التحكم في زاوية طور التيار المتردد لمخفتات الإضاءة والتحكم في سرعة المحرك باستخدام مؤقت 555 وإشارة pwm

تكتسب أنظمة التشغيل الآلي للمنزل شعبية متزايدة يومًا بعد يوم ، وفي الوقت الحاضر أصبح من السهل تشغيل وإيقاف تشغيل بعض الأجهزة باستخدام بعض آليات التحكم البسيطة مثل المرحل أو المحول ، وقد قمنا سابقًا ببناء العديد من مشاريع أتمتة المنزل القائمة على Arduino باستخدام المرحلات. ولكن هناك العديد من الأجهزة المنزلية التي تتطلب التحكم في طاقة التيار المتردد هذه بدلاً من مجرد تشغيلها أو إيقاف تشغيلها. الآن ، ادخل إلى عالم التحكم في زاوية طور التيار المتردد ، إنها تقنية بسيطة يمكنك من خلالها التحكم في زاوية طور التيار المتردد. هذا يعني أنه يمكنك التحكم في سرعة مروحة السقف أو أي مروحة أخرى للتيار المتردد أو حتى يمكنك التحكم في شدة مصباح LED أو لمبة متوهجة.

على الرغم من أن الأمر يبدو بسيطًا ، إلا أن عملية تنفيذه في الواقع صعبة للغاية ، لذلك في هذه المقالة ، سنقوم ببناء دائرة تحكم بسيطة في زاوية طور التيار المتردد بمساعدة مؤقت 555 ، وفي النهاية ، سنستخدم Arduino لتوليد إشارة PWM بسيطة للتحكم في شدة المصباح الكهربائي المتوهج. كما يمكنك أن تتخيل الآن بوضوح ، باستخدام هذه الدائرة ، يمكنك بناء نظام أتمتة منزلي بسيط حيث يمكنك التحكم في المروحة ومخفتات إضاءة التيار المتردد باستخدام Arduino واحد.

ما هو التحكم في زاوية طور التيار المتردد وكيف يعمل؟

التحكم في زاوية الطور المتناوب هو طريقة يمكننا من خلالها التحكم في موجة جيبية متناوبة أو قطعها. تتنوع زاوية إطلاق جهاز التبديل بعد اكتشاف العبور الصفري ، مما يؤدي إلى متوسط ​​خرج الجهد الذي يتغير بشكل متناسب مع الموجة الجيبية المعدلة ، توضح الصورة أدناه المزيد.

كما ترون ، لدينا أولاً إشارة إدخال التيار المتردد. بعد ذلك ، لدينا إشارة العبور الصفرية ، والتي تولد مقاطعة كل 10 مللي ثانية. بعد ذلك ، لدينا إشارة انطلاق البوابة ، بمجرد أن نحصل على إشارة إطلاق ، ننتظر لفترة معينة قبل إعطاء نبضة الزناد ، وكلما انتظرنا أكثر ، يمكننا تقليل متوسط ​​الجهد والعكس صحيح. سنناقش المزيد من الموضوع لاحقًا في المقالة.

التحديات في التحكم في زاوية المرحلة

قبل أن نلقي نظرة على التخطيطي وجميع المتطلبات المادية ، دعنا نتحدث عن بعض المشكلات المرتبطة بهذا النوع من الدوائر وكيف تحل دائرتنا هذه.

هدفنا هنا هو التحكم في زاوية الطور لموجة جيبية متناوبة بمساعدة متحكم دقيق ، لأي نوع من تطبيقات أتمتة المنزل. إذا نظرنا إلى الصورة أدناه ، يمكنك أن ترى ذلك باللون الأصفر ، لدينا موجة جيبية ، وبالأخضر ، لدينا إشارة العبور الصفري.

يمكنك أن ترى أن إشارة العبور الصفرية تأتي كل 10 مللي ثانية لأننا نعمل مع موجة جيبية 50 هرتز. في متحكم دقيق ، يولد مقاطعة كل 10 مللي ثانية. إذا وضعنا أي كود آخر غير ذلك ، فقد لا يعمل الكود الآخر بسبب الانقطاع. كما نعلم أن تردد الخط المسموع في الهند هو 50 هرتز ، لذلك فنحن نعمل مع موجة جيبية 50 هرتز ، ومن أجل التحكم في التيار المتردد ، نحتاج إلى تشغيل وإيقاف تشغيل TRIAC في إطار زمني معين. للقيام بذلك ، تستخدم دائرة التحكم في زاوية الطور المستندة إلى وحدة التحكم الدقيقة إشارة العبور الصفري كمقاطعة ، لكن المشكلة في هذه الطريقة هي أنه لا يمكنك تشغيل أي كود آخر غير رمز التحكم في زاوية السرعة ، لأنه بطريقة ما سوف ينكسر دورة الحلقة ولن يعمل أحد هذه الرموز.

دعني أوضح بمثال ، لنفترض أنه يتعين عليك القيام بمشروع تحتاج فيه إلى التحكم في سطوع المصباح المتوهج ، كما تحتاج إلى قياس درجة الحرارة في نفس الوقت. للتحكم في سطوع المصباح الكهربائي المتوهج ، فأنت بحاجة إلى دائرة تحكم في زاوية الطور ، كما تحتاج إلى قراءة بيانات درجة الحرارة جنبًا إلى جنب معها ، إذا كان هذا هو السيناريو ، فلن تعمل دائرتك بشكل صحيح لأن مستشعر DHT22 يستغرق بعض الوقت إعطاء بيانات الإخراج الخاصة به. في هذه الفترة الزمنية ، ستتوقف دائرة التحكم في زاوية الطور عن العمل ، أي إذا قمت بتكوينها في وضع الاقتراع ، ولكن إذا قمت بتكوين إشارة العبور الصفري في وضع المقاطعة ، فلن تتمكن أبدًا من قراءة بيانات DHT لأن فحص CRC سيفشل.

لحل هذه المشكلة ، يمكنك استخدام متحكم مختلف لدائرة التحكم في زاوية الطور المختلفة ولكنه سيزيد من تكلفة قائمة المواد ، والحل الآخر هو استخدام دائرتنا المكونة من مكونات عامة مثل المؤقت 555 وتكاليف أقل أيضًا.

المواد المطلوبة لدائرة التحكم في زاوية طور التيار المتردد

تُظهر الصورة أدناه المواد المستخدمة لبناء الدائرة ، نظرًا لأنها مصنوعة من مكونات عامة جدًا ، يجب أن تكون قادرًا على العثور على جميع المواد المدرجة في متجر الهوايات المحلي.

لقد أدرجت أيضًا المكونات في جدول أدناه بالنوع والكمية ، نظرًا لأنه مشروع توضيحي ، فأنا أستخدم قناة واحدة للقيام بذلك. ولكن يمكن توسيع نطاق الدائرة بسهولة حسب المتطلبات.

SL. لا	القطع	نوع	كمية
1	المسمار الطرفي 5.04 مم	موصل	3
2	رأس ذكر 2.54 مللي متر	موصل	1 × 2
3	56 كيلو ، 1 واط	المقاوم	2
4	1N4007	الصمام الثنائي	4
5	0.1 فائق التوهج ، 25 فولت	مكثف	2
6	100 فائق التوهج ، 25 فولت	مكثف	2
7	إل إم 7805	منظم ضغط كهربي	1
8	1 ك	المقاوم	1
9	470 ص	المقاوم	2
10	47 ص	المقاوم	2
11	82 ك	المقاوم	1
12	10 آلاف	المقاوم	1
13	PC817	Optocoupler	1
14	NE7555	IC	1
12	MOC3021	محرك OptoTriac	1
13	IRF9540	موسفيت	1
14	3.3 فائق التوهج	مكثف	1
15	توصيل الأسلاك	الأسلاك	5
16	0.1 فائق التوهج ، 1 كيلو فولت	مكثف	1
17	اردوينو نانو (للاختبار)	متحكم	1

مخطط دائرة التحكم في زاوية التيار المتردد

الرسم التخطيطي لدائرة التحكم في زاوية طور التيار المتردد موضح أدناه ، هذه الدائرة بسيطة جدًا وتستخدم مكونات عامة لتحقيق التحكم في زاوية الطور.

دائرة التحكم في زاوية طور التيار المتردد - تعمل

تتكون هذه الدائرة من مكونات مصممة بعناية فائقة ، وسأمر في كل منها وأشرح كل كتلة.

دائرة الكشف عن المعابر الصفرية:

أولاً ، في قائمتنا ، يتم إجراء دائرة الكشف عن عبور الصفر بمقاومين 56K ، 1W بالتزامن مع أربعة صمامات ثنائية 1n4007 و optocoupler PC817. وهذه الدائرة مسؤولة عن توفير إشارة العبور الصفري إلى المؤقت 555 IC. أيضًا ، قمنا بتسجيل المرحلة والإشارة المحايدة لاستخدامها مرة أخرى في قسم TRIAC.

منظم الجهد LM7809:

يتم استخدام منظم الجهد 7809 لتشغيل الدائرة ، والدائرة مسؤولة عن توفير الطاقة للدائرة بأكملها. بالإضافة إلى ذلك ، استخدمنا مكثفين 470 فائق التوهج ومكثف 0.1 فائق التوهج كمكثف فصل لـ LM7809 IC.

دائرة التحكم بالمؤقت NE555:

تُظهر الصورة أعلاه دائرة التحكم في المؤقت 555 ، وقد تم تكوين 555 في تكوين أحادي ، لذلك عندما تصل إشارة الزناد من دائرة الكشف عن عبور الصفر إلى الزناد ، يبدأ المؤقت 555 في شحن المكثف بمساعدة المقاوم (بشكل عام) ، لكن دائرتنا بها MOSFET بدلاً من المقاوم ، ومن خلال التحكم في بوابة MOSFET ، نتحكم في التيار المتجه إلى المكثف ، ولهذا السبب نتحكم في وقت الشحن ومن ثم نتحكم في إخراج أجهزة ضبط الوقت 555. في العديد من المشاريع ، استخدمنا 555 timer IC لعمل مشروعنا ، إذا كنت تريد معرفة المزيد عن هذا الموضوع ، يمكنك التحقق من جميع المشاريع الأخرى.

TRIAC ودائرة سائق TRIAC:

يعمل TRIAC كمفتاح رئيسي يتم تشغيله وإيقاف تشغيله بالفعل ، وبالتالي يتحكم في إخراج إشارة التيار المتردد. يقود TRIAC محرك MOC3021 optotriac ، فهو لا يقود فقط TRIAC ، ولكنه يوفر أيضًا عزلًا بصريًا ، ومكثف الجهد العالي 0.01 فائق التوهج 2KV ، ويشكل المقاوم 47R دائرة snubber ، والتي تحمي دائرتنا من ارتفاع الجهد العالي والتي تحدث عند توصيلها بحمل استقرائي ، فإن الطبيعة غير الجيبية لإشارة التيار المتردد المحولة هي المسؤولة عن التموجات. كما أنه مسؤول عن مشكلات عامل الطاقة ، ولكن هذا موضوع لمقال آخر. أيضًا ، في العديد من المقالات ، استخدمنا TRIAC كجهازنا المفضل ، يمكنك التحقق من ذلك إذا كان ذلك يثير اهتمامك.

Lowpass-Filter و P-Channel MOSFET (يعمل كمقاوم في الدائرة):

يشكل المقاوم 82K والمكثف 3.3 فائق التوهج مرشح التمرير المنخفض المسؤول عن تنعيم إشارة PWM عالية التردد الناتجة عن Arduino. كما ذكرنا سابقًا ، تعمل P-Channel MOSFET كمقاوم متغير ، يتحكم في وقت شحن المكثف. التحكم فيه هو إشارة PWM التي يتم تنعيمها بواسطة مرشح الترددات المنخفضة. في المقالة السابقة ، قمنا بمسح مفهوم عوامل التصفية المنخفضة ، يمكنك التحقق من المقالة حول مرشح تمرير منخفض نشط أو مرشح تمرير منخفض سلبي إذا كنت تريد معرفة المزيد عن الموضوع.

تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور لدائرة التحكم في زاوية طور التيار المتردد

تم تصميم PCB لدائرة التحكم في زاوية الطور في لوحة أحادية الجانب. لقد استخدمت Eagle لتصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور الخاص بي ولكن يمكنك استخدام أي برنامج تصميم من اختيارك. الصورة ثنائية الأبعاد لتصميم لوحي موضحة أدناه.

يتم استخدام حشوة أرضية كافية لإجراء اتصالات أرضية مناسبة بين جميع المكونات. يتم ملء مدخل 12V DC ومدخل 220 Volt AC على الجانب الأيسر ، ويقع الإخراج على الجانب الأيمن من PCB. يمكن تنزيل ملف التصميم الكامل لـ Eagle مع Gerber من الرابط أدناه.

• قم بتنزيل ملفات تصميم PCB و GERBER و PDF لدائرة التحكم في زاوية التيار المتردد

PCB اليدوية:

للراحة ، صنعت نسختي المصنوعة يدويًا من ثنائي الفينيل متعدد الكلور وهي مبينة أدناه.

كود اردوينو للتحكم في زاوية طور التيار المتردد

يتم استخدام رمز إنشاء PWM بسيط لجعل الدائرة تعمل ، ويرد أدناه الرمز وشرحها. يمكنك أيضًا العثور على الشفرة الكاملة أسفل هذه الصفحة. أولاً ، نعلن عن كل المتغير الضروري ،

const int analogInPin = A0 ؛ // دبوس الإدخال التناظري الذي يتم توصيل مقياس الجهد به بـ const int analogOutPin = 9 ؛ // دبوس الإخراج التناظري الذي تم توصيل LED به بمستشعر intValue = 0 ؛ // قيمة القراءة من إخراج pot intValue = 0 ؛ // قيمة الإخراج إلى PWM (خرج تناظري)

المتغيرات هي التصريح عن الدبوس التناظري ، والدبوس التناظري ، والمتغيرات الأخرى لتخزين وتحويل وطباعة القيمة المعينة. بعد ذلك في قسم الإعداد () ، قمنا بتهيئة UART بـ 9600 باود حتى نتمكن من مراقبة الإخراج وهذه هي الطريقة التي يمكننا بها معرفة نطاق PWM الذي كان قادرًا على التحكم بشكل كامل في إخراج الدائرة.

إعداد باطل () {// تهيئة الاتصالات التسلسلية بسرعة 9600 بت في الثانية: Serial.begin (9600) ؛ }

بعد ذلك ، في قسم الحلقة () ، قرأنا الدبوس التمثيلي A0 وقمنا بتخزين القيمة لمتغير قيمة المستشعر ، وبعد ذلك نقوم بتعيين قيمة المستشعر إلى 0-255 لأن مؤقت PWM الخاص بـ atmega هو 8 بت فقط ، بعد ذلك اضبط إشارة PWM بوظيفة analogWrite () في Arduino. وأخيرًا ، نقوم بطباعة القيم إلى نافذة الشاشة التسلسلية لمعرفة مدى إشارة التحكم ، إذا كنت تتبع هذا البرنامج التعليمي ، فسيعطيك الفيديو في النهاية فكرة أوضح عن الموضوع.

sensorValue = analogRead (analogInPin) ؛ // اقرأ التناظرية في القيمة: outputValue = map (sensorValue ، 0 ، 1023 ، 0 ، 255) ؛ // تعيينها إلى نطاق التناظرية: analogWrite (analogOutPin ، outputValue) ؛ // قم بتغيير القيمة التناظرية: Serial.print ("sensor =") ؛ // اطبع النتائج على Serial Monitor: Serial.print (sensorValue) ؛ Serial.print ("\ t الإخراج =") ؛ Serial.println (outputValue) ؛

اختبار دائرة التحكم في زاوية طور التيار المتردد

توضح الصورة أعلاه إعداد اختبار الدائرة. يتم توفير مصدر الطاقة بجهد 12 فولت من خلال دائرة SMPS بقوة 12 فولت ، والحمل عبارة عن مصباح كهربائي في حالتنا ، ويمكن استبداله بسهولة \ بحمل استقرائي مثل المروحة. كما يمكنك أن ترى أنني قمت بتوصيل مقياس جهد للتحكم في سطوع المصباح ولكن يمكن استبداله بأي شكل آخر من أشكال التحكم ، إذا قمت بتكبير الصورة ، يمكنك أن ترى أن القدر متصل بـ يأتي دبوس A0 من Arduino وإشارة PWM من pin9 الخاص بـ Arduino.

كما ترى في الصورة أعلاه ، فإن قيمة الخرج هي 84 وسطوع سطوع المصباح المتوهج منخفض جدًا ،

في هذه الصورة ، يمكنك أن ترى أن القيمة تساوي 82 ، ويزيد سطوع المصباح المتوهج.

بعد العديد من المحاولات الفاشلة ، تمكنت من التوصل إلى دائرة تعمل بشكل صحيح بالفعل. هل تساءلت يومًا كيف يبدو مقعد الاختبار عندما لا تعمل الدائرة؟ دعني أخبرك أنها تبدو سيئة للغاية ،

هذه دائرة مصممة مسبقًا كنت أعمل عليها. اضطررت إلى التخلص منه تمامًا وإنشاء واحدة جديدة لأن السابق لم يكن يعمل قليلاً.

مزيد من التحسينات

بالنسبة لهذا العرض التوضيحي ، يتم إنشاء الدائرة على PCB يدويًا ولكن يمكن إنشاء الدائرة بسهولة في PCB عالي الجودة ، في تجاربي ، حجم PCB كبير حقًا نظرًا لحجم المكون ، ولكن في بيئة الإنتاج ، يمكن تقليله باستخدام مكونات SMD الرخيصة ، في تجاربي ، وجدت أن استخدام مؤقت 7555 بدلاً من مؤقت 555 يزيد من التحكم بشكل كبير ، علاوة على ذلك ، يزداد استقرار الدائرة أيضًا.