Фазный регулятор мощности на ардуино. Световой диммер управляемый Arduino. Практическая реализация ключевого регулятора

Для системы «Умный дом» основной задачей является управление бытовыми приборами с управляющего устройства будь то микроконтроллер типа Ардуино, или микрокомпьютер типа Raspberry PI или любое другое. Но сделать этого напрямую не получится, давайте разберемся как управлять нагрузкой 220 В с Ардуино.

Для управления цепями переменного тока средств микроконтроллера недостаточно по двум причинам:

1. На выходе микроконтроллера формируется сигнал постоянного напряжения.

2. Ток через пин микроконтроллера обычно ограничен величиной в 20-40 мА.

Мы имеем два варианта коммутации с помощью реле или с помощью симистора. Симистор может быть заменен двумя включенными встречно-параллельно тиристорами (это и есть внутренняя структура симистора). Давайте подробнее рассмотрим это.

Управление нагрузкой 220 В с помощью симистора и микроконтроллера

Внутренняя структура симистора изображена на картинке ниже.

Тиристор работает следующим образом: когда к тиристору приложено напряжение в прямом смещении (плюс к аноду, а минус к катоду) ток через него проходить не будет, пока вы не подадите управляющий импульс на управляющий электрод.

Я написал импульс не просто так. В отличие от транзистора тиристор является ПОЛУУПРАВЛЯЕМЫМ полупроводниковым ключом. Это значит, что при снятии управляющего сигнала ток через тиристор продолжит протекать, т.е. он останется открытым. Чтобы он закрылся нужно прервать ток в цепи или сменить полярность приложенного напряжения.

Это значит, что при удержании положительного импульса на управляющем электроде нужно тиристор в цепи переменного тока будет пропускать только положительную полуволну. Симистор может пропускать ток в обоих направлениях, но т.к. он состоит из двух тиристоров подключенных навстречу друг другу.

Управляющие импульсы по полярности для каждого из внутренних тиристоров должны соответствовать полярности соответствующей полуволны, только при выполнении такого условия через симистор будет протекать переменный ток. На практике такая схема реализована в распространенном .

Как я уже сказал микроконтроллер выдает сигнал только одной полярности, для того чтобы согласовать сигналу нужно использовать драйвер построенный на оптосимисторе.

Таким образом, сигнал включает внутренний светодиод оптопары, она открывает симистор, который и подает управляющий сигнал на силовой симистор T1. В качестве оптодрайвера может быть использован MOC3063 и подобные, например, на фото ниже изображен MOC3041.

Zero crossing circuit - цепь детектора перехода фазы через ноль. Нужна для реализации разного рода симисторных регуляторов на микроконтроллере.

Если схема и без оптодрайвера, где согласование организовано через диодный мост, но в ней, в отличие от предыдущего варианта нет гальванической развязки. Это значит, что при первом же скачке напряжения мост может пробить и высокое напряжение окажется на выводе микроконтроллера, а это плохо.

При включении/выключении мощной нагрузки, особенно индуктивного характера, типа двигателей и электромагнитов возникают всплески напряжения, поэтому параллельно всем полупроводниковым приборам нужно устанавливать снабберную RC цепь.

Реле и А рдуино

Для управления реле с А рдуино нужно использовать дополнительный транзистор для усиления тока.

Обратите внимание, использован биполярный транзистор обратной проводимости (NPN-структура), это может быть отечественный КТ315 (всеми любимый и всем известный). Диод нужен для гашения всплесков ЭДС самоиндукции в индуктивности, это нужно чтобы транзистор не вышел из строя от высокого приложенного напряжения. Почему это возникает, объяснит закон коммутации: "Ток в индуктивности не может измениться мгновенно".

А при закрытии транзистора (снятии управляющего импульса) энергии магнитного поля накопленной в катушке реле необходимо куда-то деваться, поэтому и устанавливают обратный диод. Еще раз отмечу, что диод подключен в ОБРАТНОМ направлении, т.е. катодом к плюсу, анодом к минусу.

Такую схему можно собрать своими руками, что значительно дешевле, плюс вы можете использовать , рассчитанное на любое постоянное напряжение.

Или купить готовый модуль или целый шилд с реле для Ардуино :

На фото изображен самодельный шилд, кстати, в нем использованы для усиления тока КТ315Г, а ниже вы видите такой же шилд заводского исполнения:

Заключение

Безопасное управление нагрузкой переменного тока подразумевает прежде всего вся описанная выше информация справедлива для любого микроконтроллера, а не только платы Ардуино .

Главная задача - обеспечить нужные напряжение и ток для управления симистором или реле и гальваническая развязка цепей управления и силовой цепи переменного тока.

Кроме безопасности для микроконтроллера, таким образом, вы подстраховываете себя, чтобы при обслуживании не получить электротравму. При работе с высоким напряжением нужно соблюдать все правила техники безопасности, соблюдать ПУЭ и ПТЭЭП.

Эти схемы можно использовать и . Симисторы и реле в таком случае выступают в роли промежуточного усилителя и согласователя сигналов. На мощных коммутационных приборах большие токи управления катушкой и зависят непосредственно от мощности контактора или пускателя.

Алексей Бартош

Переключение нагрузки переменного тока с использованием Arduino довольно просто: используется либо механическое реле, либо твердотельное реле с оптически изолированным симистором. Становится немного сложнее, если необходимо уменьшать яркость лампы переменного тока используя Arduino: просто ограничивать ток симистором не представляется возможным из-за необходимости в мощном симисторе, и как следствие необходимости рассеивания большого количества тепла, а также это не эффективно с точки зрения использования энергии.

Правильным способом реализации является применение регулирования фазы: Симистор полностью открыт, но только в части синусоидальной волны переменного тока.
Можно просто открывать симистор на некоторое количество микросекунд при помощи Arduino, но проблема в том, что непредсказуемо в какой части синусоидальной волны симистор открывается и, следовательно, уровень затемнения непредсказуем. В синусоидальной волне необходима точка отсчета.

Для этого необходим детектор пересечения нуля. Это схема, которая сообщает Arduino (или другому микроконтроллеру), когда синусоидальная волна проходит через нуль и, следовательно, дает определенную точку на этой синусоидальной волне.

Открытие симистора на некоторое количество микросекунд, начиная от пересечения нуля, дает предсказуемый уровень затемнения.
Такую схему легко сделать: пересечение нуля берётся непосредственно из выпрямленного сетевого переменного тока - конечно через оптрон, и дает сигнал каждый раз, когда волна проходит через нуль. Так как синусоида сначала проходит двухфазное выпрямление, сигнал пересечения нуля подается независимо от того, вверх или вниз идет синусоидальная волна. Затем этот сигнал может быть использован для вызова прерывания Arduino.

Само собой разумеется, что должна быть гальваническая развязка между Arduino и сетью. Для тех, кто не понимает "гальваническая развязка", это значит "без металлических соединений", то есть ---> оптопарами.

Схема изображенная здесь делает именно это. Сетевое напряжение 220 Вольт идет к мостовому выпрямителю через два резистора 30кОм, который выдает двухфазный выпрямленный сигнал на оптрон 4N25. Светодиод в этом оптроне при низком уровне работает на частоте 100 Гц, а на коллекторе выходит сигнал высокого уровня с частотой 100 Гц в соответствии с синусоидальной волной. Сигнал с 4N25 подается на прерывающий вывод в Arduino (или другого микропроцессора). Программа прерываний дает сигнал определенной длины на один из портов ввода/вывода. Сигнал с порта ввода/вывода сигнала уходит в нашу схему и открывает светодиод в MOC3021, который запускает оптотиристор. Светодиод последовательно MOC3021 указывает, проходит ли ток через MOC3021. Имейте в виду, что при затемнении, свечение будет не очень видно из-за коротких вспышек. Если вы решили использовать тиристорный переключатель непрерывно, то светодиод будет гореть ясно.

Имейте в виду, что только обычные лампы накаливания действительно подходят для затемнения. Схема также будет работать с галогенной лампой, но это сократит срок службы галогенной лампы. Она не будет работать с любыми КЛЛ лампами, если они специально не сделаны с возможностью диммирования.

Если у вас есть оптрон H11AA11, то его использование описано ниже.
Предупреждение: Эта схема работает с напряжением 110-220В. Не делайте её, если вы не уверены в своих действиях. Отключайте её, прежде чем приблизиться к печатной плате. Радиатор симистора подключен к сети. Не прикасайтесь к нему во время работы и сделайте для него надлежащий корпус.

Эта схема безопасна, если она собрана человеком, который знает, что делает. Если вы понятия не имеете об этом или сомневаетесь в своих действиях, то вы можете погибнуть!

Материалы

Детектор пересечения нуля
4N25 или H11AA11 (см. текст).
Резистор 10кОм.
Мостовой выпрямитель 400В.
2x Резистор 30кОм 1/2 Вт (Скорее всего на каждом резисторе будет рассеиваться 200mW).
1 разъем.
Стабилитрон 5,1В(опционально).

Драйвер лампы
Светодиод
MOC3021
Резистор 220 Ом (я использовал 330 Ом, и всё хорошо работало).
Резистор 470 Ом-1кОм (Я закончил с использованием 560 Ом, и всё хорошо работало)
Симистор TIC206
1 разъем

Прочее
Кусок текстолит 6x3см.
Провода.

Плата

Я сделал плату при помощи и вытравил её в растворе солянной кислоты и перекиси водорода. В интернете есть много . Вы можете сделать плату, используя прилагаемый рисунок ПП. Сборка платы достаточно проста. Я использовал панельки для оптронов и мостового выпрямителя. Скачать рисунок платы и его зеркальную версию можно внизу статьи.

Примечание: рисунок платы имеет текст. В незеркальной версии рисунка текст зеркален, а в зеркальной версии рисунка текст не зеркален. Это правильно. При ЛУТ, отпечатанный рисунок переноситься непосредственно на медь, где он и выглядит правильно.

Я использовал TIC206. Он может выдавать 6 ампер. Имейте в виду, что проводники платы не выдержат 6 ампер. При подключении мощной нагрузки припаяйте провод на проводники от симистора к разъемам и на проводники ко вторым разъемам.

Если неясно значение контактов: сверху вниз по второй фотографии:
+5 вольт.
Сигнал прерывания (Digital Pin 2 Arduino).
Сигнал для симистор (выходит из Digital Pin 3 на Arduino).
GND.

ПРИМЕЧАНИЕ:
Если у вас есть оптрон H11AA11, то вам не нужен мостовой выпрямитель. H11AA11 имеет два не параллельных диода, и может работать с переменным током. Он совместим по выводам с 4N25, просто вставьте его в припоя и 2 перемычки между R5 и + и R7 и -.

Программа

Программа довольно проста. Нулевой Х сигнал генерируется в прерывании. Затем в прерывании симистор переключается на определенное время. Программа доступна ниже.

О программе: Теоретически в цикле можно было позволить переменной "i" начинается с "0 ". Однако, поскольку времени на прерывание мало, использование "0"(полностью вкл.) может немного испортить время. То же самое касается 128(полностью выкл.), хотя это кажется менее критичным. Точность "5" или, возможно, "1" является пределом настройки. Ваш диапазон может быть, например, от 2 до 126, вместо 0-128. Если у кого-то есть более точный способ настройки времени прерывания, я буду рад услышать его.

Результаты и применение

Посмотрите короткое видео о работе устройства, записанное на мобильный телефон.

Подобным способом можно сделать схему для смешивания RGB светодиодов. Это также возможно с текущей схемой, но необходимы две дополнительных симисторных схемы. Разумеется, нужен только один детектор пересечения нуля.

Также возможно сделать традиционную (назовем ей старомодной) гирлянду для рождественской елки, работающую непосредственно от 220 (или 110) вольт. Повесьте 3 провода с разными лампами на дерево и регулируйте их при помощи этой схемы с двумя дополнительными симисторными схемами.

Список радиоэлементов

Диммер на базе Arduino – это одно из сотен простых и интересных устройств, с помощью которого можно плавно изменять сетевое напряжение от 0 до номинального значения. Каждый пользователь Arduino найдёт применение столь полезной самоделке, а опыт, полученный во время сборки своими руками, пополнит багаж знаний.

Схема и принцип её работы

Как и большинство недорогих диммеров, данная схема работает за счёт фазовой регулировки напряжения, что достигается путем принудительного открывания силового ключа – симистора. Принцип действия схемы следующий. Arduino на программном уровне формирует импульсы, частота которых подстраивается сопротивлением потенциометра. Управляющий импульс с вывода P1 проходит через оптопару MOC3021 и поступает на управляющий электрод симистора. Он открывается и пропускает ток до перехода полуволны сетевого напряжения через ноль, после чего закрывается. Затем приходит следующий импульс и цикл повторяется. Благодаря сдвигу управляющих импульсов, в нагрузке формируется обрезанная по фронту часть синусоиды.

Чтобы симистор открывался в соответствии с заданным алгоритмом, частота следования импульсов должна быть засинхронизирована с напряжением сети 220 В. Другими словами Arduino должен знать, в какой момент синусоида сетевого напряжения проходит через ноль. Для этого в диммере на элементах R3, R4 и PC814 реализована цепь обратной связи, сигнал с которой поступает на вывод P2 и анализируется микроконтроллером. В цепь детектора нуля добавлен резистор R5 на 10 кОм, который нужен для подпитки выходного транзистора оптопары.

Один силовой вывод симистора подключается к фазному проводу, а ко второму – подключается нагрузка. Нулевой провод сети 220 В напрямую следует от клеммника J1 к J2, а затем к нагрузке. Применение оптопар необходимо для гальванической развязки силовой и низковольтной части схемы диммера. Потенциометр (на схеме не показан) средним выводом подключается на любой аналоговый вход Arduino, а двумя крайними – на +5 В и «общий».

Печатная плата и детали сборки

Минимум радиоэлементов позволяет сконструировать одностороннюю печатную плату, размер которой не превышает 20х35 мм. Как видно из рисунка на ней отсутствует переменный резистор, чтобы радиолюбитель мог самостоятельно подобрать потенциометр подходящего форм-фактора и определить место его крепления к корпусу готового диммера. Подключение к Arduino осуществляется через провода, которые запаивают в соответствующие отверстия на плате.

Для сборки своими руками диммера, управляемого Arduino, понадобятся следующие радиоэлементы и детали:

1. Симистор BT136-600D, способный выдерживать обратное напряжение до 600 В и пропускать в нагрузку ток до 4 А (естественно с предварительным монтажом на радиатор). В схеме можно применить симистор и с большей нагрузочной способностью. Главное – обеспечить отвод тепла от его корпуса и правильно подобрать ток на управляющий электрод (справочный параметр). При подключении к нагрузке электроприбора большой мощности ширину печатных проводников в силовой части схемы необходимо будет пересчитать. Как вариант, силовые дорожки можно продублировать с другой стороны платы.
2. Оптопара MOC3021 с симисторным выходом.
3. Оптопара PC814 с транзисторным выходом.
4. Резисторы номиналом 1 кОм, 220 Ом, 10 кОм мощностью 0,25 Вт и 2 резистора на 51 кОм мощностью 0,5 Вт.
5. Переменный резистор на 10 кОм.
6. Клеммные колодки – 2 шт., с двумя разъёмами и шагом 5 мм.

Все необходимые файлы по проекту находятся в ZIP-архиве: dimmer-arduino.zip

Алгоритм управления Arduino

Программа управления симистором создана на базе таймера Timer1 и библиотеки Cyber.Lib, благодаря чему отсутствует влияние на работу других программных кодов. Принцип её действия следующий. При переходе сетевого напряжения через ноль «снизу вверх» таймер перенастраивается на обратный переход «сверху вниз» и начинает отсчёт времени в соответствии со значением переменной «Dimmer». В момент срабатывания таймера Arduino формирует управляющий импульс и симистор открывается. При следующем переходе через ноль симистор перестаёт пропускать ток и ожидает очередное срабатывание таймера. И так 50 раз в секунду. За регулировку задержки на открывание симистора отвечает переменная «Dimmer». Она считывает и обрабатывает сигнал с потенциометра и может принимать значение от 0 до 255.

Область применения диммера на Arduino

Конечно, использовать дорогостоящий Arduino для управления яркостью галогенных ламп – избыточно. Для этой цели лучше заменить обычный выключатель диммером промышленного изготовления. Диммер на Arduino способен решать более серьёзные задачи:

• управлять любыми видами активной нагрузки (температурой нагрева паяльника, проточного водонагревателя и т. д.) с точным удержанием заданного параметра;
• одновременно выполнять несколько функций. Например, обеспечивать плавное включение утром (отключение вечером) света, а также контролировать температуру и влажность террариума.

Увидеть каким образом изменяется напряжение в нагрузке можно с помощью осциллографа. Для этого к выходным клеммам диммера припаивают резистивный делитель, благодаря которому сигнал в контрольной точке должен уменьшиться примерно в 20 раз. После этого к делителю подсоединяют щупы осциллографа и подают питание на схему. Изменяя положение ручки потенциометра, на экране осциллографа можно наблюдать насколько плавно Arduino управляет симистором и присутствуют ли при этом высокочастотные помехи.

Читайте так же