Điều khiển góc pha ac cho bộ điều chỉnh độ sáng ánh sáng và điều khiển tốc độ động cơ sử dụng bộ hẹn giờ 555 và tín hiệu pwm

Các hệ thống tự động hóa gia đình đang ngày càng trở nên phổ biến và ngày nay việc bật và tắt một số thiết bị nhất định trở nên dễ dàng bằng cách sử dụng một số cơ chế điều khiển đơn giản như rơ le hoặc công tắc, trước đây chúng tôi đã xây dựng nhiều Dự án tự động hóa gia đình dựa trên Arduino bằng cách sử dụng rơ le. Nhưng có nhiều thiết bị gia dụng yêu cầu kiểm soát nguồn AC này hơn là chỉ bật hoặc tắt. Bây giờ, hãy bước vào thế giới điều khiển góc pha AC, đó là một kỹ thuật đơn giản mà qua đó bạn có thể điều khiển góc pha AC. Điều này có nghĩa là bạn có thể kiểm soát tốc độ của quạt trần hoặc bất kỳ quạt AC nào khác hoặc thậm chí bạn có thể kiểm soát cường độ của bóng đèn LED hoặc bóng đèn sợi đốt.

Tuy nghe có vẻ đơn giản nhưng quá trình thực hiện nó thực sự rất khó, vì vậy trong bài viết này, chúng ta sẽ xây dựng một mạch điều khiển góc pha AC đơn giản với sự trợ giúp của bộ định thời 555, và cuối cùng, chúng ta sẽ sử dụng Arduino để tạo ra một tín hiệu PWM đơn giản để điều khiển cường độ của một bóng đèn sợi đốt. Như bạn có thể hình dung rõ ràng, với mạch này, bạn có thể xây dựng một hệ thống tự động hóa đơn giản tại nhà, nơi bạn có thể điều khiển quạt và bộ điều chỉnh độ sáng đèn Ac chỉ với một Arduino duy nhất.

Điều khiển góc pha AC là gì và nó hoạt động như thế nào?

Điều khiển góc pha AC là một phương pháp thông qua đó chúng ta có thể điều khiển hoặc cắt một sóng sin AC. Các góc bắn của thiết bị chuyển mạch được thay đổi sau một phát hiện zero-crossing, dẫn đến sản lượng điện áp trung bình rằng những thay đổi tương ứng với sóng sin biến đổi, hình ảnh dưới đây mô tả hơn.

Như bạn có thể thấy, đầu tiên chúng ta có tín hiệu đầu vào AC. Tiếp theo, chúng ta có tín hiệu giao nhau bằng 0, tín hiệu này tạo ra ngắt sau mỗi 10ms. Tiếp theo, chúng ta có tín hiệu kích hoạt cổng, khi nhận được tín hiệu kích hoạt, chúng ta chờ một khoảng thời gian nhất định rồi mới cho xung kích hoạt, càng chờ nhiều thì chúng ta có thể giảm điện áp trung bình xuống và ngược lại. Chúng ta sẽ thảo luận thêm về chủ đề sau trong bài viết.

Những thách thức trong điều khiển góc pha

Trước khi chúng ta xem xét sơ đồ và tất cả các yêu cầu về vật liệu, hãy nói về một số vấn đề liên quan đến loại mạch này và cách mạch của chúng ta giải quyết những vấn đề đó.

Mục tiêu của chúng tôi ở đây là điều khiển góc pha của sóng sin AC với sự trợ giúp của bộ vi điều khiển, cho bất kỳ loại ứng dụng tự động hóa gia đình nào. Nếu chúng ta nhìn vào hình ảnh bên dưới, bạn có thể thấy rằng màu vàng, chúng ta có sóng hình sin và màu xanh lá cây, chúng ta có tín hiệu giao cắt bằng không.

Bạn có thể thấy rằng tín hiệu giao nhau 0 đến sau mỗi 10ms khi chúng tôi đang làm việc với sóng hình sin 50Hz. Trong vi điều khiển, nó tạo ra một ngắt sau mỗi 10ms. nếu chúng tôi đặt bất kỳ mã nào khác ngoài mã đó, mã khác có thể không hoạt động do bị gián đoạn. Như chúng ta biết tần số đường dây nghe thấy ở Ấn Độ là 50Hz, vì vậy chúng tôi đang làm việc với sóng hình sin 50Hz và để điều khiển nguồn AC, chúng tôi cần bật và tắt TRIAC trong một khung thời gian nhất định. Để làm được điều đó, mạch điều khiển góc pha dựa trên bộ vi điều khiển sử dụng tín hiệu xuyên 0 làm ngắt, nhưng vấn đề với phương pháp này là bạn không thể chạy bất kỳ mã nào khác ngoài mã điều khiển góc theo nhịp độ, vì theo một cách nào đó, nó sẽ bị hỏng chu kỳ vòng lặp và một trong những mã đó sẽ không hoạt động.

Hãy để tôi làm rõ với một ví dụ, giả sử bạn phải làm một dự án mà bạn cần kiểm soát độ sáng của bóng đèn sợi đốt, đồng thời bạn cũng cần đo nhiệt độ. Để điều khiển độ sáng của bóng đèn sợi đốt, bạn cần một mạch điều khiển góc pha, ngoài ra bạn cần đọc dữ liệu nhiệt độ cùng với nó, nếu đây là trường hợp, mạch của bạn sẽ không hoạt động bình thường vì cảm biến DHT22 cần một thời gian để đưa ra dữ liệu đầu ra của nó. Trong khoảng thời gian này, mạch điều khiển góc pha sẽ ngừng hoạt động, tức là nếu bạn đã định cấu hình nó ở chế độ thăm dò, nhưng nếu bạn định cấu hình tín hiệu giao nhau ở chế độ ngắt, bạn sẽ không bao giờ đọc được dữ liệu DHT vì kiểm tra CRC sẽ không thành công.

Để giải quyết vấn đề này, bạn có thể sử dụng một vi điều khiển khác cho mạch điều khiển góc pha khác nhau nhưng nó sẽ làm tăng chi phí BOM, một giải pháp khác là sử dụng mạch của chúng tôi được tạo thành từ các thành phần chung như bộ định thời 555 và cũng có chi phí thấp hơn.

Vật liệu cần thiết cho mạch điều khiển góc pha AC

Hình ảnh dưới đây cho thấy các vật liệu được sử dụng để xây dựng mạch, vì nó được làm bằng các thành phần rất chung chung, bạn sẽ có thể tìm thấy tất cả các vật liệu được liệt kê trong cửa hàng sở thích tại địa phương của bạn.

Tôi cũng đã liệt kê các thành phần trong bảng dưới đây với loại và số lượng, vì đây là một dự án trình diễn, tôi đang sử dụng một kênh duy nhất để làm như vậy. Nhưng mạch có thể dễ dàng mở rộng theo yêu cầu.

SI. Không	Các bộ phận	Kiểu	Định lượng
1	Thiết bị đầu cuối trục vít 5.04mm	Kết nối	3
2	Tiêu đề nam 2,54mm	Kết nối	1X2
3	56K, 1W	Điện trở	2
4	1N4007	Diode	4
5	0,1uF, 25V	Tụ điện	2
6	100uF, 25V	Tụ điện	2
7	LM7805	Bộ điều chỉnh điện áp	1
số 8	1 nghìn	Điện trở	1
9	470R	Điện trở	2
10	47R	Điện trở	2
11	82 nghìn	Điện trở	1
12	10 nghìn	Điện trở	1
13	PC817	Optocoupler	1
14	NE7555	Vi mạch	1
12	MOC3021	OptoTriac Drive	1
13	IRF9540	MOSFET	1
14	3,3uF	Tụ điện	1
15	Kết nối dây	Dây điện	5
16	0,1uF, 1KV	Tụ điện	1
17	Arduino Nano (Để thử nghiệm)	Vi điều khiển	1

Sơ đồ mạch điều khiển góc pha AC

Sơ đồ cho mạch điều khiển góc pha xoay chiều được hiển thị bên dưới, mạch này rất đơn giản và sử dụng các thành phần chung để đạt được điều khiển góc pha.

Mạch điều khiển góc pha AC - Làm việc

Mạch này được tạo thành từ các thành phần được thiết kế rất cẩn thận, tôi sẽ đi qua từng cái và giải thích từng khối.

Mạch phát hiện không cắt ngang:

Đầu tiên, trong danh sách của chúng tôi là mạch phát hiện điểm giao cắt 0 được tạo ra với hai điện trở 56K, 1W kết hợp với bốn điốt 1n4007 và bộ ghép quang PC817. Và mạch này có nhiệm vụ cung cấp tín hiệu xuyên 0 cho IC định thời 555. Ngoài ra, chúng tôi đã loại bỏ pha và tín hiệu trung tính để sử dụng thêm trong phần TRIAC.

Bộ điều chỉnh điện áp LM7809:

Ổn áp 7809 dùng để cấp nguồn cho mạch, mạch có nhiệm vụ cung cấp nguồn điện cho toàn mạch. Ngoài ra, chúng tôi đã sử dụng hai tụ điện 470uF và một tụ điện 0,1uF làm tụ điện tách cho IC LM7809.

Mạch điều khiển với bộ hẹn giờ NE555:

Hình ảnh trên cho thấy mạch điều khiển bộ định thời 555, bộ định thời 555 được cấu hình theo cấu hình đơn ổn, vì vậy khi một tín hiệu kích hoạt từ mạch phát hiện giao nhau không chạm vào bộ kích hoạt, bộ hẹn giờ 555 bắt đầu sạc tụ điện với sự trợ giúp của điện trở (nói chung), nhưng mạch của chúng tôi có MOSFET thay cho điện trở và bằng cách điều khiển cổng của MOSFET, chúng tôi kiểm soát dòng điện đi đến tụ điện, đó là lý do tại sao chúng tôi kiểm soát thời gian sạc do đó chúng tôi kiểm soát đầu ra của bộ định thời 555. Trong nhiều dự án, chúng tôi đã sử dụng IC hẹn giờ 555 để thực hiện dự án của mình, nếu bạn muốn biết thêm về chủ đề này, bạn có thể xem tất cả các dự án khác.

TRIAC và mạch điều khiển TRIAC:

TRIAC hoạt động như một công tắc chính thực sự bật và tắt, do đó điều khiển đầu ra của tín hiệu AC. Điều khiển TRIAC là ổ optotriac MOC3021, nó không chỉ điều khiển TRIAC mà còn cung cấp khả năng cách ly quang học, tụ điện cao áp 0,01uF 2KV và điện trở 47R tạo thành một mạch snubber, bảo vệ mạch của chúng ta khỏi các xung điện áp cao xảy ra khi nó được kết nối với tải cảm ứng, bản chất không phải hình sin của tín hiệu AC chuyển mạch là nguyên nhân gây ra các xung đột. Ngoài ra, nó chịu trách nhiệm về các vấn đề hệ số công suất, nhưng đó là một chủ đề cho một bài báo khác. Ngoài ra, trong các bài viết khác nhau, chúng tôi đã sử dụng TRIAC làm thiết bị ưa thích của mình, bạn có thể kiểm tra các thiết bị đó nếu điều đó quan tâm đến bạn.

Bộ lọc thông thấp và MOSFET kênh P (Hoạt động như điện trở trong mạch):

Điện trở 82K và tụ điện 3,3uF tạo thành bộ lọc thông thấp có nhiệm vụ làm mịn tín hiệu PWM tần số cao do Arduino tạo ra. Như đã đề cập trước đó, P-Channel MOSFET hoạt động như một biến trở, điều khiển thời gian sạc của tụ điện. Điều khiển nó là tín hiệu PWM được làm mịn bằng bộ lọc thông thấp. Trong bài viết trước, chúng ta đã tìm hiểu rõ khái niệm về bộ lọc thông thấp, bạn có thể tham khảo bài viết về bộ lọc thông thấp chủ động hoặc bộ lọc thông thấp thụ động nếu bạn muốn biết thêm về chủ đề này.

Thiết kế PCB cho mạch điều khiển góc pha AC

PCB cho mạch Điều khiển góc pha của chúng tôi được thiết kế trong một bảng một mặt. Tôi đã sử dụng Eagle để thiết kế PCB của mình nhưng bạn có thể sử dụng bất kỳ phần mềm Thiết kế nào mà bạn chọn. Hình ảnh 2D của thiết kế bảng của tôi được hiển thị bên dưới.

Việc lấp đất đầy đủ được sử dụng để tạo kết nối đất thích hợp giữa tất cả các bộ phận. Đầu vào 12V DC và đầu vào 220 Volt AC được đặt ở phía bên trái, đầu ra nằm ở phía bên phải của PCB. Tệp thiết kế hoàn chỉnh cho Eagle cùng với Gerber có thể được tải xuống từ liên kết bên dưới.

• Tải xuống các tệp Thiết kế PCB, GERBER & PDF cho Mạch điều khiển góc pha AC

PCB thủ công:

Để thuận tiện, tôi đã làm phiên bản PCB thủ công của mình và nó được hiển thị bên dưới.

Mã Arduino để điều khiển góc pha AC

Một mã tạo PWM đơn giản được sử dụng để làm cho mạch hoạt động, mã và giải thích của nó được đưa ra bên dưới. Bạn cũng có thể tìm thấy mã hoàn chỉnh ở cuối trang này. Đầu tiên, chúng tôi khai báo tất cả các biến cần thiết, const int analogInPin = A0; // Chân đầu vào tương tự mà chiết áp được gắn vào const int analogOutPin = 9; // Chân đầu ra tương tự mà đèn LED được gắn vào int sensorValue = 0; // giá trị đọc từ pot int outputValue = 0; // giá trị đầu ra cho PWM (đầu ra tương tự)

Các biến là để khai báo chân Analog, chân analogOut và các biến khác là để lưu trữ, chuyển đổi và in giá trị được ánh xạ. Tiếp theo trong phần setup () , chúng tôi khởi tạo UART với 9600 baud để chúng tôi có thể theo dõi đầu ra và đó là cách chúng tôi có thể tìm ra dải PWM nào có thể kiểm soát hoàn toàn đầu ra của mạch.

void setup () {// khởi tạo giao tiếp nối tiếp với tốc độ 9600 bps: Serial.begin (9600); }

Tiếp theo, trong phần loop () , chúng tôi đọc chân analog A0 và lưu trữ giá trị vào biến giá trị cảm biến, tiếp theo chúng tôi ánh xạ giá trị cảm biến thành 0 -255 vì bộ định thời PWM của atmega chỉ là 8 bit, tiếp theo chúng tôi đặt tín hiệu PWM bằng hàm analogWrite () của Arduino. và cuối cùng, chúng tôi in các giá trị vào cửa sổ điều khiển nối tiếp để tìm ra phạm vi của tín hiệu điều khiển, nếu bạn đang theo dõi hướng dẫn này, video ở cuối sẽ cho bạn ý tưởng rõ ràng hơn về chủ đề này.

sensorValue = analogRead (analogInPin); // đọc giá trị tương tự: outputValue = map (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // ánh xạ nó đến phạm vi của analog out: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // thay đổi giá trị ra analog: Serial.print ("sensor ="); // in kết quả ra Serial Monitor: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t output ="); Serial.println (outputValue);

Kiểm tra mạch điều khiển góc pha AC

Hình ảnh trên cho thấy thiết lập thử nghiệm của mạch. Nguồn cung cấp 12V được cung cấp bởi mạch SMPS 12V, trong trường hợp của chúng tôi, tải là bóng đèn, có thể dễ dàng thay thế \ bằng tải cảm ứng như quạt. Ngoài ra, bạn có thể thấy rằng tôi đã gắn một chiết áp để điều khiển độ sáng của đèn nhưng nó có thể được thay thế bằng bất kỳ hình thức điều khiển nào khác, nếu bạn phóng to hình ảnh, bạn có thể thấy rằng nồi được kết nối với Chân A0 của Arduino và tín hiệu PWM đến từ chân 9 của Arduino.

Như bạn thấy trong hình trên, giá trị đầu ra là 84 và độ sáng của bóng đèn sợi đốt rất thấp,

Trong hình ảnh này, bạn có thể thấy rằng giá trị là 82 và độ sáng của bóng đèn nóng sáng tăng lên.

Sau nhiều lần thử nghiệm thất bại, tôi đã có thể nghĩ ra một mạch thực sự hoạt động bình thường. Bạn đã bao giờ tự hỏi một băng ghế thử nghiệm trông như thế nào khi một mạch điện không hoạt động? Để tôi nói với bạn rằng nó trông rất tệ,

Đây là một mạch được thiết kế trước đây mà tôi đang làm việc. Tôi đã phải hoàn toàn vứt bỏ nó và làm một cái mới vì cái trước đó không hoạt động một chút nào.

Cải tiến hơn nữa

Đối với phần trình diễn này, mạch được làm trên PCB thủ công nhưng mạch có thể dễ dàng được chế tạo bằng PCB chất lượng tốt, trong các thí nghiệm của tôi, kích thước của PCB thực sự lớn do kích thước thành phần, nhưng trong môi trường sản xuất, nó có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng các linh kiện SMD rẻ tiền, Trong các thí nghiệm của tôi, tôi thấy việc sử dụng bộ hẹn giờ 7555 thay vì bộ định thời 555 sẽ làm tăng rộng rãi bộ điều khiển, hơn nữa, độ ổn định của mạch cũng tăng.