zero cross что это такое
Умное твердотельное реле или питание грелки без потери ШИМ
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Твердотельное реле может позволить плавно регулировать мощность нагрузки, если в её роли выступает нагревательный элемент, например грелка 220В.
В случае с твердотельным реле Random-Phase необходимо подавать импульсы управления с задержкой относительно моментов перехода напряжения через 0. Чем больше задержка, тем меньшую часть полупериода напряжения будет пропущено и тем меньше получится мощность на выходе.
В случае с твердотельным реле Zero-Cross придётся пропускать полупериоды напряжения целиком, но уменьшая количество этих полупериодов в единицу времени будет получена разная мощность на выходе. Например, при частоте питающего напряжения 50 Гц будет 100 полупериодов за одну секунду. Если за секунду пропустить только 30 из них мы, получим 30% мощности.
На практике при подключении любого твердотельного реле к плате управления, ШИМ сигнал управления НЕ будет синхронизирован с напряжением питания сети.
В результате твердотельное реле Random-Phase будет иметь плавающую мощность на выходе от 0 до максимального значения.
Твердотельное реле Zero-Cross будет иметь три состояния: закрыто, открыто и открыто для полупериода (т.е. с половиной мощности), причем это будет хаотично. Твердотельное реле пропустит только те полупериоды синусоидального напряжения питания, начало которых совпадёт с импульсами сигнала ШИМ от платы управления. Например, для плат Lerdge, у которых частота ШИМ сигнала управления равна частоте питающего напряжения, т.е. 50 Гц, и скважности сигнала управления отличной от 1, можно говорить лишь о вероятности одного из трех состояний твердотельного реле.
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Power-line communication. Часть 3 — Основные блоки устройства
Во второй части статьи мы начали знакомиться с основными блоками устройства для передачи данных по PLC. Это будет заключительная часть статьи, которая касается описания железа.
Осталось разобраться, что такое ZC детектор, на примере одной из его возможных реализаций. Посмотрим, как можно реализовать ”входную” и ”выходную” сигнальные цепи, и как их подключить к сети 220 В.
В статье не рассматриваются какие-либо серьёзные темы в области PLC. Как и в первых двух частях, кратко описываются блоки устройства и их взаимодействие. Темы выстроены так, чтобы у новичка примерно выстроилась общая картина простейшего PLC устройства. Также повествование касается множества сложных тем, которые не раскрываются. Поэтому в конце постарался оставить побольше ссылок.
Zero cross детектор
Как говорилось ранее, передающие и принимающие устройства синхронизируются между собой с помощью отдельного блока — zero cross детектора.
Передающее устройство, отправляет подготовленный кадр данных по одному биту за один синхросигнал из ZC детектора. Физически это значит, что за один синхросигнал из ZC детектора генерируется один полезный сигнал определённой частоты, которым кодируется один бит.
В электросетях с частотой 50 Гц, синусоида напряжения пересекает ноль 100 раз в секунду.
Есть несколько вариантов исполнения ZC детектора. Ниже я покажу пример реализации на оптопаре.
Начнём с конца схемы — сначала представим, как сигнал с ZC детектора попадает на контроллер.
На картинке схема с подтягивающим “pull-up” резистором и ключом. При замыкании ключа, на вход МК будет подаваться логический 0, а при размыкании ключа, “pull-up” резистор будет подтягивать напряжение на входе МК до логической единицы.
На место “ключа” ставим оптрон. Оптрон (оптопара) — это простой элемент, в котором с одной стороны светодиод, а с другой фототранзистор.
При подаче напряжения на светодиод, фототранзистор будет пропускать ток. Оптрон также служит гальванической развязкой между сетью 220 В и цифровой частью схемы.
Остается только подавать на светодиод переменное напряжение из сети 220 В, но перед этим его необходимо “выпрямить” и уменьшить до приемлемого уровня, который выдержит светодиод оптопары.
Для выпрямления можно использовать smd мостовой выпрямитель.
После выпрямления на фотодиод пойдёт пульсирующее с удвоенной частотой напряжение от 0 до 310 В. Разумеется диод не выдержит такого размаха напряжения, поэтому после мостового выпрямителя поставим сопротивление.
Номинал сопротивления можно вычислить исходя из характеристик фотодиода в оптопаре
В datasheet на оптопару пишут максимальный ток, на который рассчитан фотодиод, исходя из этого нужно выбрать сопротивление с расчётом на 310 В. Чтобы резистор не перегрелся, можно вместо одного последовательно поставить несколько резисторов для эффективного отвода тепла (это особенно полезно если у вас SMD резисторы).
Из datasheet на PLC817
SMD резисторы типоразмера 1210 выдерживают рассеивание до 0.5 Вт мощности. Максимальный постоянный ток, который мы может пропускать при 310 вольт равен 0.5/310 = 0.00161 А. С учетом, того что у нас пульсирующее напряжение, округлим до 0.002 А (2 мА). Этого тока достаточно, чтобы «ключ замыкался». Номинал сопротивления при этом равен 310/0.002 = 155000 Ом. Итог: ставим последовательно три SMD резистора, типоразмером 1210, номиналом 51 кОм каждый.
В итоге, схема ZC детектора выглядит примерно так.
Теперь микроконтроллеры PLC устройств, подключенных к одной фазе могут синхронизироваться между собой с помощью сигнала на ножке «ZC input » из такого ZC детектора.
Схема согласования сигнальных цепей с линией 220 В
Схема согласования закрывает собой компоненты “входной” и “выходной” цепей. “Входная” и “выходная” сигнальные цепи обычно выполнены на микросхемах усилителях, которые питаются небольшим постоянным напряжением (3-12 В). Подключить их напрямую к 220 В не получится.
Из электросети должны проходить только высокочастотные сигналы. Основная гармоника 50 Гц, на которой передаётся электроэнергия, не должна попасть в сигнальные цепи устройства. Также в этой схеме обычно располагается защита от скачков напряжения и перегрузок.
Эта часть схемы принимает различный вид в разных “datasheet” на готовые PLC микросхемы. Опишем минимально работоспособный вариант.
Для первых опытов
Можно взять ферритовое кольцо типа “17,5×8,2×5 М2000Н”, есть в любом магазине электроники. Провод МГТФ наматываем сразу 3 обмотки в 20 витков.
Конденсатор плёночный из серии MKP или любой аналогичный, который выдерживает от 220 В переменки (с запасом).
Для отсечения ненужных низкочастотных гармоник ставится конденсатор, который выдержит 220 В. После него, для гальванической развязки и также фильтрации, высокочастотный трансформатор. Трансформатор можно сделать с отдельными обмотками для “входной” и “выходной” цепей (как на изображениях) или использовать одну обмотку на «вход»/»выход».
Для защиты усилителей от импульсных перенапряжений можно поставить защитные диоды (супрессоры) и/или варисторы с предохранителем. Тема защиты устройства от электрических неприятностей довольно обширная, в этой статье не рассматривается. Но забывать про это не стоит.
Варианты схемы согласования можно подглядеть в готовых решениях различных фирм, выпускающих PLC микросхемы. Каждая схема согласования разрабатывается под ”входные”/”выходные” усилители, используемые в этих решениях.
”Входная” цепь — измерение полезного сигнала
”Входная” цепь должна выполнить как минимум две задачи:
отфильтровать грубый входящий сигнал, срезав все лишнее;
после этого усилить сигнал до приемлемого уровня, подходящего для измерения и оцифровки с помощью ЦАП микроконтроллера.
Фильтрация
Существует большое разнообразие вариантов исполнений фильтров. В нашем случае подойдёт простой пассивный полосовой фильтр. При узкополосной передаче можно грубо отсечь ненужные частоты сверху и снизу. Фильтр нужно рассчитываем так, чтобы наши рабочие частоты попадали по центру полосы пропускания и меньше всего срезались.
В самом простом случае можно особо не заморачиваться с фильтром, так как в линиях электропередач запросто могут быть шумы с частотами близкими к полезным. Нам просто нужно примерно совместить полосу пропускания фильтра с “полезной” полосой частот, срезав все сверху и снизу. Остальное можно решить программным путём.
Важно помнить, что элементы пассивного фильтра изготавливаются с большими погрешностями и характеристики сильно завязаны на температуру. Поэтому при расчетах нужно оставлять небольшой запас с учётом этих погрешностей и влияния температуры.
Усиление
Амплитуду сигнала нужно поднять до приемлемой для измерений и оцифровки. В этом помогут операционные усилители (ОУ), которых на рынке огромное количество, и про которые написано тонны статей.
Ссылки на статьи про операционные усилители и их про каскадное подключение оставил в конце статьи.
”Выходная” цепь — генерация полезного сигнала
Задача ”выходной” цепи — фильтровать и усиливать сигнал из ЦАП микроконтроллера.
Микроконтроллер по специальному алгоритму генерирует полезный сигнал, нужной длительности и частоты, соответствующей передаваемому символу. На выходе из ЦАП у нас получается просто болванка “полезного сигнала”, угловатая, примерно похожая на синусоиду, но (самое главное!) нужной нам частоты.
Далее сигнал сглаживается фильтром и отправляется в аналоговую часть схемы (усилитель и схема согласования с 220 В).
Можно подумать, что форма сигнала не особо важна при кодировании, так как преобразование Фурье всё равно может вычленить основную гармонику “полезного сигнала”, отбросив всё лишнее. Но чем сигнал ближе по форме к синусоиде, тем меньше энергии мы будем тратить “в пустоту”, просто добавляя высокочастотный шум в сеть. И выходной усилитель будет работать стабильнее. Как уже говорилось — на входе важна лишь основная гармоника сигнала. Остальные гармоники — это шум.
Так как мощности сигнала на выходе ЦАП микроконтроллера недостаточно для отправки его напрямую в линию электропередач, после ЦАП нам обязательно нужен внешний усилитель.
При выборе усилителя разбегаются глаза. Не буду рассказывать про всё многообразие, но подскажу вариант для ленивых, как я. Можно использовать одну из готовых микросхем для усиления аудио сигналов в аудиоплеерах. Мощность у них обычно не большая — около 1W.
Гуглить их можно по фразе “audio amplifier btl 1w”. Но тут нужно учесть, что они обычно рассчитаны на аудио сигналы до 20 кГц, и производитель не рассчитывал, что их будут использовать в PLC модеме. Есть модели, которые хорошо усиливают частоты до 100-150 кГц, и обычно в datasheet об этом не пишут.
они очень удобны тем что там встроенная стабилизация сигнала;
хватает однополярного питания — не надо париться с блоком питания.
во включенном состоянии из-за обратной связи съедают входящий сигнал, поэтому усилитель надо “выключать”, когда устройство в режиме прослушивания (приёма);
большой минус — это их незащищённость от импульсных помех в электросети. Сгорают мгновенно. Но от этого можно спастись, поставив на выходе усилителя супрессоры, что-то наподобие “P4SMAJ5.0A” или аналогичный.
Примерно так выглядит усиление с однополярным питанием.
Также нужно не забыть на выходе усилителя ставить конденсатор, чтобы отсечь постоянную составляющую сигнала.
Итого
Во второй и третей частях мы коротко пробежались по основным блокам простейшего PLC устройства, создали общую картину их взаимодействия. Так как затрагиваемых тем очень много и они дольно глубокие, подробнее осветить их в статье не получилось (да и я в них не специалист). Для более серьезного изучения есть специализированная литература. Но новичку иногда сложно понять в какую сторону копать. Поэтому конце оставил много ссылок на различные обзорные статьи по связанным темам.
В следующей части статьи планировал на примерах показать, как можно программно генерировать синус нужной частоты для ЦАП в STM32. И заодно как обработать приходящий на АЦП сигнал и выяснить наличие в нём нужных гармоник (частот) полезного сигнала.
Твердотельное реле (Trema-модуль)
Общие сведения:
Видео:
Спецификация:
Подключение:
Trema-модуль Твердотельное реле подключается к любому выводу Arduino.
Модуль удобно подключать 3 способами, в зависимости от ситуации:
Используя провода «Папа — Мама», подключаем напрямую к контроллеру Piranha UNO.
Модуль можно подключить к любому из цифровых или аналоговых входов Trema Set Shield.
Используя 3-х проводной шлейф, к Trema Shield, Trema-Power Shield, Motor Shield, Trema Shield NANO и тд.
Выход (AC) модуля (клеммник) подключается в разрыв фазы силовой цепи переменного тока.
Питание:
У модуля нет входного напряжения питания, вывод Vcc (V) предусмотрен для удобства подключения.
Подробнее о модуле:
Благодаря отсутствию механических движущихся частей, твердотельное реле имеет больший срок службы и не издаёт характерных звуков, по сравнению с обычными, электромеханическими реле. Цифровая схема твердотельного реле развязана с силовой частью, симметричным триодным фототиристором. В модуле используется реле с функцией пересечения ноля (zero cross function). Данная функция предусматривает возможность замыкания выходной цепи, только когда переменное напряжение нагрузки пересекает ноль, благодаря чему, ток нагрузки увеличивается плавно. Такой тип включения продлевает срок службы устройств подключённых к силовой части модуля, но делает невозможным замыкание цепей нагрузки постоянного тока.
Функция пересечения нуля (zero cross function)
Из графика видно, что после подачи управляющего сигнала на вход модуля, реле ожидает когда приложенное к выходной цепи напряжение «пересечёт» ноль и только в этот момент замыкает выходную цепь. Следовательно в выходной цепи не происходит резкого увеличение тока.
Высокоточный детектор перехода сетевого напряжения через ноль на двух транзисторах
Fairchild BC549B
Для многих приложений, использующих переменное напряжение 110/230 В, требуется детектирование перехода сетевого напряжения через ноль (zero-crossing-detection, ZCD), например, для синхронизации коммутации нагрузок. Один из методов ZCD основан на использовании высокоомного токоограничивающего резистора или резистивного делителя напряжения для измерения переменного напряжения на выводе контроллера. Однако такая схема ZCD имеет задержку, зависящую от порогового напряжения входа контроллера, наличия гистерезиса и скорости нарастания сетевого напряжения. Например, предположим, что напряжение в системе равно 230 В, 50 Гц, и резисторы делят напряжение на 100, то есть 230 В/100 = 2.3 В. Кроме того, предположим, что порог переключения входа микроконтроллера равен 1 В. Относительно напряжения сети 230 В этот пороговый уровень составляет 1 В×100 = 100 В. Таким образом,
дает задержку t = 1.43 мс, что составляет 14.3% от длительности полупериода – существенная ошибка.
 | ||
| Рисунок 1. | Эта простая двухтранзисторная схема точно определяет момент перехода входного сетевого напряжения через ноль. | |
На Рисунке 1 показана недорогая эффективная схема ZCD, использующая два стандартных транзистора. Цепь C1, C2, D1, D2 и R1, подключенная непосредственно к сети переменного тока, образует простой однополупериодный выпрямитель, питающий схему ZCD. Q1 служит выходным элементом схемы ZCD. Для компенсации напряжения база-эмиттер добавлен включенный диодом транзистор Q2, ограничивающий положительную полуволну напряжения. Для повышения эффективности детектор должен распознавать периоды переменного тока при как можно более высоком напряжении. Этим требованием определяется выбор транзисторов. Q2 и Q1 – малошумящие малосигнальные транзисторы BC549B с максимальным напряжением коллектора, равным 30 В. При таком выборе напряжение 230 В необходимо ослабить до 30 В. (Для транзистора BC546 достаточно ослабления до 80 В). Таким образом, коэффициент деления делителя должен быть равен 30 В/230 В = 13.4%, и сопротивления резисторов должны соответствовать соотношениям
Сопротивления ограничивающих ток резисторов R2 и R3 должны быть достаточно большими. Выбор стандартного значения R1 = 820 кОм означает, что
а ближайшее стандартное значение – 120 кОм. При таких сопротивлениях напряжение на транзисторе Q2 ограничено значением
что меньше максимально допустимого для транзистора напряжения 30 В.
Во время положительного полупериода напряжение на базе Q1, ток которой ограничивается резистором R4, увеличивается примерно до 0.6 В. Q2 работает как постой диод. Таким образом, когда напряжение превышает 0 В, Q2 смещен в обратном направлении и блокирует протекание любого тока. При 0 В Q2 смещен в прямом направлении, но поддерживает напряжение 0.6 В на переходе база-эмиттер (VBE). Таким образом, напряжение на коллектор и базе Q2, подключенным к базе Q1, остается на уровне 0.6 В. В положительном полупериоде транзистор Q1 насыщен, и выходное напряжение близко к нулю. В отрицательном полупериоде, когда напряжение меньше 0 В, ток течет через Q2. Поэтому напряжение на базе Q1, подключенной к коллектору Q2, падает ниже 0.6 В, что приводит к закрыванию Q1, и уровень выходного напряжения становится высоким. Обратите внимание, что напряжение на базе Q1 может достигать примерно –30 В относительно Q2; для защиты перехода Q1 от напряжения выше –1 В можно добавить ограничивающий диод D3.
Материалы по теме
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
Zero cross что это такое
Детектор нуля (Zero Cross Detector)
Момент включения симистора, определяет величину проходящей синусоиды, которая, в свою очередь, определяет выходную мощность. Микроконтроллер может управлять моментом включения симистора, однако для этого ему нужно точно знать, когда синусоида пересекается с нулем. Рассмотрим найденную в просторе Интернета интересную реализацию такого детектора (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема детектора нуля (zero cross detector).
Преимуществом данной схемы для меня стало наличие гальванической развязки. На рисунке 2 представлено небольшое пояснение работы детектора..
Рисунок 2 – Принцип работы детектора нуля.
Каждому пересечению синусоиды с нулем соответствует импульс. Так как синусоида за период дважды пересекает нуль, то частота следования импульсов на выходе детектора нуля будет не 100Гц, если частота напряжения в сети 50Гц.
Печатная плата детектора представлена на рисунке 3, габариты которой 60×40мм. Собранный детектор, изображен на рисунке 4.
Рисунок 3 – Печатная плата детектора нуля.
Рисунок 4 – Детектор нуля. Общий вид.
Диодный мост любой, маломощный. Вместо импортных транзисторов BC547, можно применить отечественный аналог КТ3102.
Собранная схема не нуждается в настройке. Проверку работоспособности осуществляем измерением частоты следования импульсов между первой и второй ножкой оптопары мультиметром или осциллографом.
Необходимо зарегистрироваться чтобы прочитать текст
Рейтинг: 
 |
|---|
 |
|---|