AC-Lüfterdrehzahlregelung mit Arduino und Triac

WARNUNG!! Der in diesem Projekt diskutierte Schaltplan dient nur zu Bildungszwecken. Beachten Sie, dass das Arbeiten mit 220 V Wechselstrom eine extreme Vorsichtsmaßnahme erfordert und dass die Sicherheitsverfahren befolgt werden sollten. Berühren Sie keine der Komponenten oder Kabel, wenn der Stromkreis in Betrieb ist.

Es ist einfach, ein Haushaltsgerät mithilfe eines Schalters oder eines Steuerungsmechanismus ein- oder auszuschalten, wie wir es in vielen Arduino-basierten Hausautomationsprojekten getan haben. Es gibt jedoch viele Anwendungen, bei denen die Wechselstromversorgung teilweise gesteuert werden muss, z. B. um die Drehzahl des Lüfters oder die Intensität einer Lampe zu steuern. In diesem Fall wird die PWM-Technik verwendet. In diesem Abschnitt erfahren Sie, wie Sie mit Arduino-generierter PWM die AC-Lüftergeschwindigkeit mit Arduino steuern.

In diesem Projekt werden wir die Drehzahlregelung des Arduino AC-Lüfters mithilfe von TRIAC demonstrieren. Hier wird das Phasensteuerungsverfahren des Wechselstromsignals verwendet, um die Drehzahl des Wechselstromlüfters unter Verwendung von von Arduino erzeugten PWM-Signalen zu steuern. Im vorherigen Tutorial haben wir die Drehzahl des DC-Lüfters mithilfe von PWM gesteuert.

Erforderliche Komponenten

1. Arduino UNO
2. 4N25 (Nulldurchgangsdetektor)
3. 10k Potentiometer
4. MOC3021 0pto-Koppler
5. (0-9) V, 500 mA Abwärtstransformator
6. BT136 TRIAC
7. 230 VAC Axial AC Lüfter
8. Kabel anschließen
9. Widerstände

Funktionieren der AC-Lüftersteuerung mit Arduino

Die Arbeit kann in vier verschiedene Teile unterteilt werden. Sie sind wie folgt

1. Nulldurchgangsdetektor

2. Phasenwinkel-

Steuerkreis 3. Potentiometer zur Steuerung des Lüfterdrehzahlbetrags

4. PWM-Signalerzeugungskreis

1. Nulldurchgangsdetektor

Die Wechselstromversorgung, die wir in unserem Haushalt erhalten, beträgt 220 V Wechselstrom-Effektivwert, 50 Hz. Dieses Wechselstromsignal wechselt von Natur aus und ändert seine Polarität periodisch. In der ersten Hälfte jedes Zyklus fließt es in eine Richtung und erreicht eine Spitzenspannung und fällt dann auf Null ab. Dann fließt es in der nächsten Halbwelle in abwechselnder Richtung (negativ) zu einer Spitzenspannung und kommt dann wieder auf Null. Zur Steuerung der Drehzahl des AC-Lüfters muss die Spitzenspannung beider Halbzyklen unterbrochen oder gesteuert werden. Dazu müssen wir den Nullpunkt ermitteln, von dem aus das Signal gesteuert / gehackt werden soll. Dieser Punkt auf der Spannungskurve, an dem die Spannung die Richtung ändert, wird als Nulsspannungsübergang bezeichnet.

Die unten gezeigte Schaltung ist die Nulldurchgangsdetektorschaltung, die verwendet wird, um den Nulldurchgangspunkt zu erhalten. Zuerst wird die 220-V-Wechselspannung mit einem Abwärtstransformator auf 9 V Wechselstrom herabgesetzt und dann an Pin 1 und 2 einem 4N25-Optokoppler zugeführt. Der 4N25-Optokoppler verfügt über eine eingebaute LED mit Pin 1 als Anode und Pin 2 als Anode Kathode. Wenn sich die Wechselstromwelle dem Nulldurchgangspunkt nähert, wird gemäß der folgenden Schaltung die eingebaute LED von 4N25 ausgeschaltet, und infolgedessen wird auch der Ausgangstransistor von 4N25 ausgeschaltet und der Ausgangsimpulsstift wird ausgeschaltet auf 5V gezogen werden. Ebenso, wenn das Signal allmählich auf die Spitze ansteigtPunkt, dann leuchtet die LED auf und der Transistor schaltet sich ebenfalls ein, wenn der Erdungsstift mit dem Ausgangspin verbunden ist, wodurch dieser Pin 0 V beträgt. Mit diesem Impuls kann der Nulldurchgangspunkt mit Arduino erfasst werden.

2. Phasenwinkel-Steuerkreis

Nachdem wir den Nulldurchgangspunkt erkannt haben, müssen wir nun den Zeitpunkt steuern, zu dem die Stromversorgung ein- und ausgeschaltet wird. Dieses PWM-Signal bestimmt die Höhe der an den Wechselstrommotor ausgegebenen Spannung, die wiederum die Drehzahl des Motors steuert. Hier wird ein BT136 TRIAC verwendet, der die Wechselspannung steuert, da es sich um einen leistungselektronischen Schalter zur Steuerung eines Wechselspannungssignals handelt.

TRIAC ist ein Wechselstromschalter mit drei Anschlüssen, der durch ein Niedrigenergiesignal an seinem Gate-Anschluss ausgelöst werden kann. In SCRs leitet es nur in eine Richtung, aber im Fall von TRIAC kann die Leistung in beide Richtungen gesteuert werden. Um mehr über TRIAC und SCR zu erfahren, folgen Sie unseren vorherigen Artikeln.

Wie in der obigen Abbildung gezeigt, wird der TRIAC bei einem Zündwinkel von 90 Grad durch Anlegen eines kleinen Gate-Impulssignals an ihn ausgelöst. Die Zeit "t1" ist die Verzögerungszeit, die gemäß der Dimmanforderung angegeben wird. In diesem Fall beträgt der Zündwinkel beispielsweise 90 Prozent, daher wird auch die Ausgangsleistung halbiert und die Lampe leuchtet ebenfalls mit halber Intensität.

Wir wissen, dass die Frequenz des Wechselstromsignals hier 50 Hz beträgt. Der Zeitraum beträgt also 1 / f, was 20 ms entspricht. Für einen halben Zyklus sind dies 10 ms oder 10.000 Mikrosekunden. Daher kann zur Steuerung der Leistung einer Wechselstromlampe der Bereich von "t1" von 0 bis 10000 Mikrosekunden variiert werden.

Optokoppler:

Optokoppler ist auch als Optoisolator bekannt. Es wird verwendet, um die Isolation zwischen zwei Stromkreisen wie Gleich- und Wechselstromsignalen aufrechtzuerhalten. Grundsätzlich besteht es aus einer LED, die Infrarotlicht emittiert, und dem Photosensor, der es erkennt. Hier wird ein Optokoppler MOC3021 verwendet, um den AC-Lüfter über die Mikrocontrollersignale zu steuern, bei denen es sich um ein DC-Signal handelt.

Anschlussplan für TRIAC und Optokoppler:

3. Potentiometer zur Steuerung der Lüftergeschwindigkeit

Hier wird ein Potentiometer verwendet, um die Geschwindigkeit des AC-Lüfters zu variieren. Wir wissen, dass ein Potentiometer ein 3-poliges Gerät ist, das als Spannungsteiler fungiert und einen variablen Spannungsausgang liefert. Diese variable analoge Ausgangsspannung wird am analogen Arduino-Eingangsanschluss angegeben, um den Drehzahlwert des AC-Lüfters einzustellen.

4. PWM-Signalerzeugungseinheit

Im letzten Schritt wird dem TRIAC gemäß den Geschwindigkeitsanforderungen ein PWM-Impuls gegeben, der wiederum den EIN / AUS-Zeitpunkt des Wechselstromsignals variiert und einen variablen Ausgang zur Steuerung der Lüftergeschwindigkeit bereitstellt. Hier wird Arduino verwendet, um den PWM-Impuls zu erzeugen, der den Eingang vom Potentiometer nimmt und das PWM-Signal an die TRIAC- und Optokopplerschaltung ausgibt, die den AC-Lüfter mit der gewünschten Geschwindigkeit weiter antreibt. Erfahren Sie hier mehr über die PWM-Generierung mit Arduino.

Schaltplan

Der Schaltplan für diese Arduino-basierte 230-V-Lüfterdrehzahlregelung ist unten angegeben:

Hinweis: Ich habe die gesamte Schaltung nur zum besseren Verständnis auf einem Steckbrett gezeigt. Sie sollten keine 220-V-Wechselstromversorgung direkt an Ihrem Steckbrett verwenden. Ich habe ein gepunktetes Brett verwendet, um die Verbindungen herzustellen, wie Sie in der Abbildung unten sehen können

Programmierung des Arduino für die Drehzahlregelung des AC-Lüfters

Nach der Hardwareverbindung müssen wir den Code für Arduino schreiben, der ein PWM-Signal erzeugt, um das Ein- / Ausschalten des Wechselstromsignals mithilfe eines Potentiometereingangs zu steuern. Wir haben zuvor in vielen Projekten PWM-Techniken verwendet.

Der vollständige Code dieses Arduino AC-Lüfterdrehzahlregelungsprojekts ist am Ende dieses Projekts angegeben. Die schrittweise Erklärung des Codes ist unten angegeben.

Deklarieren Sie im ersten Schritt alle erforderlichen Variablen, die im gesamten Code verwendet werden sollen. Hier ist der BT136 TRIAC mit Pin 6 von Arduino verbunden. Und die Variable speed_val wird deklariert, um den Wert des Geschwindigkeitsschritts zu speichern.

int TRIAC = 6; int speed_val = 0;

Als nächstes deklarieren Sie innerhalb der Setup- Funktion den TRIAC- Pin als Ausgang, da der PWM-Ausgang über diesen Pin generiert wird. Konfigurieren Sie dann einen Interrupt, um den Nulldurchgang zu erkennen. Hier haben wir eine Funktion namens attachInterrupt verwendet, die den digitalen Pin 3 von Arduino als externen Interrupt konfiguriert und die Funktion zero_crossing aufruft, wenn Interrupts an ihrem Pin erkannt werden.

void setup () {pinMode (LAMP, OUTPUT); attachInterrupt (digitalPinToInterrupt (3), zero_crossing, CHANGE); }}

Lesen Sie innerhalb der Endlosschleife den Analogwert vom Potentiometer ab, das an A0 angeschlossen ist, und ordnen Sie ihn einem Wertebereich von (10-49) zu.

Um diesen Bereich herauszufinden, müssen wir eine kleine Berechnung durchführen. Früher wurde gesagt, dass jeder Halbzyklus 10.000 Mikrosekunden entspricht. Hier wird also das Dimmen in 50 Schritten gesteuert, was ein beliebiger Wert ist und geändert werden kann. Hier werden die minimalen Schritte als 10 und nicht als Null angenommen, da 0-9 Schritte ungefähr die gleiche Ausgangsleistung ergeben und die maximalen Schritte als 49 angenommen werden, da es praktisch nicht empfohlen wird, die Obergrenze (in diesem Fall 50) zu verwenden.

Dann kann jede Schrittzeit als 10000/50 = 200 Mikrosekunden berechnet werden. Dies wird im nächsten Teil des Codes verwendet.

void loop () {int pot = analogRead (A0); int data1 = map (pot, 0, 1023, 10, 49); speed_val = data1; }}

Konfigurieren Sie im letzten Schritt die Interrupt-gesteuerte Funktion zero_crossing. Hier kann die Dimmzeit berechnet werden, indem die einzelne Schrittzeit mit Nr. 1 multipliziert wird. von Schritten. Nach dieser Verzögerungszeit kann der TRIAC mit einem kleinen hohen Impuls von 10 Mikrosekunden ausgelöst werden, der ausreicht, um einen TRIAC einzuschalten.

void zero_crossing () {int chop_time = (200 * speed_val); delayMicroseconds (chop_time); digitalWrite (TRIAC, HIGH); delayMicroseconds (10); digitalWrite (TRIAC, LOW); }}

Der vollständige Code sowie ein funktionierendes Video für diese AC-Lüftersteuerung mit Arduino und PWM sind unten angegeben.