Controle de ângulo de fase Ac para dimmers de luz e controle de velocidade do motor usando temporizador 555 e sinal pwm

Os sistemas de automação residencial estão cada vez mais ganhando popularidade a cada dia, e hoje em dia é fácil ligar e desligar certos aparelhos usando algum mecanismo de controle simples como um relé ou uma chave. Nós construímos anteriormente muitos projetos de automação residencial baseados em Arduino usando relés. Mas existem muitos eletrodomésticos que exigem controle dessa alimentação CA em vez de apenas ligar ou desligar. Agora, entre no mundo do controle do ângulo de fase AC, é uma técnica simples através da qual você pode controlar o ângulo de fase AC. Isso significa que você pode controlar a velocidade de seu ventilador de teto ou de qualquer outro ventilador CA ou até mesmo controlar a intensidade de um LED ou lâmpada incandescente.

Embora pareça simples, o processo de realmente implementá-lo é muito difícil, então, neste artigo, vamos construir um circuito de controle de ângulo de fase CA simples com a ajuda de um temporizador 555 e, no final, usaremos um Arduino para gerar um sinal PWM simples para controlar a intensidade de uma lâmpada incandescente. Como agora você pode imaginar claramente, com este circuito, você pode construir um sistema de automação residencial simples onde pode controlar o ventilador e os dimmers de luz Ac com um único Arduino.

O que é um controle de ângulo de fase CA e como ele funciona?

O controle do ângulo de fase AC é um método pelo qual podemos controlar ou cortar uma onda senoidal AC. O ângulo de disparo do dispositivo de comutação é variado seguindo uma detecção de cruzamento zero, resultando em uma saída de tensão média que muda proporcionalmente com a onda senoidal modificada, a imagem abaixo descreve mais.

Como você pode ver, primeiro temos nosso sinal de entrada CA. Em seguida, temos o sinal de cruzamento zero, que gera uma interrupção a cada 10 ms. Em seguida, temos o sinal de trigger do gate, assim que obtemos um sinal de trigger, esperamos um certo período antes de dar o pulso de trigger, quanto mais esperamos, mais podemos reduzir a tensão média e vice-versa. Discutiremos mais sobre o tópico posteriormente neste artigo.

Desafios no controle do ângulo de fase

Antes de dar uma olhada no esquema e em todos os requisitos de material, vamos falar sobre alguns problemas que estão associados a este tipo de circuito e como nosso circuito os resolve.

Nosso objetivo aqui é controlar o ângulo de fase de uma onda senoidal AC com o auxílio de um microcontrolador, para qualquer tipo de aplicação de automação residencial. Se olharmos para a imagem abaixo, você pode ver que em amarelo, temos nossa onda senoidal, e em verde, temos nosso sinal de cruzamento zero.

Você pode ver que o sinal de cruzamento zero vem a cada 10 ms, pois estamos trabalhando com uma onda senoidal de 50Hz. Em um microcontrolador, ele gera uma interrupção a cada 10 ms. se colocarmos qualquer outro código além desse, o outro código pode não funcionar devido à interrupção. Como sabemos, a frequência de linha ouvida na Índia é de 50 Hz, estamos trabalhando com uma onda senoidal de 50 Hz e, para controlar a CA da rede elétrica, precisamos ligar e desligar o TRIAC em um determinado intervalo de tempo. Para fazer isso, o circuito de controle de ângulo de fase baseado em microcontrolador usa o sinal de cruzamento de zero como uma interrupção, mas o problema com este método é que você não pode executar qualquer outro código além do código de controle de ângulo de ritmo, porque de certa forma ele vai quebrar o ciclo do loop e um desses códigos não funcionarão.

Deixe-me esclarecer com um exemplo, suponha que você tenha que fazer um projeto onde você precisa controlar o brilho da lâmpada incandescente, também precisa medir a temperatura ao mesmo tempo. Para controlar o brilho de uma lâmpada incandescente, você precisa de um circuito de controle do ângulo de fase, também você precisa ler os dados de temperatura junto com ele, se este for o cenário, seu circuito não funcionará corretamente porque o sensor DHT22 leva algum tempo para forneça seus dados de saída. Neste período de tempo, o circuito de controle do ângulo de fase irá parar de funcionar, ou seja, se você o configurou em modo polling, mas se configurou o sinal de cruzamento zero no modo interrupção, nunca será capaz de ler os dados DHT porque a verificação CRC falhará.

Para resolver este problema, você pode usar um microcontrolador diferente para o circuito de controle de ângulo de fase diferente, mas isso aumentará o custo do BOM, outra solução é usar nosso circuito que é composto de componentes genéricos como o temporizador 555 e também custa menos.

Material necessário para o circuito de controle do ângulo de fase CA

A imagem abaixo mostra os materiais usados ​​para construir o circuito, como ele é feito com componentes muito genéricos, você deverá encontrar todo o material listado em sua loja local de hobby.

Também listei os componentes em uma tabela abaixo com tipo e quantidade, por ser um projeto de demonstração, estou usando um único canal para fazer isso. Mas o circuito pode ser facilmente ampliado conforme a necessidade.

Sim. Não	Peças	Tipo	Quantidade
1	Terminal de parafuso 5,04 mm	Conector	3
2	Cabeçalho Masculino 2,54 mm	Conector	1X2
3	56K, 1W	Resistor	2
4	1N4007	Diodo	4
5	0,1uF, 25V	Capacitor	2
6	100uF, 25V	Capacitor	2
7	LM7805	Regulador de voltagem	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	3,3uF	Capacitor	1
15	Fios de conexão	Fios	5
16	0,1uF, 1KV	Capacitor	1
17	Arduino Nano (para teste)	Microcontrolador	1

Diagrama de Circuito de Controle de Ângulo de Fase AC

O esquema do circuito de controle do ângulo de fase CA é mostrado abaixo, este circuito é muito simples e usa componentes genéricos para obter o controle do ângulo de fase.

Circuito de Controle de Ângulo de Fase AC - Funcionando

Este circuito é feito de componentes cuidadosamente projetados, vou passar por cada um e explicar cada bloco.

Circuito de detecção de Zero-Crossing:

Em primeiro lugar, em nossa lista, o circuito de detecção de cruzamento zero é feito com dois resistores de 56K e 1W em conjunto com quatro diodos 1n4007 e um optoacoplador PC817. E este circuito é responsável por fornecer o sinal de cruzamento de zero para o IC do temporizador 555. Além disso, isolamos a fase e o sinal neutro para usá-lo posteriormente na seção TRIAC.

Regulador de tensão LM7809:

O regulador de tensão 7809 é usado para alimentar o circuito, o circuito é responsável por fornecer energia para todo o circuito. Além disso, usamos dois capacitores de 470uF e um capacitor de 0,1uF como um capacitor de desacoplamento para o IC LM7809.

Circuito de controle com temporizador NE555:

A imagem acima mostra o circuito de controle do temporizador 555, o 555 está configurado em uma configuração monoestável, então quando um sinal de gatilho do circuito de detecção de cruzamento zero atinge o gatilho, o temporizador 555 começa a carregar o capacitor com a ajuda de um resistor (em geral), mas nosso circuito tem um MOSFET no lugar de um resistor, e controlando a porta do MOSFET, controlamos a corrente que vai para o capacitor, é por isso que controlamos o tempo de carregamento, portanto, controlamos a saída dos 555 temporizadores. Em muitos projetos, temos utilizado o IC timer 555 para fazer nosso projeto, se você quiser saber mais sobre este assunto, pode conferir todos os outros projetos.

TRIAC e o circuito de driver TRIAC:

O TRIAC está atuando como o interruptor principal que realmente liga e desliga, controlando assim a saída do sinal AC. Conduzindo o TRIAC está o drive optotriac MOC3021, ele não apenas aciona o TRIAC, mas também fornece isolamento óptico, o capacitor de alta tensão 0,01uF 2KV e o resistor 47R forma um circuito de amortecimento, que protege nosso circuito de picos de alta tensão que ocorrem quando ele está conectado a uma carga indutiva, a natureza não senoidal do sinal AC comutado é responsável pelos picos. Além disso, é responsável por problemas de fator de potência, mas esse é um assunto para outro artigo. Além disso, em vários artigos, utilizamos o TRIAC como nosso dispositivo preferido, você pode conferir se isso despertar seu interesse.

Filtro passa-baixo e o MOSFET do canal P (atuando como o resistor no circuito):

O resistor de 82K e o capacitor de 3.3uF formam o filtro passa-baixa que é responsável por suavizar o sinal PWM de alta frequência gerado pelo Arduino. Conforme mencionado anteriormente, o MOSFET do Canal P atua como o resistor variável, que controla o tempo de carga do capacitor. O controle é o sinal PWM que é suavizado pelo filtro passa-baixa. No artigo anterior, eliminamos o conceito de filtros passa-baixo. Você pode verificar o artigo sobre filtro passa-baixo ativo ou filtro passa-baixo passivo se quiser saber mais sobre o tópico.

Projeto de PCB para o circuito de controle de ângulo de fase CA

O PCB para o nosso circuito de controle de ângulo de fase é projetado em uma placa de um lado. Usei o Eagle para projetar meu PCB, mas você pode usar qualquer software de design de sua escolha. A imagem 2D do design da minha placa é mostrada abaixo.

Preenchimento de aterramento suficiente é usado para fazer conexões de aterramento adequadas entre todos os componentes. A entrada de 12 Vcc e a entrada de 220 Vca são preenchidas no lado esquerdo, a saída está localizada no lado direito do PCB. O arquivo de design completo do Eagle junto com o Gerber pode ser baixado do link abaixo.

• Baixe os arquivos PCB Design, GERBER e PDF para o Circuito de Controle do Ângulo da Fase AC

PCB feito à mão:

Por conveniência, fiz minha versão artesanal do PCB e é mostrado abaixo.

Código Arduino para controle de ângulo de fase AC

Um código simples de geração de PWM é usado para fazer o circuito funcionar, o código e sua explicação são fornecidos abaixo. Você também pode encontrar o código completo na parte inferior desta página. Primeiro, declaramos todas as variáveis ​​necessárias, const int analogInPin = A0; // Pino de entrada analógica ao qual o potenciômetro está conectado const int analogOutPin = 9; // Pino de saída analógica ao qual o LED está conectado int sensorValue = 0; // valor lido do potenciômetro int outputValue = 0; // valor de saída para o PWM (saída analógica)

As variáveis ​​são para declarar o pino analógico, o pino analogOut e as outras variáveis ​​são para armazenar, converter e imprimir o valor mapeado. Em seguida, na seção setup () , inicializamos o UART com 9600 baud para que pudéssemos monitorar a saída e é assim que podemos descobrir qual faixa de PWM foi capaz de controlar totalmente a saída do circuito.

void setup () {// inicializa as comunicações seriais a 9600 bps: Serial.begin (9600); }

A seguir, na seção loop () , lemos o pino analógico A0 e armazenamos o valor na variável de valor do sensor, a seguir mapeamos o valor do sensor para 0 -255, pois o temporizador PWM do atmega é de apenas 8 bits, depois defina o sinal PWM com uma função analogWrite () do Arduino. e por fim imprimimos os valores na janela do monitor serial para saber a faixa do sinal de controle, se você estiver acompanhando este tutorial, o vídeo ao final lhe dará uma ideia mais clara sobre o assunto.

sensorValue = analogRead (analogInPin); // ler o valor analógico: outputValue = map (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // mapeie para o intervalo da saída analógica: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // altera o valor da saída analógica: Serial.print ("sensor ="); // imprime os resultados no Serial Monitor: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t output ="); Serial.println (outputValue);

Testando o Circuito de Controle do Ângulo da Fase AC

A imagem acima mostra a configuração de teste do circuito. A alimentação de 12 V é fornecida por um circuito SMPS de 12 V, a carga é uma lâmpada no nosso caso, pode ser facilmente substituída por uma carga indutiva como um ventilador. Também como você pode ver que eu anexei um potenciômetro para controlar o brilho da lâmpada, mas ele pode ser substituído por qualquer outra forma de controlador, se você ampliar a imagem, você pode ver que o potenciômetro está conectado ao O pino A0 do Arduino e o sinal PWM estão vindo do pin9 do Arduino.

Como você pode ver na imagem acima, o valor de saída é 84 e o brilho da lâmpada incandescente é muito baixo,

Nesta imagem, você pode ver que o valor é 82 e o brilho da lâmpada incandescente aumenta.

Depois de muitas tentativas fracassadas, consegui criar um circuito que realmente funcionasse corretamente. Você já se perguntou como uma bancada de teste fica quando um circuito não funciona? Deixe-me dizer que parece muito ruim,

Este é um circuito projetado anteriormente em que eu estava trabalhando. Tive que jogá-lo fora completamente e fazer um novo porque o anterior não estava funcionando nem um pouco.

Outras melhorias

Para esta demonstração, o circuito é feito em um PCB feito à mão, mas o circuito pode ser facilmente construído em um PCB de boa qualidade, em meus experimentos, o tamanho do PCB é muito grande devido ao tamanho do componente, mas em um ambiente de produção, pode ser reduzido usando componentes SMD baratos. Em meus experimentos, descobri que usar um temporizador 7555 em vez de um temporizador 555 aumenta o controle extensivamente, além disso, a estabilidade do circuito aumenta também.