Regulacija faznog kuta izmjenične struje za prigušivače svjetla i kontrolu brzine motora pomoću 555 timera i pwm signala

Sustavi kućne automatizacije iz dana u dan sve više stječu popularnost, a danas je postalo lako uključiti i isključiti određene uređaje pomoću nekih jednostavnih upravljačkih mehanizama poput releja ili prekidača, već smo izgradili mnoge projekte kućne automatizacije temeljene na Arduinu koristeći releje. Ali postoje mnogi kućanski uređaji koji zahtijevaju kontrolu ove izmjenične struje, a ne samo uključivanje ili isključivanje. Sada, uđite u svijet kontrole faznog kuta izmjenične struje, to je jednostavna tehnika pomoću koje možete kontrolirati kut fazne izmjenične struje. To znači da možete kontrolirati brzinu vašeg stropnog ventilatora ili bilo kojeg drugog ventilatora za izmjeničnu struju ili čak možete kontrolirati jačinu LED ili žarulje sa žarnom niti.

Iako zvuči jednostavno, postupak njegove stvarne provedbe vrlo je težak, pa ćemo u ovom članku izgraditi jednostavan krug upravljanja faznim naizmjeničnom strujom uz pomoć 555 timera, a na kraju ćemo koristiti Arduino za generiranje jednostavnog PWM signala za kontrolu jačine žarulje sa žarnom niti. Kao što sada jasno možete zamisliti, s ovim krugom možete izgraditi jednostavan sustav automatizacije kuće gdje možete upravljati ventilatorom i prigušivačima svjetla Ac jednim Arduinom.

Što je kontrola kuta fazne izmjenične struje i kako to djeluje?

Regulacija kuta fazne izmjenične struje metoda je kojom možemo kontrolirati ili usitniti sinusni val izmjeničnog napona. Kut otpuštanje preklopnog uređaja se mijenja nakon detekcije nulte prijelaz, što je rezultiralo prosječnim izlazni napon koji se mijenja proporcionalno s modificiranim sinusnog vala, slika ispod opisuje više.

Kao što vidite, prvo imamo ulazni signal izmjeničnog napona. Dalje, imamo signal prelaska nule, koji generira prekid svakih 10 ms. Dalje, imamo signal okidača na vratima, nakon što dobijemo signal okidača, čekamo određeno razdoblje prije nego što damo puls okidača, što više čekamo, to više možemo smanjiti prosječni napon i obrnuto. O toj ćemo temi razgovarati kasnije u članku.

Izazovi u kontroli faznog kuta

Prije nego što pogledamo shemu i sve zahtjeve za materijalom, razgovarajmo o nekim problemima koji su povezani s ovom vrstom sklopa i o tome kako ih naš krug rješava.

Naš je cilj ovdje kontrolirati fazni kut izmjeničnog sinusnog vala uz pomoć mikrokontrolera za bilo koju vrstu automatizacije kuće. Ako pogledamo donju sliku, možete vidjeti da u žutoj boji imamo sinusni val, a u zelenoj imamo signal prelaska nule.

Možete vidjeti da signal prelaska nule dolazi svakih 10 ms dok radimo sa 50Hz sinusnim valom. U mikrokontroleru generira prekid svakih 10 ms. ako bismo dodali bilo koji drugi kôd osim toga, drugi kôd možda neće raditi zbog prekida. Kao što znamo da čuje linijska frekvencija u Indiji 50Hz, tako da radimo sa sinusnim valom od 50Hz, a da bismo kontrolirali mrežni izmjenični napon, moramo uključiti i isključiti TRIAC u određenom vremenskom okviru. Da bi to postigao, upravljački krug faznog kuta zasnovan na mikrokontroleru koristi signal prelaska nule kao prekid, ali problem ove metode je taj što ne možete pokrenuti niti jedan drugi kôd osim koda za upravljanje kutom tempa, jer će se na neki način prekinuti ciklus petlje i jedan od tih kodova neće raditi.

Dopustite mi da pojasnim na primjeru, pretpostavimo da morate napraviti projekt u kojem trebate kontrolirati svjetlinu žarulje sa žarnom niti, a istovremeno trebate izmjeriti temperaturu. Da biste kontrolirali svjetlinu žarulje sa žarnom niti, potreban vam je upravljački krug faznog kuta, također morate zajedno s njim pročitati podatke o temperaturi, ako je ovo scenarij, vaš krug neće raditi ispravno jer DHT22 senzoru treba neko vrijeme da dati svoje izlazne podatke. U tom vremenskom razdoblju krug upravljanja faznim kutom prestat će raditi, to jest ako ste ga konfigurirali u načinu ankete, ali ako ste signal prelaska nule konfigurirali u načinu prekida, nikada nećete moći pročitati DHT podatke jer CRC provjera neće uspjeti.

Da biste riješili taj problem, možete upotrijebiti drugi mikrokontroler za različiti krug upravljanja faznim kutom, ali to će povećati trošak specifikacije, drugo rješenje je korištenje našeg sklopa koji se sastoji od generičkih komponenata poput 555 timera i također košta manje.

Materijal potreban za upravljački krug faznog kuta izmjenične struje

Na slici ispod prikazani su materijali korišteni za izradu strujnog kruga, jer je ovaj napravljen od vrlo generičkih komponenata, sav navedeni materijal trebali biste moći pronaći u svojoj lokalnoj hobi trgovini.

Također sam naveo komponente u donjoj tablici s vrstom i količinom, budući da je riječ o demonstracijskom projektu, za to koristim jedan kanal. Ali sklop se lako može povećati prema zahtjevu.

Sl.br.	Dijelovi	Tip	Količina
1	Vijčana stezaljka 5.04mm	Konektor	3
2	Muški zaglavlje 2,54 mm	Konektor	1X2
3	56K, 1W	Otpornik	2
4	1N4007	Dioda	4
5	0,1uF, 25V	Kondenzator	2
6	100uF, 25V	Kondenzator	2
7	LM7805	Regulator napona	1
8	1K	Otpornik	1
9	470R	Otpornik	2
10	47R	Otpornik	2
11	82.000	Otpornik	1
12	10.000	Otpornik	1
13	PC817	Optoparnik	1
14	NE7555	IC	1
12	MOC3021	OptoTriac pogon	1
13	IRF9540	MOSFET	1
14	3,3uF	Kondenzator	1
15	Spajanje žica	Žice	5
16	0,1 uF, 1KV	Kondenzator	1
17	Arduino Nano (za test)	Mikrokontroler	1

Dijagram upravljačkog kuta faze izmjenične struje

Shema za krug upravljanja faznim kutom izmjenične struje prikazana je u nastavku, ovaj je sklop vrlo jednostavan i koristi generičke komponente za postizanje regulacije faznog kuta.

Krug za upravljanje kutom faze izmjenične struje - radi

Ovaj se krug sastoji od vrlo pažljivo dizajniranih komponenata, proći ću kroz svaku i objasniti svaki blok.

Krug za otkrivanje nule-križanja:

Prvo, na našem je popisu sklop za otkrivanje prelaska nule napravljen s dva otpora od 56K, 1W u kombinaciji s četiri diode 1n4007 i optičkim sklopnikom PC817. A ovaj je krug odgovoran za pružanje signala prelaska nule na IC 555 tajmera. Također, snimili smo fazu i neutralni signal za daljnju upotrebu u odjeljku TRIAC.

LM7809 Regulator napona:

Naponski regulator 7809 koristi se za napajanje kruga, krug je odgovoran za napajanje cijelog kruga. Uz to, koristili smo dva kondenzatora od 470uF i kondenzator od 0,1uF kao odvojni kondenzator za LM7809 IC.

Upravljački krug s NE555 timerom:

Gornja slika prikazuje upravljački krug 555 timera, 555 je konfiguriran u monostabilnoj konfiguraciji, pa kad signal okidača iz kruga otkrivanja nule-križanja pogodi okidač, 555 timer počinje puniti kondenzator uz pomoć otpornika (općenito), ali naš krug ima MOSFET umjesto otpornika, a upravljajući vratima MOSFET-a kontroliramo struju koja ide prema kondenzatoru, zato kontroliramo vrijeme punjenja pa stoga kontroliramo izlaz 555 timera. U mnogim projektima koristili smo 555 IC tajmera kako bismo napravili naš projekt. Ako želite znati više o ovoj temi, možete provjeriti sve ostale projekte.

TRIAC i krug TRIAC-vozača:

TRIAC djeluje kao glavni prekidač koji se zapravo uključuje i isključuje, te tako kontrolira izlaz AC signala. Pogon TRIAC-a je MOC3021 optotrički pogon, on ne samo da pokreće TRIAC, već pruža i optičku izolaciju, visokonaponski kondenzator 0,01uF 2KV, a otpor 47R tvori snuber krug, koji štiti naš krug od visokonaponskih skokova koji se javljaju kada je povezan s induktivnim opterećenjem, nesinusna priroda preklopljenog izmjeničnog signala odgovorna je za šiljke. Također je odgovoran za pitanja faktora snage, ali to je tema za drugi članak. Također, u raznim člancima koristili smo TRIAC kao svoj omiljeni uređaj, a možete ih provjeriti i ako vas to zanima.

Niskopropusni filtar i P-kanalni MOSFET (djeluje kao otpornik u krugu):

Otpor 82K i kondenzator 3.3uF čine niskopropusni filtar koji je odgovoran za izravnavanje visokofrekventnog PWM signala koji generira Arduino. Kao što je prethodno spomenuto, P-kanalni MOSFET djeluje kao promjenjivi otpor koji kontrolira vrijeme punjenja kondenzatora. Upravljanje njime je PWM signal koji izravnava niskopropusni filtar. U prethodnom smo članku raščistili koncept niskopropusnih filtara, možete pogledati članak o aktivnom niskopropusnom filtru ili pasivnom niskopropusnom filtru ako želite saznati više o toj temi.

Dizajn PCB-a za upravljački krug faznog kuta izmjenične struje

PCB za naš krug upravljanja kutom faze dizajniran je u jednostranoj ploči. Koristio sam Eagle za dizajn svoje PCB-a, ali možete koristiti bilo koji softver za dizajn po vašem izboru. 2D slika mog dizajna ploče prikazana je u nastavku.

Dovoljno punjenja zemljom koristi se za uspostavljanje pravilnih spojeva uzemljenja između svih komponenata. Ulaz od 12 V istosmjerne struje i ulaz od 220 V izmjeničnog napona naseljeni su s lijeve strane, a izlaz je smješten na desnoj strani PCB-a. Kompletnu datoteku dizajna za Eagle zajedno s Gerberom možete preuzeti s donje poveznice.

• Preuzmite PCB dizajn, GERBER i PDF datoteke za upravljački krug faznog kuta izmjenične struje

Ručno izrađena PCB:

Radi praktičnosti izradio sam svoju ručno izrađenu verziju PCB-a i ona je prikazana u nastavku.

Arduino kod za kontrolu faznog kuta izmjenične struje

Za rad kruga koristi se jednostavan kod generiranja PWM-a, kôd i njegovo objašnjenje dati su u nastavku. Kompletni kod također možete pronaći na dnu ove stranice. Prvo, deklariramo sve potrebne varijable, const int analogInPin = A0; // Analogni ulazni pin na koji je potenciometar priključen const int analogOutPin = 9; // Analogni izlazni pin na koji je LED dioda priključena na int sensorValue = 0; // vrijednost pročitana iz pota int outputValue = 0; // izlaz vrijednosti na PWM (analogni izlaz)

Varijable trebaju deklarirati analogni pin, analogOut pin, a ostale varijable trebaju pohraniti, pretvoriti i ispisati mapiranu vrijednost. Sljedeće u odjeljku setup () parafiramo UART s 9600 baud-ova kako bismo mogli nadzirati izlaz i tako možemo saznati koji je PWM raspon u potpunosti mogao kontrolirati izlaz kruga.

void setup () {// inicijalizacija serijske komunikacije pri 9600 bps: Serial.begin (9600); }

Dalje, u odjeljku loop () čitamo analogni pin A0 i pohranjujemo vrijednost u varijablu vrijednosti senzora, zatim mapiramo vrijednost senzora na 0 -255 jer je zato što je PWM tajmer atmege samo 8-bitni, postavite PWM signal s analogWrite () funkcijom Arduina. i na kraju, ispisujemo vrijednosti u prozor serijskog monitora kako bismo saznali opseg upravljačkog signala. Ako slijedite ovaj vodič, video na kraju dat će vam jasniju ideju o temi.

sensorValue = analogRead (analogInPin); // čitanje analognog u vrijednosti: outputValue = map (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // mapiramo ga u raspon analognog izlaza: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // promjena vrijednosti analognog izlaza: Serial.print ("sensor ="); // ispis rezultata na serijski monitor: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t output ="); Serial.println (outputValue);

Ispitivanje upravljačkog kruga kuta faze izmjenične struje

Gornja slika prikazuje probno postavljanje sklopa. Opskrbu od 12 V osigurava 12V SMPS krug, u našem je slučaju opterećenje žarulja, lako se može zamijeniti \ induktivnim opterećenjem poput ventilatora. Kao što vidite, priložio sam potenciometar kako bih kontrolirao svjetlinu žarulje, ali može se zamijeniti bilo kojim drugim oblikom kontrolera. Ako zumirate sliku, možete vidjeti da je lonac spojen na A0 pin Arduina i PWM signal dolazi s pin9 Arduina.

Kao što vidite na gornjoj slici, izlazna vrijednost je 84, a svjetlina žarulje sa žarnom niti vrlo je mala,

Na ovoj slici možete vidjeti da je vrijednost 82, a svjetlina žarulje sa žarnom niti raste.

Nakon mnogih neuspjelih pokušaja uspio sam smisliti sklop koji zapravo radi ispravno. Jeste li se ikad zapitali kako izgleda ispitni sto kada sklop ne radi? Reći ću vam da izgleda jako loše,

Ovo je prethodno dizajnirani sklop na kojem sam radio. Morao sam ga potpuno baciti i napraviti novi jer prethodni nije pomalo radio.

Daljnja poboljšanja

Za ovu demonstraciju sklop je napravljen na ručno izrađenoj PCB-u, ali sklop se lako može izgraditi u dobro kvalitetnoj PCB-u, u mojim eksperimentima veličina PCB-a je zaista velika zbog veličine komponente, ali u proizvodnom okruženju može se smanjiti korištenjem jeftinih SMD komponenata. U svojim eksperimentima otkrio sam da pomoću tajmera 7555 umjesto tajmera 555 kontroler uvelike raste, štoviše, povećava se i stabilnost sklopa.