Aktivní měřič spotřeby elektrické energie

Abstract

Tato práce se zabývá návrhem napěťového regulatoru s nastavitelným výstupním napětím a integrovným měřičem spotřeby, jenž je schopný detekovat rychlé a malé fluktuace odebíraného elektrického proudu. Součástí práce je teoretický návrh obvodu, realizace navrhnutého zařízení v podobě desky plošných spojů a následné otestování jednotlivých funkcí zařízení. Realizované zařízení je schopné poskytnout 1.8 - 5 V (0.5 A) a zároveň zaznamenat měřené vzorky odběrového proudu s dostatečně vysokou vzorkovací frekvecí pro zachycení pulzů s délkou pouhých pět mikrosekund. Vzorky naměřeného proudu vykazují průměrnou relativní odchylku okolo 3% a to v širokém dynamickém rozsahu od 1μA do 500mA. Díky těmto hodnotám, přesná hodnota spotřeby elekrické energie je aktivně monitorována a minimální, průměrné a maximální hodnoty ukládány. Tyto uložené hodnoty jsou pak následně buď zasláný s využitím USB konektoru do počítače, kde jsou přijata a zpracována navrženou aplikací, či uloženy ve FLASH paměti samotného zařížení pro budoucí zpracování. Uvedená počítačová aplikace zároveň uživateli dává možnost monitorovat měřené veličiny či nastavit a jednotlivé parametry zařízení. Jelikož připojení k počítači není požadavkem pro funkčnost zařízení, většinu nastavení a monitorování je možno provést pomocí dvou tlačítek a OLED displeje, které jsou součástí zařízení.

The aim of the thesis is to design a voltage regulator with adjustable output voltage while integrating a power consumption meter able to monitor fast and small current fluctuations. The thesis consists of a theoretical circuit design, an implementation of the device in the form of a printed circuit board, and final testing of all the functions of the implemented device. The implemented device is able to provide 1.8 - 5 V (0.5 A) and acquire current samples with a high enough sampling frequency to capture pulses as short as five microseconds. The obtained current samples show an average relative error of around 3% in a wide range from 1μA up to 0.5A. Thanks to that, precise power consumption calculations with minimal, average, and maximal values are performed. The calculated data can be either sent via USB to a computer, where a custom computer application receives and processes the data, or stored in an onboard FLASH memory for future acquisition. Moreover, when the device is connected to the computer, the implemented application allows the user to adjust and control most of the device's functions. However, since the computer connection is not a necessity for the operation, the device can be controlled by onboard buttons with the measured data displayed on an included OLED display.