- Was ist eine AC-Phasenwinkelsteuerung und wie funktioniert sie?
- Herausforderungen bei der Phasenwinkelsteuerung
- Erforderliches Material für den AC-Phasenwinkel-Steuerkreis
- Schaltplan zur Steuerung der Wechselstrom-Phasenwinkel
- AC-Phasenwinkel-Steuerkreis - funktioniert
- PCB-Design für den AC-Phasenwinkel-Steuerkreis
- Arduino-Code für die AC-Phasenwinkelsteuerung
- Testen des AC-Phasenwinkel-Steuerkreises
- Weitere Verbesserungen
Hausautomationssysteme werden von Tag zu Tag beliebter, und heutzutage ist es einfach, bestimmte Geräte mithilfe eines einfachen Steuermechanismus wie eines Relais oder eines Schalters ein- und auszuschalten. Wir haben zuvor viele Arduino-basierte Hausautomationsprojekte mit Relais erstellt. Es gibt jedoch viele Haushaltsgeräte, bei denen die Steuerung dieser Wechselstromversorgung erforderlich ist, anstatt sie nur ein- oder auszuschalten. Betreten Sie jetzt die Welt der AC-Phasenwinkelsteuerung. Dies ist eine einfache Technik, mit der Sie den AC-Phasenwinkel steuern können. Dies bedeutet, dass Sie die Geschwindigkeit Ihres Deckenventilators oder eines anderen AC-Ventilators oder sogar die Intensität einer LED oder einer Glühbirne steuern können.
Obwohl es einfach klingt, ist der Prozess der tatsächlichen Implementierung sehr schwierig. In diesem Artikel werden wir eine einfache Wechselstrom-Phasenwinkel-Steuerschaltung mit Hilfe eines 555-Timers erstellen und am Ende einen Arduino verwenden ein einfaches PWM-Signal zur Steuerung der Intensität einer Glühbirne zu erzeugen. Wie Sie sich jetzt klar vorstellen können, können Sie mit dieser Schaltung ein einfaches Hausautomationssystem bauen, in dem Sie den Lüfter und die AC-Lichtdimmer mit einem einzigen Arduino steuern können.
Was ist eine AC-Phasenwinkelsteuerung und wie funktioniert sie?
Die AC-Phasenwinkelsteuerung ist eine Methode, mit der wir eine AC-Sinuswelle steuern oder zerhacken können. Der Zündwinkel der Schaltvorrichtung wird nach einer Nulldurchgangserkennung variiert, was zu einer durchschnittlichen Spannungsausgabe führt, die sich proportional zur modifizierten Sinuswelle ändert. Das folgende Bild beschreibt mehr.
Wie Sie sehen können, haben wir zuerst unser AC-Eingangssignal. Als nächstes haben wir das Nulldurchgangssignal, das alle 10 ms einen Interrupt erzeugt. Als nächstes haben wir das Gate-Triggersignal. Sobald wir ein Triggersignal erhalten, warten wir eine bestimmte Zeit, bevor wir den Triggerimpuls geben. Je länger wir warten, desto mehr können wir die durchschnittliche Spannung reduzieren und umgekehrt. Wir werden später in diesem Artikel mehr über das Thema diskutieren.
Herausforderungen bei der Phasenwinkelsteuerung
Bevor wir uns den Schaltplan und alle Materialanforderungen ansehen, wollen wir uns mit einigen Problemen befassen, die mit dieser Art von Schaltung verbunden sind, und wie unsere Schaltung diese löst.
Unser Ziel ist es hier, den Phasenwinkel einer Wechselstrom-Sinuswelle mit Hilfe eines Mikrocontrollers für jede Art von Hausautomationsanwendung zu steuern. Wenn wir uns das Bild unten ansehen, können Sie sehen, dass wir in Gelb unsere Sinuswelle und in Grün unser Nulldurchgangssignal haben.
Sie können sehen, dass das Nulldurchgangssignal alle 10 ms eingeht, wenn wir mit einer 50-Hz-Sinuswelle arbeiten. In einem Mikrocontroller wird alle 10 ms ein Interrupt generiert. Wenn wir einen anderen Code als diesen einfügen, funktioniert der andere Code möglicherweise aufgrund einer Unterbrechung nicht. Da wir wissen, dass die Netzfrequenz in Indien 50 Hz beträgt, arbeiten wir mit einer 50-Hz-Sinuswelle. Um die Netzwechselspannung zu steuern, müssen wir den TRIAC in einem bestimmten Zeitraum ein- und ausschalten. Zu diesem Zweck verwendet die auf einem Mikrocontroller basierende Phasenwinkelsteuerschaltung das Nulldurchgangssignal als Interrupt. Das Problem bei dieser Methode ist jedoch, dass Sie außer dem Schrittwinkelsteuercode keinen anderen Code ausführen können, da dieser in gewisser Weise unterbrochen wird Der Schleifenzyklus und einer dieser Codes funktionieren nicht.
Lassen Sie mich anhand eines Beispiels klarstellen, dass Sie ein Projekt durchführen müssen, bei dem Sie die Helligkeit der Glühbirne steuern und gleichzeitig die Temperatur messen müssen. Um die Helligkeit einer Glühbirne zu steuern, benötigen Sie eine Phasenwinkel-Steuerschaltung. Außerdem müssen Sie die Temperaturdaten zusammen mit dieser lesen. Wenn dies der Fall ist, funktioniert Ihre Schaltung nicht richtig, da der DHT22-Sensor einige Zeit benötigt Geben Sie die Ausgabedaten an. In diesem Zeitraum funktioniert die Phasenwinkel-Steuerschaltung nicht mehr, dh wenn Sie sie in einem Abfragemodus konfiguriert haben. Wenn Sie jedoch das Nulldurchgangssignal im Interrupt-Modus konfiguriert haben, können Sie die DHT-Daten niemals lesen weil die CRC-Prüfung fehlschlägt.
Um dieses Problem zu lösen, können Sie einen anderen Mikrocontroller für verschiedene Phasenwinkelsteuerschaltungen verwenden, dies erhöht jedoch die Stücklistenkosten. Eine andere Lösung besteht darin, unsere Schaltung zu verwenden, die aus generischen Komponenten wie dem 555-Timer besteht und auch weniger kostet.
Erforderliches Material für den AC-Phasenwinkel-Steuerkreis
Das Bild unten zeigt die Materialien, die zum Aufbau der Schaltung verwendet wurden. Da diese aus sehr allgemeinen Komponenten bestehen, sollten Sie in der Lage sein, das gesamte aufgelistete Material in Ihrem örtlichen Hobbygeschäft zu finden.
Ich habe auch die Komponenten in einer Tabelle unten mit Typ und Menge aufgelistet, da es sich um ein Demonstrationsprojekt handelt, verwende ich dazu einen einzelnen Kanal. Die Schaltung kann jedoch leicht nach Bedarf vergrößert werden.
|
Sl. Nein |
Teile |
Art |
Menge |
|
1 |
Schraubklemme 5,04 mm |
Verbinder |
3 |
|
2 |
Stecker 2,54 mm |
Verbinder |
1X2 |
|
3 |
56K, 1W |
Widerstand |
2 |
|
4 |
1N4007 |
Diode |
4 |
|
5 |
0,1 uF, 25 V. |
Kondensator |
2 |
|
6 |
100 uF, 25 V. |
Kondensator |
2 |
|
7 |
LM7805 |
Spannungsregler |
1 |
|
8 |
1K |
Widerstand |
1 |
|
9 |
470R |
Widerstand |
2 |
|
10 |
47R |
Widerstand |
2 |
|
11 |
82K |
Widerstand |
1 |
|
12 |
10K |
Widerstand |
1 |
|
13 |
PC817 |
Optokoppler |
1 |
|
14 |
NE7555 |
IC |
1 |
|
12 |
MOC3021 |
OptoTriac Drive |
1 |
|
13 |
IRF9540 |
MOSFET |
1 |
|
14 |
3,3 uF |
Kondensator |
1 |
|
15 |
Kabel anschließen |
Leitungen |
5 |
|
16 |
0,1 uF, 1 kV |
Kondensator |
1 |
|
17 |
Arduino Nano (zum Test) |
Mikrocontroller |
1 |
Schaltplan zur Steuerung der Wechselstrom-Phasenwinkel
Das Schema für die Wechselstrom-Phasenwinkelsteuerschaltung ist unten gezeigt. Diese Schaltung ist sehr einfach und verwendet generische Komponenten, um eine Phasenwinkelsteuerung zu erreichen.
AC-Phasenwinkel-Steuerkreis - funktioniert
Diese Schaltung besteht aus sehr sorgfältig entworfenen Komponenten. Ich werde jede einzelne durchgehen und jeden Block erklären.
Nulldurchgangserkennungsschaltung:
Erstens ist in unserer Liste die Nulldurchgangserkennungsschaltung mit zwei 56K, 1W Widerständen in Verbindung mit vier 1n4007 Dioden und einem PC817 Optokoppler hergestellt. Und diese Schaltung ist dafür verantwortlich, das Nulldurchgangssignal an den 555-Zeitgeber-IC zu liefern. Außerdem haben wir die Phase und das neutrale Signal abgeklebt, um es im TRIAC-Bereich weiter zu verwenden.
Spannungsregler LM7809:
Der Spannungsregler 7809 wird zur Stromversorgung der Schaltung verwendet. Die Schaltung ist für die Stromversorgung der gesamten Schaltung verantwortlich. Zusätzlich haben wir zwei 470uF-Kondensatoren und einen 0,1uF-Kondensator als Entkopplungskondensator für den LM7809-IC verwendet.
Steuerkreis mit NE555 Timer:
Das obige Bild zeigt die 555-Timer-Steuerschaltung. Die 555 ist in einer monostabilen Konfiguration konfiguriert. Wenn also ein Triggersignal von der Nulldurchgangserkennungsschaltung auf den Trigger trifft, beginnt der 555-Timer, den Kondensator mit Hilfe eines Widerstands aufzuladen (im Allgemeinen), aber unsere Schaltung hat einen MOSFET anstelle eines Widerstands, und indem wir das Gate des MOSFET steuern, steuern wir den Strom, der zum Kondensator fließt. Deshalb steuern wir die Ladezeit, daher steuern wir den Ausgang der 555-Timer. In vielen Projekten haben wir den 555-Timer-IC verwendet, um unser Projekt zu erstellen. Wenn Sie mehr über dieses Thema erfahren möchten, können Sie alle anderen Projekte überprüfen.
TRIAC und die TRIAC-Treiberschaltung:
Der TRIAC fungiert als Hauptschalter, der tatsächlich ein- und ausgeschaltet wird und somit den Ausgang des Wechselstromsignals steuert. Der TRIAC wird vom Optotriac-Antrieb MOC3021 angesteuert. Er steuert nicht nur den TRIAC an, sondern bietet auch eine optische Isolation. Der 0,01 uF 2KV-Hochspannungskondensator und der 47R-Widerstand bilden eine Dämpfungsschaltung, die unsere Schaltung vor Hochspannungsspitzen schützt Wenn es an eine induktive Last angeschlossen wird, ist die nicht sinusförmige Natur des geschalteten Wechselstromsignals für die Spitzen verantwortlich. Es ist auch für Leistungsfaktorprobleme verantwortlich, aber das ist ein Thema für einen anderen Artikel. Außerdem haben wir in verschiedenen Artikeln den TRIAC als unser bevorzugtes Gerät verwendet. Sie können diese überprüfen, wenn dies Ihr Interesse weckt.
Tiefpassfilter und P-Kanal-MOSFET (fungiert als Widerstand in der Schaltung):
Der 82K-Widerstand und der 3,3uF-Kondensator bilden das Tiefpassfilter, das für die Glättung des vom Arduino erzeugten Hochfrequenz-PWM-Signals verantwortlich ist. Wie bereits erwähnt, fungiert der P-Kanal-MOSFET als variabler Widerstand, der die Ladezeit des Kondensators steuert. Die Steuerung erfolgt über das PWM-Signal, das vom Tiefpassfilter geglättet wird. Im vorherigen Artikel haben wir das Konzept der Tiefpassfilter erläutert. Sie können den Artikel über aktive Tiefpassfilter oder passive Tiefpassfilter lesen, wenn Sie mehr über das Thema erfahren möchten.
PCB-Design für den AC-Phasenwinkel-Steuerkreis
Die Platine für unsere Phasenwinkel-Steuerschaltung ist in einer einseitigen Platine ausgeführt. Ich habe Eagle zum Entwerfen meiner Leiterplatte verwendet, aber Sie können jede Design-Software Ihrer Wahl verwenden. Das 2D-Bild meines Board-Designs ist unten dargestellt.
Eine ausreichende Erdung wird verwendet, um ordnungsgemäße Erdungsverbindungen zwischen allen Komponenten herzustellen. Der 12-V-DC-Eingang und der 220-Volt-AC-Eingang befinden sich auf der linken Seite. Der Ausgang befindet sich auf der rechten Seite der Leiterplatte. Die komplette Designdatei für Eagle zusammen mit dem Gerber kann über den unten stehenden Link heruntergeladen werden.
- Laden Sie PCB Design-, GERBER- und PDF-Dateien für AC Phase Angle Control Circuit herunter
Handgefertigte Leiterplatte:
Der Einfachheit halber habe ich meine handgefertigte Version der Leiterplatte hergestellt und sie ist unten abgebildet.
Arduino-Code für die AC-Phasenwinkelsteuerung
Ein einfacher PWM-Generierungscode wird verwendet, damit die Schaltung funktioniert. Der Code und seine Erklärung sind unten angegeben. Den vollständigen Code finden Sie auch unten auf dieser Seite. Zuerst deklarieren wir alle notwendigen Variablen, const int analogInPin = A0; // Analogeingangspin, an den das Potentiometer angeschlossen ist const int analogOutPin = 9; // Analogausgangspin, an dem die LED an int sensorValue = 0 angeschlossen ist; // aus dem Topf gelesener Wert int outputValue = 0; // Wertausgabe an die PWM (Analogausgang)
Die Variablen deklarieren den Analog-Pin, den AnalogOut-Pin und die anderen Variablen sollen den zugeordneten Wert speichern, konvertieren und drucken. Als nächstes initialisieren wir im Abschnitt setup () den UART mit 9600 Baud, damit wir den Ausgang überwachen können. Auf diese Weise können wir herausfinden, welcher PWM-Bereich den Ausgang der Schaltung vollständig steuern konnte.
void setup () {// Serielle Kommunikation mit 9600 Bit / s initialisieren: Serial.begin (9600); }}
Als nächstes lesen wir im Abschnitt loop () den analogen Pin A0 und speichern den Wert auf die Sensorwertvariable. Als nächstes ordnen wir den Sensorwert 0 bis 255 zu, da der PWM-Timer der Atmosphäre nur 8 Bit beträgt Stellen Sie das PWM-Signal mit einer analogWrite () -Funktion des Arduino ein. und schließlich drucken wir die Werte in das Fenster des seriellen Monitors, um den Bereich des Steuersignals herauszufinden. Wenn Sie diesem Tutorial folgen, gibt Ihnen das Video am Ende eine klarere Vorstellung von dem Thema.
sensorValue = analogRead (analogInPin); // Analogwert einlesen: outputValue = map (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // ordne es dem Bereich des analogen Ausgangs zu: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // Analogausgangswert ändern: Serial.print ("sensor ="); // drucke die Ergebnisse auf dem Serial Monitor: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t output ="); Serial.println (outputValue);
Testen des AC-Phasenwinkel-Steuerkreises
Das obige Bild zeigt den Testaufbau der Schaltung. Die 12-V-Versorgung erfolgt über eine 12-V-SMPS-Schaltung. Die Last ist in unserem Fall eine Glühbirne. Sie kann leicht durch eine induktive Last wie einen Lüfter ersetzt werden. Auch wenn Sie sehen können, dass ich ein Potentiometer angeschlossen habe, um die Helligkeit der Lampe zu steuern, aber es kann durch jede andere Art von Controller ersetzt werden. Wenn Sie das Bild vergrößern, können Sie sehen, dass der Topf mit dem verbunden ist Ein Pin 0 des Arduino und das PWM-Signal kommen vom Pin 9 des Arduino.
Wie Sie im obigen Bild sehen können, beträgt der Ausgabewert 84 und die Helligkeit der Glühbirne ist sehr niedrig.
In diesem Bild sehen Sie, dass der Wert 82 beträgt und die Helligkeit der Glühbirne zunimmt.
Nach vielen fehlgeschlagenen Versuchen konnte ich eine Schaltung finden, die tatsächlich richtig funktioniert. Haben Sie sich jemals gefragt, wie ein Prüfstand aussieht, wenn eine Schaltung nicht funktioniert? Lass mich dir sagen, dass es sehr schlecht aussieht,
Dies ist eine zuvor entworfene Schaltung, an der ich gearbeitet habe. Ich musste es komplett wegwerfen und ein neues machen, weil das vorherige nicht ein bisschen funktionierte.
Weitere Verbesserungen
Für diese Demonstration wird die Schaltung auf einer handgefertigten Leiterplatte hergestellt, aber die Schaltung kann leicht in eine Leiterplatte guter Qualität eingebaut werden. In meinen Experimenten ist die Größe der Leiterplatte aufgrund der Komponentengröße wirklich groß, aber in einer Produktionsumgebung kann durch die Verwendung billiger SMD-Komponenten reduziert werden. In meinen Experimenten habe ich festgestellt, dass die Verwendung eines 7555-Timers anstelle eines 555-Timers die Kontrolle erheblich erhöht und außerdem die Stabilität der Schaltung erhöht.