Контролируйте свою сеть переменного тока с помощью микроконтроллера
Введение
Мир становится все меньше, а также электроники. Компоненты сквозного отверстия менее выгодны для производителей деталей, и, как следствие, новые продукты часто доступны только в пакетах для поверхностного монтажа. Возможность пайки деталей для поверхностного монтажа вручную является очень ценным навыком и может пригодиться для таких частей, как чип-резисторы и крышки, небольшие контурные пакеты (SOIC / TSSOP) и квадратные плоские пакеты (QFP). Тем не менее, что, если идеальное ядро ARM для вашего контроллера quadcopter появляется только как квад-плоский нет-вывод (QFN) "" src = "// www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/expensive-reflow-oven1.png" />
Ооох блестящий … Но какой ценой !?
Паяльные печи для плавки не являются чем-то новым и не делают для вас одного из стандартных тостеров, подобных этому. Проблема заключается в том, что коммерческие варианты, как правило, очень дороги (один выше может стоить более $ 2000 долларов США), и многие варианты для дома часто требуют демонтажа и модификации тостера, которые могут быть подвержены ошибкам и требуют специальных инструментов (мой собственный Black & Decker Toasr-R-Oven имеет в себе крепежные винты Torx …). Sparkfun опубликовал учебник еще в 2006 году, Энди Браун создал красивый дизайн в своем блоге, и даже автор AAC Роберт Кейм имеет несколько руководств по основным понятиям управления духовым шкафом, таким как обнаружение нуля и контроль TRIAC. Этот набор учебных пособий направлен на определение некоторых концепций и предоставление другого аппаратного и (возможного) программного подхода к этому приложению. Это еще один «рецепт в кулинарной книге», если хотите.
Что вам нужно
| Кол-во | Часть | Цена (USD) |
|---|---|---|
| 1 | Пластиковый корпус | $ 1, 24 |
| 1 | Штекер IEC 10A с держателем предохранителя и переключателем | $ 3, 99 |
| 2 | 10A стеклянные предохранители | $ 0, 44 |
| 1 | 15-Amp Tamper Resistant Single Outlet | $ 2, 99 |
| 2 | Шестипозиционная клеммная колодка | $ 3, 50 |
| 1 | 47R 1/4 Вт резистор | $ 0, 10 |
| 1 | 180R 1/4 Вт резистор | $ 0, 10 |
| 2 | 1K 1/4 Вт резистор | $ 0, 20 |
| 1 | 4.7K 1/4 Вт резистор | $ 0, 10 |
| 1 | 22K 1/4 Вт резистор | $ 0, 10 |
| 2 | Резистор 220K 1/4 Вт | $ 0, 20 |
| 1 | 100nF 275V X-классный пленочный конденсатор | $ 0, 65 |
| 1 | 1nF 1kV керамический конденсатор | $ 0, 25 |
| 1 | 10uF 35V алюминиевый конденсатор | $ 0, 15 |
| 5 | 1N4148 (или эквивалентный) диод | $ 0, 55 |
| 2 | Универсальный NPN BJT (2N3904 или 2N5551) | $ 0, 40 |
| 1 | Оптический изолятор 4N35 | $ 0, 48 |
| 1 | Оптоизолятор MOC310 | $ 0, 72 |
| 1 | BTA312-600B TRIAC | $ 0, 99 |
| 1 | TO-220 радиатор | $ 1, 60 |
| 1 | Монтажное оборудование T0-220 | $ 2, 07 |
| 1 | 185V варистор | $ 0, 47 |
| 1 | Прочее монтажное оборудование | ~ |
| 1 | Проводной соединительный провод | ~ |
| ВСЕГО | ~ $ 22, 00 |
Несколько заметок о безопасности
Инструктор по скалолазанию в шутку сказал мне однажды, что есть три правила, которые следует учитывать, когда речь идет о безопасности. В порядке приоритетности они:
- Выглядит хорошо.
- Не умирай.
- Если вам нужно умереть, хорошо выглядите.
Я обещаю вам, что вы будете нарушать все три, если не будете уважать, насколько опасны сетевые напряжения. Есть несколько вещей, которые следует учитывать при работе с высоким напряжением:
- Не подключайте высокие напряжения к макету. Риск появления проводов или случайного касания / подключения к неправильному отверстию на макете не стоит. Пайка компонентов для перфорирования должна быть в порядке для прототипирования.
- Абсолютно отключаются при подключении к сети. Если вам нужно измерять высокие напряжения с помощью вашего мультиметра, не держите зонды на доске вручную; прикреплять зажимы аллигатора и дистанционно управлять устройством. Еще лучше использовать лампу накаливания в качестве тестовой нагрузки и дистанционно включить устройство с помощью переключателя защиты от перенапряжений.
-
Прежде всего, будьте умны об этом. Если вы не знаете, что делаете или не чувствуете себя комфортно, попросите о помощи и найдите того, кто это делает. Форумы AAC и локальные хакерские пространства - отличные ресурсы для использования.
Проектирование системного уровня
Полный контроллер печи состоит из нескольких частей:
Блок-схема тостерной печи
Мы только собираемся сделать диммер волны переменного тока здесь. Обратите внимание, что это ad-hoc-устройство, поскольку оно предназначено для управления только резистивными нагрузками, как и большинство тостерных печей. Емкостные и индуктивные нагрузки требуют незначительных модификаций (добавление компонентов демпфера), которые здесь не рассматриваются, но информация доступна в Интернете и в таблицах компонентов. Компактные люминесцентные лампы (CFL) имеют довольно сложный электронный балластный контур внутри корпуса, который вообще не совместим с диммером переменного тока.
Очень распространенным способом реализации контроллера переменного тока является твердотельное реле. Они позволяют полностью или полностью выключить духовку, и сигнал может быть импульсным, чтобы получить приблизительную температуру (известную в обычном порядке как контроль BANG-BANG). Огромные ряды мировых систем управления отлично работают на контроллерах BANG-BANG, но они не являются ни элегантными, ни супер интересными для реализации. Однако в большинстве полупроводниковых реле есть устройство, называемое TRIAC, которое можно заказать как автономное устройство. Как упоминает Роберт в своей статье, это, по сути, двунаправленное расширение тиристора или может быть, хотя и является твердотельным переключателем, который проводит ток в обоих направлениях.
Твердотельное реле. Взрыв, детка!
Не так ярко, как SSR, но наш TRIAC делает некоторые супер классные вещи
Вся идея этого контроллера печи заключается в использовании TRIAC для реализации чего-то, называемого AC Phase Control. Если вы ожидаете нулевого пересечения формы переменного тока и включаете TRIAC в какое-то известное время позже, вы остаетесь с выходным сигналом, который сохраняет ту же частоту и величину исходного сигнала за время, в течение которого TRIAC активен. Это ограничивает количество мощности конечного устройства, эффективно уменьшая его. Существуют и другие методы затемнения, такие как управление пакетными пакетами (своего рода синхронная парадигма BANG-BANG, извините, но не EN WikiPedia), но они выходят за рамки этого проекта.
Пример управления фазой переменного тока из мастерской Энди
Вилки, клеммы и корпус
Безопасное и дешевое название игры здесь, поэтому первый порядок ведения бизнеса заключался в выборе разумного приложения. У меня есть недорогой пластиковый ящик с крышкой и написал хороший и страшный предупреждающий ярлык для себя и для окружающих. Отверстия для пробок могут быть разрезаны или просверлены сбоку, но необходимо следить за тем, чтобы материал не растрескивался.
Я выбрал интерфейс вилки и гнезда для диммера. На стороне сети переменного тока я использовал 10A IEC-штекер со встроенным держателем предохранителя (предохранители, которые я должен был установить сам) и выключатель питания, похожий на этот:
10A IEC со встроенным держателем предохранителя и переключателем
Он заботится о защите от перегрузки по току и позволяет мне отключить все это, не отсоединяя кабели. На стороне тостера я просто просмотрел свой местный магазин бытовой техники и пришел к следующему:
Одиночный защищенный от несанкционированного доступа выход
Это единственный защищенный от несанкционированного доступа выход, который крепится к корпусу. Я не хотел припаивать провода высокого напряжения прямо к моей плате, поэтому я получил шестипозиционную клеммную колодку. Позиции для MAINS_L, MAINS_N, OVEN_L, OVEN_N и двух проводов заземления. Я также использовал один из этих терминальных блоков для четырех проводов микроконтроллера, ведущих за пределы коробки. Немного перебор, но это то, что я имел под рукой.
Изолированный детектор нулевого пересечения
При управлении или измерении высоковольтных цепей с устройствами низкого напряжения всегда рекомендуется использовать какую-то гальваническую развязку между двумя сторонами; это может быть осуществлено либо индуктивно, оптически, либо емкостно. Есть еще несколько методов изоляции, но они большие.
Контроллер TRIAC Роберта и детектор с нулевым пересечением используют трансформатор в стенной бородавке, чтобы уйти от сети к более безопасному 12V, прежде чем взаимодействовать с ним. В этом приложении используются оптоизоляторы для разделения высоких и низких напряжений, которые имеют то преимущество, что они намного легче и компактнее, чем громоздкий трансформатор. Они медленно реагируют на быстрые изменения сигнала по сравнению с некоторыми другими методами, но на скоростях ниже килогерца, как наше приложение, это не имеет большого значения.
Эта схема была любовно заимствована отсюда. Автор делает отличную работу, подробно объясняя схему, но краткое изложение выглядит так: основной сигнал сначала фильтруется и исправляется. Это напряжение разделено, которое затем заряжает крышку 10uF. Когда разделенное напряжение падает ниже напряжения на конденсаторе, транзистор компаратора включается, активируя оптоизолятор. Выход имеет открытый коллектор, что означает, что вы можете управлять им на любом VCC, поддерживаемом вашим микроконтроллером. Моя схема перфорирования выглядит так:
Удовлетворительно симметричная схема
Я тестировал эту схему изолированно от остальной части платы с помощью модифицированного силового кабеля и защитного устройства. Форма волны детектора нуля, наложенная на синусоиду переменного тока, должна выглядеть примерно так (я использовал понижающий трансформатор, чтобы получить снимок. Для любви к Богу не подключайте свою сеть к своей области!):
Драйвер TRIAC и изолированная схема драйвера
Далее следует TRIAC и изолированная схема драйвера. Я упомянул ранее учебник Энди Брауна. Я адаптировал его схему защиты и драйвера TRIAC для работы на 120 В переменного тока здесь, в Штатах, и следил за его тепловыми соображениями для выбора радиатора. Используемый нами TRIAC - это BTA312. Мы используем другой оптоизолятор для управления TRIAC под названием MOC310M, который требует от 30 до 60 мА для включения. Большинство микроконтроллеров не являются удобными источниками тока такого типа, поэтому мы используем транзистор NPN общего назначения для его обеспечения.
Схема выглядит так:
VR1 является варистором. Он служит защитой от перенапряжения, если в линии переменного тока имеется всплеск. C3 - колпачок пленки 275VAC для подавления выбросов. Это можно считать необязательным. Схема платы драйвера MOC310 выглядит так:
Теплоотвод, TRIAC, варистор, крышка фильтра и винтовые клеммы все находятся на основной плате отдельно от водителя. Как только все будет прикреплено к доске через заголовки, оно должно выглядеть примерно так:
Я использовал монтажные отверстия в углах основной платы, чтобы прикрепить их к корпусу. Когда все будет собрано, вы получите следующее:
Теперь вы должны быть готовы к катанию! Правильное подключение проводов (эта страница была полезна), подключите VCC и GND к источнику питания на хлебной доске и переверните выключатель питания. Если вы примените 3.3V к линии TRIAC_ACTIVE, вы должны получить 100% мощность на другом конце.
видео
Следующие шаги
Хорошо, я признаю это: включение лампочки с помощью переключателя 3, 3 В не так впечатляет. Фактически, это в значительной степени просто контроллер BANG-BANG в этот момент. Нам нужен следующий контроллер, который может измерять сигнал с нулевым перекрестком, соответственно сгладить линию и считывать данные с датчика температуры. Это будет рассмотрено в следующем выпуске. Что вы спросите? Смогу ли я использовать Arduino? Точно нет! Это может выглядеть так, как снаружи, но мы будем играть быстро и свободно с голыми металлами на Atmega328P. До следующего раза, счастливый взлом.
Все файлы проекта и документацию можно найти в моем репозитории на GitHub - не стесняйтесь вносить свой вклад. Схемы KiCad также доступны ниже:
Код
Скачать код
Попробуйте этот проект сами! Получить спецификацию.