Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Jak zbudować mały ściemniacz do żarówek sterowany AVR

mrrudzin 09 Nov 2012 07:02 16569 58
  • #1
    mrrudzin
    Level 39  
    Mam dosyć trudne zadanie - zmieścić ściemniacz, który będize mógł sterować żarówką do 300W w możliwie małej obudowie.

    Przejrzałem różne rozwiązania, dominują dwa nurty:

    - z triakiem

    Jak zbudować mały ściemniacz do żarówek sterowany AVR

    - z mostkiem prostowniczym i mosfetem go zwierającym


    Jak zbudować mały ściemniacz do żarówek sterowany AVR

    Które rozwiązanie generuje mniej zakłóceń?
    Może ktoś z Was budował już miniaturową wersję ściemniacza...

    Wiem że różne firmy produkują tego typu rzeczy, więc napewno się da:
    Jak zbudować mały ściemniacz do żarówek sterowany AVR
  • #2
    tehaceole

    Level 28  
    Osobiście wybrałbym układ z triakiem. Prosty, sprawdzony, niezawodny (przy odpowiednim doborze elementów obwodu bramki i zabezpieczających). Nie twierdzę, że drugi układ jest "be". Będzie on działać. Owszem. Jednk nie lubię udziwnień w układach operujących bezpośrednio na napięciu sieci. Stąd - moim wyborem byłby triak. Bez względu na to z którego rozwiązania skorzystasz będzie ono wprowadzać zakłócenia. Wszak jest to sterowanie fazowe, czyli "cięcie" sinusoidy w wybranych przez nas miejscach. Proponuję zastosowanie fabrycznych układów filtracyjnych (np. filtry zintegrowane z gniazdem zasilającym - spotykane w zasilaczach komputerowych itp.).

    Uwagę Twoją muszę skierować również na inne zagadnienie - sterowanie fazowe. Wbrew pozorom nie jest to takie proste jak by się mogło wydawać. Ale po kolei:
    - z układu detekcji zera otrzymujesz impuls
    - impulsem pobudzasz timer
    - po odliczeniu czasu (0-10ms) podajesz na bramkę triaka (poprzez optotriak) impuls załączający. Wystarczy nawet bardzo krótki impuls. Triak się załączy.
    - po przejściu przez 0 triak wyłączy się samoistnie a Ty powtarzasz wszystko od punktu pierwszego.

    I niby wszystko gra. Jednak to tylko pozory. Załóżmy, że masz 100 kroków regulacji. Jeżeli podzielisz sobie długość półokresu sinusoidy na 100 równych części (wartości opóźnień) to w efekcie zamiast regulacji liniowej uzyskasz charakterystykę regulacji zbliżoną do cosinusa. Jak temu zaradzić? Musisz skorzystać z poniższej formuły:
    Jak zbudować mały ściemniacz do żarówek sterowany AVR
    Jak widać obliczasz w niej dolną granicę całki, która jest wartością opóźnienia jakie musisz wygenerować. Najprościej wartości te (ich ilość = ilości kroków regulacji) umieścić w pamięci programu jako tabelę. W załączniku masz kod w C (PIC) w którym ten mechanizm został użyty oraz arkusz kalkulacyjny w którym wykonano stosowne obliczenia. Masz tam nałożone na siebie 3 wykresy.
    - czerwony: półokres sinusoidy,
    - niebieski: charakterystyka regulacji uzyskana poprzez podzielenie czasu półokresu przez ilość kroków,
    - żółty: charakterystyka regulacji (liniowa) uzyskana poprzez zastosowanie wspomnianego wzoru.
    Uwagę Twoją muszę zwrócić także na inny aspekt: kod pisany był dla pewnego urządzenia, które obwarowane było olbrzymim naciskiem na bezpieczeństwo (aparatura medyczna). Stąd pomysł, aby diodę nadawczą optotriaka podłączyć do mikrokontrolera nie bezpośrednio przez rezystor, ale poprzez kondensator. I sterować ją nie zero/jedynkowo, tylko poprzez wystawienie przebiegu prostokątnego. W tym rozwiązaniu w przypadku awarii mikrokontrolera, awarii portu triak nie zostanie przypadkowo załączony.
    Kod w C zawiera kilka błędów merytorycznych (pisałem go parę lat temu, gdy nie znałem jeszcze C tak jak dziś), ale kompilował się poprawnie (bez ostrzeżeń itp.) i działał.

    Przepraszam, że z tą teorią wypaliłem trochę offtopowo. Pytałeś w końcu o aspekt budowy sprzętowej. Ale w kontekście użycia modułu sprzętowego ta wiedza okazuje się być przydatna.
  • #4
    m.biruta
    Level 16  
    Pamiętaj o układzie prostującym i obniżającym 230v do 5v dla avra :-)
  • #5
    Kuniarz
    Moderator of Designing
    Pomyśl o sterowaniu triakiem przez dedykowany ku temu układ scalony U2008. Nie będzie to pewnie super miniaturowe, ale rozwiązanie jest sprawdzone w praktyce ;-)
  • #6
    mrrudzin
    Level 39  
    m.biruta wrote:
    Pamiętaj o układzie prostującym i obniżającym 230v do 5v dla avra :-)


    Ukad prostujácy musi byc tylko w przypadku rozwiázania z triakiem? Uklad ten da sie zrobic inaczej niz stosujac 2W rezystory i optoelement?

    W przypadku PWM i tranzystora raczej nie ma to sensu.

    o u 2008 myslalem, ale to niestety zajmuje sporo miejsca.
  • #7
    _jta_
    Electronics specialist
    Myślę, że układ z MOSFET-em zajmie więcej miejsca, niż z triakiem,
    i będzie miał większe straty na diodach, niż układ z triakiem na triaku
    - może sprawdź w notach katalogowych, jak porównuje się napięcie
    przewodzenia triaka i suma napięć przewodzenia dwu diod mostka?

    A jeśli chodzi o sterowanie i charakterystykę sinusa, to czy potrzeba
    mieć liniową zależność i co ma być zależne liniowo od nastawienia?
    Ja bym się nie przejmował nieliniowością, jak trzeba będzie ustawiać
    małą jasność żarówek, to nieliniowa charakterystyka w tym pomoże.
  • #8
    ZbeeGin
    Level 39  
    Ponieważ jest to żarówka, zatem obciążenie rezystancyjne, to zamiast sterowania fazowego może warto zastosować regulację grupową? Przy odpowiedniej synchronizacji z siecią, triak będzie się zawsze włączał i wyłączał "w zerze" więc zakłócenia będą minimalne. Ze względów oszczędnościowych pomijam optotriaka z ZCD.
    A propos ZCD: http://www.atmel.com/images/doc2508.pdf

    Zasilanie to klasyczny zasilacz beztransformatorowy, z tą drobną zmianą, że polaryzację napięcia wyjściowego będzie miał odwróconą (ze względu na triaka, który wtedy lepiej się steruje) i -5V podłączysz do GND.
  • #12
    klamocik
    Level 31  
    Jeżeli to ma być małe to regulator jak w wiertarce, tyrystor diak i kondensator to raptem 1 cm ³ układ przeciwzakłuceniowy 2cm można zrobić mniejszy niż ten na zdjęciu, po co scalaki i jakieś transoptory.
  • #13
    Kuniarz
    Moderator of Designing
    klamocik wrote:
    po co scalaki i jakieś transoptory.

    ...chyba po to, że autor chce sterować żarówką/silnikiem z poziomu procesorka AVR.
  • #14
    mrrudzin
    Level 39  
    Autor chce sterować za pomocą AVRa, do tego używając interfejsu sieciowego. Dlatego musi być separacja galwaniczna od sieci (więc transoptory) i procesor...

    Quote:

    Jak nie będzie zsynchronizowana z tętnieniami napięcia, to żarówka będzie migać.

    Nawet przy sterowaniu COOLMOSem za pomocą PWM z częstotliwością rzędu 10kHz?

    Wracajac do tematu optymalny będzie układ jak niżej?

    Jak zbudować mały ściemniacz do żarówek sterowany AVR

    Jak dobrać indukcyjność cewki L2?
    Czy R11 może być większe / C15 mniejsze?
  • #15
    _jta_
    Electronics specialist
    Przy 10kHz nie będzie widać dudnień ze 100Hz, ale po co aż taka częstotliwość?

    L2 nie większa, niż 0.2H ;) ale jak C15 mniejszy, to L2 też, R11 nie zwiększaj.

    Mam wrażenie, że prąd przez 4N35 może być trochę za duży, i może celowe
    byłoby zmienić tam parę rzeczy: oporniki od strony fazy, a nie neutralnej, za
    mostkiem zenerka do ograniczenia napięcia, 4N35 zasilany poprzez opornik
    z tego ograniczonego napięcia - w ten sposób dostanie mniejszy prąd średni,
    ale równie wyraźny sygnał przejścia przez zero.
  • #16
    mrrudzin
    Level 39  
    Dziękuje za rzeczową odpowiedź

    _jta_ wrote:
    Przy 10kHz nie będzie widać dudnień ze 100Hz, ale po co aż taka częstotliwość?

    Wystarczyłby 1kHz. Czy taki układ (bez synchronizacji z siecią, składający się z mostka i jednego CoolMos-a) będzie rzeczywiście zajmował więcej miejsca?
    Jak z zakłóceniami? Rozumiem że w tym przypadku układ filtrujący (kondensator i indukcyjność pomijamy)

    _jta_ wrote:

    L2 nie większa, niż 0.2H ;) ale jak C15 mniejszy, to L2 też, R11 nie zwiększaj.


    Jak dobrać te elementy aby całość była możliwie mała (więc i elementy będą miały małe wartości), a jednocześnie spełniała swoją funkcję filtra.

    _jta_ wrote:

    Mam wrażenie, że prąd przez 4N35 może być trochę za duży, i może celowe
    byłoby zmienić tam parę rzeczy: oporniki od strony fazy, a nie neutralnej, za
    mostkiem zenerka do ograniczenia napięcia, 4N35 zasilany poprzez opornik
    z tego ograniczonego napięcia - w ten sposób dostanie mniejszy prąd średni,
    ale równie wyraźny sygnał przejścia przez zero.


    A może oporniki powinny być jeszcze większe? Czy dobrze licze że przy przytoczonym wyżej układzie prąd płynący przez 4N35 będzie rzędu 3mA?
    Zener ma zabezpieczyć przed zbyt dużym napięciem, więc 5V1 wystarczy?
    Rezystor R12 przez który zasilany jest 4N35 powinien mieć wartość pojedyńczych omów (np. 330)?

    Jak zbudować mały ściemniacz do żarówek sterowany AVR
  • #17
    _jta_
    Electronics specialist
    Przy 1kH miganie z dudnień mogłoby być widoczne (dobre kilka % jasności).

    Tłumienie zakłóceń zależy głównie od indukcyjności, którą trudno byłoby zrobić
    tak, by była duża, działała przy sporym prądzie, a miała małe wymiary; gałąź
    R11 C15 jest potrzebna, żeby triak mógł się włączyć (bo inaczej indukcyjność
    by w tym przeszkodziła). Należy zastosować C15 nie mniejszy od L2/R11^2.

    Z opornikami i prądem 4N35 pomyliłem się o czynnik 10 (policzyłem za dużo),
    więc to kombinowanie z zenerką i R12 nie jest potrzebne.
  • #18
    marek_ka
    Level 26  
    Sterowanie triakiem generuje więcej zakłóceń niż mostek z MOSFET. Triak załącza np. w szczycie sieci i przewodzi do zera. Kombinacje z dławikami nie są proste do sterowania.

    Natomiast MOS może wycinać tylko szczyty napięcia.

    Ewentualnie przewodzi np. od -100V do 100V a między 100 - 290 - 100 pracować jako PWM o zmiennym wypełnieniu.
  • #19
    _jta_
    Electronics specialist
    A to chyba jest kwestia: (1) szybkości przełączania (na ile ostre zbocza),
    (2) częstotliwości przełączeń i (3) napięcia włączania/prądu wyłączania.
    Zmniejszenie szybkości przełączania zmniejsza zakłócenia, ale zwiększa
    moc strat w elemencie przełączającym - trzeba ją jakoś odprowadzać.
    Stosowanie PWM to większa częstotliwość przełączeń i spowoduje dużo
    większe zakłócenia, niż triak z układem tłumiącym zakłócenia.
  • #20
    marek_ka
    Level 26  
    Im większa częstotliwość tym mniejsze i tańsze elementy tłumiące zakłócenia.

    Poza tym żarówka 300W generuje niewielkie zakłócenia.
    MOS daje możliwość ograniczenia prądu rozruchu, przy triaku to już nie jest takie trywialne.
  • #22
    marek_ka
    Level 26  
    W sterowniku bez PWM czas przewodzenia MOS do okresu może być większy niż w sterowniku z triakiem.
    Załączenie żarówki triakiem generuje duży prąd.
    MOS może załączyć w zerze i odłączyć po osiągnięciu zadanego prądu. Realizacja prosta z wykorzystaniem np. Atmega 8.
    Jeśli to żarówka za 5 zł to sztuka dla sztuki. Natomiast przy żarówkach specjalizowanych kosztujących 100 i więcej ma to sens.
  • #23
    Dar.El
    Level 40  
    A co z prądem się stanie gdy tranzystor przerwie obwód? Na tym świecie nie ma rzeczy idealnych i przewody w ścianie mają indukcyjność, licznik też doda od siebie.
  • #24
    marek_ka
    Level 26  
    Dar.EL przecież obciążeniem jest żarówka. Kluczowanie takich obciążeń nie generuje przepięć.
  • #25
    _jta_
    Electronics specialist
    Skokowa zmiana prądu w przewodach, które mają indukcyjność, generuje i przepięcia, i zakłócenia.
    Oczywiście można zmieniać prąd wolniej - ale jeśli robimy to przy użyciu MOSFET-a, to wydziela się
    w nim ciepło, które trzeba jakoś odprowadzać - a to uniemożliwia miniaturyzację układu.
  • #26
    Tomasz Gumny
    Level 28  
    Źródłem największych strat w regulatorze jest zasilacz niskiego napięcia dla procesora, układu izolującego galwanicznie i drivera elementu wykonawczego (triak lub MOSFET), sam element wykonawczy oraz układ ograniczający zakłócenia (dławik + RC). O ile klucza i elementów przeciwzakłóceniowych nie przeskoczysz, to o zasilacz warto walczyć. Przede wszystkim proponuję przenieść izolację na styk komunikacyjny. Pozwoli to zastosować prosty zasilacz beztransformatorowy. Najprostszy jest rezystor szeregowy, ewentualnie z szeregową pojemnością. Sensowne rozmiary uzyska się tylko przy znikomy poborze mocy. Lepsze jest zasilanie mieszane: rezystor dla stanu czuwania plus dodatkowy prąd w stanie pracy (coś takiego jest w aplikacji U2008B). Można również zastosować przetwornicę impulsową, która bez izolacji (np. LNK304) zajmuje niewiele miejsca.
    Bezkonkurencyjnym pod względem sterowania jest triak - wymaga tylko krótkiego impulsu wyzwalającego. MOSFET, żeby go nie ugotować wymaga sporego prądu do przeładowywania bramki.
    Elementy przeciwzakłóceniowe są konieczne w każdym wypadku i na ich wymiary wpływu raczej nie mamy, ale dla 300W nie będą duże.
  • #27
    marek_ka
    Level 26  
    Nie przesadzajmy z tym grzaniem. Ilość ciepła wydzielanego na triaku i diodach z MOSFET jest porównywalna.
    Spadek napięcia na triaku to ok. 2V, a na diodach z mosfetem porównywalnie. Przy częstotliwości rzędu 100 - 1000Hz straty na przełączanie można zaniedbać.
  • #29
    Tomasz Gumny
    Level 28  
    Dlatego nie pisałem o stratach na kluczu, ale o mocy potrzebnej do wysterowania klucza. Pod tym względem triak jest oszczędniejszy.
  • #30
    marek_ka
    Level 26  
    Zamiast strzępić klawiaturę, proponuję policzyć.

    Zabytkowy tranzystor, IRF840 (można wziąć coś nowszego) U = 500V, Icon = 5,1A. Ron = 0,85 Om , poj. bramki 1,3nF

    Ten prąd bramki średni, to ile wyniesie?

    Tak na oko, to ok. 0,1E-6 (A), przy częstotliwości przełączania 1000Hz, a przecież może być 100Hz.

    Tyrystor też załącza z jakąś stromością i podobną można uzyskać na tranzystorze. Czyli straty przełączania podobne.