Eftermontering av BLE -kontroll till högeffektbelastning - inga extra ledningar krävs: 10 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Uppdatering: 13 juli 2018 - tillagd 3 -terminal regulator till toroidmatning

Denna instruerbara täcker BLE (Bluetooth Low Energy) kontroll av en befintlig belastning i intervallet 10W till> 1000W. Strömmen är fjärransluten från din Android Mobile via pfodApp.

Ingen extra ledning krävs, lägg bara till BLE -styrkretsen i den befintliga omkopplaren.

Ofta när man eftermonterar hemautomation till befintliga installationer är den enda rimliga platsen att lägga till kontrollen vid den befintliga omkopplaren. Särskilt när du vill behålla omkopplaren som en manuell överstyrning. Men vanligtvis finns det bara två ledningar vid omkopplaren, den aktiva och omkopplare till lasten, ingen neutral. Som visas ovan fungerar denna BLE -kontroll med bara de två ledningarna och inkluderar en manuell omkopplare. Både fjärrkontrollen och den manuella omkopplaren fungerar när lasten är på eller av.

Det speciella exemplet här är att styra en 200W ljusbank genom att placera kretsen bakom väggströmbrytaren. Kod finns för både RedBear BLE Nano (V1.5) och RedBear BLE Nano V2 för att visa kontrollknappen på pfodApp. En valfri tidsinställd automatisk avstängningsfunktion finns också i koden.

VARNING: Detta projekt är endast för erfarna konstruktörer. Brädet är nätdrivet och kan vara dödligt om någon del av det berörs medan det är igång. Kabeldragningen av detta kort i den befintliga ljusströmbrytaren bör endast utföras av en behörig elektriker

Steg 1: Varför detta projekt?

Det tidigare projektet, Retrofit an Existing Light Switch with Remote Control, fungerade för belastningar mellan 10W och 120W för 240VAC (eller 5W till 60W för 110VAC) men kunde inte hantera vardagsrumsljus som består av 10 x 20W = 200W kompakta fluorescenser. Detta projekt lägger till några komponenter och en handlindad toroid för att ta bort den belastningsbegränsningen och behålla alla fördelarna med det tidigare projektet. Belastningen som denna konstruktion kan växla begränsas endast av reläkontaktens betyg. Reläet som används här kan växla 16 ampere resistivt. Det är> 1500W vid 110VAC och> 3500W vid 240VAC. BLE -styrkretsen och reläet använder mW och så blir det inte ens varmt.

Fördelarna med detta projekt är:- (se Eftermontering av en befintlig ljusbrytare med fjärrkontroll för mer information)

Enkel att installera och underhålla Den här lösningen är nätdriven men kräver INTE några extra ledningar för att installeras. Installera bara, lägg till styrkretsen till den befintliga manuella omkopplaren.

Flexibel och robust Den manuella omkopplaren fortsätter att styra lasten även om fjärrkontrollkretsen misslyckas (eller om du inte hittar din mobil). Du kan också fjärransluta till belastningen efter att du har använt den manuella omkopplaren för att stänga av den

Ytterligare funktioner När du har en mikroprocessor som styr din belastning kan du enkelt lägga till ytterligare funktioner. Koden i detta projekt innehåller ett alternativ för att stänga av lasten efter en viss tid. Du kan också lägga till en temperatursensor för att styra lasten och fjärrjustera temperaturbörvärdet.

Skapar grunden för ett nätverk för helautomatik Detta diagram är från Bluetooth V5 “Mesh Profile Specification 1.0”, 13 juli 2017, Bluetooth SIG

Som du kan se består den av ett antal relänoder i ett nät. Relänoderna är aktiva hela tiden och ger tillgång till andra noder i nätet och till de batteridrivna sensorerna. Genom att installera denna nätverksdrivna BLE -fjärrmodul tillhandahålls automatiskt en uppsättning noder i hela ditt hus som kan läggas till nätet som relänoder. RedBear BLE Nano V2 är Bluetooth V5 -kompatibel.

BLE Mesh -specifikationen är dock mycket ny och det finns för närvarande inga exempel på implementeringar. Så att konfigurera nätet omfattas inte av detta projekt, men när exempelkoden blir tillgänglig kommer du att kunna programmera om dig RedBear BLE Nano V2 för att tillhandahålla ett nätverkat hemautomatiseringsnätverk

Steg 2: Hur drivs BLE -fjärrkontakten när det inte finns någon neutral anslutning?

Idén för denna kontroll går tillbaka, ett antal år, till en enkel konstant strömkällkrets. (National Semiconductor Application Note 103, Figure 5, George Cleveland, augusti 1980)

Det som är intressant med denna krets är att den bara har två ledningar, en och en ut. Det finns ingen anslutning till -ve -försörjningen (gnd) förutom genom lasten. Denna krets drar upp sig med sina stövelremmar. Den använder spänningsfallet över regulatorn och motståndet för att driva regulatorn.

Eftermonteringen av en befintlig ljusbrytare med fjärrkontroll använde en liknande idé.

En 5V6 Zener i serie med lasten ger ström till BLE -regulatorn och låsreläet. När belastningen stängs av fortsätter en mycket liten ström mindre än 5mA att flöda genom zenern (och belastningen) via 0.047uF och 1K som kringgår den öppna omkopplaren. Den här lilla strömmen, som knappt är detekterbar och "säker", är tillräcklig för att driva BLE -styrenheten när lasten är avstängd och också ladda upp en kondensator för att driva låsningsreläet för att slå på lasten på distans. Se Eftermontering av en befintlig ljusbrytare med fjärrkontroll för fullständig krets och detaljer.

Begränsningen för kretsen ovan är att när lasten är PÅ, passerar all lastström genom zenern. Genom att använda en 5W zener begränsas strömmen till ungefär en halv ampere. Det vill säga för en 60W lampa (vid 110VAC) 3W försvinner som värme från zenern när lasten är PÅ. För 110V AC -system begränsar detta belastningen till cirka 60W, och för 240V -system cirka 120W. Med modern LED -belysning är detta ofta tillräckligt, men det klarar inte 200W lampor i vardagsrummet.

Kretsen som beskrivs här tar bort den begränsningen och gör att kilowatt effekt kan fjärrstyras av mW via BLE och pfodApp.

Steg 3: Kretsdiagram

Kretsen ovan visar belastningen AV. I detta tillstånd levereras BLE -styrenheten via 0.047uF och 1K som i föregående krets. När lasten är PÅ (dvs manövrerar antingen väggströmbrytaren eller spärreläet i kretsen ovan), kortas toppbrygglikriktaren och komponenterna 0.047uF och 1K av reläet och omkopplaren. Helbelastningsströmmen strömmar sedan genom Toroidal Transformator som levererar de mW: er som behövs för styrkretsen. Även om toroiden visas ha ungefär 3,8 V AC över den primära, är primärlindningen nästan helt reaktiv och ur fas med belastningsspänningen så mycket liten effekt tas faktiskt av toroid, mW faktiskt.

Hela kretsschemat finns här (pdf). Listan med delar, BLE_HighPower_Controller_Parts.csv, finns här

Du kan se tilläggskomponenterna på vänster sida. Toroidformat transformator, överspänningsdämpare, begränsningsmotstånd och helvågslikriktare. Eftermontering av en befintlig ljusbrytare med fjärrkontroll beskriver resten av kretsen.

Spänningen från Toroidal Transformator varierar med belastningsströmmen (se nedan för mer information). Mer 7V behövs för att driva helvågslikriktaren och zenern. RL -motståndet väljs för att begränsa strömmen genom Zener till några mA, säg mindre än 20mA. Att ha en toroidal matningsspänning som varierar med belastningsströmmen är inte mycket av ett problem på grund av den stora strömmar zenern kan hantera, 0,1 mA till 900 mA, vilket ger ett brett intervall tillgängliga spänningsfall över RL och därmed ett stort antal acceptabla Toroidala matningsspänningar. Naturligtvis för effektivitet skulle vi vilja att utgångsspänningen från toroiden stämmer mer överens med vad som behövs.

Uppdatering: 13 juli 2018-ersatt RL med 3-terminal regulator

Vid kontroll av hårdvaran efter några månader såg det strömbegränsande motståndet RL något bränt ut, så den toroidala transformatorkretsen modifierades (modifiedCircuit.pdf) för att istället använda en 3-terminal strömbegränsare.

Z1 (en dubbelriktad zener) tillsattes för att begränsa spänningstoppen på primären till <12V och IC1 som tillsatt för att begränsa strömmen som levereras av sekundären till ~ 10mA. En LM318AHV med en ingångsspänningsgräns på 60V användes och Z2 begränsar transformatorns utgång till <36V för att skydda LM318AHV.

Steg 4: Designa Toroidal Transformer

En toroidformad transformator används här eftersom den har mycket lågt magnetiskt flödesläckage och så minimerar störningen med resten av kretsen. Det finns två huvudtyper av toroidkärnor, järnpulver och ferrit. För denna design måste du använda järnpulvertypen som är avsedd för strömförbrukning. Jag använde en HY-2-kärna från Jaycar, LO-1246. 14,8 mm höjd, 40,6 mm OD, 23,6 mm ID. Här är specifikationsbladet. Det bladet noterar att T14, T27 och T40 toroider är liknande så du kan prova en av dem istället.

Transformatordesign är något av en konst på grund av den icke-linjära karaktären av BH-kurvan, den magnetiska hysteresen och kärn- och trådförlusterna. Magnetic Inc har en designprocess som verkar vara rak, men kräver Excel och inte körs under Open Office, så jag använde den inte. Lyckligtvis behöver du bara få designen ungefär rätt och du kan justera den genom att lägga till primära varv eller öka RL. Jag använde designprocessen nedan och fick en acceptabel transformator första gången efter att ha lagt till en andra primärlindning. Jag förfinade antalet varv och lindningsprocessen för den andra transformatorn.

Grundläggande designkriterier är:-

• Det måste vara tillräckligt med förändringar i magnetfältet (H) i kärnan för att övervinna BH-kurvhysteresen, men inte tillräckligt för att mätta kärnan. dvs säga 4500 till 12000 Gauss.
• Primära volt beror på:- induktansen hos primärlindningen och nätfrekvensen för att ge reaktansen och sedan gånger med belastningsströmmen för att ge primärlindningens spänning.
• Sekundärvolt beror ungefär på varvförhållandet sekundärt till primärtid primärvolt. Kärnförluster och lindningsmotstånd innebär att effekten alltid är mindre än en idealisk transformator.
• Sekundära volt måste överstiga 6,8V (== 5,6V (zener) + 2 * 0,6V (likriktardioder)) för tillräckligt med växelström för att ge en genomsnittlig ström genom zenern större än några mA för att driva BLE -kretsen.
• Den primära lindningstrådens storlek måste väljas för att kunna bära fulllastströmmen. Sekundären kommer normalt bara att bära mA efter att RL -begränsningsmotståndet har satts in så att den sekundära lindningstrådens storlek inte är kritisk.

Steg 5: En design för 50Hz nät

Toroidinduktansen per varvräknare kommer att beräkna induktansen och Gauss/Amp för ett givet antal varv, med tanke på toroidens dimensioner och permeabilitet, ui.

För denna applikation tänds vardagsrummet, belastningsströmmen är cirka 0,9A. Om vi antar en 2: 1 steg -upp transformator och högre än 6,8V topp på sekundären måste toppen primärspänning vara större än 6,8 / 2 = 3,4V Peak / sqrt (2) == AC RMS volt så den primära RMS volt behöver för att vara större än 3,4 / 1,414 = 2,4V RMS. Så låt oss sikta på en primär RMS -volt på säg om 3V AC.

Primärspänningen beror på reaktansen gånger belastningsströmmen, dvs. 3/0,9 = 3,33 primärreaktans. Reaktansen för lindning ges med 2 * pi * f * L, där f är frekvensen och L är induktansen. Så för ett 50Hz huvudsystem L = 3.33 / (2 * pi * 50) == 0.01 H == 10000 uH

Att använda Toroid -induktansen per varvräknare och sätta in toroidmåtten på 14,8 mm höjd, 40,6 mm OD, 23,6 mm ID, och anta 150 för ui ger för 200 varv 9635uH och 3820 Gauss/A Obs: ui är listad i specifikationen som 75 men för de lägre nivåerna av flödestäthet som används här är 150 närmare den korrekta siffran. Detta bestämdes genom att mäta den slutliga spolens primära spänning. Men oroa dig inte så mycket om den exakta siffran eftersom du kan fixa den primära lindningen senare.

Så med 200 varv ger, för en 50Hz, f, mata reaktansen == 2 * pi * f * L == 2 * 3.142 * 50 * 9635e-6 = 3.03 och så spänningen över primärlindningen vid 0.9A RMS AC är 3,03 * 0,9 = 2,72V RMS för en toppspänning på 3,85V och en sekundär toppspänning på 7,7V, förutsatt att transformatorn går upp 2: 1.

Toppen Gauss är 3820 Gauss / A * 0.9A == 4861 Gauss vilket är mindre än 12000 Gauss mättnadsnivå för denna kärna.

För en 2: 1 -transformator måste sekundärlindningen ha 400 varv. Testning visade att denna design fungerade och ett RL -begränsningsmotstånd på 150 ohm gav en genomsnittlig zenerström på cirka 6mA.

Den primära trådstorleken beräknades med hjälp av beräkning av transformatorer för nätfrekvens - Välj rätt kabel. För 0,9A gav den webbsidan 0,677 mm dia. Så 0,63 mm dia emaljerad tråd (Jaycar WW-4018) användes för den primära och 0,25 mm dia emaljerad tråd (Jaycar WW-4012) användes för den sekundära.

Den faktiska transformatorkonstruktionen använde en enda sekundärlindning på 400 varv 0,25 mm dia emaljerad tråd och två (2) primära lindningar på 200 varv var och en på 0,63 mm dia emaljerad tråd. Denna konfiguration gör att transformatorn kan konfigureras för att fungera med belastningsströmmar i intervallet 0,3A till 2A dvs (33W till 220W vid 110V ELLER 72W till 480W vid 240V). Anslutning av primärlindningarna är serie, fördubblar induktansen och gör att transformatorn kan användas för så låga strömmar som 0,3A (33W vid 110V eller 72W vid 240V) med RL == 3R3 och upp till 0,9A med RL = 150 ohm. Anslutning av de två primära lindningarna parallellt fördubblar deras nuvarande bärförmåga och ger lastström på 0,9A till 2A (220W vid 110V och 480W vid 240V) med en lämplig RL.

För min applikation som styr 200W lampor vid 240V anslöt jag lindningen parallell och använde 47 ohm för RL. Detta matchar utgångsspänningen nära det som behövdes samtidigt som kretsen fortfarande kan fungera för belastningar upp till 150W om en eller flera lampor misslyckas.

Steg 6: Ändring av svängar för 60Hz nät

Vid 60 Hz är reaktansen 20% högre så du behöver inte så många varv. Eftersom induktansen varierar med N^2 (varv i kvadrat) där N är antalet varv. För 60Hz -system kan du minska antalet varv med cirka 9%. Det är 365 varv för sekundären och 183 varv för varje primär för att täcka 0,3A till 2A enligt beskrivningen ovan.

Steg 7: Design för högre belastningsströmmar, 10A 60Hz Exempel

Reläet som används i detta projekt kan växla en resistiv belastningsström på upp till 16A. Designen ovan fungerar för 0,3A till 2A. Ovanför det börjar toroidet att mättas och den primära lindningstrådens storlek är inte tillräckligt stor för att bära lastströmmen. Resultatet, bekräftat genom testning med en 8,5 A belastning, är en stinkande het transformator.

Som ett exempel på en höglastdesign, låt oss designa för en 10A -belastning i ett 60Hz 110V -system. Det är 1100W vid 110V.

Antag en primärspänning på säg 3,5V RMS och en 2: 1 transformator som möjliggör vissa förluster, då är den primära reaktansen som behövs 3,5V / 10A = 0,35. För 60Hz innebär detta en induktans på 0,35/(2 * pi * 60) = 928,4 uH

Med hjälp av ui på 75 den här gången, eftersom flödestätheten kommer att vara högre, se nedan, några försök med antalet varv i Toroid -induktans per varvräknare ger 88 varv för primären och 842 Gauss / A för flödestätheten eller 8420 Gauss vid 10A som fortfarande ligger inom gränsen för mättnad på 12000 Gauss. Vid denna flödesnivå är u i förmodligen fortfarande högre än 75 men du kan justera antalet primära varv när du testar transformatorn nedan.

Beräkning av nätfrekvenseffekttransformatorer ger en trådstorlek på 4 mm^2 tvärsnitt eller 2,25 mm dia eller kanske lite mindre säg två primära lindningar på 88 varv vardera med 2 mm^2 tvärsnitt dvs 1,6 mm diamantråd, ansluten parallellt för att ge en totalt 4 mm^2 tvärsnitt.

För att konstruera och testa denna design, linda en 176 varv sekundärlindning (för att ge två gånger utspänningen som tidigare) och linda sedan bara en 88 varv primär av 1,6 mm diameter tråd. Obs: Lämna extra tråd på den förstnämnda så att du kan lägga till fler varv om det behövs. Anslut sedan 10A -belastningen och se om sekundären kan leverera den spänning/ström som krävs för att köra BLE -kretsen. 1,6 mm dia -kabeln tål 10A under den korta tiden du mäter sekundärt.

Om det finns tillräckligt med volt, bestäm RL som är nödvändig för att begränsa strömmen, och ta kanske några varv om det finns mycket överspänning. Annars om det inte finns tillräckligt med sekundär spänning, lägg till några fler varv till primären för att öka primärspänningen och därmed sekundärspänningen. Primärspänningen ökar som N^2 medan sekundärspänningen minskar som ungefär 1/N på grund av förändringen i varvtalet, så att lägga till primära lindningar kommer att öka sekundärspänningen.

När du har bestämt antalet primära varv du behöver kan du sedan linda den andra primära lindningen parallellt med den första för att ge full lastströmskapacitet.

Steg 8: Lindning av den toroidala transformatorn

För att linda transformatorn måste du först linda tråden till en formare som passar genom toroid.

Beräkna först hur mycket tråd du behöver. För Jaycar är LO-1246 toroid varje varv cirka 2 x 14,8 + 2 * (40,6-23,6)/2 == 46,6 mm. Så för 400 varv behöver du cirka 18,64 m tråd.

Beräkna sedan storleken på envarv på den tidigare du kommer att använda. Jag använde en penna med en diameter på 7,1 mm vilket gav en svänglängd på pi * d = 3,14 * 7,1 == 22,8 mm per varv. Så för 18,6 m tråd behövde jag cirka 840 varv på den förra. I stället för att räkna varv som skulle på den förstnämnda, beräknade jag den ungefärliga längden på 840 varv, utgående från 0,26 mm diametertråd (lite större än trådens faktiska 0,25 mm diameter). 0,26 * 840 = 220 mm lång lindning av nära sårvarv för att få 18,6 m tråd till den förra. Eftersom pennan bara var 140 mm lång skulle jag behöva minst 2,2 lager med 100 mm längd vardera. Slutligen lade jag till cirka 20% extra tråd för att möjliggöra slarvig lindning och ökad svänglängd på toroid för det andra lagret och faktiskt lägga 3 lager på 100 mm långa vardera på pennformaren.

För att linda tråden på pennformaren använde jag en borrpress med mycket låg hastighet för att rotera pennan. Med hjälp av längden på lagren som guide behövde jag inte räkna varv. Du kan också använda en handborr som är monterad i en skruvstång.

Håller toroiden i en mjuk käftbult som kan rotera käftarna för att hålla toroid horisontellt, lindade jag först sekundärlindningen. Börjar med ett lager av tunn dubbelsidig tejp runt toroidens utsida för att hålla tråden på plats när jag lindade den. Jag lade till ytterligare ett kranlager mellan varje lager för att hålla saker på plats. Du kan se det sista kranlagret på fotot ovan. Jag köpte skruven speciellt för detta jobb, en Stanley Multi Angle Hobby Vice. Det var väl värt pengarna.

En liknande beräkning gjordes för att förbereda lindningsformen för de två primära lindningarna. Även om så är fallet så mätte jag toroidens nya storlek, med sekundärlindningen på plats, för att beräkna svänglängden. Ovan är ett foto av transformatorn med det sekundära såret och tråden för första primära lindning på den förstnämnda redo att börja linda.

Steg 9: Konstruktion

För denna prototyp återanvände jag en av kretskorten som beskrivs i Retrofit an Existing Light Switch med fjärrkontroll och klippte två spår och lade till en länk för att konfigurera om den för toroid.

Toroid monterades separat och överspänningsdämparen placerades tvärs över sekundärlindningen.

En dotterbräda användes för att montera helvågslikriktaren och RL.

Överspänningsdämparen var ett sent tillskott. När jag först testade hela kretsen med en belastning på 0,9A hörde jag en skarp spricka när jag använde pfodApp för att fjärransluta belastningen. Närmare inspektion fann en liten blå utsläpp från RL under påslagning. När man slog på hela 240V RMS (340V topp) applicerades över toroidens primär under transienten. Sekundären, med förhållandet 2: 1 vid varv, genererade upp till 680V vilket var tillräckligt för att orsaka en brytning mellan RL och ett närliggande spår. Att rensa bort spåren i närheten och lägga till en 30.8V AC -överspänningsdämpare över sekundärspolen löste detta problem.

Steg 10: Programmering av BLE Nano och anslutning

Koden i BLE Nano är densamma som den som används vid eftermontering av en befintlig ljusbrytare med fjärrkontroll och det projektet diskuterar koden och hur man programmerar Nano. Den enda ändringen var till BLE -annonsnamnet och prompten som visas på pfodApp. När du ansluter via pfodApp från Android -mobilen visas den här knappen.

Kretsen övervakar spänningen som appliceras på lasten för att korrekt visa en gul knapp när lasten startas antingen av fjärrkontakten eller manuell överstyrning.

Slutsats

Detta projekt utökar eftermontering av en befintlig ljusbrytare med fjärrkontroll så att du kan fjärrstyra kilowatt belastning genom att bara lägga till denna krets till den befintliga omkopplaren. Inga extra ledningar krävs och den ursprungliga omkopplaren fortsätter att fungera som en manuell åsidosättning samtidigt som du fortfarande kan fjärransluta lasten efter att du har använt den manuella åsidosättningsbrytaren för att stänga av den

Om fjärrkontrollkretsen skulle misslyckas, eller om du inte kan hitta din mobil, fortsätter den manuella åsidosättningsbrytaren att fungera.

Framåt, eftermontering av dina husets ljusomkopplare med BLE Nano V2 -styrmoduler som stöder Bluetooth V5 innebär att du i framtiden kan skapa ett automatiskt nätverk med ett Bluetooth V5 Mesh.