Плавная регулировка мощности тэна ардуино. Световой диммер управляемый Arduino

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

Ардуиноуправляемая энергия!

Внимание!

Есть в наличии

Вы любите программировать микроконтроллеры!? Теперь вы легко можете решать задачи управления мощностью в сети 220В переменного тока. Мы сделали регулятор мощности, который легко подключить к микроконтроллеру, например, плате Ардуино (Arduino). Просто соедините ШИМ-выход микроконтроллера с нашим регулятором мощности и программно управляйте электроприборами: плавно включайте электродвигатели, регулируйте температуру нагрева и многое другое.

Внимание!

В некоторых инструкциях к устройству, в схеме подключения была допущена опечатка. В связи с невозможностью замены инструкции, во всех имеющихся упаковках, просим при подключении использовать схему с сайта.

Технические характеристики

Особенности

• Питание от управляющей платы микроконтроллера
• Возможность регулировки оборотов асинхронных двигателей.
• Не создает помех в сеть 220В.

Принцип работы

Классический симисторный регулятор мощности с аналоговым входом управления, совместимым с ШИМ - выходами микроконтроллеров. Аналоговая часть модуля питается от вашей платы микроконтроллера (+Vcc). Допустимое напряжение питания +3,3...+5,0 В. При изменении сигнала на аналоговом входе регулятора от 0 до + Vcс мощность в нагрузке меняется от 0 до 100 %

Функции

• управление мощностью нагрузки

Дополнительная информация

Обращаем ваше Внимание!

При эксплуатации модуля с нагрузкой более 3000 Вт необходимо усилить дорожки печатной платы, идущие к силовому элементу. Для этого необходимо напаять одножильный монтажный провод диаметром 1,5-2 мм от контактов клеммы НАГРУЗКА к контактам выводов СИЛОВОГО элемента.

Модуль рассчитан на работу с ШИМ сигналом частотой 300 Гц.

Проверьте исправность модуля
Снимите джампер.



Замкните перемычкой контакты +VCC и "управление". При этом должна увеличиваться яркость свечения лампы.
Замкните перемычкой контакты GND и "управление". При этом должна уменьшиться яркость свечения лампы.

Схемы

Комплект поставки

• модуль MP248 - 1 шт. шт.
• Инструкция - 1 шт. шт.

Подготовка к эксплуатации

• ВНИМАНИЕ! Перед включением соблюдайте меры безопасности при работе с высоким напряжением.
• Снимите джампер.
• Подключите лампу накаливания к модулю.
• Подключите питание 5В для низковольтной части схемы.
• Подключите питание 220В для высоковольтной части схемы.
• Замкните перемычкой контакты +VCC и управление. При этом должна увеличиваться яркость свечения лампы.
• Замкните перемычкой контакты GND и управление. При этом должна уменьшиться яркость свечения лампы.
• При установленном джампере включается инверсия управления.
• Проверка завершена, приятной эксплуатации.

Меры предосторожности

• Соблюдайте правила работы с высоким напряжением.
• Соединения производите только при надежно обесточенной сети.
• Перед использование разместите устройство в корпусе, например пластмассовой монтажной коробке достаточного размера.
• Обеспечьте достаточную естественную вентиляцию и охлаждение модуля, особенно при управлении мощностями более 100Вт

Техническое обслуживание

• На плате присутствует высокое напряжение, опасное для жизни. Соблюдайте меры безопасности при работе с электроустановками.

Вопросы и ответы

• Добрый день! Я правильно понимаю, что управлевние мощностью возможно как с помощью ШИМ, так и аналоговым сигналом, при этом скважность выходного сигнала ШИМ на симистор будет соответствовать уровню аналогового сигнала в процентах от напряжения питания?
  • Этот модуль рассчитывался на работу с ШИМ Ардуино 300 Гц. С другими не пробовали. Но, в принципе, должно работать, потому что за основу берется аналоговый сигнал, а не длительность импульса и частота.
• Добрый день! Можно ли данным устройством с Ардуино управлять оборотами э/двигателя постоянного тока 12В (вентилятор печки автомобиля)
  • Устройство предназначено для управления нагрузкой только в цепи переменного тока 220В.
• В моем регуляторе без нагрузки 190 В, а под нагрузкой лампочка,еле светится спираль.
  • Проверьте наличие резистора R10 - 10кОм и электролитического конденсатора C5 - 100мкФх16В, по возможности установите их и проверьте работу устройства.
• Добрый день. Приобрел у вас данный регулятор. Но почему то перемычка слева от входа управления не распаяна и отсутствует на входе конденсатор. И пока не перемкнул перемычку - регулятор на управление никак не реагировал. В инструкции про это - ни слова. Почему?
  • Вам необходимо установить C5 - 100мкФх16В, R10 - 10кОм Если такой возможности нет, сдавайте по месту приобретения на ее основании будет выполнен ремонт или замена на новый модуль..ru они подскажут ваши действия.
• Добрый день. Можно ли данный регулятор использовать как и другие с переменным резистором? Или для управления всё же понадобится 5 в и перемычки(кнопки) на управляющий контакт?
  • Все верно, для использования в режиме диммера, потребуется внешнее питание 5В и кнопки.

Ардуино дает возможность для легкой реализации множества различных устройств и функций, в том числе, переключения нагрузок переменного тока с помощью механического или твердотельного реле. Но чуть сложнее ситуация складывается тогда, когда вам приходится регулировать яркость ламп с помощью программы, ведь ограничить силу тока симистром уже нельзя.

Диммер (от англ. dim - затемнять, в русском языке - светорегулятор, во французском - вариатор) - электронное устройство, предназначенное для изменения электрической мощности (регулятор мощности). Обычно используется для регулировки яркости света, излучаемого лампами накаливания или светодиодами.

В таком случае более эффективным будет использовать Ардуино диммер, КПД которого значительно выше в данной задаче, чем у того же симистра, учитывая необходимость рассеивать большое количество теплоты. Давайте разберёмся, как создать диммер, что необходимо прописать в программной части, и какие материалы вам потребуются.

Вариант 1

Ардуино диммер 220 В проектируется таким образом, чтобы в него входили простые синусоиды из розеток, а выходили уже обрезанные. Таким образом, он не будет пропускать часть синусоид, в зависимости от размера которой будет изменяться и усреднённое напряжение на устройстве. Поэтому, с помощью изменения промежутков с нулевым напряжением возможно регулировать ток на выходе, с помощью того самого симистра.

Важно подобрать подходящий, ведь они различаются по размеру корпуса и принимаемому току, например, более крупные пропускают напряжение в 800 вольт, эквивалентное 30 квт.

У нас будет два варианта исполнения. Теоретический и конкретный альтернативный, уж, простите, за аналогии.

В первом варианте, чтобы проект поддавался контролю, потребуется пакет рассыпух, а также пара резисторов и несколько оптопар. Большая часть компонентов, полный список которых мы опишем ниже, продается за копейки в любом магазине радиотехники, поэтому вам не составит труда собрать всё, что необходимо.

Чтобы было удобнее подключать Аrduino симистор, потребуется несколько клемм, но можно обойтись и без них. А для сборки всей схемы необходимо спроектировать и сделать макетную плату. Удобнее всего использовать 3-Д принтер, но можно создать её и старым химическим способом.

В итоге у нас получится Аrduino диммер 220 В, который будет разрывать соответствующую сеть, а контролировать мы всё будем с помощью оптопары, для чего нам потребуется стандартная мигалка. Таким образом, выйдет, что сама плата останется развязанной с помощью сетевого напряжения, что поспособствует безопасности инженера и дальнейших пользователей.

Но для своевременного открытия симистра устройству потребуется узнавать, когда напряжение будет проходить через ноль, для чего и пригодится вторая оптопара, которую мы подключим к противоположной стороне.

С помощью такой незамысловатой схемы мы получим девайс, который будет отправлять нам сигнал каждый раз, когда напряжение проходит через 0 в сети, а управление симистром будет осуществляться с помощью верхней оптопары.

О том, какой алгоритм работы потребуется прописать программой, – мы расскажем чуть ниже, но давайте сначала разберёмся, какие инструменты и составляющие вам потребуются, чтобы собрать аппаратную часть проекта. Как уже упоминалось, все их вы сможете купить на рынке или в магазине радиотехники без затруднений.

Вариант 2

Во втором варианте мы настроим яркость лампы, подключенной к цепи последовательным портом. Яркость можно изменить в соответствии с командами, которые мы предоставляем для последовательного порта. Мы будем использовать эти конкретные команды в этом проекте Ардуино диммера:

• 0 для ВЫКЛЮЧЕНИЯ
• 1 для яркости 25%
• 2 для яркости 50%
• 3 для яркости 75%
• 4 для 100% яркости

Мы разработаем схему диммера с импульсной волной (PWM), которая будет использовать IRF830A в диодном мосте, который используется для управления напряжением на лампе с импульсной модуляцией (PWM). Напряжение источника питания для управления затвором подается с напряжением на полевом транзисторе с полевым эффектом из оксида металла (MOSFET).

Материалы

Вариант 1

Для удобства следует разбить список покупок на несколько основных пунктов, в зависимости от того, для чего мы будем использовать те или иные инструменты. Так, вам будет необходимо собрать:

1. Детектор для отслеживания пересечений с нулем. Для этой части проекта потребуется H11AA11 с парой резисторов на 10кОм, а также мостовой выпрямитель на 400 Вольт и ещё пара резисторов на 30 кОм. Для удобства стоит прикупить и 1 разъем, а также стабилизатор на 5.1 Вольт.
2. Драйвер для лампы. Здесь достаточно будет простого светодиода, а также MOC3021 с резистором 220 Ом (можно и больше), а еще резистором на 470 Ом и 1 кОм, и один симистор, подойдет версия TIC Также можете докупить ещё один разъем.
3. Вспомогательные элементы. Конечно, при спайке не обойтись без проводов и куска текстолита 6 на 3 см.

Когда вы соберёте все необходимые элементы, придёт время спайки, поэтому, помимо выше перечисленного, потребуются также паяльник и канифоль с припайкой. Плату вы можете расчертить и сделать самостоятельно или воспользоваться специальным принтером, если есть в наличии. Варианты расположения дорожек можно найти на нашем сайте или спроектировать всё самостоятельно, по вашему желанию.

Вариант 2

Для нашего второго альтернативного варианта нам понадобятся:

1x - 330 Ом резистор
2x - 33К резистора
1x - 22К резистор
1x- 220 Ом резистор
4x - 1N4508 диоды
1x - 1N4007 диоды
1x - Диод Zener 10V.4W
1x - Конденсатор 2.2uF / 63V
1x - Конденсатор 220nF / 275V
1x - Arduino / Ардуино
1x - Оптрон: 4N35
1x - МОП-транзистор: IRF830A
1x - Лампа: 100 Вт
1x - Питание 230 В
1x - Розетка
1x - Паяльная плата и паяльный комплект

Создание платы

Мы рассмотрим самый бюджетный вариант – вытравку платы в соляном растворе, но прежде на неё необходимо будет наклеить проект, который вы можете создать в программе по желанию. Дальнейшая сборка не несёт никаких трудностей и секретов, необходимо будет воспользоваться панельками под оптроны и мостовые выпрямители. Также, при написании текста, для разметки элемента, его стоит делать зеркальным, так как при ЛУТе, отпечатавшийся рисунок примет правильный вид на меде, и перенесется так, что вы без проблем прочитаете все необходимые данные.

Хорошим выбором станет TIC206, который выдаст добротных 6 ампер. Но здесь стоит учесть, что те проводники, которые установлены на плате, просто не выдержат такую силу тока, поэтому дополнительно стоит припаять провод на проводник симистора у разъемов, а вторую часть – к другим разъемам.

Также, при наличии оптрона H11AA11, мостовой выпрямитель можно не использовать, ведь в нем уже имеются два не параллельных диода, а также возможность работы с переменными токами. Совместимость с выводами 4N25 позволяет просто вставить его к припою с двумя перемычками, находящимися между 5 и 7 резистором, на нашей схеме.

Во втором варианте схема будет выглядеть так:

Какая программа необходима для устройства

Вы можете подгрузить готовый код с библиотеками с сайта или написать его самостоятельно. Благо, программа под диммер на Ардуино не очень тяжелая, и в ней достаточно учитывать, что нулевой сигнал будет генерироваться в прерываниях, которые в симисторе переключаются на определённое время.

Единственное, что стоит учесть – это использование переменной цикла, её стартовое значение стоит поставить не в 0, а в 1, а максимальный шаг варьируется от 1 до 5. Таким образом, нам будет подходить два вида диапазонов измерения – от 2 до 126, и от 0 до 128.

Код для альтернативного варианта у нас такой:

Технологический процесс сборки

Мигалка на Ардуино без проблем собирается на макетной плате, и особенностей в спайке уже готового макета нет никаких. Единственное, стоит не забывать о примечаниях, приведённых выше, по поводу припайки одного провода к симистору, дабы не сжечь дорожки на плате, выстроив правильное прерывание. В остальном, даже новичку удастся без проблем собрать конечный проект, благодаря его простоте.

Как это выглядит в реальном виде:

Настройка и тестирование устройства

Наш второй вариант работает таким образом (на видео видно как к устройству подносится фонарик):

Уже распаянный Аrduino диммер подключите к Ардуино и двигайте потенциометр до тех пор, пока не достигнете максимума и минимума накала лампочки. Для того чтобы увидеть реальную картину волны, достаточно воспользоваться осциллографом, способным измерять напряжение до 12 вольт.

Но напрямую подключать также нельзя, здесь пригодится делитель напряжения в соотношении 1 к 20; дабы не греть лишний раз резисторы, подойдет номинал двести и десять килоОм. После аккуратного подключения устройство можно подсоединить к сети и, наконец, увидеть результаты своих трудов.

Продолжение разработки контроллера, начатой в уроке 36. Напишем программу для регулятора мощности на элементе Пельтье. Узнаем что такое интегральный регулятор.

Охлаждающая способность элемента Пельтье (холодильная мощность) связана с электрической мощностью на элементе. Поэтому регулировка температуры в камере должна производиться за счет изменения электрической мощности на модуле Пельтье. Т.е. нам нужен регулятор ни напряжения, ни тока, а именно мощности.

Будем разрабатывать регулятор мощности, но сначала узнаем минимальные сведения о регуляторах.

Общие сведения о регуляторах.

Регулятор это устройство, которое поддерживает определенные параметры объекта на заданном уровне. Регулятор следит за состоянием объекта и вырабатывает управляющие воздействия для того, чтобы обеспечить стабильность параметра регулирования.

Я хорошо помню, что первая система регулирования, которую нам в институте представил преподаватель ТАУ (теория автоматического управления) был механизм поддержания уровня воды сливного бачка. Когда уровень воды достигает заданного значения, поплавок поднимается и клапан, связанный с его рычагом, перекрывает поток воды. Если уровень воды снизится, то поплавок опустится и клапан откроет воду.

В любом регуляторе надо четко выделить, что мы регулируем и с помощью чего мы регулируем. Т.е.

• регулируемый параметр;
• и регулирующий элемент.

В системе регулировки уровня воды регулируемый параметр это уровень воды, а регулирующий элемент это клапан, связанный с рычагом поплавка. Все остальное между поплавком и клапаном реализует алгоритм управления.

Для нашего регулятора мощности:

• регулируемый параметр – электрическая мощность на нагрузке;
• регулирующий элемент – широтно-импульсный модулятор.

Кто-то задастся вопросом, что является регулирующим элементом в нашей системе – коэффициент заполнения ШИМ или ключевой транзистор электронной схемы. Алгоритм регулятора мы реализуем программным способом. Для программы регулирующий элемент – коэффициент заполнения ШИМ.

Подавляющее большинство регуляторов используют обратную связь для того чтобы узнать состояние регулируемого параметра и компенсировать внешние возмущения.

В нашем случае на регулятор поступает измеренная мощность с выхода системы и заданное значение мощности. По определенному алгоритму регулятор вычисляет значение коэффициента заполнения ШИМ, за счет которого и меняется мощность на нагрузке.

Как у всего на свете у регулятора есть критерии оценки качества. Это:

• Скорость регулирования (быстродействие) – время уменьшения ошибки регулирования до заданной величины.
• Точность регулирования – ошибка параметра регулирования в установившемся состоянии.
• Устойчивость регулятора – отсутствие колебаний параметра регулирования.

И еще. Мы реализуем алгоритм регулирования программным способом. Это значит, что у нас будет дискретный по времени регулятор. Управление будет происходить в отдельные моменты времени. В программе контроллера мы определили временную дискретность регулятора мощности 20 мс.

Интегральный регулятор.

Другие законы регулирования мы рассмотрим в следующем уроке, когда будем разрабатывать ПИД (пропорционально-интегрально-дифференцирующий) регулятор температуры. Сейчас мы говорим только об интегральном законе регулирования.

Итак, мы должны поддерживать значение мощности на выходе, меняя ШИМ. Самый простой, интуитивный способ это:

• сравнить заданную мощность с измеренной;
• если заданное значение больше реального, то ШИМ увеличить на 1 ;
• если заданное значение меньше реального, то ШИМ уменьшить на 1.

Регулятор с таким алгоритмом управления будет работать, только критерии качества регулирования у него не на высоте. Причем абсолютно все.

Для более качественного регулирования необходимо прибавлять к текущему значению ШИМ величину, зависящую от ошибки параметра регулирования.

Математически закон управления интегрального регулятора выглядит так

• Kw – коэффициент заполнения ШИМ;
• Ki – интегральный коэффициент;
• e(t) – ошибка рассогласования, т.е. разница между заданным и реальным значениями регулируемого параметра.

Выходная функция интегрального регулятора пропорциональна интегралу по времени от отклонения регулируемого параметра.

Интегральный регулятор это регулятор последовательного приближения. Большая ошибка – он изменяет ШИМ большими шагами. Маленькая ошибка он медленно ее компенсирует. Ошибка накапливается в интеграторе и сколь малой она не была бы, все равно со временем она окажет воздействие на регулирующий элемент.

В более понятном виде, близком к дискретной реализации схема интегрального регулятора выглядит так.

• Вычисляется ошибка рассогласования e, как разность между заданной мощностью Pset и измеренной на выходе Preal: e = Pset – Preal.
• Ошибка рассогласования e умножается на интегральный коэффициент Ki и накапливается в регистре-интеграторе RgI.
• Целые разряды регистра поступают на широтно-импульсный модулятор.

Как правило, интегратор имеет достаточно большую разрядность с дробной частью. А ШИМ может воспринимать только целые значения. Здесь нет противоречия. Значения меньше еденицы постепенно накапливаются в интеграторе и переходят в целую часть, а значит и в ШИМ. Это позволяет при малых ошибках рассогласования или малом значении Ki уменьшать быстродействие регулятора. Малые значения будут долго переходить в целую часть.

Интегральные регуляторы обладают:

• высокой точностью;
• низкой скоростью регулирования;
• посредственной устойчивостью, зависящей от скорости регулирования.

Почему для регулятора мощности на элементе Пельтье мы выбрали именно интегральный закон управления.

• Элемент Пельтье меняет свои параметры в зависимости от температуры. Но происходит это крайне медленно. Быстрый регулятор нам просто не нужен.
• Более того резкое изменение мощности на элементе Пельтье ведет к деградации полупроводниковых кристаллов модуля. Из-за резких изменений температуры в местах спайки полупроводников возникают механические напряжения, что ведет к снижению эффективности элемента и даже выходу его из строя. Поэтому как бы быстро не менял регулятор температуры заданное значение для регулятора мощности необходимо, чтобы изменение мощности на элементе Пельтье происходило плавно.
• Есть еще конденсатор большой емкости на выходе регулятора, который также лучше заряжать медленно.

Например, при включении питания при не охлажденной камере холодильника регулятор температуры должен включить элемент на полную мощность. Необходимо, чтобы это произошло не мгновенно, а в течение нескольких секунд.

Ко всем этим требованиям идеально подходит именно интегральный регулятор. Более того коэффициент Ki мы специально снизим, чтобы обеспечить медленное изменение мощности на нагрузке.

Программа регулятора мощности.

Регулятор добавим в программу из предыдущего урока. Напомню, что в ней мы создали структуру программы контроллера и реализовали измерение напряжения, тока и мощности на нагрузке.

Нам нужны следующие переменные и константы:

float measureP; // измеренная мощность на нагрузке, Вт – эта переменная в программе уже есть.

float setPower; // заданная мощность
float regPwrInt=0; //
#define koeffRegPwrInt 0.05 //

Сам регулятор уместился в одну строку:

И еще надо перегрузить целую часть из интегратора в ШИМ:

analogWrite(9, (unsigned int) regPwrInt); // ШИМ

В принципе эта программа уже работает. Можно временно задать мощность равной, например, 5 Вт:

setPower = 5; // временно заданная мощность 5 Вт

вставить регулятор в цикл 20 мс и проверить. Но не хватает еще кое-каких операций.

Ограничение интегратора.

Мы работаем с реальной схемой. Допустим, задана мощность, которую регулятор не способен обеспечить, например, 50 Вт. Регулятор должен сформировать максимальный ШИМ. Но интегральное звено нашего регулятора будет продолжать увеличиваться. Когда оно превысит максимально-допустимое значение ШИМ (у нас это 255), ШИМ перестанет правильно работать. Скорее сбросится в 0 и опять начнет увеличиваться. Т.е. необходимо ввести ограничения интегрального звена. Оно не должно быть больше максимального значения ШИМ и не допустимо, чтобы оно стало отрицательным.

if (regPwrInt < 0) regPwrInt=0; // ограничение снизу
if (regPwrInt > ограничение сверху

"Мертвое время" ШИМ.

Есть еще одна тонкость работы с ШИМ. Импульсы на выходе ШИМ переключают реальный ключ. При уменьшении коэффициента заполнения импульсы включения ключа могут стать очень короткими. Для нашего ШИМ значение 1 соответствует импульсу длительностью 62,5 нс. За такое короткое время ключ не успеват открываться полностью и нормально работать не будет. Скорее всего при нашем низковольтном питании (12 В) беды не случится. Но в высоковольтных цепях источников питания (300 В и более) такая коммутация приводит к катастрофическим последствиям. Поэтому хороший стиль управления ШИМ – это запрет слишком коротких импульсов управления.

Введем два временных отрезка, на которых запретим работу ШИМ. Один отрезок вблизи нуля, второй около максимального значения. Общепринято длительность этих отрезков называть “мертвым временем” ШИМ (dead time). Алгоритм простой:

• Если значение ШИМ меньше “мертвого времени”, то ШИМ равен 0.
• Если значение ШИМ больше разницы максимального ШИМ и “мертвого времени”, то ШИМ равен максимальному значению.

Реализация этого алгоритма в программе выглядит так:

if (pwm < DEAD_TIME) pwm=0;
if (pwm >
analogWrite(9, pwm); // ШИМ

Я задал “мертвого времени” равным 500 нс:

#define DEAD_TIME 8 // мертвое время ШИМ (* 62,5 нс)

Выключение регулятора.

Последнее, что надо добавить это быстрое выключение регулятора. Я говорил, что регулятор должен медленно изменять мощность на элементе Пельтье. Но это не касается аварийного выключения. При setPower=0 будем выключать регулятор мгновенно.

Полностью программный блок интегрального регулятора мощности выглядит так:

//------------------ регулятор мощности
if (setPower != 0) {
regPwrInt = regPwrInt + (setPower - measureP) * koeffRegPwrInt;
if (regPwrInt < 0) regPwrInt=0; // ограничение снизу
if (regPwrInt > MAX_PWM) regPwrInt=MAX_PWM; // ограничение сверху
// мертвое время ШИМ
unsigned int pwm = (unsigned int)regPwrInt; // перевод в ШИМ
if (pwm < DEAD_TIME) pwm=0;
if (pwm > (MAX_PWM - DEAD_TIME)) pwm=MAX_PWM;
analogWrite(9, pwm); // ШИМ
}
else { // выключение
regPwrInt=0;
analogWrite(9, 0); // ШИМ
}

Serial.print(" p="); Serial.print(regPwrInt, 2); // интегральное звено регулятора мощности

И оплатите. Всего 40 руб. в месяц за доступ ко всем ресурсам сайта!

Проверка и настройка регулятора.

Теперь проверим работу регулятора на реальной нагрузке и определим интегральный коэффициент.

В качестве средства контроля работы регулятора будем использовать монитор последовательного порта. Не забудьте установить скорость 19200 бод.

Сначала я задал интегральный коэффициент равным 0,1.

#define koeffRegPwrInt 0.1 // интегральный коэффициент регулятора мощности

Запустил монитор последовательного порта и увидел такую картину.

Регулятор работает. Заданную мощность (5 Вт) устанавливает за 14-15 сек.

Замкнул один резистор. Мощность резко изменилась, но регулятор за 5-6 сек привел ее в норму.

Работает устойчиво. Об устойчивости надо судить по изменению целой части интегрального звена, т.е. ШИМ. В идеальном регуляторе ШИМ должен меняться на 1. Ток, а значит, и мощность “скачут” из-за не очень точной дискретизации АЦП при малых значениях. В принципе этот коэффициент (0,1) нас устраивает. Но лучше увидеть границы устойчивой работы регулятора и задать его с запасом.

Установил интегральный коэффициент равным 1 и увидел следующее.

Мощность устанавливается на заданном уровне примерно за 1 сек и регулятор продолжает работать устойчиво.

Теперь коэффициент 10.

Работает еще быстрее, но ШИМ начал “скакать” на 2-5 единицы. Регулятор работает неустойчиво. Такой коэффициент использовать нельзя.

Чисто в демонстративных целях я задал коэффициент равным 20.

Колебания достигли 30 единиц ШИМ. Вот осциллограмма напряжения на выходе. Все пошло в разнос.

Выбирайте коэффициент сами. Я думаю, что он не должен превышать 0,5. Я пока установил медленный коэффициент 0,05.

Регулятор устанавливает заданную мощность 5 Вт за 30 сек. При большей мощности будет работать еще медленнее. Но тем лучше для элемента Пельтье. Да и коэффициент всегда можно изменить.

Резюме.

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