Kontrola kąta fazy AC dla ściemniaczy światła i kontrola prędkości silnika za pomocą timera 555 i sygnału PWM

Systemy automatyki domowej zyskują coraz większą popularność z dnia na dzień, a obecnie łatwo jest włączać i wyłączać niektóre urządzenia za pomocą prostego mechanizmu sterującego, takiego jak przekaźnik lub przełącznik, wcześniej zbudowaliśmy wiele projektów automatyki domowej opartych na Arduino przy użyciu przekaźników. Ale jest wiele urządzeń domowych, które wymagają kontroli tego źródła zasilania, a nie tylko włączania lub wyłączania. Teraz wejdź do świata kontroli kąta fazowego AC, jest to prosta technika, dzięki której możesz kontrolować kąt fazowy AC. Oznacza to, że możesz kontrolować prędkość wentylatora sufitowego lub dowolnego innego wentylatora AC, a nawet możesz kontrolować intensywność diody LED lub żarówki.

Choć brzmi to prosto, proces jego implementacji jest bardzo trudny, dlatego w tym artykule zamierzamy zbudować prosty obwód sterowania kątem fazowym AC za pomocą timera 555, a na koniec użyjemy Arduino do generowania prostego sygnału PWM do kontrolowania intensywności żarówki. Jak możesz sobie teraz jasno wyobrazić, dzięki temu obwodowi możesz zbudować prosty system automatyki domowej, w którym możesz sterować wentylatorem i ściemniaczami światła AC za pomocą jednego Arduino.

Co to jest kontrola kąta fazowego prądu przemiennego i jak działa?

Kontrola kąta fazy AC to metoda, za pomocą której możemy kontrolować lub przerywać sinusoidę AC. Kąt wysterowania urządzenia przełączającego jest zmieniana w następstwie detekcji przejścia przez zero, co prowadzi do średniej napięcie wyjściowe, które zmieniają się proporcjonalnie do zmodyfikowanej sinusoidy obraz poniżej opisano bardziej.

Jak widać, najpierw mamy sygnał wejściowy AC. Następnie mamy sygnał przejścia przez zero, który generuje przerwanie co 10 ms. Następnie mamy sygnał wyzwalający bramkę, gdy otrzymamy sygnał wyzwalający, czekamy przez pewien okres przed podaniem impulsu wyzwalającego, im dłużej czekamy, tym bardziej możemy zmniejszyć średnie napięcie i odwrotnie. Więcej na ten temat omówimy w dalszej części artykułu.

Wyzwania w fazowej kontroli kąta

Zanim przyjrzymy się schematowi i wszystkim wymaganiom materiałowym, porozmawiajmy o niektórych problemach, które są związane z tego rodzaju obwodem i jak nasz obwód je rozwiązuje.

Naszym celem jest tutaj kontrola kąta fazowego fali sinusoidalnej AC za pomocą mikrokontrolera, dla każdego rodzaju aplikacji automatyki domowej. Jeśli spojrzymy na poniższy obrazek, widać, że na żółto mamy naszą falę sinusoidalną, a na zielono mamy sygnał przejścia przez zero.

Możesz zobaczyć, że sygnał przejścia przez zero pojawia się co 10 ms, gdy pracujemy z falą sinusoidalną 50 Hz. W mikrokontrolerze generuje przerwanie co 10ms. jeśli mielibyśmy umieścić inny kod poza tym, drugi kod może nie działać z powodu przerwy. Ponieważ wiemy, że częstotliwość linii słyszanej w Indiach wynosi 50 Hz, więc pracujemy z falą sinusoidalną 50 Hz i aby kontrolować napięcie sieciowe prądu przemiennego, musimy włączać i wyłączać TRIAC w określonych ramach czasowych. Aby to zrobić, obwód sterowania kątem fazowym oparty na mikrokontrolerze wykorzystuje sygnał przejścia przez zero jako przerwanie, ale problem z tą metodą polega na tym, że nie można uruchomić żadnego innego kodu oprócz kodu sterującego kątem tempa, ponieważ w pewien sposób zepsuje cykl pętli i jeden z tych kodów nie zadziała.

Pozwól, że wyjaśnię na przykładzie, przypuśćmy, że musisz wykonać projekt, w którym musisz kontrolować jasność żarówki, a także musisz mierzyć temperaturę w tym samym czasie. Do sterowania jasnością żarówki żarowej potrzebny jest obwód kontroli kąta fazowego, również trzeba odczytać wraz z nim dane temperatury, jeśli taki jest scenariusz to twój obwód nie będzie działał poprawnie bo czujnik DHT22 potrzebuje trochę czasu na podać swoje dane wyjściowe. W tym czasie obwód sterowania kątem fazowym przestanie działać, to znaczy jeśli skonfigurowałeś go w trybie odpytywania, ale jeśli skonfigurowałeś sygnał przejścia przez zero w trybie przerwania, nigdy nie będziesz w stanie odczytać danych DHT ponieważ sprawdzenie CRC zakończy się niepowodzeniem.

Aby rozwiązać ten problem, możesz użyć innego mikrokontrolera dla innego obwodu sterowania kątem fazowym, ale zwiększy to koszt BOM, innym rozwiązaniem jest użycie naszego obwodu, który składa się z ogólnych komponentów, takich jak zegar 555, a także kosztuje mniej.

Materiał wymagany do obwodu sterowania kątem fazowym AC

Poniższy obrazek przedstawia materiały użyte do budowy obwodu, ponieważ jest on wykonany z bardzo ogólnych komponentów, więc wszystkie wymienione materiały powinny być w stanie znaleźć w lokalnym sklepie hobbystycznym.

Wymieniłem również komponenty w poniższej tabeli z typem i ilością, ponieważ jest to projekt demonstracyjny, używam do tego jednego kanału. Ale obwód można łatwo skalować zgodnie z wymaganiami.

Sl.No	Części	Rodzaj	Ilość
1	Zacisk śrubowy 5,04 mm	Złącze	3
2	Złącze męskie 2,54 mm	Złącze	1X2
3	56K, 1W	Rezystor	2
4	1N4007	Dioda	4
5	0,1 uF, 25 V.	Kondensator	2
6	100 uF, 25 V.	Kondensator	2
7	LM7805	Regulator napięcia	1
8	1K	Rezystor	1
9	470R	Rezystor	2
10	47R	Rezystor	2
11	82K	Rezystor	1
12	10K	Rezystor	1
13	PC817	Transoptor	1
14	NE7555	IC	1
12	MOC3021	Napęd OptoTriac	1
13	IRF9540	MOSFET	1
14	3,3 uF	Kondensator	1
15	Podłączanie przewodów	Przewody	5
16	0,1 uF, 1KV	Kondensator	1
17	Arduino Nano (do testu)	Mikrokontroler	1

Schemat obwodu sterowania kątem fazowym AC

Schemat obwodu sterowania kątem fazowym prądu przemiennego pokazano poniżej, obwód ten jest bardzo prosty i wykorzystuje komponenty ogólne do uzyskania kontroli kąta fazowego.

Obwód sterowania kątem fazy AC - działa

Ten obwód składa się z bardzo starannie zaprojektowanych elementów, przejdę przez każdy z nich i wyjaśnię każdy blok.

Obwód wykrywania przejścia przez zero:

Po pierwsze, na naszej liście obwód wykrywania przejścia przez zero składa się z dwóch rezystorów 56K, 1W w połączeniu z czterema diodami 1n4007 i transoptorem PC817. Ten obwód jest odpowiedzialny za dostarczanie sygnału przejścia przez zero do układu scalonego zegara 555. Odkleiliśmy również fazę i sygnał neutralny, aby dalej używać go w sekcji TRIAC.

Regulator napięcia LM7809:

Do zasilania obwodu służy regulator napięcia 7809, który odpowiada za zasilanie całego obwodu. Dodatkowo zastosowaliśmy dwa kondensatory 470uF i kondensator 0,1uF jako kondensator odsprzęgający dla układu LM7809.

Obwód sterowania z zegarem NE555:

Powyższy obraz przedstawia obwód sterujący timera 555, 555 jest skonfigurowany w konfiguracji monostabilnej, więc gdy sygnał wyzwalający z obwodu wykrywania przejścia przez zero trafi w wyzwalacz, timer 555 zaczyna ładować kondensator za pomocą rezystora (generalnie), ale nasz układ ma MOSFET zamiast rezystora i sterując bramką MOSFET-a sterujemy prądem płynącym do kondensatora, dlatego kontrolujemy czas ładowania stąd sterujemy wyjściem timerów 555. W wielu projektach wykorzystaliśmy układ scalony timera 555, aby nasz projekt, jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na ten temat, możesz sprawdzić wszystkie inne projekty.

TRIAC i obwód sterownika TRIAC:

TRIAC działa jako główny wyłącznik, który faktycznie włącza i wyłącza, kontrolując w ten sposób wyjście sygnału AC. Napęd TRIAC to napęd optotriaka MOC3021, który nie tylko napędza TRIAC, ale zapewnia również izolację optyczną, kondensator wysokiego napięcia 0,01 uF 2KV, a rezystor 47R tworzy obwód tłumiący, który chroni nasz obwód przed skokami wysokiego napięcia które występują, gdy jest on podłączony do obciążenia indukcyjnego, za skoki odpowiada niesinusoidalny charakter przełączanego sygnału AC. Jest również odpowiedzialny za problemy ze współczynnikiem mocy, ale to temat na inny artykuł. Ponadto w różnych artykułach wykorzystaliśmy TRIAC jako nasze preferowane urządzenie, możesz je sprawdzić, jeśli wzbudzi to Twoje zainteresowanie.

Filtr dolnoprzepustowy i tranzystor MOSFET z kanałem P (działający jako rezystor w obwodzie):

Rezystor 82K i kondensator 3,3uF tworzą filtr dolnoprzepustowy, który odpowiada za wygładzenie sygnału PWM wysokiej częstotliwości generowanego przez Arduino. Jak wspomniano wcześniej, tranzystor MOSFET z kanałem P działa jako rezystor zmienny, który kontroluje czas ładowania kondensatora. Kontroluje go sygnał PWM, który jest wygładzany przez filtr dolnoprzepustowy. W poprzednim artykule wyjaśniliśmy pojęcie filtrów dolnoprzepustowych, możesz zapoznać się z artykułem o aktywnym filtrze dolnoprzepustowym lub pasywnym filtrze dolnoprzepustowym, jeśli chcesz dowiedzieć się więcej na ten temat.

Projekt PCB dla obwodu sterowania kątem fazowym AC

Płytka drukowana naszego obwodu kontroli kąta fazowego została zaprojektowana jako płytka jednostronna. Użyłem programu Eagle do zaprojektowania mojej płytki PCB, ale możesz użyć dowolnego wybranego oprogramowania do projektowania. Obraz 2D mojego projektu płyty jest pokazany poniżej.

Wystarczające wypełnienie ziemią służy do prawidłowego podłączenia uziemienia między wszystkimi komponentami. Wejście 12V DC i wejście 220 Volt AC są umieszczone po lewej stronie, wyjście znajduje się po prawej stronie płytki drukowanej. Pełny plik projektowy dla Eagle wraz z Gerber można pobrać z linku poniżej.

• Pobierz pliki projektu PCB, GERBER i PDF dla obwodu kontroli kąta fazowego AC

Ręcznie robiona płytka drukowana:

Dla wygody wykonałem ręcznie wykonaną wersję PCB i pokazano ją poniżej.

Kod Arduino do kontroli kąta fazy AC

Aby obwód działał, używany jest prosty kod generacji PWM, kod i jego wyjaśnienie podano poniżej. Możesz również znaleźć pełny kod na dole tej strony. Najpierw deklarujemy wszystkie niezbędne zmienne, const int analogInPin = A0; // Analogowy pin wejściowy, do którego potencjometr jest podłączony do const int analogOutPin = 9; // Analogowy pin wyjściowy, do którego podłączona jest dioda LED int sensorValue = 0; // wartość odczytana z puli int outputValue = 0; // wyjście wartości do PWM (wyjście analogowe)

Zmienne mają zadeklarować pin analogowy, pin analogOut, a inne zmienne mają przechowywać, konwertować i drukować zmapowaną wartość. Następnie w sekcji setup () inicjujemy UART z 9600 bodów, abyśmy mogli monitorować wyjście i w ten sposób możemy dowiedzieć się, który zakres PWM był w stanie całkowicie kontrolować wyjście obwodu.

void setup () {// inicjalizacja komunikacji szeregowej przy 9600 bps: Serial.begin (9600); }

Następnie w sekcji loop () odczytujemy pin analogowy A0 i zapisujemy wartość do zmiennej wartości czujnika, następnie mapujemy wartość czujnika na 0-255 ponieważ licznik PWM atmegi ma tylko 8 bitów, następnie ustawić sygnał PWM za pomocą funkcji analogWrite () Arduino. i na koniec drukujemy wartości do okna monitora szeregowego, aby poznać zakres sygnału sterującego, jeśli postępujesz zgodnie z tym samouczkiem, wideo na końcu da ci jaśniejszy obraz tematu.

sensorValue = analogRead (analogInPin); // odczytaj wartość analogową: outputValue = map (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // odwzoruj go na zakres wyjścia analogowego: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // zmień wartość wyjścia analogowego: Serial.print ("sensor ="); // wydrukuj wyniki do Serial Monitor: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t wyjście ="); Serial.println (outputValue);

Testowanie obwodu sterowania kątem fazy AC

Powyższy obraz przedstawia konfigurację testową obwodu. Zasilanie 12V zapewnia obwód 12V SMPS, obciążeniem w naszym przypadku jest żarówka, można ją łatwo wymienić \ na obciążenie indukcyjne jak wentylator. Też jak widać założyłem potencjometr do regulacji jasności lampy ale można go wymienić na dowolną inną formę kontrolera, powiększając obraz widać, że potencjometr jest podłączony do Pin A0 Arduino, a sygnał PWM pochodzi z pinu 9 Arduino.

Jak widać na powyższym obrazku, wartość wyjściowa wynosi 84, a jasność żarówki jest bardzo mała,

Na tym obrazie widać, że wartość wynosi 82, a jasność żarowej żarówki wzrasta.

Po wielu nieudanych próbach udało mi się wymyślić obwód, który faktycznie działa poprawnie. Czy zastanawiałeś się kiedyś, jak wygląda stanowisko testowe, gdy obwód nie działa? Powiem ci, że wygląda to bardzo źle,

To jest wcześniej zaprojektowany obwód, nad którym pracowałem. Musiałem go całkowicie wyrzucić i zrobić nowy, ponieważ poprzedni trochę nie działał.

Dalsze ulepszenia

W tej demonstracji obwód jest wykonany na ręcznie robionej płytce drukowanej, ale obwód można łatwo zbudować w dobrej jakości PCB, w moich eksperymentach rozmiar PCB jest naprawdę duży ze względu na rozmiar komponentu, ale w środowisku produkcyjnym jest to można zmniejszyć za pomocą tanich komponentów SMD.W moich eksperymentach odkryłem, że użycie timera 7555 zamiast timera 555 znacznie zwiększa kontroler, a ponadto zwiększa się również stabilność obwodu.