Tutorial come misurare corrente elettrica con INA219 o ACS712 breakout board e Arduino.

Misura corrente fai da te

Nel fai da te ci possono essere momenti in cui devi misurare una corrente elettrica. Per le correnti alternate puoi utilizzare il tester-multimetro.

Per le correnti continue puoi utilizzare sia un tester-multimetro che dei circuiti elettronici. Se abbini i circuiti elettronici ad un micro-controllore come Arduino puoi memorizzare e visualizzare su display tutti i dati nel tempo.

La possibilità di misurare, memorizzare e visualizzare la corrente consumata da un circuito elettrico, in continua, può essere interessante nel fai da te nei seguenti ambiti di interesse. Faccio degli esempi, ma sicuramente ce ne sono di più.

Esempi fai da te Modellismo ferroviario

Nel ferro-modellismo, che per me è stato giocare coi trenini, potresti avere la necessità di misurare le correnti assorbite dai vari locomotori quando sono in movimento, o i vari rami di plastici complessi, gli assorbimenti delle luci LED, per capire se tutto funziona correttamente.

Può anche diventare un momento didattico per gli studenti che studiano da Elettricista o Elettrotecnica. Creare circuiti che emulano i circuiti di alta tensione e misurarne tutti i parametri di tensione, assorbimento di corrente e calcolarne la potenza assorbita.

Esempi fai da te Presepio Elettronico

Il presepio elettronico multimediale è una bellissima esperienza artigianale, ma può dare tante soddisfazioni anche nell’ambito elettronico.

Può essere utile monitorare gli assorbimenti di luci a LED, motorini per l’automazione ed il movimento di statuine e effetti. Questo soprattutto per grandi presepi che hanno molti circuiti elettrici-elettronici che servono per far funzionare decine di effetti luminosi e meccanici.

Esempi fai da te modellismo

Credo che il modellismo può trarre molto giovamento dal monitoraggio dei consumi elettrici fatti con una misura di corrente. I modellini medio piccoli, di macchine RC, di aerei e quadri-cotteri, di navi o carri armati sono alimentati con una batteria.

E’ importante stabilire se la batteria è scarica o si è ricaricata bene. Tutto questo si può fare solo misurando la corrente caricata/consumata, per poi poter calcolare gli Ampére Ora (Ah) utili. Potrai scoprire se la batteria appena acquistata o il carica batteria che stai usando funzionano bene.

Esempi fotovoltaico fai da te

Nel campo fotovoltaico i sistemi isolati utilizzano batterie per immagazzinare la corrente prodotta dall’impianto. In questo settore è fondamentale avere un conteggio degli Ah accurato.

Utilizzare sistemi di misura di corrente digitali aumenta la possibilità di monitorare e calcolare la “potenza” residua o caricata nelle batterie del tuo impianto fotovoltaico.

Esempi Camper fai da te

Nei camper è presente una o più batterie ausiliarie che servono per tenere accesi luci e altri sistemi quando il camper non è attaccato alla presa elettrica.

Misurare i consumi elettrici con la misura di corrente digitale è molto utile per calcolare le ore residue di batteria e come la batteria è stata caricata. Se c’è qualcosa nell’efficienza della batteria che non va è meglio che te ne accorgi per tempo.

Esempi Esperimenti di Fisica didattica

Misurare la corrente elettrica è importante se devi caratterizzare esperimenti di fisica o chimica.

Per verificare e misurare l’efficienza di un processo di produzione di idrogeno e ossigeno a partire dall’elettrolisi dovrai misurare l’energia consumata. Ti servirà misurare tensione e corrente in modo digitale per poter memorizzare tutti i dati raccolti e creare grafici per la tua ricerca.

Puoi fare anche esperimenti con batterie al Piombo acido fai da te, o produrre rame elettrolitico.

Esperimenti Elettrotecnica Elettronica

Anche chi vuole fare esperimenti di Elettrotecnica ed Elettronica potrà usare un sensore di corrente digitale per acquisire e memorizzare i dati dell’esperimento.

Puoi verificare la legge di Ohm con materiali diversi. Misurare la potenza ed efficienza di un motorino elettrico alimentato in continua. Verificare la legge dei Condensatori o provare il tuo nuovo Super-Condensatore.

Differenze shunt di corrente vs sensore effetto Hall

In modo semplificato puoi misurare la corrente attraverso gli effetti fisici che essa produce. Essendo la corrente un flusso di elettroni, che sono per noi invisibili, puoi misurarla solo con dei “trucchi”, che per la corrente continua, sono:

Shunt di Corrente

Misuri la tensione generata dal passaggio di una corrente in una resistenza lineare. Questo è detto metodo o sensore a shunt resistivo. Con la legge di Ohm calcoli la corrispondente corrente con la formula I = V / R.

Lo shunt di corrente ha un limite: la massima corrente misurabile dipende dalla potenza massima dissipabile sulla resistenza di shunt. La formula per calcolare la potenza è

P = R * I * I

dove R è la resistenza dello shunt e I è la corrente che lo attraversa.

Questo tipo di sensore di corrente non è, solitamente, galvanicamente isolato.

Sensore di Hall

Misura la “forza” magnetica proporzionale alla tensione che genera un sensore ad effetto Hall. Il principio di funzionamento utilizza gli elettroni che attraversano un conduttore, e quando sono sottoposti ad un campo magnetico, si spostano verso il polo positivo magnetico e creano una concentrazione che può essere vista come la formazione di cariche in un condensatore.

Se in un condensatore si forma una differenza di concentrazione di cariche elettriche tra le due placche viene a crearsi una differenza di potenziale, cioè una tensione.

Un flusso di Elettroni in movimento crea un campo magnetico. Il sensore ad effetto Hall misura il campo magnetico generato dal flusso di elettroni, detto Corrente elettrica, che gli passa vicino e lo trasforma in una tensione proporzionale alla corrente da misurare.

Questo sensore di corrente è, solitamente, galvanicamente isolato.

Modulo INA219 breakout board cos’è come funziona ?

Questo sensore di corrente per Arduino è una scheda contenente un chip integrato che misura la corrente con il metodo dello shunt resistivo. Il chip è il INA219 della Texas Instruments.

Questo integrato misura la corrente e la tensione di Bus. Calcola la potenza elettrica V * I. Comunica la misura ottenuta con un dato digitale di 12 bit (4096 livelli di risoluzione) trasmesso attraverso il protocollo I2C.

Si può collegare ad una fonte di tensione o batteria con un massimo di 26 Volt.

La massima corrente misurabile dipende dal valore di resistenza dello shunt e dalle impostazioni dell’amplificatore PGA interno, che è programmabile. Con il parametro PGA programmato a 1 il fondo scala misurabile è di +/- 40 mV (con un offset di 10 uV).

Con il parametro PGA programmato a 8 il fondo scala è di +/- 320 mV (con un offset di 40 uV e risoluzione di 8000 punti). Se il chip INA219 è programmato con fondo scala 320 mV e collegato ad uno shunt di valore 0,1 Ohm, il fondo scala di corrente sarà di +/- 3,2 Ampére.

La risoluzione della misura di tensione di Bus è di 4 mV.

Si può alimentare con una tensione continua da 3 a 5,5 Volt e assorbe 1 mA. Per cui è compatibile con la maggior parte delle schede a micro-controllore Arduino, ESP8266, STM32 e Raspberry Pi.

Gli ingressi di misura assorbono 20 uA. Con una tensione di Bus di 16 Volt la resistenza equivalente è di 800 kOhm.

La velocità di conversione del ADC interno è di 532 us quando la risoluzione è di 12 bit. Se imposti la risoluzione a 9 bit la velocità di conversione è di soli 84 us.

Modulo ACS712 breakout board cos’è come funziona ?

Questo modulo sensore di corrente isolato utilizza il chip ACS712 ad effetto Hall. Questo integrato misura la corrente che lo attraversa e non utilizza shunt esterni. La corrente viene convertita in una uscita di tensione proporzionale al fondo scala della versione del chip.

La massima corrente misurabile, detta Fondo Scala, non è programmabile. Devi scegliere il chip con il fondo scala desiderato tra cui +/- 5A (modello ACS712ELCTR-05B-T), +/- 20A (modello ACS712ELCTR-20A-T) o +/- 30A (modello ACS712ELCTR-30A-T).

Questo chip ha una resistenza interna, nella parte dove entra la corrente da misurare, di soli 0,0012 Ohm. Con una corrente continua di 30A la dissipazione sul chip è di 0,0012 * 30 * 30 = 1,08 Watt. Questo significa che il chip va dissipato/raffreddato adeguatamente.

Quella che vedi è l’immagine del circuito PCB fornito da Allegro Microsystems, il produttore di questo chip. Noterai quanta area di circuito stampato è stata dedicata alla dissipazione del chip.

Il chip con fondo scala +/- 5A dissiperà 0,0012 * 5 * 5 = 0,03 Watt per cui non ha bisogno di particolari precauzioni per la sua dissipazione. Puoi comprare tranquillamente le BreakOut Board e Moduli a basso costo.

Questo modulo sensore di corrente può essere usato direttamente anche nelle misure di corrente alternata perché la sua misura è isolata. Ciò significa che l’uscita di tensione, direttamente proporzionale alla corrente misurata, non è collegata elettricamente con i fili della corrente di ingresso. L’integrato è assicurato per poter lavorare fino a 2100 Volt alternati, ma devi verificare che il circuito stampato sia progettato per poter mantenere questo isolamento elettrico in sicurezza.

Questo chip è molto veloce nel convertire la corrente in misura. Una variazione di 10A in ingresso viene convertita in 3,5 us e il chip ha una larghezza di banda di 80 kHz. Questo è importante se si devono fare misure su circuiti di switching, dove le forme d’onda sono molto veloci.

La sua precisione di misura è del 1,5% del fondo scala.

Il chip ACS712 consuma circa 10 mA di corrente.

Librerie Arduino per programmare INA219

Adafruit fornisce la libreria per utilizzare il sensore di corrente INA219 con le schede Arduino. Anche sulla IDE di Arduino puoi trovare librerie già pronte. Entra nel menu Strumenti -> Gestione librerie e installa o Adafruit, oppure una libreria più potente come INA219_WE, con la quale puoi controllare tutti i parametri di programmazione di questo chip.

Utilizzando la libreria Adafruit si possono collegare contemporaneamente 4 sensori di corrente INA219 utilizzando 4 indirizzi I2C diversi. Per fare questo bisogna saldare le piazzole di programmazione dell’indirizzo come da figura che segue:

Se non saldi le piazzole il sensore risponde all’indirizzo I2C = 0x40.

Saldare solo la piazzola A0 corrisponde all’indirizzo I2C = 0x41.

Saldare la solo piazzola A1 corrisponde con l’indirizzo I2C = 0x44.

Saldare le piazzole A0 e A1 corrisponde all’indirizzo I2C = 0x45.

Librerie Arduino per programmare ACS712

Nella IDE di Arduino puoi trovare librerie già pronte. Entra nel menu Strumenti -> Gestione librerie e installa la libreria ACS712.

Come collegare schema misura corrente INA219

Il sensore di corrente INA219 va collegato in serie alla corrente che si vuole misurare. Questo sensore non è isolato, ciò significa che il suo ingresso è in qualche modo collegato allo 0V, oppure GND, elettrico della schedina Arduino che ottiene la misura di corrente.

La corrente è convertita in formato digitale e trasmessa al micro-controllore Arduino con il protocollo e le linee I2C, che nella Arduino UNO sono contrassegnate, condivise, dagli ingressi analogici A4 (SCL) e A5 (SDA).

Come collegare schema misura corrente ACS712

Il sensore di corrente ACS712 va collegato in serie alla corrente da misurare. L’uscita di misura è analogica, una tensione proporzionale alla corrente di fondo scala. Per un sensore di +/- 5A la tensione sarà di 0 – 5 Volt. Significa che una corrente di 0 Ampére in ingresso al sensore fornirà una tensione di 2,5 Volt. La tensione generata dal sensore va collegata ad un pin Analogico della scheda Arduino con Bus di alimentazione a 5 Volt (Arduino UNO e MEGA). Il sensore va alimentato con una tensione continua di 5 Volt, che viene fornita direttamente dalla scheda Arduino.

Dove comprare prezzo caratteristiche INA219

Alcune possibilità dove acquistare la breakout board modulo sensore di corrente INA219:

Fornitore Cinese Basso Costo

Fornitore Cinese basso costo compatibile INA219 Adafruit

Dove comprare prezzo caratteristiche ACS712

Alcune possibilità dove acquistare il modulo sensore di corrente ACS712:

Rivenditore prodotti Cinesi consegna da magazzino Germania con fondo scala 5A

ACS712 con fondo scala 30A

Quanto è costato scrivere questo articolo ?

Uso con piacere il mio tempo per scrivere articoli che spero possano esserti utili.

Per scrivere questo articolo ho usato le seguenti ore:

17 Novembre 2020 – 2 ore

18 Novembre 2020 – 6 ore

19 Novembre 2020 – 4 ore

20 Novembre 2020 – 2 ore

22 Novembre 2020 – 4 ore

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Links approfondimento & Credits

Reinventore – Kit per l’apprendimento con semplici esperimenti

OpenFisica

Simulatore visivo legge di Ohm

Cristallo di Germanio per esperimenti effetto Hall – 3BScientific

Link Datasheet INA219 sensore di corrente per Arduino