Регулировка угла фазы переменного тока для регуляторов освещенности и управления скоростью двигателя с помощью таймера 555 и сигнала ШИМ

Системы домашней автоматизации становятся все более популярными день ото дня, и в настоящее время стало легко включать и выключать определенные устройства, используя какой-то простой механизм управления, такой как реле или выключатель, мы ранее создавали множество проектов домашней автоматизации на основе Arduino с использованием реле. Но есть много бытовой техники, для которой требуется управление этой мощностью переменного тока, а не просто ее включение или выключение. Теперь войдите в мир управления фазовым углом переменного тока, это простой метод, с помощью которого вы можете управлять фазовым углом переменного тока. Это означает, что вы можете контролировать скорость своего потолочного вентилятора или любого другого вентилятора переменного тока, или даже вы можете контролировать яркость светодиода или лампы накаливания.

Хотя это звучит просто, на самом деле процесс его реализации очень сложен, поэтому в этой статье мы собираемся построить простую схему управления фазовым углом переменного тока с помощью таймера 555, а в конце мы будем использовать Arduino. для генерации простого ШИМ-сигнала для управления интенсивностью лампы накаливания. Как вы теперь ясно можете себе представить, с помощью этой схемы вы можете создать простую систему домашней автоматизации, в которой вы можете управлять вентилятором и диммерами света переменного тока с помощью одного Arduino.

Что такое регулятор фазового угла переменного тока и как он работает?

Управление фазовым углом переменного тока - это метод, с помощью которого мы можем контролировать или прерывать синусоидальную волну переменного тока. Угол зажигания устройства коммутации измен етс после обнаружения пересечения нуля, в результате чего среднее выходное напряжение изменяется пропорционально, что с модифицированной синусоиды, изображение ниже описывает больше.

Как видите, сначала у нас есть входной сигнал переменного тока. Затем у нас есть сигнал перехода через ноль, который генерирует прерывание каждые 10 мс. Затем у нас есть сигнал запуска затвора, как только мы получаем сигнал запуска, мы ждем в течение определенного периода, прежде чем подать импульс запуска, чем больше мы ждем, тем больше мы можем снизить среднее напряжение и наоборот. Мы обсудим эту тему позже в статье.

Проблемы управления фазовым углом

Прежде чем мы рассмотрим схему и все требования к материалам, давайте поговорим о некоторых проблемах, связанных с этим типом схемы, и о том, как наша схема их решает.

Наша цель здесь - контролировать фазовый угол синусоидальной волны переменного тока с помощью микроконтроллера для любого вида приложений домашней автоматизации. Если мы посмотрим на изображение ниже, вы увидите, что желтым цветом обозначена синусоида, а зеленым цветом - сигнал пересечения нуля.

Вы можете видеть, что сигнал пересечения нуля поступает каждые 10 мс, поскольку мы работаем с синусоидой 50 Гц. В микроконтроллере он генерирует прерывание каждые 10 мс. если бы мы поместили какой-либо другой код помимо этого, другой код может не работать из-за прерывания. Поскольку мы знаем, что частота сети в Индии составляет 50 Гц, поэтому мы работаем с синусоидальной волной 50 Гц, и для управления сетевым переменным током нам необходимо включать и выключать TRIAC в определенный период времени. Для этого схема управления фазовым углом на основе микроконтроллера использует сигнал пересечения нуля в качестве прерывания, но проблема с этим методом заключается в том, что вы не можете запускать какой-либо другой код, кроме кода управления углом темпа, потому что в некотором смысле он сломается. цикл цикла и один из этих кодов работать не будут.

Позвольте мне пояснить на примере. Предположим, вам нужно выполнить проект, в котором вам нужно контролировать яркость лампы накаливания, а также одновременно измерять температуру. Чтобы контролировать яркость лампы накаливания, вам нужна схема управления фазовым углом, также вам необходимо прочитать данные о температуре вместе с ней, если это сценарий, ваша схема не будет работать должным образом, потому что датчику DHT22 требуется некоторое время, чтобы дать свои выходные данные. В этот период времени схема управления фазовым углом перестанет работать, то есть, если вы настроили ее в режиме опроса, но если вы настроили сигнал пересечения нуля в режиме прерывания, вы никогда не сможете читать данные DHT. потому что проверка CRC не удалась.

Чтобы решить эту проблему, вы можете использовать другой микроконтроллер для другой схемы управления фазовым углом, но это увеличит стоимость спецификации. Другое решение - использовать нашу схему, которая состоит из общих компонентов, таких как таймер 555, и также стоит меньше.

Материал, необходимый для цепи управления фазовым углом переменного тока

На изображении ниже показаны материалы, использованные для создания схемы, поскольку она сделана из очень общих компонентов, вы сможете найти все перечисленные материалы в своем местном магазине для хобби.

Я также перечислил компоненты в таблице ниже с указанием типа и количества, поскольку это демонстрационный проект, я использую для этого один канал. Но схему можно легко увеличить в соответствии с требованиями.

Sl.No	Запчасти	Тип	Количество
1	Винтовой зажим 5,04 мм	Коннектор	3
2	Мужской заголовок 2,54 мм	Коннектор	1X2
3	56K, 1 Вт	Резистор	2
4	1N4007	Диод	4
5	0,1 мкФ, 25 В	Конденсатор	2
6	100 мкФ, 25 В	Конденсатор	2
7	LM7805	Регулятор напряжения	1
8	1K	Резистор	1
9	470R	Резистор	2
10	47R	Резистор	2
11	82 тыс.	Резистор	1
12	10 тыс.	Резистор	1
13	PC817	Оптопара	1
14	NE7555	IC	1
12	MOC3021	OptoTriac Drive	1
13	IRF9540	МОП-транзистор	1
14	3,3 мкФ	Конденсатор	1
15	Подключение проводов	Провода	5
16	0,1 мкФ, 1 кВ	Конденсатор	1
17	Arduino Nano (для тестирования)	Микроконтроллер	1

Схема цепи управления фазовым углом переменного тока

Схема цепи управления фазовым углом переменного тока показана ниже, эта схема очень проста и использует стандартные компоненты для управления фазовым углом.

Цепь управления фазовым углом переменного тока - рабочая

Эта схема состоит из очень тщательно разработанных компонентов, я рассмотрю каждый и объясню каждый блок.

Схема обнаружения перехода через ноль:

Во-первых, в нашем списке есть схема обнаружения перехода через нуль, сделанная с двумя резисторами 56 кОм, 1 Вт в сочетании с четырьмя диодами 1n4007 и оптопарой PC817. И эта схема отвечает за подачу сигнала пересечения нуля на микросхему таймера 555. Кроме того, мы отсоединили фазу и нейтральный сигнал, чтобы в дальнейшем использовать их в секции TRIAC.

Регулятор напряжения LM7809:

Стабилизатор напряжения 7809 используется для питания схемы, схема отвечает за питание всей схемы. Кроме того, мы использовали два конденсатора емкостью 470 мкФ и конденсатор емкостью 0,1 мкФ в качестве разделительного конденсатора для микросхемы LM7809.

Цепь управления с таймером NE555:

На приведенном выше изображении показана схема управления таймером 555, 555 сконфигурирован в моностабильной конфигурации, поэтому, когда сигнал триггера от схемы обнаружения перехода через ноль попадает на триггер, таймер 555 начинает заряжать конденсатор с помощью резистора (в общем), но наша схема имеет полевой МОП-транзистор вместо резистора, и, управляя затвором полевого МОП-транзистора, мы контролируем ток, идущий на конденсатор, поэтому мы контролируем время зарядки, следовательно, мы контролируем выход таймеров 555. Во многих проектах мы использовали микросхему таймера 555 для создания нашего проекта. Если вы хотите узнать больше по этой теме, вы можете ознакомиться со всеми другими проектами.

TRIAC и схема драйвера TRIAC:

TRIAC действует как главный выключатель, который фактически включается и выключается, таким образом управляя выходным сигналом переменного тока. Управляет TRIAC оптотиристическим приводом MOC3021, он не только управляет TRIAC, но также обеспечивает оптическую изоляцию, высоковольтный конденсатор 0,01 мкФ 2 кВ и резистор 47R образуют демпферную цепь, которая защищает нашу схему от скачков высокого напряжения. которые возникают, когда он подключен к индуктивной нагрузке, несинусоидальный характер коммутируемого сигнала переменного тока отвечает за выбросы. Кроме того, он отвечает за проблемы с коэффициентом мощности, но это тема для другой статьи. Кроме того, в различных статьях мы использовали TRIAC в качестве предпочтительного устройства, вы можете проверить их, если это вас заинтересует.

Фильтр нижних частот и МОП-транзистор с каналом P (действующий как резистор в цепи):

Резистор 82 кОм и конденсатор 3,3 мкФ образуют фильтр нижних частот, который отвечает за сглаживание высокочастотного сигнала ШИМ, генерируемого Arduino. Как упоминалось ранее, полевой МОП-транзистор с каналом P действует как переменный резистор, который регулирует время зарядки конденсатора. Управляет им сигнал ШИМ, который сглаживается фильтром нижних частот. В предыдущей статье мы разъяснили концепцию фильтров нижних частот, вы можете ознакомиться со статьей об активном фильтре нижних частот или пассивном фильтре нижних частот, если хотите узнать больше по этой теме.

Дизайн печатной платы для цепи управления фазовым углом переменного тока

Печатная плата для нашей схемы управления фазовым углом представляет собой одностороннюю плату. Я использовал Eagle для разработки своей печатной платы, но вы можете использовать любое программное обеспечение для проектирования по вашему выбору. 2D-изображение моего дизайна платы показано ниже.

Достаточное количество грунта используется для правильного заземления всех компонентов. Вход 12 В постоянного тока и вход 220 В переменного тока заполнены с левой стороны, выход расположен с правой стороны печатной платы. Полный файл дизайна для Eagle вместе с Gerber можно скачать по ссылке ниже.

• Загрузите файлы PCB Design, GERBER и PDF для схемы управления фазовым углом переменного тока

Печатная плата ручной работы:

Для удобства я сделал свою ручную версию печатной платы, и она показана ниже.

Код Arduino для управления фазовым углом переменного тока

Для работы схемы используется простой код генерации ШИМ, код и его объяснение приведены ниже. Вы также можете найти полный код внизу этой страницы. Сначала мы объявляем все необходимые переменные, const int analogInPin = A0; // Вывод аналогового входа, к которому подключен потенциометр const int analogOutPin = 9; // Вывод аналогового выхода, к которому подключен светодиод int sensorValue = 0; // значение, считываемое из банка int outputValue = 0; // вывод значения на ШИМ (аналоговый выход)

Переменные должны объявлять аналоговый вывод, аналоговый вывод, а другие переменные предназначены для хранения, преобразования и печати отображаемого значения. Затем в разделе setup () мы инициализируем UART со скоростью 9600 бод, чтобы мы могли контролировать выход и таким образом мы можем узнать, какой диапазон ШИМ мог полностью управлять выходом схемы.

void setup () {// инициализируем последовательную связь со скоростью 9600 бит / с: Serial.begin (9600); }

Затем в разделе loop () мы считываем аналоговый вывод A0 и сохраняем значение в переменной значения датчика, затем мы сопоставляем значение датчика с 0 -255, так как таймер PWM atmega имеет только 8 бит, затем мы установите сигнал PWM с помощью функции analogWrite () Arduino. и, наконец, мы выводим значения в окно последовательного монитора, чтобы узнать диапазон управляющего сигнала. Если вы следуете этому руководству, видео в конце даст вам более четкое представление по теме.

sensorValue = analogRead (analogInPin); // считываем аналог в значении: outputValue = map (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // сопоставляем его с диапазоном аналогового вывода: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // изменить значение аналогового выхода: Serial.print ("sensor ="); // выводим результаты в Serial Monitor: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t output ="); Serial.println (outputValue);

Тестирование цепи управления фазовым углом переменного тока

На изображении выше показана испытательная установка схемы. Питание 12 В обеспечивается схемой ИИП на 12 В, нагрузка в нашем случае - лампочка, ее легко заменить \ на индуктивную нагрузку типа вентилятора. Также, как вы можете видеть, я прикрепил потенциометр для управления яркостью лампы, но его можно заменить любым другим контроллером, если вы увеличите изображение, вы увидите, что горшок подключен к Вывод A0 на Arduino, а сигнал ШИМ поступает от вывода 9 Arduino.

Как вы можете видеть на картинке выше, выходное значение равно 84, а яркость лампы накаливания очень низкая,

На этом изображении вы можете видеть, что значение равно 82, а яркость лампы накаливания увеличивается.

После многих неудачных попыток мне удалось создать схему, которая действительно работает правильно. Вы когда-нибудь задумывались, как выглядит испытательный стенд, когда схема не работает? Позвольте мне сказать вам, что это выглядит очень плохо,

Это ранее разработанная схема, над которой я работал. Пришлось полностью выбросить и сделать новый, потому что предыдущий немного не работал.

Дальнейшие улучшения

Для этой демонстрации схема сделана на печатной плате ручной работы, но схема может быть легко построена на печатной плате хорошего качества, в моих экспериментах размер печатной платы действительно велик из-за размера компонента, но в производственной среде он может быть уменьшена за счет использования дешевых SMD-компонентов. В своих экспериментах я обнаружил, что использование таймера 7555 вместо таймера 555 значительно увеличивает управляемость, кроме того, повышается стабильность схемы.