Retrofit BLE control to High Power Zatížení - není nutné žádné další zapojení: 10 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Aktualizace: 13. července 2018 - přidán 3 -koncový regulátor k dodávce toroidů

Tento návod pokrývá řízení BLE (Bluetooth Low Energy) stávající zátěže v rozsahu 10W až> 1000W. Napájení se přepíná na dálku z vašeho Android Mobile přes pfodApp.

Není nutné žádné další zapojení, stačí přidat ovládací obvod BLE ke stávajícímu spínači.

Při dodatečném vybavení domácí automatizace na stávající instalace je jediným rozumným místem pro přidání ovládacího prvku stávající přepínač. Zvláště pokud chcete ponechat přepínač jako ruční přepsání. Obvykle jsou však na přepínači pouze dva vodiče, aktivní a spínací vodič k zátěži, žádný neutrální. Jak je uvedeno výše, tento ovladač BLE pracuje pouze s těmito dvěma vodiči a obsahuje přepínač ručního ovládání. Dálkový ovladač i ruční spínač fungují, když je zátěž zapnutá nebo vypnutá.

Konkrétním příkladem je ovládání 200W řady světel umístěním obvodu za nástěnný vypínač. K dispozici je kód pro RedBear BLE Nano (V1.5) a RedBear BLE Nano V2 pro zobrazení ovládacího tlačítka na pfodApp. V kódu je k dispozici také volitelná časovaná funkce automatického vypnutí.

UPOZORNĚNÍ: Tento projekt je pouze pro zkušené konstruktéry. Deska je napájena ze sítě a může být smrtelná, pokud se jí dotknete během chodu. Zapojení této desky do stávajícího obvodu spínače světla by měl provádět pouze kvalifikovaný elektrikář

Krok 1: Proč tento projekt?

Předchozí projekt, Retrofit an Existing Light Switch with Remote Control, pracoval pro zátěže mezi 10W a 120W pro 240VAC (nebo 5W až 60W pro 110VAC), ale nebyl schopen se vyrovnat se světly obývacího pokoje, které se skládají z 10 x 20W = 200W kompaktní zářivky. Tento projekt přidává několik komponent a ručně navinutý toroid, aby odstranil toto omezení zatížení při zachování všech výhod předchozího projektu. Zatížení, které tento design může přepnout, je omezeno pouze jmenovitými hodnotami kontaktů relé. Zde použité relé může spínat odpor 16 A. To je> 1500 W při 110 VAC a> 3500 W při 240 V AC. Řídicí obvod a relé BLE využívá mW, takže se ani neohřívá.

Výhody tohoto projektu jsou:- (další podrobnosti viz Dodatečná montáž existujícího světelného spínače s dálkovým ovládáním)

Jednoduchá instalace a údržba Toto řešení je napájeno ze sítě, ale NENÍ NUTNÉ instalovat žádné další kabely. Stačí nainstalovat přidat ovládací obvod do stávajícího ručního spínače.

Flexibilní a robustní Přepínač ručního ovládání nadále ovládá zátěž, i když obvod dálkového ovládání selže (nebo nemůžete najít svůj mobil). Také můžete na dálku zapnout zátěž poté, co jste ji vypnuli pomocí přepínače ručního ovládání

Další funkce Jakmile máte mikroprocesor, který řídí vaši zátěž, můžete snadno přidávat další funkce. Kód v tomto projektu obsahuje možnost vypnout zatížení po daném čase. Můžete také přidat teplotní čidlo pro ovládání zátěže a dálkové nastavení požadované teploty.

Vytváří základ pro úplnou domácí automatizační síť Tento diagram je z Bluetooth V5 „Specifikace síťového profilu 1.0“, 13. července 2017, Bluetooth SIG

Jak vidíte, skládá se z několika uzlů relé v síti. Reléové uzly jsou aktivní po celou dobu a poskytují přístup k dalším uzlům v síti ak senzorům napájeným z baterie. Instalace tohoto vzdáleného modulu BLE napájeného ze sítě automaticky poskytne sadu uzlů ve vašem domě, které lze přidat do sítě jako uzly relé. RedBear BLE Nano V2 je kompatibilní s Bluetooth V5.

Specifikace BLE Mesh je však velmi nedávná a v současné době neexistují žádné příkladné implementace. V tomto projektu se tedy nastavení sítě netýká, ale jakmile bude k dispozici ukázkový kód, budete moci znovu naprogramovat RedBear BLE Nano V2 tak, aby poskytoval síťovou domácí automatizační síť

Krok 2: Jak je dálkový spínač BLE napájen, když není žádné neutrální připojení?

Myšlenka této kontroly se datuje několik let zpět do jednoduchého obvodu zdroje konstantního proudu. (National Semiconductor Application Note 103, Figure 5, George Cleveland, August 1980)

Na tomto obvodu je zajímavé, že má pouze dva vodiče, jeden a jeden ven. Neexistuje žádné připojení k napájení -ve (gnd) kromě zátěže. Tento obvod se vytáhne nahoru za zaváděcí popruhy. K napájení regulátoru využívá pokles napětí na regulátoru a odporu.

Podobnou myšlenku použil také Retrofit an Existing Light Switch with Remote Control.

Zener 5V6 v sérii se zátěží dodává energii pro regulátor BLE a blokovací relé. Když je zátěž vypnuta, velmi malé množství proudu menší než 5 mA pokračuje v toku přes zener (a zátěž) přes 0,047uF a 1K, čímž obchází otevřený spínač. Tento malý proud, který je sotva detekovatelný a „bezpečný“, je dostačující k napájení regulátoru BLE, když je zátěž vypnutá, a také k nabíjení kondenzátoru k ovládání blokovacího relé pro dálkové zapnutí zátěže. Úplný obvod a podrobnosti najdete v části Dodatečná montáž stávajícího světelného spínače s dálkovým ovládáním.

Omezení výše uvedeného obvodu je, že když je zátěž ZAPNUTA, veškerý proud zátěže prochází zenerem. Použití 5W zeneru omezuje proud na přibližně polovinu zesilovače. To znamená, že 60W lampa (při 110 VAC) 3W se rozptyluje jako teplo zenerem, když je zátěž zapnutá. U systémů 110 V AC to omezuje zatížení na přibližně 60 W a u systémů 240 V přibližně 120 W. S moderním LED osvětlením to často stačí, ale s 200W lampami v obývacím pokoji by si neporadilo.

Zde popsaný obvod toto omezení odstraňuje a umožňuje dálkové ovládání kilowattů pomocí mW prostřednictvím BLE a pfodApp.

Krok 3: Schéma zapojení

Okruh výše ukazuje zátěž VYP. V tomto stavu je regulátor BLE napájen přes 0,047uF a 1K jako v předchozím obvodu. Když je zátěž ZAPNUTA (tj. Ovládejte buď nástěnný spínač nebo blokovací relé ve výše uvedeném obvodu), horní můstkový usměrňovač a součásti 0,047uF a 1K jsou zkratovány relé a spínačem. Proud při plném zatížení pak protéká toroidním transformátorem, který dodává mW potřebné pro řídicí obvod. Ačkoli je toroid zobrazen jako primární s přibližně 3,8 V AC, primární vinutí je téměř zcela reaktivní a je mimo fázi s napětím zátěže, takže toroid ve skutečnosti odebírá velmi málo energie, ve skutečnosti mW.

Kompletní schéma zapojení je zde (pdf). Seznam dílů BLE_HighPower_Controller_Parts.csv je zde

Další komponenty můžete vidět na levé straně. Toroidní transformátor, tlumič přepětí, omezující odpor a usměrňovač plné vlny. Retrofit an Existing Light Switch with Remote Control popisuje zbytek obvodu.

Napětí dodávané toroidním transformátorem se mění s proudem zátěže (další podrobnosti viz níže). Více 7V je zapotřebí k řízení plného vlnového usměrňovače a zeneru. Rezistor RL je zvolen tak, aby omezoval proud přes Zener na několik mA, řekněme méně než 20 mA. Mít toroidní napájecí napětí, které se mění s proudem zátěže, není velký problém, protože široký rozsah proudů, které může zener zvládnout, 0,1 mA až 900 mA, což poskytuje široký rozsah dostupných poklesů napětí napříč RL, a tedy široký rozsah přijatelných Toroidní napájecí napětí. Samozřejmě pro účinnost bychom chtěli, aby výstupní napětí z toroidu přesněji odpovídalo tomu, co je potřeba.

Aktualizace: 13. července 2018-nahrazen RL 3-koncovým regulátorem

Při kontrole hardwaru po několika měsících vypadal odpor omezující proud RL mírně spálený, takže obvod toroidního transformátoru byl upraven (modifiedCircuit.pdf) tak, aby místo něj používal 3-koncový omezovač proudu.

Byl přidán Z1 (obousměrný zener) k omezení špiček napětí na primárním na <12V a IC1 přidán k omezení proudu dodávaného sekundárním na ~ 10mA. Byl použit LM318AHV s limitem vstupního napětí 60 V a Z2 omezuje výstup transformátoru na <36 V k ochraně LM318AHV.

Krok 4: Návrh toroidního transformátoru

Zde je použit toroidní transformátor, protože má velmi nízký únik magnetického toku a minimalizuje tak rušení se zbytkem obvodu. Existují dva hlavní typy toroidních jader, železný prášek a ferit. Pro tento design musíte použít typ železného prášku, který je určen pro použitou energii. Použil jsem jádro HY-2 od Jaycar, LO-1246. Výška 14,8 mm, vnější průměr 40,6 mm, vnitřní průměr 23,6 mm Zde je specifikační list. Tento list uvádí, že toroidy T14, T27 a T40 jsou podobné, takže místo toho můžete vyzkoušet jeden z nich.

Konstrukce transformátoru je umění kvůli nelineární povaze křivky BH, magnetické hysterezi a ztrátám jádra a drátu. Magnetic Inc má proces návrhu, který se zdá být přímočarý, ale vyžaduje Excel a neběží pod Open Office, takže jsem ho nepoužil. Naštěstí zde potřebujete pouze zhruba správný design a můžete jej upravit přidáním primárních otáček nebo zvýšením RL. Použil jsem níže uvedený postup návrhu a poprvé jsem přijal přijatelný transformátor po přidání druhého primárního vinutí. Vylepšil jsem počet závitů a proces navíjení pro druhý transformátor.

Základní konstrukční kritéria jsou:-

• V jádru musí být dostatečná změna magnetického pole (H), aby se překonala hystereze křivky BH, ale ne natolik, aby se jádro nasytilo. tj. řekněme 4500 až 12000 Gaussů.
• Primární volty závisí na:- indukčnosti primárního vinutí a síťové frekvenci, která udává reaktanci, a poté časech zátěžového proudu, aby se získalo napětí primárního vinutí.
• Sekundární volty závisí zhruba na poměru závitů sekundárně k primárnímu času primárních voltů. Ztráty jádra a odpor vinutí znamenají, že výkon je vždy menší než u ideálního transformátoru.
• Sekundární volty musí překročit 6,8 V (== 5,6 V (zener) + 2 * 0,6 V (usměrňovací diody)), aby dostatek střídavého cyklu poskytl průměrný proud zenerem větší než několik mA pro napájení obvodu BLE.
• Velikost primárního vinutí je třeba zvolit tak, aby byla schopna přenášet proud při plném zatížení. Sekundární bude normálně přenášet mA pouze po vložení omezovacího odporu RL, takže velikost vodiče sekundárního vinutí není kritická.

Krok 5: Návrh pro 50Hz síť

Kalkulačka indukčnosti toroidů na otáčku vypočítá indukčnost a Gauss/zesilovač pro daný počet závitů, vzhledem k rozměrům toroidu a propustnosti, ui.

U této aplikace se v obývacím pokoji svítí, zatěžovací proud je asi 0,9A. Za předpokladu zesílení transformátoru 2: 1 a špičky vyšší než 6,8 V na sekundární straně musí být špičkové primární napětí větší než 6,8 / 2 = 3,4 V Peak / sqrt (2) == AC RMS volty, takže primární RMS volty potřebují být větší než 3,4 / 1,414 = 2,4 V RMS. Zaměřme se tedy na primární RMS volty řekněme o 3 V AC.

Primární napětí závisí na reaktanci krát zátěžový proud, tj. 3/0,9 = 3,33 primární reaktance. Reaktance pro vinutí je dána 2 * pi * f * L, kde f je frekvence a L je indukčnost. Takže pro 50Hz hlavní systém L = 3,33 / (2 * pi * 50) == 0,01 H == 10 000 uH

Použití kalkulačky indukčnosti na otáčku toroidů a vložení rozměrů toroidů 14,8 mm výšky, 40,6 mm OD, 23,6 mm ID a za předpokladu 150 pro ui dává pro 200 otáček 9635uH a 3820 Gauss/A Poznámka: ui je uvedeno ve specifikaci jako 75, ale pro zde použité nižší úrovně hustoty toku je 150 blíže správnému obrázku. To bylo určeno měřením primárního napětí konečné cívky. Ale s přesným číslem si moc hlavu nedělejte, protože primární vinutí můžete opravit později.

Takže pomocí 200 otáček dejte po dobu 50 Hz, f, dodejte reaktanci == 2 * pi * f * L == 2 * 3,142 * 50 * 9635e-6 = 3,03 a tak volty na primárním vinutí při 0,9 A RMS AC je 3,03 * 0,9 = 2,72 V RMS pro špičkové napětí 3,85 V a sekundární špičkové napětí 7,7 V, za předpokladu zesílení transformátoru 2: 1.

Špičkový Gauss je 3820 Gauss / A * 0,9A == 4861 Gauss, což je méně než úroveň nasycení 12000 Gaussů pro toto jádro.

U transformátoru 2: 1 musí mít sekundární vinutí 400 závitů. Testování ukázalo, že tento návrh fungoval a odpor omezující RL 150 ohmů poskytl průměrný zenerův proud přibližně 6 mA.

Primární velikost vodiče byla vypočítána pomocí Výpočtu výkonových transformátorů síťové frekvence - Výběr správného vodiče. U 0,9 A měla tato webová stránka průměr 0,677 mm. Pro primární byl tedy použit smaltovaný drát o průměru 0,63 mm (Jaycar WW-4018) a pro sekundární smaltovaný drát o průměru 0,25 mm (Jaycar WW-4012).

Skutečná konstrukce transformátoru používala jediné sekundární vinutí 400 závitů smaltovaného drátu o průměru 0,25 mm a dvě (2) primární vinutí po 200 závitech smaltovaného drátu o průměru 0,63 mm. Tato konfigurace umožňuje konfiguraci transformátoru tak, aby pracoval se zatěžovacími proudy v rozsahu 0,3 A až 2 A, tj. (33 W až 220 W při 110 V NEBO 72 W až 480 W při 240 V). Připojení primárních vinutí je sériové, zdvojnásobuje indukčnost a umožňuje použití transformátoru pro proudy až 0,3 A (33 W při 110 V nebo 72 W při 240 V) s RL == 3R3 a až 0,9 A s RL = 150 ohmů. Paralelní propojení dvou primárních vinutí zdvojnásobí jejich proudovou zatížitelnost a zajistí zátěžový proud 0,9 A až 2 A (220 W při 110 V a 480 W při 240 V) s příslušným RL.

Pro moji aplikaci ovládající 200W světel při 240V jsem připojil vinutí paralelní a pro RL použil 47 ohmů. To úzce odpovídá výstupnímu napětí tomu, co bylo potřeba, a zároveň umožňuje, aby obvod stále fungoval pro zatížení až 150 W, pokud jedna nebo více žárovek selhalo.

Krok 6: Úprava zatáček pro 60Hz síť

Při 60 Hz je reaktance o 20% vyšší, takže nepotřebujete tolik otáček. Protože indukčnost se mění jako N^2 (otáčky na druhou), kde N je počet závitů. U 60Hz systémů můžete snížit počet otáček asi o 9%. To je 365 otáček pro sekundární a 183 otáček pro každou primární pro pokrytí 0,3 A až 2 A, jak je popsáno výše.

Krok 7: Navrhování pro vyšší zatěžovací proudy, příklad 10A 60 Hz

Relé použité v tomto projektu může spínat odporový zatěžovací proud až 16A. Výše uvedený design bude fungovat pro 0,3A až 2A. Kromě toho začne toroid nasycovat a velikost primárního vinutí není dostatečně velká, aby unesla zátěžový proud. Výsledek, potvrzený testováním se zátěží 8,5A, je páchnoucí horký transformátor.

Jako příklad návrhu s vysokou zátěží pojďme navrhnout zátěž 10 A v systému 60 Hz 110 V. To je 1 100 W při 110 V.

Předpokládejme primární napětí řekněme 3,5 V RMS a transformátor 2: 1 umožňující určité ztráty, pak je potřebná primární reaktance 3,5 V / 10 A = 0,35. Pro 60 Hz to znamená indukčnost 0,35/(2 * pi * 60) = 928,4 uH

Při použití ui 75 tentokrát, protože hustota toku bude vyšší, viz níže, několik pokusů o počet otáček v kalkulačce indukčnosti toroidů na otáčku dává 88 otáček pro primární a 842 Gauss / A pro hustotu toku nebo 8420 Gauss při 10A, což je stále v rámci limitu saturace 12 000 Gaussů. Na této úrovni toku je u i pravděpodobně stále vyšší než 75, ale počet primárních závitů můžete upravit, když testujete transformátor níže.

Výpočet výkonových transformátorů síťové frekvence dává velikost vodiče o průřezu 4 mm^2 nebo průměr 2,25 mm nebo možná o něco méně řekněme dvě primární vinutí po 88 otáčkách o průřezu 2 mm^2, tj. 1,6 mm dia drát, zapojené paralelně tak, aby celkem 4 mm^2 průřez.

Chcete -li sestrojit a otestovat tento design, naviňte sekundární vinutí o 176 otáčkách (abyste získali dvojnásobek výstupního napětí jako dříve) a poté naviňte pouze jedno 88otáčkové primární vedení o průměru 1,6 mm. Poznámka: Ponechte na drátu další drát, abyste mohli v případě potřeby přidat další otáčky. Poté připojte zátěž 10A a zjistěte, zda sekundární může dodávat napětí/proud potřebný ke spuštění obvodu BLE. Průměr 1,6 mm může odolat 10 A po krátkou dobu, kterou měříte sekundárně.

Pokud je k dispozici dostatek voltů, určete RL nezbytný k omezení proudu a případně sejměte několik otáček, pokud je nadměrné napětí velké. V opačném případě, pokud není sekundární napětí dostatečné, přidejte k primárnímu napětí ještě několik otáček, abyste zvýšili primární napětí a tím i sekundární napětí. Zvýšení primárního napětí jako N^2, zatímco sekundární napětí klesá zhruba o 1/N kvůli změně poměru otáček, takže přidání primárního vinutí zvýší sekundární napětí.

Jakmile určíte počet primárních závitů, které potřebujete, můžete druhé primární vinutí navinout rovnoběžně s prvním, abyste získali proudovou zatížitelnost při plném zatížení.

Krok 8: Navíjení toroidního transformátoru

K navinutí transformátoru musíte nejprve navinout drát na tvarovku, která se vejde skrz toroid.

Nejprve si spočítejte, kolik drátu potřebujete. U Jaycaru jsou toroidy LO-1246 každé otočení asi 2 x 14,8 + 2 * (40,6-23,6)/2 == 46,6 mm. Takže na 400 otáček potřebujete asi 18,64 m drátu.

Dále vypočítejte velikost jednoho otáčení na prvním, který použijete. Použil jsem tužku o průměru 7,1 mm, která poskytla délku otáčení pi * d = 3,14 * 7,1 == 22,8 mm na otáčku. Takže na 18,6 m drátu jsem potřeboval asi 840 závitů na prvním. Spíše než počítat, že by závity byly na první, jsem vypočítal přibližnou délku 840 závitů, za předpokladu 0,26 mm dia drát (o něco větší než skutečný 0,25 mm průměr drátu). 0,26 * 840 = 220 mm dlouhé vinutí těsně navinutých závitů, aby se na první dostalo 18,6 m drátu. Vzhledem k tomu, že tužka byla pouze 140 mm dlouhá, potřeboval bych minimálně 2,2 vrstvy po 100 mm. Nakonec jsem přidal asi 20% dalšího drátu, aby bylo umožněno nedbalé navíjení a prodloužení délky otáčení na toroidu pro druhou vrstvu a ve skutečnosti jsem na tužku vložil 3 vrstvy o délce 100 mm.

K navinutí drátu na tužku jsem použil k otáčení tužky velmi pomalý vrták. S využitím délky vrstev jako vodítka jsem nemusel počítat otáčky. Můžete také použít ruční vrtačku namontovanou ve svěráku.

Držel jsem toroid ve svěráku s měkkou čelistí, který mohl otáčet čelistmi, aby držel toroid vodorovně, navinul jsem nejprve sekundární vinutí. Počínaje vrstvou tenké oboustranné pásky kolem vnější strany toroidu, která pomůže udržet drát na místě, jak jsem ho navinul. Mezi každou vrstvu jsem přidal další vrstvu kohoutku, aby věci zůstaly na svém místě. Konečnou vrstvu tapu můžete vidět na fotografii výše. Speciálně pro tuto práci jsem si koupil svěrák, Stanley Multi Angle Hobby Vice. Stálo to za ty peníze.

Podobný výpočet byl proveden pro přípravu vinutí pro dvě primární vinutí. I když je tomu tak, změřil jsem novou velikost toroidu se sekundárním vinutím na místě, abych vypočítal délku zatáčky. Nahoře je fotografie transformátoru se sekundárním vinutím a drátu pro první primární vinutí na prvním připraveném ke spuštění vinutí.

Krok 9: Konstrukce

U tohoto prototypu jsem znovu použil jednu z desek plošných spojů popsaných v části Dodatečná montáž existujícího světelného spínače s dálkovým ovládáním a vyřízl dvě stopy a přidal odkaz k opětovné konfiguraci pro toroid.

Toroid byl namontován samostatně a tlumič přepětí umístěn přímo přes sekundární vinutí.

K montáži plného vlnového usměrňovače a RL byla použita dceřiná deska.

Přepěťová ochrana byla pozdním přídavkem. Když jsem poprvé testoval celý obvod se zátěží 0,9 A, slyšel jsem ostré prasknutí při použití pfodApp pro vzdálené zapnutí zátěže. Bližší kontrola zjistila při zapnutí malý modrý výboj z RL. Při zapnutí byl na tranzistor během přechodu aplikován celý 240 V RMS (vrchol 340 V). Sekundární s poměrem otáček 2: 1 generoval až 680 V, což stačilo na to, aby došlo k poruše mezi RL a blízkou tratí. Tento problém vyřešilo vyklizení blízkých kolejí a přidání tlumiče přepětí 30,8 V na sekundární cívku.

Krok 10: Programování BLE Nano a připojení

Kód v BLE Nano je stejný jako kód použitý v Retrofit an Existing Light Switch with Remote Control a tento projekt pojednává o kódu a jak programovat Nano. Jedinou změnou bylo reklamní jméno BLE a výzva zobrazená na pfodApp. Toto tlačítko se zobrazí po připojení přes pfodApp z mobilního telefonu Android.

Obvod monitoruje napětí aplikované na zátěž, aby správně zobrazilo žluté tlačítko, když je zátěž napájena buď dálkovým spínačem, nebo ručním přepínáním.

Závěr

Tento projekt rozšiřuje Retrofit an Existing Light Switch with Remote Control to allow you to remotely control kilowatts of load by just adding this circuit to the existing switch. Není vyžadováno žádné další zapojení a původní spínač nadále funguje jako ruční ovládání, přičemž vám stále umožňuje dálkově zapnout zátěž poté, co jste ji pomocí přepínače ručního ovládání vypnuli

Pokud obvod dálkového ovládání selže nebo nemůžete najít svůj mobil, přepínač ručního ovládání nadále funguje.

Do budoucna, dodatečná montáž spínačů domácího osvětlení pomocí řídicích modulů BLE Nano V2, které podporují technologii Bluetooth V5, znamená, že v budoucnu můžete pomocí sítě Bluetooth V5 nastavit domácí automatizační síť.