Sensor de consumo eléctrico para HomeAssistant (1)

Hoy vamos a ver un proyecto que tengo en mente hace tiempo: poder medir el consumo eléctrico de toda la casa en tiempo real.

Para ello, voy a utilizar Home Assistant como centralizador, y mi intención es tener un sensor inalámbrico independiente como medidor.

Requisitos

Para montar el sensor, mis requisitos son los siguientes:

• El sensor debe enviar los datos de forma inalámbrica.
• El sensor debe ser no invasivo: esto es, no quiero tener que pasar la corriente de toda mi casa por un componente electrónico para medirla. Simplemente no me fío.
• Si es posible, me gustaría que el sensor quedase lo más oculto posible y que estuviera alimentado a baterías. No quiero ver cables por medio.

Componentes

Selección del sensor

Para montar un sensor de corriente no invasivo, lo primero que se me vino a la mente fue un transformador de corriente SCT013 que vimos en esta entrada del blog.

Este sensor nos permite leer la corriente alterna del primario del transformador como una corriente alterna en el secundario de mucho menor valor, con un ratio de 2000:1. Esto es: para una corriente de 100A en el primario, nos daría en el secundario:

$$\frac{100A}{2000} = 0,05A = 50mA$$

Cálculo de componentes del circuito

Ahora es cuando viene el momento matemático. Las fórmulas que utilizaremos a continuación son muy simples, y están extraídas de openenergymonitor.

Lo de que el transformador nos dé una corriente alterna pequeña como salida está muy bien, pero si lo que queremos es medir el consumo mediante un microcontrolador como el Arduino o el ESP8266, tendremos que traducirlo a voltaje.

Esto es muy fácil si recordamos la ley de Ohm:

$$Voltaje = Intensidad \times Resistencia$$

Por tanto, para tener un voltaje tan sólo tendremos que tener una resistencia en el circuito secundario del transformador. A esta resistencia se le llama de carga (burden en inglés), y tendremos que calcular su valor en base al voltaje que queramos controlar como máximo.

• Lo primero que tenemos que saber es qué amperaje máximo vamos a tener realmente.
  Si vamos a medir el consumo en una casa, lo normal es que tengamos un interruptor de control de potencia (ICP) que nos corte el suministro al llegar al máximo contratado. En la siguiente tabla podemos ver las potencias más normales que podemos contratar:

  Intensidad	Potencia
  10 A	2,3 kW
  15 A	3,45 kW
  20 A	4,6 kW
  25 A	5,75 kW

  Vamos a suponer que en casa tenemos una potencia contratada de 5,75kW con un ICP de 25A (o que tenemos contratado menos pero querernos curarnos en salud por si nos entra algún pico). Consideramos por tanto esta la corriente máxima que vamos a tener en el primario.
  Esta corriente es alterna y se denomina corriente RMS (o corriente eficaz, aquella que provoca el mismo efecto calorífico que una corriente continua de la misma intensidad), por lo que antes que nada, tenemos que averiguar cuál es la corriente máxima o pico.
  
  La fórmula que relaciona ambos valores es la siguiente:
  
  $$\mathbf{I}_{prim} = \mathbf{I}_{rms}\times \sqrt{2} = 25A\times1.4142 =35.35A$$
• Esta es la corriente de pico del primario. A continuación tenemos que calcular el del secundario. Sabemos que la proporción es 2000:1, con lo cual:
  
  
  
  $$\mathbf{I}_{sec}=\frac{\mathbf{I}_{prim}}{2000}= \frac{35.35A}{2000}\simeq 0.01767 A$$
• Insisto en que la corriente (tanto la de entrada como la de salida) es alterna. Por tanto, para convertir a voltaje, debemos tener en cuenta cuál es el voltaje máximo que admite la entrada del microcontrolador que vamos a utilizar. Más adelante insisto en esto, pero supongamos que el voltaje máximo que admite el dispositivo es de 3.3V.
  Al poner una resistencia de carga vamos a tener un voltaje también alterno, con una onda senoidal, que será positivo en el pico más alto (el que corresponda a 0,017 A) pero negativo en el punto más bajo (el que corresponda a -0,017 A). Con la fórmula anterior hemos obtenido la corriente de pico, pero necesitamos saber cuál es el recorrido completo de la onda, desde el punto más bajo hasta el más alto, para después traducir este recorrido a un voltaje por medio de la resistencia.
  Esto es lo que denominamos corriente pico-a-pico, que es el doble. Por tanto, la fórmula para calcular la resistencia sería la siguiente:
  
  $$\mathbf{R} = \frac{\mathbf{V}_{max}}{\mathbf{I}_{pp}}= \frac{3.3V}{0.03535 A}=\simeq93 \Omega$$
• Esta es la resistencia de carga ideal. Debemos aproximarla en base a las que hay en el mercado, siempre utilizando el menor valor disponible que se acerque más al valor ideal. En nuestro caso, podemos acercarnos mediante la utilización de tres resistencias en serie:
  $$22\Omega + 22\Omega + 47\Omega = 91\Omega$$
  Por tanto, este será el valor de nuestra resistencia de carga. Con esta resistencia, podríamos avanzar los valores de voltaje que obtendríamos para ciertos valores de corriente:
  
  
  
  $$\mathbf{I}_{prim} = 25A \Rightarrow \mathbf{I}_{sec}=\frac{25A}{2000}=0.0125A \Rightarrow \mathbf{V} = \mathbf{I} \times \mathbf{R} = 0.0125A \times 91 \Omega = 1.1375V$$
  El esquema eléctrico que tenemos hasta ahora sería el siguiente:
  
• Finalmente, tenemos un problema: las corrientes negativas. Hasta ahora los cálculos que hemos hecho nos permiten tener corrientes positivas y negativas (dado que es alterna), lo cual nos daría voltajes positivos y negativos. Las entradas analógicas de los controladores en principio sólo admiten valores de voltaje positivo, con lo cual nos quedaría un último paso: una desviación de voltaje.
  El truco consiste en añadir al voltaje que nos da nuestro circuito un voltaje de referencia fijo, que se sumará dándonos siempre valores positivos. Para ello, dado que nuestros cálculos los hemos hecho para una entrada a 3.3V, deberíamos sumarle mediante un divisor de tensión justo la mitad: 1,65V.
  Esto lo conseguimos añadiendo un divisor de tensión con dos resistencias del mismo valor a la salida del circuito anterior:
  
  Como podemos ver en el esquema, ahora el voltaje estaría comprendido entre un mínimo de 0 y un máximo de +V (3.3V en nuestros cálculos).

De todos modos, los cálculos que hemos realizado en base a 25A de máxima intensidad son los más ajustados si queremos cubrir el posible espectro de voltajes con la máxima precisión, pero no quiere decir que sea la forma más fácil, como veremos en la segunda parte del artículo.

Lo más fácil es emplear una resistencia de carga estandarizada para la intensidad máxima del sensor (100A), que sería la siguiente, en función del voltaje de alimentación:

Voltaje	Resistencia
5V regulados	33 Ω
3.3V regulados	22 Ω
3.3V a baterías	18 Ω

Conclusiones

Terminamos aquí la primera parte de este artículo, y a modo de resumen:

• Vamos a utilizar un sensor de corriente CT013 no invasivo, basado en un transformador de 2000:1.
• Necesitaremos una o más resistencias de carga a la salida del sensor.
• Necesitaremos también un divisor de tensión basado en dos resistencias idénticas.
• El voltaje de trabajo será de 3.3V.
• Aún nos queda por determinar qué dispositivo utilizaremos como controlador, cosa que decidiremos en la segunda parte del artículo.