- ¿Qué es un control de ángulo de fase de CA y cómo funciona?
- Desafíos en el control del ángulo de fase
- Material necesario para el circuito de control de ángulo de fase de CA
- Diagrama del circuito de control de ángulo de fase de CA
- Circuito de control de ángulo de fase de CA: en funcionamiento
- Diseño de PCB para el circuito de control de ángulo de fase de CA
- Código Arduino para control de ángulo de fase de CA
- Prueba del circuito de control de ángulo de fase de CA
- Más mejoras
Los sistemas de automatización del hogar están ganando cada vez más popularidad día a día, y hoy en día es fácil encender y apagar ciertos electrodomésticos mediante el uso de un mecanismo de control simple como un relé o un interruptor, anteriormente hemos construido muchos proyectos de automatización del hogar basados en Arduino usando relés. Pero hay muchos electrodomésticos que requieren el control de esta alimentación de CA en lugar de simplemente encenderlos o apagarlos. Ahora, ingrese al mundo del control del ángulo de fase de CA, es una técnica simple a través de la cual puede controlar el ángulo de fase de CA. Esto significa que puede controlar la velocidad de su ventilador de techo o cualquier otro ventilador de CA o incluso puede controlar la intensidad de una bombilla LED o incandescente.
Aunque suena simple, el proceso de implementación es muy difícil, por lo que en este artículo, vamos a construir un circuito de control de ángulo de fase de CA simple con la ayuda de un temporizador 555, y al final, usaremos un Arduino. para generar una señal PWM simple para controlar la intensidad de una bombilla incandescente. Como ahora puede imaginarse claramente, con este circuito, puede construir un sistema de automatización del hogar simple donde puede controlar el ventilador y los atenuadores de luz de CA con un solo Arduino.
¿Qué es un control de ángulo de fase de CA y cómo funciona?
El control del ángulo de fase de CA es un método mediante el cual podemos controlar o cortar una onda sinusoidal de CA. El ángulo de disparo del dispositivo de conmutación se varía después de una detección de cruce por cero, lo que da como resultado una salida de voltaje promedio que cambia proporcionalmente con la onda sinusoidal modificada, la imagen a continuación describe más.
Como puede ver, primero tenemos nuestra señal de entrada de CA. A continuación, tenemos la señal de cruce por cero, que genera una interrupción cada 10 ms. A continuación, tenemos la señal de activación de la puerta, una vez que obtenemos una señal de activación, esperamos un cierto período antes de dar el pulso de activación, cuanto más esperamos, más podemos reducir el voltaje promedio y viceversa. Discutiremos más del tema más adelante en el artículo.
Desafíos en el control del ángulo de fase
Antes de echar un vistazo al esquema y todos los requisitos de material, hablemos de algunos problemas asociados con este tipo de circuito y cómo nuestro circuito los resuelve.
Nuestro objetivo aquí es controlar el ángulo de fase de una onda sinusoidal AC con la ayuda de un microcontrolador, para cualquier tipo de aplicación domótica. Si miramos la imagen de abajo, puede ver que en amarillo, tenemos nuestra onda sinusoidal, y en verde, tenemos nuestra señal de cruce por cero.
Puede ver que la señal de cruce por cero viene cada 10 ms, ya que estamos trabajando con una onda sinusoidal de 50 Hz. En un microcontrolador, genera una interrupción cada 10ms. si tuviéramos que poner otro código además de ese, es posible que el otro código no funcione debido a una interrupción. Como sabemos, la frecuencia de línea que se escucha en la India es de 50 Hz, por lo que estamos trabajando con una onda sinusoidal de 50 Hz y, para controlar la CA principal, debemos encender y apagar el TRIAC en un período de tiempo determinado. Para hacer eso, el circuito de control de ángulo de fase basado en microcontrolador usa la señal de cruce por cero como una interrupción, pero el problema con este método es que no puede ejecutar ningún otro código además del código de control del ángulo de paso, porque de alguna manera se romperá el ciclo de bucle y uno de esos códigos no funcionará.
Permítanme aclarar con un ejemplo, suponga que tiene que hacer un proyecto donde necesita controlar el brillo de la bombilla incandescente, también necesita medir la temperatura al mismo tiempo. Para controlar el brillo de una bombilla incandescente, necesita un circuito de control de ángulo de fase, también necesita leer los datos de temperatura junto con él, si este es el escenario, su circuito no funcionará correctamente porque el sensor DHT22 tarda algún tiempo en dar sus datos de salida. En este período de tiempo, el circuito de control del ángulo de fase dejará de funcionar, es decir si lo ha configurado en modo de sondeo, pero si configuró la señal de cruce por cero en modo de interrupción, nunca podrá leer los datos DHT. porque la verificación CRC fallará.
Para resolver este problema, puede usar un microcontrolador diferente para un circuito de control de ángulo de fase diferente, pero aumentará el costo de la lista de materiales, otra solución es usar nuestro circuito que está compuesto por componentes genéricos como el temporizador 555 y también cuesta menos.
Material necesario para el circuito de control de ángulo de fase de CA
La imagen a continuación muestra los materiales utilizados para construir el circuito, ya que está hecho con componentes muy genéricos, debería poder encontrar todo el material listado en su tienda de pasatiempos local.
También he enumerado los componentes en una tabla a continuación con el tipo y la cantidad, ya que es un proyecto de demostración, estoy usando un solo canal para hacerlo. Pero el circuito se puede ampliar fácilmente según los requisitos.
|
Si. No |
Partes |
Tipo |
Cantidad |
|
1 |
Terminal de tornillo 5.04 mm |
Conector |
3 |
|
2 |
Cabezal macho 2,54 mm |
Conector |
1X2 |
|
3 |
56K, 1W |
Resistor |
2 |
|
4 |
1N4007 |
Diodo |
4 |
|
5 |
0,1 uF, 25 V |
Condensador |
2 |
|
6 |
100 uF, 25 V |
Condensador |
2 |
|
7 |
LM7805 |
Regulador de voltaje |
1 |
|
8 |
1K |
Resistor |
1 |
|
9 |
470R |
Resistor |
2 |
|
10 |
47R |
Resistor |
2 |
|
11 |
82K |
Resistor |
1 |
|
12 |
10K |
Resistor |
1 |
|
13 |
PC817 |
Optoacoplador |
1 |
|
14 |
NE7555 |
IC |
1 |
|
12 |
MOC3021 |
OptoTriac Drive |
1 |
|
13 |
IRF9540 |
MOSFET |
1 |
|
14 |
3,3 uF |
Condensador |
1 |
|
15 |
Conexión de cables |
Alambres |
5 |
|
dieciséis |
0,1 uF, 1 KV |
Condensador |
1 |
|
17 |
Arduino Nano (para prueba) |
Microcontrolador |
1 |
Diagrama del circuito de control de ángulo de fase de CA
El esquema del circuito de control del ángulo de fase de CA se muestra a continuación, este circuito es muy simple y utiliza componentes genéricos para lograr el control del ángulo de fase.
Circuito de control de ángulo de fase de CA: en funcionamiento
Este circuito se compone de componentes muy cuidadosamente diseñados, voy a repasar cada uno y explicar cada bloque.
Circuito de detección de cruce por cero:
Primero, en nuestra lista, el circuito de detección de cruce por cero está hecho con dos resistencias de 56K, 1W junto con cuatro diodos 1n4007 y un optoacoplador PC817. Y este circuito es responsable de proporcionar la señal de cruce por cero al temporizador 555 IC. Además, hemos grabado la fase y la señal neutra para usarla más en la sección TRIAC.
Regulador de voltaje LM7809:
El regulador de voltaje 7809 se usa para alimentar el circuito, el circuito es responsable de proporcionar energía a todo el circuito. Además, hemos utilizado dos capacitores de 470uF y un capacitor de 0.1uF como capacitor de desacoplamiento para el IC LM7809.
Circuito de control con temporizador NE555:
La imagen de arriba muestra el circuito de control del temporizador 555, el 555 está configurado en una configuración monoestable, por lo que cuando una señal de disparo del circuito de detección de cruce por cero golpea el disparador, el temporizador 555 comienza a cargar el condensador con la ayuda de una resistencia (en general), pero nuestro circuito tiene un MOSFET en lugar de una resistencia, y al controlar la puerta del MOSFET, controlamos la corriente que va al condensador, por eso controlamos el tiempo de carga, por lo tanto, controlamos la salida de los 555 temporizadores.. En muchos proyectos, hemos utilizado el temporizador 555 IC para realizar nuestro proyecto, si desea saber más sobre este tema, puede consultar todos los demás proyectos.
TRIAC y el circuito del controlador TRIAC:
El TRIAC actúa como el interruptor principal que realmente se enciende y apaga, por lo que controla la salida de la señal de CA. Conduciendo el TRIAC es la unidad optotriac MOC3021, no solo impulsa el TRIAC, sino que también proporciona aislamiento óptico, el condensador de alto voltaje de 0.01uF 2KV y la resistencia 47R forma un circuito amortiguador, que protege nuestro circuito de picos de alto voltaje que ocurren cuando está conectado a una carga inductiva, la naturaleza no sinusoidal de la señal de CA conmutada es responsable de los picos. Además, es responsable de los problemas del factor de potencia, pero ese es un tema para otro artículo. Además, en varios artículos, hemos utilizado el TRIAC como nuestro dispositivo preferido, puede consultarlos si eso le interesa.
Filtro de paso bajo y MOSFET de canal P (actuando como resistencia en el circuito):
La resistencia de 82K y el capacitor de 3.3uF forman el filtro de paso bajo que es responsable de suavizar la señal PWM de alta frecuencia generada por el Arduino. Como se mencionó anteriormente, el MOSFET de canal P actúa como la resistencia variable, que controla el tiempo de carga del capacitor. Controlarlo es la señal PWM que es suavizada por el filtro de paso bajo. En el artículo anterior, hemos aclarado el concepto de filtros de paso bajo, puede consultar el artículo sobre el filtro de paso bajo activo o el filtro de paso bajo pasivo si desea saber más sobre el tema.
Diseño de PCB para el circuito de control de ángulo de fase de CA
La PCB de nuestro circuito de control de ángulo de fase está diseñada en una placa de una sola cara. He usado Eagle para diseñar mi PCB, pero puede usar cualquier software de diseño de su elección. La imagen 2D del diseño de mi placa se muestra a continuación.
Se utiliza un relleno de tierra suficiente para realizar las conexiones a tierra adecuadas entre todos los componentes. La entrada de 12 V CC y la entrada de 220 V CA se encuentran en el lado izquierdo, la salida se encuentra en el lado derecho de la PCB. El archivo de diseño completo para Eagle junto con el Gerber se puede descargar desde el enlace a continuación.
- Descargue los archivos de diseño de PCB, GERBER y PDF para el circuito de control de ángulo de fase de CA
PCB hecho a mano:
Para mayor comodidad, hice mi versión hecha a mano del PCB y se muestra a continuación.
Código Arduino para control de ángulo de fase de CA
Se utiliza un código de generación de PWM simple para hacer que el circuito funcione, el código y su explicación se dan a continuación. También puede encontrar el código completo al final de esta página. Primero, declaramos todas las variables necesarias, const int analogInPin = A0; // Pin de entrada analógica al que está conectado el potenciómetro const int analogOutPin = 9; // Pin de salida analógica que el LED está conectado a int sensorValue = 0; // valor leído del bote int outputValue = 0; // salida de valor al PWM (salida analógica)
Las variables son para declarar el pin Analog, el pin analogOut, y las otras variables son para almacenar, convertir e imprimir el valor mapeado. A continuación, en la sección setup () , inicializamos el UART con 9600 baudios para poder monitorear la salida y así es como podemos averiguar qué rango PWM pudo controlar totalmente la salida del circuito.
void setup () {// inicializar las comunicaciones en serie a 9600 bps: Serial.begin (9600); }
A continuación, en la sección loop () , leemos el pin analógico A0 y almacenamos el valor en la variable de valor del sensor, luego asignamos el valor del sensor a 0-255 porque el temporizador PWM del atmega es de solo 8 bits, a continuación configure la señal PWM con una función analogWrite () del Arduino. y finalmente, imprimimos los valores a la ventana del monitor serial para averiguar el rango de la señal de control, si estás siguiendo este tutorial, el video al final te dará una idea más clara sobre el tema.
sensorValue = analogRead (analogInPin); // leer el valor analógico en: outputValue = map (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // asignarlo al rango de la salida analógica: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // cambia el valor de salida analógica: Serial.print ("sensor ="); // imprime los resultados en Serial Monitor: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t salida ="); Serial.println (outputValue);
Prueba del circuito de control de ángulo de fase de CA
La imagen de arriba muestra la configuración de prueba del circuito. El suministro de 12V es proporcionado por un circuito SMPS de 12V, la carga es una bombilla en nuestro caso, se puede reemplazar fácilmente \ con una carga inductiva como un ventilador. Además, como puede ver, he adjuntado un potenciómetro para controlar el brillo de la lámpara, pero se puede reemplazar con cualquier otra forma de controlador, si hace zoom en la imagen, puede ver que la olla está conectada al El pin A0 del Arduino y la señal PWM proviene del pin 9 del Arduino.
Como puede ver en la imagen de arriba, el valor de salida es 84 y el brillo de la bombilla incandescente es muy bajo,
En esta imagen, puede ver que el valor es 82 y el brillo de la bombilla incandescente aumenta.
Después de muchos intentos fallidos, pude encontrar un circuito que realmente funciona correctamente. ¿Alguna vez se preguntó cómo se ve un banco de pruebas cuando un circuito no funciona? Déjame decirte que se ve muy mal
Este es un circuito diseñado previamente en el que estaba trabajando. Tuve que tirarlo por completo y hacer uno nuevo porque el anterior no funcionaba un poco.
Más mejoras
Para esta demostración, el circuito está hecho en un PCB hecho a mano, pero el circuito se puede construir fácilmente en un PCB de buena calidad, en mis experimentos, el tamaño del PCB es realmente grande debido al tamaño del componente, pero en un entorno de producción, es se puede reducir usando componentes SMD baratos. En mis experimentos, encontré que usar un temporizador 7555 en lugar de un temporizador 555 aumentaba ampliamente el control, además, la estabilidad del circuito también aumentaba.