روش‌های پیشرفته اندازه‌گیری ولتاژ AC/DC در اینترنت اشیاء (IoT): تقسیم مقاومتی، PT و V/F برای Smart Metering

در مقاله‌ی پیشین، روش‌های مختلف اندازه‌گیری جریان الکتریکی در سیستم‌های اینترنت اشیاء (IoT) مورد بررسی قرار گرفت و دیدیم که انتخاب روش مناسب چگونه می‌تواند بر دقت، ایمنی و پایداری یک سیستم هوشمند تأثیر بگذارد. در ادامه‌ی همین مسیر، در این مقاله تمرکز اصلی بر روش‌های اندازه‌گیری ولتاژ AC و DC قرار داده شده است؛ کمیتی که در کنار جریان، پایه‌ی تمام تحلیل‌های الکتریکی و محاسبات توان را تشکیل می‌دهد.

ازآنجایی‌که اغلب میکروکنترلرها و پردازنده‌های مورداستفاده در سیستم‌های IoT به مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) مجهز هستند، اندازه‌گیری ولتاژ در نگاه اول ساده به نظر می‌رسد. در بسیاری از کاربردها تنها کافی است ولتاژ موردنظر به محدوده‌ی قابل‌خواندن ADC مقیاس شود و سپس پردازش دیجیتال لازم بر روی آن انجام گیرد. بااین‌حال، در عمل چالش‌هایی نظیر ولتاژهای بالا، نویز محیط، نیاز به ایزولاسیون الکتریکی، سیگنال‌های AC دو‌قطبی و دقت اندازه‌گیری باعث می‌شوند که انتخاب روش مناسب به یک تصمیم مهندسی مهم تبدیل شود.

در این مقاله تلاش شده است تا رایج‌ترین و کاربردی‌ترین روش‌های اندازه‌گیری ولتاژ، از ساده‌ترین راهکارها مانند تقسیم مقاومتـی تا روش‌های پیشرفته‌تر مانند ترانس ولتاژ (PT)، اپتوکوپلرهای خطی، تقویت‌کننده‌های ایزوله و مبدل‌های ولتاژ به فرکانس (V/F Converter) معرفی و بررسی شوند. هدف اصلی این است که خواننده علاوه بر درک تئوری هر روش، بتواند مناسب‌ترین گزینه را باتوجه‌به سطح ولتاژ، نیاز به ایزولاسیون، دقت موردانتظار و شرایط محیطی انتخاب کند.

تقسیم مقاومتی

تقریباً ساده‌ترین و پرکاربردترین روش  برای اندازه‌گیری جریان همین روش می‌باشد.

به این صورت که با یک تقسیم مقاومتی در محل مناسب و سپس با استفاده از فرمول تقسیم ولتاژ می‌توان ولتاژ نقطه موردنظر را اندازه‌گیری کرد.

مدار مقسم بالا امکان این مورد رو فراهم میکنه که شما یک ولتاژ بالا را توسط فرمول زیر محاسبه کنید:

اگر قصد دارید ولتاژ را به‌صورت نیم‌موج اندازه‌گیری کنید، مدار ارائه‌شده به همراه مقادیر پیشنهادی آن می‌تواند تا حد زیادی پاسخ‌گوی نیاز شما باشد. دلیل این موضوع معمولاً هنگام شروع نمونه‌برداری از ADC و تحلیل داده‌های خوانده‌شده به‌صورت عملی کاملاً مشخص می‌شود.

اما درصورتی‌که هدف، خواندن کامل شکل موج سینوسی و انجام محاسبات دقیق‌تری مانند RMS یا آنالیز توان باشد، بهتر است این مدار ساده به‌تدریج تکمیل شود. به‌عنوان‌مثال، پس از مرحله‌ی مقسم ولتاژ، استفاده از یک بافر ولتاژ توصیه می‌شود تا از کشیدن جریان توسط مدار نمونه‌برداری ADC جلوگیری شده و شکل موج بدون اعوجاج به ورودی مبدل آنالوگ به دیجیتال منتقل شود.

همونطور که گفته شد در مدار بالا برای حداقل جریان‌کشی از مدار نمونه‌برداری از یک بافر استفاده شده همچنین مدار بخش نهایی از دو مقاومت استفاده شده که مقدار 1.65 ولت آفست به سیگنال اضافه کند. این مقدار دلیل این استفاده شده امکان این رو داشته باشیم که ولتاژهای AC رو هم اندازه‌گیری کنیم.

ترانس ولتاژ (PT – Potential Transformer)

ترانس ولتاژ یا PT (Potential Transformer) یکی از تجهیزات اندازه‌گیری در سیستم‌های قدرت است که برای نمونه‌برداری ایمن و دقیق از ولتاژهای بالا به کار می‌رود. وظیفه اصلی PT تبدیل ولتاژهای بالا (مانند ولتاژ شبکه یا باس‌های قدرت) به یک ولتاژ استاندارد، پایین و متناسب است که قابل‌استفاده برای تجهیزات اندازه‌گیری، کنترلی و حفاظتی باشد.

PTها عمدتاً در مدارهایی استفاده می‌شوند که نیاز به اندازه‌گیری دقیق ولتاژ همراه با ایزولاسیون الکتریکی وجود دارد. مهم‌ترین کاربردهای آن شامل موارد زیر است:

• اندازه‌گیری ولتاژ در شبکه‌های فشار ضعیف، متوسط و قوی
• ورودی ولتاژ برای رله‌های حفاظتی
• تغذیه ورودی ولت‌مترها و کنتورهای انرژی
• استفاده در سیستم‌های مانیتورینگ، PLC و ADCها
• ایزولاسیون مدار قدرت از مدار اندازه‌گیری

از نظر ساختاری، PT بسیار شبیه ترانسفورماتورهای معمولی است؛ اما با ویژگی‌های خاص طراحی می‌شود:

• دارای هسته مغناطیسی با تلفات کم برای افزایش دقت
• سیم‌پیچ اولیه با تعداد دور بالا، مناسب ولتاژهای زیاد
• سیم‌پیچ ثانویه با ولتاژ استاندارد (معمولاً 100V یا 110V)
• ایزولاسیون قوی الکتریکی بین اولیه و ثانویه
• طراحی به‌گونه‌ای که در شرایط کاری عادی دچار اشباع مغناطیسی نشود

با وجود شباهت ظاهری به ترانس معمولی، PT به‌گونه‌ای ساخته می‌شود که نسبت تبدیل آن تحت بار اندازه‌گیری ثابت باقی بماند.

ویژگی‌های عملکردی

• دقت بالا با کلاس‌های دقت مشخص (مانند 0.1، 0.2، 0.5)
• جریان خروجی بسیار کم (در حد میلی‌آمپر)
• مناسب برای بارهای اندازه‌گیری، نه مصرف‌کننده‌های توان
• پایداری نسبت تبدیل در بازه وسیع ولتاژ ورودی

 برای مثال سنسور ZMPT101B یک نمونه ترانس PT می‌باشد که در زیر شماتیک یک نمونه مدار راه‌انداز رو مشاهده می‌کنید:

رابطه بین ولتاژ ورودی و خروجی طبق دیتاشیت به‌صورت زیر می‌باشد:

که البته در مدار طراحی شده پس عبور ولتاژ از ترانس در 2 طبقه عملیات تقویت انجام میگیره که دامنه ی ولتاژ به مقدار مطلوب برای خوانش ADC برساند .

اپتوکوپلر خطی

همونطور که در قسمت اندازه‌گیری جریان اشاره شد، اپتوکوپلر خطی سیگنال‌های آنالوگ را با ایزولاسیون کامل بین دو مدار منتقل می‌کند. ورودی به نور (توسط LED مادون‌قرمز) و سپس دوباره به سیگنال الکتریکی (توسط فوتو دیود) تبدیل می‌شود.

تفاوت با اپتوی معمولی

خروجی آن پیوسته و متناسب با ورودی است، نه صرفاً خاموش و روشن. برای این کار از مکانیزم فیدبک نوری استفاده می‌شود تا فوتو دیود دائماً در حالت فعال باقی بمانند.

ساختار

• یک LED مادون‌قرمز
• دو فوتو دیود: یکی برای فیدبک، یکی برای خروجی
• فضای نوری ایزوله (ولتاژ تحمل چند کیلوولت)

نقش فیدبک

فوتو دیود فیدبک در حلقه یک آپ‌امپ، جریان LED را تنظیم می‌کند تا شدت نور پایدار بماند و خطی‌بودن حفظ شود. فوتو دیود خروجی همان نور را دریافت و به سیگنال ایزوله شده تبدیل می‌کند.

مزایا

ایزولاسیون بالا، انتقال سیگنال آنالوگ، قیمت مناسب.

معایب

نیاز به مدار جانبی، دقت و پهنای باند محدود (۲۰–۲۰۰ کیلوهرتز)، حساس به دما.

تقویت‌کننده ایزوله (Isolation Amplifier)

تقویت‌کننده‌های ایزوله را می‌توان در ساده‌ترین تعریف، همان تقویت‌کننده‌های عملیاتی دانست که میان بخش ورودی و خروجی آن‌ها یک مانع ایزولاسیون الکتریکی قرار گرفته است. این ICها مانند یک آپ‌امپ معمولی عمل می‌کنند؛ یعنی سیگنال ورودی را تقویت یا با نسبت مشخصی منتقل می‌کنند، اما تفاوت مهم آن‌ها این است که ورودی، خروجی و تغذیه‌ی دو سمت کاملاً از هم جدا هستند و هیچ اتصال مستقیم الکتریکی بینشان وجود ندارد. این ایزولاسیون با استفاده از ساختارهای خازنی، مغناطیسی یا اپتیکی داخل تراشه ایجاد می‌شود و باعث می‌شود که سیگنال بتواند بدون عبور جریان، از سد ایزولاسیون عبور کند.

در عمل، تقویت‌کننده ایزوله ترکیبی از یک آپ‌امپ دقیق، یک مدولاتور داخلی و یک بخش ایزوله‌کننده است. سیگنال ورودی ابتدا به یک سیگنال مناسب برای انتقال (معمولاً به‌صورت پالسی یا دیجیتال شده با روش سیگما–دلتا) تبدیل می‌شود. این سیگنال از طریق خازن یا ترانسفورماتور بسیار کوچک داخلی عبور می‌کند و در سمت دیگر دوباره به ولتاژ آنالوگ بازسازی می‌شود. نتیجه چیزی شبیه یک آپ‌امپ معمولی است، با این تفاوت که ورودی و خروجی آن می‌توانند حتی چند کیلوولت اختلاف‌پتانسیل داشته باشند بدون اینکه آسیبی به سیستم برسد.

به همین دلیل این تقویت‌کننده‌ها برای اندازه‌گیری ولتاژ و جریان در بخش قدرت، فیدبک ایزوله منابع تغذیه و سنسورهای فشار/جریان در محیط‌های نویزی بسیار مناسب هستند. از نظر کاربر، این قطعات مثل یک «آپ‌امپ آماده و دقیق» رفتار می‌کنند، اما در داخل خود یک سیستم کامل انتقال ایزوله دارند.

یکی از نمونه‌های این تقویت‌کننده AMC1200 می‌باشد.

مبدل ولتاژ به فرکانس (V/F Converter)

 مبدل ولتاژ به فرکانس، مداری است که مقدار یک ولتاژ آنالوگ را به یک سیگنال پالسی یا مربعی تبدیل می‌کند که فرکانس آن متناسب با ولتاژ ورودی است. به بیان ساده، به‌جای انتقال یا اندازه‌گیری ولتاژ به‌صورت دامنه، اطلاعات در قالب «سرعت تکرار پالس‌ها» منتقل می‌شود.

نحوه عملکرد

در داخل یک V/F Converter معمولاً یک انتگرال‌گیر (Integrator)، یک مقایسه‌کننده (Comparator) و یک نوسان‌ساز کنترلی وجود دارد. ولتاژ ورودی وارد انتگرال‌گیر می‌شود و با رسیدن خروجی آن به یک حد آستانه، مقایسه‌کننده یک پالس تولید می‌کند. این پالس باعث ریست‌شدن انتگرال‌گیر شده و چرخه دوباره تکرار می‌شود. هرچه ولتاژ ورودی بزرگ‌تر باشد، نرخ شارژ سریع‌تر شده و پالس‌ها با فرکانس بالاتری تولید می‌شوند.

از جمله ویژگی‌های کلیدی این روش می‌توان از موارد زیر نام برد:

• مصونیت بالا در برابر نویز: چون اطلاعات به‌صورت فرکانس منتقل می‌شود، افت دامنه، نویز و تغییرات سطح ولتاژ تأثیر کمی بر نتیجه دارند.
• مناسب برای مسافت‌های طولانی: سیگنال پالسی را می‌توان بدون افت دقت، چندین متر یا حتی چند ده متر منتقل کرد.
• سادگی در پردازش دیجیتال: می‌توان فرکانس خروجی را مستقیماً با تایمر میکروکنترلر اندازه‌گیری کرد.
• امکان ایزولاسیون آسان: خروجی فرکانسی به‌راحتی از طریق اپتوکوپلر دیجیتال ایزوله می‌شود.

البته این روش مشکلاتی رو هم دارد که می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• پاسخ زمانی محدود: برای به‌دست‌آوردن دقت مناسب باید فرکانس در یک بازه زمانی اندازه‌گیری شود، بنابراین برای تغییرات سریع ولتاژ مناسب نیست.
• رزولوشن وابسته به زمان اندازه‌گیری: هرچه زمان شمارش پالس بیشتر باشد، دقت بالاتر اما سرعت کمتر خواهد بود.
• وابستگی به مرجع جریان و خازن: تغییرات دما یا تلرانس قطعات می‌تواند روی خطی‌بودن اثر بگذارد.

اما باید در نظر داشته باشیم که هر روش یک طیف از کاربردها را می‌تواند پوشش دهد، برای مثال روش V/F برای کاربردهای زیر مناسب می‌باشد:

• اندازه‌گیری ولتاژ یا سیگنال‌های آنالوگ در محیط‌های صنعتی نویزی
• انتقال سیگنال آنالوگ روی کابل‌های بلند
• دیتالاگرها و سیستم‌های کند (Slow‑changing signals)
• ورودی آنالوگ ساده برای میکروکنترلرهای فاقد ADC دقیق

به‌طورکلی نمونه تراشه‌های زیادی برای استفاده این روش طراحی و تولید شده ولی برای نمونه می‌توان از 3 موردی که در زیر گفته شده استفاده کرد :

• LM331: معروف‌ترین و پرکاربردترین مبدل V/F (و F/V)
• AD654 / AD650: نمونه‌های دقیق‌تر و پایدارتر صنعتی
• پیاده‌سازی‌های مبتنی بر آپ‌امپ + تایمر 555 (برای کاربردهای ساده و آموزشی)

شماتیک زیر یک نمونه مبدل ولتاژ به فرکانس را نمایش می‌دهد که از دیتاشیت AD650 استخراج شده است:

این مدار برای تبدیل ولتاژ ورودی در رنج به فرکانس خروجی 0kHz تا 100kHz طراحی شده است:

• ولتاژ صفر: زمانی که ولتاژ ورودی VIN​ صفر باشد، فرکانس خروجی (FOUT​) نیز kHz0  است.
• ولتاژ مثبت: با افزایش VIN​ به سمت +5V فرکانس به سمت 100kHz  افزایش می‌یابد.
• ولتاژ منفی: با کاهش VIN​ به سمت -5V ، فرکانس به سمت 100kHz افزایش می‌یابد.

✅ نکته فنی مهم

تقسیم‌کننده‌های مقاومتی 5K  و  37.4K به همراه مقاومت‌های داخلی IC، جریان متناسب با ولتاژ ورودی VIN را به انتگرال‌گیر داخلی IC (پین ۳) می‌رسانند.

• پین ۳ (Input): این پین، ورودی انتگرال‌گیر (Integrator) است. تقویت‌کننده عملیاتی داخلی به‌گونه‌ای طراحی شده است که جریان ورودی متناسب با VIN​ را از این نقطه دریافت کند.
• مقاومت‌های کالیبراسیون: مقاومت 3 R​به همراه شبکه مقاومتی داخلی برای تبدیل ولتاژ ورودی به یک جریان ورودی کالیبره شده عمل می‌کنند.

دو خازن نقش حیاتی در تعیین رنج و پایداری فرکانس دارند:

• CINT ​ (pF۱۰۰۰): خازن انتگرال‌گیر: این خازن، فرکانس کاری و شیب تبدیل (Gain) مدار را تعیین می‌کند. دقت و پایداری دمایی این خازن (نوع پلی‌استر یا پلی‌پروپیلن) مستقیماً روی دقت نهایی فرکانس خروجی تأثیر می‌گذارد.
• COS ​ (pF۳۳۰): خازن نوسان‌ساز (One-Shot): این خازن مدت‌زمان پالس بازخورد تولید شده توسط بخش One-Shot را تنظیم می‌کند. پالس بازخورد برای تخلیه خازن انتگرال‌گیر (ریست‌کردن چرخه) استفاده می‌شود و پایداری آن حیاتی است.

کالیبراسیون

به دلیل خطا قطعات امکان خطا نیز در این تراشه هست، به همین منظور نیاز هست با قطعات زیر امکان کالیبراسیون فرکانس خروجی را نیز داشته باشیم:

• پتانسیومتر: 20kΩ این پتانسیومتر که به پین ۱۳ (Input Offset Trim) متصل است، برای تنظیم آفست (Offset) مدار استفاده می‌شود. هدف این است که اطمینان حاصل شود وقتی VIN=0V، فرکانس خروجی دقیقاً 0kHz باشد.
• مقاومت: 250kΩ این مقاومت همراه با پین ۱۴ (Input) برای تنظیم شیب تبدیل (Gain) استفاده می‌شود. با تغییر این مقاومت، می‌توان اطمینان حاصل کرد که در VIN=±5V، فرکانس خروجی دقیقاً 100kHz  است.

نتیجه‌گیری

اندازه‌گیری کمیت‌های الکتریکی در سیستم‌های اینترنت اشیاء، چه جریان و چه ولتاژ، بخش حیاتی طراحی و پایش هوشمند را تشکیل می‌دهد. در این مجموعه دیدیم که هر روش اندازه‌گیری دارای توازن خاصی بین دقت، هزینه، سهولت پیاده‌سازی و سطح ایمنی است.

• برای ولتاژهای پایین و کاربردهای ساده، تقسیم مقاومتی سریع‌ترین و اقتصادی‌ترین راهکار است، ولی در محیط‌های صنعتی یا ولتاژهای بالا نیاز به ایزولاسیون اجتناب‌ناپذیر می‌شود.
• ترانس ولتاژ (PT)، اپتوکوپلر خطی و تقویت‌کننده ایزوله گزینه‌های اصلی برای ایزولاسیون در دقت بالا و شرایط نویزی هستند.
• روش ولتاژ به فرکانس (V/F Converter) از نظر انتقال سیگنال در فواصل طولانی و مقاومت در برابر نویز برتری دارد و گاهی در سیستم‌های آنالیز یا مخابره داده بهترین انتخاب است.
• در بخش جریان نیز همان‌طور که مرور شد، از مقاومت شانت در سطوح پایین تا ترانس جریان، سنسورهای Hall و روش‌های القایی، هر یک بسته به نیاز، مکانیزم متفاوتی ارائه می‌کنند.

انتخاب روش مناسب باید بر اساس نوع کمیت (AC/DC)، نیاز به دقت، ایزولاسیون، رنج ولتاژ/جریان، شرایط محیطی و بودجه پروژه انجام شود.

جدول مقایسه روش‌های اندازه‌گیری جریان و ولتاژ

سخن پایانی

در این مرحله، با روش‌های مختلف اندازه‌گیری جریان و ولتاژ در سیستم‌های IoT آشنا شدیم و دیدیم که چگونه می‌توان با انتخاب مدار مناسب، سیگنال‌های الکتریکی را به‌صورت ایمن و قابل نمونه‌برداری در اختیار میکروکنترلر قرار داد. ترکیب این اندازه‌گیری‌ها، امکان مشاهده‌ی رفتار الکتریکی یک سیستم را در سطح ولتاژ و جریان فراهم می‌کند، اما به‌تنهایی برای تحلیل عملکرد سیستم کافی نیست.

گام بعدی، پردازش داده‌های اندازه‌گیری‌شده و تبدیل آن‌ها به کمیت‌های معنادار مهندسی است؛ کمیت‌هایی که مستقیماً وضعیت مصرف‌کننده و کیفیت توان شبکه را توصیف می‌کنند. در ادامه، به مباحثی مانند محاسبه‌ی مقادیر RMS و Peak، تفکیک توان اکتیو، راکتیو و ظاهری و محاسبه و پایش ضریب توان (Power Factor) پرداخته می‌شود.

این مفاهیم، هسته‌ی اصلی تحلیل کیفیت توان را تشکیل می‌دهند و بدون آن‌ها، مقادیر به‌دست‌آمده از ADC تنها مجموعه‌ای از نمونه‌های عددی خواهند بود که قابلیت ارزیابی دقیق عملکرد الکتریکی را ندارند. با استفاده‌ی صحیح از این پارامترها می‌توان مصرف انرژی را تحلیل کرد، ناهنجاری‌ها را شناسایی نمود و عملکرد بارها را بهینه‌سازی کرد.

هدف نهایی این مجموعه، دستیابی به یک سیستم اندازه‌گیری دقیق، پایدار و ایمن است که بتواند در طیف گسترده‌ای از کاربردها، از سامانه‌های صنعتی با شرایط سخت تا پروژه‌های IoT خانگی و شهری، داده‌هایی قابل‌اعتماد برای پایش، تحلیل و تصمیم‌گیری فراهم کند.