На последнем этапе на симистор подается импульс ШИМ-сигнала, который заставляет его открываться/закрываться, и, следовательно, симистор управляет скоростью вращения вентилятора, регулируя количество энергии, подаваемой на него. ШИМ-сигнал генерируется платой Arduino. Подробнее о формировании ШИМ-сигнала с помощью платы Arduino вы можете прочитать в этой статье.
Управление скоростью вращения вентилятора с помощью Arduino и симистора
В технологии микроконтроллеров широтно-импульсная модуляция (ШИМ) обычно используется для плавного управления чем-либо (интенсивностью света, скоростью вращения двигателя, скоростью вращения вентилятора и т.д.) И мы уже рассматривали подобные проекты на нашем сайте, например, управление яркостью светодиодов, скоростью вращения вентилятора и т.д. Однако в этой статье мы рассмотрим, как управлять скоростью вентилятора переменного тока с помощью платы Arduino и симистора (TRIAC).
Внимание В рассматриваемом проекте используется переменное напряжение 220 В, которое очень опасно для здоровья человека, если не соблюдать необходимые меры предосторожности. Необходимо соблюдать осторожность и не прикасаться голыми руками к компонентам, находящимся под напряжением 220 вольт.
Необходимые компоненты
- Плата Arduino Uno (можно приобрести на AliExpress).
- Оптопара 4N25 (для определения пересечения нуля) (купить на AliExpress).
- Потенциометр 10 кОм (купить на AliExpress).
- Оптопара MOC3021 (купить на AliExpress).
- Понижающий трансформатор (0-9)В, 500 мА (купить на AliExpress).
- Симистор BT136 (TRIAC) (купить на AliExpress).
- Вентилятор переменного тока 220 В.
- Соединительные провода.
- Резисторы (купить на AliExpress).
Мы разделим этот принцип управления на следующие 4 части:
- Детектор пересечения нуля.
- Схема контроля фазового угла.
- Потенциометр для управления скоростью вращения вентилятора.
- Схема генерации ШИМ-сигнала.
Давайте проанализируем эти этапы более подробно.
1. Детектор пересечения нуля
В нашей домашней сети переменное напряжение составляет 220 В и изменяется с частотой 50 Гц. Полярность этого сигнала периодически меняется: в первой половине периода ток течет в одном направлении – он увеличивается, достигает максимального значения, а затем снова падает до нуля. Затем, в следующей половине периода, ток начинает течь в противоположном направлении (отрицательном), достигает максимума, а затем снова возвращается к нулю. Чтобы управлять скоростью вентилятора, нам нужно контролировать пиковые значения тока в обоих полупериодах. Для этого нам нужно знать точку, в которой сигнал проходит через нулевое напряжение.
На схеме ниже показана схема детектора перехода через нулевое напряжение, разработанная для обнаружения этой точки. В схеме напряжение сначала понижается с 220 В до 9 В с помощью понижающего трансформатора, а затем подается на контакты 1 и 2 оптопары 4N25. В составе оптопары 4N25 имеется светодиод, подключенный к выводам 1 и 2. Поэтому, когда переменное напряжение приближается к нулю, светодиод в оптопаре гаснет, транзистор оптопары закрывается, и выходное напряжение схемы составляет 5 В. Когда напряжение переменного тока достигнет максимума, светодиод в оптопаре загорится, транзистор оптопары откроется, и выходное напряжение схемы будет равно 0В. Таким образом, сигнал с выхода этой схемы может быть подан непосредственно на плату Arduino и использоваться для обнаружения перехода переменного напряжения через ноль.
Что такое контроллеры скорости вращения вентилятора?
Регулятор скорости (также известный как контроллер) помогает уменьшить скорость при необходимости или увеличить ее. По сути, он изменяет напряжение, подаваемое на устройство. Он представляет собой небольшое устройство, подключенное к оборудованию через специальную цепь.
Зачем?
Если вентилятор постоянно работает на максимальной мощности, это сокращает срок его службы. Устройство быстро изнашивается и выходит из строя.
Регулирование скорости не только уменьшает износ вентилятора, но и снижает потребление энергии.
Функции регулятора скорости:
- снижение износа механизма,
- снижение шума,
- экономия энергии.
Как это работает: принцип работы и конструкция
Принцип работы регулятора скорости заключается в изменении напряжения и скорости вращения двигателя. Это влияет на воздухообмен и изменяет производительность воздушного потока.
Для управления скоростью могут использоваться различные методы:
- Изменение напряжения, подаваемого на обмотку.
- Изменение частоты тока.
Второй способ используется редко, так как частотные преобразователи стоят очень дорого, во много раз дороже самого вентилятора, и не всегда целесообразно их приобретать. В основном используется первый метод.
Типы регуляторов скорости
Существует несколько типов регуляторов скорости, основанных на принципе регулирования скорости:
Тиристорные устройства защищают от перегрева и эффективны для однофазного оборудования.
Симисторные регуляторы являются наиболее распространенными и могут охватывать более одного двигателя. Самое главное – не превышать предельный ток.
Схемы подключения регуляторов скорости вращения вентилятора
Рассмотрим схемы подключения различных регуляторов.
Наиболее распространенным устройством является симисторный или тиристорный контроллер. Его можно подключить самостоятельно, используя электрическую схему. Каждый тиристор снижает напряжение. Регулирование осуществляется блоком управления. Производительность устройства ограничена, и оно не выдерживает высоких напряжений.
Важные моменты:
- Двигатель вентилятора должен быть защищен от перегрева.
- Диммеры от светильников не должны использоваться в качестве диммеров.
Трансформаторный регулятор имеет следующий принцип работы:
Входное напряжение составляет 220 В. Обмотка имеет несколько отводов, к которым подключается нагрузка, после чего напряжение снижается. При снижении напряжения снижается и потребляемая мощность. С помощью переключателя двигатель подключается к нужной части обмотки, после чего напряжение изменяется.
Трансформатор с электронным управлением работает по-другому. Он имеет транзисторную схему и благодаря импульсной модуляции может плавно изменять напряжение. Чем короче импульсы и чем больше промежуток между ними, тем ниже напряжение.
Повышающий трансформаторный регулятор
В работе этого устройства используется трансформатор. Он представляет собой обычный трансформатор, но имеет одну обмотку, а некоторые из обмоток имеют отводы.
Регулятор управляется путем ступенчатого изменения напряжения. На низких скоростях уровень шума снижается.
Обычно используется пять ступеней напряжения, что означает, что вентилятор будет иметь пять скоростей. Такой контроллер также можно использовать для реверсивных вентиляторов и нескольких устройств одновременно. Максимальная мощность вентилятора не должна превышать 80 Вт.