Если нет ваттметра



В практике электрических измерений, так или иначе связанных со светотехникой, обязательно в полный рост встаёт вопрос определения активной мощности, потребляемой лампой/светильником. Разумеется, для этого давно существует специальный класс лабораторных приборов – ваттметры. Однако в любительских условиях не всегда есть возможность приобрести такой прибор, особенно приличного класса точности. К тому же и с самими приборами есть, так сказать, нюансы: а именно для корректного измерения большинства современных нагрузок, снабжённых импульсными блоками питания, прибор должен соответствовать так называемому классу TrueRMS, что подтверждает его способность корректно работать с реактивной мощностью и переменным током несинусоидальной формы. Как известно, ценник на приборы этого класса порой и вовсе зашкаливает. Что же делать?

Первый способ. Самый простой вариант – использовать для измерений старый, ненужный (ну или новый, ненужный Smile ) бытовой электросчётчик. Для работы с таким импровизированным «стендом» понадобится только секундомер. Достаточно всего лишь засечь время, за которое показания счётчика изменятся, например, на 0,1 кВт·ч, а дальше уже дело техники! Например: с нашей нагрузкой счётчик прибавил 0,1 кВт·ч за 20 секунд. Теперь сравним это с эталонной нагрузкой в 1 кВт, которая за это же самое время прибавила бы 1/3600 × 20 = 0,0056 кВт·ч. Следовательно, мощность нашей нагрузки составляет 0,1/0,0056 ≈ 18 кВт. На этом принципе и основано измерение мощности с помощью электросчётчика. Главными его минусами является высокая зависимость от точности измерения времени, а также довольно большие периоды измерения, особенно для нагрузок сравнительно невысокой мощности. Впрочем, в любительских условиях никто не мешает оставить измеряемую нагрузку хоть на сутки, лишь бы был результат Smile В общем, вполне себе бюджетный вариант, но больно уж несовременный и неудобный. Какие ещё есть варианты?

Второй способ. Для более точных измерений, чем с секундомером в руках и допотопным счётчиком на линии, понадобится устройство собственного изготовления. Здесь рассмотрим первый, самый простой его вариант. Современные электросчётчики, как правило, оборудованы специальным калиброванным импульсным выходом. Что это такое? Поясним: это выход сигнала, число импульсов которого строго привязано к энергии, фиксируемой счётчиком. Например, это может быть ровно 5000 импульсов на каждый кВт·ч. Таким образом, измеряя интервал между этими импульсами (либо подсчитывая количество импульсов за известный период времени) и вычисляя пропорцию с эталоном, мы можем получить реальную мощность нагрузки. Например: наша нагрузка за час даёт 237 импульсов. Соответственно, её мощность равна: 237/5000 ≈ 47,4 Вт. Или, например, нагрузка даёт по 1 импульсу каждые 5 секунд (12 импульсов в минуту). Это получается 12 × 60 = 720 импульсов в час, или 720/5000 ≈ 144 Вт. Разумеется, измерение временных промежутков удобнее всего выполнить при помощи схемы на микроконтроллере, подключив импульсный сигнал со счётчика ко входу прерывания контроллера. Пример такого устройства приведён на фотографии справа.

Однако здесь принцип измерения по-прежнему привязан к импульсам, выдаваемым электросчётчиком. А это в общем случае означает довольно большое время ожидания результата. Например, для нагрузки с мощностью 1 ватт придётся подождать 3600 / (5000 × 0,001) = 720 секунд, или целые 12 минут. Не всегда это удобно. Как этого избежать?

Третий способ. Довольно часто даже от маститых электронщиков приходится слышать: «Измерение мощности? Нет ничего проще: меряем напряжение и ток, затем перемножаем эти значения». Нужно ли говорить, что это грубая ошибка? Ведь активная мощность равна произведению напряжения и тока либо в случае чисто активной нагрузки, либо при работе с мгновенными значениями величин. Однако если мы имеем дело с реальной нагрузкой, например такой как люминесцентная лампа с дросселем или КЛЛ с ЭПРА, эти условия не выполняются! Имеет место как фазовый сдвиг напряжения и тока, так и нелинейные искажения тока, изменяющие его форму по сравнению с идеальной – синусоидальной. Как же быть в этом случае? Для корректных расчётов самодельное устройство должно обладать функцией интегрирования произведений мгновенных значений напряжения и тока, что на практике означает довольно высокие требования к быстродействию и вычислительным способностям применённого микроконтроллера.

Тем не менее, есть и другой путь решения этой задачи. Он заключается в применении специализированных микросхем, специально предназначенных для подобных измерений. Самыми распространёнными из них являются серии, разработанные для применения в электросчётчиках, например ADE77xx от Analog Devices. Фактически такая микросхема представляет собой готовый однокристальный счётчик электроэнергии, всё что требуется от самодельного устройства – это подать на него входные сигналы в нужном «формате», а также считать готовые показания. Наиболее «продвинутые» модели позволяют получать по последовательному интерфейсу не только значения текущей мощности и накопленной электроэнергии, но и многие другие параметры, такие как полная и реактивная энергия/мощность, коэффициент мощности нагрузки, угол сдвига фаз между током и напряжением и даже оцифрованные формы полуволн напряжения и тока. Задача самодельного устройства – корректно получить, обработать и вывести на экран (либо на какой-нибудь «удобоваримый» интерфейс) всё это богатство. Пример такого устройства приведён на фото слева. Подробности этого проекта (включая свободно доступную прошивку) можно обнаружить здесь.

С помощью описанных выше второго и третьего способа нами были проведены многочисленные обмеры энергопотребления различных видов ламп, светильников, электрических и электронных приборов. В рамках данной статьи имеет смысл привести лишь некоторые результаты, имеющие непосредственное отношение к светотехнике, в первую очередь – сравнительно старой.

Некоторые результаты измерений. В связи с отсутствием на данный момент в хозяйстве источника стабильного сетевого напряжения измерения производились при несколько отличающихся питающих напряжениях. Однако во всех случаях разброс не выходил за рамки интервала 220...230В, что как раз и соответствует реальным условиям эксплуатации.

Нагрузка U, В I, A P, W

λ

Лампы накаливания
1 Лампа накаливания Philips 25W, E27 230   26,5  
2 Лампа накаливания Philips 40W, E27 228   40,76  
3 Лампа накаливания Philips 60W, E27 226   61,13  
4 Лампа накаливания Philips 75W, E27 225   75,65  
5 Лампа накаливания МСЭЛЗ 10W, E27 229   10,82  
6 Лампа накаливания КЭЛЗ 150W, E27 (СССР) 225   138,9  
7 Лампа накаливания Лисма 200W, E27 (СССР) 224   192,3  
8 Лампа накаливания КЭЛЗ 200W, E27 (современная) 224   184,0  
9 Лампа накаливания Philips 25W, E14 220 0,107 23,55 1,00
10 Лампа накаливания GE 40W, E14 220 0,155 34,15 1,00
11 Галогенная лампа Philips HalogenA PAR20 50W, E27 227   49,74  
12 Галогенная лампа Philips HalogenA Globe 100W, E27 228   99,77  
13 Галогенная настольная лампа 20W с электромагнитным трансформатором 230 0,105 22,39 0,93
Люминесцентные лампы с внешними ПРА
14 Одноламповый светильник с люминесцентной лампой 1х20W T12, ЭмПРА 229 0,355 28,86 0,35
15 Светильник ЛПО30-40-101-Е с лампой 1х36W T8 230 0,491 50,70 0,45
16 Нагрузки (1) и (2) вместе 228 0,376 80,02 0,93
17 ЭПРА Philips ETC236R с двумя отечественными лампами Т8, режим 100% яркости 226 0,320 69,98 0,97
18 Одноламповый светильник с люминесцентной лампой 1х58W T8, ЭмПРА 230 0,658 66,54 0,44
19 Светильник IDMAN 3748-2x18 с двумя лампами Philips T8 230 0,348 42,11 0,53
20 Настольная лампа с КЛЛ Dulux S 11W, ЭмПРА 224 0,134 13,54 0,45
21 Лампа ЛБ18-1 с ЭмПРА для ламп ЛЕЦ20 (0,25А) 227 0,283 17,83 0,28
22 Лампа ЛЕЦ20 с ЭмПРА для ламп ЛЕЦ20 (0,25А) 223 0,255 21,61 0,38
23 Лампа PL-L 24W с ЭмПРА 1x18W (официально рекомендованным) 227 0,322 30,80 0,42
24 Лампа ЛДЦ18 (Т8) с ЭПРА от КЛЛ Osram 23W 230 0,096 14,29 0,65
25 Люминесцентная лампа 36W (T8) с замкнутым стартёром, ЭмПРА 225 0,625 30,54 0,22
26 Дефектная («розовая») лампа ЛБУ30, ЭмПРА 227 0,435 37,35 0,38
27 ЭПРА Osram QT De Luxe с двумя лампами Osram 36WxT8, режим 100% яркости 229 0,310 70,60 0,99
Декоративные неоновые лампы
28 Декоративная лампа «Неоновая свеча» 228   1,86  
29 Розеточный ночник с цветной ЛЛ «3W» 230   0,83  
30 КЛЛ Uniel 9W E14 (ЭПРА) 230 0,054 7,53 0,61
31 Декоративная неоновая лампа Narciso 230   2,28  
32 Декоративная неоновая лампа Rose 230   2,12  
33 Декоративная неоновая лампа Stars 230   1,76  
Лампы высокого давления
34 Светильник РТУ01-125 с лампой ДРЛ125 227 0,714 146,0 0,90
35 Светильник РТУ01-125 с лампой SHX110W («ДНаС») 227 0,719 129,9 0,79
36 Лампа SHP-TS 50W с ЭмПРА 230 0,780 66,38 0,37
Компактные люминесцентные лампы
37 КЛЛ Philips 4U 18W, E27 230 0,116 17,57 0,66
38 КЛЛ Uniel 25W/BLB, E27 230 0,152 22,33 0,64
39 КЛЛ Osram Dulux EL Sensor 15W 230 0,100 13,98 0,61
40 КЛЛ Uniel 11W, E14 220 0,061 9,23 0,69
41 КЛЛ Philips SL-P 25W, E27 (ЭмПРА) 229 0,204 23,58 0,50
Светодиодные лампы
42 LED лампа Gauss 3W, E27 230   2,48  
43 LED лампа Camelion 4W, E27 228 0,044 2,87 0,29
44 LED лампа REV 7W, E14 220 0,043 5,98 0,63
45 LED лампа Philips 14W, E27 225 0,093 12,06 0,58
46 LED лампа Uniel Filament 6W, E27 225 0,028 3,18 0,50
47 LED лампа REV 13W, E27 225 0,083 10,15 0,54

Кроме этого, напомним также, что некоторые данные по энергопотреблению люминесцентных ламп с дросселями и ЭПРА можно обнаружить в этой и этой статьях Лаборатории.

Автор: Dominique, опубликовано: 19.10.16
(4)