Como gerenciar com segurança uma carga de 220 volts usando o Arduino

Para o sistema Smart Home, a principal tarefa é controlar os eletrodomésticos a partir de um dispositivo de controle, seja um microcontrolador do tipo Arduino, um microcomputador Raspberry PI ou qualquer outro. Mas fazer isso diretamente não funciona, vamos descobrir como gerenciar a carga de 220 V com o Arduino.

Para controlar os circuitos CA, o microcontrolador não é suficiente por dois motivos:

1. Na saída microcontrolador um sinal de tensão constante é gerado.

2. A corrente através do pino do microcontrolador geralmente é limitada a 20-40 mA.

Temos duas opções para alternar usando um relé ou um triac. O triac pode ser substituído por dois tiristores ligados em paralelo (esta é a estrutura interna do triac). Vamos dar uma olhada mais de perto nisso.

Controle de carga 220 Em usando um triac e microcontrolador

A estrutura interna do triac é mostrada na figura abaixo.

O tiristor funciona da seguinte maneira: quando uma tensão de polarização direta é aplicada ao tiristor (mais ao ânodo e menos ao catodo), nenhuma corrente passa por ele até que você aplique um pulso de controle no eletrodo de controle.

Eu escrevi um impulso por uma razão. Ao contrário de um transistor, um tiristor é um comutador semicondutor SEMI-CONTROLLED. Isso significa que, quando o sinal de controle é removido, a corrente através do tiristor continuará a fluir, ou seja, ele permanecerá aberto. Para fechá-lo, é necessário interromper a corrente no circuito ou alterar a polaridade da tensão aplicada.

Isso significa que, ao manter um pulso positivo no eletrodo de controle, você precisa de um tiristor no circuito CA para passar apenas a meia onda positiva. O triac pode passar corrente em ambas as direções, mas porque Consiste em dois tiristores conectados um ao outro.

Os pulsos de controle em polaridade para cada um dos tiristores internos devem corresponder à polaridade da meia-onda correspondente; somente quando essa condição for atendida, uma corrente alternada fluirá através do triac. Na prática, esse esquema é implementado em comum controlador de potência triac.

Como eu disse, o microcontrolador emite um sinal de apenas uma polaridade, para coordenar o sinal, você precisa usar um driver construído em um simulador óptico.

Assim, o sinal acende o LED interno do acoplador óptico, abre o triac, que fornece o sinal de controle ao triac de potência T1. Como driver óptico, o MOC3063 e similares podem ser usados, por exemplo, a foto abaixo mostra o MOC3041.

Circuito de cruzamento zero - circuito detector de cruzamento de fase zero. É necessário para a implementação de vários tipos de reguladores triac em um microcontrolador.

Se o circuito também estiver sem driver óptico, onde a coordenação é organizada através de uma ponte de diodos, mas nela, diferentemente da versão anterior, não há isolamento galvânico. Isso significa que, na primeira oscilação de tensão, a ponte pode romper e a alta tensão estará na saída do microcontrolador, o que é ruim.

Quando você liga / desliga uma carga poderosa, especialmente de natureza indutiva, como motores e eletroímãs, surtos de tensão ocorrem; portanto, é necessário instalar um circuito RC amortecedor em paralelo com todos os dispositivos semicondutores.

Relé e Umrduino

Para controlar relés com UmO Rduino precisa usar um transistor adicional para amplificar a corrente.

Observe que usamos um transistor bipolar com condutividade reversa (estrutura NPN); ele pode ser um KT315 doméstico (amado e conhecido por todos). O diodo é necessário para suprimir surtos de CEM de auto-indução na indutância, isto é necessário para que o transistor não falhe devido a uma alta tensão aplicada.Por que isso acontece explica a lei da mudança: "A corrente na indutância não pode mudar instantaneamente".

E quando o transistor é fechado (remoção do pulso de controle), a energia do campo magnético acumulada na bobina do relé precisa ir a algum lugar, razão pela qual o diodo reverso é instalado. Mais uma vez, observo que o diodo está conectado na direção BACK, ou seja, cátodo para positivo, ânodo para negativo.

Você mesmo pode montar esse esquema, que é muito mais barato, além de poder usar reléclassificado para qualquer tensão constante.

Ou compre um módulo pronto ou uma blindagem inteira com um relé para Arduino:

A foto mostra um escudo caseiro, aliás, ele usou o KT315G para amplificar a corrente, e abaixo você vê o mesmo escudo fabricado na fábrica:

Estas são blindagens de 4 canais, ou seja, você pode incluir até quatro linhas de 220 V. Em detalhes sobre escudos e relés, já publicamos um artigo no site - Escudos úteis para Arduino

O diagrama de conexão da carga em uma tensão de 220 V para o Arduino através de um relé:

Conclusão

Gerenciamento de carga CA seguro significa, em primeiro lugar segurança do microcontrolador todas as informações descritas acima são válidas para qualquer microcontrolador, não apenas para a placa Arduino.

A principal tarefa é fornecer a tensão e a corrente necessárias para controlar o triac ou o relé e o isolamento galvânico dos circuitos de controle e do circuito de energia CA.

Além da segurança do microcontrolador, assim você se assegura para não sofrer um choque elétrico durante a manutenção. Ao trabalhar com alta tensão, você deve seguir todas as regras de segurança, cumprir PUE e PTEEP.

Esses esquemas podem ser usados ​​e para controlar acionadores de partida e contatores poderosos. Triacs e relés, neste caso, atuam como um amplificador intermediário e coordenador de sinais. Em dispositivos de comutação poderosos, grandes correntes de controle de bobina também dependem diretamente da potência do contator ou do iniciador.