Jak bezpiecznie zarządzać obciążeniem 220 woltów za pomocą Arduino

W przypadku systemu Smart Home głównym zadaniem jest sterowanie urządzeniami gospodarstwa domowego za pomocą urządzenia sterującego, czy to mikrokontrolera typu Arduino, mikrokomputera typu Raspberry PI, czy dowolnego innego. Ale aby zrobić to bezpośrednio, nie działa, dowiedzmy się, jak zarządzać obciążeniem 220 V za pomocą Arduino.

Do sterowania obwodami prądu przemiennego mikrokontroler nie wystarczy z dwóch powodów:

1. Przy wyjściu mikrokontroler generowany jest sygnał stałego napięcia.

2. Prąd przepływający przez styk mikrokontrolera jest zwykle ograniczony do 20–40 mA.

Mamy dwie opcje przełączania za pomocą przekaźnika lub triaka. Triak można zastąpić dwoma równolegle włączonymi tyrystorami (jest to wewnętrzna struktura triaka). Przyjrzyjmy się temu bliżej.

Kontrola obciążenia 220 W za pomocą triaka i mikrokontrolera

Wewnętrzna struktura triaka pokazano na poniższym zdjęciu.

Tyrystor działa w następujący sposób: kiedy do tyrystora zostanie przyłożone napięcie polaryzacji do przodu (plus do anody i minus do katody), nie przepłynie przez nie prąd, dopóki nie przyłożysz impulsu sterującego do elektrody kontrolnej.

Z jakiegoś powodu napisałem impuls. W przeciwieństwie do tranzystora, tyrystor jest półprzewodnikowym przełącznikiem SEMI-CONTROLLED. Oznacza to, że po usunięciu sygnału sterującego prąd przez tyrystor będzie nadal płynął, tj. pozostanie otwarty. Aby go zamknąć, musisz przerwać prąd w obwodzie lub zmienić biegunowość przyłożonego napięcia.

Oznacza to, że gdy trzymasz dodatni impuls na elektrodzie kontrolnej, potrzebujesz tyrystora w obwodzie prądu przemiennego, aby przejść tylko dodatnią półfalę. Triak może przepuszczać prąd w obu kierunkach, ale ponieważ Składa się z dwóch tyrystorów połączonych ze sobą.

Impulsy sterujące w polaryzacji dla każdego z wewnętrznych tyrystorów muszą odpowiadać biegunowości odpowiedniej półfali, tylko gdy ten warunek zostanie spełniony, prąd przemienny przepłynie przez triak. W praktyce taki schemat jest wdrażany wspólnie triakowy kontroler mocy.

Jak już powiedziałem, mikrokontroler generuje sygnał o tylko jednej polaryzacji, aby skoordynować sygnał, musisz użyć sterownika zbudowanego na optosymistorie.

Zatem sygnał włącza wewnętrzną diodę LED transoptora, otwiera triak, który dostarcza sygnał sterujący do triaka mocy T1. Jako sterownik optyczny można zastosować MOC3063 i tym podobne, na przykład poniższe zdjęcie pokazuje MOC3041.

Obwód przejścia przez zero - obwód detektora przejścia przez zero faz. Jest to konieczne do wdrożenia różnego rodzaju regulatorów triakowych na mikrokontrolerze.

Jeśli obwód nie ma również sterownika optycznego, gdzie koordynacja jest zorganizowana przez mostek diodowy, ale w nim, w przeciwieństwie do poprzedniej wersji, nie ma izolacji galwanicznej. Oznacza to, że przy pierwszym skoku napięcia most może się przebić, a wysokie napięcie będzie na wyjściu mikrokontrolera, co jest złe.

Po włączeniu / wyłączeniu silnego obciążenia, zwłaszcza natury indukcyjnej, takiej jak silniki i elektromagnesy, dochodzi do skoków napięcia, dlatego należy zainstalować obwód tłumiący RC równolegle ze wszystkimi urządzeniami półprzewodnikowymi.

Przekaźnik i Arduino

Do sterowania przekaźnikami za pomocą ARduino musi użyć dodatkowego tranzystora, aby wzmocnić prąd.

Należy pamiętać, że zastosowaliśmy tranzystor bipolarny o przewodnictwie zwrotnym (struktura NPN), może to być domowy KT315 (ukochany i dobrze znany wszystkim). Dioda jest potrzebna do tłumienia skoków pola elektromagnetycznego indukcji własnej w indukcyjności, jest to konieczne, aby tranzystor nie zawiódł od wysokiego przyłożonego napięcia.Dlaczego tak się dzieje, wyjaśni prawo przełączania: „Prąd indukcyjności nie może się zmienić natychmiast”.

A kiedy tranzystor jest zamknięty (usunięcie impulsu sterującego), energia pola magnetycznego zgromadzona w cewce przekaźnika musi gdzieś pójść, dlatego instalują diodę odwrotną. Jeszcze raz zauważam, że dioda jest podłączona w kierunku WSTECZ, tj. katoda na dodatnią, anoda na ujemną.

Możesz sam złożyć taki schemat, który jest znacznie tańszy, a także możesz go użyć przekaźnikznamionowe dla dowolnego stałego napięcia.

Lub kup gotowy moduł lub całą tarczę z przekaźnikiem Arduino:

Nawiasem mówiąc, zdjęcie pokazuje tarczę domowej roboty, która wykorzystała KT315G do wzmocnienia prądu, a poniżej widać tę samą fabryczną tarczę:

Są to 4-kanałowe osłony, tj. możesz dołączyć maksymalnie cztery linie 220 V. Szczegółowo o osłonach i przekaźnikach już opublikowaliśmy artykuł na stronie - Przydatne tarcze dla Arduino

Schemat podłączenia obciążenia o napięciu 220 V do Arduino przez przekaźnik:

Wniosek

Bezpieczne zarządzanie obciążeniem prądem przemiennym oznacza przede wszystkim bezpieczeństwo mikrokontrolera wszystkie opisane powyżej informacje dotyczą dowolnego mikrokontrolera, a nie tylko płytki Arduino.

Głównym zadaniem jest zapewnienie niezbędnego napięcia i prądu do sterowania triakiem lub przekaźnikiem oraz izolacja galwaniczna obwodów sterowania i obwodu zasilania prądem przemiennym.

Oprócz bezpieczeństwa mikrokontrolera, w ten sposób ubezpieczasz się, aby nie doznać porażenia prądem podczas konserwacji. Podczas pracy z wysokim napięciem należy przestrzegać wszystkich zasad bezpieczeństwa, przestrzegać PUE i PTEEP.

Z tych schematów można korzystać i do sterowania potężnymi rozrusznikami i stycznikami. Triaki i przekaźniki w tym przypadku działają jako wzmacniacz pośredni i koordynator sygnału. W silnych urządzeniach przełączających duże prądy sterujące cewką zależą również bezpośrednio od mocy stycznika lub rozrusznika.