Kontroller strømnettet med en mikrokontroller

Ingris Praktisk registrering, bruk av resultater og ny tilvekstdel (Juli 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Kontroller strømnettet med en mikrokontroller


Introduksjon

Verdien blir mindre og det er også elektronikkdesign. Gjennomgående hullkomponenter er mindre lønnsomme for delprodusenter, og som et resultat er nye produkter ofte kun tilgjengelig i overflatemonterte pakker. Å være i stand til å montere loddemonteringsdeler for hånd er en svært verdifull ferdighet og kan komme til nytte for deler som chipmotstander og caps, små disposisjonspakker (SOIC / TSSOP) og quad flat pakker (QFP). Fortsatt, hva om den perfekte ARM-kjerne for quadcopter-kontrolleren din bare kommer som en quad-flat no-leads (QFN)? "Src =" // www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/expensive-reflow-oven1.png " />

Oooh skinnende … Men til hvilken pris !?

Solde reflow ovner er ikke noe nytt, og det gjør heller ikke deg selv ut av en standard brødrister som denne. Problemet er at kommersielle alternativer generelt er svært dyre (den som over kan koste opptil $ 2000 USD), og mange hjemmebyggede alternativer krever ofte demontering og modding av brødristeren, noe som kan være feilaktig og krever spesielle verktøy (min egen Black & Decker Toasr-R-Oven har sikkerhets Torx-skruer i den …). Sparkfun publiserte en opplæring tilbake i 2006, og Andy Brown opprettet et vakkert design på bloggen sin, og selv AAC-forfatteren Robert Keim har noen opplæringsprogrammer om grunnleggende begreper for ovnstyring, for eksempel nullkryss deteksjon og kontroll av en TRIAC. Dette settet med opplæringsprogrammer tar sikte på å utrydde noen av konseptene og gi en annen maskinvare og (eventuelt) programvare tilnærming til denne applikasjonen. Det er en annen "oppskrift i kokboken, " hvis du vil.

Hva trenger du

AntallDelPris (USD)
1Plastkapsling$ 1.24
1IEC 10A-plugg med sikringsholder og bryter$ 3.99
210A glass sikringer$ 0.44
115 ampere tålerbestandig enkeltutgang$ 2.99
2Seksposisjonsklemklemme$ 3.50
147R 1/4 watt motstand$ 0.10
1180R 1/4 watt motstand$ 0.10
21K 1/4 watt motstand$ 0.20
14.7K 1/4 watt motstand$ 0.10
122K 1/4 watt motstand$ 0.10
2220K 1/4 watt motstand$ 0.20
1100nF 275V X-klasse film kondensator$ 0.65
11nF 1kV keramisk kondensator$ 0.25
110UF 35V aluminium kondensator$ 0.15
51N4148 (eller tilsvarende) diode$ 0.55
2Generelt formål NPN BJT (2N3904 eller 2N5551)$ 0.40
14N35 opto-isolator$ 0.48
1MOC310 opto-isolator$ 0.72
1BTA312-600B TRIAC$ 0.99
1TO-220 heatsink$ 1.60
1T0-220 montering maskinvare$ 2.07
1185V varistor$ 0.47
1Diverse monteringsutstyr~
1Diverse koblingstråd~
TOTAL~ $ 22.00

Et par notater om sikkerhet

En klatring instruktør spøkte spøklig en gang at det er tre regler å ivareta når det gjelder sikkerhet. I prioritetsordning er de:

  1. Se bra ut.
  2. Ikke dø.
  3. Hvis du må dø, se bra ut med det.

Jeg lover at du vil være i strid med alle tre hvis du ikke respekterer hvor farlig nettspenning kan være. Det er noen ting å huske på når det gjelder høy spenning:

  • Ikke koble til høyspenninger til et brødbrett. Faren for at ledninger løsner eller ved et uhell berører / plugger inn i feil hull på et brettbrett, er ikke verdt det. Loddingskomponenter til perfong bør være OK for prototyping skjønt.

  • Helt avbrutt når strømnettet er tilkoblet. Hvis du måler høy spenning med multimeteret, må du ikke holde prober til brettet for hånden; Fest alligatorklipp og bruk enheten eksternt. Enda bedre, bruk en glødelampe som en testbelastning og slått på enheten med en overspenningsbeskyttelsesbryter.

  • Fremfor alt, vær snill om dette. Hvis du ikke vet hva du gjør eller ikke føler deg komfortabel med å gjøre det, spør etter hjelp og finn noen som gjør det. AAC forum og lokale hackerspaces er gode ressurser for å utnytte.

System-Level Design

En full ovnkontroll består av flere deler:

Brødrister ovn system flytskjema

Vi kommer bare til å gjøre vekselstrøm-dimmeren her. Vær oppmerksom på at dette er en ad hoc-enhet, fordi den er konstruert for å kontrollere resistive belastninger bare, som de fleste brødristerovner. Kapasitive og induktive belastninger krever noen små endringer (tillegg av snubberkomponenter) som ikke vil bli dekket her, men informasjon er tilgjengelig på nettet og i komponentdatabladene. Kompaktlysrør (CFL) har en ganske komplisert elektronisk ballastkrets inne i huset som ikke er kompatibel med AC-dimmeren i det hele tatt.

En svært vanlig måte å implementere en AC-kontroller på er med et solid-state-relé. Disse tillater at ovnen er full PÅ eller full AV, og signalet kan pulses for å få en omtrentlig temperatur (kjent i det hele tatt som BANG-BANG kontroll). En stor del av verdens kontrollsystemer kjører helt fint på BANG-BANG-controllere, men de er hverken elegante eller superinteressante å implementere. Inne i de fleste solid state-reléer er imidlertid en enhet kalt en TRIAC som kan bestilles som en frittstående enhet. Som Robert nevner i sin artikkel, er det egentlig en toveis forlengelse av tyristoren, eller kan være om som en solid-state bryter som utfører nåværende i begge retninger.

Solid state-reléet. Bang-bang, baby!

Ikke så prangende som SSR, men vår TRIAC gjør noen superkule ting

Hele ideen med denne ovnkontrolleren er å bruke TRIAC til å implementere noe som kalles AC-fasekontroll. Hvis du venter på nullkryssing av AC-bølgeformen og slår på TRIAC på en kjent tid senere, blir du igjen med en utgangsbølgeform som beholder den samme frekvensen og størrelsen på den opprinnelige bølgeformen for den tiden TRIAC er aktiv. Dette begrenser mengden strøm til sluttenheten, og dimmer det effektivt. Andre dimensjonsmetoder finnes som bølgepakkekontroll (en slags synkron BANG-BANG-paradigme, beklager ikke EN WikiPedia), men de er utenfor rammen av dette prosjektet.

Eksempel på AC-fasekontroll fra Andys verksted

Plugger, terminaler og kabinett

Sikker og billig er navnet på spillet her, så den første rekkefølgen av virksomheten i å gjøre dette var å velge et rimelig kabinett. Jeg fikk en billig plastbeholder med et lokk og skrev en fin og skummel varslingsetikett for meg selv og noen rundt. Hull for pluggene kan kuttes eller bores i siden, men det må tas vare på for å holde materialet sprukket.

Jeg har valgt en plug og socket grensesnitt til dimmeren. På strømnettet har jeg brukt en 10A IEC-kontakt med en integrert sikringsholder (sikringene jeg måtte kildes selv) og en strømbryter, omtrent som denne:

10A IEC-kontakt med integrert sikringsholder og bryter

Det tar vare på overstrømbeskyttelse og lar meg slå av hele saken uten å koble fra kablene. På brødristerssiden blikket jeg nettopp gjennom min lokale maskinvarebutikk og kom over dette:

Enkelt sabotasjeavstand

Det er et enkelt manipulasjonsmotstandsuttak som skruer inn i kabinettet. Jeg ville ikke lodde høyspenningskablene direkte til bordet mitt, så jeg fikk en seksposisjonsklemklemme. Posisjonene er for MAINS_L, MAINS_N, OVEN_L, OVEN_N og to ledningsnettledninger. Jeg brukte også en av disse klemmer for de fire mikrokontroller ledningene utenfor boksen. Litt overkill, men det er det jeg hadde på hånden.

Isolert nullkryssingsdetektor

Ved styring eller måling av høyspennings kretser med lavspenningsenheter, er det alltid en god ide å bruke en slags galvanisk isolasjon mellom de to sidene; Dette kan oppnås enten induktivt, optisk eller kapasitivt. Det finnes noen andre isolasjonsmetoder, men disse er de store.

Roberts TRIAC-kontroller og nullkryssingsdetektor bruker transformatoren i en veggvorte for å gå ned til strømmen til en tryggere 12V før den interagerer med den. Denne applikasjonen bruker opto-isolatorer for å skille de høye og lave spenningene som har fordelen av å være langt lettere og mer kompakt enn en stor transformator. De er sakte å reagere på raske signalendringer i forhold til noen av de andre metodene, men med mindre kilohertzhastigheter som vår søknad, spiller det ingen rolle.

Denne kretsen ble kjærlig lånt herfra. Forfatteren gjør en utmerket jobb som forklarer kretsen i detalj, men en rask trekk går slik: Strømbølgeformen blir først filtrert og utbedret. Det spenningen er delt som deretter belaster 10uF cap. Når den splitte spenningen faller under spenningen på kondensatoren, slår komparatortransistoren på, aktiverer opto-isolatoren. Utgangen har en åpen samler som betyr at du kan betjene den på hvilken som helst VCC din mikrokontroller støtter. Min perfongkrets ser slik ut:

En tilfredsstillende symmetrisk krets

Jeg testet denne kretsen isolert fra resten av brettet med en modifisert strømkabel og en overspenningsvern. Nullkorsingsdetektorbølgeformen som er lagt på en AC sinusformet, burde se noe ut som dette (jeg brukte en down-down-transformer for å få skuddet. For Guds kjærlighet må ikke koble strømnettet til ditt omfang!):

TRIAC Driver og Isolert Driver Circuit

Neste opp er TRIAC og den isolerte førerkretsen. Jeg nevnte tidligere Andy Browns opplæring. Jeg tilpasset sin TRIAC-beskyttelse og sjåførkrets til å jobbe på 120VAC her i USA og fulgte hans termiske overveielser for heatsink-utvalg. TRIAC vi bruker er BTA312. Vi bruker en annen optoisolator til å kjøre TRIAC kalt MOC310M som krever mellom 30 og 60mA å slå på. De fleste mikrokontroller er ikke komfortable å kjøpe denne typen strøm, så vi bruker en generell NPN-transistor for å gi den.

Skjematisk ser slik ut:

VR1 er en varistor. Den fungerer som overspenningsbeskyttelse hvis det er en spike i AC-ledningen. C3 er en 275VAC filmdeksel for utslippsundertrykkelse. Det man kunne betraktes som valgfritt. MOC310 førerkortkretsen ser slik ut:

Kjøleflaten, TRIAC, varistoren, filterhetten og skrueterminalerne lever alle på hovedkortet, skilt fra føreren. Når alt er festet til styret gjennom overskrifter, bør det se slik ut:

Jeg brukte monteringshullene i hovedkortets hjørner for å feste det til kabinettet. Når alt er satt sammen, får du dette:

Nå bør du være klar til å rulle! Koble ledningene på riktig måte (denne siden var nyttig), koble VCC og GND til en brettforsyning, og vri på strømbryteren. Hvis du bruker 3, 3 V til TRIAC_ACTIVE-linjen, bør du få 100% strøm i den andre enden.

video

Neste skritt

Ok, jeg innrømmer det: Å slå på en lyspære med en 3, 3 V bryter er ikke så imponerende. Faktisk er det ganske mye bare en BANG-BANG-kontroller på det tidspunktet. Det vi trenger neste er en kontroller som kan måle nullkorssignalet, dimme linjen tilsvarende, og lese innspill fra en temperatursensor. Det vil alle bli dekket i neste avdrag. Hva er det du spør? Skal jeg bruke en Arduino? Absolutt ikke! Det kan se ut som på utsiden, men vi skal spille raskt og løs med bare metall C på Atmega328P. Inntil neste gang, glad hacking.

Alle prosjektfiler og dokumentasjon finnes på mitt arkiv på GitHub - gjerne bidra med. KiCad skjematiske filer er også tilgjengelig nedenfor:

Kode

Last ned kode

Gi dette prosjektet et forsøk for deg selv! Få BOM.