Ettermonter BLE -kontroll til høyeffektbelastninger - Ingen ekstra ledninger kreves: 10 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Oppdatering: 13. juli 2018 - lagt til 3 -terminal regulator til toroidforsyning

Denne instruksen dekker BLE (Bluetooth Low Energy) kontroll av en eksisterende belastning i området 10W til> 1000W. Strømmen er ekstern bytte fra Android Mobile via pfodApp.

Ingen ekstra ledninger er nødvendig, bare legg til BLE -styrekretsen i den eksisterende bryteren.

Ofte ved ettermontering av hjemmeautomatisering på eksisterende installasjoner, er det eneste rimelige stedet å legge til kontrollen ved den eksisterende bryteren. Spesielt når du vil beholde bryteren som en manuell overstyring. Imidlertid er det vanligvis bare to ledninger ved bryteren, den aktive og bryteren til lasten, ingen nøytral. Som vist ovenfor fungerer denne BLE -kontrollen med bare de to ledningene og inkluderer en manuell overstyringsbryter. Både fjernkontrollen og den manuelle bryteren fungerer når lasten er på eller av.

Det spesielle eksemplet her er for å kontrollere en 200W lysbank ved å plassere kretsen bak veggbryteren. Koden er gitt for både RedBear BLE Nano (V1.5) og RedBear BLE Nano V2 for å vise kontrollknappen på pfodApp. En valgfri automatisk tidsavbruddsfunksjon er også tilgjengelig i koden.

ADVARSEL: Dette prosjektet er kun for erfarne konstruktører. Brettet er strømnettet og kan være dødelig hvis noen del av det berøres mens det kjører. Kabling av dette kortet til den eksisterende lysbryterkretsen bør bare utføres av en kvalifisert elektriker

Trinn 1: Hvorfor dette prosjektet?

Det forrige prosjektet, Retrofit an Existing Light Switch with Remote Control, fungerte for belastninger mellom 10W og 120W for 240VAC (eller 5W til 60W for 110VAC), men klarte ikke å takle lys i salongen som består av 10 x 20W = 200W kompakte fluorescenser. Dette prosjektet legger til noen få komponenter og en håndviklet toroid for å fjerne den belastningsbegrensningen mens du beholder alle fordelene med det forrige prosjektet. Belastningen dette designet kan bytte er begrenset av relékontaktverdiene. Reléet som brukes her kan bytte 16 ampere resistivt. Det er> 1500W ved 110VAC og> 3500W ved 240VAC. BLE -styrekretsen og reléet bruker mW, så det blir ikke engang varmt.

Fordelene med dette prosjektet er:- (se Ettermontering av en eksisterende lysbryter med fjernkontroll for flere detaljer)

Enkel å installere og vedlikeholde Denne løsningen er strømnettet, men krever IKKE noen ekstra ledninger for å installeres. Bare installer, legg til kontrollkretsen til den eksisterende manuelle bryteren.

Fleksibel og robust Den manuelle overstyringsbryteren fortsetter å kontrollere lasten selv om fjernkontrollkretsen mislykkes (eller du ikke finner mobilen din). Du kan også slå på lasten eksternt etter at du har brukt den manuelle overstyringsbryteren for å slå den AV

Ytterligere funksjoner Når du har en mikroprosessor som kontrollerer lasten din, kan du enkelt legge til flere funksjoner. Koden i dette prosjektet inkluderer et alternativ for å slå av lasten etter en gitt tid. Du kan også legge til en temperatursensor for å kontrollere belastningen og justere temperaturinnstillingspunktet eksternt.

Skaper grunnlaget for et fullstendig hjemmeautomatiseringsnettverk Dette diagrammet er fra Bluetooth V5 “Mesh Profile Specification 1.0”, 13. juli 2017, Bluetooth SIG

Som du kan se består den av et antall relénoder i et maske. Relénodene er aktive hele tiden og gir tilgang til andre noder i masken og til de batteridrevne sensorene. Installering av denne BLE -fjernmodulen for strømforsyning gir automatisk et sett med noder på tvers av huset ditt som kan legges til nettet som relénoder. RedBear BLE Nano V2 er Bluetooth V5 -kompatibel.

BLE Mesh -spesifikasjonen er imidlertid veldig ny, og det er foreløpig ingen eksempler på implementeringer. Så konfigurering av masken er ikke dekket av dette prosjektet, men når eksempelkoden blir tilgjengelig, vil du kunne omprogrammere deg RedBear BLE Nano V2 for å tilby et masked hjemmeautomatiseringsnettverk

Trinn 2: Hvordan drives BLE -fjernkontrollen når det ikke er noen nøytral tilkobling?

Ideen om denne kontrollen går tilbake, et antall år, til en enkel konstant strømkildekrets. (National Semiconductor Application Note 103, Figure 5, George Cleveland, august 1980)

Det som er interessant med denne kretsen er at den bare har to ledninger, en og en ut. Det er ingen forbindelse til -ve -forsyningen (gnd) bortsett fra lasten. Denne kretsen trekker seg opp av støvelstroppene. Den bruker spenningsfallet over regulatoren og motstanden til å drive regulatoren.

Ettermonteringen av en eksisterende lysbryter med fjernkontroll brukte en lignende idé.

En 5V6 Zener i serie med lasten gir strøm til BLE -kontrolleren og låsereléet. Når lasten er slått AV, fortsetter en veldig liten mengde strøm mindre enn 5mA å strømme gjennom zener (og belastningen) via 0.047uF og 1K som omgår den åpne bryteren. Denne lille strømmen, som knapt er påviselig og 'trygg', er tilstrekkelig til å drive BLE -kontrolleren når lasten er slått av og også lade opp en kondensator for å drive låsereléet for å slå på lasten eksternt. Se Ettermontering av en eksisterende lysbryter med fjernkontroll for hele kretsen og detaljer.

Begrensningen til kretsen ovenfor er at når lasten er PÅ, passerer all laststrøm gjennom zener. Bruk av en 5W zener begrenser strømmen til omtrent en halv ampere. Det vil si for en 60W lampe (ved 110VAC) 3W blir spredt som varme fra zener når lasten er PÅ. For 110V vekselstrømsystemer begrenser dette belastningen til ca 60W, og for 240V systemer omtrent 120W. Med moderne LED -belysning er dette ofte tilstrekkelig, men det ville ikke taklet 200W lamper i salongen.

Kretsen beskrevet her fjerner denne begrensningen og gjør at kilowatt effekt kan fjernstyres av mW via BLE og pfodApp.

Trinn 3: Kretsdiagram

Kretsen ovenfor viser belastningen AV. I denne tilstanden leveres BLE -kontrolleren via 0.047uF og 1K som i forrige krets. Når belastningen er PÅ (dvs. betjen enten veggbryteren eller låsereléet i kretsen ovenfor), blir toppbro -likeretteren og komponentene 0.047uF og 1K kortsluttet av reléet og bryteren. Fullbelastningsstrømmen strømmer deretter gjennom Toroidal Transformer som forsyner mWene som trengs for styrekretsen. Selv om toroid er vist å ha ca.

Hele kretsdiagrammet er her (pdf). Delelisten, BLE_HighPower_Controller_Parts.csv, er her

Du kan se tilleggskomponentene på venstre side. Toroid -transformatoren, overspenningsundertrykkeren, begrensningsmotstanden og fullbølge -likeretteren. Ettermontering av en eksisterende lysbryter med fjernkontroll beskriver resten av kretsen.

Spenningen levert av Toroidal Transformer varierer med laststrømmen (se nedenfor for flere detaljer). Mer 7V er nødvendig for å drive fullbølge -likeretteren og zener. RL -motstanden er valgt for å begrense strømmen gjennom Zener til noen få mA, si mindre enn 20mA. Å ha en Toroidal forsyningsspenning som varierer med belastningsstrøm er ikke mye av et problem på grunn av det brede spekteret av zener som kan håndtere, 0,1mA til 900mA, noe som gir et bredt spekter av tilgjengelige spenningsfall over RL og dermed et bredt spekter av akseptable Toroidale forsyningsspenninger. Selvfølgelig for effektivitet vil vi gjerne at utgangsspenningen fra toroidet samsvarer nærmere med det som trengs.

Oppdatering: 13. juli 2018-erstattet RL med 3-terminal regulator

Ved kontroll av maskinvaren etter noen måneder så den nåværende begrensningsmotstanden RL litt brent ut, så den toroidale transformatorkretsen ble modifisert (modifiedCircuit.pdf) for å bruke en 3-terminal strømbegrensning i stedet.

Z1 (en toveis zener) ble lagt til for å begrense spenningsøkningen på primæren til <12V og IC1 som tilsatt for å begrense strømmen levert av sekundæren til ~ 10mA. En LM318AHV med en inngangsspenningsgrense på 60V ble brukt og Z2 begrenser transformatorutgangen til <36V for å beskytte LM318AHV.

Trinn 4: Design av Toroidal Transformer

En toroidal transformator brukes her fordi den har svært lav magnetisk flukslekkasje og minimerer forstyrrelsen med resten av kretsen. Det er to hovedtyper av toroidkjerner, jernpulver og ferrit. For dette designet må du bruke jernpulvertypen som er designet for strøm som brukes. Jeg brukte en HY-2-kjerne fra Jaycar, LO-1246. 14,8 mm høyde, 40,6 mm OD, 23,6 mm ID. Her er spesifikasjonsark. Det arket bemerker at T14, T27 og T40 toroider er like, så du kan prøve en av dem i stedet.

Transformatordesign er noe av en kunst på grunn av den ikke-lineære naturen til BH-kurven, magnetisk hysterese og tap av kjerne og ledning. Magnetic Inc har en designprosess som ser ut til å være rett frem, men krever Excel og ikke kjører under Open Office, så jeg brukte den ikke. Heldigvis trenger du bare å få designet omtrent riktig, og du kan justere det ved å legge til primære svinger eller øke RL. Jeg brukte designprosessen nedenfor og fikk en akseptabel transformator første gang, etter å ha lagt til en andre primærvikling. Jeg foredlet antall svinger og viklingsprosessen for den andre transformatoren.

Grunnleggende designkriterier er:-

• Det må være nok endring i magnetfelt (H) i kjernen for å overvinne BH-kurvehysteresen, men ikke nok til å mette kjernen. dvs. si 4500 til 12000 Gauss.
• Primær volt avhenger av:- induktansen til primærviklingen og nettfrekvensen for å gi reaktansen og deretter ganger med belastningsstrømmen for å gi primærviklingens spenning.
• Sekundærvoltene avhenger omtrent på svingningsforholdet sekundært til primærtiden primærvoltene. Kjernetap og viklingsmotstand betyr at effekten alltid er mindre enn en ideell transformator.
• Sekundærvoltene må overstige 6,8V (== 5,6V (zener) + 2 * 0,6V (likeretterdioder)) for nok av vekselstrømssyklusen for å gi en gjennomsnittlig strøm gjennom zener større enn noen få mA for å drive BLE -kretsen.
• Den primære viklingstrådens størrelse må velges for å kunne bære full laststrøm. Sekundæren vil normalt bare bære mA etter at RL -begrensningsmotstanden er satt inn, så størrelsen på den sekundære viklingstråden er ikke kritisk.

Trinn 5: Et design for 50Hz strømnett

Toroidinduktansen per svingkalkulator vil beregne induktansen og Gauss/Amp for et gitt antall svinger, gitt toroiddimensjonene og permeabiliteten, ui.

For denne applikasjonen lyser salongen, laststrømmen er omtrent 0,9A. Forutsatt at en 2: 1 -trinnstransformator og større enn 6,8V topp på sekundæren må topp primærspenningen være større enn 6,8 / 2 = 3,4V Peak / sqrt (2) == AC RMS volt så primær RMS volt trenger å være større enn 3,4 / 1,414 = 2,4V RMS. Så la oss sikte på en primær RMS volt på si om 3V AC.

Primærspenningen avhenger av reaktansen ganger belastningsstrømmen, dvs. 3/0,9 = 3,33 primærreaktans. Reaktansen for vikling er gitt med 2 * pi * f * L, hvor f er frekvensen og L er induktansen. Så for et 50Hz hovedsystem L = 3.33 / (2 * pi * 50) == 0.01 H == 10000 uH

Bruke Toroid -induktansen per svingkalkulator og sette inn toroiddimensjonene på 14,8 mm høyde, 40,6 mm OD, 23,6 mm ID, og anta 150 for ui gir for 200 omdreininger 9635uH og 3820 Gauss/A Merk: ui er oppført i spesifikasjonen som 75, men for de lavere nivåene av fluktetthet som brukes her, er 150 nærmere den riktige figuren. Dette ble bestemt ved å måle den endelige spolens primærspenning. Men ikke bekymre deg så mye om den eksakte figuren, da du kan fikse primærviklingen senere.

Så ved å bruke 200 svinger gir, for en 50Hz, f, reaktansen == 2 * pi * f * L == 2 * 3.142 * 50 * 9635e-6 = 3.03, og så gir voltene over primærviklingen ved 0,9A RMS AC er 3,03 * 0,9 = 2,72V RMS for en toppspenning på 3,85V og en sekundær toppspenning på 7,7V, forutsatt en transformator på 2: 1.

Toppen Gauss er 3820 Gauss / A * 0.9A == 4861 Gauss som er mindre enn 12000 Gauss metningsnivå for denne kjernen.

For en 2: 1 transformator må sekundærviklingen ha 400 omdreininger. Testing viste at dette designet fungerte og en RL -begrensningsmotstand på 150 ohm ga en gjennomsnittlig zener -strøm på omtrent 6mA.

Den primære ledningsstørrelsen ble beregnet ved å beregne nettfrekvensstrømtransformatorer - Velge riktig ledning. For 0,9A ga nettsiden 0,677 mm dia. Så 0,63 mm dia emaljert wire (Jaycar WW-4018) ble brukt til den primære og 0,25 mm dia emaljerte ledningen (Jaycar WW-4012) ble brukt til den sekundære.

Den faktiske transformatorkonstruksjonen brukte en enkelt sekundærvikling på 400 omdreininger med 0,25 mm dia emaljert tråd og to (2) primærviklinger på 200 omdreininger hver på 0,63 mm dia emaljert tråd. Denne konfigurasjonen gjør at transformatoren kan konfigureres til å fungere med laststrømmer i området 0,3A til 2A, dvs. (33W til 220W ved 110V ELLER 72W til 480W ved 240V). Koble til primærviklingene er serie, dobler induktansen og lar transformatoren brukes for strømmer så lave som 0,3A (33W ved 110V eller 72W ved 240V) med RL == 3R3 og opptil 0,9A med RL = 150 ohm. Ved å koble de to primærviklingene parallelt dobler den nåværende bæreevnen og gir laststrøm på 0,9A til 2A (220W ved 110V og 480W ved 240V) med en passende RL.

For min applikasjon som kontrollerte 200W lys ved 240V, koblet jeg til viklingen er parallell og brukte 47 ohm for RL. Dette samsvarer tett med utgangsspenningen til det som var nødvendig, samtidig som kretsen fortsatt kunne fungere for belastninger ned til 150W hvis en eller flere pærer mislyktes.

Trinn 6: Endring av svinger for 60Hz strømnett

Ved 60 Hz er reaktansen 20% høyere, så du trenger ikke så mange svinger. Siden induktansen varierer som N^2 (sving i firkant) hvor N er antall omdreininger. For 60Hz -systemer kan du redusere antall svinger med ca 9%. Det vil si 365 svinger for den sekundære og 183 svinger for hver primær for å dekke 0,3A til 2A som beskrevet ovenfor.

Trinn 7: Design for høyere belastningsstrømmer, 10A 60Hz Eksempel

Reléet som brukes i dette prosjektet kan bytte en resistiv laststrøm på opptil 16A. Designet ovenfor fungerer for 0,3A til 2A. Over det begynner toroid å mette og den primære viklingstrådstørrelsen er ikke stor nok til å bære laststrømmen. Resultatet, bekreftet ved testing med 8,5 A belastning, er en stinkende varm transformator.

Som et eksempel på en design med høy belastning, la oss designe for en 10A belastning i et 60Hz 110V -system. Det er 1100W ved 110V.

Anta en primær spenning på si 3.5V RMS og en 2: 1 transformator som gir noen tap, da er den primære reaktansen som trengs 3.5V / 10A = 0.35. For 60Hz innebærer dette en induktans på 0,35/(2 * pi * 60) = 928,4 uH

Ved å bruke ui på 75 denne gangen, ettersom flussdensiteten vil være høyere, se nedenfor, gir noen få forsøk på antall svinger i Toroid Inductance per Turn Calculator 88 svinger for primæren og 842 Gauss / A for flussdensiteten eller 8420 Gauss ved 10A som fortsatt er innenfor 12000 Gauss metningsgrense. På dette fluksnivået er u i sannsynligvis fortsatt høyere enn 75, men du kan justere antall primæromdreininger når du tester transformatoren nedenfor.

Beregning av nettfrekvensstrømtransformatorer gir en ledningsstørrelse på 4 mm^2 tverrsnitt eller 2,25 mm dia eller kanskje litt mindre si to primære viklinger på 88 omdreinger hver på 2 mm^2 tverrsnitt, dvs. 1,6 mm dia -ledning, koblet parallelt for å gi en totalt 4 mm^2 tverrsnitt.

For å konstruere og teste dette designet, vind en sekundærvikling på 176 omdreininger (for å gi to ganger utgangsspenningen som før) og vind deretter bare en 88 svinger primær på 1,6 mm diameter tråd. Merk: Legg igjen ekstra ledning på førstnevnte, slik at du kan legge til flere svinger om nødvendig. Koble deretter 10A -lasten og se om sekundæren kan levere spenningen/strømmen som kreves for å kjøre BLE -kretsen. 1,6 mm dia -ledningen tåler 10A i den korte tiden du måler sekundært.

Hvis det er tilstrekkelig volt, bestem RL som er nødvendig for å begrense strømmen, og ta kanskje noen få svinger hvis det er mye overspenning. Ellers hvis det ikke er nok sekundær spenning, må du legge til noen flere svinger til primæren for å øke primærspenningen og dermed sekundærspenningen. Primærspenningen øker som N^2 mens sekundærspenningen synker som omtrent 1/N på grunn av endringen i svingforholdet, så å legge til primære viklinger vil øke sekundærspenningen.

Når du har bestemt antall primæromdreininger du trenger, kan du deretter vikle den andre primærviklingen til parallell med den første for å gi full last nåværende bæreevne.

Trinn 8: Spoling av Toroidal Transformer

For å vikle transformatoren må du først vikle ledningen til en tidligere som vil passe gjennom toroid.

Beregn først hvor mye ledning du trenger. For Jaycar er LO-1246 toroid hver sving ca 2 x 14,8 + 2 * (40,6-23,6)/2 == 46,6 mm. Så for 400 svinger trenger du omtrent 18,64 m wire.

Beregn deretter størrelsen på en sving på førstnevnte du vil bruke. Jeg brukte en blyant på omtrent 7,1 mm dia som ga en svinglengde på pi * d = 3,14 * 7,1 == 22,8 mm per sving. Så for 18,6 m ledning trengte jeg omtrent 840 svinger på førstnevnte. I stedet for å telle svingene som ville være på førstnevnte, beregnet jeg den omtrentlige lengden på 840 omdreininger, forutsatt 0,26 mm dia -ledning (litt større enn den faktiske 0,25 mm dia på tråden). 0,26 * 840 = 220 mm lang vikling av tette sår svinger for å få 18,6 m ledning til førstnevnte. Siden blyanten bare var 140 mm lang, ville jeg trenge minst 2,2 lag med 100 mm lengde hver. Til slutt la jeg til omtrent 20% ekstra ledning for å muliggjøre slurvete viklinger og økt svinglengde på toroidet for det andre laget og faktisk satt 3 lag med 100 mm lang hver på blyantformeren.

For å sno ledningen på blyantformeren brukte jeg en boremaskin med veldig lav hastighet for å rotere blyanten. Ved å bruke lengden på lagene som guide, trengte jeg ikke å telle svinger. Du kan også bruke en håndbor som er montert i en skrue.

Da jeg holdt toroidet i en myk kjefteskrue som kunne rotere kjevene for å holde toroidet horisontalt, viklet jeg først sekundærviklingen. Begynner med et lag tynt dobbeltsidig tape rundt utsiden av toroidet for å holde ledningen på plass mens jeg viklet den. Jeg la til et nytt kranlag mellom hvert lag for å holde ting på plass. Du kan se det siste trykklaget på bildet ovenfor. Jeg kjøpte skruen spesielt for denne jobben, en Stanley Multi Angle Hobby Vice. Det var vel verdt pengene.

En lignende beregning ble gjort for å forberede viklingsformeren for de to primærviklingene. Selv om det er tilfellet, målte jeg den nye størrelsen på toroidet, med sekundærviklingen på plass, for å beregne svinglengden. Over er et bilde av transformatoren med det sekundære såret og ledningen for første primærvikling på førstnevnte klar til å begynne å vikle.

Trinn 9: Konstruksjon

For denne prototypen brukte jeg en av PCB-ene som er beskrevet i Ettermontering av en eksisterende lysbryter med fjernkontroll, og kuttet to spor og la til en kobling for å konfigurere den på nytt for toroid.

Toroidet ble montert separat og overspenningsundertrykkeren plassert rett over den sekundære viklingen.

Et datterbrett ble brukt til å montere fullbølge -likeretteren og RL.

Overspenningsundertrykkeren var et sent tillegg. Da jeg først testet hele kretsen med en 0,9A belastning, hørte jeg en skarp sprekk da jeg brukte pfodApp for å slå på lasten eksternt. Nærmere inspeksjon fant en liten blå utslipp fra RL under påslag. Når du skrur på hele 240V RMS (340V topp) ble påført over primæren til toroidet under transienten. Sekundæren, med et svingforhold på 2: 1, genererte opptil 680V, noe som var nok til å forårsake et brudd mellom RL og et spor i nærheten. Å rydde ut sporene i nærheten og legge til en 30,8V vekselstrømssuppressor på tvers av sekundærspolen løste dette problemet.

Trinn 10: Programmering av BLE Nano og tilkobling

Koden i BLE Nano er den samme som den som ble brukt i Ettermontering av en eksisterende lysbryter med fjernkontroll, og det prosjektet diskuterer koden og hvordan man programmerer Nano. Den eneste endringen var i BLE -annonsenavnet og ledeteksten som ble vist på pfodApp. Når du kobler til via pfodApp fra Android -mobilen, vises denne knappen.

Kretsen overvåker spenningen som belastes lasten for å vise en gul knapp riktig når lasten slås på enten av fjernkontrollen eller manuell overstyring.

Konklusjon

Dette prosjektet utvider ettermontering av en eksisterende lysbryter med fjernkontroll, slik at du kan fjernstyre kilowatt belastning ved å bare legge denne kretsen til den eksisterende bryteren. Ingen ekstra ledninger er nødvendig, og den originale bryteren fortsetter å fungere som en manuell overstyring, mens du fortsatt kan slå på lasten eksternt etter at du har brukt den manuelle overstyringsbryteren for å slå den AV

Hvis fjernkontrollkretsen skulle mislykkes, eller du ikke finner mobilen, fortsetter den manuelle overstyringsbryteren.

Fremover, ettermontering av husets lysbrytere med BLE Nano V2 -kontrollmoduler som støtter Bluetooth V5, betyr at du i fremtiden kan sette opp et stort automatiseringsnettverk ved hjelp av et Bluetooth V5 Mesh.