Jak bezpečně řídit zatížení 220 V pomocí Arduino

U systému Smart Home je hlavním úkolem ovládat domácí spotřebiče z ovládacího zařízení, ať už se jedná o mikrokontrolér typu Arduino, mikropočítač typu Raspberry PI nebo jakýkoli jiný. Ale to přímo nefunguje, pojďme přijít na to, jak řídit zatížení 220 V s Arduino.

Pro řízení střídavých obvodů nestačí mikrokontrolér ze dvou důvodů:

1. Na výstupu mikrokontrolér generuje se signál konstantního napětí.

2. Proud přes pin mikrokontroléru je obvykle omezen na 20-40 mA.

Máme dvě možnosti přepínání pomocí relé nebo pomocí triaku. Triak lze nahradit dvěma tyristory zapnutými paralelně (jedná se o vnitřní strukturu triaku). Pojďme se na to blíže podívat.

220 řízení zatížení V pomocí triaku a mikrokontroléru

Vnitřní struktura triaku je znázorněna na obrázku níže.

Tyristor pracuje následovně: když je na tyristor přivedeno předpínací napětí (plus na anodu a mínus na katodu), žádný proud neprochází, dokud na řídicí elektrodu nepřijmete řídicí impuls.

Napsal jsem impuls z nějakého důvodu. Na rozdíl od tranzistoru je tyristor polovodičovým spínačem SEMI-CONTROLLED. To znamená, že po odstranění řídicího signálu bude proud tyristorem dále proudit, tzn. zůstane otevřený. Chcete-li jej uzavřít, musíte přerušit proud v obvodu nebo změnit polaritu aplikovaného napětí.

To znamená, že když držíte kladný puls na řídicí elektrodě, potřebujete tyristor v obvodu střídavého proudu, aby prošel pouze kladnou půlvlnou. Triak může projít proudem v obou směrech, ale protože Skládá se ze dvou tyristorů vzájemně propojených.

Řídicí impulzy v polaritě pro každý z interních tyristorů musí odpovídat polaritě odpovídající poloviční vlny, pouze pokud je tato podmínka splněna, protéká triak střídavý proud. V praxi je takový systém implementován společně regulátor triaku.

Jak jsem již řekl, mikrokontrolér generuje signál pouze s jednou polaritou, aby mohl koordinovat signál, který potřebujete použít ovladač postavený na optosymistoru.

Signál tak zapíná vnitřní LED optočlenu, otevírá triak, který dodává řídicí signál výkonovému triaku T1. Jako optický ovladač lze použít MOC3063 a podobně, například fotografie níže ukazuje MOC3041.

Obvod nulového přechodu - obvod detektoru přechodu nulové fáze. Je nezbytné pro implementaci různých druhů triakových regulátorů na mikrokontroléru.

Pokud je obvod také bez optického ovladače, kde je koordinace organizována prostřednictvím diodového můstku, ale v něm na rozdíl od předchozí verze neexistuje galvanická izolace. To znamená, že při prvním přepětí napětí můstek může prorazit a vysoké napětí bude na výstupu mikrokontroléru, což je špatné.

Při zapnutí / vypnutí silné zátěže, zejména induktivní povahy, jako jsou motory a elektromagnety, dochází k přepětí napětí, takže je třeba nainstalovat obvod tlumícího RC paralelně se všemi polovodičovými zařízeními.

Relé a Arduino

Ovládání relé pomocí ARduino musí pro zesílení proudu použít další tranzistor.

Vezměte prosím na vědomí, že se používá bipolární tranzistor s reverzní vodivostí (struktura NPN), může to být domácí KT315 (milovaný a známý všem). Dioda je potřebná k potlačení přepětí EMF samoindukce v indukčnosti, to je nutné, aby tranzistor nez selhal při vysokém přiváděném napětí.Proč k tomu dojde, vysvětlí zákon přepínání: „Proud v indukčnosti se nemůže okamžitě změnit.“

A když je tranzistor uzavřen (odstranění řídicího impulzu), energie magnetického pole nahromaděná v relé cívce musí někam jít, proto je nainstalována zpětná dioda. Ještě jednou poznamenám, že dioda je připojena ve směru ZPĚT, tzn. katoda na pozitivní, anoda na negativní.

Takové schéma si můžete sestavit sami, což je mnohem levnější a navíc ho můžete použít reléjmenovité pro jakékoli konstantní napětí.

Nebo si můžete koupit hotový modul nebo celý štít s relé Arduino:

Fotografie ukazuje domácí štít, mimochodem, použil KT315G k zesílení proudu, a níže vidíte stejný štít vyrobený z výroby:

Jedná se o 4-kanálové štíty, tj. můžete zahrnout až čtyři řádky 220 V. V detailech o štítech a relé jsme již na webu zveřejnili článek - Užitečné štíty pro Arduino

Schéma zapojení zátěže při napětí 220 V na Arduino přes relé:

Závěr

Bezpečné řízení střídavého zatížení znamená především zabezpečení mikrokontroléru Všechny výše uvedené informace platí pro jakýkoli mikrokontrolér, nejen pro tabuli Arduino.

Hlavním úkolem je zajistit potřebné napětí a proud pro řízení triaku nebo relé a galvanické oddělení řídicích obvodů a střídavého napájecího obvodu.

Kromě zabezpečení mikrokontroléru se tímto způsobem pojistíte tak, abyste při údržbě nedostali elektrický šok. Při práci s vysokým napětím musíte dodržovat všechna bezpečnostní pravidla, dodržovat PUE a PTEEP.

Tato schémata lze použít a pro ovládání výkonných spouštěčů a stykačů. Triaky a relé v tomto případě fungují jako pomocný zesilovač a koordinátor signálu. U výkonných spínacích zařízení závisí velké proudové cívkové proudy přímo na výkonu stykače nebo spouštěče.