Симистор ардуино. Симисторный регулятор мощности на Arduino: управление нагрузкой 220В

alexxlabРазное
Как работает симисторный регулятор мощности на Arduino для управления нагрузкой 220В. Какие компоненты нужны для создания регулятора мощности на симисторе и Arduino. Как правильно подключить симистор к Arduino для управления мощной нагрузкой. Какой код нужно загрузить в Arduino для работы регулятора мощности на симисторе.

Содержание

Принцип работы симисторного регулятора мощности на Arduino

Симисторный регулятор мощности на Arduino позволяет плавно управлять мощностью нагрузки, подключенной к сети 220В. Основные компоненты такого регулятора:

  • Симистор — силовой электронный ключ для коммутации переменного тока
  • Оптопара MOC3063 или MOC3023 для управления симистором
  • Детектор перехода через ноль на оптроне
  • Arduino для формирования сигналов управления

Принцип работы заключается в том, что Arduino отслеживает моменты перехода сетевого напряжения через ноль с помощью детектора и включает симистор с определенной задержкой. Чем больше задержка — тем меньше мощность на нагрузке.


Схема подключения симистора к Arduino

Типовая схема подключения симистора к Arduino выглядит следующим образом:

  • Силовые выводы симистора подключаются в разрыв фазного провода нагрузки
  • Управляющий электрод симистора подключается через оптопару MOC3063/3023 к выходу Arduino
  • Детектор нуля на оптроне подключается к входу прерывания Arduino
  • Питание схемы осуществляется через понижающий трансформатор

Важно обеспечить гальваническую развязку низковольтной и силовой части с помощью оптронов.

Выбор компонентов для регулятора мощности

При выборе компонентов для симисторного регулятора мощности на Arduino следует учитывать:

  • Ток нагрузки — от него зависит выбор симистора
  • Напряжение сети — определяет параметры симистора и оптопары
  • Тип нагрузки — для индуктивной нужны дополнительные цепи защиты
  • Требуемый диапазон регулировки — влияет на выбор алгоритма управления

Для бытовых нагрузок до 2-3 кВт подойдет симистор BTA25 на ток 25А. Оптопара MOC3063 обеспечит включение симистора в момент перехода через ноль.


Программирование Arduino для управления симистором

Основные этапы работы скетча Arduino для управления симистором:

  1. Инициализация прерывания по входу детектора нуля
  2. Настройка таймера для отсчета задержки включения
  3. Обработка прерывания перехода через ноль
  4. Включение симистора по таймеру с заданной задержкой
  5. Отключение симистора в конце полупериода

Задержка включения рассчитывается по таблице в зависимости от требуемой мощности. Это позволяет получить линейную регулировку.

Особенности управления индуктивной нагрузкой

При управлении индуктивной нагрузкой (двигатели, трансформаторы) с помощью симисторного регулятора возникают некоторые особенности:

  • Необходимость применения снабберных цепей для защиты симистора
  • Сложность фазового управления из-за сдвига тока относительно напряжения
  • Возможность возникновения резонансных явлений на малых мощностях
  • Искажение формы потребляемого тока

Для корректной работы с индуктивной нагрузкой требуется доработка схемы и алгоритма управления симистором.


Применение симисторного регулятора мощности на Arduino

Симисторный регулятор мощности на базе Arduino находит применение в различных бытовых и промышленных устройствах:

  • Диммеры для ламп накаливания и галогенных ламп
  • Регуляторы оборотов коллекторных двигателей
  • Регуляторы мощности нагревательных элементов
  • Устройства плавного пуска электродвигателей
  • Стабилизаторы напряжения

Простота реализации и низкая стоимость компонентов делают такой регулятор популярным решением для управления мощностью в сети 220В.

Преимущества и недостатки симисторного регулятора

Симисторный регулятор мощности на Arduino имеет ряд преимуществ и недостатков по сравнению с другими схемами управления мощностью:

Преимущества:

  • Высокий КПД за счет ключевого режима работы симистора
  • Плавная регулировка мощности
  • Простота схемы
  • Низкая стоимость компонентов
  • Бесшумность работы

Недостатки:

  • Искажение формы потребляемого тока
  • Создание помех в сети
  • Сложность работы с индуктивной нагрузкой
  • Нагрев симистора на малых мощностях

При правильном проектировании преимущества симисторного регулятора перевешивают его недостатки для большинства применений.


Меры безопасности при работе с сетевым напряжением

При создании и использовании симисторного регулятора мощности необходимо соблюдать следующие меры безопасности:

  • Использовать качественную изоляцию всех соединений
  • Обеспечить надежное заземление устройства
  • Применять предохранители для защиты от короткого замыкания
  • Использовать корпус с достаточной степенью защиты
  • Не прикасаться к силовым цепям при включенном устройстве
  • Проводить настройку и отладку на безопасном низком напряжении

Работа с сетевым напряжением требует соответствующей квалификации и соблюдения всех норм электробезопасности.


Симисторный регулятор мощности на arduino

Все бытовые устройства в постсоветском пространстве работают в сети переменного тока 220 вольт и для реализации сложных алгоритмов управления нагрузкой отлично подходит симисторный регулятор мощности на arduino.

Симистор — потому что один полупроводниковый прибор может управлять питанием нагрузкой при любой полярности сетевого напряжения . Arduino потому что это самый простой способ реализовать алгоритм управления не имея особых навыков в сложной современной электронной схемотехники.

Симистор — triac.

Подойду к этому с точки зрения схемотехники — по большому счёту не столь важно внутреннее устройство электронного прибора — важно что он умеет делать. И современный triac

симисторуправление симистором в сети ~220V

в бытовом применении в основном упаковывается в широкораспространённые транзисторные корпуса поэтому внешне часто выглядят примерно так же как мосфеты. В плане управления большинство схем включения предполагают подачу напряжения (на самом деле тока отпирания) по примерно такой схеме:

 

Цель этой статьи — симисторный регулятор мощности на arduino — поэтому отметём сразу схемы без гальванической развязки и разные простые схемотехнические решения. Оставляю только надёжные с опторазвязкой.  Для управления симистором существуют готовые микросхемы разных производителей с даташитными схемами включения нужно лишь правильно применять и подавать нужные сигналы в нужные моменты времени.

Регулятор мощности на arduino и MOC3063.

MOC 3063

Сам я с удовольствием применяю для управления triac микросхемы серии MOC30** . Например MOC3063 отлично подходит когда симистор управляет очень инертной нагрузкой а управление осуществляется низковольтным сигналом например от arduino. При этом нужно учитывать особенности микросхемы  MOC3063 — включение симистора привязано к переходу сетевого напряжения через ноль. То есть включение нагрузки вне зависимости от момента когда поступает активный уровень сигнала произойдёт только в ближайшей точке изменения полярности напряжения. Точно так же симисторный регулятор мощности выключит нагрузку вне зависимости от момента снятия активного напряжения только лишь при смене полярности напряжения сети.

Справедливости ради стоит уточнить : симистор , как впрочем и тиристор, не умеет сам выключаться — для того чтобы симистор перестал пропускать ток в нагрузку нужно вывести его из стабильного тригерного эффекта пропускания тока. То есть triac под напряжением имеет два устойчивых состояния — либо полностью включен — пропускает ток в нагрузку , либо полностью выключен — не пропускает ток в нагрузку. Чтобы перевести симистор из состояния выключено в состояние включено нужно подать активный ток на управляющий электрод достаточной для включения длительности и достаточного для включения уровня. А вот дальше чуток интереснее — даже если управляющий сигнал выключить, симистор всё равно останется в открытом состоянии до момента пока текущий сквозь него ток не станет меньше тока удержания — то есть симисторный регулятор мощности выключится в момент перехода сетевого напряжения через ноль.

Для нас важно грубое понимание принципа работы симисторного ключа :  включается управляющим сигналом, выключается в момент перехода сетевого напряжения через ноль. Применение MOC3063 при цыфровом управлении в нашем случае от arduino приводит к ситуации когда симисторный регулятор мощности на arduino может пропускать в нагрузку исключительно целое число полупериодов сетевого напряжения. То есть мы можем либо :

      • включать нагрузку на один полупериод сети и потом на какое-то целое число полупериодов сетевого напряжения не включать питание в потребителе
      • выключать нагрузку на один полупериод сети и потом на какое-то целое число полупериодов сетевого напряжения включать питание нагрузке
      • какое-то количество полупериодов сетевого напряжения нагрузку включать и какое-то количество полупериодов сетевого напряжения не включать.

Практическое применение проще всего в последнем варианте. Дело в том, что симисторный регулятор мощности должен обладать какой-то плавностью регулировки а при применении простых алгоритмов управления на платформе ардуино удобно зафиксировать период Широтно Импульсной Модуляции , а в первых двух вариантах период ШИМ будет плавающий. А для плавности придётся выбирать компромисс между инертностью управления и инертностью нагрузки.

Эмпирически симисторный регулятор мощности на arduino при активной нагрузке например ТЭН ом или другим инфракрасным источником тепла нормально работает при периоде от 10 секунд до минуты.

При этом у нас в распоряжении 1 000 полупериодов сетевого напряжения в 10 секундном периоде. Один шаг регулировки мощности не хуже 1% — это приемлимая плавность регулировки при мощности нагревателя до 5 Квт даже в ПИД применении.

При таком периоде нет необходимости синхронизироваться с сетевым напряжением и ловить микропроцессором переход сетевого напряжения через ноль.  При этом регулятор мощности на arduino за счёт MOC3063 минимизирует помехи в сети — ведь сама MOC3063 будет включать симистор в момент минимального сетевого напряжения за счёт внутреннего встроенного детектора нуля.

Регулятор мощности на arduino и MOC3023.

MOC 3023

Для фазового управления регулятор мощности на arduino может быть подключен через ключ опторазвязки MOC3023. В отличие от MOC3063 в этой микросхеме нет схемы детекции нуля , что позволяет включить triac в любой момент и при любом напряжении. С помощью этого ключа можна реализовывать фазовое управление симистором.

Есть один момент, который необходимо подробно обьяснить : симистор выключается только по смене полярности — соответственно момент выключения у нас строго привязан к переходу сетевого напряжения через ноль. Регулировать момент включения нужно отсчитывая от момента следующего перехода сетевого напряжения через ноль. В сети 50Герц переменного тока, то есть один полупериод это 10 милисекунд и для 100% мощности в нагрузке управляющий сигнал нужно подать за 10 милисекунд до следующего перехода сетевого напряжения через ноль.

NEC 2532

Для получения же в нагрузке 0% мощности,  либо значений близких к этому,  нужно подавать сигнал на MOC3023 практически перед выключением триака.  Для реализации привязки к сетевому напряжению регулятор мощности на arduino синхронизируется с помощью оптронного ключа

Я применяю оптический детектор нуля подключая светодиод через резистор к сети 220 Вольт и получая на стороне ключа меандр синхронизированный с сетью ~220V .

Включив прерывания по смене уровня сигнала на входе. регулятор мощности на arduino. получает фазу сетевого напряжения.   Я учитываю нестабильность частоты сети, но для практического применения достаточно учесть возможные ошибки например ограничив время включения симистора не 10 милисекундами а 9. Момент перехода сетевого напряжения через ноль можно один раз вычислить и потом использовать в виде константы. Достаточно измерить время между фронтом и спадом , выдать результат в терминал порта , разделить его пополам — это и будет пик сетевого напряжения — добавляем время по формуле t0 = (tfront-tspad)/2+25ms внести константой в программу.

В таким случае простая синхронизация от спада импульса плюс например 28,6 милисекунды это и будет момент перехода сетевого напряжения через ноль. Принимаем за 100% мощности момент 28,6 милисекунды и за 0% мощности 53,6 милисекунды от прерывания по спаду импульса от ардуины и пишем скетч.

Используя фазовое управление, симисторный регулятор мощности на arduino может управлять как лампами накаливания, так и различной индуктивной нагрузкой, например разного рода коллекторными электродвигателями и бытовыми электроприборами.

Для плавного управления мощностью в нагрузке при фазовом управлении нужно учесть факт синусоидальной формы сетевого напряжения, то есть линейность мощности не коррелируется с линейной шкалой периода ШИМ — сильно не коррелируется. Я в своих проектах использую массив переменных для получения линейной мощности в нагрузке.

Summary : симисторный переменного тока 220 Вольт регулятор мощности на arduino.

Основные моменты, которые нужно учесть при управлении мощностью в нагрузке с помощью микроконтроллера :

  • опторазвязка сетевого напряжения от низковольтной части
  • применение специализированных микросхем управления симистором сильно облегчает жизнь
  • для активной инертной нагрузки применяем ШИМ с минимизацией сетевых помех на MOC3063
  • для чувствительной к частоте нагрузки применяем фазовое управление с привязкой  к сетевой синусоиде на MOC3023
  • линеаризируем алгоритм управления с учётом того факта что мощность связана с напряжением квадратично
  • не забываем что симистор греется точно так же как и любой полупроводниковый прибор
  • применение микросхем серии  MOC30** сводит задачу проэктирования скетча к банальному миганию светодиодом по сложному алгоритму
  • применение в качестве ключевого элемента симистора позволяет реализовывать весьма сложные алгоритмы управления мощностью в нагрузке например по ПИД алгоритму

Arduino не панацейя — микроконтроллеры существовали задолго до появления ардуино на рынке — но именног этот проект сделал доступным микроконтроллерное програмирование широкому кругу чайников и ламеров, а , как известно, количество всегда переходит в качество.

Поэтому сейчас не проблемма сварганить какой нибудь говнокод и получить массу удовольствия от самостоятельно сделанной игрушки. В этом смысле симистор как продолжение устройств ввода-вывода микроконтроллера, а управление сетевыми устройствами ещё никогда не было таким простым и доступным.

Симисторы Arduino недорого и с доставкой

Симисторы

Ваш кошик порожній!

Симистор или триак — полупроводниковый прибор, является подтипом тиристоров и используется для коммутации в цепях с переменным током. Устройство имеет пятислойную структуру, поэтому отличается от тиристора большим количеством p-n переходов. В связи с этим симисторы купить предпочитают многие опытные электротехники, называя следующие сильные стороны приборов:

  • низкая стоимость;
  • долговечность;
  • независимость от перепадов напряжения;
  • отсутствие механических, то есть подвижных частей, что улучшает качество соединения и исключает помехи.

Симистор: принцип действия и основы выбора

Симистор Ардуино прост и надежен в управлении. В схемах, где требовалось большое количество элементов, с данным прибором можно отказаться от многих страхующих приборов и существенно миниатюризировать проект. В комплекте с платами Arduino активно применяются датчики освещения, присутствия, звука. Чтобы активировать контроллер, функциональные устройства, симистор, работа ардуинщика должна начаться с правильного соединения входов-выходов с помощью проводов “мама-папа” и “папа-мама”, а также грамотного введения скетча.

Современный выбор приборов можно разделить на слабые, среднемощные и симисторы большой мощности, поддерживающие ударный ток в открытом состоянии от 25 мА. Понять принцип работы устройства просто: как у диода, здесь имеются p-n-переходы, только большее количество. У прибора имеется три вывода — один управляющий и два основных. Поэтому с помощью электрода устройство может пропускать силовые выводы и токи с большими значениями. Чтобы пользователь мог определить, в каких условиях работают симисторы, маркировка указывается к каждому прибору. Описание обычно состоит из показателей:

  • максимальное напряжение в закрытом состоянии;
  • максимальный ток в открытом состоянии;
  • ударный ток в открытом состоянии;
  • ток удержания.

Также следует учитывать отпирающий постоянный ток управления, материал, из которого произведен корпус, страну производства. Показатели мощности являются основополагающими ценообразования. 

Применение

Первоначально устройства применялись в производстве. Например, симисторы силовые, с высокой емкостью, устанавливались в электродвигателях или другом оборудовании, где требуется плавная регулировка тока. Со временем техническая база позволила сильно расширить сферу применения триаков, в том числе в комплектации с микроконтроллерами Arduino. 

Сегодня симисторы для активной нагрузки широко применяются при разработке: 

  • блоков питания; 
  • регуляторов мощностей;
  • аудио- и видеотехники. 

Наличие симисторного регулятора в вентиляторе и других подобных устройствах позволяет исключить мощные компоненты в системе питания и регулировать режимами работы без потери функциональности. Благодаря этому свойству, устройства часто применяются в робототехнике и при создании разных бытовых систем ЧПУ.

Где взять симистор

Если вам нужно оперативно приобрести симисторы, каталог с приборами представлен на данной странице. Наш интернет-магазин Ekot предлагает широкий выбор устройств, гарантируя их высокое качество. Кроме того, сотрудничество с нашим магазином — это:

  • простое оформление заказа через Корзину;
  • оперативная доставка покупки по Украине в любой город;
  • доступная стоимость на все симисторы — цена указывается к каждому устройству, в описании также обозначаются все технические характеристики. 

Если в процессе выбора у вас возникли вопросы, свяжитесь с нашими специалистами онлайн или по телефонам, указанным на сайте.

Triac Power Control

Внимание!

Электричество может вас убить. Если вы не знаете, что делаете, не делайте этого. Вы были предупреждены.

Зачем это делать?

Теперь, когда я сам вырабатываю солнечную энергию, я хотел получить максимальную отдачу эффективное его использование. В Великобритании система льготных тарифов означает, что вам платят за производство электроэнергии, даже если вы сами ее используете. Некоторые приборы, напр. чайник, потребляет много энергии. Это будет только бесплатная энергия, если вы производите больше солнечной энергии, чем использует чайник. Это делает смысл иметь чайник меньшей мощности, кипятить его чуть медленнее, чтобы вы использовали только солнечную энергию. В противном случае вам придется пополнить счет. власть, импортируя ее, что стоит денег.

Я понял, что если бы я мог уменьшить энергию, используемую для питания чайника, до имеющийся солнечный избыток, я мог часто кипятить чайник бесплатно. Еще лучше включить погружной нагреватель для предварительного нагрева воды. Это снизит затраты на нагрев воды за счет бесплатной солнечной энергии. На самом деле более эффективно использовать солнечный водонагреватель, электрический бит полностью, но у меня нет ни одного из них, и мой весь доступный пространство на крыше уже отведено под фотоэлектрические панели.

Управление симистором. Это помогает?

Традиционный способ пропорционального управления сетевым электричеством заключается в использовании триак. Эти 3-контактные устройства могут быть активированы для работы в качестве сетевого выключателя. Один раз они включены, они остаются включенными до тех пор, пока напряжение на них не изменится на противоположное. Это будет происходить каждую половину цикла переменного тока. Чтобы точно контролировать мощность, вам нужно знать, где вы находитесь в цикле сети, так что вы можете включить симистор в соответствующем месте.

Одна проблема с этим подходом заключается в том, что хотя средняя мощность, приложенная к нагрузке, меньше обычной общей, когда симистор включен, ток, который он потребляет, такой же, как и при полной нагрузке. Это может сделать весь проект бесполезным. Счетчик потребления должен чередовать импорт и экспорт. Когда симистор выключен, вы не используете энергию, бесплатную или иную. Когда симистор включен, потребляемый ток будет таким же, как и при движении загрузить полностью, т. е. максимум. Этот мгновенный ток превысит энергию, вырабатываемую солнечные панели. Вопрос был в том, заставляет ли это счетчик вращаться? Это зависит от того, как счетчик суммирует мощность с течением времени.

Время для эксперимента. Я ожидал, что эксперимент провалится, но мне любопытно.

Детектор пересечения нуля

Мне нужен был способ определения точки пересечения нуля сетевого цикла. Один из способов сделать это — использовать специальный оптотранзистор переменного тока. Это можно разместить непосредственно через сеть переменного тока, последовательно с резистором, чтобы уменьшить пиковый ток. К сожалению, мощность, рассеиваемая резистором, возрастает. с квадратом напряжения. При 120 В переменного тока это сойдет с рук, но при 220 В переменного тока резистор, вероятно, будет тратить 3 или более Вт.

Итак, я решил использовать трансформатор, чтобы уменьшить Напряжение переменного тока снижено до более разумного уровня. Трансформатор может также генерировать источник питания для остальная электроника. Трансформатор, который я использовал, относится к типу 6V-0-6V с центральным отводом. Я использовал это, потому что у меня был один запасной. Это не лучший выбор. Если вы ищете источник питания с высокой эффективностью, посмотрите в другую сторону. Это не так. Это простая схема, но я опишу расчеты Раньше я выбирал значения компонентов, так как это может помочь другим людям чтобы увидеть процесс. А еще лучше купите себе копию Искусство электроники, Хорровиц и Хилл. Отличная книга, но можно более новое издание, пожалуйста?

Детектор пересечения нуля представляет собой оптоустройство с 2 светодиодами, расположенными вплотную друг к другу. управляющий одним фототранзистором, х21АА1М. Это работает очень хорошо. Подключен через внешние обмотки трансформатора, (6 + 6) * √2 = пиковое значение 17 В на выходе трансформатора. Вычитание прямого напряжения на светодиоде, 2,4 В, дает пиковое значение 14,6 В на резисторе. Для управляющего тока 10 мА V=IR, R=V/I, R = 14,6/10 мА = 1,5 кОм. что дает нам пиковый ток 15 мА. Быстрая проверка мощности, P = IV, P = 15 мА * 14,6 = пиковая мощность 0,22 Вт, /√2 для средней мощности 0,15 Вт, так безопасное рассеяние.

Цепь драйвера симистора

Мы хотим электрически изолировать все эти высокие опасные напряжения от остальной части цепи. Итак, в этом случае используйте оптоизолированный симистор. в МОС3020. Это включает симистор с более высоким номинальным током, т.е. БТА25-600CW. Это устройство на 25А. Более чем способен включить чайник. Он имеет изолированный выступ, поэтому вы можете установить его на радиатор корпуса. без риска получить удар током.

Схема привода симистора проста. Он работает только с резистивными нагрузками. Если вы хотите управлять индуктивной нагрузкой, вам понадобятся демпфирующие цепи. возможно на обоих симисторах и более сложных сигналах привода. И, признаюсь, я скопировал эту схему из заметки по применению. Там было сказано, что резистор затвора должен быть 180 Ом, но у меня его не было. поэтому вместо этого я поставил 2 резистора по 100 Ом последовательно. Что не за горами.

Резистор светодиода выбирался по: минимальному току на включение (из даташита) 10мА, Напряжение возбуждения 5 В, прямое напряжение на светодиоде составляет 1,5 В (из таблицы данных), поэтому 3,5В на резисторе. 3,5/10 мА = 350 Ом макс. 220 Ом дает нам 16 мА, безопасная маржа.

Контроллер Arduino

Остальной функционал системы обеспечивает Ардуино. Он питается от нерегулируемого входа 9 В с платы блока питания. принимает сигнал прерывания от детектора пересечения нуля, и посылает управляющие импульсы на опто-симистор.

Исходный код Arduino

Сигнал обнаружения нуля подается на контакт 2 Arduino, вход прерывания. Это сконфигурировано для генерации прерывания при CHANGE. Это произойдет в начале и в конце импульса детектора пересечения нуля. Безопасно подключать аналоговый выход детектора к цифровому входу. потому что он включает в себя триггер Шмитта, что предотвращает многократное прерывания на медленных или шумных фронтах. Транзистор детектора перехода через ноль питается от контакта 3. Вы можете просто жестко подключить его. до 5В, но я решил включить управление транзистором программно.

В этой трассировке вы можете увидеть прерывание пересечения нуля (зеленый), которое производит импульс каждые 10 мс и последовательность симисторных импульсов, задержанных от перехода через нуль импульс по выбранной фазе. Напряжение зеленой дорожки было сдвинуто вверх на 6 В, чтобы сделать график легче увидеть.

Таймер 1 используется для генерации всех необходимых значений времени через конечный автомат. Возможные состояния: ZERO, PHASE, PWM HI, PWM LO . В начале периода пересечения нуля, который происходит непосредственно перед физическое пересечение нуля сетевого цикла, вы получаете прерывание. Прочитав состояние порта, вы можете определить будь то начало или конец импульса. В начале импульса вводим НОЛЬ состояние. Это очистит любые выходные сигналы, убедиться, что привод симистора отключен до того, как напряжение сети станет отрицательным.

Когда происходит окончание прерывания перехода через ноль, мы знаем, что находимся в начале следующий сетевой цикл. Теперь мы входим в состояние PHASE . Это запускает задержку с использованием Timer1. Задержка зависит от желаемой фазы, на которой мы хотим включить симистор. Когда таймер истекает, мы входим в состояние PWM HI . Симистор включается на короткое время период, опять же, рассчитанный с использованием Timer1. Когда таймер истекает, мы вводим Состояние PWMLO . Это выключает симисторный привод. Но симистор сейчас находится в проводящем состоянии так будет гореть до следующей смены напряжения в сети. Я решил многократно импульсировать симистор, поэтому PWM LO возвращается к PWMHI . до последовательность останавливается при поступлении следующего прерывания пересечения нуля.

Таймер тактируется тактовой частотой процессора 16 МГц, разделенной на предскаляр 8. Итак, у нас есть тактовая частота 2 МГц, т. е. 0,5 мкс на отсчет таймера. Полупериод сети на частоте 50 Гц составляет 10 мс, поэтому у нас есть 20000 отсчетов таймера за полупериод. Я решил использовать мкс в качестве единиц измерения в коде, поэтому макрос СЧЕТ(x) просто умножает счетчик мкс на 2, чтобы получить счетчик таймера.

Напряжение, доступное на нагрузке, представляет собой синусоидальную функцию. Для резистивного нагрузки, мощность (P=IV) будет синусоидальной функцией 2 . Распределение мощности Таким образом, за полупериод можно рассчитать. Нам нужно интегрировать функцию синуса 2 . Моя математика ерунда поэтому я посмотрел это здесь.

∫sin 2 (x).dx = (0,5 * x) - (0,25 * sin(2x))

На приведенном выше графике показаны синус, квадрат синуса и интеграл для полупериода. Зеленая кривая показывает, как мгновенная мощность изменяется в течение цикла. Интеграл имеет смысл рисовать так. Часть (0,5 * x) — это просто стрит. линия от 0 до π/2. Вы можете видеть, как (0,25 * sin(2x)) вычитается из этого, в результате чего рябь на кривой. Кривая синуса 2 симметрична, поэтому середина интеграла должен лежать на линии (0,5 * x).

Отступление: интересно, функция синуса 2 очень похожа на мощность выход солнечных батарей. Когда солнце движется по небу в поперечном направлении (по азимуту), угол, который образует панель с ним является функцией косинуса. Когда солнце движется вверх и вниз по вертикали (отношение), он вычерчивает часть другой функции косинуса. Количество солнечного света падение на панель, таким образом, является функцией косинуса 2 , чисто в результате геометрии панели относительно положения солнца.

Я написал простой скрипт Python для расчета набора из 100 бинов, которые делят мощность распределяется по циклу сети примерно на равные количества. Это используется для создания стол мощность лут 50Гц . Это преобразует мощность в процентах в число мкс. необходимо подождать перед включением симистора. Если вы хотите запустить это на частоте 60 Гц, вы можете жестко запрограммировать другую таблицу, или можно измерить частоты путем сравнения времени между последовательными пересечениями нуля прерывает. Затем это можно было бы использовать для выбора между двумя таблицами. В этом Таким образом, вы можете автоматически подстраиваться под различные частоты сети.

Таблица поиска мощности должна быть немного смещена, так как PHASE режим начинается позже, чем фактическое пересечение нуля. Я могу оценить это время взяв среднюю точку между двумя фронтами импульса пересечения нуля. Мне нужно вычесть это число как этап «уже сделал это». Это не точно, но погрешность невелика. Вы можете видеть на временной диаграмме симистора, что форма сигнала пересечения нуля не является симметричным. Думаю это из-за неравномерной нагрузки на трансформатор вызвано питанием, потребляемым Arduino. Если у вас оптодетектор с питанием от сети у вас не будет этой нагрузки, и форма волны должна быть симметричной.

В таблице предполагается идеальный синус функция, но это разумное приближение. Итак, теперь мы можем запросить мощность в процентах, и симистор будет включаться при правильное время для подачи этой мощности на нагрузку.

Связь Bluetooth

Я хотел иметь возможность общаться с устройством удаленно, поэтому выбрал Bluetooth в качестве стандартного протокола. я купил дешево Bluetooth-модули на ебее. Они просты в интерфейсе, имея встроенный вход от 5 до 3,3 В. преобразователи уровня. Он действует как последовательный интерфейс. Вы можете напрямую подключить их к контактам Rx и Tx Arduino. Если вы используете выход порта для питания модуля, его можно включить под программным управлением. Это дает дополнительный бонус отключения модуля Bluetooth. при сбросе платы. Это позволяет использовать интерфейс FTDI на в то же время, так что вы можете загрузить код на плату с модулем bluetooth подключен, разделяя линии Rx и Tx, без повреждения последовательных данных.

Теперь я могу управлять фазой симистора с помощью своего телефона Android. Есть полезное приложение под названием БлуТерм который позволяет подключаться к последовательному устройству Bluetooth, а также отправлять и получать данные. Протокол команды, который я придумал, прост. «sxx\n», где «xx» — требуемая мощность в процентах.

Собрав все воедино, я теперь могу контролировать мощность, подаваемую на нагрузку с помощью моего телефона. Я не заморачивался с причудливым приложением для телефона. Это может прийти позже. Я проверял с лампой накаливания. Очевидно, что с низкой энергией это не сработает. флюоресцентная лампа.

Тест чайника

Теперь у нас есть все необходимое для проведения теста. Я выбрал время, когда солнечные батареи генерировали меньше, чем мощность моего чайника. Чайник довольно маломощный, 1800 Вт. Однажды вечером панели генерировали 960 Вт. Я установил выходную мощность на 40% с помощью команды «s40» на моем телефоне. Когда я переключил чайник включен, счетчик мощности показал 834 Вт. В доме у меня больше ничего не было включено, пара маломощных серверов, маршрутизатор, точка доступа WiFi, всего менее 80 Вт.

Просмотр импорта электрический счетчик, он не двигался. Это один из старых сортов с вращающийся алюминиевый диск. Чайник закипел медленнее, чем обычно. Симистор нагрелся (я до сих пор не получил адекватный теплоотвод на нем). Успех!

Заключение

Я не думал, что эксперимент сработает, т.к. период пикового тока превышает мгновенный ток обеспечивается солнечной батареей. Вывод должен быть такой а) счетчик импорта суммирует импортную и экспортную мощность, б) энергия хранится где-то еще, или в) я что-то пропустил.

В счетчиках с вращающимся алюминиевым диском диск действует как интегратор. Здесь энергия суммируется. Итак, это работает, только если вы иметь счетчик, который интегрируется в течение длительного периода времени, т.е. по крайней мере полупериод сети. Если счетчик принимает только мгновенный ток импорта, умножить на напряжение и проинтегрировать его, эксперимент провалится, счетчик покажет чистый импорт.

Старые счетчики не были рассчитаны на экспортную мощность. Они явно иметь некоторую форму «исправления», чтобы предотвратить их движение назад но это предположительно механическое, возможно фрикционная трещотка на диске? Они по-прежнему суммируют положительный и отрицательный токи.

Однако счетчики также должны учитывать реактивную мощность. Если у вас есть реактивные нагрузки, то ток и напряжение не совпадают по фазе. Провайдер не должен брать с вас плату за реактивную мощность, поэтому они должны справляться с током, текущим обратно в сеть. Это говорит о том, что конструкция счетчиков должна суммировать как положительные, так и отрицательные токи.

Мне нужно повторить эксперимент с другим счетчиком импорта.

Дальнейшее развитие

Мне нужно поставить адекватный радиатор на симистор, который слишком сильно нагревается для обычного использования. Для всего этого нужен сейф! Он также нуждается в некоторой фильтрации для предотвращения электромагнитных помех.

Для полной системы необходимо знать доступную избыточную мощность. Это нужно было бы подтолкнуть к нему через интерфейс Bluetooth. Ему также потребуется более низкий порог, при котором он всегда будет импортировать энергию, иначе вы не сможете вскипятить чайник ночью. Я бы еще добавил набор кнопочных переключателей и светодиодов. У меня было бы 3 кнопки: «выкл», «эко» и «полный». Светодиод на каждом переключателе будет показывать состояние — медленно меняющийся зеленый светодиод для экономичного режима, яркость пропорциональна имеющейся избыточной мощности. Сердитое мигание красный светодиод на кнопке «полный», чтобы показать любую использованную импортированную мощность. Кнопка «Выкл» может иметь светодиод, который также показывает Bluetooth. статус соединения.

Я также хотел бы взглянуть на другую силовую цепь. Вместо того, чтобы использовать симистор, Я мог бы выпрямить сеть, а затем обрезать ее на ВЧ с помощью полевого транзистора или IGBT. Это может вести фильтр для удаления RF и хранения энергии между импульсами. тогда я могу управлять чайником с переменным напряжением постоянного тока вместо прерываемого переменного тока. Это должно работа с любым импортным счетчиком.

Узнать | OpenEnergyMonitor

Редактировать