Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Электрик Инфо » Схемы на микроконтроллерах » Как с помощью Ардуино безопасно управлять нагрузкой на напряжении 220 вольт
23 апреля 2022
Количество просмотров: 58200
Комментарии к статье: 6


Как с помощью Ардуино безопасно управлять нагрузкой на напряжении 220 вольт

Для системы «Умный дом» основной задачей является управление бытовыми приборами с управляющего устройства будь то микроконтроллер типа Ардуино, или микрокомпьютер типа Raspberry PI или любое другое. Но сделать этого напрямую не получится, давайте разберемся как управлять нагрузкой 220 В с Ардуино.

Arduino и нагрузка 220В

Для управления цепями переменного тока средств микроконтроллера недостаточно по двум причинам:

1. На выходе микроконтроллера формируется сигнал постоянного напряжения.

2. Ток через пин микроконтроллера обычно ограничен величиной в 20-40 мА.

Мы имеем два варианта коммутации с помощью реле или с помощью симистора. Симистор может быть заменен двумя включенными встречно-параллельно тиристорами (это и есть внутренняя структура симистора). Давайте подробнее рассмотрим это.

Управление нагрузкой 220 В с помощью симистора и микроконтроллера

Внутренняя структура симистора изображена на картинке ниже.

Симистор

Тиристор работает следующим образом: когда к тиристору приложено напряжение в прямом смещении (плюс к аноду, а минус к катоду) ток через него проходить не будет, пока вы не подадите управляющий импульс на управляющий электрод.

Я написал импульс не просто так. В отличие от транзистора тиристор является ПОЛУУПРАВЛЯЕМЫМ полупроводниковым ключом. Это значит, что при снятии управляющего сигнала ток через тиристор продолжит протекать, т.е. он останется открытым. Чтобы он закрылся нужно прервать ток в цепи или сменить полярность приложенного напряжения.

Это значит, что при удержании положительного импульса на управляющем электроде нужно тиристор в цепи переменного тока будет пропускать только положительную полуволну. Симистор может пропускать ток в обоих направлениях, но т.к. он состоит из двух тиристоров подключенных навстречу друг другу.

Управляющие импульсы по полярности для каждого из внутренних тиристоров должны соответствовать полярности соответствующей полуволны, только при выполнении такого условия через симистор будет протекать переменный ток. На практике такая схема реализована в распространенном симисторном регуляторе мощности.

Схема симисторного регулятора мощности

Как я уже сказал микроконтроллер выдает сигнал только одной полярности, для того чтобы согласовать сигналу нужно использовать драйвер построенный на оптосимисторе.

Драйвер

Таким образом, сигнал включает внутренний светодиод оптопары, она открывает симистор, который и подает управляющий сигнал на силовой симистор T1. В качестве оптодрайвера может быть использован MOC3063 и подобные, например, на фото ниже изображен MOC3041.

MOC3041

Zero crossing circuit – цепь детектора перехода фазы через ноль. Нужна для реализации разного рода симисторных регуляторов на микроконтроллере.

Если схема и без оптодрайвера, где согласование организовано через диодный мост, но в ней, в отличие от предыдущего варианта нет гальванической развязки. Это значит, что при первом же скачке напряжения мост может пробить и высокое напряжение окажется на выводе микроконтроллера, а это плохо.

Схема без оптодрайвера

При включении/выключении мощной нагрузки, особенно индуктивного характера, типа двигателей и электромагнитов возникают всплески напряжения, поэтому параллельно всем полупроводниковым приборам нужно устанавливать снабберную RC цепь.

Снабберная RC цепь

Научитесь разрабатывать устройства на базе микроконтроллеров и станьте инженером умных устройств с нуля: Инженер умных устройств

Полезные статьи:

Как происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой

Дистанционное управление микроконтроллером: ИК-пульт, Arduino, ESP8266, 433 мГц

10 интересных проектов для Arduino

Самые популярные датчики для Ардуино

Реле и Ардуино

Для управления реле с Ардуино нужно использовать дополнительный транзистор для усиления тока.

Схема с реле и транзистором для усиления тока

Обратите внимание, использован биполярный транзистор обратной проводимости (NPN-структура), это может быть отечественный КТ315 (всеми любимый и всем известный). Диод нужен для гашения всплесков ЭДС самоиндукции в индуктивности, это нужно чтобы транзистор не вышел из строя от высокого приложенного напряжения. Почему это возникает, объяснит закон коммутации: "Ток в индуктивности не может измениться мгновенно".

А при закрытии транзистора (снятии управляющего импульса) энергии магнитного поля накопленной в катушке реле необходимо куда-то деваться, поэтому и устанавливают обратный диод. Еще раз отмечу, что диод подключен в ОБРАТНОМ направлении, т.е. катодом к плюсу, анодом к минусу.

Такую схему можно собрать своими руками, что значительно дешевле, плюс вы можете использовать реле, рассчитанное на любое постоянное напряжение.

Или купить готовый модуль или целый шилд с реле для Ардуино:

Шилд с реле для Ардуино

На фото изображен самодельный шилд, кстати, в нем использованы для усиления тока КТ315Г, а ниже вы видите такой же шилд заводского исполнения:

Шилд с реле для Ардуино

Это 4-канальные шилды, т.е. вы можете включать целых четыре линии 220 В. Подробно о шилдах и реле мы уже выкладывали статью на сайте - Полезные шилды для Ардуино

Схема подключения нагрузки на напряжении 220 В к Ардуино через реле:

Схема подключения нагрузки на напряжении 220 В к Ардуино через реле

Заключение

Безопасное управление нагрузкой переменного тока подразумевает прежде всего безопасность для микроконтроллера вся описанная выше информация справедлива для любого микроконтроллера, а не только платы Ардуино.

Главная задача – обеспечить нужные напряжение и ток для управления симистором или реле и гальваническая развязка цепей управления и силовой цепи переменного тока.

Кроме безопасности для микроконтроллера, таким образом, вы подстраховываете себя, чтобы при обслуживании не получить электротравму. При работе с высоким напряжением нужно соблюдать все правила техники безопасности, соблюдать ПУЭ и ПТЭЭП.

Эти схемы можно использовать и для управления мощными пускателями и контакторами. Симисторы и реле в таком случае выступают в роли промежуточного усилителя и согласователя сигналов. На мощных коммутационных приборах большие токи управления катушкой и зависят непосредственно от мощности контактора или пускателя.

Смотрите также:

7 учебных курсов по работе с Ардуино, онлайн обучение проектированию и конструированию электронной аппаратуры

Алексей Бартош

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Факультет Интернет вещей

Обучение Интернет вещей и современные встраиваемые системы

Вы сможете:

  • Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

  • Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

  • Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Подробнее здесь: Интернет вещей и современные встраиваемые системы





Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Как можно легко управлять мощной нагрузкой переменного тока
  • Способы и схемы управления тиристором или симистором
  • Как проверить симистор
  • Управление симистором: управление мощной нагрузкой на переменном токе
  • Устройство и примеры применения реле, как выбрать и правильно подключить ре ...
  • 19 шилдов для Arduino на все случаи жизни
  • Особенности подключения устройств к Arduino
  • Способы чтения и управления портами ввода-вывода Arduino
  • Симисторы: от простого к сложному
  • Как подключить инкрементальный энкодер к Ардуино
  • Категория: Схемы на микроконтроллерах

    Автоматика, Реле, Самоделки, Программирование Ардуино, Ардуино, Arduino для начинающих

      Комментарии:

    #1 написал: Владимир Романович | [цитировать]

    Впервые встречаю грамотное, без "воды" изложение материала. Спасибо!

      Комментарии:

    #2 написал: Влад | [цитировать]

    Сколько электронных блоков от стиралок/посудомоек не делал, НИ В ОДНОМ, не было гальванической развязки между симисторами и микроконтроллером. Программируемое старение.

      Комментарии:

    #3 написал: Николай Подгорский | [цитировать]

    Очень хорошая статья. Все правильно написано. Спасибо!

      Комментарии:

    #4 написал: Павел | [цитировать]

    Arduino — это микроконтроллер с открытым исходным кодом, используемый в электронном прототипировании. Arduino можно использовать как основной способ побудить студентов и других людей узнать больше об электронике и программировании.

      Комментарии:

    #5 написал: Роберт | [цитировать]

    Для того чтобы управлять различными нагрузками с Arduino на напряжении 220 вольт проще всего использовать реле — это электромеханическое устройство, которое позволяет процессору, такому как Arduino, управлять нагрузками с уровнем напряжения или тока, намного превышающим то, что может выдержать его электроника. Например, с помощью релейного выхода мы можем включать или выключать нагрузки переменного тока на 220В и токи 10А, что охватывает большинство бытовых устройств, которые мы подключаем к электрической сети дома. Релейные выходы очень распространены в области автоматизации процессов, и почти все контроллеры имеют релейные выходы для управления нагрузками, такими как двигатели, насосы, кондиционеры, освещение или любые другие типы установок или механизмов. Физически реле ведет себя как «обычный» переключатель, но активируется не вручную, а электронным способом. Реле подходят для управления нагрузками как переменного, так и постоянного тока. Будучи электромеханическими устройствами, для работы которых требуется перемещение внутренних компонентов, время переключения реле велико, около 10 мс. Как следствие, реле нельзя использовать с ШИМ-сигналом или другими типами средне-высокочастотных сигналов. Срок службы устройства определяется количеством переключений. Тем не менее, обычно это составляет от 100 000 до 1 000 000 переключений, поэтому при нормальном использовании они являются долговечными и надежными компонентами. Существует большое количество моделей реле с различными электрическими характеристиками как для первичной, так и для вторичной цепи. Реле являются основными компонентами наших проектов в области электроники, домашней автоматизации и Интернета вещей. Можном использовать релейные выходы для взаимодействия и управления практически любым устройством, которое есть дома. Например, можно включить лампу с мобильного, включить или выключить котел, воздействуя на термостат, развернуть навес или опустить жалюзи, включить систему орошения. Реле - дешевые устройства. Существуют интегрированные платы, готовые к подключению к Arduino, с разными размерами и количеством каналов. Каждый канал является полностью независимым переключателем от других, что позволяет управлять несколькими нагрузками одним и тем же процессором. На этих коммерческих платах устанавливаются реле с ограничением 250 В переменного тока (AC) или 30 В постоянного тока (DC). Максимальный ток, который они могут выдержать, составляет 10А. Это эквивалентно нагрузке 2300 Вт при 230 В переменного тока и 300 Вт при 30 В постоянного тока.

      Комментарии:

    #6 написал: Николай | [цитировать]

    Через мой Arduino Uno я управляю цепью переменного тока 220 В с помощью реле. Если не хотите слишком усложнять, самое простое — использовать реле для управления переключением фазы электрической сети.

    Добавление комментария
    Имя:*
    Комментарий:

    Популярные статьи:

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки



    Copyright © 2009-2022 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.