Ako bezpečne spravovať záťaž 220 voltov pomocou Arduino

V prípade systému Smart Home je hlavnou úlohou ovládať domáce spotrebiče z riadiaceho zariadenia, či už ide o mikrokontrolér typu Arduino, mikropočítač typu Raspberry PI alebo akýkoľvek iný. Ak to však priamo neurobíte, zistíme, ako zvládnuť záťaž 220 V s Arduino.

Na ovládanie striedavých obvodov nestačí mikrokontrolér z dvoch dôvodov:

1. Na výstupe mikroradič generuje sa signál konštantného napätia.

2. Prúd cez kolík mikrokontroléra je zvyčajne obmedzený na 20-40 mA.

Máme dve možnosti prepínania pomocou relé alebo pomocou triaka. Triak možno nahradiť dvoma paralelne zapínanými tyristormi (to je vnútorná štruktúra triaka). Poďme sa na to bližšie pozrieť.

220 riadenie záťaže pomocou triaka a mikrokontroléra

Vnútorná štruktúra triaku je znázornená na obrázku nižšie.

Tyristor funguje nasledovne: keď je na tyristor privedené predpäté predpätie (plus na anódu a mínus na katódu), nebude ním prechádzať žiadny prúd, kým na kontrolnú elektródu nezvolíte riadiaci impulz.

Napísal som impulz z nejakého dôvodu. Na rozdiel od tranzistora je tyristor polovodičovým spínačom SEMI-CONTROLLED. To znamená, že keď sa odstráni riadiaci signál, prúd tyristorom bude ďalej prúdiť, t.j. zostane otvorený. Aby ste ho uzavreli, musíte prerušiť prúd v obvode alebo zmeniť polaritu použitého napätia.

To znamená, že keď držíte kladný impulz na regulačnej elektróde, potrebujete v obvode striedavého prúdu tyristor, ktorý prechádza iba kladnou polvlnou. Triak môže prechádzať prúdom v oboch smeroch, ale preto Pozostáva z dvoch vzájomne prepojených tyristorov.

Kontrolné impulzy v polarite pre každý z vnútorných tyristorov musia zodpovedať polarite zodpovedajúcej polovice vlny, iba ak je táto podmienka splnená, bude triakom pretekať striedavý prúd. V praxi sa takáto schéma vykonáva spoločne regulátor triaka.

Ako som už povedal, mikrokontrolér generuje signál iba jednej polarity, aby koordinoval signál, ktorý potrebujete, aby sa použil ovládač postavený na optosymistore.

Signál teda zapína internú LED optočlenu, otvára triak, ktorý dodáva riadiaci signál výkonovému triaku T1. Ako optický ovládač sa môže použiť MOC3063 a podobne, napríklad fotografia nižšie zobrazuje MOC3041.

Obvod nulového kríženia - obvod detektora prechodu nulovou fázou. Je nevyhnutné na implementáciu rôznych druhov triakových regulátorov na mikrokontrolér.

Ak je obvod tiež bez optického ovládača, kde je koordinácia organizovaná pomocou diódového mostíka, ale v ňom na rozdiel od predchádzajúcej verzie neexistuje galvanická izolácia. To znamená, že pri prvom prepätí napätia sa most môže preraziť a vysoké napätie bude na výstupe mikrokontroléra, čo je zlé.

Keď zapnete / vypnete silné zaťaženie, najmä induktívne, ako sú napríklad motory a elektromagnety, dôjde k prepätiu napätia, takže je potrebné nainštalovať rušivý RC obvod paralelne so všetkými polovodičovými zariadeniami.

Relé a rduino

Ovládanie relé pomocou Rduino musí na zosilnenie prúdu použiť ďalší tranzistor.

Upozorňujeme, že sa používa bipolárny tranzistor s reverznou vodivosťou (štruktúra NPN), môže to byť domáci KT315 (milovaný a známy všetkým). Dióda je potrebná na potlačenie prepätia EMF samoindukcie v indukčnosti, čo je nevyhnutné, aby tranzistor nezlyhal pri vysokom napätí.Prečo sa to stane, bude vysvetľovať zákon prepínania: „Prúd v indukčnosti sa nemôže okamžite zmeniť.“

A keď je tranzistor uzavretý (odstránenie riadiaceho impulzu), energia magnetického poľa nahromadená v reléovej cievke musí niekde ísť, čo je dôvod, prečo je nainštalovaná reverzná dióda. Ešte raz si všimnem, že dióda je zapojená v smere SPÄT, t.j. katóda na pozitívnu, anóda na negatívnu.

Takúto schému môžete zostaviť sami, čo je oveľa lacnejšie a navyše ju môžete použiť relédimenzované pre akékoľvek konštantné napätie.

Alebo si kúpte hotový modul alebo celý štít s relé pre Arduino:

Na fotografii je domáci štít, mimochodom, na zosilnenie prúdu použil KT315G a pod ním je ten istý štít vyrobený z výroby:

Jedná sa o 4-kanálové štíty, t. môžete zahrnúť až štyri riadky 220 V. V podrobnostiach o tieneniach a relé sme už na webe uverejnili článok - Užitočné štíty pre Arduino

Schéma zapojenia záťaže pri napätí 220 V k Arduino cez relé:

záver

Bezpečné riadenie záťaže AC znamená predovšetkým bezpečnosť mikrokontroléra všetky vyššie uvedené informácie sú platné pre akýkoľvek mikrokontrolér, nielen pre tabuľu Arduino.

Hlavnou úlohou je poskytnúť potrebné napätie a prúd na riadenie triaka alebo relé a galvanické oddelenie regulačných obvodov a striedavého napájacieho obvodu.

Okrem zabezpečenia mikrokontroléra sa takto poistíte aj sami, aby počas údržby nedošlo k úrazu elektrickým prúdom. Pri práci s vysokým napätím musíte dodržiavať všetky bezpečnostné predpisy, dodržiavať normy PUE a PTEEP.

Tieto schémy sa môžu použiť a na ovládanie výkonných štartérov a stykačov, Triaky a relé v tomto prípade fungujú ako pomocný zosilňovač a koordinátor signálu. Na výkonných spínacích zariadeniach závisia aj veľké ovládacie prúdy cievok priamo od výkonu stykača alebo štartéra.