Контроль фазового кута змінного струму для регуляторів світла та регулювання швидкості двигуна за допомогою таймера 555 та сигналу ШІМ

Системи домашньої автоматизації все більше набирають популярності з кожним днем, і в наш час стало легко вмикати та вимикати певні електроприлади за допомогою якого-небудь простого механізму управління, такого як реле або перемикач, ми вже побудували багато проектів домашньої автоматизації на базі Arduino за допомогою реле. Але є багато побутових приладів, які потребують управління цим живленням змінного струму, а не просто вмикання та вимикання. Тепер увійдіть у світ регулювання фазового кута змінного струму, це проста техніка, за допомогою якої ви можете контролювати фазовий кут змінного струму. Це означає, що ви можете контролювати швидкість свого стельового вентилятора або будь-якого іншого вентилятора змінного струму, або навіть ви можете контролювати інтенсивність світлодіодної або лампочки розжарювання.

Хоча це звучить просто, процес його фактичної реалізації дуже складний, тому в цій статті ми збираємося створити просту схему управління фазовим кутом змінного струму за допомогою таймера 555, і врешті-решт, ми використаємо Arduino для генерації простого ШІМ-сигналу для управління інтенсивністю лампочки розжарювання. Як ви тепер чітко уявляєте, за допомогою цієї схеми ви можете створити просту систему домашньої автоматизації, де ви зможете керувати вентилятором та регуляторами світла змінного струму за допомогою одного Arduino.

Що таке регулювання кута фази змінного струму та як це працює?

Контроль фазового кута змінного струму - це метод, за допомогою якого ми можемо управляти або рубати синусоїду змінного струму. Кут запалювання пристрої комутації зрад етс після виявлення перетину нуля, в результаті чого середнє вихідна напруга змінюється пропорційно, що з модифікованої синусоїди, зображення нижче описує більше.

Як бачите, спочатку ми маємо вхідний сигнал змінного струму. Далі ми маємо сигнал перетину нуля, який генерує переривання кожні 10 мс. Далі, ми маємо сигнал тригера затвора, як тільки ми отримуємо сигнал спрацьовування, ми чекаємо певний період, перш ніж подавати імпульс тригера, чим більше ми чекаємо, тим більше ми можемо зменшити середню напругу і навпаки. Більше цієї теми ми обговоримо далі в статті.

Виклики контролю фазового кута

Перш ніж ми поглянемо на схему та всі вимоги до матеріалів, давайте поговоримо про деякі проблеми, пов'язані з цим типом схем, і про те, як наша схема їх вирішує.

Наша мета тут - контролювати фазовий кут синусоїди змінного струму за допомогою мікроконтролера для будь-якого типу домашньої автоматизації. Якщо ми подивимося на зображення нижче, ви побачите, що в жовтому кольорі ми маємо синусоїду, а в зеленому - сигнал перетину нуля.

Ви бачите, що сигнал перетину нуля надходить через кожні 10 мс, коли ми працюємо з синусоїдою 50 Гц. У мікроконтролері він генерує переривання кожні 10 мс. якщо ми поставимо будь-який інший код, крім цього, інший код може не працювати через переривання. Оскільки ми знаємо, що в Індії частота звуку в Індії дорівнює 50 Гц, тому ми працюємо з синусоїдою 50 Гц, і для управління мережевим змінного струму нам потрібно вмикати та вимикати TRIAC через певний проміжок часу. Для цього схема управління фазовим кутом на основі мікроконтролера використовує сигнал перетину нуля як переривання, але проблема цього методу полягає в тому, що ви не можете запускати будь-який інший код, крім коду керування кутом темпу, оскільки певним чином він зламається цикл циклу і один із цих кодів не працюватиме.

Дозвольте пояснити на прикладі, припустимо, вам потрібно виконати проект, де вам потрібно контролювати яскравість лампочки розжарювання, а також потрібно вимірювати температуру одночасно. Для управління яскравістю лампочки розжарювання вам потрібна схема регулювання кута фази, а також вам потрібно зчитувати разом з нею дані про температуру. Якщо це сценарій, ваша схема не буде працювати належним чином, оскільки датчик DHT22 займає деякий час, щоб дати свої вихідні дані. За цей проміжок часу схема управління фазовим кутом перестане працювати, тобто якщо ви налаштували його в режимі опитування, але якщо ви налаштували сигнал перетину нуля в режимі переривання, ви ніколи не зможете прочитати дані DHT оскільки перевірка CRC не вдасться.

Щоб вирішити цю проблему, ви можете використовувати інший мікроконтролер для схеми управління різним фазовим кутом, але це збільшить вартість специфікації, іншим рішенням є використання нашої схеми, яка складається з загальних компонентів, таких як таймер 555, а також коштує дешевше.

Матеріал, необхідний для схеми управління фазовим кутом змінного струму

На малюнку нижче показано матеріали, що використовуються для побудови схеми, оскільки вона виготовлена ​​з дуже загальних компонентів, ви зможете знайти всі перераховані матеріали у своєму місцевому магазині хобі.

Я також перерахував компоненти в таблиці нижче з типом та кількістю, оскільки це демонстраційний проект, для цього я використовую один канал. Але схему можна легко масштабувати відповідно до вимог.

Сл	Частини	Тип	Кількість
1	Гвинтовий клем 5,04 мм	З'єднувач	3
2	Чоловіча жатка 2,54 мм	З'єднувач	1X2
3	56 К, 1 Вт	Резистор	2
4	1N4007	Діод	4
5	0,1 мкФ, 25 В	Конденсатор	2
6	100 мкФ, 25 В	Конденсатор	2
7	LM7805	Регулятор напруги	1
8	1K	Резистор	1
9	470R	Резистор	2
10	47R	Резистор	2
11	82 тис	Резистор	1
12	10 тис	Резистор	1
13	ПК817	Оптрон	1
14	NE7555	IC	1
12	MOC3021	OptoTriac Drive	1
13	IRF9540	МОП-транзистор	1
14	3,3 мкФ	Конденсатор	1
15	Підключення проводів	Провід	5
16	0,1 мкФ, 1 кВ	Конденсатор	1
17	Arduino Nano (для тесту)	Мікроконтролер	1

Схема керування кутом фази змінного струму

Схема схеми управління фазовим кутом змінного струму наведена нижче, ця схема дуже проста і використовує загальні компоненти для досягнення контролю фазового кута.

Схема керування кутом фази змінного струму - працює

Ця схема складається з дуже ретельно розроблених компонентів, я розгляну кожен із них і пояснить кожен блок.

Схема виявлення нульового перетину:

По-перше, у нашому списку схема виявлення нульових перехрещень виконана з двома резисторами 56K, 1 Вт у поєднанні з чотирма діодами 1n4007 та оптроном PC817. І ця схема відповідає за подачу сигналу перетину нуля на мікросхему 555 таймера. Крім того, ми скопіювали фазу та нейтральний сигнал для подальшого використання у розділі TRIAC.

Регулятор напруги LM7809:

Регулятор напруги 7809 використовується для живлення ланцюга, ланцюг відповідає за живлення всієї схеми. Крім того, ми використали два конденсатори 470 мкФ і конденсатор 0,1 мкФ як роз'єднувальний конденсатор для мікросхеми LM7809.

Схема управління з таймером NE555:

На зображенні вище показано схему управління таймером 555, 555 налаштований у моностабільній конфігурації, тому, коли сигнал тригера від схеми виявлення перетину нуля потрапляє на тригер, таймер 555 починає заряджати конденсатор за допомогою резистора (загалом), але наша схема має MOSFET замість резистора, і, керуючи затвором MOSFET, ми контролюємо струм, що надходить до конденсатора, ось чому ми контролюємо час зарядки, отже, ми контролюємо вихід 555 таймерів. У багатьох проектах ми використовували 555 таймер IC для створення нашого проекту. Якщо ви хочете дізнатись більше про цю тему, ви можете перевірити всі інші проекти.

TRIAC і схема TRIAC-драйвер:

TRIAC виступає в ролі головного вимикача, який фактично вмикається і вимикається, таким чином контролюючи вихід сигналу змінного струму. Приводом TRIAC є оптотріаковий привід MOC3021, він не тільки керує TRIAC, але також забезпечує оптичну ізоляцію, високовольтний конденсатор 0,01 мкФ 2 кВ, а резистор 47R утворює звуковий ланцюг, який захищає нашу ланцюг від стрибків високої напруги які виникають, коли він підключений до індуктивного навантаження, несинусоїдальний характер комутованого сигналу змінного струму відповідає за спайки. Крім того, він відповідає за питання фактору потужності, але це тема для іншої статті. Крім того, в різних статтях ми використовували TRIAC як наш улюблений пристрій, ви можете перевірити їх, якщо це заглядає до вашого інтересу.

Фільтр низьких частот і P-канальний MOSFET (виконуючи роль резистора в ланцюзі):

Резистор 82K та конденсатор 3,3 мкФ утворюють фільтр низьких частот, який відповідає за згладжування високочастотного ШІМ-сигналу, що генерується Arduino. Як вже зазначалося, P-канальний MOSFET виконує функцію змінного резистора, який контролює час зарядки конденсатора. Керуючи ним, ШІМ-сигнал згладжується фільтром низьких частот. У попередній статті ми прояснили концепцію фільтрів низьких частот. Ви можете ознайомитися зі статтею про активний фільтр низьких частот або пасивний фільтр низьких частот, якщо хочете дізнатись більше про тему.

Дизайн друкованої плати для схеми управління фазовим кутом змінного струму

Друкована плата для нашої схеми контролю фазового кута виконана в односторонній платі. Я використовував Eagle для проектування моєї друкованої плати, але ви можете використовувати будь-яке програмне забезпечення для дизайну на ваш вибір. Двовимірне зображення мого дизайну дошки показано нижче.

Достатнє заповнення грунтом використовується для належного з'єднання заземлення між усіма компонентами. Вхід постійного струму 12 В і вхід змінного струму 220 Вольт заповнені ліворуч, вихід розташований праворуч друкованої плати. Повний файл дизайну для Eagle разом із Gerber можна завантажити за посиланням нижче.

• Завантажте файли PCB Design, GERBER та PDF для схеми управління фазовим кутом змінного струму

Друкована плата ручної роботи:

Для зручності я зробив власну версію друкованої плати, і це показано нижче.

Код Arduino для контролю фазового кута змінного струму

Для роботи схеми використовується простий код генерації ШІМ, код та його пояснення наведені нижче. Ви також можете знайти повний код внизу цієї сторінки. Спочатку ми оголошуємо всю необхідну змінну, const int analogInPin = A0; // Аналоговий вхідний штифт, до якого потенціометр приєднаний до const int analogOutPin = 9; // Аналоговий вихідний штифт, до якого світлодіод приєднаний до int sensorValue = 0; // значення, прочитане з горщика int outputValue = 0; // виведення значення на ШІМ (аналоговий вихід)

Змінні повинні оголошувати аналоговий штифт, штифт analogOut, а інші змінні - зберігати, перетворювати та друкувати відображене значення. Далі в розділі setup () ми ініціюємо UART 9600 бодами, щоб ми могли контролювати вихід, і ось як ми можемо з'ясувати, який діапазон ШІМ зміг повністю контролювати вихід схеми.

void setup () {// ініціалізація послідовного зв'язку зі швидкістю 9600 біт / с: Serial.begin (9600); }

Далі, у розділі loop () , ми зчитуємо аналоговий контакт A0 і зберігаємо значення до змінної значення датчика, далі ми прив'язуємо значення датчика до 0 -255, оскільки, оскільки ШІМ-таймер atmega має лише 8 біт, далі ми встановити ШІМ-сигнал за допомогою функції analogWrite () від Arduino. і нарешті, ми друкуємо значення у вікні послідовного монітора, щоб з’ясувати діапазон сигналу управління. Якщо ви дотримуєтесь цього посібника, відео в кінці дасть вам більш чітке уявлення про тему.

sensorValue = analogRead (analogInPin); // читаємо аналог за значенням: outputValue = map (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // прив'язуємо його до діапазону аналогового виходу: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // зміна значення аналогового виходу: Serial.print ("sensor ="); // друк результатів на послідовному моніторі: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t output ="); Serial.println (outputValue);

Тестування ланцюга управління фазовим кутом змінного струму

На зображенні вище показано тестове налаштування схеми. Живлення 12 В забезпечується ланцюгом 12 В SMPS, навантаження в нашому випадку - це лампочка, її можна легко замінити \ індуктивною навантаженням, як вентилятор. Також, як ви бачите, я підключив потенціометр для управління яскравістю лампи, але його можна замінити будь-якою іншою формою контролера. Якщо збільшити зображення, ви побачите, що горщик підключений до Пін A0 Arduino і сигнал ШІМ надходить від pin9 Arduino.

Як ви можете бачити на малюнку вище, вихідне значення становить 84, а яскравість лампочки розжарювання дуже низька,

На цьому зображенні ви можете бачити, що значення дорівнює 82, і яскравість лампочки розжарювання збільшується.

Після багатьох невдалих спроб я зміг придумати схему, яка насправді працює належним чином. Ви коли-небудь задавались питанням, як виглядає тест-стенд, коли схема не працює? Дозвольте сказати, це виглядає дуже погано,

Це раніше розроблена схема, над якою я працював. Мені довелося повністю викинути його і зробити новий, тому що попередній трохи не працював.

Подальші вдосконалення

Для цієї демонстрації схема виконана на друкованій платі ручної роботи, але її можна легко побудувати на друкованій платі хорошої якості, в моїх експериментах розмір друкованої плати дійсно великий через розмір компонента, але у виробничому середовищі це можна зменшити за допомогою дешевих SMD-компонентів. У своїх експериментах я виявив, що використання таймера 7555 замість таймера 555 значно збільшує контролеру, крім того, стабільність схеми також зростає.