Управление нагрузкой с микроконтроллера: Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 1

Устройства управления нагрузками для Ардуино

Микроконтроллерные платы Ардуино получили широкое распространение для самодельных устройств автоматики и робототехники. Выходные сигналы таких устройств не превышают 40 мА при напряжении 5 В. Для управления различными исполнительными устройствами, такими как электродвигатели, соленоиды, электромагниты, лампы, нагревательные элементы требуются токи и напряжения больших значений. Согласовать уровни управления микроконтроллера с исполнительными устройствами позволяют разнообразные платы: контроллеры и драйверы электродвигателей, релейные модули, драйверы управления светодиодным освещением.

Контроллеры электродвигателей

Контроллеры электродвигателей или драйверы обеспечивают требуемые токи и напряжения, формируют необходимые сигналы управления, обеспечивают комплекс защитных функций. Они могут управлять электродвигателями постоянного тока, шаговыми двигателями, сервоприводами.

Релейные модули

Релейные модули, как следует из названия, предназначены для коммутации мощных нагрузок с помощью реле. Предусмотрена возможность переключения напряжений переменного и постоянного тока. При управлении реактивными нагрузками коммутируемая мощность снижается. Входные сигналы управления совместимы с управляющими уровнями от микроконтроллеров. Светодиоды индицируют наличие входных управляющих сигналов

Производители: Arduino, HK Shanhai Group, Pololu, WZE

Разделы: Аксессуары для микроконтроллерных плат, Детали для роботов

Опубликовано: 21.06.2017

Управляем нагрузкой по USB с помощью ПК и ATMega8

Встречаются готовые образцы, которые позволяют управлять нагрузками удаленно через интернет, например, давая возможность включать свет, ТЭНы в бане, различные клапаны и т.д. Современные технологии позволяют делать устройства миниатюрными и быстродействующими.
Описанное в статье устройство создавалось в рамках учебного курса университета в виде курсового проекта, поэтому начну с самого начала.

Содержание / Contents

Для создания связи устройства через USB-порт с ПК я использовал аппаратный преобразователь USB-UART с использованием микросхемы FT232RL.

После подключения устройства к ПК пользователь запускает программу управления устройством. При удачном подключении от устройства придёт сообщение, после чего можно будет управлять нагрузкой. Данные о включении или выключении выводятся в окне программы.

DD1 – ATMega8
DD2 – FT232RL
R1 – 10K
R2-R4 – 470R
R5,R7,R9 – 200R
R6,R8,R10 – 470K
C1-C3 – 22pF
C4 – 0.1mF
Z1 – 7.3728MHz
D1-D3 – MOC3061
T1-T3 – BT138-600E
X1 – DS1107, USB-A вилка на кабель
X2 – B5B-XH-A, вилка прямая на плату
X3 – клеммник барьерный DG25C-B-08P-13-00A(H)

При запуске программы и удачном подключении устройства, программа обменивается с МК данными иполучает сообщение об удачном подключении. При повторном подключении программы к уже включенной плате, устройство посылает сообщение о количестве и номере включенных устройств.
Работает МК в режиме ожидания, пока не произойдет прерывание по приему данных. Описанный выше цикл повторяется бесконечно, пока включено питание устройства.

Program: 1666 bytes (20.3% Full)
(.text + .data + .bootloader)

dаta: 581 bytes (56.7% Full)
(.data + .bss + .noinit)

Compiling C: ra1.c
avr-gcc -c -mmcu=atmega8 -I. -gstabs -DF_CPU=7372800UL -Os -funsigned-char -funsigned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wa,-adhlns=./ra1.lst -std=gnu99 -MMD -MP -MF .dep/ra1.o.d ra1.c -o ra1.o

Linking: ra1.elf
avr-gcc -mmcu=atmega8 -I. -gstabs -DF_CPU=7372800UL -Os -funsigned-char -funsigned-bitfields -fpack-struct -fshort-enums -Wall -Wstrict-prototypes -Wa,-adhlns=ra1.o -std=gnu99 -MMD -MP -MF .dep/ra1.elf.d ra1.o –output ra1.elf -Wl,-Map=ra1.map,–cref -lm

Creating load file for Flash: ra1.hex
avr-objcopy -O ihex -R .eeprom -R .fuse -R .lock ra1.elf ra1.hex

Creating load file for EEPROM: ra1.eep
avr-objcopy -j .eeprom –set-section-flags=.eeprom=”alloc,load” \
–change-section-lma .eeprom=0 –no-change-warnings -O ihex ra1.elf ra1.eep || exit 0

Creating Extended Listing: ra1.lss
avr-objdump -h -S -z ra1.elf > ra1.lss

Creating Symbol Table: ra1.sym
avr-nm -n ra1.elf > ra1.sym

Converting to AVR Extended COFF: ra1.cof
avr-objcopy –debugging –change-section-address .data-0x800000 –change-section-address .bss-0x800000 –change-section-address .noinit-0x800000 –change-section-address .eeprom-0x810000 -O coff-ext-avr ra1.elf ra1.cof

Discarding local symbol outside any compilation unit: .do_copy_data_start
Discarding local symbol outside any compilation unit: .do_copy_data_loop
Discarding local symbol outside any compilation unit: .do_clear_bss_start
Discarding local symbol outside any compilation unit: .do_clear_bss_loop
avr-objcopy: –change-section-vma .eeprom+0xff7f0000 never used
avr-objcopy: –change-section-lma .eeprom+0xff7f0000 never used
avr-objcopy: –change-section-vma .noinit+0xff800000 never used
avr-objcopy: –change-section-lma .noinit+0xff800000 never used

Size after:
AVR Memory Usage
—————-
Device: atmega8

Program: 1666 bytes (20.3% Full)
(.text + .data + .bootloader)

dаta: 581 bytes (56.7% Full)
(.data + .bss + .noinit)

——– end ——–

> Process Exit Code: 0
> Time Taken: 00:04

Спасибо за внимание!

Программа управления по USBдля Win:
▼ Файловый сервис недоступен. Зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.

Модель в Proteus 7.6 SP4:
▼ Файловый сервис недоступен. Зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌻 Купон до 1000₽ для новичка на Aliexpress

Никогда не затаривался у китайцев? Пришло время начать!
Камрад, регистрируйся на Али по нашей ссылке. Ты получишь скидочный купон на первый заказ. Не тяни, условия акции меняются.

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Куплено и опробовано читателями или в лаборатории редакции.

Электроника НТБ – научно-технический журнал – Электроника НТБ

Принцип работы симистора Симистор – полупроводниковый элемент с тремя выводами (двумя силовыми и одним управляющим), предназначенный для коммутации нагрузки в сети переменного тока. Для управления режимом работы симистора используется низковольтный сигнал, подаваемый на его управляющий электрод. При подаче напряжения на этот электрод симистор открывается и пропускает ток (рис.1). Каждый квадрант на рис.1 соответствует определенному режиму работы симистора: QI, QII и QIII – рабочие квадранты, QIV – запрещенный. В этом квадранте симистор может выйти из строя, и для сохранения его рабочего состояния используются специальные схемы защиты. Возможна работа только при отрицательных уровнях управляющего напряжения, т.е. в квадрантах QII и QIII. Следует заметить, что в настоящее время многие производители полупроводниковых приборов освоили производство так называемых трехквадрантных симисторов, у которых случайный переход в квадрант QIV невозможен.
Поскольку работой симистора управляет не уровень напряжения, а ток, возможно его подключение непосредственно к выводу микроконтроллера, ток которого может достигать 25 мА. Симистор остается в открытом состоянии до окончания полупериода коммутируемого напряжения. При переходе напряжения через нуль симистор закрывается – он оказывается в другом квадранте, и чтобы его открыть требуется следующий управляющий импульс.

Фазовое управление
Мощность, подводимая к нагрузке, может регулироваться за счет управления фазой через симистор (рис.2). Метод аналогичен широтно-импульсной модуляции и заключается в пропускании через симистор части полупериода сетевого напряжения. Ток нагрузки пропорционален интегралу от полученного сигнала. Этот режим используется в регуляторах освещенности – диммерах. Яркость свечения лампы пропорциональна площади под обрезанной синусоидой. Достоинство метода – равенство частоты пульсаций на нагрузке сетевой частоте. Это важно для управления осветительными приборами, так как уменьшение частоты может сказаться на появлении мерцания, заметного глазом.
Недостаток метода – возникновение наводок в результате резкого переключения симистора. Эти наводки ухудшают электромагнитную совместимость (EMI) устройства и могут вызвать ненужные переключения симистора.

Пропуск периодов
Альтернативный метод управления мощностью симистора – пропуск периодов подаваемого переменного напряжения. Для регулирования тока нагрузки симистор пропускает только часть периодов сетевого напряжения, при этом, поскольку симистор включается в момент перехода сетевого напряжения через нуль, проблема электромагнитной совместимости не возникает. Режим пропуска периодов пригоден для управления резистивными нагрузками, но не применим для осветительных приборов, так как вызывает мигание ламп накаливания.
Оба рассмотренных метода управления мощностью симистора требуют фиксировать момент прохождения сетевого напряжения через нуль. Один из способов выполнения этой задачи – подавать переменное сетевое напряжение непосредственно на вход микроконтроллера через последовательный резистор с сопротивлением несколько мегаом. И тут целесообразно использовать микроконтроллеры семейства PIC компании Microchip. Защитные диоды на портах этих микроконтроллеров позволяют ограничивать сетевое напряжение: сверху – напряжением питания и снизу – уровнем заземления (GND). Существует и альтернативный способ, который обсудим подробнее.
Рассмотрим схему блока управления нагрузкой микроконтроллера PIC10F204 компании Microchip со встроенным аналоговым компаратором (рис.3). Для питания микроконтроллера используется бестрансформаторный резистивный источник*. Момент перехода сетевого напряжения через нуль регистрируется с помощью сигнала на аноде стабилитрона, который через резистор, ограничивающий ток, подается непосредственно на вывод порта микроконтроллера.
В схеме управления током нагрузки нет цепи обратной связи, поэтому для установки требуемого значения мощности используется переменный резистор, т.е. здесь реализован электронный аналог традиционного механического термостата. Нагрузкой служит резистивный нагреватель. При сетевом питании 220 В действующее значение тока составляет 5 А. Симистор следует выбирать на большее значение рабочего тока и устанавливать на теплоотвод. В предлагаемой схеме используется симистор BTA208-600F фирмы Philips.
Для оцифровки значения сопротивления переменного резистора, регулирующего мощность, используется интегрирующий преобразователь на базе конденсатора С6, а для стабилизации задающего напряжения применен стабилитрон D4 на напряжение 3 В. В начале цикла преобразования вывод GP1 микроконтроллера настраивается на вывод сигнала, и на нем устанавливается высокий уровень напряжения, которое заряжает конденсатор. Далее вывод конфигурируется как вход компаратора. Конденсатор начинает разряжаться через переменный резистор, причем время разрядки пропорционально значению сопротивления резистора. В момент, когда напряжение на конденсаторе падает до внутреннего опорного напряжения микроконтроллера, равного 0,6 В, срабатывает компаратор, который и фиксирует время разрядки. Значение сопротивления переменного резистора рассчитывается по формуле:

t = -(RPOT1 + R12)·C6·ln(VREF / Vz),
где t – время разрядки конденсатора, RPOT1 – сопротивление переменного резистора, VREF – внутреннее опорное напряжение (0,6 В), VZ – напряжение на стабилитроне (3 В).
В устройстве используется переменный резистор с сопротивлением 25 кОм и линейной зависимостью сопротивления от угла поворота регулирующего движка. Время разрядки конденсатора лежит в пределах 3,53-7,56 мс, время полной разрядки должно быть меньше 10 мс, так как необходимо, чтобы работа микроконтроллера была синхронизирована с сетью. Диаграмма работы преобразователя представлена на рис.4.

Борьба с шумами
Представленная на рис.3 схема цифрового термостата предполагает идеальное сетевое питание. Но в реальной сети существуют достаточно сильные помехи, которые могут сказаться на работе микроконтроллера. Особенно опасны шумы мегагерцевого диапазона, амплитуда которых может достигать десятков киловольт. Если при разработке схемы учесть этот факт и принять ряд несложных мер по изоляции микроконтроллера от высокочастотных шумов, то удастся сэкономить много сил и времени при отладке. На рис.5 представлена модификация схемы с учетом данных рекомендаций.
Первое, на что следует обратить внимание, – наличие фильтра в цепи питания микроконтроллера (C3, R4 и R5). Выполняются отдельные заземления цифровой части схемы и зашумленной аналоговой. И во-вторых, выводы микроконтроллера защищены фильтрами низкой частоты (GP2, GP3), которые рекомендуется выполнять на основе керамических конденсаторов.

Программное обеспечение
Для управления электронным термостатом предлагается алгоритм работы. Основной цикл программы – отслеживание перехода сетевого напряжения через нуль. При регистрации этого перехода решается вопрос открытия симистора в данный полупериод. Для открытия симистора на вывод GP2 контроллера выдается импульс длительностью порядка 2 мс.
Преобразование значения сопротивления переменного резистора привязано к определенным полупериодам сетевого напряжения. Во время положительного полупериода происходит зарядка конденсатора, во время отрицательного – непосредственно преобразование. Временные параметры интегрирующей цепи выбираются на основе частоты питающего напряжения (см. формулу). Время разрядки конденсатора измеряется таймером 0.
Управление мощностью осуществляется путем пропуска периодов сетевого напряжения: полный цикл составляет 10 полупериодов – т.е. число полупериодов, во время которых нагрузка запитывается пропорционально значению сопротивления задающего резистора. Если это сопротивление не равно нулю, зажигается светодиод и таймер запускается на два часа. Повторный запуск таймера происходит при смене задающего значения сопротивления. По прошествии двух часов нагрузка отключается и включается лишь после сброса питания или задания нового уровня мощности.
Программное обеспечение занимает порядка 130 ячеек памяти программ и использует 10-байт ОЗУ.
Полученный электронный термостат имеет следующие преимущества перед механическим аналогом:
· повышенная надежность, обусловленная практически полным отсутствием механических деталей;
· наличие встроенных средств защиты, таких как таймер автоматического отключения;
· индикация рабочего режима;
· гибкость схемы, предусматривающей внутрисхемное программирование микроконтроллера и получение на основе одного и того же конструктива устройств с различной функциональностью;
· повышенная точность и возможность работы при малых уровнях мощности.
Следует отметить, что предложенная система может быть доработана путем введения следующих функций:
· обратной связи по температуре и реализации несложного закона поддержания и регулировки температуры;
· самокалибровки;
· дистанционного управления устройством, например по инфракрасному или радиоканалу;
· фазового управления для регулировки тока ламп накаливания.

На основе предложенной схемы возможна реализация целой гаммы несложных устройств управления сетевым питанием, которые могут применяться в бытовой технике, осветительных приборах, в промышленности и сельском хозяйстве.

Управление мощной нагрузкой с помощью микроконтроллера малой мощности

Многие микроконтроллеры имеют выход с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), который можно фильтровать нижними частотами для получения переменного напряжения постоянного тока. Однако без дополнительных схем этот метод ограничивается управлением очень маломощными нагрузками.

Схема здесь иллюстрирует схему, которая позволяет этому постоянному напряжению управлять мощной нагрузкой, такой как двигатель, привод или нагревательный элемент (см. Рисунок) .Кроме того, напряжение нагрузки может быть выше или ниже напряжения питания микроконтроллера. Кроме того, его можно регулировать в любом подходящем диапазоне с разрешением, равным сигналу ШИМ.

Сигнал ШИМ, V _PWM , вместе с цепью резисторов R1-R3 и конденсатором фильтра C1, генерирует управляющее напряжение (V _C ), которое буферизируется и смещается по уровню с помощью IC1, R6 и R7. Напряжение нагрузки (V _L ) появляется на выходе регулируемого регулятора положительного напряжения (IC2) и может быть установлено на любое значение примерно от 1.25 В до напряжения или около того ниже уровня напряжения питания высокой мощности (V _S ).

Хотя в качестве проходного устройства можно использовать биполярный или полевой МОП-транзистор, регулятор имеет преимущество механизмов внутренней защиты, таких как ограничение тока короткого замыкания и отключение при тепловой перегрузке. Кроме того, такие регуляторы, как LM317 или LM1084IT-ADJ, относительно недороги и могут обеспечивать значительную мощность нагрузки с соответствующим радиатором.

Эти устройства имеют внутреннюю опорную ширину запрещенной зоны, которая устанавливает выходное напряжение равным 1.На 25 В (типичное значение) выше потенциала на контакте регулировки (ADJ). Замкнутый контур вокруг IC1, IC2, R6 и R7 дает следующие отношения:

V _L = V _C \ [1 + (R6 / R7) \] (1)

где V _C – управляющее напряжение, возникающее на неинвертирующей входной клемме операционного усилителя. Это уравнение можно изменить, чтобы получить R6 в виде V _L , V _C и R7:

R6 = R7 \ [(V _L / V _C ) – 1 \] (2)

Теперь, при условии, что VPWM может вращаться по рельсам и покрывать диапазон рабочего цикла от 0 до 100%, для определения R1, R2 и R3 можно использовать следующие уравнения:

R2 = R1 \ [(V _C (MAX) V _C (MIN)) (V _D – V _C (MAX)) \] (3)

R3 = R1 \ [(В _C (МАКС) / В _C (МИН)) – 1 \] (4)

Следующие два примера иллюстрируют процесс проектирования.

ПРИМЕР 1
V _L = от 3,0 до 12,0 В; V _D = 3,3 В. Во-первых, мы допускаем некоторый запас в пределах V _L и допустим диапазон от 2,8 до 12,2 В. Кроме того, мы можем упростить схему, предположив, что V _C (MAX) = V _D = 3,3 В. Из уравнения 2 находим, что:

R6 = R7 \ [(V _L (MAX) / V _C (MAX)) 1 \], и поэтому:

R6 = R7 \ [(12.2) /3.3) 1 \] = 2.7 R7 Подходящие предпочтительные значения: R6 = 270 кОм = 100 кОм.Переставляя уравнение 1, находим, что:

В _C (МИН) = В _L (МИН) / (1 + 2,7) = 2,8 / 3,7 = 0,757 В

Подставляя значения V _C (MIN), V _C (MAX) и V _D в уравнения 3 и 4, мы находим, что R2 = ∞ (т.е. R2 опущено) и R3 = 3,359 R1 . Подходящие предпочтительные значения: R1 = 270 кОм, R3 = 910 кОм. Напряжение питания V _S должно быть установлено достаточно высоким, чтобы учесть падение напряжения IC2, обычно 1.От 5 до 2,0 В для LM317 и 1,0 В для LM1084IT-ADJ (при условии тока нагрузки 1 А, T = 25 ° C). В испытательной схеме, построенной с использованием указанных выше номиналов резисторов, V _L находился в диапазоне от 2,80 до 12,26 В.

ПРИМЕР 2
V _L = от 2,5 до 4,5 В; V _D = 5,0 В. Опять же, мы допускаем некоторый запас для V _L и допускаем диапазон от 2,3 до 4,7 В. Поскольку V _L (MAX) меньше, чем V _D , обеспечивается действие делителя потенциала. R6 и R7 не требуется, поэтому R7 можно не указывать, а значение R6 выбирается в соответствии с конденсатором стабильности C3; скажем, R6 = 100Ωk.Таким образом, V _C (MAX) = V _L (MAX) = 4,7 В и V _C (MIN) = V _L (MIN) = 2,3 В. Вставка этих значений в уравнения 3 и 4 дает :

R3 = 1,043 R1 ≈ R1, а R2 = 8 R1

Подходящие предпочтительные значения: R1 и R3 = 150 Ом кОм, R2 = 1,2 МОм. Тестовая схема, построенная с использованием этих значений, показала диапазон V _L от 2,350 до 4,709 В.

Конденсатор фильтра C1 определяет пульсации на V _C . Если частота ШИМ не очень низкая, подойдет значение от 100 нФ до 1 мкФ.Операционный усилитель IC1 должен быть выбран так, чтобы обеспечить полный диапазон V _C на его входе, а его выходное напряжение (V _o ) должно удовлетворять V _o = V _L – 1,25 В для всех значений V _л . Если положительный размах выходного сигнала IC1 несколько ограничен, может быть включен дополнительный резистор R4. Это установит выходное напряжение IC1 равным _o = (V _L – 1,25 В) – (125 мкА + I _ADJ ) R4, где I _ADJ – ток регулировочного штыря регулятора, обычно около 50 мкА.

Однако R4 следует добавлять с осторожностью, особенно если V _{L (MIN)} достаточно низкий. В случаях, когда V _{L (MAX)} > V _D , обычно необходимо запитать IC1 от шины V _S . Однако для таких приложений, как описанное в Примере 2, можно использовать операционный усилитель с выходом «rail-to-rail», питаемый от шины V _D .

Конденсатор C3 необходим для обеспечения стабильности цепи операционного усилителя / регулятора.Если R6 и R7 находятся в диапазоне сотен килоом, значение от 100 мкФ до 1 нФ должно быть подходящим. Меньшие значения R6 и R7 могут потребовать большего значения C3. Конденсаторы C2 и C4 должны быть выбраны в соответствии с требованиями типа регулятора, используемого для IC2. Обратите внимание, что точность V _L напрямую зависит от V _D , который должен хорошо регулироваться.

Управление нагрузкой на основе IOT через автономный Wi-Fi с использованием микроконтроллера pic

IOT на основе Load Contro l Over Standalone Wi-Fi System Прежде всего, давайте начнем с введения в IOT, основанное на управлении нагрузкой через автономную систему Wi-Fi.Управление нагрузкой на автономную систему на основе IOT ( Интернет вещей ) представляет собой очень продвинутую систему домашней автоматизации . В этом современном мире каждый мужчина или женщина хотят куда-нибудь переехать, они просто хотят нажать кнопку и все сделать. Имейте в виду все это, мы вводим управление нагрузкой на основе Интернета вещей через автономную систему Wi-Fi. Используя эту систему, мы можем легко управлять бытовой техникой автоматически через систему Wi-Fi. Здесь мы разработали эту систему с помощью микроконтроллера 18F452, который принадлежит к семейству pic, трансформатора для подключения этой системы напрямую к источнику питания wapda, модуля Wi-Fi для управления этой системой через Wi-Fi, оптопару. для изоляции двух сигналов и регулятора напряжения для регулирования постоянного напряжения для подачи питания на микроконтроллер, модуль Wi-Fi и другие компоненты этой системы.

На рисунке ниже представлена ​​блок-схема управления нагрузкой на основе IOT через автономную систему Wi-Fi

Управление нагрузкой на основе IOT над автономной системой Wi-Fi включает следующие аппаратные компоненты:

Модуль Wi-Fi: Модуль Wi-Fi в управлении нагрузкой на основе IOT над автономной системой используется для подключения этой системы к Wi-Fi, поскольку эта система полностью управляется через Wi-Fi.Когда кто-либо будет отправлять инструкции по управлению нагрузкой через мобильный телефон или веб-страницу, эти инструкции будут получены модулем Wi-Fi и посылать сигнал микроконтроллеру для включения или выключения подключенной нагрузки. Это очень важный компонент этой системы.

Оптопара: В управлении нагрузкой на основе IOT через автономную систему Wi-Fi оптопара используется для передачи сигнала Wi-Fi на микроконтроллер без какого-либо соединения между ними.Состоит из фотодиода или фототранзистора и излучателя света. Когда свет, исходящий от модуля Wi-Fi, падает на фототранзистор или фотодиод, он посылает сигнал на микроконтроллер для включения или выключения подключаемой нагрузки.

Микроконтроллер PIC 18F452: В этой загрузке на основе IOT над автономной системой Wi-Fi микроконтроллер используется для атомарного управления этой системой, которая состоит из оперативной памяти, ROM и процессора и программируется с помощью языка mikro c.Он сопряжен с оптопарой для приема сигнала Wi-Fi. Когда кто-либо отправляет данные или сигнал управления нагрузкой со смартфона, этот сигнал принимается модулем Wi-Fi, а затем этот сигнал принимается микроконтроллером через оптрон. Микроконтроллер, который уже запрограммирован в соответствии с сигналом управления нагрузкой, а затем отправляет сигнал управления нагрузкой на выходную нагрузку для включения или выключения этой нагрузки. Этой нагрузкой также можно управлять вручную с помощью простого переключателя с этой нагрузкой.Тогда мы видим работу микроконтроллера; микроконтроллер играет важную роль в этом управлении нагрузкой на основе IOT над автономной системой Wi-Fi.

Трансформатор: Трансформатор, работающий по принципу взаимной индукции, используется для понижения напряжения 220В переменного тока до 12В переменного тока для работы других электронных компонентов. Используя этот трансформатор, мы можем подключить эту систему напрямую к источнику питания wapda.

Мостовой выпрямитель: В управлении нагрузкой на основе IOT над автономной системой мостовой выпрямитель используется для преобразования переменного напряжения в постоянное для управления микроконтроллером, ЖК-дисплеем и модулем Wi-Fi.

Регулятор напряжения: В управлении нагрузкой на основе IOT через автономную систему Wi-Fi регулятор напряжения используется для регулирования 12 постоянного тока, который является выходом мостового выпрямителя, до 3,3 В постоянного тока и 5 В постоянного тока.

ЖК-дисплей: ЖК-дисплей в этом управлении нагрузкой в ​​автономной системе используется для отображения данных, отправляемых со смартфона, или отображения состояния подключенной нагрузки.

Симистор: Симистор – это электронный компонент, который проводит ток в обоих направлениях, поэтому его называют двунаправленным триодным тиристором или двусторонним триодным тиристором.В управлении нагрузкой на основе IOT через автономную систему Wi-Fi симистор относится к выходной нагрузке для включения или отключения выходной нагрузки.

Нагрузка: В этом управлении нагрузкой на основе IOT над автономной системой лампочка используется в качестве выходной нагрузки.

Работа управления нагрузкой на основе IOT через автономную систему Wi-Fi:

Управление нагрузкой на основе IOT над автономной системой Wi-Fi очень просто. Когда кто-либо или потребитель хочет контролировать загрузку дома или офиса, он просто открывает веб-страницу со своего мобильного телефона и проверяет статус загрузки своего дома или офиса.Предположим, что если он хочет снять некоторую нагрузку, он просто нажимает кнопку выключения на своем мобильном телефоне. Его мобильный телефон отправляет сигнал на модуль Wi-Fi, который соединен с микроконтроллером через оптрон. Микроконтроллер, подключенный к симистору. Компонент симистора подключен к выходной нагрузке. Когда микроконтроллер отправляет логику без нагрузки на трейк, тогда симистор отключает выходную нагрузку. Таким образом, с помощью этой системы мы можем легко управлять нагрузкой дома или в офисе.

Приложения и преимущества управления нагрузкой на основе IOT над автономной системой Wi-Fi:

1. Эта система управления нагрузкой на основе IOT через автономную систему Wi-Fi может использоваться в ваших домах в качестве системы домашней автоматизации для снижения счета.
2. Используя эту систему, мы можем уменьшить рабочую силу.
3. С помощью этой системы мы можем легко проверить статус загрузки нашего дома или офиса из любого места и в любое время.
4. Эта система может напрямую подключаться к источнику питания нагрузки, для этой системы не требуется дополнительного источника питания, эта функция также снижает стоимость этой системы.

DTMF с использованием микроконтроллера 8051

Система управления нагрузкой на основе DTMF с использованием микроконтроллера 8051 – это простой проект, который помогает управлять различными нагрузками (электрическими приборами) с помощью технологии DTMF.DTMF или двухтональный многочастотный сигнал – это метод передачи сигналов, который часто используется в области телекоммуникаций (в частности, в телефонах).

В системе управления нагрузкой на основе DTMF с использованием проекта 8051 мы используем различные коммуникационные технологии, такие как DTMF и GSM, для управления нашей бытовой техникой с помощью сотового телефона (мобильного телефона).

ВНИМАНИЕ : Будьте предельно осторожны, поскольку вы будете иметь дело с питанием от сети 230 В переменного тока.

Выходное видео

Система управления нагрузкой на основе DTMF с использованием 8051 – Завершите пошаговый процесс с КОДОМ.Подпишись бесплатно.

Принцип системы управления нагрузкой на основе DTMF с использованием 8051

Принцип работы системы управления нагрузкой на основе DTMF с использованием микроконтроллера 8051 основан на технологии DTMF.

Технология DTMF используется в телефонах (мобильных или стационарных), где при нажатии клавиши или кнопки на телефоне будет сгенерирован соответствующий и уникальный тональный сигнал. Этот тон представляет собой комбинацию двух разных частот.

Каждая клавиша связана с двумя частотами, и при нажатии клавиши генерируется тон, который является перекрытием этих двух сигналов.В типичной клавиатуре телефона имеется 12 клавиш, то есть от 0 до 9 цифровых клавиш и две символьные клавиши (Hash # и Asterisk *).

Эти 12 ключей размещены в 4 рядах и 3 столбцах. Кроме того, четвертый столбец, состоящий из букв A, B, C и D, также включен в технологию DTMF.

На следующем рисунке показана схема типичной телефонной клавиатуры и соответствующие частоты тонов.

В этом проекте мы будем декодировать тоны, нажимаемые на телефоне, и соответственно включать или выключать нагрузку.Для этого мы будем использовать специальную микросхему декодера DTMF – HT9170B.

Статья по теме: Робот, управляемый DTMF, без микроконтроллера

Принципиальная схема системы управления нагрузкой на основе DTMF с использованием 8051

Необходимые компоненты

• Микроконтроллер на базе 8051 (AT89C51)
• 8051 Плата программиста
• Кварцевый кристалл 11,0592 МГц
• Кнопка
• Конденсатор 2 x 33 пФ
• Резисторы 2 x 10 кОм (1/4 Вт)
• Конденсатор 10 мкФ
• Пакет подтягивающих резисторов 1 кОм x 8
• ЖК-дисплей 16 x 2
• 10 кОм POT
• HT9170B ИС декодера DTMF
• 3.579545 МГц Кристалл
• Конденсатор 2 x 20 пФ
• 2 резистора по 100 кОм (1/4 Вт)
• Конденсатор 0,1 мкФ (100 нФ)
• Резистор 300 кОм (1/4 Вт)
• Реле 5 В или 12 В
• BC547 Транзистор NPN
• 1N4007 PN Соединительный диод
• Резистор 1 кОм (1/4 Вт)
• Keil µVision IDE
• Willar Software
• Два мобильных телефона (один на линии и один для звонков)

Также прочтите этот интересный пост: Домашняя автоматизация на основе DTMF

Как разработать систему управления нагрузкой на основе DTMF с использованием 8051?

Во-первых, вы должны подключить к микроконтроллеру основные компоненты схемы генератора и схемы сброса.Если вы используете отладочную плату, то эти соединения уже будут установлены.

Далее необходимо подключить ЖК-дисплей. ЖК-дисплей используется в 8-битном режиме. Итак, подключите все 8 выводов данных ЖК-дисплея к PORT1 микроконтроллера 8051. Подключите три управляющих контакта ЖК-дисплея следующим образом: RS к P3.6, RW к GND и E к P3.7.

Для управления контрастностью ЖК-дисплея подключите потенциометр 10 кОм к его контакту 3.

Существует множество соединений, связанных с IC декодера DTMF.Следовательно, мы использовали специальный модуль декодирования DTMF со всеми уже выполненными соединениями. На принципиальной схеме четко указаны необходимые соединения для ИС декодера DTMF.

Наконец, необходимо подключить нагрузку к микроконтроллеру. Реле подключено к выводу P0.0 PORT0 микроконтроллера через транзистор.

Принципиальная схема и упомянутые выше компоненты предназначены специально для управления одной нагрузкой. Для множественных нагрузок вам понадобится аналогичный набор компонентов.

Как управлять схемой управления нагрузкой на основе DTMF?

• Сначала подключите наушники к разъему 3,5 мм на телефоне. Провода наушников подключены к DTMF I / P цепи.
• Включите питание цепи, и по умолчанию все нагрузки выключены.
• Для проверки цепи откройте номеронабиратель в телефоне, подключенном к цепи, и нажмите цифру 1.
• Согласно программе, когда тон для 1 декодируется IC декодера DTMF, микроконтроллер включает нагрузку 1.
• Когда вы снова нажмете кнопку 1, микроконтроллер выключит нагрузку 1.
• Теперь в телефоне, подключенном к цепи, установите опцию автоматического ответа на звонок при подключении наушников.
• Используя второй телефон, наберите номер, соответствующий первому телефону (тому, который подключен к цепи).
• На звонок будет автоматически дан ответ.
• Когда вы нажмете 1 на телефоне в руке, тон будет передан и обнаружен DTMF-декодером.
• Следовательно, микроконтроллер включит нагрузку 1.
• Аналогичным образом вы можете управлять и другими нагрузками.

Алгоритм программы

• Если вы обратитесь к таблице данных HT9170B, она определяет выходные данные, соответствующие нажатию клавиш.
• Например, для ключа 1 данные на выходных контактах ИС декодера DTMF будут следующими: D3-D2-D1-D0 = 0-0-0-1.
• Вы можете использовать эти данные в программе микроконтроллера 8051 для обнаружения ключа 1.
• Аналогично, есть уникальные выходные данные для всех ключей.
• Для обнаружения действительного тона вы можете использовать вывод DV микросхемы декодера DTMF (вывод 15). Этот вывод станет ВЫСОКИМ, когда на входе будет действительный тон. В противном случае этот вывод останется НИЗКИМ.

СКАЧАТЬ КОД ПРОЕКТА

Преимущества системы управления нагрузкой на основе DTMF

• Вы можете использовать систему управления нагрузкой на основе DTMF с микроконтроллером 8051 для удаленного управления любыми нагрузками с использованием технологий GSM и DTMF.
• Мы можем включить или выключить бытовую технику из любого места и в любое время.
• Нам не нужно беспокоиться, если мы забыли выключить какой-либо прибор, пока мы выходим на улицу, поскольку мы можем выключить его, когда нам будет удобно.

Ограничения управления нагрузкой на основе DTMF

• Любой, у кого есть номер мобильного телефона в цепи, может управлять нагрузкой.
• Максимально можно управлять только 16 нагрузками.

Система управления электрической нагрузкой на базе ПК и ее работа

Комплект проекта системы управления электрической нагрузкой на базе ПК

Система автоматизации в основном зависит от энергетических систем в промышленных, жилых или коммерческих помещениях, которым требуется удаленное управление и мониторинг.Используя беспроводные технологии, более компетентно применять подходящую технологию в зависимости от требований предлагаемой системы, таких как скорость, стоимость и расстояние.

Для дистанционного управления и мониторинга различных нагрузок, а также посредством эффективного использования энергии за счет потребления энергии в реальном времени с помощью приложения с графическим интерфейсом пользователя на базе ПК. Прогресс технологического оборудования становится для нас все проще и легче. Автоматизированные системы имеют больше преимуществ по сравнению с ручной системой.Системы управления электрической нагрузкой на базе ПК – это высоконадежные, точные и экономящие время системы. Они предоставляют ряд функций, таких как быстрое хранение данных, передача данных и безопасность данных.

Система управления электрической нагрузкой на базе ПК

Система управления электрической нагрузкой на базе ПК может быть построена с микроконтроллером серии 8051, ИС переключателя уровня, разъемом DB, реле, драйвером реле, трансформатором, диодами, конденсаторами, резисторами, светодиодами, кристаллами, лампами, компилятором Keil и языком: встроенный C или Сборка.

Блок-схема системы управления электрической нагрузкой на базе ПК

Компания Keil an ARM производит компиляторы C, макроассемблеры, ядра реального времени, отладчики, симуляторы, интегрированные среды, оценочные платы и эмуляторы для семейств ARM7 / ARM9 / Cortex-M3, XC16x / C16x / ST10, 251 и 8051 MCU .

– это программы, используемые для преобразования языка высокого уровня в объектный код. Компиляторы рабочего стола создают выходной объектный код для базового микропроцессора, но не для других микропроцессоров.

, то есть программы, написанные на одном из HLL, например «C», будут компилировать код для работы в системе для конкретного процессора, такого как x86 (базовый микропроцессор в компьютере).

Например, компиляторы для платформы Dos отличаются от компиляторов для платформы Unix. Поэтому, если кто-то хочет определить компилятор, то компилятор – это программа, которая переводит исходный код в объектный код.

• Напряжение 230 В переменного тока сначала понижается до 12 В переменного тока с помощью понижающего трансформатора.
• Затем он преобразуется в постоянный ток с помощью мостового выпрямителя.
• Пульсации переменного тока отфильтровываются конденсатором и передаются на входной контакт регулятора напряжения 7805.
• На выходном контакте этого регулятора мы получаем постоянное напряжение 5 В постоянного тока, которое используется для MC и других микросхем в этом проекте.

Блок питания

Это компьютер меньшего размера; он имеет на кристалле RAM, ROM, порты ввода / вывода. К особенностям этого микроконтроллера можно отнести следующее.

• 8 Кбайт внутрисистемной программируемой (ISP) флэш-памяти
• Рабочий диапазон от 4,0 В до 5,5 В
• Полностью статический режим: от 0 Гц до 33 МГц
• 256 x 8 бит Внутреннее ОЗУ
• 32 программируемых линии ввода / вывода
• Три 16-битных таймера / счетчика
• Восемь источников прерываний
• Полнодуплексный последовательный канал UART

Микроконтроллер

• MAX232 – это интегральная схема, которая преобразует сигналы последовательного порта RS-232 в сигналы, подходящие для использования в цифровых логических схемах, совместимых с TTL.
• он MAX232 является двойным драйвером / приемником и обычно преобразует сигналы RX, TX, CTS и RTS.
• Когда микросхема MAX232 получает уровень TTL для преобразования, она изменяет логику TTL 0 между +3 и + 15 В и изменяет логику TTL 1 на значение от -3 до -15 В и наоборот для преобразования из RS232 в TTL

MAX232

Разъем DB9 (первоначально DE-9) представляет собой аналоговый 9-контактный разъем семейства миниатюрных разъемов D-Sub.

Разъем DB

• Реле – это переключатель с электрическим управлением.
• Ток, протекающий через катушку реле, создает магнитное поле, которое притягивает рычаг и изменяет контакты переключателя.
• Ток катушки может быть включен или выключен, поэтому реле имеют два положения переключателя и двойные переключающие контакты, как показано на схеме.
Реле
• позволяют одной цепи переключать вторую цепь, которая может быть полностью отделена от первой.
• Например, цепь батареи низкого напряжения может использовать реле для переключения цепи сети 230 В переменного тока.
• Внутри реле нет электрического соединения между двумя цепями, связь магнитная и механическая.
• Для управления реле через МК используется ИС драйвера реле ULN2003.
• Драйвер реле ULN2003

Реле

• ULN2003 представляет собой монолитную матрицу высоковольтных и сильноточных транзисторов Дарлингтона.
• Он состоит из семи пар NPN Дарлингтона, которые имеют высоковольтные выходы с фиксирующим диодом с общим катодом для переключения индуктивных нагрузок.
• Номинальный ток коллектора одной пары Дарлингтона составляет 500 мА.
• Пары Дарлингтона могут быть соединены параллельно для более высоких токов.
• ULN работает как инвертор.
• Если логика на входе 1B имеет высокий уровень, то выход на соответствующем контакте 1C будет низким.

Драйвер реле ULN2003

Основная цель этого проекта – управление электрической нагрузкой с помощью ПК (персонального компьютера).Например, освещением в кинотеатре можно управлять с компьютера, что обеспечивает превосходное управление сценой.

В настоящее время они физически контролируются, что затрудняет организацию освещения для конкретной сцены. Используя эту систему, можно управлять включением / выключением электрической нагрузки, просто находясь в одном месте с помощью ПК.

Комплект проекта системы управления электрической нагрузкой на базе ПК

Эта система объединена с электрическими нагрузками, а также связана с ПК, на котором осуществляется централизованное управление.Он использует протокол MAX 232 от микроконтроллера для связи с ПК.

Для переключения оборудования мы используем Hyper Terminal на персональном компьютере. Как только соединение с ПК установлено, система начинает работать. В этом проекте используется микроконтроллер семейства 8051.

Кроме того, этот проект может быть улучшен путем внедрения платы управления на основе графического интерфейса пользователя на ПК с подходящим встроенным системным программным обеспечением. Управление мощностью также можно интегрировать с помощью устройств силовой электроники.

Таким образом, речь идет об управлении электрической нагрузкой на базе ПК. Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию или реализуете какие-либо электрические проекты, пожалуйста, оставьте свой отзыв, комментируя в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, какова цель этого проекта?

Управление резистивной нагрузкой с помощью микроконтроллера – DAQSys – Автоматизация и управление

Очень крутая реализация проекта – управление молнией.Что ж, прямо сейчас светодиодная технология появляется и набирает все большую популярность, у этой технологии есть преимущества и недостатки, которых нет в этом проекте.

Поскольку сейчас в моей стране есть лампы накаливания, люминесцентные лампы и лампы накаливания (я не знаю, есть ли у компании светодиодное освещение), я в этом проекте сосредотачиваюсь только на лампах накаливания. Управление флуоресцентным светом флуоресцентного света имеет другой тип управления и проблемы.

По аппаратной части у нас три основных этапа:

Конечные каскады предназначены только для изоляции схемы от источника сигнала переменного тока.При трансформаторном подходе это увеличивает стоимость платы и вес. Дешевое решение – использовать бестрансформаторный источник питания, как в примечании к применению Microchip.

Оптоизоляция нагрузки включает в себя второй каскад регулятора мощности, но в одном блоке. Наконец, нагрузка срабатывает каждый раз и корректирует каждый нарастающий или спадающий фронт.

Мы воспользуемся подходом с замкнутым контуром, а самый простой – обнаружение края и исправление его в каждом цикле.

Перед тем, как войти в тему, сначала посмотрим на программную часть:

Основная идея здесь состоит в том, чтобы корректировать триггер в каждом полупериоде волны 60 Гц, потому что без обратной связи система будет нестабильной.Я использую потенциометр, чтобы изменить рабочий цикл и сделать затемнение примерно от 1% до 99%. Причина, по которой мы не смогли достичь значений 0% и 100%, заключается в том, что мы должны учитывать влияние диода, мы должны преодолеть барьер 0,7 В, чтобы увидеть импульс. Я делаю корректировку, чтобы получить 0 и 100, но это указано в документе IEEE, который находится на нижней странице.

Теперь, для этой ситуации, управления нагрузкой переменного тока, мы будем использовать тиристор под названием TRIAC.

Этот элемент относится к семейству тиристоров и связан с тиристорами закрытого типа.Основное различие и наиболее заметное между TRIAC и SCR заключается в том, что TRIAC являются двунаправленными, и ток может течь в обоих направлениях. Особое внимание следует уделять SCR, поскольку они однонаправленные.

Вот пример применения симистора, управляющего резистивной нагрузкой. Фактически, это ожидаемый результат и является энергоэффективным управлением

Вы можете скачать здесь документацию, а исходный код находится внутри документа, очень короткий, но на ассемблере.

Это моя статья в IEEE, локально я смог оказаться на втором месте, первое место занял мой друг Габриэль Ривас с внедрением коммуникаций. Исходный код этой записи находится здесь.

Управляйте сетью переменного тока с помощью микроконтроллера

Введение

Мир становится меньше, равно как и дизайн электроники. Компоненты со сквозным отверстием менее выгодны для производителей деталей, и в результате новые продукты часто доступны только в корпусах для поверхностного монтажа.Возможность пайки деталей для поверхностного монтажа вручную – очень ценный навык, который может пригодиться для таких деталей, как резисторы для микросхем и колпачки, небольшие габаритные корпуса (SOIC / TSSOP) и четырехплоские плоские корпуса (QFP). Тем не менее, что, если идеальное ядро ​​ARM для вашего контроллера квадрокоптера поставляется только в виде четырехплоскостной без проводов (QFN)? Что, если эта ПЛИС, с которой вам нужно обрабатывать изображение, выполнена только в стиле шариковой сетки (BGA)? Вы можете рискнуть с помощью термофена или печи для оплавления припоя.

Ооо блестит… Но какой ценой !?

Печи для пайки оплавлением – это не новость, и мы не можем сделать их для себя из стандартного тостера, подобного этому. Проблема в том, что коммерческие варианты, как правило, очень дороги (приведенные выше могут стоить более 2000 долларов США), а многие самодельные варианты часто требуют демонтажа и модификации тостера, что может быть подвержено ошибкам и требует специальных инструментов (мой собственный Black & В Decker Toasr-R-Oven есть защитные винты Torx …). Sparkfun опубликовал учебное пособие еще в 2006 году, Энди Браун создал красивый дизайн для своего блога, и даже у автора AAC Роберта Кейма есть несколько руководств по базовым концепциям управления духовкой, таким как обнаружение пересечения нуля и управление TRIAC.Этот набор руководств призван конкретизировать некоторые концепции и предоставить другой аппаратный и (возможный) программный подход к этому приложению. Если хотите, это еще один «рецепт из кулинарной книги».

Что вам нужно

Несколько замечаний по безопасности

Инструктор по скалолазанию однажды в шутку сказал мне, что есть три правила, которые нужно соблюдать, когда речь идет о безопасности. В порядке очередности это:

1. Хорошо выглядеть.
2. Не умирай.
3. Если тебе нужно умереть, хорошо выглядишь, делая это.

Я обещаю вам, что вы нарушите все три, если не будете уважать, насколько опасным может быть сетевое напряжение. При работе с высоким напряжением следует помнить о нескольких вещах:

• Не подключайте к макетной плате высокое напряжение. Риск ослабления проводов или случайного прикосновения / подключения к неправильному отверстию на макетной плате не стоит. Тем не менее, пайка компонентов на монтажной плате должна подойти для создания прототипа.

• Абсолютно отключите руки при подключении к сети.Если вам нужно измерить высокое напряжение с помощью мультиметра, не держите щупы за плату рукой; прикрепите зажимы типа «крокодил» и управляйте устройством удаленно. А еще лучше использовать лампу накаливания в качестве тестовой нагрузки и дистанционно включать устройство с помощью переключателя защиты от перенапряжения.

• Прежде всего, будьте внимательны. Если вы не знаете, что делаете, или чувствуете себя неудобно, попросите о помощи и найдите того, кто знает. Форумы AAC и местные хакерские пространства – отличные ресурсы для использования.

Проектирование на уровне системы

Полный контроллер духовки состоит из нескольких частей:

Блок-схема системы тостера

Мы собираемся сделать здесь только диммер формы сигнала переменного тока. Обратите внимание, что это специальное устройство, поскольку оно предназначено для управления резистивными нагрузками только , как и большинство тостеров. Емкостные и индуктивные нагрузки требуют некоторых незначительных модификаций (добавление демпфирующих компонентов), которые здесь не рассматриваются, но информация доступна в Интернете и в технических описаниях компонентов.Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) имеют внутри корпуса довольно сложную схему электронного балласта, которая вообще не совместима с диммером переменного тока.

Очень распространенный способ реализации контроллера переменного тока – использование твердотельного реле. Это позволяет духовке полностью ВКЛЮЧАТЬСЯ или полностью ВЫКЛЮЧАТЬСЯ, а сигнал может быть импульсным, чтобы получить приблизительную температуру (в просторечии известное как управление BANG-BANG). Огромная часть мировых систем управления отлично работает на контроллерах BANG-BANG, но они не изящны и не очень интересны в реализации.Однако внутри большинства твердотельных реле есть устройство, называемое TRIAC, которое можно заказать как отдельное устройство. Как Роберт упоминает в своей статье, это, по сути, двунаправленное удлинение тиристора или твердотельный переключатель, который проводит ток в обоих направлениях.

Твердотельное реле. Взрыв, детка!

Не такой броский, как SSR, но наш TRIAC умеет круто

Вся идея этого контроллера печи состоит в том, чтобы использовать TRIAC для реализации так называемого управления фазой переменного тока.Если вы дождетесь пересечения нуля формы сигнала переменного тока и включите TRIAC в известное время позже, у вас останется выходной сигнал, который сохраняет ту же частоту и величину исходной формы сигнала на время, пока TRIAC активен. Это ограничивает мощность конечного устройства, эффективно уменьшая его яркость. Существуют и другие методы затемнения, такие как управление волновыми пакетами (своего рода парадигма синхронного BANG-BANG; извините, нет EN WikiPedia), но они выходят за рамки этого проекта.

Пример управления фазой переменного тока из мастерской Энди

Вилки, клеммы и корпус

Надежность и дешевизна – вот главное, что здесь делается, поэтому первым делом при ее создании был выбор разумного корпуса.Я купил недорогую пластиковую корзину с крышкой и написал красивую и пугающую этикетку с предупреждением для себя и всех вокруг. Отверстия для заглушек можно вырезать или просверлить сбоку, но необходимо следить за тем, чтобы материал не растрескивался.

Я выбрал разъем для подключения к диммеру. Со стороны сети переменного тока я использовал вилку IEC на 10 А со встроенным держателем предохранителя (предохранители, которые я должен был установить сам) и выключатель питания, очень похожий на этот:

Штекер IEC, 10 А со встроенным держателем предохранителя и выключателем

Он обеспечивает защиту от перегрузки по току и позволяет мне выключить все это без необходимости отсоединять кабели.Что касается тостеров, я только что просмотрел местный хозяйственный магазин и наткнулся на это:

Розетка одинарная с защитой от взлома

Это единственная защищенная от несанкционированного доступа розетка, которая ввинчивается в корпус. Я не хотел припаивать высоковольтные провода непосредственно к моей плате, поэтому получил шестипозиционную клеммную колодку с винтовыми зажимами. Позиции предназначены для MAINS_L, MAINS_N, OVEN_L, OVEN_N и двух проводов заземления сети. Я также использовал одну из этих клеммных колодок для четырех проводов микроконтроллера, ведущих за пределы коробки.Немного перебор, но это то, что у меня было под рукой.

Изолированный извещатель нулевого перехода

При управлении или измерении цепей высокого напряжения с помощью устройств низкого напряжения всегда рекомендуется использовать какую-либо гальваническую развязку между двумя сторонами; это может быть выполнено индуктивно, оптически или емкостным способом. Есть несколько других методов изоляции, но это самые важные.

Контроллер TRIAC Роберта и детектор перехода через ноль используют трансформатор в стенной бородавке, чтобы снизить напряжение сети до более безопасного 12 В, прежде чем взаимодействовать с ним.В этом приложении используются оптоизоляторы для разделения высокого и низкого напряжения, что имеет то преимущество, что оно намного легче и компактнее, чем громоздкий трансформатор. Они медленно реагируют на быстрые изменения сигнала по сравнению с некоторыми другими методами, но на скоростях ниже килогерц, как в нашем приложении, это не имеет особого значения.

Эта схема была с любовью позаимствована отсюда. Автор отлично объясняет схему в деталях, но краткое изложение выглядит следующим образом: форма сигнала сети сначала фильтруется и выпрямляется.Его напряжение делится, и затем заряжается конденсатор на 10 мкФ. Когда разделенное напряжение падает ниже напряжения на конденсаторе, транзистор компаратора включается, активируя оптоизолятор. Выход имеет открытый коллектор, что означает, что вы можете управлять им на любом VCC, поддерживаемом вашим микроконтроллером. Моя схема перфокарта выглядит так:

Удовлетворительно симметричная схема

Я тестировал эту схему изолированно от остальной платы с помощью модифицированного кабеля питания и устройства защиты от перенапряжения.Форма волны детектора перехода через нуль, наложенная на синусоиду переменного тока, должна выглядеть примерно так (я использовал понижающий трансформатор, чтобы получить снимок. Ради Бога, не подключайте сеть к оптическому прицелу!):

Драйвер TRIAC и изолированная схема драйвера

Далее идет симистор и схема изолированного драйвера. Я упоминал ранее руководство Энди Брауна. Я адаптировал его защиту TRIAC и схему драйвера для работы на 120 В переменного тока здесь, в Штатах, и следовал его соображениям по температуре при выборе радиатора.Используемый нами TRIAC – BTA312. Мы используем другой оптоизолятор для управления TRIAC, который называется MOC310M, для включения которого требуется от 30 до 60 мА. Большинству микроконтроллеров неудобно получать такой ток, поэтому мы используем NPN-транзистор общего назначения для его обеспечения.

Схема выглядит так:

VR1 – варистор. Он служит защитой от перенапряжения в случае скачка напряжения в сети переменного тока. C3 – пленочный колпачок на 275 В переменного тока для подавления излучения.Это можно было бы считать необязательным. Схема платы драйвера MOC310 выглядит так:

Радиатор, TRIAC, варистор, крышка фильтра и винтовые клеммы находятся под напряжением на основной плате отдельно от драйвера. Как только все будет прикреплено к плате через заголовки, это должно выглядеть примерно так:

Я использовал монтажные отверстия по углам основной платы, чтобы прикрепить ее к корпусу. Как только все будет собрано, вы получите:

Теперь вы готовы к работе! Подсоедините провода соответствующим образом (эта страница была полезной), подключите VCC и GND к источнику питания макетной платы и переведите выключатель питания.Если вы подадите 3,3 В на линию TRIAC_ACTIVE, вы должны получить 100% мощность на другом конце.

Видео

Следующие шаги

Ладно, признаю: включение лампочки выключателем на 3,3 В не так уж и впечатляет. Фактически, на тот момент это в значительной степени просто контроллер BANG-BANG. Далее нам нужен контроллер, который может измерять сигнал пересечения нуля, соответственно уменьшать яркость линии и считывать входные данные с датчика температуры. Обо всем этом мы поговорим в следующей части.Что вы спрашиваете? Я буду использовать Arduino? Абсолютно нет! Это может выглядеть так снаружи, но мы будем играть быстро и свободно с голым металлом C на Atmega328P. До следующего раза, удачного взлома.

Все файлы проекта и документацию можно найти в моем репозитории на GitHub – не стесняйтесь вносить свой вклад. Файлы схемы KiCad также доступны ниже:

Код

triac-dimmer.zip

Попробуйте сами! Получите спецификацию.

Как переключать большие нагрузки с помощью микроконтроллера с помощью транзисторов

отлично подходят для реализации интеллектуальных функций данного продукта. В этой статье вы узнаете, как обойти некоторые из их основных ограничений.

Опубликовано 12 февраля 2020 г. Джон Тил

Микроконтроллеры не могут напрямую управлять чем-либо, кроме, может быть, одного светодиода. Это связано с тем, что выходной ток большинства микроконтроллеров может напрямую подавать или потреблять только около 10 мА.

Давайте рассмотрим несколько способов переключения более тяжелых нагрузок на низкую нагрузку с типичного выхода микроконтроллера. Для определения типичных значений компонентов требуется несколько простых математических вычислений, которые будут представлены в легко доступных форматах. Однако такой подход означает, что были приняты некоторые вольности с техническими требованиями.

Одним из простейших подходов к управлению большими нагрузками, работающими от постоянного тока, является переключатель насыщения. Фактический электронный переключающий элемент поставляется в двух вариантах: биполярные переходные транзисторы, или BJT, и MOSFET.

Прежде чем перейти к собственно самому переключателю, давайте определим, что означает переключение нижнего уровня . На рисунке 1 показан этот тип переключения нагрузки.

Рисунок 1 – Реле нагрузки нижней стороны

Переключатель контролирует отрицательную сторону нагрузки. Это означает, что когда переключатель разомкнут, нагрузка по существу плавающая по отношению к минусу источника питания, который обычно является опорным заземлением в большинстве конструкций.

Если этот тип коммутационного устройства приемлем, то переключатель нижнего уровня обычно является самым дешевым способом переключения нагрузки.

Переключатель низкого уровня BJT

BJT может использоваться в качестве переключателя нагрузки и бывает двух видов: NPN и PNP. Для переключения на стороне низкого напряжения используются транзисторы NPN, а для переключения на стороне высокого уровня используется PNP.

Прежде чем перейти к реальным методам, давайте определим некоторую номенклатуру, которая используется при работе с NPN-транзисторами.

На рис. 2 показаны соответствующие соглашения об именах напряжения и тока. Начиная с тока, I _B – это базовый ток, и показано, что он входит в базу NPN.Те же аргументы применимы к I _C и I _E , причем I _E показан выходящим из транзистора.

Видно, что: I _E = I _C + I _B

Для напряжений V _CE – это напряжение между коллектором и эмиттером и обычно является положительным значением для NPN-транзисторов. Другими словами, для NPN-транзистора напряжение коллектора обычно выше, чем напряжение эмиттера.

Согласно тому же соглашению, V _BE – это напряжение между базой и эмиттером.В целом это положительно для NPN.

Рисунок 2 – Напряжение и ток NPN BJT

Ключом к пониманию того, как транзистор может управлять большой нагрузкой, является следующее уравнение:

I _C = βI _B, , где β – коэффициент усиления постоянного тока, который может составлять от 20 до 300 или более.

Это говорит о том, что ток коллектора равен значению β, умноженному на ток базы. Итак, если β = 100, то ток коллектора будет в 100 раз больше базового тока.

Значение β указано в техническом описании данного транзистора как h _FE. Для целей данной статьи они означают одно и то же. Обратите внимание, что это не фиксированное значение для данного транзистора, но несколько зависит от значения тока коллектора и температуры, но это не имеет большого значения для целей данной статьи.

Когда BJT используются в качестве переключателей нагрузки, они используются в двух режимах: Cutoff и Saturation. Рассмотрим рисунок 3 ниже. Как указывалось ранее, I _C = βI _B. Итак, если I _B = 0, то I _C также должен быть 0. В этом состоянии транзистор находится в режиме отсечки. Обратите внимание, что, поскольку в транзисторе не течет ток, он не рассеивает мощность; также в этом случае V _C совпадает с V _CC .

Для следующей части предположим, что V _CC = 10 В, R = 10 Ом и β = 100. Давайте посмотрим, что произойдет, когда I _B = 1 мА. В данном случае I _C = 100 мА, поскольку β = 100. Напряжение на резисторе I _C x R _L , или 1 В.Это означает, что тогда V _C должно быть 9 В, поскольку V _CC составляет 10 В, а падение напряжения на R _L составляет 1 В. Тот же аргумент применим, если I _B = 2 мА и так далее.

А что будет, если I _B = 20 мА. По расчетам это означает, что I _C = 2000мА, или 2А. Однако этого не может быть. Поскольку V _CC = 10 В и R _L = 10 Ом, максимальный ток, который может протекать через R _L , составляет 1 А.

Другими словами, максимальное значение I _C также равно 1 А. Это происходит, когда V _C = 0, что означает, что транзистор полностью замкнут на землю.

В этом состоянии транзистор находится в режиме насыщения. В этом режиме ток коллектора транзистора является максимальным, который позволяют условия схемы, и увеличение тока базы не приведет к его увеличению.

Итак, уравнение I _C = βI _B выполняется только до насыщения транзистора.Обратите внимание, что если в только что описанном примере V _CC теперь увеличивается, скажем, до 25 В или R _L изменяется на 1 Ом, транзистор больше не будет насыщаться. Таким образом, насыщение определяется в зависимости от условий внешней цепи.

Наконец, обратите внимание, что настоящие транзисторы не могут полностью замыкать свои коллекторы и эмиттеры, если они не неисправны. Когда реальный транзистор насыщен, его V _CE будет иметь значение V _CEsat . Это значение указано в таблице данных транзистора и обычно находится в диапазоне от 0.2 В для маленького транзистора и более 1 В для большого.

В _CEsat также зависит от тока коллектора и температуры. Эта зависимость обычно приводится в виде набора кривых в таблице данных.

В режиме насыщения транзистор рассеивает некоторую мощность, заданную параметром

Рассеиваемая мощность = I _C x V _CEsat

Однако, поскольку V _CEsat обычно довольно низок, рассеиваемая мощность также будет низкой. Таким образом, отсечка и насыщение – это два состояния, при которых транзистор будет рассеивать наименьшую мощность.

Сфокусируясь теперь на базе транзистора, быстрый способ установить I _B – это предположить, что V _BE составляет 0,7 В. Это значение подходит для большинства транзисторов.

Итак, в данном случае по закону Ома

I _B = (V _BB – 0,7) / R _B

Если необходимо заданное значение I _B , то R _B можно рассчитать как:

R _B = (V _BB – 0,7) / I _B

Для насыщения транзистора требуется минимальное значение I _B , которое вызовет максимальное значение I _C , учитывая значение β транзистора и условия схемы.

На практике это значение I _B должно быть больше этого минимума примерно на 10–15%, чтобы учесть изменения значения β от устройства к устройству.

Рисунок 3 – Работа транзистора

Управление BJT от микроконтроллера

То, что было только что описано, на самом деле является переключателем NPN BJT нижнего уровня. Если бы V _BB был выходным контактом микроконтроллера, то, зная его высокое логическое значение, требуемый ток нагрузки и значение β транзистора, можно легко вычислить значение R _B .

Еще несколько вещей, которые необходимо проверить, это убедиться, что:

Расчетное значение I _B не превышает допустимый ток возбуждения микроконтроллера.

Ток нагрузки не превышает максимального тока коллектора транзистора.

Рассеиваемая мощность в режиме насыщения не превышает максимальной рассеиваемой мощности транзистора.

Напряжение V _CC не превышает максимального значения V _CE транзистора.

Для обеспечения надежной работы в приведенный выше пример также должны быть включены некоторые запасы безопасности и снижения номинальных характеристик. Около 20% – это разумно.

Перемещение тяжелых грузов с помощью Darlington

Поскольку ток возбуждения вывода GPIO микроконтроллера редко превышает 10 мА, а минимальное значение β транзистора обычно не превышает около 50 для силового транзистора, то максимальный ток, которым можно управлять, составляет около 500 мА.

ПРИМЕЧАНИЕ: Обязательно загрузите бесплатное руководство в формате PDF 15 шагов для разработки нового электронного оборудования .

Для управления более высокими токами можно использовать схему Дарлингтона. Есть Дарлингтоны, доступные в одном корпусе, или он может быть собран с использованием двух транзисторов, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 – NPN Darlington

В этой схеме Q1 обычно представляет собой транзистор малой мощности с высоким коэффициентом усиления, а Q2 – транзистор большой мощности. Если предположить, что резистор R на данный момент отсутствует, то видно, что весь ток эмиттера Q1 течет в базу Q2.

Как указывалось ранее, ток эмиттера – это сумма тока коллектора и тока базы.

Итак, I _E = I _C + I _B

Таким образом, I _E = β x I _B + I _B , или I _E = (β + 1) I _B

Поскольку β довольно велико, (β + 1) близко к β.

Это означает:

I _E ≈ I _C

Теперь, поскольку I _E Q1 течет непосредственно в базу Q2, это означает, что I _C2 , ток коллектора Q2 определяется как:

I _C2 = β1 x β2 x I _B1 .

Итак, небольшой входной базовый ток может вызвать большой выходной ток коллектора. Однако следует отметить несколько моментов. Во-первых, V _BE этого составного транзистора теперь является суммой значений V _BE двух транзисторов. Это необходимо учитывать при расчете номинального сопротивления базового резистора, как описано ранее.

Что касается резистора R, то он влияет на время выключения Q2. Когда Q2 проводит, в его базу текут заряды. Теперь, когда на входе Q1 становится низкий уровень, Q1 отключается, и заряд, хранящийся в Базе Q2, некуда деваться.

В конечном итоге он исчезнет в результате внутреннего процесса, называемого рекомбинацией носителей, но до тех пор, пока это не произойдет, Q2 останется в проводящем состоянии. Это может длиться от нескольких микросекунд до десятков микросекунд в зависимости от транзистора.

По сути, микроконтроллер отключает свой выход, но после этого нагрузка остается включенной еще некоторое время. R используется для ускорения выключения Q2 путем стравливания сохраненного базового заряда.

Для таких приложений, как ШИМ, рекомендуется использовать этот резистор.Для большинства встроенных приложений подходят значения от 1 кОм до 5 кОм.

R также шунтирует часть базового тока Q2 при нормальной работе. Этот ток равен (V _BE2 / R) или примерно 0,7 / R. Чтобы компенсировать этот ток, просто увеличьте базовый ток Q1. Поскольку этот базовый ток x β1 должен быть равен 0,7 / R, из этого следует, что базовый ток в Q1 должен быть увеличен на (0,7 / (β1 x R)).

Переключатель нижнего уровня на полевом МОП-транзисторе

Как и BJT, MOSFET бывает двух основных видов: N-канал и P-канал.N-канальный MOSFET похож на NPN и используется для переключения нижнего уровня. Аналогичным образом, полевой МОП-транзистор с P-каналом похож на PNP BJT и используется для переключения высокого уровня.

N-канальный MOSFET-транзистор относительно легко подключить к выходному выводу GPIO микроконтроллера при соблюдении определенных условий.

На рисунке 5 показан этот тип полевого МОП-транзистора вместе с некоторыми из его наиболее важных аспектов, когда это устройство рассматривается как переключатель низкого уровня.

Рисунок 5 – MOSFET расширения с N-каналом

Когда напряжение подается между затвором и источником, ток начинает течь между стоком и источником, если напряжение выше порогового напряжения, V _th , которое указано в его техническом описании.

Выше этого порогового значения, чем выше V _GS , тем больше ток стока I _D , пока V _GS не достигнет V _GSMax , что опять же указано в таблице данных. I _D vs V _GS определяется набором кривых в таблице данных, и, как и в случае BJT, полевой МОП-транзистор насыщается, когда ток стока является максимальным, что позволяют условия схемы.

Поскольку полевой МОП-транзистор является устройством, управляемым напряжением, для его включения почти не требуется ток.Таким образом, GPIO от микроконтроллера может управлять полевым МОП-транзистором, который затем может управлять очень большими токами. Нет необходимости в аранжировках Дарлингтона. Доступны полевые МОП-транзисторы с низким напряжением _и , которые полностью усилены приводом затвора 5 В, которые, в свою очередь, могут управлять несколькими усилителями.

Еще одно преимущество MOSFET перед BJT состоит в том, что в нем нет V _DS sat. Вместо этого, когда полевой МОП-транзистор является проводящим, соединение сток-исток ведет себя как резистор со значением R _DS , которое является функцией V _GS и может быть очень низким значением для силового полевого МОП-транзистора.

Таким образом, рассеиваемая мощность полевого МОП-транзистора, когда он является проводящим или увеличенным, представляет собой просто значение (I _D ) ² , где I _D – ток стока, умноженный на R _DS , То же, что и мощность, рассеиваемая в резисторе R, пропускающем ток, I, определяется выражением P = I ² R.

Таким образом, во многих случаях мощность, рассеиваемая насыщенным MOSFET, будет меньше, чем мощность эквивалентного BJT. Это особенно актуально, если у меня _D достаточно высокий.

Следует отметить, что все N-канальные МОП-транзисторы имеют встроенные диоды-подложки, как показано на рисунке 5. Это заложено в конструкции МОП-транзистора. На практике это означает, что Утечка должна быть более положительной, чем Источник; в противном случае этот диод будет проводить.

Наконец, одна большая проблема с полевыми МОП-транзисторами – это емкость затвор-исток. Он может быть довольно большим для мощного полевого МОП-транзистора – 3 нФ и более не редкость. На практике это означает, что перед тем, как МОП-транзистор сможет начать проводить, эта емкость затвора должна сначала зарядиться.Учитывая, что большинство микроконтроллеров могут подавать ограниченный ток, для зарядки этого конденсатора потребуется время.

Итак, при непосредственном управлении выходом микроконтроллера MOSFET просто не может переключаться очень быстро. Таким образом, использование полевого МОП-транзистора для быстрой ШИМ, вероятно, не сработает.