Programowanie mikrokontrolerów

1. Zastosowanie

Urządzenie ma zastosowanie wszędzie gdzie potrzebujemy informacji w jakim momencie przebieg zmienny lub przemienny przechodzi przez wartości napięć bliskich zeru. Najczęściej układy takie mają zastosowanie w przypadku sterowania bez napięciowego lub bezprądowego elementów załączających takich jak tyrystory czy triaki.

2. Budowa i schemat ideowy urządzenia

Urządzenie w moim przypadku oparte będzie o układ transoptora jednokanałowego PC814. Scalak wykonany jest w wersji 4 nóżkowej i został przedstawiony na zdjęciu poniżej.

Wewnątrz układu znajduje się fototranzystor wysterowywany przez dwie przeciwsobnie połączone diody led. Poniżej przedstawiony został schemat ideowy proponownaego urządzenia.

Urządzenie składa się z konektora X2 do którego doprowadzone jest napięcie sieciowe 230V AC. Przez dwa rezystory ograniczające prąd podawane jest na diody led znajdujące się wewnątrz obudowy transoptora. Rezystory są dwa w celu podzielenia wydzielającej się mocy z jednego dużego rezystora na dwa o mniejszej mocy. Natomiast po stronie DC mamy układ kucza tranzystorowego (pracuje w dwóch stanach otwarty bądź zamknięty) który w momencie kiedy jest załączony (dioda po stronie 230V AC świeci ) sprowadza kolektor (nóżkę 4 ) do masy utrzymując stan niski na nóżce OUT do momentu aż wartość chwilowa napięcia sinusoidalnego nie zbliży się do zera (precyzyjniej do wartości napięcia przy którym dioda wewnątrz transoptora przestaje świecić (patrz datasheet PC814). W momencie kiedy wartość napięcia sinusoidy zbliża się do zera i dioda przestaje świecić tranzystor wewnątrz transoptora zamyka się przestając przewodzić co powoduje wzrost napięcia na pinie OUT do wartości napięcia zasilania strony DC przez rezystor R3. W ten sposób na pinie OUT uzyskujemy stan wysoki na czas kiedy napięcie jest bliskie zeru po stronie AC. Stan ten utrzymuje się do momentu aż sinusoida przetnie wartość zero i po stronie wartości ujemnych przekroczy wartość napięcia przy którym załączy się druga dioda podłączona przeciwsobnie w transoptorze. Wówczas dioda zaczyna świecić otwiera tranzystor i stan powtarza się cyklicznie generując na nóżce out szpilki wartości napięcia zasilania DC na czas kiedy napięcie sinusoidalne jest bliskie zeru. Poniższy proces postaram się zobrazować przedstawionymi poniżej przebiegami wykreślonymi w Excel.

 3. Zasada działania

Zasada działania układu przedstawiona zostanie w oparciu o przebiegi teoretyczne przedstawione w uproszczeniu. Wartości zobrazowane na przebiegach należy traktować jako uproszczenia myślowe dla prostszego zobrazowania zasady działania bez przeliczania i tłumaczenia wartości skutecznych, amplitud itd. (wartość 230V AC jest wartością skuteczną na przebiegach została ta wartość przedstawiona jako wartość maksymalna co jest błędem ktoś powie bo powinna być o pierwiastek z 2 razy większa)

Powyżej przedstawiony został przebieg sinusoidalny napięcia sieciowego wyidealizowany do przebiegu idealnie sinusoidalnego z pominięciem zakłóceń sieciowych (kolor niebieski). Dodatkowo naniesione zostały w postaci linii poziomych (czerwonej i pomarańczowej) poziomy napięć przy których następuje załączenie się diody D1 i D2 wewnątrz transoptora. Datasheet podaje wartość 1,6V ja dla uproszczenia przyjąłem wartość 2V. 

Najistotniejszym dla nas elementem tego wykresu jest zaznaczony na zielono obszar w którym następuje załączenie oraz wyłączenie diod led wewnątrz transoptora.

Obszar ten w powiększeniu wygląda dokładnie jak na obrazku powyżej (kolor niebieski sinusoida 230V AC natomiast czerwony i pomarańczowy poziomy napięć przy których załączają diody LED.

 Na rysunku powyżej kolorem zielonym oznaczono obszar w którym diody LED znajdujące się w transoptorze świecą (tranzystor przewodzi) natomiast kolorem fioletowym oznaczono obszar w którym diody LED znajdujące się w transoptorze nie świecą (tranzystor nie przewodzi). Na załączonym przebiegu widać zasadę działania detektora przejścia przez zero. Niebieska linia reprezentująca nam napięcie chwilowe przebiegu napięcia 230 V AC o kształcie sinusoidalnym zbliża się do wartości 0V. Tak długo jak wartość tego napięcia przekracza wartość progu świecenia diody led znajdującej się w obudowie transoptora PC814 tak długo bramka tranzystora wewnątrz jego jest oświetlana a tym samym tranzystor przewodzi zwierając nóżki 3 i 4 sprowadzając sygnał wyjściowy pinu OUT do zera. Napięcie AC malejąc przekracza wartość progową świecenia diody D1 (pozioma pomarańczowa linia reprezentuje napięcie progu świecenia diody D1 dla uproszczenia przyjęte 2V) powodując zgaśnięcie diody. Baza tranzystora która przestaje być oświetlana powoduje jego zatkanie. Rezystancja złącz emiter kolektor tranzystora rośnie powodując rozwarcie się nóżek 3 i 4 transoptora. Napięcie na nóżce OUT rośnie ładując się poprzez rezystor podciągający R3 do wartości napięcia zasilania DC. Napięcie chwilowe AC maleje dalej przechodząc przez zero i malejąc w kierunku wartości ujemnych. Przy napięciach ujemnych za przewodzenie odpowiedzialna jest dioda D2 połączona przeciwsobnie w stosunku do diody D1 odpowiedzialnej za przewodzenie przy dodatniej połówce przebiegu napięcia AC. Napięcie AC malejąc dochodzi do wartości przewodzenia D2 oznaczonej na przebiegu kolorem czerwonym (pozioma linia dla uproszczenia przyjęta jako napięcie -2V). Po przekroczeniu napięcia progowego diody D2 dioda zaczyna świecić i tranzystor T1 otwiera się zwierając nóżki 3 i 4 transoptora analogicznie jak miało to miejsce w przypadku diody D1. Napięcie na wyjściu OUT ponownie zwierane jest do zera. Stosunek czasu przewodzenia diod (stosunkowo długi czas) do czasu ich zatkania (stosunkowo krótki czas) powoduje że przebieg wyjściowy wygląda jak chwilowe szpilki generowane w momencie kiedy diody są zatkane (napięcie AC jest bliskie zeru). Opisane zjawisko występuje  w sposób cykliczny. Wygenerowane szpilki na pinie OUT możemy zobaczyć na poniższych oscylogramach.

Przebieg na pinie OUT dla stałej czasowej 5ms/działkę. Jak widać szpilki generowane są co 10 ms dla każdego przejścia napięcia AC przez zero.

Ten sam przebieg dla stałej czasowej 2ms/działkę (powiększenie)

4. Dobór elementów

Każdą z przedstawionych na schemacie ideowym wartości da się w bardzo prosty sposób wyliczyć stosując jedynie prawo Ohma. Poniżej postaram się przedstawić sposób wyliczenia wartości elementów przedstawionych na schemacie. 

Aby obliczyć wartości elementów wykorzystanych do budowy urządzenia musimy posłużyć się datasheet układu PC814. Wyjściowym działaniem będzie dobranie punktu pracy na podstawie charakterystyki przedstawionej poniżej

Dobór wartości R3

Punktem wyjścia doboru punktu pracy układu jest określenie wartości napięcia zasilania DC. W naszym przypadku jest to 5V DC. Dla tego napięcia wybieramy wartość prądu przewodzenia diody wejściowej np. 5 mA. Wybór większych wartości będzie skutkował ze znacznym wzrostem mocy rezystorów R1 i R2 tak więc nie należy przesadzać z tą wartością. Na przecięciu się wartości z osi dolnej 5 V DC oraz linii 5 mA reprezentującej prąd I_F diody wejściowej otrzymujemy punkt na wykresie dla którego wykonamy resztę obliczeń. Punkt pracy zakreślony został czerwonym okręgiem na przedstawionej charakterystyce.

Mając powyższe dane możemy obliczyć wartość rezystora R3.

I_C= 4 mA (odczytany z charakterystyki)

U_DC= 5 V (założone przez nas)

U_CE(sat) = 0,3 V (napięcie kolektor-emiter w stanie przewodzenia odczytane z datasheet tabela poniżej)

Nanosząc założone wartości na schemat przedstawiony poniżej możemy wywnioskować że brakuje nam dwóch parametrów U_R oraz R. Poniżej obliczymy wartości o których mowa

U_DC = U_CE + U_R z czego wynika że  U_R = U_DC - U_CE = 5V - 0,3V = 4,7V

R₃ = U_R / I_C 

R₃ = 4,7 V / 0,004 A = 1 175 Ohm

Najbliższym z szeregu będzie 1,2k Ohm.

Dobór wartości R1 i R2

I_F  = 5 mA

U_we  = 230V / sqrt(2) = 162,6 V (wartość skuteczna napięcia wejściowego AC)

U_D = 1,6 V

 U_WE = U_R1 + U_D + U_R2

Zakładamy że R₁ = R₂ wówczas

U_WE  = 2 * U_R + U_D z tego wynika że U_R = (U_WE - U_D) / 2 = (162,6 V - 1,6 V) / 2 = 161 V / 2 = 80,5 V

R = UR / I = 80,5 V / 0,005 A = 16 100 Ohm

R1 = R2 = R / 2 = 16 100 Ohm / 2 = 8 050 Ohm

Istotną rzeczą jest aby pamiętać że rezystory muszą być odpowiedniej mocy aby nie uległy uszkodzeniu

P_R = I * I * R = 0,005 * 0,005 * 16 100 = 0,4 W

P_R1 = P_R2 = P_R / 2 = 0,2 W