Як за допомогою Ардуіно безпечно керувати навантаженням на напрузі 220 вольт

Для системи «Розумний будинок» основним завданням є управління побутовими приладами з керуючого пристрою будь то мікроконтролер типу Ардуіно, або мікрокомп’ютер типу Raspberry PI або будь-яке інше. Але зробити цього напряму не вийде, давайте розберемося як управляти навантаженням 220 В з Ардуіно.

Для управління ланцюгами змінного струму коштів мікроконтролера недостатньо з двох причин:

1. На виході мікроконтролера формується сигнал постійної напруги.

2. Струм через пін мікроконтролера зазвичай обмежений величиною в 20-40 мА.

Ми маємо два варіанти комутації за допомогою реле або за допомогою симистора. Симистор може бути замінений двома включеними зустрічно-паралельно тиристорами (це і є внутрішня структура симистора). Давайте докладніше розглянемо це.

Управління навантаженням 220 за допомогою симистора і мікроконтролера

Внутрішня структура симистора зображена на картинці нижче.

Тиристор працює наступним чином: коли до тиристору докладено напруга в прямому зміщенні (плюс до анода, а мінус до катода) струм через нього проходити не буде, поки ви не подасте керуючий імпульс на керуючий електрод.

Я написав імпульс не просто так. На відміну від транзистора тиристор є напівкерованих напівпровідникових ключем. Це означає, що при знятті керуючого сигналу струм через тиристор продовжить протікати, тобто він залишиться відкритим. Щоб він закрився потрібно перервати струм в ланцюзі або змінити полярність прикладеної напруги.

Це означає, що при утриманні позитивного імпульсу на керуючому електроді потрібно тиристор в колі змінного струму буде пропускати тільки позитивну півхвилю. Симистор може пропускати струм в обох напрямках, але тому що він складається з двох тиристорів підключених назустріч один одному.

Керуючі імпульси по полярності для кожного з внутрішніх тиристорів повинні відповідати полярності відповідної напівхвилі, тільки при виконанні такої умови через симистор буде протікати змінний струм. На практиці така схема реалізована в поширеному сімісторний регуляторі потужності.

Як я вже сказав мікроконтролер видає сигнал тільки однієї полярності, для того щоб узгодити сигналу потрібно використовувати драйвер побудований на оптосімістори.

Таким чином, сигнал включає внутрішній світлодіод оптопари, вона відкриває симистор, який і подає керуючий сигнал на силовий симистор T1. Як оптодрайвера може бути використаний MOC3063 і подібні, наприклад, на фото нижче зображений MOC3041.

Zero crossing circuit – ланцюг детектора переходу фази через нуль. Потрібна для реалізації різного роду симісторних регуляторів на мікроконтролері.

Якщо схема і без оптодрайвера, де узгодження організовано через діодний міст, але в ній, на відміну від попереднього варіанту немає гальванічної розв’язки. Це означає, що при першому ж стрибку напруги міст може пробити і висока напруга виявиться на виведення мікроконтролера, а це погано.

При включенні / виключенні потужної навантаження, особливо індуктивного характеру, типу двигунів і електромагнітів виникають сплески напруги, тому паралельно всім напівпровідникових приладів потрібно встановлювати снабберную RC ланцюг.

Реле й рдуіно

Для управління реле з рдуіно потрібно використовувати додатковий транзистор для посилення струму.

Зверніть увагу, використаний біполярний транзистор зворотного провідності (NPN-структура), це може бути вітчизняний КТ315 (всіма улюблений і всім відомий). Діод потрібен для гасіння сплесків ЕРС самоіндукції в індуктивності, це потрібно щоб транзистор не вийшов з ладу від високого прикладеної напруги. Чому це виникає, пояснить закон комутації: “Ток в індуктивності не може змінитися миттєво”.

А при закритті транзистора (зняття керуючого імпульсу) енергії магнітного поля накопиченої в котушці реле необхідно кудись діватися, тому і встановлюють зворотний діод. Ще раз зазначу, що діод підключений в ЗВОРОТНОМУ напрямку, тобто катодом до плюса, анодом до мінуса.

Таку схему можна зібрати своїми руками, що значно дешевше, плюс ви можете використовувати реле, розраховане на будь-який постійна напруга.

Або купити готовий модуль або цілий Шилд з реле для Ардуіно:

На фото зображений саморобний Шилд, до речі, в ньому використані для посилення струму КТ315Г, а нижче ви бачите такий же Шилд заводського виконання:

Це 4-канальні Шілд, тобто ви можете включати цілих чотири лінії 220 В. Детально про Шілд і реле ми вже викладали статтю на сайті – Корисні Шілд для Ардуіно

Схема підключення навантаження на напрузі 220 В до Ардуіно через реле:

висновок

Безпечне управління навантаженням змінного струму має на увазі перш за все безпека для мікроконтролера вся описана вище інформація справедлива для будь-якого мікроконтролера, а не тільки плати Ардуіно.

Головне завдання – забезпечити потрібні напруга і струм для управління симистором або реле і гальванічна розв’язка ланцюгів управління і силовий ланцюга змінного струму.

Крім безпеки для мікроконтролера, таким чином, ви підстраховує себе, щоб при обслуговуванні не одержати електротравму. При роботі з високою напругою потрібно дотримуватися всіх правил техніки безпеки, дотримуватися ПУЕ та ПТЕЕС.

Ці схеми можна використовувати і для управління потужними пускателями і контакторами. Сімістори і реле в такому випадку виступають в ролі проміжного підсилювача і согласователя сигналів. На потужних комутаційних приладах великі струми управління котушкою і залежать безпосередньо від потужності контактора або пускача.

Олексій Бартош

Ссылка на основную публикацию