- Che cos'è un controllo dell'angolo di fase CA e come funziona?
- Sfide nel controllo dell'angolo di fase
- Materiale richiesto per il circuito di controllo dell'angolo di fase CA.
- Schema del circuito di controllo dell'angolo di fase CA.
- Circuito di controllo dell'angolo di fase CA - Funzionante
- Progettazione PCB per il circuito di controllo dell'angolo di fase CA.
- Codice Arduino per il controllo dell'angolo di fase CA.
- Test del circuito di controllo dell'angolo di fase CA.
- Ulteriori miglioramenti
I sistemi di automazione domestica stanno guadagnando sempre più popolarità giorno dopo giorno e oggigiorno è diventato facile accendere e spegnere determinati elettrodomestici utilizzando alcuni semplici meccanismi di controllo come un relè o un interruttore, abbiamo già costruito molti progetti di automazione domestica basati su Arduino utilizzando i relè. Ma ci sono molti elettrodomestici che richiedono il controllo di questa alimentazione CA piuttosto che accenderli o spegnerli. Ora, entra nel mondo del controllo dell'angolo di fase CA, è una tecnica semplice attraverso la quale puoi controllare l'angolo di fase CA. Ciò significa che puoi controllare la velocità del tuo ventilatore da soffitto o di qualsiasi altro ventilatore CA o persino puoi controllare l'intensità di una lampadina a LED o a incandescenza.
Anche se sembra semplice, il processo di implementazione è molto difficile, quindi in questo articolo costruiremo un semplice circuito di controllo dell'angolo di fase CA con l'aiuto di un timer 555 e, alla fine, useremo un Arduino generare un semplice segnale PWM per controllare l'intensità di una lampadina a incandescenza. Come ora puoi chiaramente immaginare, con questo circuito, puoi costruire un semplice sistema di automazione domestica in cui puoi controllare la ventola ei dimmer della luce Ac con un solo Arduino.
Che cos'è un controllo dell'angolo di fase CA e come funziona?
Il controllo dell'angolo di fase CA è un metodo attraverso il quale possiamo controllare o tagliare un'onda sinusoidale CA. L' angolo di accensione del dispositivo di commutazione viene variato a seguito di un rilevamento di zero crossing, risultando in un'uscita di tensione media che cambia proporzionalmente con l'onda sinusoidale modificata, l'immagine sotto descrive di più.
Come puoi vedere, prima abbiamo il nostro segnale di ingresso CA. Successivamente, abbiamo il segnale di zero crossing, che genera un interrupt ogni 10 ms. Successivamente, abbiamo il segnale di trigger del gate, una volta ottenuto un segnale di trigger, aspettiamo un certo periodo prima di dare l'impulso di trigger, più aspettiamo, più possiamo ridurre la tensione media e viceversa. Discuteremo più sull'argomento più avanti nell'articolo.
Sfide nel controllo dell'angolo di fase
Prima di dare un'occhiata allo schema ea tutti i requisiti materiali, parliamo di alcuni problemi associati a questo tipo di circuito e di come il nostro circuito li risolve.
Il nostro obiettivo qui è controllare l'angolo di fase di un'onda sinusoidale CA con l'aiuto di un microcontrollore, per qualsiasi tipo di applicazione di automazione domestica. Se guardiamo l'immagine qui sotto, puoi vedere che in giallo abbiamo la nostra onda sinusoidale e in verde abbiamo il nostro segnale di zero crossing.
Puoi vedere che il segnale di zero crossing arriva ogni 10 ms poiché stiamo lavorando con un'onda sinusoidale a 50Hz. In un microcontrollore, genera un interrupt ogni 10 ms. se dovessimo inserire un altro codice oltre a quello, l'altro codice potrebbe non funzionare a causa dell'interruzione. Come sappiamo, la frequenza di linea in India è di 50 Hz, quindi stiamo lavorando con un'onda sinusoidale a 50 Hz e per controllare la rete CA, dobbiamo accendere e spegnere il TRIAC in un determinato periodo di tempo. Per fare ciò, il circuito di controllo dell'angolo di fase basato sul microcontrollore utilizza il segnale di zero crossing come interruzione, ma il problema con questo metodo è che non è possibile eseguire nessun altro codice oltre al codice di controllo dell'angolo di ritmo, perché in un certo senso si romperà il ciclo del ciclo e uno di questi codici non funzionerà.
Chiarisco con un esempio, supponiamo di dover fare un progetto in cui è necessario controllare la luminosità della lampadina ad incandescenza, inoltre è necessario misurare contemporaneamente la temperatura. Per controllare la luminosità di una lampadina a incandescenza, è necessario un circuito di controllo dell'angolo di fase, inoltre è necessario leggere i dati di temperatura insieme ad esso, se questo è lo scenario, il circuito non funzionerà correttamente perché il sensore DHT22 impiega del tempo per dare i suoi dati di output. In questo periodo di tempo, il circuito di controllo dell'angolo di fase smetterà di funzionare, cioè se lo avete configurato in modalità polling, ma se avete configurato il segnale di zero crossing in modalità interrupt, non sarete mai in grado di leggere i dati DHT perché il controllo CRC fallirà.
Per risolvere questo problema, puoi utilizzare un microcontrollore diverso per un diverso circuito di controllo dell'angolo di fase ma aumenterà il costo della distinta base, un'altra soluzione è utilizzare il nostro circuito che è composto da componenti generici come il timer 555 e costa anche meno.
Materiale richiesto per il circuito di controllo dell'angolo di fase CA.
L'immagine sotto mostra i materiali utilizzati per costruire il circuito, poiché questo è realizzato con componenti molto generici, dovresti essere in grado di trovare tutto il materiale elencato nel tuo negozio di hobby locale.
Ho anche elencato i componenti in una tabella di seguito con tipo e quantità, poiché è un progetto dimostrativo, sto usando un unico canale per farlo. Ma il circuito può essere facilmente ingrandito secondo i requisiti.
|
Sl.No |
Parti |
genere |
Quantità |
|
1 |
Terminale a vite 5,04 mm |
Connettore |
3 |
|
2 |
Intestazione maschio 2,54 mm |
Connettore |
1X2 |
|
3 |
56K, 1W |
Resistore |
2 |
|
4 |
1N4007 |
Diodo |
4 |
|
5 |
0,1 uF, 25 V. |
Condensatore |
2 |
|
6 |
100uF, 25V |
Condensatore |
2 |
|
7 |
LM7805 |
Regolatore di tensione |
1 |
|
8 |
1K |
Resistore |
1 |
|
9 |
470R |
Resistore |
2 |
|
10 |
47R |
Resistore |
2 |
|
11 |
82K |
Resistore |
1 |
|
12 |
10K |
Resistore |
1 |
|
13 |
PC817 |
Optoaccoppiatore |
1 |
|
14 |
NE7555 |
CIRCUITO INTEGRATO |
1 |
|
12 |
MOC3021 |
OptoTriac Drive |
1 |
|
13 |
IRF9540 |
MOSFET |
1 |
|
14 |
3.3uF |
Condensatore |
1 |
|
15 |
Collegamento dei cavi |
Fili |
5 |
|
16 |
0,1uF, 1KV |
Condensatore |
1 |
|
17 |
Arduino Nano (per test) |
Microcontrollore |
1 |
Schema del circuito di controllo dell'angolo di fase CA.
Lo schema per il circuito di controllo dell'angolo di fase CA è mostrato di seguito, questo circuito è molto semplice e utilizza componenti generici per ottenere il controllo dell'angolo di fase.
Circuito di controllo dell'angolo di fase CA - Funzionante
Questo circuito è composto da componenti progettati con molta attenzione, li esaminerò ciascuno e spiegherò ogni blocco.
Circuito di rilevamento del passaggio per lo zero:
Innanzitutto, nella nostra lista il circuito di rilevamento del passaggio per lo zero è realizzato con due resistori da 56K, 1W in combinazione con quattro diodi 1n4007 e un fotoaccoppiatore PC817. E questo circuito è responsabile della fornitura del segnale di zero crossing al circuito integrato del timer 555. Inoltre, abbiamo registrato la fase e il segnale neutro per utilizzarlo ulteriormente nella sezione TRIAC.
Regolatore di tensione LM7809:
Il regolatore di tensione 7809 viene utilizzato per alimentare il circuito, il circuito è responsabile della fornitura di energia all'intero circuito. Inoltre, abbiamo utilizzato due condensatori da 470uF e un condensatore da 0,1uF come condensatore di disaccoppiamento per l'IC LM7809.
Circuito di controllo con timer NE555:
L'immagine sopra mostra il circuito di controllo del timer 555, il 555 è configurato in una configurazione monostabile, quindi quando un segnale di trigger dal circuito di rilevamento del passaggio per lo zero colpisce il trigger, il timer 555 inizia a caricare il condensatore con l'aiuto di un resistore (in generale), ma il nostro circuito ha un MOSFET al posto di un resistore, e controllando il gate del MOSFET, controlliamo la corrente che va al condensatore, ecco perché controlliamo il tempo di carica quindi controlliamo l'uscita dei 555 timer. In molti progetti, abbiamo utilizzato il timer IC 555 per realizzare il nostro progetto, se vuoi saperne di più su questo argomento, puoi controllare tutti gli altri progetti.
TRIAC e il circuito TRIAC-Driver:
Il TRIAC funge da interruttore principale che si accende e si spegne, quindi controlla l'uscita del segnale CA. A guidare il TRIAC è l'azionamento optotriaco MOC3021, non solo guida il TRIAC, ma fornisce anche isolamento ottico, il condensatore ad alta tensione 0,01uF 2KV e il resistore 47R forma un circuito snubber, che protegge il nostro circuito dai picchi di alta tensione che si verificano quando è collegato a un carico induttivo, la natura non sinusoidale del segnale CA commutato è responsabile dei picchi. Inoltre, è responsabile dei problemi del fattore di potenza, ma questo è un argomento per un altro articolo. Inoltre, in vari articoli, abbiamo utilizzato il TRIAC come dispositivo preferito, puoi controllare quelli se questo fa capolino il tuo interesse.
Filtro passa-basso e MOSFET a canale P (che funge da resistenza nel circuito):
Il resistore 82K e il condensatore 3.3uF formano il filtro passa basso che è responsabile del livellamento del segnale PWM ad alta frequenza generato da Arduino. Come accennato in precedenza, il MOSFET a canale P funge da resistore variabile, che controlla il tempo di carica del condensatore. A controllarlo è il segnale PWM che viene attenuato dal filtro passa-basso. Nell'articolo precedente, abbiamo chiarito il concetto di filtri passa basso, puoi consultare l'articolo sul filtro passa basso attivo o sul filtro passa basso passivo se vuoi saperne di più sull'argomento.
Progettazione PCB per il circuito di controllo dell'angolo di fase CA.
Il PCB per il nostro circuito di controllo dell'angolo di fase è progettato in una scheda unilaterale. Ho usato Eagle per progettare il mio PCB ma puoi utilizzare qualsiasi software di progettazione di tua scelta. L'immagine 2D del disegno della mia tavola è mostrata di seguito.
Viene utilizzato un riempimento a terra sufficiente per effettuare collegamenti di terra adeguati tra tutti i componenti. L'ingresso 12V DC e l'ingresso 220 Volt AC sono popolati sul lato sinistro, l'uscita si trova sul lato destro del PCB. Il file di progettazione completo per Eagle insieme al Gerber può essere scaricato dal collegamento sottostante.
- Scarica PCB Design, GERBER e file PDF per il circuito di controllo dell'angolo di fase CA.
PCB fatto a mano:
Per comodità, ho realizzato la mia versione artigianale del PCB ed è mostrata di seguito.
Codice Arduino per il controllo dell'angolo di fase CA.
Un semplice codice di generazione PWM viene utilizzato per far funzionare il circuito, il codice e la sua spiegazione sono riportati di seguito. Puoi anche trovare il codice completo in fondo a questa pagina. Per prima cosa dichiariamo tutte le variabili necessarie, const int analogInPin = A0; // Pin di ingresso analogico a cui è collegato il potenziometro const int analogOutPin = 9; // Pin dell'uscita analogica a cui è collegato il LED int sensorValue = 0; // valore letto dalla pentola int outputValue = 0; // uscita valore al PWM (uscita analogica)
Le variabili devono dichiarare il pin analogico, il pin analogOut e le altre variabili devono memorizzare, convertire e stampare il valore mappato. Successivamente nella sezione setup () , iniziamo l'UART con 9600 baud in modo da poter monitorare l'output ed è così che possiamo scoprire quale intervallo PWM è stato in grado di controllare totalmente l'uscita del circuito.
void setup () {// inizializza le comunicazioni seriali a 9600 bps: Serial.begin (9600); }
Successivamente, nella sezione loop () , leggiamo il pin analogico A0 e memorizziamo il valore sulla variabile del valore del sensore, quindi mappiamo il valore del sensore su 0-255 poiché il timer PWM dell'atmega è a soli 8 bit, quindi impostare il segnale PWM con una funzione analogWrite () di Arduino. e infine stampiamo i valori sulla finestra del monitor seriale per scoprire la portata del segnale di controllo, se stai seguendo questo tutorial, il video alla fine ti darà un'idea più chiara dell'argomento.
sensorValue = analogRead (analogInPin); // legge il valore analogico in: outputValue = map (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // mappalo all'intervallo dell'uscita analogica: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // cambia il valore dell'uscita analogica: Serial.print ("sensor ="); // stampa i risultati su Serial Monitor: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t output ="); Serial.println (outputValue);
Test del circuito di controllo dell'angolo di fase CA.
L'immagine sopra mostra la configurazione di prova del circuito. L'alimentazione a 12V è fornita da un circuito SMPS da 12V, il carico nel nostro caso è una lampadina, può essere facilmente sostituito \ con un carico induttivo come un ventilatore. Inoltre come puoi vedere ho attaccato un potenziometro per controllare la luminosità della lampada ma può essere sostituito con qualsiasi altra forma di controller, se ingrandisci l'immagine, puoi vedere che il vaso è collegato al Il pin A0 di Arduino e il segnale PWM proviene dal pin9 di Arduino.
Come puoi vedere nell'immagine sopra, il valore di uscita è 84 e la luminosità della lampadina a incandescenza è molto bassa,
In questa immagine, puoi vedere che il valore è 82 e la luminosità della lampadina a incandescenza aumenta.
Dopo molti tentativi falliti, sono stato in grado di creare un circuito che funziona effettivamente correttamente. Ti sei mai chiesto come appare un banco di prova quando un circuito non funziona? Lascia che ti dica che sembra molto brutto,
Questo è un circuito progettato in precedenza su cui stavo lavorando. Ho dovuto buttarlo via completamente e crearne uno nuovo perché il precedente non funzionava un po '.
Ulteriori miglioramenti
Per questa dimostrazione, il circuito è realizzato su un PCB fatto a mano ma il circuito può essere facilmente costruito in un PCB di buona qualità, nei miei esperimenti, la dimensione del PCB è davvero grande a causa delle dimensioni del componente, ma in un ambiente di produzione, può essere ridotto utilizzando componenti SMD economici. Nei miei esperimenti, ho scoperto che l'utilizzo di un timer 7555 invece di un timer 555 aumenta notevolmente il controllo, inoltre aumenta anche la stabilità del circuito.