Модернизация управления BLE для работы с мощными нагрузками - дополнительная проводка не требуется: 10 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Обновление: 13 июля 2018 - добавлен трехконтактный регулятор для питания тороидов

Это руководство охватывает управление существующей нагрузкой с помощью BLE (Bluetooth Low Energy) в диапазоне от 10 Вт до> 1000 Вт. Питание удаленно переключается с вашего Android Mobile через pfodApp.

Никакой дополнительной проводки не требуется, просто добавьте схему управления BLE к существующему переключателю.

Часто при модернизации существующей домашней автоматизации единственное разумное место для добавления элемента управления - это существующий переключатель. В частности, если вы хотите сохранить переключатель в режиме ручного управления. Однако обычно у переключателя есть только два провода, активный и провод переключателя к нагрузке, а не нейтраль. Как показано выше, этот элемент управления BLE работает только с этими двумя проводами и включает переключатель ручного управления. И пульт дистанционного управления, и ручной переключатель работают, когда нагрузка включена или выключена.

Конкретный пример здесь - управление блоком источников света мощностью 200 Вт путем размещения цепи за настенным выключателем. Код предоставляется как для RedBear BLE Nano (V1.5), так и для RedBear BLE Nano V2 для отображения кнопки управления в pfodApp. Дополнительная функция автоматического выключения по времени также доступна в коде.

ВНИМАНИЕ: этот проект предназначен только для опытных конструкторов. Плата работает от сети и может быть смертельно опасной, если прикоснуться к какой-либо ее части во время работы. Подключение этой платы к существующей цепи выключателя света должно выполняться только квалифицированным электриком

Шаг 1. Почему именно этот проект?

Предыдущий проект «Модернизация существующего переключателя света с дистанционным управлением» работал с нагрузками от 10 до 120 Вт для 240 В переменного тока (или от 5 до 60 Вт для 110 В переменного тока), но не смог справиться с освещением в гостиной, которое состоит из 10 x 20 Вт = 200 Вт. компактные люминесцентные лампы. Этот проект добавляет несколько компонентов и тороид с ручным заводом, чтобы снять это ограничение нагрузки, сохранив при этом все преимущества предыдущего проекта. Нагрузка, которую может переключать эта конструкция, ограничивается только номинальными характеристиками контактов реле. Используемое здесь реле может переключать резистивное сопротивление 16 Ампер. То есть> 1500 Вт при 110 В переменного тока и> 3500 Вт при 240 В переменного тока. В цепи управления и реле BLE используются мВт, поэтому они даже не нагреваются.

Преимущества этого проекта: - (подробнее см. «Модернизация существующего переключателя света с помощью пульта дистанционного управления»).

Простота установки и обслуживания Это решение работает от сети, но НЕ требует установки дополнительных проводов. Просто установите и добавьте схему управления к существующему ручному переключателю.

Гибкость и надежность Переключатель ручного дублирования продолжает управлять нагрузкой, даже если цепь дистанционного управления выходит из строя (или вы не можете найти свой мобильный телефон). Также вы можете дистанционно включить нагрузку после того, как вы использовали ручной переключатель, чтобы выключить ее.

Дополнительные функции Если у вас есть микропроцессор, контролирующий вашу нагрузку, вы можете легко добавить дополнительные функции. Код в этом проекте включает возможность выключить нагрузку по истечении заданного времени. Вы также можете добавить датчик температуры для управления нагрузкой и удаленной регулировки заданного значения температуры.

Создает основу для полной домашней сети автоматизации Эта диаграмма взята из Bluetooth V5 «Спецификация профиля сетки 1.0», 13 июля 2017 г., Bluetooth SIG

Как видите, он состоит из нескольких релейных узлов в сетке. Узлы ретрансляции активны все время и обеспечивают доступ к другим узлам в сети и датчикам с питанием от батареи. Установка этого удаленного модуля BLE с питанием от сети автоматически предоставит набор узлов в вашем доме, которые можно добавить в сетку в качестве узлов реле. RedBear BLE Nano V2 совместим с Bluetooth V5.

Однако спецификация BLE Mesh появилась совсем недавно, и в настоящее время нет примеров реализации. Таким образом, настройка сетки не рассматривается в этом проекте, но как только станет доступен пример кода, вы сможете перепрограммировать RedBear BLE Nano V2 для создания ячеистой сети домашней автоматизации.

Шаг 2: Как запитывается дистанционный переключатель BLE, когда нет нейтрального соединения?

Идея этого управления возникла несколько лет назад, когда возникла простая схема источника постоянного тока. (Примечания 103 National Semiconductor Application Note 103, рис. 5, Джордж Кливленд, август 1980 г.)

Что интересно в этой схеме, так это то, что у нее всего два провода, один и один выход. Нет подключения к -ve питанию (земля), кроме как через нагрузку. Эта схема подтягивается вверх за лямки ботинка. Он использует падение напряжения на регуляторе и резисторе для питания регулятора.

Аналогичная идея использовалась при модернизации существующего переключателя света с помощью пульта дистанционного управления.

Стабилитрон 5V6, включенный последовательно с нагрузкой, обеспечивает питание контроллера BLE и реле фиксации. Когда нагрузка выключена, очень небольшое количество тока менее 5 мА продолжает течь через стабилитрон (и нагрузку) через 0,047 мкФ и 1 кОм в обход открытого переключателя. Этого крошечного тока, который практически невозможно обнаружить и который «безопасен», достаточно для питания контроллера BLE при отключенной нагрузке, а также для зарядки конденсатора, который приводит в действие фиксирующее реле для дистанционного включения нагрузки. См. Полную схему и подробную информацию в разделе «Модернизация существующего переключателя света с помощью пульта дистанционного управления».

Ограничение приведенной выше схемы состоит в том, что при включенной нагрузке весь ток нагрузки проходит через стабилитрон. Использование стабилитрона мощностью 5 Вт ограничивает ток примерно до половины ампер. То есть для лампы мощностью 60 Вт (при 110 В переменного тока) 3 Вт рассеивается в виде тепла от стабилитрона при включенной нагрузке. Для систем на 110 В переменного тока это ограничивает нагрузку примерно до 60 Вт, а для систем на 240 В - примерно до 120 Вт. При современном светодиодном освещении этого часто бывает достаточно, однако он не справится с 200 Вт ламп в гостиной.

Схема, описанная здесь, снимает это ограничение и позволяет удаленно управлять киловаттами мощности с помощью MW через BLE и pfodApp.

Шаг 3: принципиальная схема

Схема выше показывает, что нагрузка отключена. В этом состоянии контроллер BLE получает питание через 0,047 мкФ и 1 кОм, как в предыдущей схеме. Когда нагрузка включена (т. Е. Задействовать настенный выключатель или фиксирующее реле в приведенной выше схеме), верхний мостовой выпрямитель и компоненты 0,047 мкФ и 1 кОм закорочены реле и переключателем. Затем ток полной нагрузки протекает через тороидальный трансформатор, который обеспечивает мощность в мВт, необходимую для схемы управления. Хотя показано, что тороид имеет около 3,8 В переменного тока на первичной обмотке, первичная обмотка почти полностью реактивна и не совпадает по фазе с напряжением нагрузки, поэтому на самом деле тороид потребляет очень небольшую мощность, фактически мВт.

Полная принципиальная схема находится здесь (pdf). Список деталей, BLE_HighPower_Controller_Parts.csv, находится здесь

Вы можете увидеть дополнительные компоненты слева. Тороидальный трансформатор, ограничитель перенапряжения, ограничительный резистор и двухполупериодный выпрямитель. «Модернизация существующего переключателя света с помощью пульта дистанционного управления» описывает остальную часть схемы.

Напряжение, подаваемое тороидальным трансформатором, зависит от тока нагрузки (более подробную информацию см. Ниже). Более того, для управления двухполупериодным выпрямителем и стабилитроном требуется 7В. Резистор RL выбран для ограничения тока через стабилитрон до нескольких мА, скажем, менее 20 мА. Наличие тороидального напряжения питания, которое изменяется в зависимости от тока нагрузки, не представляет большой проблемы из-за широкого диапазона токов, которые может выдержать стабилитрон, от 0,1 мА до 900 мА, что дает широкий диапазон доступных падений напряжения на RL и, следовательно, широкий диапазон допустимых значений. Тороидальные напряжения питания. Конечно, для эффективности мы хотели бы, чтобы выходное напряжение с тороида более точно соответствовало необходимому.

Обновление: 13 июля 2018 г. - заменен регулятор RL на 3-контактный регулятор

При проверке оборудования через несколько месяцев токоограничивающий резистор RL выглядел слегка сгоревшим, поэтому схема тороидального трансформатора была изменена (modifiedCircuit.pdf) для использования вместо него 3-контактного ограничителя тока.

Z1 (двунаправленный стабилитрон) был добавлен для ограничения скачков напряжения на первичной обмотке до <12 В, а IC1 был добавлен для ограничения тока, подаваемого вторичной обмоткой, до ~ 10 мА. Для защиты LM318AHV использовался LM318AHV с ограничением входного напряжения 60 В, а Z2 ограничивает выходное напряжение трансформатора до <36 В.

Шаг 4: проектирование тороидального трансформатора

Здесь используется тороидальный трансформатор, потому что он имеет очень низкую утечку магнитного потока и, таким образом, сводит к минимуму помехи для остальной цепи. Существует два основных типа сердечников тороида: железный порошок и феррит. Для этой конструкции необходимо использовать железный порошок, рассчитанный на используемую мощность. Я использовал ядро HY-2 от Jaycar, LO-1246. Высота 14,8 мм, внешний диаметр 40,6 мм, внутренний диаметр 23,6 мм. Вот спецификация. В этом листе отмечается, что тороиды T14, T27 и T40 похожи, поэтому вы можете попробовать один из них.

Конструкция трансформатора - это настоящее искусство из-за нелинейного характера кривой B-H, магнитного гистерезиса и потерь в сердечнике и проводе. Magnetic Inc имеет процесс проектирования, который кажется простым, но требует Excel и не работает в Open Office, поэтому я не использовал его. К счастью, здесь вам нужно только примерно правильно оформить конструкцию, и вы можете отрегулировать ее, добавив первичные витки или увеличив RL. Я использовал процесс проектирования, описанный ниже, и впервые получил приемлемый трансформатор после добавления второй первичной обмотки. Я уточнил количество витков и процесс намотки второго трансформатора.

Основные критерии проектирования:

• В сердечнике должно быть достаточное изменение магнитного поля (H), чтобы преодолеть гистерезис кривой B-H, но недостаточно для насыщения сердечника. то есть скажем от 4500 до 12000 Гаусс.
• Первичное напряжение зависит от: - индуктивности первичной обмотки и частоты сети для определения реактивного сопротивления, а затем от времени, зависящего от тока нагрузки, чтобы получить напряжение первичной обмотки.
• Вторичное напряжение примерно зависит от отношения витков вторичного к первичному напряжению. Потери в сердечнике и сопротивление обмотки означают, что выходная мощность всегда меньше, чем у идеального трансформатора.
• Вторичное напряжение должно превышать 6,8 В (== 5,6 В (стабилитрон) + 2 * 0,6 В (выпрямительные диоды)) в течение цикла переменного тока, достаточного для обеспечения среднего тока через стабилитрон, превышающего несколько мА для питания цепи BLE..
• Размер провода первичной обмотки необходимо выбирать таким образом, чтобы он выдерживал полный ток нагрузки. Вторичная обмотка обычно будет передавать мА только после установки ограничивающего резистора RL, поэтому размер провода вторичной обмотки не является критическим.

Шаг 5: проект для сети 50 Гц

Калькулятор индуктивности тороида на оборот рассчитает индуктивность и Гаусс / Ампер для заданного числа витков, учитывая размеры и проницаемость тороида, ui.

Для этого применения освещение в гостиной, ток нагрузки составляет около 0,9 А. Если предположить, что повышающий трансформатор 2: 1 и пиковое значение на вторичной обмотке больше 6,8 В, то пиковое первичное напряжение должно быть больше 6,8 / 2 = 3,4 В пиковое / sqrt (2) == среднеквадратичное значение переменного тока, поэтому требуется среднеквадратичное напряжение первичной обмотки. быть больше 3,4 / 1,414 = 2,4 В RMS. Итак, давайте стремимся к первичному среднеквадратичному напряжению, скажем, около 3 В переменного тока.

Первичное напряжение зависит от реактивного сопротивления, умноженного на ток нагрузки, т. Е. 3 / 0,9 = 3,33 первичного реактивного сопротивления. Реактивное сопротивление обмотки равно 2 * pi * f * L, где f - частота, а L - индуктивность. Итак, для основной системы 50 Гц L = 3,33 / (2 * пи * 50) == 0,01 H == 10000 мкГн

Используя калькулятор индуктивности тороида на оборот и вставив размеры тороида в высоту 14,8 мм, наружный диаметр 40,6 мм, внутренний диаметр 23,6 мм и приняв 150 для ui, получаем для 200 витков 9635uH и 3820 Gauss / A Примечание: ui указан в спецификации как 75, но для более низких уровней плотности потока, используемых здесь, значение 150 ближе к правильному значению. Это было определено путем измерения первичного напряжения конечной катушки. Но не беспокойтесь о точной цифре, так как вы можете исправить первичную обмотку позже.

Таким образом, использование 200 витков дает для 50 Гц, f, обеспечивает реактивное сопротивление == 2 * pi * f * L == 2 * 3,142 * 50 * 9635e-6 = 3,03 и, таким образом, напряжение на первичной обмотке при 0,9 A RMS переменного тока. составляет 3,03 * 0,9 = 2,72 В (среднеквадратичное значение) для пикового напряжения 3,85 В и вторичного пикового напряжения 7,7 В с учетом повышающего трансформатора 2: 1.

Пиковое значение Гаусс составляет 3820 Гаусс / А * 0,9 А == 4861 Гаусс, что меньше уровня насыщения 12000 Гаусс для этого ядра.

Для трансформатора 2: 1 вторичная обмотка должна иметь 400 витков. Тестирование показало, что эта конструкция работает, и ограничительный резистор RL на 150 Ом дает средний ток стабилитрона примерно 6 мА.

Размер первичного провода был рассчитан в разделе «Расчет силовых трансформаторов сетевой частоты - Выбор правильного провода». Для 0,9A на этой веб-странице указан диаметр 0,677 мм. Таким образом, для первичной обмотки использовался эмалированный провод диаметром 0,63 мм (Jaycar WW-4018), а для вторичной обмотки - эмалированный провод диаметром 0,25 мм (Jaycar WW-4012).

В реальной конструкции трансформатора использовалась одна вторичная обмотка из 400 витков эмалированного провода диаметром 0,25 мм и две (2) первичные обмотки по 200 витков каждая из эмалированного провода диаметром 0,63 мм. Эта конфигурация позволяет настроить трансформатор для работы с токами нагрузки в диапазоне от 0,3 А до 2 А, то есть (от 33 Вт до 220 Вт при 110 В ИЛИ от 72 Вт до 480 Вт при 240 В). Соединение первичных обмоток является последовательным, удваивает индуктивность и позволяет использовать трансформатор для токов от 0,3 А (33 Вт при 110 В или 72 Вт при 240 В) при RL == 3R3 и до 0,9 А при RL = 150 Ом. Параллельное соединение двух первичных обмоток удваивает их допустимую нагрузку по току и обеспечивает ток нагрузки от 0,9 до 2 А (220 Вт при 110 В и 480 Вт при 240 В) с соответствующим RL.

Для моего приложения, управляющего 200 Вт лампами при 240 В, я подключил обмотку параллельно и использовал 47 Ом для RL. Это близко соответствует выходному напряжению с тем, что было необходимо, при этом позволяя схеме продолжать работать при нагрузках до 150 Вт, если одна или несколько лампочек вышли из строя.

Шаг 6: Изменение оборотов для сети 60 Гц

При 60 Гц реактивное сопротивление на 20% выше, поэтому вам не нужно столько витков. Поскольку индуктивность изменяется как N ^ 2 (квадрат витков), где N - количество витков. Для систем с частотой 60 Гц вы можете уменьшить количество витков примерно на 9%. Это 365 витков для вторичной обмотки и 183 витка для каждой первичной обмотки, чтобы покрыть от 0,3 до 2 А., как описано выше.

Шаг 7: Проектирование для более высоких токов нагрузки, пример 10 А 60 Гц

Реле, используемое в этом проекте, может переключать резистивный ток нагрузки до 16А. Вышеупомянутая конструкция будет работать в диапазоне от 0,3 А до 2 А. Выше этого уровня тороид начинает насыщаться, а размер провода первичной обмотки недостаточен для пропускания тока нагрузки. Результат, подтвержденный тестированием с нагрузкой 8,5 А, - вонючий горячий трансформатор.

В качестве примера конструкции с высокой нагрузкой давайте спроектируем нагрузку 10 А в системе 60 Гц 110 В. Это 1100 Вт при 110 В.

Предположим, что первичное напряжение, скажем, 3,5 В (среднеквадратичное) и трансформатор 2: 1 с учетом некоторых потерь, тогда необходимое первичное реактивное сопротивление составляет 3,5 В / 10 А = 0,35. Для 60 Гц это означает индуктивность 0,35 / (2 * pi * 60) = 928,4 мкГн.

Используя на этот раз ui, равное 75, поскольку плотность потока будет выше, см. Ниже, несколько испытаний количества витков в калькуляторе индуктивности тороида на виток дают 88 витков для первичной обмотки и 842 Гаусс / А для плотности потока или 8420 Гаусс. при 10А, что все еще находится в пределах предела насыщения 12000 Гаусс. На этом уровне магнитного потока u i, вероятно, все еще выше 75, но вы можете отрегулировать количество витков первичной обмотки при тестировании трансформатора ниже.

Расчет силовых трансформаторов сетевой частоты дает размер провода сечением 4 мм ^ 2 или диаметром 2,25 мм или, возможно, немного меньше, скажем, две первичные обмотки по 88 витков каждая с сечением 2 мм ^ 2, то есть провод диаметром 1,6 мм, соединенные параллельно, чтобы получить всего 4 мм ^ 2 поперечного сечения.

Чтобы сконструировать и протестировать эту конструкцию, намотайте вторичную обмотку на 176 витков (чтобы в два раза больше выходного напряжения, чем раньше), а затем намотайте только одну первичную обмотку на 88 витков из провода диаметром 1,6 мм. Примечание: оставьте дополнительный провод на первом, чтобы при необходимости можно было добавить больше витков. Затем подключите нагрузку 10А и посмотрите, может ли вторичная обмотка подавать напряжение / ток, необходимые для работы цепи BLE. Провод диаметром 1,6 мм может выдержать ток 10 А в течение короткого времени, в течение которого вы измеряете вторичную обмотку.

Если есть достаточное напряжение, определите RL, необходимое для ограничения тока, и, возможно, сделайте несколько витков, если есть много превышения напряжения. В противном случае, если вторичного напряжения недостаточно, добавьте еще несколько витков к первичному, чтобы увеличить первичное напряжение и, следовательно, вторичное напряжение. Первичное напряжение увеличивается как N ^ 2, в то время как вторичное напряжение уменьшается примерно на 1 / N из-за изменения отношения витков, поэтому добавление первичных обмоток увеличит вторичное напряжение.

После того, как вы определили необходимое количество витков первичной обмотки, вы можете намотать вторую первичную обмотку параллельно первой, чтобы обеспечить полную пропускную способность по току нагрузки.

Шаг 8: Намотка тороидального трансформатора

Чтобы намотать трансформатор, вам сначала нужно намотать провод на каркас, который пройдет через тороид.

Сначала посчитайте, сколько проволоки вам понадобится. Для Jaycar диаметр тороида LO-1246 на каждый оборот составляет примерно 2 x 14,8 + 2 * (40,6 - 23,6) / 2 == 46,6 мм. Таким образом, на 400 витков вам понадобится около 18,64 м провода.

Затем рассчитайте размер одного оборота первого, который вы будете использовать. Я использовал карандаш диаметром около 7,1 мм, что дало длину поворота pi * d = 3,14 * 7,1 == 22,8 мм за оборот. Таким образом, для 18,6 м провода мне потребовалось около 840 витков первого. Вместо того, чтобы считать количество витков на первом, я вычислил приблизительную длину 840 витков, исходя из диаметра провода 0,26 мм (немного больше, чем фактический диаметр провода 0,25 мм). 0,26 * 840 = 220 мм длиной намотки витков с закрытой намоткой, чтобы на первый виток было намотано 18,6 м провода. Поскольку длина карандаша была всего 140 мм, мне понадобилось как минимум 2,2 слоя по 100 мм каждый. Наконец, я добавил около 20% дополнительной проволоки, чтобы учесть небрежную намотку и увеличить длину витка тороида для второго слоя, и фактически наложил 3 слоя по 100 мм каждый на формирователь карандаша.

Чтобы намотать проволоку на формирователь карандашей, я использовал очень медленный сверлильный станок, чтобы вращать карандаш. Используя длину слоев в качестве ориентира, мне не нужно было считать повороты. Вы также можете использовать ручную дрель, закрепленную в тисках.

Удерживая тороид в тисках с мягкими губками, которые могли вращать губки, чтобы удерживать тороид в горизонтальном положении, я сначала намотал вторичную обмотку. Начнем со слоя тонкой двусторонней ленты вокруг тороида, чтобы помочь удерживать провод на месте, когда я его наматываю. Я добавил еще один слой крана между каждым слоем, чтобы все было на месте. Вы можете увидеть последний слой крана на фотографии выше. Я купил тиски специально для этой работы, тиски Stanley Multi Angle Hobby. Это стоило денег.

Аналогичный расчет был сделан для подготовки формирователя обмоток для двух первичных обмоток. Хотя в этом случае я измерил новый размер тороида с установленной вторичной обмоткой, чтобы рассчитать длину витка. Выше фотография трансформатора со вторичной обмоткой и провод для первой первичной обмотки на бывшем готовом к запуску обмотки.

Шаг 9: Строительство

Для этого прототипа я повторно использовал одну из печатных плат, описанных в разделе «Модернизация существующего переключателя света с дистанционным управлением», вырезал две дорожки и добавил ссылку, чтобы перенастроить ее для тороида.

Тороид монтировался отдельно, а ограничитель перенапряжения размещался непосредственно поперек вторичной обмотки.

Дочерняя плата использовалась для установки двухполупериодного выпрямителя и RL.

Ограничитель перенапряжения был добавлен поздно. Когда я впервые протестировал полную схему с нагрузкой 0,9 А, я услышал резкий треск при использовании pfodApp для удаленного включения нагрузки. При более внимательном рассмотрении обнаружил небольшой синий разряд из КЛ при включении. При включении все 240 В RMS (340 В пик) подавалось на первичную обмотку тороида во время переходного процесса. Вторичная обмотка с соотношением витков 2: 1 генерировала до 680 В, чего было достаточно, чтобы вызвать пробой между RL и ближайшей дорожкой. Очистка ближайших дорожек и добавление ограничителя перенапряжения 30,8 В переменного тока через вторичную катушку решило эту проблему.

Шаг 10: Программирование BLE Nano и подключение

Код в BLE Nano совпадает с кодом, использованным в модернизации существующего переключателя света с помощью пульта дистанционного управления, и в этом проекте обсуждается код и то, как программировать Nano. Единственное изменение коснулось рекламного имени BLE и подсказки, отображаемой в pfodApp. Эта кнопка отображается при подключении через pfodApp с мобильного Android.

Схема контролирует напряжение, приложенное к нагрузке, чтобы правильно отображать желтую кнопку, когда нагрузка включается либо дистанционным переключателем, либо ручным дублированием.

Заключение

Этот проект расширяет возможности модернизации существующего переключателя света с помощью дистанционного управления, чтобы вы могли удаленно управлять киловаттами нагрузки, просто добавив эту схему к существующему переключателю. Никакой дополнительной проводки не требуется, и исходный переключатель продолжает работать в режиме ручного дублирования, позволяя дистанционно включать нагрузку после того, как вы использовали переключатель ручного дублирования, чтобы выключить ее.

Если цепь дистанционного управления выйдет из строя или вы не можете найти свой мобильный телефон, ручной переключатель продолжит работу.

Забегая вперед, дооснащение выключателей вашего дома модулями управления BLE Nano V2, поддерживающими Bluetooth V5, означает, что в будущем вы сможете настроить общедомовую сеть автоматизации с помощью Bluetooth V5 Mesh.