detektera spänning ned till kanske 60 Volt innan relät släpper eller glimlampan slocknar.

För många sammanhang räcker detta. Vill man detektera spänningslöshet i enklare elnät så förekommer normalt antingen full nätspänning eller ingen alls men om man vill veta om en viktig maskin har drivspänning kan 60 Volt vara något som det ska larmas för.

För glimlampan är det inte säkert att den slocknar trots att t.ex. en strömbrytare slagit ifrån, i synnerhet om det är ett elnät med ström-läckage i gamla kuloledningar eller andra läckagekällor typ fukt eller smuts i elmotorer där man kan få betydligt mer än 60 Volt på grund av kapacitiv koppling. Gäller även baklänges ström via kapacitiva störningsfilter i nätanslutna apparater.

Beroende på typ av avbrott man vill detektera, en lampkrets med det blir avbrott på noll-sidan, då slocknar lampan medans det fortfarande kan vara spänningssatt fas-ledare.

De flesta kopplingar duger om man vet vilka begränsningar de medför.
Det är enkelt att detektera nätspänning men att göra det driftsäkert och korrekt fungerande kan bli komplicerat.
För de som jobbar i ställverk och liknande, en blåst säkring eller en lysdiods-indikering går aldrig designa driftsäker nog att duga som person-skydd att indikerar att en koppling är ofarlig att hantera.
Låst arbetsbrytare och manuellt kortslutning ned till jord innan något vidrörs är standard-förfarande.
Du har inte behörighet att öppna de filer som bifogats till detta inlägg.
Skriv svar