- Què és i com funciona un control d'angle de fase AC?
- Reptes en el control de l'angle de fase
- Material necessari per al circuit de control d'angle de fase de corrent altern
- Diagrama del circuit de control d’angle de fase de CA.
- Circuit de control d'angle de fase de CA - Funcionament
- Disseny de PCB per al circuit de control d'angle de fase AC
- Codi Arduino per al control d'angle de fase AC
- Prova del circuit de control de l'angle de fase de CA.
- Millores addicionals
Els sistemes domòtics guanyen popularitat cada dia i, avui en dia, és fàcil encendre i apagar certs aparells mitjançant l’ús d’alguns mecanismes de control simples com un relé o un commutador, prèviament hem construït molts projectes d’automatització domèstica basats en Arduino mitjançant relés. Però hi ha molts electrodomèstics que requereixen controlar aquesta alimentació de CA en lloc d’encendre-ho o apagar-lo. Ara, introduïu-vos al món del control de l'angle de fase de CA, és una tècnica senzilla mitjançant la qual podeu controlar l'angle de fase de CA. Això vol dir que podeu controlar la velocitat del ventilador de sostre o de qualsevol altre ventilador de corrent altern o, fins i tot, podeu controlar la intensitat d’un LED o una bombeta incandescent.
Tot i que sembli senzill, el procés d’implementar-lo és molt difícil, de manera que en aquest article construirem un circuit senzill de control d’angle de fase de CA amb l’ajut d’un temporitzador 555 i, al final, utilitzarem un Arduino per generar un senyal PWM simple per controlar la intensitat d’una bombeta incandescent. Com podeu imaginar clarament, amb aquest circuit podeu crear un sistema domòtic senzill on controlar el ventilador i els reguladors de llum AC amb un sol Arduino.
Què és i com funciona un control d'angle de fase AC?
El control de l’angle de fase de corrent altern és un mètode mitjançant el qual podem controlar o tallar una ona sinusoïdal de corrent altern. L' angle de disparació del dispositiu de commutació varia segons la detecció de creuament de zero, el que resulta en una sortida de tensió mitjana que canvia proporcionalment amb l'ona sinusoïdal modificada, com es descriu més a la imatge següent.
Com podeu veure, primer tenim el senyal d’entrada de CA. A continuació, tenim el senyal de creuament zero, que genera una interrupció cada 10 ms. A continuació, tenim el senyal d’activació de la porta, un cop obtenim un senyal d’activació, esperem un període determinat abans de donar el pols de disparador, com més esperem, més podem reduir la tensió mitjana i viceversa. Més endavant parlarem del tema més endavant a l'article.
Reptes en el control de l'angle de fase
Abans de fer una ullada a l'esquema i a tots els requisits materials, parlem d'alguns problemes associats a aquest tipus de circuits i de com els resol el nostre circuit.
El nostre objectiu aquí és controlar l’angle de fase d’una ona sinusoïdal de CA amb l’ajut d’un microcontrolador, per a qualsevol tipus d’aplicació domòtica. Si observem la imatge següent, es pot veure que en groc tenim la nostra ona sinusoïdal i, en verd, tenim el senyal de creuament zero.
Podeu veure que el senyal de creuament zero arriba cada 10 ms, ja que estem treballant amb una ona sinusoïdal de 50 Hz. En un microcontrolador, genera una interrupció cada 10 ms. si poséssim un altre codi a part d'això, és possible que l'altre codi no funcioni a causa de la interrupció. Com sabem, la freqüència de línia que s’escolta a l’Índia és de 50Hz, de manera que treballem amb una ona sinusoïdal de 50Hz i, per controlar l’alimentació de corrent altern, hem d’encendre i apagar el TRIAC en un període de temps determinat. Per fer-ho, el circuit de control d’angle de fase basat en microcontroladors utilitza el senyal de creuament zero com a interrupció, però el problema d’aquest mètode és que no es pot executar cap altre codi a part del codi de control d’angle de ritme, perquè en certa manera es trencarà el cicle de bucle i un d'aquests codis no funcionaran.
Permeteu-me que us aclareixi amb un exemple, suposem que heu de fer un projecte en el qual necessiteu controlar la brillantor de la bombeta incandescent, també heu de mesurar la temperatura al mateix temps. Per controlar la brillantor d’una bombeta incandescent, necessiteu un circuit de control d’angle de fase, també heu de llegir les dades de temperatura juntes, si aquest és l’escenari, el vostre circuit no funcionarà correctament perquè el sensor DHT22 triga donar les seves dades de sortida. En aquest període de temps, el circuit de control de l’angle de fase deixarà de funcionar, és a dir, si l’heu configurat en mode de sondeig, però si heu configurat el senyal de pas de zero en mode d’interrupció, mai no podreu llegir les dades DHT perquè la comprovació CRC fallarà.
Per resoldre aquest problema, podeu utilitzar un microcontrolador diferent per a un circuit de control d’angle de fase diferent, però augmentarà el cost de la BOM, una altra solució és utilitzar el nostre circuit que es compon de components genèrics com el temporitzador 555 i que també costa menys.
Material necessari per al circuit de control d'angle de fase de corrent altern
La imatge següent mostra els materials que s’utilitzen per construir el circuit, ja que es fabrica amb components molt genèrics, hauríeu de poder trobar tot el material que apareix a la vostra botiga d’aficionats local.
També he enumerat els components en una taula següent amb el tipus i la quantitat, ja que es tracta d'un projecte de demostració, estic fent servir un canal únic per fer-ho. Però el circuit es pot ampliar fàcilment segons els requisits.
|
Sl.No |
Parts |
Tipus |
Quantitat |
|
1 |
Terminal de cargol 5,04 mm |
Connector |
3 |
|
2 |
Capçalera masculina de 2,54 mm |
Connector |
1X2 |
|
3 |
56K, 1W |
Resistència |
2 |
|
4 |
1N4007 |
Diodo |
4 |
|
5 |
0,1uF, 25V |
Condensador |
2 |
|
6 |
100uF, 25V |
Condensador |
2 |
|
7 |
LM7805 |
Regulador de voltatge |
1 |
|
8 |
1K |
Resistència |
1 |
|
9 |
470R |
Resistència |
2 |
|
10 |
47R |
Resistència |
2 |
|
11 |
82K |
Resistència |
1 |
|
12 |
10K |
Resistència |
1 |
|
13 |
PC817 |
Optocoplador |
1 |
|
14 |
NE7555 |
I C |
1 |
|
12 |
MOC3021 |
OptoTriac Drive |
1 |
|
13 |
IRF9540 |
MOSFET |
1 |
|
14 |
3,3uF |
Condensador |
1 |
|
15 |
Connexió de cables |
Filferros |
5 |
|
16 |
0,1uF, 1KV |
Condensador |
1 |
|
17 |
Arduino Nano (per a la prova) |
Microcontrolador |
1 |
Diagrama del circuit de control d’angle de fase de CA.
A continuació es mostra l’esquema del circuit de control de l’angle de fase de corrent altern, aquest circuit és molt senzill i utilitza components genèrics per aconseguir un control de l’angle de fase.
Circuit de control d'angle de fase de CA - Funcionament
Aquest circuit està format per components molt acuradament dissenyats, passaré per cadascun d’ells i explicaré cada bloc.
Circuit de detecció de creuament zero:
En primer lloc, a la nostra llista hi ha el circuit de detecció de creuament zero que es fa amb dues resistències de 56K, 1W juntament amb quatre díodes 1n4007 i un optoacoplador PC817. I aquest circuit s’encarrega de proporcionar el senyal de pas zero a l’IC 555 temporitzador. A més, hem eliminat la fase i el senyal neutre per continuar utilitzant-lo a la secció TRIAC.
Regulador de tensió LM7809:
El regulador de voltatge 7809 s’utilitza per alimentar el circuit, el circuit s’encarrega de subministrar energia a tot el circuit. A més, hem utilitzat dos condensadors de 470uF i un condensador de 0,1uF com a condensador de desacoblament per a l'IC LM7809.
Circuit de control amb temporitzador NE555:
La imatge anterior mostra el circuit de control del temporitzador 555, el 555 es configura en una configuració monoestable, de manera que quan un senyal d’activació del circuit de detecció de creuament de zero toca el disparador, el temporitzador 555 comença a carregar el condensador amb l’ajut d’una resistència (en general), però el nostre circuit té un MOSFET en lloc d’una resistència i, controlant la porta del MOSFET, controlem el corrent que va al condensador, per això controlem el temps de càrrega, per tant, controlem la sortida dels 555 temporitzadors.. En molts projectes, hem utilitzat el temporitzador 555 IC per fer el nostre projecte. Si voleu saber més sobre aquest tema, podeu consultar la resta de projectes.
TRIAC i el circuit de controladors TRIAC:
El TRIAC actua com l’interruptor principal que realment s’encén i apaga, controlant així la sortida del senyal de corrent altern. La conducció del TRIAC és la unitat optotríaca MOC3021, no només condueix el TRIAC, sinó que també proporciona un aïllament òptic, el condensador d’alta tensió 0,01uF 2KV i la resistència 47R forma un circuit de protecció, que protegeix el nostre circuit contra les puntes d’alta tensió. que es produeix quan es connecta a una càrrega inductiva, la naturalesa no sinusoïdal del senyal alternat de CA és responsable dels pics. A més, és responsable dels problemes de factors de potència, però aquest és un tema per a un altre article. A més, en diversos articles, hem utilitzat TRIAC com el nostre dispositiu preferit. Podeu comprovar-los si us sembla el vostre interès.
Filtre de pas baix i MOSFET de canal P (que actua com a resistència al circuit):
La resistència de 82 K i el condensador de 3,3 uF formen el filtre de pas baix que s’encarrega de suavitzar el senyal PWM d’alta freqüència generat per l’Arduino. Com es va esmentar anteriorment, el MOSFET de canal P actua com a resistència variable, que controla el temps de càrrega del condensador. El control és el senyal PWM que es suavitza amb el filtre de pas baix. A l’article anterior, hem esborrat el concepte de filtres de pas baix; podeu consultar l'article sobre el filtre de pas baix actiu o el filtre de passiu baix passiu si voleu saber més sobre el tema.
Disseny de PCB per al circuit de control d'angle de fase AC
El PCB per al nostre circuit de control d’angle de fase està dissenyat en una placa d’una sola cara. He utilitzat Eagle per dissenyar el meu PCB, però podeu utilitzar qualsevol programari de disseny que trieu. A continuació es mostra la imatge 2D del disseny del meu tauler.
S'utilitza un ompliment de terra suficient per fer connexions de terra adequades entre tots els components. L’entrada de 12 V CC i l’entrada de 220 volts CA s’emplenen al costat esquerre, la sortida es troba al costat dret del PCB. El fitxer de disseny complet de Eagle juntament amb el Gerber es pot descarregar des de l'enllaç següent.
- Descarregueu fitxers de disseny de PCB, GERBER i PDF per al circuit de control d'angle de fase de CA.
PCB fet a mà:
Per comoditat, he fet la meva versió feta a mà del PCB i es mostra a continuació.
Codi Arduino per al control d'angle de fase AC
Un senzill codi de generació de PWM s’utilitza per fer funcionar el circuit, a continuació es dóna el codi i la seva explicació. També podeu trobar el codi complet a la part inferior d’aquesta pàgina. En primer lloc, declarem totes les variables necessàries, const int analogInPin = A0; // Pin d'entrada analògic que el potenciòmetre està connectat a const int analogOutPin = 9; // Pin de sortida analògic que el LED està connectat a int sensorValue = 0; // valor llegit des del pot int outputValue = 0; // sortida de valor al PWM (sortida analògica)
Les variables són declarar el pin analògic, el pin analogOut i les altres variables són emmagatzemar, convertir i imprimir el valor assignat. A continuació, a la secció setup () , inicialitzem la UART amb 9600 baudis per poder controlar la sortida i així podem esbrinar quin rang PWM era capaç de controlar totalment la sortida del circuit.
void setup () {// inicialitza les comunicacions en sèrie a 9600 bps: Serial.begin (9600); }
A continuació, a la secció loop () , llegim el pin analògic A0 i emmagatzemem el valor a la variable de valor del sensor; a continuació, assignem el valor del sensor a 0 -255 perquè el temporitzador PWM de l'atmega és només de 8 bits, configureu el senyal PWM amb una funció analogWrite () de l'Arduino. i, finalment, imprimim els valors a la finestra del monitor sèrie per esbrinar l'abast del senyal de control; si seguiu aquest tutorial, el vídeo al final us donarà una idea més clara sobre el tema.
sensorValue = analogRead (analogInPin); // llegeix el valor analògic: outputValue = map (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // assigneu-lo al rang de sortida analògica: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // canvieu el valor de sortida analògica: Serial.print ("sensor ="); // imprimeix els resultats al monitor de sèrie: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t output ="); Serial.println (outputValue);
Prova del circuit de control de l'angle de fase de CA.
La imatge anterior mostra la configuració de prova del circuit. El subministrament de 12 V és proporcionat per un circuit SMPS de 12 V, la càrrega és una bombeta en el nostre cas, es pot substituir fàcilment \ per una càrrega inductiva com un ventilador. A més, com podeu veure, he adjuntat un potenciòmetre per controlar la brillantor de la làmpada, però es pot substituir per qualsevol altra forma de controlador. Un pin A0 de l'Arduino i el senyal PWM provenen del pin9 de l'Arduino.
Com podeu veure a la imatge anterior, el valor de sortida és 84 i la brillantor de la bombeta incandescent és molt baixa,
En aquesta imatge, podeu veure que el valor és 82 i augmenta la brillantor de la bombeta incandescent.
Després de molts intents fallits, vaig poder crear un circuit que realment funcionés correctament. Us heu preguntat mai com queda un banc de proves quan un circuit no funciona? Deixeu-me dir-vos que té molt mal aspecte,
Es tracta d’un circuit dissenyat prèviament en el qual estava treballant. Vaig haver de llençar-lo completament i fer-ne un de nou perquè l’anterior no funcionava ni una mica.
Millores addicionals
Per a aquesta demostració, el circuit es fa en un PCB fet a mà, però el circuit es pot construir fàcilment en un PCB de bona qualitat; en els meus experiments, la mida del PCB és realment gran a causa de la mida del component, però en un entorn de producció, es pot reduir mitjançant l'ús de components SMD econòmics. Als meus experiments, he trobat que l'ús d'un temporitzador 7555 en lloc d'un temporitzador 555 augmenta extensivament el control, a més, també augmenta l'estabilitat del circuit.