Ampe kìm là gì: đo dòng AC, DC, dòng rò, kẹp đúng dây, chọn loại và tự làm với SCT-013, ESP32

Ampe kìm đo dòng không cần cắt dây: nguyên lý biến dòng và cảm biến Hall, kẹp một dây hay dây đôi, đo dòng rò, chọn ampe kìm AC, AC/DC, True RMS; tự đo dòng AC bằng SCT-013 và ESP32.

Ampe kìm đo dòng điện chạy trong dây mà không cần cắt dây hay tháo mạch: chỉ cần kẹp hàm kìm quanh một dây dẫn. Bài này giải thích nguyên lý ampe kìm AC (biến dòng) và ampe kìm AC/DC (cảm biến Hall), cách kẹp đúng, vì sao kẹp cả dây đôi thì đọc 0, cách đo dòng rò bằng ampe kìm, chọn loại ampe kìm theo nhu cầu, và tự làm "ampe kìm" đo dòng xoay chiều bằng biến dòng kẹp SCT-013 với ESP32.

1. Nguyên lý: đo từ trường quanh dây

Dòng điện chạy qua dây tạo từ trường vòng quanh dây, tỉ lệ với dòng. Hàm kìm bằng lõi sắt từ gom từ trường đó lại:

• Ampe kìm AC: hàm kìm là lõi của một biến dòng, dây cần đo là cuộn sơ cấp một vòng. Từ trường xoay chiều cảm ứng ra dòng ở cuộn thứ cấp quấn trên lõi, đồng hồ đo dòng thứ cấp này. Chỉ đo được dòng xoay chiều, vì dòng một chiều không tạo từ trường biến thiên.
• Ampe kìm AC/DC: đặt cảm biến Hall ở khe hàm để đo trực tiếp từ trường, nên đo được cả dòng một chiều (pin, ắc quy, tấm pin mặt trời, ô tô). Trước khi đo DC phải bấm nút chỉnh 0 (DC zero) khi chưa kẹp dây, vì từ trường trái đất và từ dư trong lõi làm lệch số đo.

2. Kẹp đúng: một dây, dây đôi và dòng rò

• Kẹp một dây (L hoặc N) của tải: đọc đúng dòng tải. Dây đôi, dây nhiều lõi phải tách riêng một sợi; ổ cắm có thể dùng một bộ tách dây chuyên dụng.
• Kẹp cả dây đôi: dòng đi trên L và dòng về trên N bằng nhau, ngược chiều, từ trường triệt nhau nên đọc gần 0. Đây là lỗi người mới hay gặp.
• Đo dòng rò: dựa đúng hiện tượng trên. Kẹp cả L và N: nếu thiết bị không rò, đọc 0; nếu có dòng rò ra vỏ, ra đất, dòng về trên N ít hơn dòng đi trên L, ampe kìm đọc được phần chênh lệch. Cần loại ampe kìm dòng rò phân giải mA, vì ampe kìm thường không đủ nhạy. Cách này giúp tìm thiết bị làm cầu dao chống giật nhảy.

3. Chọn ampe kìm

• Dải đo và phân giải: điện dân dụng cần tới khoảng 400 A; đo dòng nhỏ (dưới 1 A) thì ampe kìm thường kém chính xác, dùng đồng hồ vạn năng mắc nối tiếp hoặc ampe kìm có thang mA.
• True RMS khi đo dòng của biến tần, đèn LED, máy tính, điều hòa inverter: dòng không phải sin chuẩn.
• Độ mở hàm đủ cho dây to nhất cần đo.
• Cấp an toàn CAT III 600 V trở lên khi đo trong tủ điện; thang điện áp, thông mạch đi kèm giúp ampe kìm dùng như một đồng hồ vạn năng.
• Đo dòng khởi động (inrush) hữu ích khi kiểm tra động cơ, máy nén.

Cách đọc thông số độ chính xác, số đếm, True RMS có ở bài chọn đồng hồ vạn năng cùng cụm chủ đề; vali đựng ampe kìm, đồng hồ có ở bài vali đựng thiết bị đo lường.

4. Tự làm "ampe kìm" đo dòng AC bằng SCT-013 và ESP32

Biến dòng kẹp SCT-013 hoạt động đúng như hàm của ampe kìm AC: mở ra, kẹp quanh một dây, không cần cắt dây. Loại SCT-013-030 có sẵn điện trở tải bên trong, cho ra điện áp xoay chiều 1 V hiệu dụng khi dòng 30 A. ESP32 chỉ đọc được điện áp dương, nên một đầu SCT nối vào điểm giữa cầu chia 1,65 V (hai điện trở 10 kΩ từ 3V3 xuống GND, tụ 10 µF), đầu kia vào GPIO34: tín hiệu dao động quanh 1,65 V.

Giới hạn dòng đo được: ở mức suy giảm 11 dB, ADC của ESP32 đọc chính xác trong khoảng 0,15–2,45 V. Với điểm giữa 1,65 V, đỉnh tín hiệu chỉ được cao hơn điểm giữa khoảng 0,8 V, ứng với khoảng 17 A hiệu dụng của SCT-013-030. Dòng trên khoảng 17 A thì số đọc kém chính xác. Cần đo tới 30 A thì dùng bộ chuyển đổi ADC 16 bit ADS1115 (cách dùng ở bài đo điện áp 16 bit bằng ADS1115 với ESP32), hoặc chọn SCT-013 dải lớn hơn, ví dụ SCT-013-050 (50 A ứng với 1 V).

Chương trình lấy 400 mẫu trong 200 ms (đúng 10 chu kỳ điện 50 Hz), trừ giá trị trung bình (điểm giữa thực tế), tính căn bậc hai của trung bình bình phương: đây là giá trị hiệu dụng thật, đúng cả với dòng không phải sin. Chỉ dùng gói esp32 cho Arduino IDE.

// PYWORLD.VN - Đo dòng điện xoay chiều bằng biến dòng kẹp SCT-013-030 (nguyên lý của ampe kìm AC) và ESP32
// PYWORLD.VN - Lấy 400 mẫu trong 200 ms (10 chu kỳ 50 Hz), trừ điểm giữa, tính giá trị hiệu dụng (RMS) thật
// PYWORLD.VN - SCT-013-030 có sẵn điện trở tải: 30 A ứng với 1 V hiệu dụng; một dây vào GPIO34, dây kia vào điểm giữa cầu chia 1,65 V

#include <math.h>

const int CHAN_CT = 34;
const float AMPE_MOI_VON = 30.0f;     // SCT-013-030: 30 A -> 1 V hiệu dụng
const int SO_MAU = 400;
const uint32_t KHOANG_US = 500;       // 2000 mẫu mỗi giây
const float NGUONG_NHIEU_A = 0.10f;   // dưới mức này coi như 0 (nhiễu ADC khi không có tải)
const float DIEN_AP_LUOI = 230.0f;    // chỉ để ước tính công suất biểu kiến

uint16_t mau[SO_MAU];

float doDongHieuDung() {
  uint32_t t = micros();
  for (int i = 0; i < SO_MAU; i++) {
    while (micros() - t < KHOANG_US) {
    }
    t += KHOANG_US;
    mau[i] = analogReadMilliVolts(CHAN_CT);
  }
  double tong = 0;
  for (int i = 0; i < SO_MAU; i++) {
    tong += mau[i];
  }
  double giua = tong / SO_MAU;                 // điểm giữa thực tế (khoảng 1650 mV)
  double tongBp = 0;
  for (int i = 0; i < SO_MAU; i++) {
    double d = mau[i] - giua;
    tongBp += d * d;
  }
  double vonHieuDung = sqrt(tongBp / SO_MAU) / 1000.0;
  return (float)(vonHieuDung * AMPE_MOI_VON);
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  analogSetPinAttenuation(CHAN_CT, ADC_11db);
  Serial.println("Do dong AC bang SCT-013-030: kep vao MOT day (L hoac N)");
}

void loop() {
  float dong = doDongHieuDung();
  if (dong < NGUONG_NHIEU_A) {
    dong = 0;
  }
  Serial.printf("Dong %.2f A | cong suat bieu kien khoang %.0f VA (%.0f V)\n", dong, dong * DIEN_AP_LUOI, DIEN_AP_LUOI);
  delay(800);
}

Số VA là công suất biểu kiến ước tính bằng 230 V × dòng; muốn đo công suất thật, hệ số công suất, điện năng thì cần đo cả điện áp, ví dụ bằng module PZEM-004T như bài PZEM-004T với ESP32. Lắp biến dòng trong tủ điện phải do người có chuyên môn thực hiện, cắt điện trước khi luồn dây.

5. Lỗi hay gặp

6. Xem thêm

• Đo dòng điện với ESP32: INA219 hay ACS712
• PZEM-004T với ESP32: đo điện áp, dòng, công suất, điện năng 220 V
• Điện một chiều, xoay chiều và an toàn khi làm việc gần điện 220 V
• Vali khung nhôm có khóa N3 đựng thiết bị đo