Czujnik LED licznika energii

Inteligentny dom w zakresie zużywanej energii elektrycznej i cieplnej ma prowadzić do jej oszczędności a przez to do zmniejszenia kosztów eksploatacji budynku. To oczywiście totalna ściema Nie po to się projektuje, się sprzedaje wielkie systemy monitoringu i zarządzania IoT i się ładuje miliardy w ich promocję byśmy w konsekwencji płacili mniej. Może mniej zapłacimy za ten czy inny nośnik energii ale globalnie koszty jakie poniesiemy na eksploatację inteligentnego domu NA PEWNO wzrosną. Po co więc cała ta zabawa w monitoring i automatykę? Głownie dla własnej satysfakcji i wiedzy i oczywiście ku uciesze producentów smart-homowych gadżetów. Jednak znam przypadki gdy monitoring ratuje no może nie życie ale wiele nerwów gdy usłyszymy "Kochanie chyba nie wyłączyłam żelazka ...."
A więc bezprzewodowego rejestratora mocy i energii elektrycznej pobieranej w naszym domu część pierwsza. Dziś odcinek jak prosto i tanio (oj jak to lubię) zrobić LED Pulse Sensor for Utility Meters a po naszemu czujnik LEDa licznika energii elektrycznej.

Współczesne liczniki energii elektrycznej to oczywiście urządzenia mikroprocesorowe pozwalające mierzyć i rejestrować wiele wielkości naszej domowej sieci. Niestety dostęp do tych danych mamy tylko w sposób bezpośredni na zainstalowanym w liczniku wyświetlaczu LCD. Dobrać się do tych danych zdalnie jest raczej trudno poza jednym wyjątkiem - informacji o aktualnym poborze energii elektrycznej. Dane te można pozyskać z błyskającego przyjaźnie (jeśli błyska wolno) lub wrogo gdy mamy dyskotekę, czerwonego LEDa. W zależności od modelu miernika częstotliwość błyskania jest różna 500, 1000, 1600 błysków/ kWh. Zliczając te impulsy określimy pobraną energię. Mierząc odstęp pomiędzy błyskami policzymy pobór mocy w danej chwili.
W większości przypadków te dwie informacje całkowicie wystarczają do ewentualnej optymalizacji pracy urządzeń elektrycznych w  naszych domach. Kiedy ma to największy sens? Gdy mamy jednocześnie zainstalowane panele fotowoltaiczne. Bilansowanie obciążeń i produkcji może rzeczywiście przynieść mierzalne ekonomiczne efekty. Choć do tego wiedzie naprawdę długa i wcale nie łatwa droga. Jeśli nawet nie zaoszczędzimy pieniędzy mamy szansę zaoszczędzić nerwy. Po co zawracać z drogi na wymarzony urlop by wyłączyć kuchenkę elektryczną?

U mnie tych LEDów są dwa. Jeden błyska 1000 razy na każdy kW energii czynnej drugi 1000 razy na każdy kilovar energii biernej. Płacimy za moc czynną więc powinniśmy śledzić liczbę błysków LEDa oznaczonego jako kWh. Jakie korzyści możemy mieć ze śledzenia LEDa mocy biernej i pozornej opiszę przy innej okazji.

Układ zliczania i prezentacji wielkości energii w oparciu o migającego LEDa licznika ma swoją literaturę (tu>>,  tu>>, tu >> ,tu>>, tu>>>). Ba, są nawet do tego gotowe moduły transmisyjne (np iNode Enery Meter, JA-150EM czy Intuition-E), pozwalające na bezprzewodowy przesył tych danych. 

Tu ma być jednak jak zawsze: szybko, bezprzewodowo, blynkowo i tanio.

Czujnik

Tu wydaje się sprawa prosta - jakiś fotoelement.
Fotoresystor raczej odpada - jego bezwładność kilkadziesiąt - kilkaset ms może być zbyt duża dla szybko migającej diody przy maksymalnym poborze energii.

Fotodioda jest niezła i tania ale ma ograniczoną czułość, którą trzeba powiększyć jakimś wzmacniaczem operacyjnym.

Fototranzystor wydaje się wyborem optymalnym. LED w liczniku ma barwę czerwoną (630-780 nm) i taki zakres czułości musi obejmować fototranzystor. Większość optoelementów ukierunkowana jest na podczerwień 980nm ale swoim zakresem pokrywają też pasmo fali czerwonej. Znalazłem  fototranzystor 3DU5C  z maksimum czułości dla fali 880 nm i ten powinien być Ok.


Ale znalazłem jeszcze coś co może być idealne dla naszego celu. To czujnik pulsu dla Arduino.

Sam fotoczujnik APDS 9008 jest już zintegrowaną ze wzmacniaczem fotodiodą . Na płytce znajduje się jeszcze jeden wzmacniacz i filtr górnoprzepustowy (układ różniczkujący) dzięki czemu całość powinna mieć naprawdę niezłą czułość.. Równie przyjemne jest napięcie zasilania - bezproblemowe 3 do 5V. A i cena nie wydaje się wygórowana - niecałe 2$.

Układ ma tylko jedną wadę - czujnik dostosowany jest dla światła dziennego ale swoim zakresem obejmuje też część koloru czerwonego Pomiarowy LED pulsu ma kolor zielony i zapewne dla tej częstotliwości optymalizowany jest cały układ. Z pewnością jest on idealny dla liczników z pomarańczową diodą. Czy sprawdzi się w moim liczniku z diodą czerwoną - zobaczymy.


Instalacja czujnika

No cóż tu wybór jest niewielki. Elegancko wyglądałoby coś takiego lub takiego

ale zapewne skończy się na czym takim

Testy praktyczne czujnika

Już po miesiącu czujnik leży na stole. Jedyna konieczna przeróbka to wycięcie zielonego LEDa by nie zakłócał pomiarów. Czujnik powinien odcinać składową stałą i ewentualne szumy więc na wyjściu warto dać układ progowy napięcia poniżej którego sygnał będzie traktowany jako "0". W testach elementem progowym będzie niebieski LED (nominalne napięcie 3,2 V) i dodatkowo zwykła dioda 0,7V. Czymu tyle ? Po pierwsze układ zasilany jest z 5 V a chcę dekodować tylko silne impulsy pochodzące od badanego źródła światła. Po drugie LED niebiski będzie świecił przy 1-2 mA a wtedy spadek napięcia będzie 2,6 -2,8 V. Cały schemat testowego czujnika prezentuje się tak

Prosty montaż na miejscu akcji

Czujnik koliduje z linką zabezpieczającą i nie będę go mógł przytwierdzić na stałe do obudowy licznika. Jest potrzeba na wymyślenie innego sposobu montażu. Ale to za chwilę. Teraz część najprzyjemniejsza - efekt działania czujnika

No proszę. Otrzymałem czyste i wyraźne błyski kontrolnego LEDa bez żadnych dodatkowych szumów czy zakłóceń. Tak jest przy otwartych drzwiczkach skrzynki licznikowej i słonecznej pogodzie. W zamkniętej skrzynce jakość odbioru może się jedynie poprawić.

Mam nadzieję, że ciąg dalszy wkrótce nastąpi..

https://www.ieee.li/pdf/essay/single_supply_op_amp_design.pdf

https://www.nordcad.no/no/student-forum/arduino-smart-project.htm

131