Cảm biến dòng điện: Hiểu về nguyên lý hoạt động và ứng dụng với Arduino

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

Cảm biến dòng điện là gì?

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

Cảm biến dòng điện rất linh hoạt và có ưu điểm là không cần tiếp xúc trực tiếp với mạch để đo dòng điện xoay chiều. Điều này có nghĩa là chúng ta không cần phải mở mạch để nối tiếp với tải. Chỉ cần cho một dây đi qua cảm biến, ta có thể đo được dòng điện.

Hiện nay, có hai loại cảm biến dòng điện phổ biến là split-core (lõi chia) và solid-core (lõi rắn). CT lõi rắn là các vòng hoàn chỉnh không thể mở rộng. Do đó, ta phải cắt dây và đặt qua cảm biến khi lắp đặt. Cảm biến lõi rắn cung cấp độ chính xác cao. Trong khi đó, CT lõi chia là các cảm biến có thể mở rộng và ngắt quanh dây dẫn, giúp việc lắp đặt dễ dàng hơn. Dù chúng coi là kém chính xác hơn các cảm biến lõi rắn, nhưng vẫn đủ chính xác để sử dụng trong hầu hết các ứng dụng thực tế.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến dòng điện

Để hiểu rõ hơn về cách cảm biến dòng điện hoạt động, chúng ta cần hiểu một số khái niệm vật lý:

  • Định luật Ampere: Định luật Ampere nói rằng mọi dây dẫn mà dòng điện chạy qua sẽ tạo ra một từ trường tỷ lệ với cường độ dòng điện.

  • Dòng điện xoay chiều: Dòng điện xoay chiều hoạt động giống như một sóng sin, có cường độ thay đổi theo thời gian từ cực đại dương đến cực đại âm. Tần số của dòng điện xoay chiều có thể là 50Hz hoặc 60Hz tùy thuộc vào quốc gia hoặc khu vực.

  • Định luật Faraday – định luật cảm ứng điện từ: Định luật Faraday nói rằng từ trường biến thiên theo thời gian sẽ tạo ra một điện áp trong cuộn dây, và do đó tạo ra một dòng điện tỷ lệ với cường độ của từ trường.

Với ba khái niệm này, chúng ta có thể hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến dòng điện. Khi dòng điện chạy qua dây dẫn, nó tạo ra một từ trường 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 xung quanh nó cũng thay đổi liên tục. Trong một cảm biến dòng xoay chiều, dây dẫn được quấn quanh lõi. Từ trường từ dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra một điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ trong dây của cảm biến. Cảm biến sẽ tạo ra một tín hiệu điện áp hoặc dòng điện cố 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

Cảm biến dòng CT có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm đo, giám sát và bảo vệ dòng điện đối với các thiết bị như động cơ AC, đèn chiếu sáng, máy nén khí, quản lý điện năng cơ sở hạ tầng… Chúng có thể giúp phát hiện lỗi và ngăn ngừa hư hỏng thiết bị.

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

Trong phần hướng dẫn này, chúng ta sẽ sử dụng cảm biến SCT-013. Cảm biến này 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 có thể đọc các giá trị điện áp, chúng ta cần xây dựng một mạch phụ để chạy dòng điện qua một điện trở và từ đó chuyển đổi giá trị dòng điện tạo ra bởi cảm biến thành giá trị điện áp.

Các linh kiện cần chuẩn bị gồm:

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

Chúng ta phải kết nối các linh kiện theo sơ đồ và lập trình Arduino để đọc dòng điện và tính công suất. Mọi chi tiết kết nối và mã nguồn lập trình có thể tham khảo trong mãnguồn sau đây:

#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("Dòng điện = ");
  Serial.print(Irms);
  Serial.println(" A");
  Serial.print("Công suất = ");
  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 vào Arduino, chúng ta có thể tiến hành đo thực tế. Chú ý là chỉ cần sử dụng một dây đi qua cảm biến để đo dòng điện. Kết quả đo có thể hiển thị trên Serial Monitor của Arduino.

Với bài viết này, chúng ta đã hiểu về cảm biến dòng điện, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của nó. Bạn có thể tự làm một thiết bị giám sát điện năng cho gia đình của mình.