کنترل توان مصرف کننده های AC به صورت دیجیتالی با AVR

کنترل توان مصرف کننده های AC

در این بخش دانلود پروژه کنترل توان مصرف کننده های AC به صورت دیجیتالی با میکروکنترلر AVR, توسط تیم الکترونیک و برنامه نویسی الکترونیک ۹۸ برای شما علاقه مندان به پروژه های میکروکنترلر AVR آماده شده است. امروزه, می توان انواع قطعات الکترونیک توان بالا را, که در ولتاژها و جریان های بزرگ استفاده می شوند, در بازار تهیه کرد. ترایاک ها (Triacs), تریستورها (Thyristors) و ترانزیستورها و ماسفت های قدرت از جمله این قطعات صنعتی هستند. در این میان, تریستورها و ترایاک ها بیشتر در ولتاژ AC و کنترل توان مصرف کننده های برق شهری و برق صنعتی کاربرد دارند.

ماسفت ها و ترانزیستورهای قدرت نیز بیشتر در مدارات سوئیچینگ و اینورترها به کار می روند. در این پروژه ما با استفاده از ترایاک و میکروکنترلر AVR اقدام به طراحی یک مدار جهت کنترل توان مصرف کنندهای AC (برق شهری) و صنعتی همانند: کنترل سرعت موتورهای AC و یا کنترل میزان شدت روشنایی لامپ های رشته ای به صورت دیجیتالی با استفاده از تغییر کمیت فرکانس کرده ایم. همچنین شما دانشجویان رشته های برق و قدرت و یا الکترونیک می توانید جهت ارائه پروژه های دانشجویی خود از این پروژه حرفه ای و البته بسیار کاربردی استفاده نمائید.

رله جامدات

شاید تا به حال با این واژه برخورد کرده و یا از نزدیک یک رله جامد را دیده باشید, در حقیقت رله های جامد در رشته های برق و قدرت همان کنتاکتورها هستند البته با ظاهری کاملا متفاوت! در ساخت رله های جامد از هیچ گونه قطعه مکانیکی استفاده نشده است و اندازه آن بسیار کوچک تر از یک کنتاکتور است. یک رله جامد ممکن است از یک تریستور و یا ترایاک با جریان بالا به همراه چند مقاومت و خازن ساخته شده باشد, البته در جریان های بالاتر از 25 آمپر و ولتاژ های بیشتر از 800 ولت از تریستورها استفاده می شود.

امروزه در ساخت قطعات صنعتی (الکتروتکنیک) رله ها و کنتاکتور ها جای خود را به رله های جامد با اندازه بسیار کوچک, وزن بسیار سبک, قیمت پایین تر, خرابی بسیار کم به دلیل عدم استفاده از قطعات مکانیکی, بدون سر و صدا و لرزش و… داده اند. از موارد استفاده رله های جامد در موارد صنعتی می توان بیشتر به کنترل مصرف کننده های AC با توان بالا توسط قطعات الکترونیکی با ولتاژ ها و جریان های بسیار پایین اشاره نمود.

نقشه شماتیک ساخت یک رله الکترونیکی با ترایاک

در مدار نمایش داده شده در تصویر زیر ما با استفاده از یک ترایاک یک مصرف کننده AC با حداکثر جریان 25 آمپر و ولتاژ حداکثر 800 ولت را با استفاده از یک میکروکنترلر AVR خاموش و روشن می کنیم.

در مدار بالا آی سی MOC3021 در حقیقت یک جداساز نوری می باشد, که با استفاده از آن مدار قدرت را از مدار فرمان به صورت کامل ایزوله (جدا) می کنیم. عملکرد تراشه به این صورت است که با اعمال ولتاژ مناسب بین پایه 1 و 2, دیود نورانی درون تراشه روشن می شود و در نتیجه ترایاک نوری داخل تراشه تحریک می گردد. گفتنی است که هیچ ارتباط الکتریکی بین دیود فرستنده و ترایاک گیرنده وجود ندارد و اپتو ترایاک موجود در آی سی MOC3021, صرفا از طریق دریافت نور دیود نورانی آتش می شود.

در تصویر بالا چگونگی استفاده از MOC3021 را در راه اندازی بارهای قدرت از نوع مقاومتی نمایش می دهد. در این مدار از ترایاک Q8025R5 برای راه اندازی یک بار صنعتی با حداکثر جریان 25 آمپر استفاده شده است. در این مدار, گیت ترایاک با استفاده از جداسازی نوری و از طریق یک سیگنال دیجیتال (0 و 5 ولت) توسط میکروکنترلر AT90S2323 از خانواده میکروکنترلرهای AVR تحریک می شود. به عنوان مثال, اگر در مدار بالا پایه یک تراشه MOC3021 را توسط پایه PB0 میکروکنترلر AVR یک کنیم, در صورتی که ولتاژ 220 ولت برق شهری مطابق شکل متصل باشد, مصرف کننده AC از نوع مقاومتی روشن (فعال) می شود.

تغییر توان مصرف کننده AC با تغییر زاویه آتش

در مدار بالا می توان با تغییر زاویه آتش ترایاک میزان جریان عبوری و در حقیقت توان مصرف کننده AC را کنترل نمائیم, به عنوان مثال اگر مصرف کننده AC یک لامپ رشته ای در نظر گرفته شود می توان با تغییر زاویه آتش ترایاک بر روی پایه G این تراشه میزان نور لامپ را تغییر دهیم. زاویه آتش می تواند (α) می تواند از صفر تا Π تغیر کند. اگر مقدار α برابر صفر باشد بیشترین جریان موثر از لامپ عبور می کند و در نتیجه نور لامپ, حداکثر است و اگر α برابر Π باشد, جریان موثر عبوری از لامپ برابر صفر و در نتیجه لامپ خاموش است. بنابراین با انتخاب زاویه آتش بین صفر تا Π می توان شدت نور لامپ را از حداکثر تا صفر تغییر داد.

پس تا به اینجا نتیجه می گیریم برای کنترل نور لامپ باید زاویه آتش را تغییر دهیم, به عبارت دیگر, لازم است در هر سیکل ولتاژ برق شهر, ترایاک را با زاویه آتش مناسب تحریک کنیم. از طرفی, مدار کنترل کننده دیجیتال, که در سمت چپ اپتوکوپلر نشان داده شده است (مدار بالا), هیچ ارتباطی با ولتاژ AC برق شهر ندارد و اصولا از یک ولتاژ DC (معمولا 5 ولت) استفاده می کند, بنابراین به مداری نیاز داریم که عبور از صفر را در ولتاژ برق شهر تشخیص دهد. بعد از این, کار نسبتا ساده است و با استفاده از یک فرآیند زمان بندی می توان زاویه آتش مناسب را به دست آورد و در نتیجه در زاویه آتش مناسب, گیت ترایاک را تحریک کرد.

نقشه شماتیک مدار تشخیص دهنده عبور از صفر

مدار تشخیص دهنده عبور از صفر (Zero Cross Detector) را می توان به روش های متعددی ساخت. نمونه ای ساده از این مدار, در شکل زیر نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه می شود, توسط یک ترانس کاهنده از ولتاژ برق شهری نمونه برداری می شود و در خروجی مدار, پالس هایی را دریافت می کنیم که دقیقا در زمان عبور ولتاژ از سطح صفر تولید می شوند.

توسط پتانسیومتر PV1, می توان پهنای پالس ها را تنظیم کرد. هر چه پالس های تولید شده توسط مدار تشخیص عبور از صفر تیزتر باشند, دقت در اندازه گیری و تولید زمان تحریک شدن گیت بیشتر و خطا کمتر می شود. از این به بعد, همه چیز به عهده برنامه میکروکنترلر ATmega8 که به زبان بیسیک BASIC و در محیط نرم افزار BASCOM-AVR نوشته شده است، می باشد. همانطور که در نقشه شماتیک کامل پروژه نشان داده شده است, پالس های ناشی از عبور از صفر ولتاژ برق شهر, به پایه وقفه خارجی میکروکنترلر انتقال می یابد, بنابراینمیکروکنترلر باید طوری برنامه ریزی شود که بعد از دریافت وقفه با زمان بندی مناسب, زاویه α دلخواه را تولید کند و سپس گیت ترایاک را تحریک نماید.

نحوه راه اندازی و آزمایش پروژه

مدار پروژه طوری طراحی شده است که می تواند نور یک عدد لامپ 100W با ولتاژ 220 ولت AC یا سرعت یک موتور AC به سه حالت دلخواه به شرح زیر کنترل نماید:

حالت اول – کنترل نور لامپ به صورت آنالوگ , توسط چرخش یک پتانسیومتر.

حالت دوم – کنترل نور لامپ به صورت دیجیتال, توسط دو میکرو سوئیچ UP و DOWN.

حالت سوم – کنترل نور لامپ به صورت هوشمند بسته به میزان نور محیط با استفاده از یک سنسور نوری LDR.

هر یک از سه حالت کنترل نور لامپ را می توان با فشار دادن میکرو سوئیچ Select انتخاب کرد.

ویدیو ضبط شده از نحوه راه اندازی و عملکرد پروژه