Adapte el control BLE a cargas de alta potencia; no se requiere cableado adicional: 10 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Actualización: 13 de julio de 2018: se agregó un regulador de 3 terminales al suministro de toroides

Este instructivo cubre el control BLE (Bluetooth Low Energy) de una carga existente en el rango de 10W a> 1000W. La energía se cambia de forma remota desde su móvil Android a través de pfodApp.

No se requiere cableado adicional, simplemente agregue el circuito de control BLE al interruptor existente.

A menudo, al adaptar la automatización del hogar a instalaciones existentes, el único lugar razonable para agregar el control es el interruptor existente. Particularmente cuando desea mantener el interruptor como anulación manual. Sin embargo, generalmente solo hay dos cables en el interruptor, el activo y el cable del interruptor a la carga, no neutro. Como se muestra arriba, este control BLE funciona solo con esos dos cables e incluye un interruptor de anulación manual. Tanto el control remoto como el interruptor manual funcionan cuando la carga está encendida o apagada.

El ejemplo particular aquí es para controlar un banco de luces de 200W colocando el circuito detrás del interruptor de pared. Se proporciona código para RedBear BLE Nano (V1.5) y RedBear BLE Nano V2 para mostrar el botón de control en pfodApp. Una función de apagado automático temporizado opcional también está disponible en el código.

ADVERTENCIA: Este proyecto es solo para constructores experimentados. La placa está alimentada por la red y puede ser mortal si se toca alguna parte mientras está en funcionamiento. El cableado de esta placa en el circuito del interruptor de luz existente solo debe ser realizado por un electricista calificado

Paso 1: ¿Por qué este proyecto?

El proyecto anterior, Modernización de un interruptor de luz existente con control remoto, funcionó para cargas entre 10W y 120W para 240VAC (o 5W a 60W para 110VAC) pero no pudo hacer frente a las luces de la sala de estar que constan de 10 x 20W = 200W de fluorescentes compactos. Este proyecto agrega algunos componentes y un toroide de cuerda manual para eliminar esa limitación de carga mientras conserva todas las ventajas del proyecto anterior. La carga que este diseño puede cambiar solo está limitada por las clasificaciones de los contactos del relé. El relé utilizado aquí puede conmutar 16 amperios resistivos. Eso es> 1500W a 110VAC y> 3500W a 240VAC. El circuito de control BLE y el relé usan mW, por lo que ni siquiera se calienta.

Las ventajas de este proyecto son: - (consulte Actualización de un interruptor de luz existente con control remoto para obtener más detalles)

Fácil de instalar y mantener Esta solución funciona con la red eléctrica, pero NO requiere la instalación de ningún cableado adicional. Simplemente instale y agregue el circuito de control al interruptor manual existente.

Flexible y robusto El interruptor de anulación manual continúa controlando la carga incluso si falla el circuito de control remoto (o no puede encontrar su teléfono móvil). También puede encender la carga de forma remota después de haber usado el interruptor de anulación manual para apagarla.

Funciones adicionales Una vez que tenga un microprocesador que controle su carga, puede agregar fácilmente funciones adicionales. El código de este proyecto incluye una opción para apagar la carga después de un tiempo determinado. También puede agregar un sensor de temperatura para controlar la carga y ajustar de forma remota el punto de ajuste de temperatura.

Crea la base para una red de automatización doméstica completa Este diagrama es de la “Especificación de perfil de malla 1.0” de Bluetooth V5, 13 de julio de 2017, Bluetooth SIG

Como puede ver, consta de varios nodos de retransmisión en una malla. Los nodos de relé están activos todo el tiempo y brindan acceso a otros nodos en la malla y a los sensores alimentados por batería. La instalación de este módulo remoto BLE alimentado por la red proporcionará automáticamente un conjunto de nodos en toda su casa que se pueden agregar a la malla como nodos de retransmisión. RedBear BLE Nano V2 es compatible con Bluetooth V5.

Sin embargo, la especificación BLE Mesh es muy reciente y actualmente no hay implementaciones de ejemplo. Por lo tanto, la configuración de la malla no está cubierta en este proyecto, pero una vez que el código de ejemplo esté disponible, podrá reprogramar su RedBear BLE Nano V2 para proporcionar una red de automatización del hogar en malla.

Paso 2: ¿Cómo se enciende el interruptor remoto BLE cuando no hay conexión neutra?

La idea de este control se remonta, varios años, a un circuito de fuente de corriente constante simple. (Nota de aplicación nacional de semiconductores 103, figura 5, George Cleveland, agosto de 1980)

Lo interesante de este circuito es que solo tiene dos cables, uno y otro de salida. No hay conexión al suministro -ve (gnd) excepto a través de la carga. Este circuito se levanta por las correas de las botas. Utiliza la caída de voltaje a través del regulador y la resistencia para alimentar el regulador.

La modificación de un interruptor de luz existente con control remoto utilizó una idea similar.

Un Zener 5V6 en serie con la carga suministra la energía para el controlador BLE y el relé de enclavamiento. Cuando la carga se apaga, una cantidad muy pequeña de corriente inferior a 5 mA continúa fluyendo a través del zener (y la carga) a través de 0.047uF y 1K sin pasar por el interruptor abierto. Esta pequeña corriente, que es apenas detectable y 'segura', es suficiente para alimentar el controlador BLE cuando la carga está apagada y también cargar un condensador para activar el relé de enclavamiento para encender la carga de forma remota. Consulte Reequipamiento de un interruptor de luz existente con control remoto para conocer el circuito completo y los detalles.

La limitación del circuito anterior es que cuando la carga está encendida, toda la corriente de carga pasa a través del zener. El uso de un zener de 5 W limita la corriente a aproximadamente medio amperio. Eso es para una lámpara de 60W (a 110VAC) 3W se disipa como calor del Zener cuando la carga está encendida. Para los sistemas de 110 V CA, esto limita la carga a aproximadamente 60 W, y para los sistemas de 240 V aproximadamente a 120 W. Con la iluminación LED moderna, esto a menudo es suficiente, sin embargo, no podría hacer frente a los 200W de lámparas en el salón.

El circuito descrito aquí elimina esa limitación y permite que los kilovatios de potencia sean controlados de forma remota por mW a través de BLE y pfodApp.

Paso 3: diagrama de circuito

El circuito de arriba muestra la carga APAGADA. En este estado, el controlador BLE se alimenta a través de 0.047uF y 1K como en el circuito anterior. Cuando la carga está ENCENDIDA (es decir, opere el interruptor de pared o el relé de enclavamiento en el circuito anterior), el puente rectificador superior y los componentes de 0.047uF y 1K son cortocircuitados por el relé y el interruptor. La corriente de carga completa luego fluye a través del transformador toroidal que suministra los mW necesarios para el circuito de control. Aunque se muestra que el toroide tiene aproximadamente 3.8V CA a través de su primario, el devanado primario es casi completamente reactivo y desfasado con el voltaje de carga, por lo que el toroide toma muy poca potencia, mW en realidad.

El diagrama de circuito completo está aquí (pdf). La lista de piezas, BLE_HighPower_Controller_Parts.csv, está aquí

Puede ver los componentes adicionales en el lado izquierdo. El transformador toroidal, el supresor de sobretensión, la resistencia limitadora y el rectificador de onda completa. Reequipar un interruptor de luz existente con control remoto describe el resto del circuito.

El voltaje suministrado por el transformador toroidal varía con la corriente de carga (consulte a continuación para obtener más detalles). Se necesitan más 7 V para impulsar el rectificador de onda completa y el zener. La resistencia RL se elige para limitar la corriente a través del Zener a unos pocos mA, digamos menos de 20 mA. Tener un voltaje de suministro toroidal que varía con la corriente de carga no es un gran problema debido al amplio rango de corrientes que el zener puede manejar, 0.1mA a 900mA, lo que brinda un amplio rango de caídas de voltaje disponibles en RL y, por lo tanto, un amplio rango de valores aceptables. Tensiones de alimentación toroidales. Por supuesto, para mayor eficiencia, nos gustaría que el voltaje de salida del toroide se asemejara más a lo que se necesita.

Actualización: 13 de julio de 2018 - reemplazado RL con regulador de 3 terminales

Al verificar el hardware después de unos meses, la resistencia limitadora de corriente RL parecía ligeramente quemada, por lo que el circuito del transformador toroidal se modificó (modifiedCircuit.pdf) para usar un limitador de corriente de 3 terminales en su lugar.

Se agregó Z1 (un zener bidireccional) para limitar el pico de voltaje en el primario a <12V y se agregó IC1 para limitar la corriente suministrada por el secundario a ~ 10mA. Se utilizó un LM318AHV con un límite de voltaje de entrada de 60 V y Z2 limita la salida del transformador a <36 V para proteger el LM318AHV.

Paso 4: Diseño del transformador toroidal

Aquí se utiliza un transformador toroidal porque tiene una fuga de flujo magnético muy baja y, por lo tanto, minimiza la interferencia con el resto del circuito. Hay dos tipos principales de núcleos toroidales, polvo de hierro y ferrita. Para este diseño, debe usar el tipo de polvo de hierro que está diseñado para la energía utilizada. Usé un núcleo HY-2 de Jaycar, LO-1246. 14,8 mm de altura, 40,6 mm de diámetro exterior, 23,6 mm de diámetro interior. Aquí está la hoja de especificaciones. Esa hoja señala que los toroides T14, T27 y T40 son similares, por lo que podría probar uno de esos en su lugar.

El diseño de transformadores es una especie de arte debido a la naturaleza no lineal de la curva B-H, la histéresis magnética y las pérdidas en el núcleo y el cable. Magnetic Inc tiene un proceso de diseño que parece sencillo, pero requiere Excel y no se ejecuta en Open Office, por lo que no lo usé. Afortunadamente, aquí solo necesita obtener el diseño aproximadamente correcto y puede ajustarlo agregando giros primarios o aumentando RL. Utilicé el proceso de diseño a continuación y obtuve un transformador aceptable la primera vez, después de agregar un segundo devanado primario. Refiné el número de vueltas y el proceso de bobinado del segundo transformador.

Los criterios básicos de diseño son: -

• Es necesario que haya suficiente cambio en el campo magnético (H) en el núcleo para superar la histéresis de la curva B-H, pero no lo suficiente para saturar el núcleo. es decir, digamos 4500 a 12000 Gauss.
• Los voltios primarios dependen de: - la inductancia del devanado primario y la frecuencia de la red para dar la reactancia y luego los tiempos por la corriente de carga para dar el voltaje del devanado primario.
• Los voltios secundarios dependen, aproximadamente, de la relación de vueltas del secundario al tiempo primario de los voltios primarios. Las pérdidas del núcleo y la resistencia del devanado significan que la salida siempre es menor que la de un transformador ideal.
• Los voltios secundarios deben exceder los 6.8V (== 5.6V (zener) + 2 * 0.6V (diodos rectificadores)) durante suficiente ciclo de CA para proporcionar una corriente promedio a través del zener mayor que unos pocos mA para alimentar el circuito BLE.
• Se debe elegir el tamaño del cable del devanado primario para poder transportar la corriente de carga completa. El secundario normalmente solo transportará mA después de insertar la resistencia limitadora RL, por lo que el tamaño del cable del devanado secundario no es crítico.

Paso 5: un diseño para redes de 50 Hz

La calculadora de inductancia toroide por vuelta calculará la inductancia y Gauss / Amp para un número determinado de vueltas, dadas las dimensiones y la permeabilidad del toroide, ui.

Para esta aplicación, las luces de la sala de estar, la corriente de carga es de aproximadamente 0.9A. Suponiendo un transformador elevador de 2: 1 y un pico superior a 6,8 V en el secundario, entonces el voltaje primario pico debe ser superior a 6,8 / 2 = 3,4 V pico / sqrt (2) == voltios CA RMS, por lo que los voltios RMS primarios necesitan para ser mayor que 3.4 / 1.414 = 2.4V RMS. Así que apuntemos a voltios RMS primarios de, por ejemplo, 3 V CA.

El voltaje primario depende de la reactancia multiplicada por la corriente de carga, es decir, 3 / 0.9 = 3.33 reactancia primaria. La reactancia para el devanado viene dada por 2 * pi * f * L, donde f es la frecuencia y L es la inductancia. Entonces, para un sistema principal de 50Hz L = 3.33 / (2 * pi * 50) == 0.01 H == 10000 uH

Usando la calculadora de inductancia toroide por vuelta e insertando las dimensiones toroidales de 14,8 mm de altura, 40,6 mm de diámetro exterior, 23,6 mm de diámetro interno, y suponiendo que 150 para ui da para 200 vueltas 9635uH y 3820 Gauss / A Nota: la ui se enumera en la especificación como 75 pero para los niveles más bajos de densidad de flujo usados aquí, 150 está más cerca de la cifra correcta. Esto se determinó midiendo el voltaje primario de la bobina final. Pero no se preocupe demasiado por la cifra exacta, ya que puede arreglar el devanado primario más tarde.

Entonces, al usar 200 vueltas, para 50Hz, f, suministre la reactancia == 2 * pi * f * L == 2 * 3.142 * 50 * 9635e-6 = 3.03 y, por lo tanto, los voltios a través del devanado primario a 0.9A RMS AC es 3.03 * 0.9 = 2.72V RMS para un voltaje pico de 3.85V y un voltaje pico secundario de 7.7V, asumiendo un transformador elevador 2: 1.

El pico de Gauss es 3820 Gauss / A * 0.9A == 4861 Gauss, que es menor que el nivel de saturación de 12000 Gauss para este núcleo.

Para un transformador 2: 1, el devanado secundario debe tener 400 vueltas. Las pruebas mostraron que este diseño funcionó y una resistencia limitadora RL de 150 ohmios dio una corriente Zener media de aproximadamente 6 mA.

El tamaño del cable primario se calculó utilizando Cálculo de transformadores de potencia de frecuencia de red: elección del cable correcto. Para 0.9A, esa página web dio 0.677 mm de diámetro. Por tanto, se utilizó alambre esmaltado de 0,63 mm de diámetro (Jaycar WW-4018) para el primario y alambre esmaltado de 0,25 mm de diámetro (Jaycar WW-4012) para el secundario.

La construcción real del transformador utilizó un solo devanado secundario de 400 vueltas de alambre esmaltado de 0,25 mm de diámetro y dos (2) devanados primarios de 200 vueltas cada uno de alambre esmaltado de 0,63 mm de diámetro. Esta configuración permite que el transformador se configure para trabajar con corrientes de carga en el rango de 0.3A a 2A, es decir (33W a 220W a 110V O 72W a 480W a 240V). La conexión de los devanados primarios es en serie, duplica la inductancia y permite utilizar el transformador para corrientes tan bajas como 0,3 A (33 W a 110 V o 72 W a 240 V) con RL == 3R3 y hasta 0,9 A con RL = 150 ohmios. La conexión de los dos devanados primarios en paralelo duplica su capacidad de transporte de corriente y proporciona una corriente de carga de 0,9 A a 2 A (220 W a 110 V y 480 W a 240 V) con un RL apropiado.

Para mi aplicación que controla 200W de luces a 240V, conecté el devanado en paralelo y usé 47 ohmios para RL. Esto hace coincidir estrechamente el voltaje de salida con lo que se necesitaba y, al mismo tiempo, permite que el circuito siga funcionando para cargas de hasta 150 W si falla una o más bombillas.

Paso 6: Modificación de turnos para red de 60Hz

A 60 Hz, la reactancia es un 20% más alta, por lo que no necesita tantas vueltas. Dado que la inductancia varía como N ^ 2 (vueltas al cuadrado) donde N es el número de vueltas. Para sistemas de 60Hz, puede reducir el número de vueltas en aproximadamente un 9%. Eso es 365 vueltas para el secundario y 183 vueltas para cada primario para cubrir 0.3A a 2A como se describió anteriormente.

Paso 7: Diseño para corrientes de carga más altas, ejemplo de 10 A 60 Hz

El relé utilizado en este proyecto puede conmutar una corriente de carga resistiva de hasta 16A. El diseño anterior funcionará para 0.3A a 2A. Por encima de eso, el toroide comienza a saturarse y el tamaño del cable del devanado primario no es lo suficientemente grande para transportar la corriente de carga. El resultado, confirmado por pruebas con una carga de 8.5A, es un transformador caliente y apestoso.

Como ejemplo de un diseño de carga alta, diseñemos para una carga de 10 A en un sistema de 60 Hz y 110 V. Eso es 1100W a 110V.

Suponga un voltaje primario de, por ejemplo, 3.5V RMS y un transformador 2: 1 que permita algunas pérdidas, entonces la reactancia primaria necesaria es 3.5V / 10A = 0.35. Para 60Hz esto implica una inductancia de 0.35 / (2 * pi * 60) = 928.4 uH

Usando ui de 75 esta vez, ya que la densidad de flujo será mayor, vea a continuación, algunas pruebas del número de vueltas en la calculadora de inductancia toroide por vuelta dan 88 vueltas para el primario y 842 Gauss / A para la densidad de flujo o 8420 Gauss. a 10 A que todavía está dentro del límite de saturación de 12000 Gauss. En este nivel de flujo, la u i es probablemente aún más alta que 75, pero puede ajustar el número de vueltas primarias cuando pruebe el transformador a continuación.

El cálculo de los transformadores de potencia de frecuencia de red da un tamaño de cable de 4 mm ^ 2 de sección transversal o 2,25 mm de diámetro o quizás un poco menos, digamos dos devanados primarios de 88 vueltas cada uno de 2 mm ^ 2 de sección transversal, es decir, cable de 1,6 mm de diámetro, conectados en paralelo para dar un total de 4 mm ^ 2 de sección transversal.

Para construir y probar este diseño, enrolle un devanado secundario de 176 vueltas (para dar el doble de voltaje de salida que antes) y luego enrolle solo un cable primario de 88 vueltas de 1,6 mm de diámetro. Nota: deje cable adicional en el primero para que pueda agregar más vueltas si es necesario. Luego, conecte la carga de 10 A y vea si el secundario puede suministrar el voltaje / corriente requerido para ejecutar el circuito BLE. El cable de 1,6 mm de diámetro puede soportar los 10 A durante el corto tiempo que está midiendo el secundario.

Si hay suficientes voltios, determine el RL necesario para limitar la corriente y quizás realice algunas vueltas si hay mucho exceso de voltaje. De lo contrario, si no hay suficiente voltaje secundario, agregue algunas vueltas más al primario para aumentar el voltaje primario y, por lo tanto, el voltaje secundario. El voltaje primario aumenta como N ^ 2 mientras que el voltaje secundario disminuye aproximadamente 1 / N debido al cambio en la relación de espiras, por lo que agregar devanados primarios aumentará el voltaje secundario.

Una vez que haya determinado la cantidad de vueltas primarias que necesita, puede enrollar el segundo devanado primario en paralelo con el primero para proporcionar la capacidad de carga de corriente a plena carga.

Paso 8: bobinado del transformador toroidal

Para enrollar el transformador, primero debe enrollar el cable en un formador que encaje a través del toroide.

Primero calcule la cantidad de cable que necesita. Para el Jaycar, el toroide LO-1246 cada vuelta es de aproximadamente 2 x 14,8 + 2 * (40,6 - 23,6) / 2 == 46,6 mm. Entonces, para 400 vueltas, necesita aproximadamente 18,64 m de cable.

A continuación, calcule el tamaño de una sola vuelta en el primero que utilizará. Usé un lápiz de aproximadamente 7,1 mm de diámetro que dio una longitud de giro de pi * d = 3,14 * 7,1 == 22,8 mm por vuelta. Entonces, para 18,6 m de cable, necesitaba aproximadamente 840 vueltas en el primero. En lugar de contar las vueltas en el primero, calculé la longitud aproximada de 840 vueltas, asumiendo un cable de 0,26 mm de diámetro (un poco más grande que el diámetro real de 0,25 mm del cable). 0.26 * 840 = 220 mm de largo de bobinado de vueltas cerradas para obtener 18,6 m de cable en el primero. Dado que el lápiz tenía solo 140 mm de largo, necesitaría al menos 2.2 capas de 100 mm de largo cada una. Finalmente, agregué aproximadamente un 20% de cable adicional para permitir un bobinado descuidado y una mayor longitud de giro en el toroide para la segunda capa y, de hecho, puse 3 capas de 100 mm de largo cada una en el formador de lápiz.

Para enrollar el alambre en el formador de lápices, utilicé un taladro de muy baja velocidad para rotar el lápiz. Usando la longitud de las capas como guía, no necesité contar los giros. También puede utilizar un taladro de mano montado en un tornillo de banco.

Sosteniendo el toroide en un tornillo de banco de mandíbula suave que podría girar las mandíbulas para mantener el toroide en posición horizontal, enrollo primero el devanado secundario. Comenzando con una capa de cinta fina de doble cara alrededor del exterior del toroide para ayudar a mantener el cable en su lugar mientras lo enrollo. Agregué otra capa de tap entre cada capa para ayudar a mantener las cosas en su lugar. Puedes ver la capa final de toque en la foto de arriba. Compré el tornillo de banco especialmente para este trabajo, un tornillo de banco Stanley Multi Angle Hobby. Valió la pena el dinero.

Se realizó un cálculo similar para preparar el formador de devanado para los dos devanados primarios. Aunque es ese caso medí el nuevo tamaño del toroide, con el devanado secundario colocado, para calcular la longitud de giro. Arriba hay una foto del transformador con la herida secundaria y el cable para el primer bobinado primario en el primero listo para comenzar a bobinar.

Paso 9: Construcción

Para este prototipo, reutilicé uno de los PCB descritos en Reequipamiento de un interruptor de luz existente con control remoto, corté dos pistas y agregué un enlace para reconfigurarlo para el toroide.

El toroide se montó por separado y el supresor de sobretensión se colocó directamente a través del devanado secundario.

Se utilizó una placa secundaria para montar el rectificador de onda completa y RL.

El supresor de sobretensión fue una adición tardía. Cuando probé por primera vez el circuito completo con una carga de 0.9A, escuché un crujido agudo cuando usé pfodApp para encender la carga de forma remota. Una inspección más cercana encontró una pequeña descarga azul de RL durante el encendido. Al encender todo el 240V RMS (pico de 340V) se aplicaba a través del primario del toroide durante el transitorio. El secundario, con una relación de vueltas de 2: 1, generaba hasta 680 V, lo que era suficiente para provocar una avería entre RL y una pista cercana. Limpiar las vías cercanas y agregar un supresor de sobretensiones de 30,8 V CA a través de la bobina secundaria resolvió este problema.

Paso 10: Programación del BLE Nano y conexión

El código en el BLE Nano es el mismo que se usó en la modificación de un interruptor de luz existente con control remoto y ese proyecto analiza el código y cómo programar el Nano. El único cambio fue el nombre publicitario de BLE y el mensaje que se muestra en pfodApp. Conectarse a través de pfodApp desde el móvil Android muestra este botón.

El circuito monitorea el voltaje aplicado a la carga para mostrar correctamente un botón amarillo cuando la carga se enciende ya sea por el interruptor remoto o por la anulación manual.

Conclusión

Este proyecto amplía la actualización de un interruptor de luz existente con control remoto para permitirle controlar de forma remota los kilovatios de carga simplemente agregando este circuito al interruptor existente. No se requiere cableado adicional y el interruptor original continúa funcionando como anulación manual mientras le permite ENCENDER la carga de forma remota después de haber usado el interruptor de anulación manual para apagarla.

Si el circuito del control remoto falla o no puede encontrar su teléfono móvil, el interruptor de anulación manual continúa funcionando.

En el futuro, modernizar los interruptores de luz de su casa con módulos de control BLE Nano V2 que admiten Bluetooth V5 significa que en el futuro puede configurar una red de automatización para toda la casa utilizando una malla Bluetooth V5.