Modifiqueu el control BLE a càrregues d'alta potència: no es requereix cablejat addicional: 10 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Actualització: 13 de juliol de 2018: es va afegir un regulador de 3 terminals al subministrament de toroides

Aquesta instrucció cobreix el control BLE (Bluetooth Low Energy) d’una càrrega existent en un interval de 10W a> 1000W. La potència es canvia remotament des del vostre mòbil Android mitjançant pfodApp.

No cal cap cablejat addicional, només cal afegir el circuit de control BLE al commutador existent.

Sovint, quan s’adapta la domòtica a instal·lacions existents, l’únic lloc raonable per afegir el control és el commutador existent. Particularment quan es vol mantenir l’interruptor com a anul·lació manual. Tanmateix, en general, només hi ha dos cables a l'interruptor, l'Active i el cable de commutació a la càrrega, sense neutre. Com es mostra més amunt, aquest control BLE funciona només amb aquests dos cables i inclou un commutador de substitució manual. Tant el comandament a distància com l'interruptor manual funcionen quan la càrrega està activada o apagada.

L'exemple particular aquí és per controlar un banc de llums de 200 W col·locant el circuit darrere de l'interruptor de paret. Es proporciona codi per a RedBear BLE Nano (V1.5) i RedBear BLE Nano V2 per mostrar el botó de control a pfodApp. Al codi també hi ha disponible una funció d’apagada automàtica temporitzada.

ADVERTÈNCIA: aquest projecte és només per a constructors experimentats. El tauler funciona amb corrent principal i pot resultar mortal si es toca alguna part mentre s’executa. El cablejat d’aquesta placa al circuit d’interruptors de llum existent només l’ha de fer un electricista qualificat

Pas 1: Per què aquest projecte?

El projecte anterior, Reequipar un interruptor de llum existent amb control remot, funcionava per a càrregues d'entre 10W i 120W per a 240VAC (o de 5W a 60W per a 110VAC), però no va poder fer front a les llums del saló que consistien en 10 x 20W = 200W de fluorescents compactes. Aquest projecte afegeix uns quants components i un toroide enrotllat a mà per eliminar aquesta limitació de càrrega conservant tots els avantatges del projecte anterior. La càrrega que pot canviar aquest disseny només està limitada per les qualificacions de contacte del relé. El relé utilitzat aquí pot canviar 16 Amperis resistius. És a dir,> 1500W a 110VAC i> 3500W a 240VAC. El circuit i el relé de control BLE utilitzen mW i, per tant, ni tan sols s’escalfa.

Els avantatges d’aquest projecte són: - (consulteu Modificar un interruptor de llum existent amb control remot per obtenir més informació)

Fàcil d’instal·lar i mantenir Aquesta solució és alimentada per la xarxa però NO requereix cap cablejat addicional per instal·lar-se. Només cal instal·lar-lo per afegir el circuit de control al commutador manual existent.

Flexible i robust El commutador d’anul·lació manual continua controlant la càrrega fins i tot si falla el circuit de control remot (o no trobeu el mòbil). També podeu activar la càrrega remotament després d’haver utilitzat l’interruptor d’anul·lació manual per apagar-la

Funcions addicionals Un cop tingueu un microprocessador que controli la vostra càrrega, podeu afegir funcions addicionals fàcilment. El codi d’aquest projecte inclou una opció per desactivar la càrrega després d’un temps determinat. També podeu afegir un sensor de temperatura per controlar la càrrega i ajustar remotament el punt de consigna de temperatura.

Crea la base per a una xarxa d’automatització domèstica completa. Aquest diagrama prové de l’especificació 1.0 del perfil de malla Bluetooth V5, 13 de juliol de 2017, Bluetooth SIG

Com podeu veure, consta d'un nombre de nodes de retransmissió en una malla. Els nodes de retransmissió estan actius tot el temps i proporcionen accés a altres nodes de la malla i als sensors alimentats per bateria. La instal·lació d’aquest mòdul remot BLE Powered de xarxa proporcionarà automàticament un conjunt de nodes a tota casa que es poden afegir a la malla com a nodes de retransmissió. RedBear BLE Nano V2 és compatible amb Bluetooth V5.

Tot i això, l’especificació BLE Mesh és molt recent i actualment no hi ha cap implementació d’exemples. Per tant, la configuració de la malla no està inclosa en aquest projecte, però un cop el codi d’exemple estigui disponible, podreu tornar a programar RedBear BLE Nano V2 per proporcionar una xarxa domòtica domèstica.

Pas 2: Com s’alimenta el commutador remot BLE quan no hi ha connexió neutra?

La idea d’aquest control es remunta, des de fa uns quants anys, a un circuit senzill de font de corrent constant. (Nota 103 de l'aplicació de semiconductors nacionals, figura 5, George Cleveland, agost de 1980)

L’interessant d’aquest circuit és que només té dos cables, un i un de sortida. No hi ha cap connexió amb el subministrament -ve (gnd) excepte a través de la càrrega. Aquest circuit s’estira per les seves corretges d’arrencada. Utilitza la caiguda de tensió a través del regulador i la resistència per alimentar el regulador.

La modificació d’un interruptor de llum existent amb control remot utilitzava una idea similar.

Un Zener 5V6 en sèrie amb la càrrega subministra l'alimentació del controlador BLE i del relé de bloqueig. Quan la càrrega s’APAGA, continua fluint una quantitat molt petita de corrent de menys de 5 mA, tot i que el zener (i la càrrega) a través de 0,047uF i 1K passant per l’interruptor obert. Aquest petit corrent, que amb prou feines es pot detectar i és "segur", és suficient per alimentar el controlador BLE quan la càrrega està apagada i també carregar un condensador per accionar el relé de bloqueig per encendre la càrrega a distància. Consulteu Modificar un interruptor de llum existent amb control remot per obtenir el circuit complet i els detalls.

La limitació del circuit anterior és que quan la càrrega està activada, tot el corrent de càrrega passa pel zener. L'ús d'un zener de 5 W limita el corrent a aproximadament mig amplificador. És a dir, per a una làmpada de 60 W (a 110 V CA), es dissipa 3 W com a calor del zener quan la càrrega està ENCENDIDA. Per als sistemes de 110 V CA això limita la càrrega a uns 60 W, i per als sistemes de 240 V a uns 120 W. Amb la il·luminació LED moderna, això sovint és suficient, però no suportaria els 200W de llums del saló.

El circuit descrit aquí elimina aquesta limitació i permet que els quilowatts de potència siguin controlats remotament per mW mitjançant BLE i pfodApp.

Pas 3: diagrama del circuit

El circuit anterior mostra la càrrega OFF. En aquest estat, el controlador BLE es subministra a través de 0.047uF i 1K com en el circuit anterior. Quan la càrrega està ACTIVADA (és a dir, feu funcionar l’interruptor de paret o el relé de bloqueig al circuit anterior), el relleu i l’interruptor redueixen el curt reductor del pont superior i els components 0,047uF i 1K. El corrent de càrrega completa flueix llavors a través del transformador toroidal que subministra els mW necessaris per al circuit de control. Tot i que es mostra que el toroide té aproximadament 3,8 V CA a través del primari, el bobinatge primari és gairebé totalment reactiu i està desfasat amb la tensió de càrrega, de manera que el toroide realment pren poca potència, en realitat els mW.

El diagrama complet del circuit és aquí (pdf). La llista de peces, BLE_HighPower_Controller_Parts.csv, és aquí

Podeu veure els components addicionals a la part esquerra. El transformador toroidal, supressor de sobretensions, resistència limitadora i rectificador d’ona completa. La modificació d’un interruptor de llum existent amb control remot descriu la resta del circuit.

La tensió subministrada pel transformador toroidal varia amb el corrent de càrrega (vegeu més avall per obtenir més detalls). Es necessita més 7V per accionar el rectificador d’ones completes i el zener. La resistència RL es tria per limitar el corrent a través del Zener a uns quants mAs, per exemple, menys de 20 mA. Tenir una tensió d’alimentació toroidal que varia amb el corrent de càrrega no suposa un gran problema a causa de l’àmplia gamma de corrents que pot suportar el zener, de 0,1 mA a 900 mA, que proporciona un ampli rang de caigudes de tensió disponibles a RL i, per tant, un ampli Tensions d'alimentació toroïdal. Per descomptat, per eficiència, ens agradaria que el voltatge de sortida del toroide s’ajustés més al que es necessita.

Actualització: 13 de juliol de 2018: RL substituït per regulador de 3 terminals

En comprovar el maquinari al cap d’uns mesos, la resistència limitadora de corrent RL semblava lleugerament cremada, de manera que es va modificar el circuit del transformador toroidal (modifiedCircuit.pdf) per utilitzar un limitador de corrent de 3 terminals.

Es va afegir Z1 (un zener bidireccional) per limitar la pujada de tensió a la primària a <12V i IC1 tal com es va afegir per limitar el corrent subministrat pel secundari a ~ 10mA. Es va utilitzar un LM318AHV amb un límit de tensió d’entrada de 60V i Z2 limita la sortida del transformador a <36V per protegir el LM318AHV.

Pas 4: Dissenyar el transformador toroidal

Aquí s’utilitza un transformador toroidal perquè té una fuita de flux magnètic molt baixa i minimitza la interferència amb la resta del circuit. Hi ha dos tipus principals de nuclis toroïdals, la pols de ferro i la ferrita. Per a aquest disseny heu d’utilitzar el tipus de ferro en pols dissenyat per a la potència utilitzada. He utilitzat un nucli HY-2 de Jaycar, LO-1246. Alçada de 14,8 mm, diàmetre de 40,6 mm, identificació de 23,6 mm. Aquí teniu el full d’especificacions. Aquest full indica que els toroides T14, T27 i T40 són similars, de manera que podeu provar-ne un.

El disseny del transformador és una cosa artística a causa de la naturalesa no lineal de la corba B-H, la histèresi magnètica i les pèrdues de nucli i filferro. Magnetic Inc té un procés de disseny que sembla senzill, però que requereix Excel i no funciona sota Open Office, de manera que no el vaig fer servir. Per sort, aquí només cal encertar el disseny i podeu ajustar-lo afegint girs primaris o augmentant la RL. Vaig utilitzar el procés de disseny següent i vaig obtenir un transformador acceptable per primera vegada, després d'afegir un segon bobinatge primari. He refinat el nombre de voltes i el procés de bobinatge del segon transformador.

Els criteris bàsics de disseny són: -

• Cal que hi hagi prou canvi de camp magnètic (H) al nucli per superar la histèresi de la corba B-H, però no suficient per saturar el nucli. és a dir, de 4500 a 12000 Gauss.
• Els volts primaris depenen de: - la inductància del bobinatge primari i la freqüència de xarxa per donar la reactància i, a continuació, els temps pel corrent de càrrega per donar la tensió del bobinatge primari.
• Els volts secundaris depenen, aproximadament, de la relació de girs secundària a la primària de volts primaris. Les pèrdues del nucli i la resistència del bobinat fan que la sortida sigui sempre inferior a un transformador ideal.
• Els volts secundaris han de superar els 6,8 V (== 5,6 V (zener) + 2 * 0,6 V (díodes rectificadors)) durant un cicle de CA suficient per proporcionar un corrent mitjà a través del zener superior a uns mA per alimentar el circuit BLE.
• Cal triar la mida del filferro de bobinatge primari per poder transportar el corrent de càrrega completa. Normalment, el secundari només portarà mA després d’inserir la resistència de limitació RL, de manera que la mida del fil de bobinatge secundari no és crítica.

Pas 5: un disseny per a xarxa de 50Hz

La calculadora d’inductància per toroide calcularà la inductància i Gauss / Amp per a un nombre determinat de girs, donades les dimensions i la permeabilitat del toroide, ui.

Per a aquesta aplicació, el saló s’encén, el corrent de càrrega és d’uns 0,9A. Suposant un transformador incremental de 2: 1 i un pic superior a 6,8 V a la secundària, la tensió primària màxima ha de ser superior a 6,8 / 2 = 3,4 V Pic / sqrt (2) == Volts RMS de CA, de manera que els voltatges RMS primaris necessiten per ser superior a 3,4 / 1,414 = 2,4 V RMS. Així doncs, busquem una RMS primària de volts, per exemple, sobre 3V CA.

La tensió primària depèn de la reactància vegades el corrent de càrrega, és a dir, 3 / 0,9 = 3,33 reactància primària. La reactància per al bobinatge és donada per 2 * pi * f * L, on f és la freqüència i L és la inductància. Així doncs, per a un sistema principal de 50Hz L = 3,33 / (2 * pi * 50) == 0,01 H == 10000 uH

Utilitzant la calculadora d’inductància per toroide i inserint les dimensions del toroide de 14,8 mm d’alçada, 40,6 mm de diàmetre, 23,6 mm de diàmetre i suposant que 150 per a la interfície d’usuari dóna 200 volts per a 9635uH i 3820 Gauss / A Nota: la interfície d’usuari apareix a l’especificació com 75, però per als nivells més baixos de densitat de flux que s’utilitzen aquí, 150 és més proper a la xifra correcta. Això es va determinar mesurant el voltatge primari de la bobina final. Però no us preocupeu gaire per la xifra exacta, ja que podeu solucionar el bobinatge principal més endavant.

Així doncs, usant 200 voltes donem, per a 50Hz, f, subministrant la reactància == 2 * pi * f * L == 2 * 3.142 * 50 * 9635e-6 = 3.03 i, per tant, els volts a través del bobinatge primari a 0.9A RMS CA és 3,03 * 0,9 = 2,72 V RMS per a una tensió màxima de 3,85 V i una tensió màxima secundària de 7,7 V, suposant un transformador de pujada 2: 1.

El pic Gauss és de 3820 Gauss / A * 0.9A == 4861 Gauss, que és inferior al nivell de saturació de 12.000 Gauss per a aquest nucli.

Per a un transformador 2: 1, el bobinatge secundari ha de tenir 400 voltes. Les proves van demostrar que aquest disseny funcionava i una resistència limitant RL de 150 ohms donava un corrent zener mitjà d'aproximadament 6 mA.

La mida del fil primari es va calcular mitjançant el càlcul de transformadors de potència de freqüència de xarxa: triar el fil adequat. Per a 0,9 A, aquesta pàgina web va donar 0,667 mm de diàmetre. Per tant, es va utilitzar filferro esmaltat de diàmetre de 0,63 mm (Jaycar WW-4018) per al primari i filferro esmaltat de diàmetre de 0,25 mm (Jaycar WW-4012) per al secundari.

La construcció real del transformador utilitzava un únic bobinat secundari de 400 voltes de filferro esmaltat de 0,25 mm de diàmetre i dos (2) bobinatges primaris de 200 voltes cadascun de filferro esmaltat de 0,63 mm de diàmetre. Aquesta configuració permet configurar el transformador perquè funcioni amb corrents de càrrega compreses entre 0,3A i 2A, és a dir (33W a 220W a 110V O 72W a 480W a 240V). La connexió dels bobinats primaris és de sèrie, duplica la inductància i permet utilitzar el transformador per a corrents de fins a 0,3 A (33 W a 110 V o 72 W a 240 V) amb RL == 3R3 i fins a 0,9 A amb RL = 150 ohms. La connexió dels dos bobinats primaris en paral·lel duplica la seva capacitat de càrrega actual i proporciona un corrent de càrrega de 0,9 A a 2 A (220 W a 110 V i 480 W a 240 V) amb un RL adequat.

Per a la meva aplicació que controlava 200 W de llums a 240 V, vaig connectar que el bobinatge era paral·lel i utilitzava 47 ohms per RL. Això coincideix estretament amb el voltatge de sortida al necessari, tot permetent que el circuit funcioni encara per a càrregues de fins a 150 W si fallaven una o més bombetes.

Pas 6: Modificació de girs per a xarxa de 60Hz

A 60 Hz, la reactància és un 20% superior, de manera que no necessiteu tantes voltes. Atès que la inductància varia com N ^ 2 (voltes al quadrat) on N és el nombre de voltes. Per als sistemes de 60 Hz, podeu reduir el nombre de girs aproximadament un 9%. És a dir, 365 voltes per a la secundària i 183 voltes per a cada primària per cobrir 0,3 A a 2A, tal com s’ha descrit anteriorment.

Pas 7: Disseny per a corrents de càrrega més elevats, 10A 60Hz Exemple

El relé utilitzat en aquest projecte pot canviar un corrent de càrrega resistiva de fins a 16A. El disseny anterior funcionarà entre 0.3A i 2A. A sobre, el toroide comença a saturar-se i la mida del fil de bobinatge primari no és prou gran per transportar el corrent de càrrega. El resultat, confirmat per les proves amb una càrrega de 8,5 A, és un transformador en calent pudent.

Com a exemple d'un disseny d'alta càrrega, dissenyem una càrrega de 10A en un sistema de 60Hz 110V. És a dir, 1100W a 110V.

Suposem una tensió primària de 3,5V RMS i un transformador de 2: 1 que permeti algunes pèrdues, llavors la reactància primària necessària és de 3,5V / 10A = 0,35. Per a 60Hz això implica una inductància de 0,35 / (2 * pi * 60) = 928,4 uH

Si feu servir ui de 75 aquesta vegada, ja que la densitat de flux serà més gran, vegeu més avall, alguns assaigs del nombre de voltes en la calculadora d’inductància toroide per torn donen 88 voltes per a la primària i 842 Gauss / A per a la densitat de flux o 8420 Gauss a 10A que encara està dins del límit de saturació de 12.000 Gauss. En aquest nivell de flux, probablement l’u i sigui encara superior a 75, però podeu ajustar el nombre de girs primaris quan proveu el transformador següent.

El càlcul dels transformadors de potència de freqüència de xarxa proporciona una mida de fil de 4 mm ^ 2 de secció transversal o 2,25 mm de diàmetre o potser una mica menys diem dos bobinatges primaris de 88 voltes cadascun de 2 mm ^ 2 de secció transversal, és a dir, fil de 1,6 mm de diàmetre, connectats en paral·lel secció total de 4 mm ^ 2.

Per construir i provar aquest disseny, enroleu un enrotllament secundari de 176 volts (per donar el doble de voltatge de sortida que abans) i, a continuació, bobineu només un primari de 88 voltes de 1,6 mm de diàmetre. Nota: deixeu un cable addicional al primer perquè pugueu afegir més voltes si cal. A continuació, connecteu la càrrega de 10A i comproveu si el secundari pot subministrar la tensió / corrent necessària per executar el circuit BLE. El cable de 1,6 mm de diàmetre pot suportar els 10A durant el curt temps que esteu mesurant secundàriament.

Si hi ha suficients volts, determineu la RL necessària per limitar el corrent i, potser, feu algunes voltes si hi ha un excés de voltatge. En cas contrari, si no hi ha prou tensió secundària, afegiu algunes voltes més a la primària per augmentar la tensió primària i, per tant, la tensió secundària. El voltatge primari augmenta com N ^ 2, mentre que el voltatge secundari disminueix aproximadament 1 / N a causa del canvi en la relació de girs, de manera que afegir bobinatges primaris augmentarà el voltatge secundari.

Un cop hàgiu determinat el nombre de girs primaris que necessiteu, podeu enrotllar el segon bobinatge primari en paral·lel al primer per proporcionar la capacitat de càrrega del corrent de càrrega completa.

Pas 8: Enrotllar el transformador toroidal

Per enrotllar el transformador primer heu d’enrotllar el cable a un primer que s’adapti a través del toroide.

Primer calculeu la quantitat de cable que necessiteu. Per al Jaycar, el toroide LO-1246 cada volta fa aproximadament 2 x 14,8 + 2 * (40,6 - 23,6) / 2 == 46,6 mm. Per tant, durant 400 voltes necessiteu uns 18,64 m de filferro.

A continuació, calculeu la mida de la volta única que utilitzarà. Vaig utilitzar un llapis d’uns 7,1 mm de diàmetre que donava una longitud de gir de pi * d = 3,14 * 7,1 == 22,8 mm per volta. Per tant, per 18,6 m de filferro necessitava uns 840 girs sobre el primer. En lloc de comptar els girs que es donarien al primer, vaig calcular la longitud aproximada de 840 girs, suposant un fil de 0,26 mm de diàmetre (una mica més gran que el dia real de 0,25 mm del fil). 0,26 * 840 = enrotllament de 220 mm de llarg de la ferida estreta gira per aconseguir 18,6 m de filferro al primer. Com que el llapis tenia només 140 mm de llarg, necessitaria almenys 2,2 capes de 100 mm de longitud cadascuna. Finalment, he afegit aproximadament un 20% de cable addicional per permetre un bobinatge descuidat i una major longitud de gir al toroide per a la segona capa i, de fet, he posat 3 capes de 100 mm de llargada cadascuna al formallapis.

Per enrotllar el filferro cap al llapis, he utilitzat una broca de velocitat molt lenta per girar el llapis. Utilitzant la longitud de les capes com a guia, no vaig necessitar comptar torns. També podeu fer servir un trepant manual muntat en un vici.

Sostenint el toroide en una morsa de mandíbula suau que podria fer girar les mandíbules per mantenir el toroide horitzontal, he enrotllat primer el bobinatge secundari. Començant per una capa de cinta fina de doble cara al voltant de l’exterior del toroide per ajudar a mantenir el cable al seu lloc mentre el vaig enrotllant. He afegit una altra capa d’aixeta entre cada capa per ajudar a mantenir les coses al seu lloc. Podeu veure la capa final del toc a la foto superior. Vaig comprar el vici especialment per a aquest treball, un vici Stanley Multi Angle Hobby. Valia la pena els diners.

Es va fer un càlcul similar per preparar el primer de bobinatge per als dos bobinats primaris. Tot i que és aquest cas, vaig mesurar la nova mida del toroide, amb el bobinatge secundari al seu lloc, per calcular la longitud de gir. A la part superior es mostra una foto del transformador amb la bobina secundària i el filferro per al primer bobinatge primari del primer a punt per començar el bobinatge.

Pas 9: construcció

Per a aquest prototip, vaig tornar a utilitzar un dels PCB descrits a Reequipar un interruptor de llum existent amb control remot i vaig tallar dues pistes i vaig afegir un enllaç per tornar-lo a configurar per al toroide.

El toroide es va muntar per separat i el supressor de sobretensions es va col·locar directament a través del bobinatge secundari.

Es va utilitzar una placa filla per muntar el rectificador d'ona completa i el RL.

El supressor de sobretensions va ser un afegit tardà. Quan vaig provar per primera vegada el circuit complet amb una càrrega de 0,9 A, vaig sentir un fort crack quan utilitzava pfodApp per encendre la càrrega de forma remota. En una inspecció més detallada, es va trobar una petita descàrrega blava de RL durant l’encesa. En encendre tot el RMS de 240V (pic de 340V) s’estava aplicant a la primària del toroide durant el transitori. El secundari, amb una relació de girs de 2: 1, generava fins a 680 V, el que era suficient per provocar un trencament entre RL i una pista propera. Esborrar l’aproximació per pistes i afegir un supressor de sobretensions de 30,8V CA a la bobina secundària va solucionar aquest problema.

Pas 10: Programació del BLE Nano i connexió

El codi del BLE Nano és el mateix que el que s’utilitza a la modificació d’un interruptor de llum existent amb control remot i aquest projecte discuteix el codi i com programar el Nano. L'únic canvi va ser el nom de la publicitat BLE i la sol·licitud que es mostra a pfodApp. La connexió mitjançant pfodApp des del mòbil Android mostra aquest botó.

El circuit controla la tensió aplicada a la càrrega per mostrar correctament un botó groc quan la càrrega s’encén mitjançant el commutador remot o mitjançant la substitució manual.

Conclusió

Aquest projecte amplia la modificació d’un interruptor de llum existent amb control remot per permetre controlar remotament quilowatts de càrrega només afegint aquest circuit al commutador existent. No es necessita cap cablejat addicional i el commutador original continua funcionant com a anul·lació manual, tot i que permet activar la càrrega remotament després d’haver utilitzat l’interruptor d’anul·lació manual per apagar-lo.

Si el circuit de control remot falla o no trobeu el mòbil, el commutador de substitució manual continua funcionant.

Per endavant, adaptar els interruptors de llum de casa amb mòduls de control BLE Nano V2 que admeten Bluetooth V5 significa que en el futur podreu configurar una xarxa d’automatització de tota la casa mitjançant una malla Bluetooth V5.