- Apa itu Kontrol Sudut Fase AC dan Bagaimana Cara Kerjanya?
- Tantangan dalam Kontrol Sudut Fase
- Bahan yang Dibutuhkan untuk Sirkuit Kontrol Sudut Fase AC
- Diagram Sirkuit Kontrol Sudut Fase AC
- Sirkuit Kontrol Sudut Fase AC - Bekerja
- Desain PCB untuk Sirkuit Kontrol Sudut Fase AC
- Kode Arduino untuk Kontrol Sudut Fase AC
- Menguji Sirkuit Kontrol Sudut Fase AC
- Peningkatan Lebih Lanjut
Sistem otomasi rumah semakin populer dari hari ke hari, dan saat ini menjadi mudah untuk menghidupkan & mematikan peralatan tertentu dengan menggunakan beberapa mekanisme kontrol sederhana seperti relai atau sakelar, kami sebelumnya telah membangun banyak Proyek Otomasi Rumah berbasis Arduino menggunakan relai. Namun ada banyak peralatan rumah tangga yang membutuhkan kendali daya AC ini daripada sekedar menyalakan atau mematikan. Sekarang, memasuki dunia kontrol sudut fasa AC, ini adalah teknik sederhana di mana Anda dapat mengontrol sudut fasa AC. Ini berarti Anda dapat mengontrol kecepatan kipas angin gantung atau kipas AC lainnya, atau bahkan Anda dapat mengontrol intensitas lampu LED atau lampu pijar.
Walaupun kedengarannya sederhana, proses penerapannya sebenarnya sangat sulit, jadi pada artikel ini, kita akan membangun rangkaian kontrol sudut fasa AC sederhana dengan bantuan timer 555, dan pada akhirnya, kita akan menggunakan Arduino untuk menghasilkan sinyal PWM sederhana untuk mengontrol intensitas bola lampu pijar. Seperti yang sekarang dapat Anda bayangkan dengan jelas, dengan sirkuit ini, Anda dapat membangun sistem otomasi rumah sederhana di mana Anda dapat mengontrol kipas dan peredup lampu AC dengan Arduino tunggal.
Apa itu Kontrol Sudut Fase AC dan Bagaimana Cara Kerjanya?
Kontrol sudut fase AC adalah metode di mana kita dapat mengontrol atau memotong gelombang sinus AC. The sudut tembak dari perangkat switching yang bervariasi mengikuti deteksi nol-persimpangan, menghasilkan tegangan output rata-rata yang berubah secara proporsional dengan gelombang sinus dimodifikasi, gambar di bawah ini menggambarkan lebih.
Seperti yang Anda lihat, pertama-tama kita memiliki sinyal input AC. Selanjutnya, kami memiliki sinyal zero-crossing, yang menghasilkan interupsi setiap 10 ms. Selanjutnya, kita memiliki sinyal pemicu gerbang, setelah kita mendapatkan sinyal pemicu, kita menunggu selama jangka waktu tertentu sebelum memberikan pulsa pemicu, semakin kita menunggu, semakin kita dapat mengurangi tegangan rata-rata dan sebaliknya. Kami akan membahas lebih banyak topik nanti di artikel.
Tantangan dalam Kontrol Sudut Fase
Sebelum kita melihat skema dan semua persyaratan material, mari kita bicara tentang beberapa masalah yang terkait dengan rangkaian semacam ini dan bagaimana rangkaian kita menyelesaikannya.
Tujuan kami di sini adalah untuk mengontrol sudut fase gelombang sinus AC dengan bantuan mikrokontroler, untuk semua jenis aplikasi otomatisasi rumah. Jika kita melihat gambar di bawah, Anda dapat melihat bahwa dalam warna kuning, kita memiliki gelombang sinus, dan hijau, kita memiliki sinyal penyeberangan nol.
Anda dapat melihat bahwa sinyal zero-crossing datang setiap 10 ms saat kami bekerja dengan gelombang sinus 50Hz. Di mikrokontroler, ini menghasilkan interupsi setiap 10ms. jika kita meletakkan kode lain selain itu, kode lain mungkin tidak berfungsi karena gangguan. Seperti yang kita ketahui, line frekuensi dengar di India adalah 50Hz, jadi kita bekerja dengan gelombang sinus 50Hz, dan untuk mengontrol AC utama, kita perlu menghidupkan dan mematikan TRIAC dalam jangka waktu tertentu. Untuk melakukan itu, rangkaian kontrol sudut fase berbasis mikrokontroler menggunakan sinyal penyeberangan nol sebagai interupsi, tetapi masalah dengan metode ini adalah Anda tidak dapat menjalankan kode lain selain kode kontrol sudut kecepatan, karena dengan cara itu akan rusak siklus loop dan salah satu kode tersebut tidak akan berfungsi.
Izinkan saya mengklarifikasi dengan sebuah contoh, misalkan Anda harus melakukan proyek di mana Anda perlu mengontrol kecerahan bola lampu pijar, juga Anda perlu mengukur suhu pada saat yang bersamaan. Untuk mengontrol kecerahan bola lampu pijar, Anda memerlukan rangkaian kontrol sudut fasa, Anda juga perlu membaca data suhu bersamanya, jika ini skenario, rangkaian Anda tidak akan berfungsi dengan baik karena sensor DHT22 membutuhkan waktu untuk berikan data keluarannya. Dalam periode waktu ini, rangkaian kontrol sudut fasa akan berhenti bekerja, yaitu jika Anda telah mengkonfigurasinya dalam mode polling, tetapi jika Anda mengkonfigurasi sinyal zero-crossing dalam mode interupsi, Anda tidak akan pernah bisa membaca data DHT. karena pemeriksaan CRC akan gagal.
Untuk mengatasi masalah ini, Anda dapat menggunakan mikrokontroler yang berbeda untuk rangkaian kontrol sudut fasa yang berbeda tetapi itu akan meningkatkan biaya BOM, solusi lain adalah menggunakan rangkaian kami yang terdiri dari komponen generik seperti timer 555 dan juga lebih murah.
Bahan yang Dibutuhkan untuk Sirkuit Kontrol Sudut Fase AC
Gambar di bawah ini menunjukkan bahan yang digunakan untuk membangun sirkuit, karena ini dibuat dengan komponen yang sangat umum, Anda seharusnya dapat menemukan semua bahan yang terdaftar di toko hobi setempat Anda.
Saya juga telah membuat daftar komponen dalam tabel di bawah ini dengan jenis dan kuantitas, karena ini adalah proyek demonstrasi, saya menggunakan satu saluran untuk melakukannya. Tetapi sirkuit dapat dengan mudah ditingkatkan sesuai kebutuhan.
|
Sl.No |
Bagian |
Tipe |
Kuantitas |
|
1 |
Terminal Sekrup 5.04mm |
Penyambung |
3 |
|
2 |
Header Pria 2.54mm |
Penyambung |
1X2 |
|
3 |
56K, 1W |
Penghambat |
2 |
|
4 |
1N4007 |
Diode |
4 |
|
5 |
0,1uF, 25V |
Kapasitor |
2 |
|
6 |
100uF, 25V |
Kapasitor |
2 |
|
7 |
LM7805 |
Regulator tegangan |
1 |
|
8 |
1K |
Penghambat |
1 |
|
9 |
470R |
Penghambat |
2 |
|
10 |
47R |
Penghambat |
2 |
|
11 |
82K |
Penghambat |
1 |
|
12 |
10K |
Penghambat |
1 |
|
13 |
PC817 |
Optocoupler |
1 |
|
14 |
NE7555 |
IC |
1 |
|
12 |
MOC3021 |
Drive OptoTriac |
1 |
|
13 |
IRF9540 |
MOSFET |
1 |
|
14 |
3.3uF |
Kapasitor |
1 |
|
15 |
Menghubungkan Kabel |
Kabel |
5 |
|
16 |
0.1uF, 1KV |
Kapasitor |
1 |
|
17 |
Arduino Nano (Untuk Tes) |
Mikrokontroler |
1 |
Diagram Sirkuit Kontrol Sudut Fase AC
Skema rangkaian kontrol sudut fasa AC ditunjukkan di bawah ini, rangkaian ini sangat sederhana dan menggunakan komponen generik untuk mencapai kontrol sudut fasa.
Sirkuit Kontrol Sudut Fase AC - Bekerja
Sirkuit ini terdiri dari komponen yang dirancang dengan sangat hati-hati, saya akan membahas masing-masing dan menjelaskan setiap blok.
Sirkuit Deteksi Zero-Crossing:
Pertama, dalam daftar kami adalah rangkaian deteksi persimpangan nol dibuat dengan dua resistor 56K, 1W bersama dengan empat dioda 1n4007 dan optocoupler PC817. Dan rangkaian ini bertanggung jawab untuk memberikan sinyal zero-crossing ke IC timer 555. Juga, kami telah merekam fase dan sinyal netral untuk digunakan lebih lanjut di bagian TRIAC.
Regulator Tegangan LM7809:
Regulator tegangan 7809 digunakan untuk menyalakan rangkaian, rangkaian bertanggung jawab untuk menyediakan daya ke seluruh rangkaian. Selain itu, kami telah menggunakan dua kapasitor 470uF dan kapasitor 0.1uF sebagai kapasitor decoupling untuk IC LM7809.
Sirkuit Kontrol dengan Timer NE555:
Gambar di atas menunjukkan rangkaian kontrol timer 555, 555 dikonfigurasi dalam konfigurasi monostable, jadi ketika sinyal pemicu dari rangkaian deteksi zero-crossing mengenai pelatuk, timer 555 mulai mengisi kapasitor dengan bantuan resistor (secara umum), tetapi rangkaian kami memiliki MOSFET sebagai pengganti resistor, dan dengan mengontrol gerbang MOSFET, kami mengontrol arus yang menuju kapasitor, itulah mengapa kami mengontrol waktu pengisian sehingga kami mengontrol output dari 555 timer. Dalam banyak proyek, kami telah menggunakan IC timer 555 untuk membuat proyek kami, jika Anda ingin tahu lebih banyak tentang topik ini, Anda dapat melihat semua proyek lainnya.
TRIAC dan Sirkuit TRIAC-Driver:
TRIAC bertindak sebagai sakelar utama yang benar-benar hidup dan mati, sehingga mengontrol keluaran sinyal AC. Mengemudi TRIAC adalah penggerak optotriac MOC3021, tidak hanya menggerakkan TRIAC, tetapi juga menyediakan isolasi optik, kapasitor tegangan tinggi 0,01uF 2KV, dan resistor 47R membentuk sirkuit snubber, yang melindungi sirkuit kita dari lonjakan tegangan tinggi yang terjadi ketika terhubung ke beban induktif, sifat non-sinusoidal dari sinyal AC yang diaktifkan bertanggung jawab atas lonjakan. Selain itu, ini bertanggung jawab atas masalah faktor daya, tetapi itu adalah topik untuk artikel lain. Selain itu, di berbagai artikel, kami telah memanfaatkan TRIAC sebagai perangkat pilihan kami, Anda dapat memeriksanya jika itu menarik minat Anda.
Lowpass-Filter dan P-Channel MOSFET (Bertindak sebagai Resistor di Sirkuit):
Resistor 82K dan kapasitor 3.3uF membentuk low pass filter yang bertanggung jawab untuk menghaluskan sinyal PWM frekuensi tinggi yang dihasilkan oleh Arduino. Seperti disebutkan sebelumnya, P-Channel MOSFET bertindak sebagai resistor variabel, yang mengontrol waktu pengisian kapasitor. Mengontrolnya adalah sinyal PWM yang dihaluskan oleh filter low-pass. Pada artikel sebelumnya kita telah merapikan konsep lowpass filter, kamu bisa melihat artikel active low pass filter atau passive low pass filter jika ingin mengetahui lebih banyak tentang topik tersebut.
Desain PCB untuk Sirkuit Kontrol Sudut Fase AC
PCB untuk sirkuit Kontrol sudut Fase kami dirancang dalam papan satu sisi. Saya telah menggunakan Eagle untuk mendesain PCB saya, tetapi Anda dapat menggunakan perangkat lunak Desain pilihan Anda. Gambar 2D dari desain papan saya ditunjukkan di bawah ini.
Pengisian arde yang memadai digunakan untuk membuat sambungan arde yang benar di antara semua komponen. Input 12V DC dan input 220 Volt AC diisi di sisi kiri, output terletak di sisi kanan PCB. File desain lengkap untuk Eagle bersama dengan Gerber dapat diunduh dari tautan di bawah ini.
- Unduh file Desain PCB, GERBER & PDF untuk Sirkuit Kontrol Sudut Fase AC
PCB buatan tangan:
Untuk kenyamanan, saya membuat versi PCB buatan tangan saya dan itu ditunjukkan di bawah ini.
Kode Arduino untuk Kontrol Sudut Fase AC
Kode pembangkitan PWM sederhana digunakan untuk membuat rangkaian berfungsi, kode dan penjelasannya diberikan di bawah ini. Anda juga dapat menemukan kode lengkap di bagian bawah halaman ini. Pertama, kami mendeklarasikan semua variabel yang diperlukan, const int analogInPin = A0; // Pin input analog yang dipasangi potensiometer ke const int analogOutPin = 9; // Pin keluaran analog tempat LED dipasang ke int sensorValue = 0; // nilai yang dibaca dari pot int outputValue = 0; // nilai keluaran ke PWM (keluaran analog)
Variabel tersebut adalah untuk mendeklarasikan pin Analog, pin analogOut, dan variabel lainnya untuk menyimpan, mengubah, dan mencetak nilai yang dipetakan. Selanjutnya di bagian setup () , kami menginisialisasi UART dengan 9600 baud sehingga kami dapat memantau output dan itulah cara kami mengetahui rentang PWM mana yang dapat sepenuhnya mengontrol output rangkaian.
void setup () {// menginisialisasi komunikasi serial pada 9600 bps: Serial.begin (9600); }
Selanjutnya pada bagian loop () , kita membaca pin analog A0 dan menyimpan nilainya ke variabel nilai sensor, selanjutnya kita memetakan nilai sensor menjadi 0 -255 karena timer PWM atmega hanya 8-bit, selanjutnya kita atur sinyal PWM dengan fungsi analogWrite () dari Arduino. dan terakhir, kami mencetak nilai ke jendela monitor serial untuk mengetahui kisaran sinyal kontrol, jika Anda mengikuti tutorial ini, video di bagian akhir akan memberi Anda gambaran yang lebih jelas tentang topik tersebut.
sensorValue = analogRead (analogInPin); // baca analog dalam nilai: outputValue = map (sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // petakan ke kisaran analog out: analogWrite (analogOutPin, outputValue); // ubah nilai analog out: Serial.print ("sensor ="); // mencetak hasilnya ke Serial Monitor: Serial.print (sensorValue); Serial.print ("\ t output ="); Serial.println (outputValue);
Menguji Sirkuit Kontrol Sudut Fase AC
Gambar di atas menunjukkan pengaturan uji rangkaian. Pasokan 12V disediakan oleh sirkuit SMPS 12V, bebannya adalah bola lampu dalam kasus kami, dapat dengan mudah diganti \ dengan beban induktif seperti kipas. Juga seperti yang Anda lihat bahwa saya telah memasang potensiometer untuk mengontrol kecerahan lampu tetapi dapat diganti dengan bentuk pengontrol lain, jika Anda memperbesar gambar, Anda dapat melihat bahwa pot terhubung ke Pin A0 dari Arduino dan sinyal PWM berasal dari pin9 Arduino.
Seperti yang Anda lihat pada gambar di atas, nilai output 84 dan kecerahan bola lampu pijar sangat rendah,
Pada gambar ini, Anda dapat melihat bahwa nilainya 82, dan kecerahan bola lampu pijar meningkat.
Setelah banyak usaha yang gagal, saya dapat menemukan sirkuit yang benar-benar berfungsi dengan baik. Pernah bertanya-tanya bagaimana meja tes terlihat ketika sirkuit tidak berfungsi? Biarkan saya memberi tahu Anda itu terlihat sangat buruk,
Ini adalah sirkuit yang dirancang sebelumnya yang sedang saya kerjakan. Saya harus membuangnya sepenuhnya dan membuat yang baru karena yang sebelumnya tidak berfungsi sedikit.
Peningkatan Lebih Lanjut
Untuk demonstrasi kali ini, rangkaian dibuat pada PCB buatan tangan tetapi rangkaian dapat dengan mudah dibangun dengan PCB berkualitas baik, dalam percobaan saya, ukuran PCB sangat besar karena ukuran komponennya, tetapi dalam lingkungan produksi, itu dapat dikurangi dengan menggunakan komponen SMD yang murah, Dalam percobaan saya, saya menemukan menggunakan timer 7555 daripada timer 555 meningkatkan kontrol secara ekstensif, lebih jauh lagi, stabilitas rangkaian meningkat juga.