El SCT-013 es un sensor de corriente de tipo transformador de corriente (CT, por sus siglas en inglés) fabricado por YHDC. Este tipo de sensor es ampliamente utilizado para medir corriente alterna (AC) sin necesidad de interrumpir el circuito. Es comúnmente empleado en aplicaciones de monitoreo de energía, tanto en sistemas residenciales como industriales.

Principio de Funcionamiento

El SCT-013 funciona según el principio de inducción electromagnética. A continuación se describe cómo opera:

• Transformador de Corriente: El SCT-013 es un transformador de corriente de núcleo dividido (también conocido como "split-core"). Esto significa que se puede abrir y colocar alrededor de un conductor sin desconectarlo, facilitando su instalación.
• Inducción Electromagnética: Cuando una corriente alterna fluye a través del conductor principal, genera un campo magnético variable alrededor del conductor. Este campo magnético induce una corriente en el devanado secundario del transformador (dentro del SCT-013).
  

• Relación de Transformación: El SCT-013 tiene una relación de transformación específica, generalmente expresada como una proporción (por ejemplo, 100A:50mA), lo que significa que una corriente de 100 amperios en el conductor primario inducirá una corriente de 50 miliamperios en el devanado secundario.
• Salida de Señal: La corriente inducida en el secundario del transformador es proporcional a la corriente en el conductor primario. Esta corriente se puede medir fácilmente y convertir a un voltaje usando una resistencia de carga. El voltaje resultante puede ser leído por un microcontrolador o un sistema de adquisición de datos para monitorear la corriente.
• Aislamiento Galvánico: Una ventaja importante del SCT-013 es que proporciona aislamiento galvánico entre el circuito de medición y el circuito de alta corriente, lo que aumenta la seguridad del sistema de monitoreo.

Especificaciones Típicas

• Rango de entrada de corriente: 0 ~ 100 A
• Salida: 0 ~ 50 mA
• Precisión: La precisión del sensor puede variar según el modelo, pero generalmente está en el rango de ± 3 %

Resistencia de Carga en el SCT-013

El SCT-013, como transformador de corriente, genera una corriente proporcional a la corriente que circula por el conductor primario. Sin embargo, esta corriente inducida necesita convertirse a un voltaje para ser fácilmente medible por dispositivos electrónicos, como microcontroladores o sistemas de adquisición de datos. Aquí es donde entra en juego la resistencia de carga.

¿Por Qué Lleva una Resistencia de Carga?

• Conversión de Corriente a Voltaje: La resistencia de carga convierte la corriente inducida en el secundario del SCT-013 a un voltaje proporcional. Según la ley de Ohm (V = I * R), al colocar una resistencia en el circuito secundario, se produce un voltaje que puede medirse fácilmente.
• Compatibilidad con Dispositivos Electrónicos: Muchos sistemas de monitoreo de energía y microcontroladores miden voltaje en lugar de corriente. La resistencia de carga permite adaptar la salida del SCT-013 a estos sistemas.

Cálculo de la Resistencia de Carga

Para calcular la resistencia de carga adecuada, necesitas conocer los siguientes parámetros:

• Corriente máxima medida por el SCT-013 (I_max)
• Salida de corriente nominal del SCT-013 (I_sec)
• Voltaje máximo que el dispositivo de medición puede manejar (V_max)

La resistencia de carga R_L se puede calcular usando la fórmula de la ley de Ohm:

R_L = V_max / I_sec

Ejemplo de Cálculo

Supongamos que tenemos un SCT-013 con las siguientes especificaciones:

• Corriente máxima del primario (I_max): 100A
• Corriente nominal del secundario (I_sec): 50mA (para 100A en el primario)
• Voltaje máximo admisible por el dispositivo de medición (V_max): 1V

Para calcular la resistencia de carga:

1. Identificar la corriente nominal del secundario: I_sec = 50mA = 0.05A
2. Aplicar la fórmula: R_L = V_max / I_sec = 1V / 0.05A

   Por lo tanto, se debe utilizar una resistencia de carga de 20 ohmios para que el SCT-013 genere un voltaje de 1V cuando la corriente primaria sea de 100A.

Cálculo de Resistencia de Carga del SCT-013

El objetivo de esta parte es obtener una resistencia que nos permita leer el voltaje de la corriente que pasa por el sensor SCT-013. Debemos conseguir la máxima resolución posible y para ello debemos conocer la potencia aproximada del aparato o electrodoméstico que vamos a medir.

El consumo aproximado en vatios debe obtenerse de las características técnicas del electrodoméstico o aparato que quieras medir.

Paso #1: Calcula la Corriente que Quieres Medir

Tomemos como ejemplo una estación de soldadura de 600W y un voltaje típico de 110V. Utilizando la fórmula de potencia, calculamos la corriente:

P = V × I_rms

La corriente que hemos obtenido en el paso anterior es corriente eficaz. Ahora hay que convertirla en corriente de pico con la siguiente fórmula:

I_pico = I_rms × √2

Maximizar la Resolución con el Máximo Valor de la Entrada Analógica

Para maximizar la resolución del ADC en un microcontrolador, debes considerar el voltaje de referencia AREF. En el caso de Arduino UNO, AREF es 5V. Debido a que medimos una señal sinusoidal que varía de +2.5V a -2.5V, ajustamos el voltaje de entrada dividiendo AREF entre dos (5V / 2 = 2.5V). Esto asegura que la señal medida esté dentro del rango del ADC, optimizando la precisión de las mediciones. Usa una resistencia de carga adecuada para reducir el voltaje de salida a la mitad, garantizando que el ADC funcione en su rango óptimo.

Para este ejemplo, se utilizó una estación de soldadura con un consumo aproximado de 600 W a un voltaje de AC de 110 V. Considerando un voltaje de referencia de 5 V en un Arduino Uno y una relación de transformación de 2000, la resistencia de carga necesaria se calcula utilizando la siguiente calculadora, obteniendo un valor de 648.18 ohmios.

Resistencia de Carga:

Para lograr el valor de resistencia deseado, se pueden utilizar varias resistencias en serie o en paralelo, seleccionando valores más comunes para aproximarse al valor calculado de 648.18 ohmios. Es recomendable que el valor combinado de las resistencias no exceda el valor calculado, para evitar superar el límite de voltaje establecido por AREF y prevenir posibles daños en la placa de desarrollo al utilizar el sensor SCT-013.

Diagrama

OFFSET en la señal

Para ajustar una señal y que pase a estar en el rango de 0V a 5V, se utiliza un circuito con un divisor de tensión y un condensador. El divisor de tensión establece el voltaje de offset, mientras que un condensador de 10μF y unos pocos cientos de voltios se usa para filtrar la señal de corriente alterna (AC), asegurando que solo la componente de corriente continua (DC) sea ajustada. Esto ayuda a modificar la señal para que esté dentro del rango deseado sin interferencias de AC.

Copia el siguiente código en tu Arduino IDE: Copiar código

 

Primero, debemos conocer el voltaje de la red eléctrica, que en nuestro caso se asume es 116V. En el setup() de nuestro programa de Arduino, iniciamos la comunicación serie para que los datos puedan ser enviados al monitor serie. Luego, creamos un objeto de la clase EnergyMonitor usando la función current(pinAnalogico, factorCalibracion). Esta función requiere dos parámetros: pinAnalogico, que es el pin analógico donde está conectado el sensor de corriente alterna SCT-013 , y factorCalibracion, que ajusta la precisión para corregir errores del sensor o de la resistencia de carga; para empezar, lo configuramos en 3.

En la función loop(), obtenemos la corriente eficaz llamando a calcIrms(numMuestras). El parámetro numMuestras define cuántas veces se leerá la señal para calcular la corriente eficaz. Dado que trabajamos con una señal sinusoidal, necesitamos tomar muestras a lo largo de ciclos completos. Con un Arduino UNO, podemos medir aproximadamente 106 muestras por ciclo. Para medir 14 ciclos, como recomienda el proyecto Open Energy Monitor, debemos tomar 1484 muestras (14 ciclos × 106 muestras por ciclo). Finalmente, mostramos estos datos en el monitor serie para su visualización.

Montaje del sensor

El sensor SCT-013 debe utilizarse alrededor de un solo conductor de corriente alterna (AC). Si se coloca alrededor de ambos conductores (neutro y línea), los campos magnéticos generados por las corrientes en direcciones opuestas se anularán mutuamente, resultando en una medición incorrecta o nula. Para asegurar lecturas precisas, pase solo uno de los cables a través del sensor.

Proceso de calibración teórico del SCT-013

El proceso de calibración es sencillo. Solo tenemos que aplicar la siguiente fórmula:

Lo que hacemos es calcular el factor de calibración dividiendo el factor de transformación (corriente máxima eficaz dividida entre la corriente mínima eficaz) entre la resistencia de carga.

El valor que nos da sería el valor que tenemos que poner en el sketch del SCT-013. Si sustituimos los valores para la resistencia de carga que hemos calculado, quedaría de la siguiente manera:

Resultados

La captura de pantalla muestra los resultados obtenidos en el Monitor Serie de Arduino. Aquí se están monitoreando dos variables: la potencia y la corriente eficaz (Irms). Cada línea de la salida contiene una lectura de estos valores.

La relación entre la potencia y la corriente eficaz parece ser estable, lo cual es esperado en un sistema de corriente alterna con un voltaje de suministro constante. Las pequeñas fluctuaciones en la potencia y la corriente pueden ser causadas por variaciones en la carga o en el sistema de suministro eléctrico.

Conclusiones y Recomendaciones para el Sensor SCT-013

Las mediciones del sensor SCT-013 son estables y precisas, con ligeras fluctuaciones que indican un funcionamiento constante del sistema y la carga conectada. La relación entre la potencia y la corriente eficaz es consistente, validando el factor de calibración usado.

Para calibrar adecuadamente el sensor, es necesario medir la resistencia de carga y usar la fórmula correcta para obtener un factor de calibración preciso. Las cargas resistivas son más fáciles de medir con precisión, mientras que para cargas inductivas es importante considerar el desfasaje entre corriente y voltaje y ajustar el factor de calibración en consecuencia.

Se recomienda tomar un número suficiente de muestras para obtener lecturas precisas de la corriente eficaz e implementar un sistema de monitoreo continuo para detectar anomalías tempranas. Asegúrese de que el rango de corriente del sensor sea adecuado para la aplicación y minimice las interferencias electromagnéticas para obtener lecturas precisas.