Regulácia fázového uhla na striedavý prúd pre stmievače svetla a reguláciu otáčok motora pomocou časovača 555 a signálu pwm

Systémy domácej automatizácie si čoraz viac získavajú popularitu každý deň a v dnešnej dobe je ľahké zapnúť a vypnúť určité spotrebiče pomocou jednoduchého ovládacieho mechanizmu, ako je relé alebo prepínač, predtým sme vytvorili mnoho projektov domácej automatizácie založených na Arduine pomocou relé. Existuje ale veľa domácich spotrebičov, ktoré vyžadujú kontrolu nad týmto striedavým prúdom, a nie iba zapínanie a vypínanie. Teraz vstúpte do sveta riadenia fázového uhla striedavého prúdu, je to jednoduchá technika, pomocou ktorej môžete ovládať fázový uhol striedavého prúdu. To znamená, že môžete regulovať rýchlosť stropného ventilátora alebo iného ventilátora striedavého prúdu alebo dokonca intenzitu LED alebo žiarovky.

Aj keď to znie jednoducho, proces jeho skutočnej implementácie je veľmi ťažký, takže v tomto článku vytvoríme pomocou časovača 555 jednoduchý riadiaci obvod fázového uhla striedavého prúdu a nakoniec použijeme Arduino. na vygenerovanie jednoduchého signálu PWM na riadenie intenzity žiarovky. Ako si teraz môžete jasne predstaviť, s týmto obvodom môžete vytvoriť jednoduchý systém domácej automatizácie, kde môžete ovládať ventilátor a stmievače svetla pomocou jedného Arduina.

Čo je to riadenie fázového uhla striedavého prúdu a ako to funguje?

Riadenie fázového uhla striedavého prúdu je metóda, prostredníctvom ktorej môžeme riadiť alebo sekať sínusovú vlnu striedavého prúdu. Uhol záblesku spínacieho zariadenia sa mení po detekcii priechodu nulou, čo vedie k priemernej výstupné napätie, ktoré sa mení úmerne s modifikovanou sínusovou vlnou, obraz sa ďalej opisuje ďalšie.

Ako vidíte, najskôr máme náš vstupný signál striedavého prúdu. Ďalej máme signál prechodu nulou, ktorý každých 10 ms generuje prerušenie. Ďalej máme spúšťací signál brány, akonáhle dostaneme spúšťací signál, počkáme určité obdobie pred poskytnutím spúšťacieho impulzu, čím viac čakáme, tým viac môžeme znížiť priemerné napätie a naopak. Ďalej sa tejto téme budeme venovať neskôr v článku.

Výzvy v riadení fázových uhlov

Predtým, ako sa pozrieme na schému a všetky materiálové požiadavky, povieme si niečo o problémoch, ktoré súvisia s týmto typom obvodu, a o tom, ako ich náš obvod rieši.

Naším cieľom je tu riadiť fázový uhol sínusovej vlny AC pomocou mikrokontroléra pre akýkoľvek druh domácej automatizácie. Ak sa pozrieme na obrázok nižšie, môžete vidieť, že v žltej farbe máme našu sínusovú vlnu a v zelenej farbe máme signál prechodu nulou.

Vidíte, že signál prechodu nulou prichádza každých 10 ms, keď pracujeme so sínusovou vlnou 50 Hz. V mikrokontroléri generuje prerušenie každých 10 ms. ak by sme okrem toho vložili akýkoľvek iný kód, druhý kód nemusí fungovať kvôli prerušeniu. Ako vieme, sieťová frekvencia v Indii je 50 Hz, takže pracujeme s 50 Hz sínusovou vlnou a aby sme mohli ovládať sieťový striedavý prúd, musíme v určitom časovom rámci zapnúť a vypnúť TRIAC. Za týmto účelom obvod riadenia fázového uhla založený na mikrokontroléri používa signál prerušenia nuly ako prerušenie, ale problém s touto metódou spočíva v tom, že okrem kódu riadenia uhla tempa nemôžete spustiť žiadny iný kód, pretože sa svojím spôsobom zlomí cyklus slučky a jeden z týchto kódov nebudú fungovať.

Vysvetlím to na príklade, predpokladajme, že musíte urobiť projekt, v ktorom potrebujete ovládať jas žiarovky, súčasne musíte merať teplotu. Na reguláciu jasu žiarovky potrebujete obvod na reguláciu fázového uhla. Tiež je potrebné prečítať si s ním údaje o teplote. Ak je to tento scenár, váš obvod nebude fungovať správne, pretože senzoru DHT22 trvá určitý čas. dať svoje výstupné údaje. V tomto časovom období prestane pracovať riadiaci obvod fázového uhla, to znamená, že ak ste ho nakonfigurovali v režime dopytovania, ale ak ste nakonfigurovali signál prechodu nuly v režime prerušenia, nikdy nebudete môcť načítať údaje DHT. pretože kontrola CRC zlyhá.

Na vyriešenie tohto problému môžete použiť iný mikrokontrolér pre iný riadiaci obvod fázového uhla, ale zvýši to náklady na kusovník, ďalším riešením je použitie nášho obvodu, ktorý sa skladá z generických komponentov, ako je časovač 555, a tiež stojí menej.

Materiál potrebný pre riadiaci obvod fázového uhla striedavého prúdu

Obrázok nižšie zobrazuje materiály použité na vytvorenie obvodu, pretože sú vyrobené s veľmi všeobecnými komponentmi, takže by ste mali nájsť všetok uvedený materiál v miestnom obchode s hobby potrebami.

V nasledujúcej tabuľke som tiež uviedol komponenty a ich typ a množstvo, pretože ide o ukážkový projekt, na tento účel používam jeden kanál. Ale obvod je možné ľahko zväčšiť podľa požiadavky.

Č	Diely	Typ	Množstvo
1	Skrutkovacia svorka 5,04 mm	Konektor	3
2	Mužská hlavička 2,54 mm	Konektor	1X2
3	56K, 1W	Rezistor	2
4	1N4007	Dióda	4
5	0,1 uF, 25 V	Kondenzátor	2
6	100uF, 25V	Kondenzátor	2
7	LM7805	Regulátor napätia	1
8	1 tis	Rezistor	1
9	470R	Rezistor	2
10	47R	Rezistor	2
11	82 tis	Rezistor	1
12	10 tis	Rezistor	1
13	PC817	Optočlen	1
14	NE7555	IC	1
12	MOC3021	OptoTriac Drive	1
13	IRF9540	MOSFET	1
14	3,3uF	Kondenzátor	1
15	Pripojenie drôtov	Drôty	5
16	0,1 uF, 1 KV	Kondenzátor	1
17	Arduino Nano (na test)	Mikrokontrolér	1

Schéma zapojenia fázového uhla striedavého uhla

Schéma obvodu riadenia fázového uhla striedavého prúdu je uvedená nižšie, tento obvod je veľmi jednoduchý a na dosiahnutie riadenia fázového uhla používa všeobecné komponenty.

Obvod riadenia fázového uhla striedavého prúdu - funkčný

Tento okruh je zložený z veľmi starostlivo navrhnutých komponentov, prejdem každý jeden a vysvetlím každý blok.

Okruh detekcie prechodu nulou:

Po prvé, v našom zozname je obvod na detekciu prechodu nulou vyrobený s dvoma rezistormi 56K, 1W v spojení so štyrmi diódami 1n4007 a optočlenom PC817. A tento obvod je zodpovedný za poskytnutie signálu prechodu nulou do 555 časovača IC. Tiež sme nalepili fázu a neutrálny signál na ďalšie použitie v sekcii TRIAC.

Regulátor napätia LM7809:

Na napájanie obvodu sa používa regulátor napätia 7809, ktorý je zodpovedný za napájanie celého obvodu. Ďalej sme použili dva kondenzátory 470uF a kondenzátor 0,1uF ako odpojovací kondenzátor pre LM7809 IC.

Ovládací obvod s časovačom NE555:

Vyššie uvedený obrázok zobrazuje riadiaci obvod časovača 555, 555 je nakonfigurovaný v monostabilnej konfigurácii, takže keď spúšťací signál z detekčného obvodu prechodu nulou zasiahne spúšť, časovač 555 začne nabíjať kondenzátor pomocou odporu (všeobecne), ale náš obvod má namiesto rezistora MOSFET a riadením hradla MOSFET riadime prúd smerujúci do kondenzátora, preto riadime čas nabíjania, preto riadime výstup 555 časovačov. V mnohých projektoch sme použili 555 časovač IC na vytvorenie nášho projektu. Ak sa chcete dozvedieť viac informácií o tejto téme, môžete vyskúšať všetky ostatné projekty.

TRIAC a okruh vodičov TRIAC:

TRIAC funguje ako hlavný vypínač, ktorý sa v skutočnosti zapína a vypína, čím riadi výstup striedavého signálu. Pohon TRIAC je optotriakový pohon MOC3021, ktorý nielen poháňa TRIAC, ale poskytuje aj optickú izoláciu, vysokonapäťový kondenzátor 0,01 uF 2 KV a rezistor 47R vytvára tlmiaci obvod, ktorý chráni náš obvod pred vysokonapäťovými hrotmi ktoré sa vyskytujú, keď je pripojený k indukčnej záťaži, je za hroty zodpovedná nesínusová povaha spínaného striedavého signálu. Zodpovedá tiež za problémy s účinníkom, ale to je téma pre ďalší článok. V rôznych článkoch sme tiež použili TRIAC ako preferované zariadenie, ktoré môžete skontrolovať, ak to naznačuje váš záujem.

Nízkopriepustný filter a P-kanál MOSFET (funguje ako rezistor v obvode):

Rezistor 82K a kondenzátor 3,3uF tvoria dolnopriepustný filter, ktorý je zodpovedný za vyhladenie vysokofrekvenčného PWM signálu generovaného Arduinom. Ako už bolo spomenuté, P-Channel MOSFET funguje ako variabilný rezistor, ktorý riadi čas nabíjania kondenzátora. Ovláda ho signál PWM, ktorý je vyhladený dolnopriepustným filtrom. V predchádzajúcom článku sme objasnili koncepciu dolnopriepustných filtrov. Ak sa chcete dozvedieť viac podrobností, môžete sa pozrieť na článok o aktívnom dolnopriepustnom filtri alebo pasívnom dolnopriepustnom filtri.

Dizajn DPS pre obvod riadenia fázovým uhlom AC

DPS pre náš obvod riadenia fázového uhla je navrhnutý na jednostrannej doske. Na návrh DPS som použil program Eagle, ale môžete použiť akýkoľvek návrhový softvér podľa vášho výberu. 2D obrázok môjho návrhu dosky je zobrazený nižšie.

Na zabezpečenie správneho uzemnenia všetkých komponentov sa používa dostatočné množstvo zeminy. 12V vstup a 220 voltový AC vstup sú osadené na ľavej strane, výstup je na pravej strane PCB. Kompletný návrhový súbor pre Eagle a Gerber si môžete stiahnuť z odkazu nižšie.

• Stiahnite si PCB Design, GERBER a PDF súbory pre AC Phase Angle Control Circuit

Ručne vyrobená doska plošných spojov:

Pre pohodlie som vyrobil svoju vlastnoručne vyrobenú verziu DPS a je uvedená nižšie.

Arduino kód pre riadenie fázového uhla striedavého prúdu

Na zaistenie funkčnosti obvodu sa používa jednoduchý generačný kód PWM, kód a jeho vysvetlenie sú uvedené nižšie. Celý kód nájdete aj v spodnej časti tejto stránky. Najskôr deklarujeme všetky potrebné premenné, const int analogInPin = A0; // Analógový vstupný pin, ktorý je potenciometer pripojený k const int analogOutPin = 9; // Analógový výstupný kolík, ku ktorému je LED pripojená k int sensorValue = 0; // hodnota načítaná z potu int outputValue = 0; // výstup hodnoty do PWM (analógový výstup)

Premenné majú deklarovať analógový pin, pin analogOut a ďalšie premenné majú ukladať, prevádzať a tlačiť namapovanú hodnotu. Ďalej v sekcii setup () inicializujeme UART s 9600 baudami, aby sme mohli monitorovať výstup, a tak môžeme zistiť, ktorý rozsah PWM dokázal úplne riadiť výstup obvodu.

void setup () {// inicializovať sériovú komunikáciu rýchlosťou 9600 b / s: Serial.begin (9600); }

Ďalej v sekcii loop () prečítame analógový pin A0 a uložíme hodnotu do premennej hodnoty senzora, potom namapujeme hodnotu senzora na 0-255, pretože PWM časovač atmega má iba 8 bitov, ďalej nastavte signál PWM pomocou funkcie analogWrite () Arduina . a nakoniec vytlačíme hodnoty do okna sériového monitora, aby sme zistili rozsah riadiaceho signálu, pokiaľ sledujete tento návod, video na konci vám poskytne jasnejšiu predstavu o téme.

sensorValue = analogRead (analogInPin); // načítanie analógu v hodnote: outputValue = mapa (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // namapujte to na rozsah analógového výstupu: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // zmena hodnoty analógového výstupu: Serial.print ("sensor ="); // vytlač výsledky na Serial Monitor: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t output ="); Serial.println (outputValue);

Testovanie obvodu riadenia fázového uhla striedavého prúdu

Vyššie uvedený obrázok zobrazuje testovacie nastavenie obvodu. Napájanie 12V zaisťuje obvod 12V SMPS, záťaž je v našom prípade žiarovka, dá sa ľahko vymeniť \ za indukčnú záťaž ako ventilátor. Ako tiež vidíte, pripojil som potenciometer na reguláciu jasu žiarovky, ale je možné ho nahradiť ľubovoľnou inou formou ovládača, pri priblížení obrázku vidíte, že hrniec je pripojený k Pin A0 Arduina a signál PWM prichádza z pin9 Arduina.

Ako vidíte na obrázku vyššie, výstupná hodnota je 84 a jas žiarovky je veľmi nízky,

Na tomto obrázku vidíte, že hodnota je 82 a zvyšuje sa jas žiarovky.

Po mnohých neúspešných pokusoch sa mi podarilo vymyslieť obvod, ktorý skutočne funguje správne. Zaujímalo vás, ako vyzerá skúšobná stolica, keď nefunguje obvod? Poviem vám, že to vyzerá veľmi zle,

Toto je predtým navrhnutý obvod, na ktorom som pracoval. Musel som to úplne vyhodiť a vyrobiť nový, pretože ten predchádzajúci trochu nefungoval.

Ďalšie vylepšenia

Pre túto ukážku je obvod vyrobený na ručne vyrobenej doske plošných spojov, ale obvod sa dá ľahko postaviť na kvalitnej doske plošných spojov. Podľa mojich experimentov je veľkosť dosky plošných spojov skutočne veľká kvôli veľkosti komponentov, ale v produkčnom prostredí je môže byť znížená použitím lacných SMD súčiastok. V mojich experimentoch som zistil, že použitie časovača 7555 namiesto časovača 555 výrazne zvyšuje kontrolu, okrem toho sa zvyšuje aj stabilita obvodu.