- מהו בקרת זווית שלב AC ואיך זה עובד?
- אתגרים בבקרת זווית שלב
- חומר הנדרש למעגל בקרת זווית שלב AC
- תרשים מעגל בקרת זווית שלב AC
- מעגל בקרת זווית שלב AC - עובד
- תכנון PCB למעגל בקרת זווית שלב AC
- קוד ארדואינו לבקרת זווית שלב AC
- בדיקת מעגל בקרת זווית שלב AC
- שיפורים נוספים
מערכות אוטומציה ביתיות צוברות פופולריות יותר ויותר מיום ליום, וכיום נעשה קל להפעיל ולכבות מכשירים מסוימים באמצעות מנגנון בקרה פשוט כמו ממסר או מתג. לפני כן בנינו פרויקטים רבים מבוססי Arduino Home באמצעות ממסרים. אך ישנם מכשירים ביתיים רבים הדורשים שליטה בכוח מתח זה ולא רק להדליק או לכבות. כעת, היכנסו לעולם של בקרת זווית ה- AC, זו טכניקה פשוטה באמצעותה תוכלו לשלוט בזווית שלב ה- AC. זה אומר שאתה יכול לשלוט במהירות של מאוורר התקרה שלך או כל מאוורר זרם אחר או אפילו שאתה יכול לשלוט בעוצמה של נורת LED או נורת ליבון.
למרות שזה נשמע פשוט, תהליך ההטמעה שלו קשה מאוד, ולכן במאמר זה אנו הולכים לבנות מעגל בקרת זווית AC פשוט בעזרת טיימר 555, ובסופו של דבר נשתמש בארדואינו. כדי ליצור אות PWM פשוט לבקרת עוצמת נורת ליבון. כפי שאתה יכול לדמיין בבירור עכשיו, עם המעגל הזה, אתה יכול לבנות מערכת אוטומציה ביתית פשוטה שבה אתה יכול לשלוט על המאוורר ועל עמעום אור עם ארדואינו יחיד.
מהו בקרת זווית שלב AC ואיך זה עובד?
בקרת זווית שלב AC היא שיטה שבאמצעותה אנו יכולים לשלוט או לקצוץ גל סינוס AC. זווית הירי של התקן המיתוג מגוון בעקבות גילוי אפס-מעבר, וכתוצאה מכך פלט מתח ממוצע שמשנה באופן פרופורציונאלי עם גל סינוס השונה, בתמונה למטה מתארת יותר.
כפי שאתה יכול לראות, ראשית יש לנו את אות הכניסה AC שלנו. לאחר מכן, יש לנו את האות מעבר אפס, שיוצר הפרעה כל 10ms. לאחר מכן, יש לנו את אות ההדק של השער, ברגע שנקבל אות ההפעלה, אנו מחכים לתקופה מסוימת לפני שנתן את הדופק ההדק, ככל שנמתין יותר, כך נוכל להפחית את המתח הממוצע ולהיפך. נדון בהמשך הנושא בהמשך המאמר.
אתגרים בבקרת זווית שלב
לפני שנבדוק את הסכימה ואת כל הדרישות החומריות, בואו נדבר על כמה בעיות הקשורות למעגל מסוג זה ואיך המעגל שלנו פותר אותן.
מטרתנו כאן היא לשלוט בזווית הפאזה של גל סינוס AC בעזרת מיקרו-בקר, לכל סוג של יישום אוטומציה ביתית. אם נסתכל על התמונה למטה, אתה יכול לראות שבצהוב יש לנו את גל הסינוס שלנו, ובירוק יש לנו את האפס המעבר שלנו.
אתה יכול לראות כי האות למעבר אפס מגיע בכל 10ms כאשר אנו עובדים עם גל סינוס 50Hz. במיקרו-בקר הוא יוצר הפרעה כל 10ms. אם היינו שמים קוד אחר מלבד זה, ייתכן שהקוד האחר לא יפעל בגלל הפרעה. כידוע תדר הקו שנשמע בהודו הוא 50 הרץ, לכן אנו עובדים עם גל סינוס 50 הרץ, וכדי לשלוט על זרם החשמל, עלינו להפעיל ולכבות את ה- TRIAC במסגרת זמן מסוימת. לשם כך, מעגל בקרת זווית פאזה מבוסס מיקרו-בקר משתמש באותה מעבר אפס כהפרעה, אך הבעיה בשיטה זו אינך יכול להריץ שום קוד אחר מלבד קוד בקרת זווית הקצב, מכיוון שבאופן מסוים הוא יישבר. מחזור הלולאה ואחד מהקודים האלה לא יעבוד.
תן לי להבהיר בדוגמה, נניח שאתה צריך לעשות פרויקט שבו אתה צריך לשלוט על בהירות נורת הליבון, כמו כן עליך למדוד את הטמפרטורה בו זמנית. כדי לשלוט על בהירות נורת ליבון, אתה צריך מעגל בקרת זווית פאזה, אתה גם צריך לקרוא את נתוני הטמפרטורה יחד איתה, אם זה התרחיש, המעגל שלך לא יעבוד כמו שצריך כי חיישן DHT22 לוקח קצת זמן לתת את נתוני הפלט שלו. בפרק זמן זה, מעגל בקרת זווית הפאזה יפסיק לפעול, כלומר אם הגדרת אותו במצב סקר, אך אם הגדרת את אות חציית האפס במצב הפסקה, לעולם לא תוכל לקרוא את נתוני DHT מכיוון שבדיקת CRC תיכשל.
כדי לפתור בעיה זו, אתה יכול להשתמש במיקרו-בקר אחר למעגל בקרת זווית פאזה שונה אך זה יעלה את עלות ה- BOM, פיתרון אחר הוא להשתמש במעגל שלנו המורכב מרכיבים גנריים כמו טיימר 555 וגם עולה פחות.
חומר הנדרש למעגל בקרת זווית שלב AC
התמונה למטה מציגה את החומרים המשמשים לבניית המעגל, מכיוון שהדבר מיוצר ברכיבים כלליים מאוד, אתה אמור להיות מסוגל למצוא את כל החומרים הרשומים בחנות התחביבים המקומית שלך.
רשמתי גם את הרכיבים בטבלה שלהלן עם סוג וכמות, מכיוון שמדובר בפרויקט הדגמה, אני משתמש בערוץ יחיד לשם כך. אך ניתן לשנות את המעגל בקלות בהתאם לדרישה.
לא |
חלקים |
סוּג |
כַּמוּת |
1 |
מסוף בורג 5.04 מ"מ |
מַחבֵּר |
3 |
2 |
כותרת זכר 2.54 מ"מ |
מַחבֵּר |
1X2 |
3 |
56K, 1W |
נַגָד |
2 |
4 |
1N4007 |
דיודה |
4 |
5 |
0.1uF, 25V |
קַבָּל |
2 |
6 |
100uF, 25V |
קַבָּל |
2 |
7 |
LM7805 |
ווסת מתח |
1 |
8 |
1K |
נַגָד |
1 |
9 |
470R |
נַגָד |
2 |
10 |
47R |
נַגָד |
2 |
11 |
82K |
נַגָד |
1 |
12 |
10K |
נַגָד |
1 |
13 |
PC817 |
מצמד אופטי |
1 |
14 |
NE7555 |
IC |
1 |
12 |
MOC3021 |
כונן OptoTriac |
1 |
13 |
IRF9540 |
MOSFET |
1 |
14 |
3.3uF |
קַבָּל |
1 |
15 |
חוטי חיבור |
חוטים |
5 |
16 |
0.1uF, 1KV |
קַבָּל |
1 |
17 |
ארדואינו ננו (למבחן) |
מיקרו-בקר |
1 |
תרשים מעגל בקרת זווית שלב AC
התרשים למעגל בקרת זווית הפאזות AC מוצג להלן, מעגל זה פשוט מאוד ומשתמש ברכיבים כלליים להשגת בקרת זווית פאזה.
מעגל בקרת זווית שלב AC - עובד
מעגל זה מורכב מרכיבים שתוכננו בקפידה רבה, אני אעבור על כל אחד ואסביר על כל בלוק.
מעגל איתור אפסים:
ראשית, ברשימה שלנו הוא מעגל הגילוי האפסי עשוי עם שני נגדים 56K, 1W בשילוב עם ארבע דיודות 1n4007 ומצמד אופטי PC817. ומעגל זה אחראי על מתן אות המעבר לאפס ל- 555 טיימר IC. כמו כן, הקלטנו את השלב ואת האות הניטראלי כדי להמשיך להשתמש בו בסעיף TRIAC.
LM7809 ווסת מתח:
הרגולטור של מתח 7809 משמש להפעלת המעגל, המעגל אחראי לספק כוח לכל המעגל. בנוסף, השתמשנו בשני קבלים 470uF ובקבל 0.1uF כקבל ניתוק של ה- LM7809 IC.
מעגל בקרה עם טיימר NE555:
התמונה לעיל מציגה את מעגל בקרת הטיימר 555, ה- 555 מוגדר בתצורה מונוסטיבית, כך שכאשר אות ההדק ממעגל איתור המעבר אפס פוגע בהדק, טיימר 555 מתחיל לטעון את הקבל בעזרת נגד (באופן כללי), אך במעגל שלנו יש MOSFET במקום נגד, ועל ידי שליטה בשער ה- MOSFET, אנו שולטים בזרם העובר לקבל, ולכן אנו שולטים בזמן הטעינה ומכאן שאנו שולטים בפלט של 555 טיימרים. בפרויקטים רבים השתמשנו ב- 555 טיימר IC על מנת להפוך את הפרויקט שלנו, אם אתה רוצה לדעת יותר על נושא זה, תוכל לבדוק את כל הפרויקטים האחרים.
TRIAC ומעגל הנהג TRIAC:
ה- TRIAC משמש כמתג הראשי אשר למעשה מפעיל ומכבה, ובכך שולט על פלט האות AC. נהיגה ב- TRIAC היא כונן MOC3021 אופטריאק, הוא לא רק מניע את TRIAC, אלא גם מספק בידוד אופטי, קבלים מתח גבוה של 0.01uF 2KV, והנגד 47R יוצר מעגל סנבר, המגן על המעגל שלנו מפני קוצים מתח גבוה. המתרחשים כאשר הוא מחובר לעומס אינדוקטיבי, האופי הלא סינוסי של אות ה- AC המופעל אחראי לדוקרנים. כמו כן, הוא אחראי על נושאי גורם כוח, אך זהו נושא למאמר אחר. כמו כן, במאמרים שונים השתמשנו ב- TRIAC כמכשיר המועדף עלינו, תוכלו לבדוק אותם אם זה מעניין אתכם.
מסנן Lowpass ו- MOSFET של ערוץ P (מתנהג כנגד במעגל):
הנגד 82K וקבל ה- 3.3uF מהווים את מסנן המעבר הנמוך שאחראי להחלקת אות ה- PWM בתדירות גבוהה שנוצר על ידי הארדואינו. כאמור, ה- MOSFET של ערוץ P משמש כנגד המשתנה, השולט בזמן הטעינה של הקבל. השליטה בו היא אות ה- PWM שמוחלק על ידי המסנן הנמוך. במאמר הקודם פינינו את הרעיון של פילטרים נמוכים, אתה יכול לבדוק את המאמר על פילטר נמוך לעבור פעיל או מסנן נמוך לעבור פסיבי אם אתה רוצה לדעת יותר על הנושא.
תכנון PCB למעגל בקרת זווית שלב AC
ה- PCB למעגל בקרת זווית הפאזות שלנו מתוכנן בלוח חד צדדי. השתמשתי בנשר כדי לעצב את ה- PCB שלי אבל אתה יכול להשתמש בכל תוכנת עיצוב לפי בחירתך. תמונת הדו-ממד של עיצוב הלוח שלי מוצגת למטה.
מילוי קרקע מספיק משמש ליצירת חיבורי קרקע נכונים בין כל הרכיבים. כניסת ה- 12V DC וכניסת הוולט 220 וולט מאוכלסות בצד שמאל, היציאה ממוקמת בצד ימין של ה- PCB. ניתן להוריד את קובץ העיצוב השלם של Eagle יחד עם הגרבר מהקישור למטה.
- הורד קבצי עיצוב PCB, GERBER ו- PDF עבור מעגל בקרת זווית שלב AC
PCB בעבודת יד:
מטעמי נוחות הכנתי את גרסת ה- PCB בעבודת יד והיא מוצגת למטה.
קוד ארדואינו לבקרת זווית שלב AC
קוד פשוט לייצור PWM משמש כדי לגרום למעגל לעבוד, הקוד וההסבר שלו מובאים להלן. תוכל למצוא את הקוד השלם בתחתית עמוד זה. ראשית, אנו מצהירים על כל המשתנה הדרוש, const int analogInPin = A0; // סיכת כניסה אנלוגית לפוטנציומטר מחובר ל- const int analogOutPin = 9; // סיכת פלט אנלוגית שהנורית מחוברת לחיישן int = ערך 0; // ערך הנקרא מהסיר int outputValue = 0; // ערך פלט ל- PWM (אנלוגי out)
המשתנים אמורים להכריז על הסיכה האנלוגית, על הסיכה האנלוגית ועל שאר המשתנים לאחסון, להמרה ולהדפסת הערך הממופה. בהמשך בסעיף ההתקנה () , אנו מתחילים את ה- UART עם 9600 baud כדי שנוכל לפקח על הפלט וכך נוכל לגלות איזה טווח PWM הצליח לשלוט לחלוטין בפלט המעגל.
התקנת חלל () {// אתחל תקשורת טורית ב 9600 bps: Serial.begin (9600); }
לאחר מכן, בסעיף הלולאה () , אנו קוראים את הסיכה האנלוגית A0 ואוחסנים את הערך למשתנה של ערך החיישן, לאחר מכן אנו ממפים את ערך החיישן ל- 0 -255 מכיוון שהטיימר של ה- PWM של האטמגה הוא 8 סיביות בלבד, לאחר מכן אנו הגדר את אות ה- PWM באמצעות פונקציית AnalogWrite () של הארדואינו. ולבסוף, אנו מדפיסים את הערכים לחלון המסך הטורי כדי לברר את טווח אות הבקרה. אם אתה עוקב אחר מדריך זה, הסרטון בסוף ייתן לך מושג ברור יותר בנושא.
sensorValue = analogRead (analogInPin); // קרא את האנלוגי בערך: outputValue = map (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // למפות אותו לטווח האנלוגי החוצה: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // שנה את ערך האנלוגי: Serial.print ("sensor ="); // הדפיס את התוצאות לצג הסידורי: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t output ="); Serial.println (outputValue);
בדיקת מעגל בקרת זווית שלב AC
התמונה לעיל מציגה את הגדרת הבדיקה של המעגל. אספקת 12 וולט מסופקת על ידי מעגל SMPS 12 וולט, העומס הוא נורה במקרה שלנו, ניתן להחליפו בקלות \ בעומס אינדוקטיבי כמו מאוורר. כמו שאתה יכול לראות שצירפתי פוטנציומטר על מנת לשלוט על בהירות המנורה, אך ניתן להחליפו בכל צורה אחרת של בקר, אם אתה מגדיל את התמונה, אתה יכול לראות שהסיר מחובר ל סיכה A0 של Arduino ואת האות PWM מגיע pin9 של Arduino.
כפי שניתן לראות בתמונה לעיל, ערך הפלט הוא 84 והבהירות של נורת הליבון נמוכה מאוד,
בתמונה זו ניתן לראות כי הערך הוא 82, ובהירות נורת הליבון עולה.
לאחר ניסיונות כושלים רבים הצלחתי להמציא מעגל שעובד כהלכה. תהיתם פעם איך ספסל מבחן נראה כשמעגל לא עובד? בוא אני אגיד לך שזה נראה רע מאוד,
זהו מעגל שתוכנן בעבר שעבדתי עליו. הייתי צריך לזרוק אותו לגמרי ולהכין חדש כי הקודם לא עבד קצת.
שיפורים נוספים
לצורך הדגמה זו, המעגל נעשה על גבי PCB בעבודת יד, אך ניתן לבנות את המעגל בקלות ב- PCB באיכות טובה, בניסויים שלי, גודל ה- PCB הוא גדול באמת בגלל גודל הרכיב, אך בסביבת ייצור, זה ניתן להפחית באמצעות רכיבי SMD זולים. בניסויים שלי מצאתי ששימוש בטיימר 7555 במקום טיימר 555 מגדיל את השולט בהרחבה, בנוסף, גם יציבות המעגל עולה.