Преоборудване на BLE контрола към натоварвания с висока мощност - не се изисква допълнително окабеляване: 10 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Актуализация: 13 юли 2018 г. - добавен 3 -терминален регулатор към доставката на тороиди

Тази инструкция обхваща BLE (Bluetooth Low Energy) контрол на съществуващ товар в диапазона от 10W до> 1000W. Захранването се превключва дистанционно от вашия Android Mobile чрез pfodApp.

Не се изисква допълнително окабеляване, просто добавете управляващата верига BLE към съществуващия превключвател.

Често при модернизиране на домашната автоматизация към съществуващи инсталации единственото разумно място за добавяне на контрол е към съществуващия превключвател. Особено когато искате да запазите превключвателя като ръчно управление. Обикновено обаче има само два проводника към превключвателя, активният и превключващият проводник към товара, без неутрален. Както е показано по -горе, този BLE контрол работи само с тези два проводника и включва превключвател за ръчно управление. Както дистанционното управление, така и ръчният превключвател работят, когато натоварването е включено или изключено.

Конкретният пример тук е за контролиране на 200W светлинни банки чрез поставяне на веригата зад прекъсвача за стена. Кодът е предоставен както за RedBear BLE Nano (V1.5), така и за RedBear BLE Nano V2 за показване на контролния бутон на pfodApp. В кода е налична и опционална функция за автоматично изключване по време.

ВНИМАНИЕ: Този проект е само за опитни конструктори. Дъската се захранва от мрежата и може да бъде смъртоносна, ако някоя част от нея бъде докосната, докато работи. Окабеляването на тази платка към съществуващата верига на превключвателя на светлината трябва да се извършва само от квалифициран електротехник

Стъпка 1: Защо този проект?

Предишният проект, Преоборудване на съществуващ светлинен превключвател с дистанционно управление, работи за натоварвания между 10W и 120W за 240VAC (или 5W до 60W за 110VAC), но не успя да се справи с осветлението в салона, което се състои от 10 x 20W = 200W от компактни флуоресцентни лампи. Този проект добавя няколко компонента и тороид за рана, за да премахне това ограничение на натоварването, като същевременно запази всички предимства на предишния проект. Натоварването, което този дизайн може да превключи, е ограничено само от номиналните контакти на релето. Релето, използвано тук, може да превключва 16 ампера резистивно. Това е> 1500W при 110VAC и> 3500W при 240VAC. Контролната верига и релето BLE използва mWs и затова дори не се затопля.

Предимствата на този проект са:- (вижте Преоборудване на съществуващ светлинен превключвател с дистанционно управление за повече подробности)

Лесно за инсталиране и поддръжка Това решение се захранва от мрежата, но НЕ изисква допълнително окабеляване. Просто инсталирайте, добавете управляващата верига към съществуващия ръчен превключвател.

Гъвкав и здрав Превключвателят за ръчно управление продължава да контролира товара, дори ако веригата за дистанционно управление се повреди (или не можете да намерите мобилния си телефон). Също така можете дистанционно да включите товара, след като сте използвали превключвателя за ръчно управление, за да го изключите

Допълнителни функции След като имате микропроцесор, контролиращ натоварването, можете лесно да добавите допълнителни функции. Кодът в този проект включва опция за изключване на товара след определено време. Можете също така да добавите температурен сензор за контрол на товара и дистанционно регулиране на зададената температура.

Създава основата за пълна мрежа за домашна автоматизация Тази диаграма е от Bluetooth V5 „Спецификация на профила на мрежата 1.0“, 13 юли 2017 г., Bluetooth SIG

Както можете да видите, той се състои от редица релейни възли в мрежа. Релейните възли са активни през цялото време и осигуряват достъп до други възли в окото и до сензорите, захранвани от батерии. Инсталирането на този модул BLE Remote с мрежово захранване автоматично ще осигури набор от възли във вашата къща, които могат да бъдат добавени към мрежата като възли на реле. RedBear BLE Nano V2 е съвместим с Bluetooth V5.

Спецификацията BLE Mesh обаче е съвсем скорошна и в момента няма примерни реализации. Така че настройването на мрежата не е обхванато в този проект, но след като примерен код стане наличен, ще можете да програмирате отново RedBear BLE Nano V2, за да осигурите мрежова мрежа за домашна автоматизация

Стъпка 2: Как се захранва дистанционният превключвател BLE, когато няма неутрална връзка?

Идеята за това управление датира от няколко години до обикновена верига с постоянен ток. (Национална бележка за полупроводникови приложения 103, фигура 5, Джордж Кливланд, август 1980 г.)

Интересното за тази схема е, че тя има само два проводника, един и един навън. Няма връзка с захранването -ve (gnd) освен чрез товара. Тази верига се издърпва от ремъците за зареждане. Той използва спада на напрежението в регулатора и резистора за захранване на регулатора.

Преоборудването на съществуващ светлинен превключвател с дистанционно управление използва подобна идея.

Стабилен 5V6 Zener с натоварване подава захранване за BLE контролера и заключващото реле. Когато товарът е изключен, много малко количество ток, по -малко от 5 mA, продължава да тече през ценера (и товара) през 0.047uF и 1K, заобикаляйки отворения превключвател. Този малък ток, който е едва откриваем и „безопасен“, е достатъчен за захранване на BLE контролера, когато натоварването е изключено, а също така зарежда кондензатор, за да задвижва заключващото реле, за да включи товара от разстояние. Вижте Преоборудване на съществуващ светлинен превключвател с дистанционно управление за пълната верига и подробности.

Ограничението на горната верига е, че когато товарът е ВКЛЮЧЕН, целият ток на натоварване преминава през ценера. Използването на 5W ценер ограничава тока до около половин усилвател. Това означава, че за 60W лампа (при 110VAC) 3W се разсейва като топлина от ценера, когато товарът е ВКЛЮЧЕН. За 110V AC системи това ограничава натоварването до около 60W, а за 240V системи около 120W. С модерното LED осветление това често е достатъчно, но няма да се справи с 200W лампи в хола.

Описаната тук схема премахва това ограничение и позволява киловати мощност да се управляват дистанционно от mWs чрез BLE и pfodApp.

Стъпка 3: Електрическа схема

Схемата по -горе показва натоварването OFF. В това състояние BLE контролерът се захранва чрез 0.047uF и 1K, както в предишната верига. Когато натоварването е ВКЛЮЧЕНО (т.е. задействайте или стенния превключвател, или заключващото реле в горната верига), горният токоизправител и компонентите 0.047uF и 1K се късо съединяват от релето и превключвателя. След това токът на пълно натоварване преминава през тороидалния трансформатор, който доставя mWs, необходими за управляващата верига. Въпреки че тороидът е показал, че има около 3,8 V AC през него първично, първичната намотка е почти изцяло реактивна и извън фаза с напрежението на натоварването, така че тороидът всъщност приема много малко енергия, всъщност mWs.

Пълната електрическа схема е тук (pdf). Списъкът с части, BLE_HighPower_Controller_Parts.csv, е тук

Можете да видите допълнителните компоненти от лявата страна. Тороидалният трансформатор, пренапрежение, ограничителен резистор и токоизправител с пълна вълна. Модифицирането на съществуващ светлинен превключвател с дистанционно управление описва останалата част от веригата.

Напрежението, подавано от тороидалния трансформатор, варира в зависимост от тока на натоварване (вижте по -долу за повече подробности). Повече 7V са необходими за задвижване на токоизправителя с пълна вълна и стабилинера. Резисторът RL е избран да ограничи тока през ценера до няколко mAs, да речем по -малко от 20mA. Наличието на тороидално захранващо напрежение, което варира в зависимост от тока на натоварване, не представлява голям проблем поради широкия диапазон от токове, които ценерът може да издържи, 0,1 mA до 900 mA, което дава широк диапазон от налични спадания на напрежението в RL и следователно широк диапазон от приемливи Тороидални захранващи напрежения. Разбира се, за ефективност бихме искали изходното напрежение от тороида да съответства по -точно на необходимото.

Актуализация: 13 юли 2018 г.-заменен RL с 3-терминален регулатор

При проверка на хардуера след няколко месеца, ограничаващият тока резистор RL изглеждаше леко изгорен, така че тороидалната трансформаторна верига беше променена (modifiedCircuit.pdf), за да се използва вместо това 3-терминален ограничител на тока.

Z1 (двупосочен ценер) беше добавен, за да се ограничи скокът на напрежението на първичния до <12V и IC1, добавен за ограничаване на тока, подаван от вторичния до ~ 10mA. Използва се LM318AHV с ограничение на входното напрежение 60V и Z2 ограничава изхода на трансформатора до <36V за защита на LM318AHV.

Стъпка 4: Проектиране на тороидален трансформатор

Тук се използва тороидален трансформатор, тъй като има много ниско изтичане на магнитен поток и така свежда до минимум смущенията в останалата част от веригата. Има два основни типа тороидни ядра, железен прах и ферит. За този дизайн трябва да използвате железен прах тип, който е предназначен за използвана енергия. Използвах ядро HY-2 от Jaycar, LO-1246. 14,8 мм височина, 40,6 мм OD, 23,6 мм ID. Ето лист със спецификации. В този лист се отбелязва, че тороидите T14, T27 и T40 са подобни, така че вместо това можете да опитате един от тях.

Дизайнът на трансформатора е нещо изкуство поради нелинейния характер на кривата B-H, магнитната хистерезис и загубите на сърцевината и проводника. Magnetic Inc има процес на проектиране, който изглежда направо напред, но изисква Excel и не работи под Open Office, така че не го използвах. За щастие тук трябва само да получите правилния дизайн и можете да го регулирате, като добавите първични завои или увеличите RL. Използвах процеса на проектиране по -долу и получих приемлив трансформатор за първи път, след като добавих втора първична намотка. Прецизирах броя на завоите и процеса на навиване за втория трансформатор.

Основните критерии за проектиране са:-

• Необходимо е да има достатъчно промяна в магнитното поле (H) в ядрото, за да се преодолее хистерезисът на кривата B-H, но не достатъчно, за да се насити ядрото. да речем 4500 до 12000 Гаус.
• Първичните волта зависят от:- индуктивността на първичната намотка и честотата на мрежата, за да се даде реактивността, а след това пъти от тока на натоварване, за да се даде напрежението на първичната намотка.
• Вторичните волта зависят приблизително от съотношението на завъртания, вторично спрямо първичното време, на първичните волта. Загубите в сърцевината и съпротивлението на намотката означават, че изходът винаги е по -малък от идеалния трансформатор.
• Вторичните волта трябва да надвишават 6.8V (== 5.6V (ценер) + 2 * 0.6V (токоизправителни диоди)) за достатъчно от променливотоковия цикъл, за да осигури среден ток през ценера по -голям от няколко mA за захранване на BLE веригата.
• Размерът на проводника на първичната намотка трябва да бъде избран, за да може да носи тока на пълно натоварване. Вторичното обикновено ще носи mA само след като поставите ограничителния резистор RL, така че размерът на проводника на вторичната намотка не е критичен.

Стъпка 5: Дизайн за 50Hz мрежа

Калкулаторът за индуктивност на тороид на завой ще изчисли индуктивността и Gauss/Amp за даден брой завои, като се имат предвид размерите на тороида и пропускливостта, ui.

За това приложение, фоайето осветява, токът на натоварване е около 0,9A. Ако приемем 2: 1 нарастващ трансформатор и по -голям от 6,8 V пик на вторичния, тогава пиковото първично напрежение трябва да бъде по -голямо от 6,8 / 2 = 3,4 V Пик / sqrt (2) == AC RMS волта, така че първичните RMS волта се нуждаят да бъде по -голямо от 3,4 / 1,414 = 2,4 V RMS. Така че нека се стремим към първични RMS волта, да речем около 3V AC.

Първичното напрежение зависи от реактивните съпротивления по време на тока на натоварване, т.е. 3/0,9 = 3,33 първично съпротивление. Реактивността на намотката се определя от 2 * pi * f * L, където f е честотата, а L е индуктивността. Така че за 50Hz основна система L = 3.33 / (2 * pi * 50) == 0.01 H == 10000 uH

Използвайки калкулатора на тороидна индуктивност на завой и вмъквайки тороидните размери от 14,8 мм височина, 40,6 мм от външната страна, 23,6 мм ID и приемайки, че 150 за потребителски интерфейс дава за 200 оборота 9635uH и 3820 Gauss/A Забележка: потребителският интерфейс е посочен в спецификацията като 75, но за по -ниските нива на плътност на потока, използвани тук, 150 е по -близо до правилната цифра. Това беше определено чрез измерване на първичното напрежение на крайната намотка. Но не се притеснявайте много за точната цифра, тъй като можете да поправите първичната намотка по -късно.

Така че, използвайки 200 завъртания, за 50Hz, f, подайте реактивното съпротивление == 2 * pi * f * L == 2 * 3.142 * 50 * 9635e-6 = 3.03 и така напреженията през първичната намотка при 0.9A RMS AC е 3,03 * 0,9 = 2,72 V RMS за пиково напрежение 3,85 V и вторично пиково напрежение 7,7 V, приемайки 2: 1 повишаващ трансформатор.

Пикът Gauss е 3820 Gauss / A * 0.9A == 4861 Gauss, което е по -малко от нивото на насищане от 12000 Gauss за това ядро.

За трансформатор 2: 1 вторичната намотка трябва да има 400 оборота. Тестването показа, че този дизайн работи и RL ограничаващият резистор от 150 ома дава среден ток на ценер от приблизително 6mA.

Размерът на първичния проводник беше изчислен с помощта на Изчисляване на мрежови честотни силови трансформатори - Избор на правилния проводник. За 0.9A тази уеб страница дава диаметър 0.677 мм. Така емайлирана тел с диаметър 0,63 мм (Jaycar WW-4018) беше използвана за първичната, а емайлирана тел с диаметър 0,25 мм (Jaycar WW-4012) беше използвана за вторичната.

Действителната конструкция на трансформатора използва единична вторична намотка от 400 завоя от емайлирана тел с диаметър 0,25 мм и две (2) първични намотки от 200 завъртания всяка от емайлирана тел с диаметър 0,63 мм. Тази конфигурация позволява на трансформатора да бъде конфигуриран да работи с натоварващи токове в диапазона от 0,3A до 2A, т.е. (33W до 220W при 110V ИЛИ 72W до 480W при 240V). Свързването на първичните намотки е последователно, удвоява индуктивността и позволява трансформатора да се използва за токове до 0,3A (33W при 110V или 72W при 240V) с RL == 3R3 и до 0,9A с RL = 150 ома. Свързването на двете първични намотки успоредно удвоява текущата им капацитет и осигурява ток на натоварване от 0,9A до 2A (220W при 110V и 480W при 240V) със съответния RL.

За моето приложение, контролиращо 200W светлини при 240V, свързах намотката е паралелна и използвах 47 ома за RL. Това съвпада изходното напрежение с необходимото, като същевременно позволява на веригата да функционира все още при натоварвания до 150 W, ако една или повече крушки се повредят.

Стъпка 6: Промяна на оборотите за 60Hz мрежа

При 60 Hz реактивното съпротивление е 20% по -високо, така че не се нуждаете от толкова завои. Тъй като индуктивността варира като N^2 (завъртания на квадрат), където N е броят на завоите. За 60Hz системи можете да намалите броя на завоите с около 9%. Това е 365 оборота за вторичния и 183 оборота за всеки първичен, за да покрие 0,3A до 2A, както е описано по -горе.

Стъпка 7: Проектиране за по -високи токове на натоварване, пример 10A 60Hz

Релето, използвано в този проект, може да превключи резистивен ток на натоварване до 16А. Дизайнът по -горе ще работи за 0.3A до 2A. Над това тороидът започва да се насища и размерът на проводника на първичната намотка не е достатъчно голям, за да носи тока на натоварване. Резултатът, потвърден от изпитване с 8.5A товар, е вонящ горещ трансформатор.

Като пример за дизайн с голямо натоварване, нека проектираме за 10A натоварване в 60Hz 110V система. Това е 1100W при 110V.

Да приемем първично напрежение от 3.5V RMS и трансформатор 2: 1, позволяващ някои загуби, тогава необходимото първично реактивно съпротивление е 3.5V / 10A = 0.35. За 60Hz това предполага индуктивност от 0,35/(2 * pi * 60) = 928,4 uH

Използвайки потребителския интерфейс от 75 този път, тъй като плътността на потока ще бъде по -висока, вижте по -долу, няколко опита за броя на завъртанията в калкулатора на тороидна индуктивност на ход дават 88 оборота за първичния и 842 Gauss / A за плътността на потока или 8420 Gauss при 10A, което все още е в рамките на границата на насищане от 12000 Gauss. При това ниво на потока u i вероятно е все още по -високо от 75, но можете да регулирате броя на първичните завои, когато тествате трансформатора по -долу.

Изчисляването на мрежови честотни силови трансформатори дава размер на проводника 4 мм^2 напречно сечение или 2,25 мм диаметър или може би малко по -малко, да речем две първични намотки от 88 завъртания всеки с 2 мм^2 напречно сечение, т.е. 1,6 мм диаметър проводник, свързан паралелно, за да се получи общо 4 mm^2 напречно сечение.

За да конструирате и тествате този дизайн, навийте вторична намотка от 176 оборота (за да се даде двойно изходното напрежение, както преди) и след това навийте само един първичен 88 оборота от проводник с диаметър 1,6 мм. Забележка: Оставете допълнителен проводник върху първия, за да можете да добавите още завои, ако е необходимо. След това свържете товара 10А и вижте дали вторичният може да захрани напрежението/тока, необходими за стартиране на BLE веригата. Диаметърът от 1,6 мм може да издържи 10А за краткото време, което измервате вторично.

Ако има достатъчно волта, определете RL, необходим за ограничаване на тока, и може би свалете няколко оборота, ако има много излишно напрежение. В противен случай, ако няма достатъчно вторично напрежение, добавете още няколко оборота към първичното, за да увеличите първичното напрежение и следователно вторичното напрежение. Първичното напрежение се увеличава като N^2, докато вторичното напрежение намалява приблизително 1/N поради промяната в съотношението на завоите, така че добавянето на първични намотки ще увеличи вторичното напрежение.

След като определите необходимия брой първични завои, можете да навиете втората първична намотка паралелно с първата, за да осигурите пълната товароносимост на тока на натоварване.

Стъпка 8: Навиване на тороидалния трансформатор

За да навиете трансформатора, първо трябва да навиете проводника към оформящо устройство, което ще се побере през тороида.

Първо изчислете колко жица ви е необходима. За Jaycar, тороидът LO-1246 всеки завой е около 2 x 14,8 + 2 * (40,6-23,6)/2 == 46,6 мм. Така че за 400 завоя са ви необходими около 18,64 м жица.

След това изчислете размера на единичния завой на първия, който ще използвате. Използвах молив с диаметър 7,1 мм, който даваше дължина на завой pi * d = 3,14 * 7,1 == 22,8 мм на оборот. Така че за 18,6 м жица имах нужда от около 840 завъртания на първата. Вместо да преброя броя на завъртанията към първия, изчислих приблизителната дължина на 840 завъртания, като предположих, че диаметърът е 0,26 мм (малко по -голям от действителния диаметър на проводника 0,25 мм). 0,26 * 840 = 220 мм дълга намотка на близки навиващи се завои, за да получите 18,6 м тел към първата. Тъй като моливът беше дълъг само 140 мм, ще ми трябват поне 2,2 слоя с дължина 100 мм всеки. Накрая добавих около 20% допълнителен проводник, за да позволя небрежно навиване и увеличена дължина на завъртане на тороида за втория слой и всъщност сложих 3 слоя с дължина 100 мм всеки върху моливника.

За да навия жицата върху моливния блок, използвах много бавно пресоваща преса, за да завъртя молива. Използвайки дължината на слоевете като водач, нямаше нужда да броим завоите. Можете също така да използвате ръчна бормашина, монтирана в менгеме.

Като държа тороида в мек челюстен тиск, който може да завърти челюстите, за да държи тороида хоризонтално, първо навих вторичната намотка. Започвайки със слой тънка двустранна лента около външната страна на тороида, за да поддържате жицата на място, докато я навивам. Добавих друг слой докосване между всеки слой, за да поддържам нещата на мястото си. Можете да видите последния слой на докосване на снимката по -горе. Купих порока специално за тази работа, Stanley Multi Angle Hobby Vice. Струваше си добре парите.

Подобно изчисление беше направено за подготовката на намотката за двете първични намотки. Въпреки че в този случай измерих новия размер на тороида, с поставена вторична намотка, за да изчисля дължината на завоя. По -горе е снимка на трансформатора с вторичната намотка и проводника за първа първична намотка върху първата, готова за стартиране.

Стъпка 9: Строителство

За този прототип повторно използвах една от печатните платки, описани в „Преоборудване на съществуващ светлинен превключвател с дистанционно управление“, и изрязах две песни и добавих връзка, за да я преконфигурирам за тороида.

Тороидът е монтиран отделно и пренапрежението е поставено директно през вторичната намотка.

Дъщерна платка беше използвана за монтиране на изправител с пълна вълна и RL.

Предотвратителят на пренапрежение беше късно допълнение. Когато за първи път тествах пълната верига с натоварване 0.9A, чух рязка пукнатина, когато използвах pfodApp за дистанционно включване на товара. При по -внимателна проверка се установи малък син разряд от RL по време на включване. При включване цялата 240V RMS (340V пик) се прилагаше през първичната на тороида по време на преходния процес. Вторичният, със съотношение на завои 2: 1, генерираше до 680V, което беше достатъчно, за да причини повреда между RL и близката писта. Изчистването на близките релси и добавянето на 30.8V AC пренапрежение през вторичната намотка реши този проблем.

Стъпка 10: Програмиране на BLE Nano и свързване

Кодът в BLE Nano е същият като този, използван при модернизиране на съществуващ светлинен превключвател с дистанционно управление и този проект обсъжда кода и как да програмирате Nano. Единствената промяна беше в рекламното име на BLE и подканата, показана на pfodApp. Свързването чрез pfodApp от мобилния телефон с Android показва този бутон.

Веригата следи напрежението, приложено към товара, за да покаже правилно жълт бутон, когато товарът се захранва или от дистанционния превключвател, или от ръчното управление.

Заключение

Този проект разширява модернизирането на съществуващ светлинен превключвател с дистанционно управление, за да ви позволи да управлявате дистанционно киловати натоварване, като просто добавите тази верига към съществуващия превключвател. Не се изисква допълнително окабеляване и оригиналният превключвател продължава да работи като ръчно управление, като същевременно ви позволява дистанционно да включите товара, след като сте използвали превключвателя за ръчно изключване, за да го изключите

Ако веригата за дистанционно управление не успее или не можете да намерите мобилния си телефон, превключвателят за ръчно управление продължава да работи.

В бъдеще, модернизирането на ключовете за осветление на дома ви с модули за управление BLE Nano V2, които поддържат Bluetooth V5, означава, че в бъдеще можете да настроите мрежа за автоматизация в цялата къща, използвайки Bluetooth V5 Mesh.