AC fázis szögvezérlés a fényerő-szabályozókhoz és a motor fordulatszám-szabályozása 555 időzítő és pwm jel segítségével

Az otthoni automatizálási rendszerek napról napra egyre nagyobb népszerűségnek örvendenek, és manapság egyszerűvé vált egyes készülékek be- és kikapcsolása valamilyen egyszerű vezérlő mechanizmus, például relé vagy kapcsoló segítségével. Korábban sok Arduino-alapú otthoni automatizálási projektet építettünk relék segítségével. De sok olyan háztartási készülék megköveteli ennek a váltakozó áramú áramnak a vezérlését, nem csak be- vagy kikapcsolni. Most lépjen be az AC fázisszög-vezérlés világába , ez egy egyszerű technika, amellyel szabályozhatja az AC fázisszöget. Ez azt jelenti, hogy szabályozhatja mennyezeti ventilátorának vagy bármely más váltóáramú ventilátorának sebességét, vagy akár Ön szabályozhatja egy LED vagy izzólámpa intenzitását.

Bár egyszerűnek hangzik, a tényleges megvalósítás folyamata nagyon nehéz, ezért ebben a cikkben egy egyszerű váltakozó áramú fázisszög vezérlő áramkört fogunk építeni egy 555-ös időzítő segítségével, és végül Arduino-t fogunk használni hogy létrehozzon egy egyszerű PWM jelet az izzólámpa intenzitásának szabályozására. Amint azt már egyértelműen el tudja képzelni, ezzel az áramkörrel felépíthet egy egyszerű otthoni automatizálási rendszert, ahol egyetlen Arduino segítségével vezérelheti a ventilátort és az Ac fényszabályzókat.

Mi az AC fázisszög-szabályozás és hogyan működik?

Az AC fázisszög-szabályozás olyan módszer, amelyen keresztül vezérelhetünk vagy felapríthatunk egy AC szinusz hullámot. A kapcsolókészülék kilövési szöge a nulla keresztezés észlelését követően változik, ami egy átlagos feszültségkimenetet eredményez, amely a módosított szinuszhullámmal arányosan változik, az alábbi kép többet ismertet.

Mint láthatja, először megvan az AC bemeneti jelünk. Ezután megkapjuk a nulla keresztező jelet, amely 10 ms-onként generál megszakítást. Ezután megkapjuk a kapuindító jelet, miután kapunk egy kiváltó jelet, várunk egy bizonyos időszakot, mielőtt megadnánk a kiváltó impulzust, minél többet várunk, annál jobban csökkenthetjük az átlagos feszültséget és fordítva. A témáról a cikk későbbi részében fogunk többet beszélni.

Kihívások a fázisszög-szabályozásban

Mielőtt áttekintenénk a sematikus és az összes anyagigényt, beszéljünk néhány problémáról, amelyek az ilyen áramkörökhöz kapcsolódnak, és arról, hogy az áramkörünk miként oldja meg ezeket.

Célunk itt egy AC szinusz hullám fázisszögének vezérlése mikrokontroller segítségével, bármilyen otthoni automatizálási alkalmazáshoz. Ha megnézzük az alábbi képet, láthatja, hogy sárga színnel megvan a szinusz hullámunk, zölden pedig a nulla keresztezésû jelünk.

Láthatja, hogy a nulla keresztezésű jel 10 ms-onként érkezik, mivel 50 Hz-es szinusz hullámmal dolgozunk. Egy mikrovezérlőben 10 ms-onként megszakítást generál. ha ezen kívül más kódot is beírnánk, akkor a másik kód megszakítás miatt nem biztos, hogy működik. Mivel tudjuk, hogy a vonali frekvencia hallása Indiában 50Hz, ezért 50Hz-es szinuszhullámmal dolgozunk, és a hálózati váltakozás vezérléséhez be kell és ki kell kapcsolnunk a TRIAC-ot egy bizonyos időkereten belül. Ehhez a mikrovezérlő-alapú fázisszögvezérlő áramkör megszakításként a nulla keresztezési jelet használja, de ezzel a módszerrel az a probléma, hogy a tempószög-vezérlő kódon kívül nem futtathat más kódot, mert bizonyos módon megszakad és a ciklusok egyike nem fog működni.

Hadd tisztázzak egy példával, tegyük fel, hogy el kell végeznie egy olyan projektet, ahol szabályoznia kell az izzólámpa fényerejét, ugyanakkor meg kell mérnie a hőmérsékletet is. Az izzólámpa fényerejének szabályozásához szükség van egy fázisszögvezérlő áramkörre, és el kell olvasnia a hőmérsékleti adatokat is, ha ez a helyzet, akkor az áramkör nem fog megfelelően működni, mert a DHT22 érzékelőnek eltart egy ideig adja meg a kimeneti adatait. Ebben az időszakban a fázisszögvezérlő áramkör leáll, vagyis ha lekérdezési módban konfigurálta, de ha megszakítási üzemmódban konfigurálta a nulla keresztezési jelet, soha nem fogja tudni elolvasni a DHT adatokat mert a CRC ellenőrzés sikertelen lesz.

A probléma megoldásához használhat más mikrovezérlőt a különböző fázisszögvezérlő áramkörökhöz, de ez megnöveli a BOM költségeket, egy másik megoldás az áramkörünk használata, amely olyan általános összetevőkből áll, mint az 555 időzítő, és kevesebbet is fizet.

Az AC fázisszög vezérlő áramköréhez szükséges anyag

Az alábbi képen láthatók az áramkör kiépítéséhez felhasznált anyagok, mivel ez nagyon általános alkatrészekkel készül, ezért a felsorolt ​​anyagokat meg kell találnia a helyi hobbiboltban.

Az alábbi táblázatban felsoroltam az összetevőket típus és mennyiség szerint, mivel ez egy demonstrációs projekt, ezért egyetlen csatornát használok erre. De az áramkör könnyen méretezhető a követelményeknek megfelelően.

Sl. Nem	Alkatrészek	típus	Mennyiség
1	Csavaros kapocs 5,04 mm	Csatlakozó	3
2	Férfi fejléc 2,54 mm	Csatlakozó	1X2
3	56K, 1W	Ellenállás	2
4	1N4007	Dióda	4
5.	0,1uF, 25V	Kondenzátor	2
6.	100uF, 25V	Kondenzátor	2
7	LM7805	Feszültségszabályozó	1
8.	1K	Ellenállás	1
9.	470R	Ellenállás	2
10.	47R	Ellenállás	2
11.	82K	Ellenállás	1
12.	10K	Ellenállás	1
13.	PC817	Optocsatoló	1
14	NE7555	IC	1
12.	MOC3021	OptoTriac Drive	1
13.	IRF9540	MOSFET	1
14	3.3uF	Kondenzátor	1
15	Vezetékek csatlakoztatása	Vezetékek	5.
16.	0,1uF, 1KV	Kondenzátor	1
17.	Arduino Nano (tesztelésre)	Mikrovezérlő	1

AC fázisszög vezérlő áramkör diagram

Az AC fázisszög vezérlő áramkör vázlata az alábbiakban látható, ez az áramkör nagyon egyszerű, és általános komponenseket használ a fázisszög vezérléséhez.

AC fázisszög vezérlő áramkör - működik

Ez az áramkör nagyon gondosan megtervezett alkatrészekből áll, átmegyek mindegyiken, és elmagyarázom az egyes blokkokat.

Nulla keresztezésű detektáló áramkör:

Először, a felsorolásunkban szerepel a nulla keresztezésű érzékelő áramkör két 56K, 1W ellenállással, négy 1n4007 diódával és egy PC817 optocsatolóval együtt. Ez az áramkör felelős azért, hogy a nulla kereszteződésű jelet az 555 időzítő IC felé továbbítsa. A fázist és a semleges jelet le is ragasztottuk a TRIAC szakaszban történő további felhasználásra.

LM7809 feszültségszabályozó:

A 7809-es feszültségszabályozót az áramkör táplálásához használják, az áramkör felelős az áramkör teljes áramellátásáért. Ezenkívül két 470uF kondenzátort és egy 0,1uF kondenzátort használtunk leválasztó kondenzátorként az LM7809 IC-hez.

Vezérlő áramkör NE555 időzítővel:

A fenti képen az 555 időzítő vezérlő áramköre látható, az 555 monostabil konfigurációban van konfigurálva, így amikor a nulla kereszteződés érzékelő áramkörből érkező trigger jel eléri a ravaszt, az 555 időzítő egy ellenállás segítségével elkezdi tölteni a kondenzátort (általában), de az áramkörünkben van egy MOSFET az ellenállás helyett, és a MOSFET kapujának vezérlésével szabályozzuk a kondenzátorba áramló áramot, ezért szabályozzuk a töltési időt, így vezéreljük az 555 időzítők kimenetét. Számos projektben az 555 időzítő IC-t használtuk projektünk elkészítéséhez, ha többet szeretne megtudni erről a témáról, megnézheti az összes többi projektet.

TRIAC és a TRIAC-meghajtó áramkör:

A TRIAC főkapcsolóként működik, amely valóban be- és kikapcsol, így vezérli az AC jel kimenetét. A TRIAC vezetése a MOC3021 optotriac meghajtó, amely nemcsak a TRIAC-ot hajtja, hanem optikai szigetelést is biztosít, a 0,01uF 2KV nagyfeszültségű kondenzátort, a 47R ellenállás pedig snubber áramkört képez, amely megvédi áramkörünket a nagyfeszültségű tüskéktől amelyek induktív terheléshez kapcsolódnak, a bekapcsolt AC jel nem szinuszos jellege felelős a tüskékért. Emellett felelős a teljesítménytényezőkkel kapcsolatos kérdésekért, de ez egy másik cikk témája. Ezenkívül a különféle cikkekben a TRIAC-ot használtuk előnyben részesített eszközként, ezeket megnézheti, ha ez érdekli.

Aluláteresztő szűrő és a P-csatornás MOSFET (ellenállásként működik az áramkörben):

A 82K ellenállás és a 3.3uF kondenzátor alkotják az aluláteresztő szűrőt, amely felelős az Arduino által generált nagyfrekvenciás PWM jel kisimításáért. Mint korábban említettük, a P-Channel MOSFET változó ellenállásként működik, amely szabályozza a kondenzátor töltési idejét. Ennek vezérlése a PWM jel, amelyet az aluláteresztő szűrő kisimít. Az előző cikkben tisztáztuk az aluláteresztő szűrők fogalmát, és ha többet szeretne megtudni a témáról, megnézheti az aktív aluláteresztő szűrőkről vagy a passzív aluláteresztő szűrőkről szóló cikket.

NYÁK-tervezés az AC fázisszög vezérlő áramkörhöz

A fázisszögvezérlő áramkörünk nyomtatott áramköre egyoldalas táblában van kialakítva. Az Eagle-t használtam a NYÁK tervezéséhez, de bármilyen tetszőleges Design szoftvert használhat. Az alaplapom 2D képe az alábbiakban látható.

Elegendő talajkitöltést használnak a megfelelő földelő csatlakozások kialakításához az összes alkatrész között. A 12 V DC és a 220 V AC bemenet a bal oldalon található, a kimenet a NYÁK jobb oldalán található. Az Eagle teljes tervfájlja és a Gerber az alábbi linkről tölthető le.

• Töltse le a NYÁK tervezési, GERBER és PDF fájlokat az AC fázisszög vezérlő áramkörhöz

Kézzel készített NYÁK:

A kényelem kedvéért elkészítettem a PCB kézzel készített változatát, amely az alábbiakban látható.

Arduino kód az AC fázisszög vezérléshez

Az áramkör működéséhez egy egyszerű PWM generációs kódot használnak, a kódot és annak magyarázatát az alábbiakban adjuk meg. Az oldal alján megtalálhatja a teljes kódot is. Először deklaráljuk az összes szükséges változót, const int analógInPin = A0; // Analóg bemeneti tű, amelyhez a potenciométer csatlakozik az const int analogOutPin = 9-hez; // Analóg kimeneti tű, amelyhez a LED csatlakozik az int sensorValue = 0 értékhez; // a potból leolvasott érték int outputValue = 0; // kimenet a PWM-hez (analóg kimenet)

A változók deklarálják az Analog pin, az analogOut pin elemet, a többi változó pedig a leképezett értéket tárolja, konvertálja és kinyomtatja. Ezután a setup () szakaszban kezdjük az UART-ot 9600 baud-mal, hogy figyelemmel kísérhessük a kimenetet, és így megtudhatjuk, melyik PWM-tartomány volt képes teljesen vezérelni az áramkör kimenetét.

void setup () {// soros kommunikáció inicializálása 9600 bps sebességgel: Serial.begin (9600); }

Ezután a loop () szakaszban elolvassuk az A0 analóg csapot, és tároljuk az értéket az érzékelő értékének változójához, majd az érzékelő értékét 0-255-re térképezzük le, mivel az atmega PWM időzítője csak 8 bites, majd mi állítsa be a PWM jelet az Arduino analogWrite () funkciójával. végül pedig kinyomtatjuk az értékeket a soros monitor ablakba, hogy megtudjuk a vezérlőjel tartományát. Ha követi ezt az oktatóanyagot, a végén található videó világosabb képet ad a témáról.

sensorValue = analogRead (analogInPin); // beolvassa az analóg értékét: outputValue = map (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // hozzárendeli az analóg kimenet tartományához: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // az analóg kimenet értékének módosítása: Serial.print ("sensor ="); // kinyomtatja az eredményeket a soros monitorra: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t output ="); Soros.println (outputValue);

Az AC fázisszög vezérlő áramkör tesztelése

A fenti kép az áramkör tesztbeállítását mutatja. A 12 V-os tápellátást egy 12 V-os SMPS áramkör biztosítja, a terhelés esetünkben villanykörte, könnyen cserélhető \ induktív terheléssel, mint egy ventilátor. Továbbá, mivel láthatja, hogy csatlakoztattam egy potenciométert a lámpa fényerejének szabályozásához, de bármely más típusú vezérlővel helyettesíthető, ha nagyítja a képet, akkor láthatja, hogy az edény csatlakozik a Az Arduino A0 tűje és a PWM jel az Arduino pin9-jéből érkezik.

Amint a fenti képen látható, a kimeneti érték 84, az izzólámpa fényereje pedig nagyon alacsony,

Ezen a képen láthatja, hogy az érték 82, és az izzólámpa fényereje növekszik.

Sok sikertelen próbálkozás után sikerült előállítanom egy áramkört, amely valóban megfelelően működik. Elgondolkodott már azon, hogy néz ki egy tesztpad, amikor egy áramkör nem működik? Hadd mondjam el, hogy nagyon rosszul néz ki,

Ez egy korábban tervezett áramkör, amin dolgoztam. Teljesen el kellett dobnom és újat kellett készítenem, mert az előző nem működött egy kicsit.

További fejlesztések

Ehhez a bemutatóhoz az áramkört egy kézzel készített nyomtatott áramköri lapon készítik, de az áramkört könnyen fel lehet építeni egy jó minőségű NYÁK-ban. Kísérleteim szerint a NYÁK mérete az alkatrészméret miatt nagyon nagy, de gyártási környezetben ez olcsó SMD komponensek alkalmazásával csökkenthető. Kísérleteim során azt tapasztaltam, hogy az 555 időzítő helyett egy 7555 időzítőt használok, és ezáltal az áramkör stabilitása is növekszik.