Úvod:
Wattmetr je jedním z důležitých měřících přístrojů. Umožňuje změřit činný elektrický výkon (příkon).
Zjištění skutečného výkonu nelze ve střídavých obvodech provést pouhým vynásobením středních ani efektivních hodnot změřeného proudu a napětí, protože
účiník (popř. činitel plnění) většinou není roven jedné. Je nutné použít měřidlo, které průběžně měří
okamžitý proud i napětí, násobí je a vytváří střední hodnotu. Analogové (ručkové) přístroje to dělají elektromechanicky
pomocí proudové cívky (pevné) a napěťové cívky (pohyblivé s ručkou). Magnetická síla působící mezi cívkami je totiž rovna součinu
intenzit magnetických polí a tím i proudů cívkami. Ručkové wattmetry ale nejsou příliš dostupné, neměří s moc velkou přesností
a to ještě v dost malém rozsahu.
Elektronický wattmetr:
Rozhodl jsem se tedy vydat elektronickou cestou a postavit elektronický wattmetr s analogovým snímáním a digitálním zobrazením.
Zobrazení hodnoty výkonu zajišťuje digitální multimetr, který lze dnes koupit pod 100Kč, a proto nemá smysl stavět vlastní
digitální voltmetr. Je možné použít i panelový digitální voltmetr nebo běžný ručkový přístroj.
Okamžité napětí je snímáno pomocí napěťového děliče. Proud je snímán pomocí bočníku. Hodnoty napětí a proudu jsou potom vynásobeny analogovou násobičkou AD633.
Výstup poskytuje napětí úměrné okamžitému výkonu. Pro získání středního výkonu je nutné toto napětí ještě vyfiltrovat RC filtrem.
Největší záludností obvodu je právě provedení analogového součinu dvou napětí, které není až tak triviální záležitostí, jak by se
mohlo zdát. Nabízí se možnost násobení pomocí operačních zesilovačů a přechodů diskrétních diod nebo tranzistorů, které mají exponenciální charakteristiku.
Pracují na principu zlogaritmování obou napětí, sečtení a následném odlogaritmování. Přesnost ale není příliš velká, jsou zde problémy s kalibrací, obrovskou
teplotní závislostí a s rozdíly mezi jednotlivými kusy tranzistorů nebo diod. Proto jsem tuto variantu zavrhl. Další možnost je
použití pulzně-šířkové násobičky, ale toto řešení je také dosti krkolomné. Ještě větší komplikace potom nastává, když je nutno pracovat
s oběma polaritami proudu i napětí (čtyřkvadrantově). Proto jsem se rozhodl použít specializovaný integrovaný obvod AD633 (konkrétně AD633JN v klasickém pouzdře DIP8),
což je čtyřkvadrantová analogová násobička s diferenciálními vstupy a přesností 2%. Více info viz datasheet AD633.
Pozor, SMD verze má jiné rozmístění vývodů!
Výstupní napětí je dáno funkcí:
w = (x1-x2) * (y1-y2) : 10V + z
Chtěl jsem vyzkoušet také obvod MPY634 s přesností 0,5%, ale ten se mi nepodařilo sehnat.
Maximální rozsah napětí, při kterém obvod AD633 funguje přesně, je +/- 10V. Tomu musí odpovídat obě vstupní napětí.
Obvod je nutno dimenzovat na amplitudu proudu i napětí, nikoliv pouze efektivní hodnotu. U síťového napětí tedy počítáme
s 325V, nikoliv pouze 230V. Jako nejvhodnější se ukázal dělič s poměrem 1:40, který umožňuje pracovat s napětím do 400V.
Napětí bočníku bývá menší než napětí z děliče, a proto je připojeno na vstup Y, který má větší přesnost.
Zapojení jednoduchého wattmetru:
Na obr. 1 je zapojení nejjednoduššího síťového wattmetru s AD633 s jedním rozsahem.
Proud je snímán pomocí bočníku. Pokud požadujeme výstupní signál s přepočtem 1mV/1W a dělič je 1:40, tak vychází hodnota bočníku
0R4. Maximální efektivní proud wattmetrem je dán jeho max. povolenou ztrátou.
Pro bočník 40W je max. trvalý proud 10A. Max. měřený výkon je tedy 2300W pro ideální odporovou zátěž, pro jiné zátěže musí být menší.
Dalším omezením je max. vstupní napětí násobičky 10V,
takže max. špičková amplituda proudu musí být do 25A.
Kalibrace se provede nastavením P1 dle známé zátěže. Součet hodnot P1 a R1 bude cca 390k a dělící poměr 1:40.
Pokud nelze nastavit správnou hodnotu, změňte R1. Vstupy násobičky jsou chráněny před přepětím pomocí zenerek 12V.
Napájecí napětí +/- 15V je sraženo kapacitně ze sítě a stabilizováno pomocí zenerek 15V.
V kombinaci s běžným multimetrem s rozlišením na 0,1mV získáme wattmetr s rozlišením na 0,1W. Využijeme rozsahy 200mV, 2V případně 20V, kde bude výkon
zobrazen přímo ve wattech (1mV = 1W), nebo kilowattech (1V = 1kW).
