Řízení fázového úhlu střídavého proudu pro stmívače světla a řízení otáček motoru pomocí časovače 555 a signálu pwm

Systémy domácí automatizace si každým dnem stále více získávají na popularitě a v dnešní době je snadné zapínat a vypínat určitá zařízení pomocí nějakého jednoduchého ovládacího mechanismu, jako je relé nebo spínač, jsme dříve vytvořili mnoho projektů domácí automatizace založených na Arduinu pomocí relé. Existuje však mnoho domácích spotřebičů, které vyžadují ovládání tohoto střídavého proudu, nikoli jen zapínání a vypínání. Nyní vstupte do světa řízení fázového úhlu střídavého proudu, je to jednoduchá technika, pomocí které můžete ovládat střídavý fázový úhel střídavého proudu. To znamená, že můžete ovládat rychlost stropního ventilátoru nebo jakéhokoli jiného ventilátoru střídavého proudu nebo dokonce můžete ovládat intenzitu LED nebo žárovky.

I když to zní jednoduše, proces jeho skutečné implementace je velmi obtížný, takže v tomto článku vytvoříme jednoduchý obvod řízení fázového úhlu střídavého proudu pomocí časovače 555 a nakonec použijeme Arduino generovat jednoduchý signál PWM pro řízení intenzity žárovky. Jak si nyní dokážete jasně představit, s tímto obvodem můžete vytvořit jednoduchý systém domácí automatizace, kde můžete ovládat ventilátor a stmívače střídavého světla pomocí jediného Arduina.

Co je řízení fázového úhlu střídavého proudu a jak to funguje?

Řízení fázového úhlu střídavého proudu je metoda, pomocí které můžeme ovládat nebo sekat sinusovou vlnu střídavého proudu. Úhel záblesku spínacího zařízení se mění po detekci průchodu nulou, což vede k průměrné výstupní napětí, které se mění úměrně s modifikovanou sinusovou vlnou, obraz se dále popisuje další.

Jak vidíte, nejprve máme náš vstupní signál střídavého proudu. Dále máme signál nulového přechodu, který každých 10 ms generuje přerušení. Dále máme spouštěcí signál brány, jakmile získáme spouštěcí signál, počkáme určitou dobu před vydáním spouštěcího impulzu, čím více čekáme, tím více můžeme snížit průměrné napětí a naopak. O tomto tématu budeme diskutovat dále v článku.

Výzvy v řízení fázového úhlu

Než se podíváme na schéma a všechny materiálové požadavky, pojďme si promluvit o některých problémech, které jsou spojeny s tímto druhem obvodu a jak je náš obvod řeší.

Naším cílem je zde řídit fázový úhel sinusové vlny AC pomocí mikrokontroléru pro jakýkoli druh domácí automatizační aplikace. Podíváme-li se na obrázek níže, můžete vidět, že žlutě máme sinusovou vlnu a zeleně máme signál procházející nulou.

Jak pracujeme s 50Hz sinusovou vlnou, vidíte, že signál přechodu nuly přichází každých 10 ms. V mikrokontroléru generuje přerušení každých 10 ms. pokud bychom kromě toho vložili jakýkoli jiný kód, druhý kód nemusí fungovat kvůli přerušení. Jak víme, frekvence linky v Indii je 50 Hz, takže pracujeme s 50 Hz sínusovou vlnou a abychom mohli ovládat síťový střídavý proud, musíme v určitém časovém rámci zapnout a vypnout TRIAC. K tomu používá řídicí obvod fázového úhlu založený na mikrokontroléru signál nulového přechodu jako přerušení, ale problém s touto metodou spočívá v tom, že kromě kódu pro řízení úhlu úhlu tempa nemůžete spustit žádný jiný kód, protože se tak nějak rozbije cyklus smyčky a jeden z těchto kódů nebudou fungovat.

Vysvětlím to na příkladu, předpokládejme, že musíte udělat projekt, kde potřebujete ovládat jas žárovky, současně musíte měřit teplotu. Chcete-li ovládat jas žárovky, potřebujete obvod pro řízení fázového úhlu, spolu s ním musíte také číst údaje o teplotě, pokud se jedná o scénář, váš obvod nebude fungovat správně, protože čidlo DHT22 nějakou dobu trvá dát své výstupní údaje. V tomto časovém období přestane řídicí obvod fázového úhlu fungovat, to znamená, pokud jste jej nakonfigurovali v režimu dotazování, ale pokud jste nakonfigurovali signál nulového přechodu v režimu přerušení, nikdy nebudete moci číst data DHT protože kontrola CRC selže.

Chcete-li tento problém vyřešit, můžete použít jiný mikrokontrolér pro jiný obvod řízení fázového úhlu, ale zvýší to náklady na kusovník, dalším řešením je použít náš obvod, který je tvořen obecnými součástmi, jako je časovač 555, a také stojí méně.

Materiál potřebný pro ovládací obvod fázového úhlu střídavého proudu

Obrázek níže ukazuje materiály použité k sestavení obvodu, protože je vyroben s velmi obecnými součástmi, měli byste být schopni najít veškerý uvedený materiál ve vašem místním hobby obchodě.

Také jsem uvedl komponenty v tabulce níže s typem a množstvím, protože se jedná o demonstrační projekt, používám k tomu jediný kanál. Ale obvod lze snadno zvětšit podle požadavku.

Sl. Č	Díly	Typ	Množství
1	Šroubová svorka 5,04 mm	Konektor	3
2	Zdířka pro muže 2,54 mm	Konektor	1X2
3	56K, 1W	Rezistor	2
4	1N4007	Dioda	4
5	0,1 uF, 25 V	Kondenzátor	2
6	100uF, 25V	Kondenzátor	2
7	LM7805	Regulátor napětí	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	3,3 uF	Kondenzátor	1
15	Připojení vodičů	Dráty	5
16	0,1 uF, 1 KV	Kondenzátor	1
17	Arduino Nano (pro test)	Mikrokontrolér	1

Schéma zapojení AC fázového úhlu

Schéma obvodu řízení fázového úhlu střídavého úhlu je uvedeno níže, tento obvod je velmi jednoduchý a k dosažení řízení fázového úhlu využívá obecné komponenty.

Obvod řízení fázového úhlu střídavého proudu - pracuje

Tento obvod je složen z velmi pečlivě navržených komponent, projdu každou z nich a vysvětlím každý blok.

Okruh detekce nulového přechodu:

Nejprve je v našem seznamu obvod pro detekci přechodu nuly vyroben se dvěma rezistory 56K, 1W ve spojení se čtyřmi diodami 1n4007 a optočlenem PC817. A tento obvod je zodpovědný za poskytování signálu přechodu nuly do IC 555 časovače. Rovněž jsme nalepili fázi a neutrální signál pro další použití v sekci TRIAC.

Regulátor napětí LM7809:

Regulátor napětí 7809 se používá k napájení obvodu, obvod je zodpovědný za napájení celého obvodu. Navíc jsme pro LM7809 IC použili dva oddělovací kondenzátory 470uF a kondenzátor 0,1uF jako oddělovací kondenzátor.

Řídicí obvod s časovačem NE555:

Výše uvedený obrázek ukazuje řídicí obvod časovače 555, 555 je konfigurován v monostabilní konfiguraci, takže když spouštěcí signál z detekčního obvodu procházejícího nulou zasáhne spoušť, časovač 555 začne nabíjet kondenzátor pomocí odporu (obecně), ale náš obvod má místo odporu MOSFET a ovládáním brány MOSFET ovládáme proud směřující do kondenzátoru, proto kontrolujeme dobu nabíjení, proto kontrolujeme výstup 555 časovačů. V mnoha projektech jsme použili 555 časovač IC k vytvoření našeho projektu, pokud se chcete dozvědět více o tomto tématu, můžete se podívat na všechny ostatní projekty.

TRIAC a obvod řidiče TRIAC:

TRIAC funguje jako hlavní vypínač, který ve skutečnosti zapíná a vypíná, a tak řídí výstup střídavého signálu. Pohon TRIAC je optotriakový pohon MOC3021, který nejen pohání TRIAC, ale také poskytuje optickou izolaci, vysokonapěťový kondenzátor 0,01uF 2KV a rezistor 47R tvoří tlumící obvod, který chrání náš obvod před vysokonapěťovými hroty které nastanou, když je připojeno k indukční zátěži, je za hroty zodpovědná nesinusová povaha spínaného střídavého signálu. Je také zodpovědný za problémy s účinníkem, ale to je téma pro další článek. V různých článcích jsme také použili TRIAC jako naše preferované zařízení, můžete si je prohlédnout, pokud to pokládá váš zájem.

Nízkoprůchodový filtr a P-kanál MOSFET (působí jako rezistor v obvodu):

Rezistor 82K a kondenzátor 3,3uF tvoří dolní propust, který je zodpovědný za vyhlazení vysokofrekvenčního PWM signálu generovaného Arduinem. Jak již bylo zmíněno dříve, P-Channel MOSFET funguje jako proměnný rezistor, který řídí dobu nabíjení kondenzátoru. Ovládá jej signál PWM, který je vyhlazován dolnoprůchodovým filtrem. V předchozím článku jsme objasnili koncept filtrů dolní propusti, můžete se podívat na článek o aktivním nízkoprůchodovém filtru nebo pasivním nízkoprůchodovém filtru, pokud se chcete o tématu dozvědět více.

Návrh desky plošných spojů pro ovládací obvod střídavého úhlu

Deska plošných spojů pro náš obvod fázového úhlu je navržena v jednostranné desce. K návrhu desky plošných spojů jsem použil program Eagle, ale můžete použít jakýkoli návrhový software podle vašeho výběru. 2D obrázek mého návrhu desky je zobrazen níže.

K řádnému uzemnění všech komponent se používá dostatečné naplnění země. 12V DC vstup a 220 V AC vstup jsou osazeny na levé straně, výstup je umístěn na pravé straně desky plošných spojů. Kompletní konstrukční soubor pro Eagle spolu s Gerberem si můžete stáhnout z níže uvedeného odkazu.

• Stáhněte si PCB Design, GERBER a PDF soubory pro AC Phase Angle Control Circuit

Ruční PCB:

Pro větší pohodlí jsem vyrobil svoji ručně vyrobenou verzi desky plošných spojů a je zobrazena níže.

Arduino kód pro řízení fázového úhlu střídavého proudu

Pro fungování obvodu se používá jednoduchý generační kód PWM, kód a jeho vysvětlení jsou uvedeny níže. Celý kód také najdete ve spodní části této stránky. Nejprve deklarujeme všechny potřebné proměnné, const int analogInPin = A0; // Analogový vstupní pin, který je potenciometr připojen ke const int analogOutPin = 9; // Analogový výstupní pin, ke kterému je LED připojena k int sensorValue = 0; // hodnota načtená z pot int int outputValue = 0; // hodnota výstupu do PWM (analogový výstup)

Proměnné mají deklarovat analogový kolík, analogový kolík a ostatní proměnné mají ukládat, převádět a tisknout namapovanou hodnotu. Dále v sekci setup () inicializujeme UART s 9600 baudy, abychom mohli monitorovat výstup, a tak můžeme zjistit, který rozsah PWM dokázal úplně ovládat výstup obvodu.

void setup () {// inicializovat sériovou komunikaci rychlostí 9600 b / s: Serial.begin (9600); }

Dále v sekci loop () načteme analogový pin A0 a uložíme hodnotu do proměnné hodnoty senzoru, dále namapujeme hodnotu senzoru na 0-255, protože PWM časovač atmega je pouze 8 bitů, dále jsme nastavte signál PWM pomocí funkce analogWrite () Arduina. a nakonec vytiskneme hodnoty do okna sériového monitoru, abychom zjistili rozsah řídicího signálu, pokud sledujete tento návod, video na konci vám poskytne jasnější představu o daném tématu.

sensorValue = analogRead (analogInPin); // načtení analogu v hodnotě: outputValue = mapa (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // namapujte jej na rozsah analogového výstupu: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // změna hodnoty analogového výstupu: Serial.print ("sensor ="); // tisk výsledků na Serial Monitor: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t output ="); Serial.println (outputValue);

Testování řídicího obvodu fázového úhlu střídavého proudu

Výše uvedený obrázek ukazuje zkušební nastavení obvodu. Napájení 12V zajišťuje obvod 12V SMPS, zátěž je v našem případě žárovka, lze ji snadno vyměnit \ za indukční zátěž jako ventilátor. Také, jak vidíte, jsem připojil potenciometr pro ovládání jasu lampy, ale lze jej nahradit jakoukoli jinou formou ovladače, pokud přiblížíte obrázek, uvidíte, že hrnec je připojen k Pin A0 Arduina a signál PWM vychází z pin9 Arduina.

Jak vidíte na obrázku výše, výstupní hodnota je 84 a jas žárovky je velmi nízký,

Na tomto obrázku vidíte, že hodnota je 82 a zvyšuje se jas žárovky.

Po mnoha neúspěšných pokusech jsem byl schopen přijít s obvodem, který skutečně funguje správně. Přemýšleli jste někdy, jak vypadá zkušební stolice, když obvod nefunguje? Řeknu ti, že to vypadá velmi špatně,

Toto je dříve navržený obvod, na kterém jsem pracoval. Musel jsem to úplně vyhodit a udělat nový, protože ten předchozí trochu nefungoval.

Další vylepšení

Pro tuto ukázku je obvod vyroben na ručně vyrobené desce plošných spojů, ale obvod lze snadno postavit na kvalitní desce plošných spojů, podle mých experimentů je velikost desky plošných spojů opravdu velká kvůli velikosti součásti, ale v produkčním prostředí je lze snížit použitím levných SMD součástek, V mých experimentech jsem zjistil, že použití časovače 7555 místo časovače 555 značně zvyšuje kontrolu, dále se zvyšuje také stabilita obvodu.