Eftermontering af BLE -kontrol til højeffektbelastninger - Ingen ekstra ledninger kræves: 10 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Opdatering: 13. juli 2018 - tilføjet 3 -terminal regulator til toroidforsyning

Denne instruktive dækker BLE (Bluetooth Low Energy) kontrol af en eksisterende belastning i området 10W til> 1000W. Strømmen fjernbetjenes fra din Android Mobile via pfodApp.

Der kræves ingen ekstra ledninger, bare tilføj BLE -styrekredsløbet til den eksisterende switch.

Ofte ved eftermontering af hjemmeautomatisering til eksisterende installationer er det eneste rimelige sted at tilføje kontrollen ved den eksisterende switch. Især når du vil beholde kontakten som en manuel tilsidesættelse. Men normalt er der kun to ledninger ved kontakten, den aktive og omskifterledningen til belastningen, ingen neutral. Som vist ovenfor fungerer denne BLE -kontrol med kun de to ledninger og indeholder en manuel overstyringsafbryder. Både fjernbetjeningen og den manuelle kontakt fungerer, når belastningen er tændt eller slukket.

Det særlige eksempel her er til styring af en 200W lysbakke ved at placere kredsløbet bag vægkontakten. Der findes kode for både RedBear BLE Nano (V1.5) og RedBear BLE Nano V2 for at vise kontrolknappen på pfodApp. En valgfri tidsindstillet Auto Off -funktion er også tilgængelig i koden.

ADVARSEL: Dette projekt er kun for erfarne konstruktører. Brættet er strømforsynet og kan være dødbringende, hvis en del af det berøres, mens det kører. Kabelføring af dette kort i det eksisterende lysafbryderkredsløb bør kun foretages af en autoriseret elektriker

Trin 1: Hvorfor dette projekt?

Det tidligere projekt, Retrofit an Existing Light Switch with Remote Control, fungerede vil for belastninger mellem 10W og 120W for 240VAC (eller 5W til 60W for 110VAC), men var ikke i stand til at klare lys i stuen, der består af 10 x 20W = 200W af kompakte fluorescenser. Dette projekt tilføjer et par komponenter og en håndviklet toroid for at fjerne denne belastningsbegrænsning og samtidig bevare alle fordelene ved det tidligere projekt. Den belastning, som dette design kan skifte, er kun begrænset af relækontaktværdierne. Det relæ, der bruges her, kan skifte 16 ampere resistivt. Det er> 1500W ved 110VAC og> 3500W ved 240VAC. BLE -styrekredsløbet og relæet bruger mW'er, så det bliver ikke engang varmt.

Fordelene ved dette projekt er:- (se Eftermontering af en eksisterende lyskontakt med fjernbetjening for flere detaljer)

Enkel at installere og vedligeholde Denne løsning er strømforsynet, men kræver IKKE ekstra ledninger for at blive installeret. Bare installer tilføj styrekredsløbet til den eksisterende manuelle kontakt.

Fleksibel og robust Den manuelle overstyringsafbryder kontrollerer fortsat belastningen, selvom fjernbetjeningskredsløbet mislykkes (eller du ikke kan finde din mobil). Du kan også eksternt tænde for belastningen, når du har brugt den manuelle overstyringskontakt til at slukke for den

Yderligere funktioner Når du har en mikroprocessor, der styrer din belastning, kan du let tilføje yderligere funktioner. Koden i dette projekt indeholder en mulighed for at slukke belastningen efter et givet tidspunkt. Du kan også tilføje en temperatursensor til at styre belastningen og eksternt justere temperaturværdien.

Skaber grundlaget for et fuldt hjemmeautomatiseringsnetværk Dette diagram er fra Bluetooth V5 “Mesh Profile Specification 1.0”, 13. juli 2017, Bluetooth SIG

Som du kan se består den af et antal relæ -noder i et net. Relæknuderne er aktive hele tiden og giver adgang til andre noder i netværket og til de batteridrevne sensorer. Installation af dette netdrevne BLE -fjernmodul giver automatisk et sæt noder på tværs af dit hus, der kan tilføjes til netværket som relænoder. RedBear BLE Nano V2 er Bluetooth V5 -kompatibel.

BLE Mesh -specifikationen er dog meget nylig, og der er i øjeblikket ingen eksempler på implementeringer. Så opsætning af masken er ikke omfattet af dette projekt, men når eksempelkode er tilgængelig, vil du kunne omprogrammere dig RedBear BLE Nano V2 til at levere et indbygget hjemmeautomatiseringsnetværk

Trin 2: Hvordan drives BLE -fjernkontakten, når der ikke er nogen neutral forbindelse?

Ideen til denne kontrol stammer fra et antal år tilbage til et simpelt konstant strømkildekredsløb. (National Semiconductor Application Note 103, Figure 5, George Cleveland, august 1980)

Det interessante ved dette kredsløb er, at det kun har to ledninger, en og en ud. Der er ingen forbindelse til -ve -forsyningen (gnd) undtagen gennem belastningen. Dette kredsløb trækker sig op af sine støvleremme. Den bruger spændingsfaldet over regulatoren og modstanden til at drive regulatoren.

Eftermonteringen af en eksisterende lyskontakt med fjernbetjening brugte en lignende idé.

En 5V6 Zener i serie med belastningen leverer strøm til BLE -controlleren og låserelæet. Når belastningen slukkes, fortsætter en meget lille strøm mindre end 5mA med at strømme gennem zeneren (og belastningen) via 0.047uF og 1K uden om den åbne kontakt. Denne lille strøm, der knap er påviselig og 'sikker', er tilstrækkelig til at tænde for BLE -controlleren, når belastningen er slukket og også oplade en kondensator til at drive låserelæet til at tænde for belastningen eksternt. Se Eftermontering af en eksisterende lyskontakt med fjernbetjening for hele kredsløbet og detaljer.

Begrænsningen for ovenstående kredsløb er, at når belastningen er TIL, passerer al belastningsstrømmen gennem zener. Brug af en 5W zener begrænser strømmen til omkring en halv amp. Det vil sige for en 60W lampe (ved 110VAC) 3W bliver spredt som varme fra zener, når belastningen er tændt. For 110V vekselstrømssystemer begrænser dette belastningen til omkring 60W og for 240V systemer omkring 120W. Med moderne LED -belysning er dette ofte tilstrækkeligt, men det ville ikke klare 200W lamper i stuen.

Det kredsløb, der er beskrevet her, fjerner denne begrænsning og gør det muligt at fjernstyre kilowatt strøm via mW'er via BLE og pfodApp.

Trin 3: Kredsløbsdiagram

Kredsløbet ovenfor viser belastningen OFF. I denne tilstand forsynes BLE -controlleren via 0.047uF og 1K som i det foregående kredsløb. Når belastningen er TIL (dvs. betjen enten vægkontakten eller låserelæet i ovenstående kredsløb), bliver topbroens ensretter og 0.047uF og 1K komponenter kortsluttet af relæet og kontakten. Fuldbelastningsstrømmen strømmer derefter gennem Toroidal Transformer, som forsyner de nødvendige mW'er til styrekredsløbet. Selvom toroid er vist at have omkring 3.8V AC på tværs af det primære, er den primære vikling næsten helt reaktiv og ude af fase med belastningsspændingen, så meget lidt strøm tages faktisk af toroidet, mWs faktisk.

Det komplette kredsløbsdiagram er her (pdf). Delelisten, BLE_HighPower_Controller_Parts.csv, er her

Du kan se de ekstra komponenter på venstre side. Toroidformet transformer, overspændingsundertrykker, begrænsningsmodstand og fuldbølge -ensretter. Eftermontering af en eksisterende lyskontakt med fjernbetjening beskriver resten af kredsløbet.

Spændingen fra Toroidal Transformer varierer med belastningsstrømmen (se nedenfor for flere detaljer). Mere er 7V nødvendig for at drive fuldbølge -ensretteren og zeneren. RL -modstanden er valgt til at begrænse strømmen gennem Zener til et par mA'er, siger mindre end 20mA. At have en Toroidal forsyningsspænding, der varierer med belastningsstrøm, er ikke meget af et problem på grund af den brede vifte af strømme, zeneren kan håndtere, 0,1mA til 900mA, hvilket giver et bredt udvalg af tilgængelige spændingsfald på tværs af RL og dermed en bred vifte af acceptable Toroidale forsyningsspændinger. For effektivitet vil vi naturligvis gerne have, at udgangsspændingen fra toroiden matcher det nødvendige.

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

Ved kontrol af hardwaren efter et par måneder så strømbegrænsningsmodstanden RL let forbrændt ud, så det toroidformede transformerkredsløb blev ændret (modifiedCircuit.pdf) for i stedet at bruge en 3-terminal strømbegrænser.

Z1 (en tovejs zener) blev tilføjet for at begrænse spændingsspidsen på primæren til <12V og IC1 som tilføjet for at begrænse strømmen fra sekundæren til ~ 10mA. En LM318AHV med en indgangsspændingsgrænse på 60V blev brugt, og Z2 begrænser transformatorens output til <36V for at beskytte LM318AHV.

Trin 4: Design af Toroidal Transformer

En toroidal transformer bruges her, fordi den har meget lav magnetisk fluxlækage og minimerer derfor interferensen med resten af kredsløbet. Der er to hovedtyper af toroidkerner, jernpulver og ferrit. Til dette design skal du bruge jernpulvertypen, der er designet til strømforbrug. Jeg brugte en HY-2-kerne fra Jaycar, LO-1246. 14,8 mm Højde, 40,6 mm OD, 23,6 mm ID. Her er specifikationsblad. Dette ark bemærker, at T14, T27 og T40 toroider ligner hinanden, så du kan prøve en af dem i stedet.

Transformerdesign er noget af en kunst på grund af den ikke-lineære karakter af BH-kurven, den magnetiske hysterese og kerne- og ledningstabet. Magnetic Inc har en designproces, der ser ud til at være ligetil, men kræver Excel og ikke kører under Open Office, så jeg brugte den ikke. Heldigvis her behøver du kun at få designet nogenlunde rigtigt, og du kan justere det ved at tilføje primære drejninger eller øge RL. Jeg brugte designprocessen herunder og fik en acceptabel transformer første gang, efter jeg havde tilføjet en anden primærvikling. Jeg forfinede antallet af omdrejninger og viklingsprocessen for den anden transformer.

Grundlæggende designkriterier er:-

• Der skal være tilstrækkelig ændring i magnetfelt (H) i kernen til at overvinde BH-kurvehysteresen, men ikke nok til at mætte kernen. dvs. sige 4500 til 12000 Gauss.
• Primær volt afhænger af:- induktansen af primærviklingen og netfrekvensen for at give reaktansen og derefter gange med belastningsstrømmen for at give den primære viklings spænding.
• De sekundære volt afhænger groft sagt af svingningsforholdet sekundært til primær tid de primære volt. Kernetab og viklingsmodstand betyder, at output altid er mindre end en ideel transformer.
• De sekundære volt skal overstige 6,8V (== 5,6V (zener) + 2 * 0,6V (ensretterdioder)) for nok af vekselstrømscyklussen til at give en gennemsnitlig strøm gennem zener større end et par mA for at drive BLE -kredsløbet.
• Den primære viklingstrådstørrelse skal vælges for at kunne bære fuld belastningsstrøm. Den sekundære vil normalt kun bære mA efter indsættelse af RL -begrænsningsmodstanden, så den sekundære viklingstrådstørrelse ikke er kritisk.

Trin 5: Et design til 50Hz -net

Toroidinduktansen pr. Omregningsberegner vil beregne induktansen og Gauss/Amp for et givet antal omdrejninger, givet toroiddimensionerne og permeabiliteten, ui.

For denne applikation lyser loungen, belastningsstrømmen er omkring 0,9A. Hvis vi antager en 2: 1 trin -up transformer og større end 6,8V spids på den sekundære, så skal den primære primære spænding være større end 6,8 / 2 = 3,4V Peak / sqrt (2) == AC RMS volt, så den primære RMS volt skal at være større end 3,4 / 1,414 = 2,4V RMS. Så lad os sigte mod en primær RMS volt på f.eks. 3V AC.

Den primære spænding afhænger af reaktansen gange belastningsstrømmen, dvs. 3/0,9 = 3,33 primær reaktans. Reaktansen for vikling er givet ved 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

Brug af Toroid Induktans pr. Omregningsberegner og indsætning af toroidmålene på 14,8 mm højde, 40,6 mm OD, 23,6 mm ID, og forudsat at 150 for ui giver for 200 omdrejninger 9635uH og 3820 Gauss/A Bemærk: ui er angivet i specifikationen som 75, men for de lavere niveauer af fluxdensitet, der bruges her, er 150 tættere på det korrekte tal. Dette blev bestemt ved at måle den endelige spoles primære spænding. Men bekymre dig ikke så meget om det nøjagtige tal, da du senere kan reparere den primære vikling.

Så ved hjælp af 200 omdrejninger giver, for en 50Hz, f, reaktansen == 2 * pi * f * L == 2 * 3.142 * 50 * 9635e-6 = 3.03, og så voltene over den primære vikling ved 0,9A RMS AC er 3,03 * 0,9 = 2,72V RMS for en spidsspænding på 3,85V og en sekundær spidsspænding på 7,7V, under forudsætning af en 2: 1 trin -up transformer.

Toppen Gauss er 3820 Gauss / A * 0,9A == 4861 Gauss, hvilket er mindre end 12000 Gauss -mætningsniveauet for denne kerne.

For en 2: 1 transformer skal sekundærviklingen have 400 omdrejninger. Test viste, at dette design virkede, og en RL -begrænsningsmodstand på 150 ohm gav en middelværdi -zenerstrøm på cirka 6mA.

Den primære ledningsstørrelse blev beregnet ved hjælp af Beregning af netfrekvensstrømtransformatorer - Valg af den rigtige ledning. For 0,9A gav denne webside 0,677 mm dia. Så 0,63 mm dia emaljeret wire (Jaycar WW-4018) blev brugt til den primære og 0,25 mm dia emaljeret wire (Jaycar WW-4012) blev brugt til den sekundære.

Den faktiske transformerkonstruktion brugte en enkelt sekundærvikling på 400 omdrejninger af 0,25 mm dia emaljeret tråd og to (2) primære viklinger på 200 omdrejninger hver på 0,63 mm dia emaljeret tråd. Denne konfiguration gør det muligt at konfigurere transformeren til at arbejde med belastningsstrømme i området 0,3A til 2A dvs. (33W til 220W ved 110V ELLER 72W til 480W ved 240V). Tilslutning af de primære viklinger er serie, fordobler induktansen og tillader transformeren at blive brugt til strømme så lave som 0,3A (33W ved 110V eller 72W ved 240V) med RL == 3R3 og op til 0,9A med RL = 150 ohm. Tilslutning af de to primære viklinger parallelt fordobler deres nuværende bæreevne og sørger for belastningsstrøm på 0,9A til 2A (220W ved 110V og 480W ved 240V) med en passende RL.

Til min applikation, der kontrollerede 200W lys ved 240V, tilsluttede jeg viklingen parallelt og brugte 47 ohm til RL. Dette matcher udgangsspændingen nøje med det, der var nødvendigt, samtidig med at kredsløbet stadig kunne fungere for belastninger ned til 150W, hvis en eller flere pærer mislykkedes.

Trin 6: Ændring af drejninger til 60Hz -net

Ved 60 Hz er reaktansen 20% højere, så du behøver ikke så mange sving. Da induktansen varierer som N^2 (omdrejninger i firkant), hvor N er antallet af omdrejninger. For 60Hz -systemer kan du reducere antallet af omdrejninger med omkring 9%. Det er 365 omdrejninger for den sekundære og 183 omdrejninger for hver primær til at dække 0,3A til 2A som beskrevet ovenfor.

Trin 7: Design til højere belastningsstrømme, 10A 60Hz Eksempel

Relæet, der bruges i dette projekt, kan skifte en resistiv belastningsstrøm på op til 16A. Designet ovenfor fungerer for 0,3A til 2A. Ovenfor begynder toroiden at mætte, og den primære viklingstrådstørrelse er ikke stor nok til at bære belastningsstrømmen. Resultatet, bekræftet ved test med en 8,5 A belastning, er en stinkende varm transformer.

Som et eksempel på et design med høj belastning, lad os designe til en 10A belastning i et 60Hz 110V system. Det er 1100W ved 110V.

Antag en primær spænding på f.eks. 3.5V RMS og en 2: 1 transformer, der tillader nogle tab, så er den nødvendige primære reaktans 3.5V / 10A = 0.35. For 60Hz indebærer dette en induktans på 0,35/(2 * pi * 60) = 928,4 uH

Ved hjælp af ui på 75 denne gang, da fluxdensiteten vil være højere, se nedenfor, giver et par forsøg med antallet af omdrejninger i Toroid Induktans per Turn Calculator 88 omdrejninger til primæren og 842 Gauss / A for fluxdensiteten eller 8420 Gauss ved 10A, som stadig er inden for grænsen for 12000 Gauss mætning. På dette niveau af flux er u i sandsynligvis stadig højere end 75, men du kan justere antallet af primære omdrejninger, når du tester transformatoren herunder.

Beregning af netfrekvens effekttransformatorer giver en ledningsstørrelse på 4 mm^2 tværsnit eller 2,25 mm dia eller måske lidt mindre sige to primære viklinger på 88 omdrejninger hver på 2 mm^2 tværsnit, dvs. 1,6 mm dia wire, forbundet parallelt for at give en i alt 4 mm^2 tværsnit.

For at konstruere og teste dette design, vind en sekundærvikling på 176 omdrejninger (for at give det dobbelte af udgangsspændingen som før) og vind derefter kun en 88 -omgang primær på 1,6 mm dia -tråd. Bemærk: Efterlad ekstra ledning på førstnævnte, så du kan tilføje flere sving, hvis det er nødvendigt. Tilslut derefter 10A -belastningen og se, om sekundæren kan levere den spænding/strøm, der kræves for at køre BLE -kredsløbet. 1,6 mm dia -ledningen kan modstå 10A i den korte tid, du måler sekundært.

Hvis der er tilstrækkelige volt, skal du bestemme den nødvendige RL for at begrænse strømmen og måske tage et par omgange, hvis der er meget overspænding. Ellers hvis der ikke er nok sekundær spænding, skal du tilføje nogle flere drejninger til primæren for at øge den primære spænding og dermed den sekundære spænding. Den primære spænding stiger som N^2, mens den sekundære spænding falder som omtrent 1/N på grund af ændringen i svingningsforholdet, så tilføjelse af primære viklinger vil øge den sekundære spænding.

Når du har bestemt antallet af primære drejninger, du har brug for, kan du derefter vikle den anden primære vikling til parallel med den første for at give den fulde laststrømsevne.

Trin 8: Afvikling af Toroidal Transformer

For at vikle transformatoren skal du først vikle wiren til en former, der passer gennem toroidet.

Beregn først, hvor meget ledning du har brug for. For Jaycar er LO-1246 toroid hver tur cirka 2 x 14,8 + 2 * (40,6-23,6)/2 == 46,6 mm. Så til 400 omdrejninger har du brug for cirka 18,64 m tråd.

Beregn derefter størrelsen på en omdrejning på den tidligere, du vil bruge. Jeg brugte en blyant omkring 7,1 mm dia, som gav en svinglængde på pi * d = 3,14 * 7,1 == 22,8 mm pr. Omgang. Så til 18,6 m ledning havde jeg brug for cirka 840 omdrejninger på førstnævnte. I stedet for at tælle de vendinger, der ville være på førstnævnte, beregnede jeg den omtrentlige længde på 840 omdrejninger under forudsætning af 0,26 mm dia -tråd (lidt større end den faktiske 0,25 mm dia på tråden). 0,26 * 840 = 220 mm lang vikling af tæt sår vender for at få 18,6 m tråd på førstnævnte. Da blyanten kun var 140 mm lang, ville jeg have brug for mindst 2,2 lag med en længde på 100 mm hver. Endelig tilføjede jeg cirka 20% ekstra ledning for at give mulighed for sjusket snoede og øget svinglængde på toroidet for det andet lag og lagde faktisk 3 lag på 100 mm hver på blyantformeren.

For at sno ledningen på blyantformeren brugte jeg en meget langsom boremaskine til at rotere blyanten. Ved at bruge længden af lagene som guide, behøvede jeg ikke tælle vendinger. Du kan også bruge en håndboremaskine monteret i en skruestik.

Ved at holde toroid i en blød kæbestik, der kunne rotere kæberne for at holde toroid vandret, viklede jeg først den sekundære vikling. Startende med et lag tyndt dobbeltsidet tape rundt om toroidens yderside for at hjælpe med at holde tråden på plads, da jeg viklede den. Jeg tilføjede endnu et lag vandhaner mellem hvert lag for at hjælpe med at holde tingene på plads. Du kan se det sidste lag af hanen på billedet ovenfor. Jeg købte skruestik specielt til dette job, en Stanley Multi Angle Hobby Vice. Det var pengene værd.

En lignende beregning blev udført for at forberede viklingsformeren til de to primære viklinger. Selvom det er tilfældet, målte jeg den nye størrelse på toroidet med den sekundære vikling på plads for at beregne svinglængden. Ovenfor er et foto af transformatoren med det sekundære sår og ledningen til første primære vikling på førstnævnte klar til at begynde at vikle.

Trin 9: Konstruktion

Til denne prototype genbrugte jeg en af PCB'erne beskrevet i Retrofit an Existing Light Switch med fjernbetjening og skar to spor og tilføjede et link til at genkonfigurere den til toroid.

Toroiden blev monteret separat og overspændingsdæmperen placeret direkte på tværs af den sekundære vikling.

Et datterbræt blev brugt til at montere fuldbølge -ensretteren og RL.

Overspændingsdæmperen var en sen tilføjelse. Da jeg første gang testede hele kredsløbet med en 0,9 A belastning, hørte jeg en skarp revne, da jeg brugte pfodApp til eksternt at tænde for belastningen. Nærmere inspektion fandt en lille blå udledning fra RL under tænding. Ved tænding blev hele 240V RMS (340V peak) påført på tværs af toroidets primære under transienten. Den sekundære, med et svingforhold på 2: 1, genererede op til 680V, hvilket var nok til at forårsage et brud mellem RL og et spor i nærheden. Rydning af de nærliggende spor og tilføjelse af en 30,8V AC -overspændingsdæmper på tværs af den sekundære spole løste dette problem.

Trin 10: Programmering af BLE Nano og tilslutning

Koden i BLE Nano er den samme som den, der blev brugt i Retrofit a Existing Light Switch med fjernbetjening, og det projekt diskuterer koden og hvordan man programmerer Nano. Den eneste ændring var til BLE -annoncenavnet og prompten, der blev vist på pfodApp. Tilslutning via pfodApp fra Android -mobilen viser denne knap.

Kredsløbet overvåger spændingen, der påføres belastningen, for korrekt at vise en gul knap, når belastningen tændes enten af fjernbetjeningen eller af den manuelle tilsidesættelse.

Konklusion

Dette projekt udvider eftermontering af en eksisterende lyskontakt med fjernbetjening, så du kan fjernstyre kilowatt belastning ved blot at tilføje dette kredsløb til den eksisterende switch. Ingen ekstra ledninger er påkrævet, og den originale kontakt fortsætter med at fungere som en manuel tilsidesættelse, mens du stadig kan tænde for belastningen eksternt, efter at du har brugt den manuelle overstyringsafbryder til at slukke for den

Hvis fjernbetjeningskredsløbet skulle mislykkes, eller du ikke kan finde din mobil, fungerer den manuelle overstyringsafbryder fortsat.

Fremadrettet eftermontering af dit husets lysafbrydere med BLE Nano V2 -kontrolmoduler, der understøtter Bluetooth V5, betyder, at du i fremtiden kan oprette et automatiseret netværk i hele huset ved hjælp af et Bluetooth V5 Mesh.