コンセントごとの消費電力を知りたい人生

tech | 16:11 |

分電盤にセンサーをつけて家庭内全体の消費電力を測るというのはやっていますが、実際のところ何がどう電力を食っているのは大本で計測してもわかりにくいわけです。エアコンや洗濯機などの大きなものはともかく、待機電力の支配率はコンセントごとに電力を常時測定しなければわかりません。

コンセントごとにセンサーをつけても十分に安い
データを無線で集約できる

みたいなデバイスが欲しくなります。

試作品の回路図

検討はあとに書きますがまず現段階の回路図です (といってもたいして見所はありませんが…)

ただし、

ブレッドボードに実装しているのは 1ch のみでアナログスイッチなし
電源回路が回路図だと昇圧回路になっているが消費電力が多すぎるのでやめている

カレントセンサー

交流回路に微小抵抗を入れて直接測定するという手もありますが、これは危険が伴いますし、ちょうどいい微小抵抗の入手が難しいという問題があります。10mΩでも30A流したら抵抗だけで9W消費しますし、15Aでも2.25W消費します。

そうなると、やはりカレントトランスを使うほうが筋が良さそうです。ただカレントトランスもあまり入手性は良くないですし、価格もカットコアのものだとそれなりにします。

参考：http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-08960/

しかし ebay で検索してみると、ちょうど良さそうなカレントトランスが100円程度で売られています。カットコアではありませんが、実際のところカットコアのカレントランスが必要なのは分電盤のように絶対切断できない箇所かつホットとコールドが最初から分かれて配線されている部分だけなので、実質的にはあまり問題にならないでしょう。最終的にはこれを使えばよさそうです。

ただ、とりあえずは2000:1のカットコアのカレントトランスが手元にあるので、これを使います。

ADC部分

カレントセンサーが発生させる微小な電流を電圧に変換してデジタル化します。

センサーの出力電流

通常コンセントは1ポートあたり15Aまでですが、実効値で15Aだと、ピークでは21.2A流れていますし、実際の負荷によってはパルス的に倍以上の電流が流れることもあります。30Aぐらいの負荷まではいけるようにしておきたいところですが、そもそも電力契約上で40Aとか60Aが上限なので、このへんをフルスケールにして計算してもよさそうです。

分解能としては1Wあれば十分すぎるぐらいに感じます。100Vだと0.01Aです。結構なダイナミックレンジになります。

センサーの2次側の出力電流は巻線比によって決まります。1:2000 なら2次側に1次側の2000分の1の電流が流れます。すなわち 30A で 15mA、0.01A で 5uA です。

電圧変換

発生する電流は交流なので、整流する必要があります。整流した電流値を負荷抵抗で電圧に変換し、ローパスフィルタで平均化します。

負荷抵抗は10Ωぐらいにすることが多いみたいです。小さければ小さいほどリニアリティが改善します。これにより、1次側が 30A なら抵抗に最大 212mV(30 / 2000 * 10 * sqrt(2))の電圧がかかる全波整流後の波形になります。

後段にローパスフィルタをつけ、平滑します。このフィルタは整流済み信号の平滑と、ADC 入力前の折り返しノイズ防止フィルタを兼ねています。これにより電圧は元の交流電圧の平均値となります。1次側が 30A なら出力は135mV (30 / 2000 * 10 * 0.9)の直流になります。

0.01A なら45uVです。

ADC

今回は MCP3425 という8倍までのPGAがあるI2C ADCデバイスを使ってみました。16bit、LSB=62.5uV の分解能があり、8倍のPGAがついているので、8倍時にはLSB=7.8125uVとなります。16bit をしっかり生かせるなら、十分な精度となります (が実際のところこのぐらい微小な電圧を測定するのは難しい)

このADCデバイスのフルスケールは±2.048Vですので、60Aで270mVぐらいは余裕です。

本来だと微小な電流検出にはオペアンプを使ったI-V変換回路をつけるのが筋だと思われます。ただ、低オフセット入力なオペアンプが必要になります。低オフセット電圧のオペアンプは高価ですし、今回はこのように ADC デバイスの PGA で8倍までは増幅できるので、まぁなんとかなるだろうという目論みです。

入力はアナログスイッチで複数いけるようにしたい思いがあります。