Retrofit controle BLE para cargas de alta potência - sem fiação extra necessária: 10 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Atualização: 13 de julho de 2018 - adicionado regulador de 3 terminais ao fornecimento de toróide

Este instrutível cobre o controle BLE (Bluetooth Low Energy) de uma carga existente na faixa de 10W a> 1000W. O poder é alternar remotamente de seu Android Mobile via pfodApp.

Nenhuma fiação extra é necessária, basta adicionar o circuito de controle BLE ao interruptor existente.

Freqüentemente, ao adaptar a automação residencial em instalações existentes, o único lugar razoável para adicionar o controle é no switch existente. Principalmente quando você deseja manter a chave como uma substituição manual. No entanto, geralmente há apenas dois fios na chave, o ativo e o fio da chave para a carga, nenhum neutro. Conforme mostrado acima, este controle BLE funciona apenas com esses dois fios e inclui uma chave de cancelamento manual. Tanto o controle remoto quanto a chave manual funcionam quando a carga está ligada ou desligada.

O exemplo particular aqui é para controlar um banco de luzes de 200 W colocando o circuito atrás do interruptor de parede. O código é fornecido para RedBear BLE Nano (V1.5) e RedBear BLE Nano V2 para exibir o botão de controle em pfodApp. Uma função opcional de desligamento automático também está disponível no código.

AVISO: este projeto é apenas para construtores experientes. A placa é alimentada pela rede elétrica e pode ser mortal se qualquer parte dela for tocada durante o funcionamento. A fiação desta placa no circuito do interruptor de luz existente deve ser feita apenas por um eletricista qualificado

Etapa 1: Por que este projeto?

O projeto anterior, Retrofit um interruptor de luz existente com controle remoto, funcionou para cargas entre 10W e 120W para 240VAC (ou 5W a 60W para 110VAC), mas não foi capaz de lidar com as luzes da sala de estar que consistem em 10 x 20W = 200W de fluorescentes compactas. Este projeto adiciona alguns componentes e um toroide enrolado à mão para remover essa limitação de carga, mantendo todas as vantagens do projeto anterior. A carga que este projeto pode comutar é limitada apenas pelas classificações do contato do relé. O relé usado aqui pode alternar 16 Amps resistivos. Isso é> 1500W a 110VAC e> 3500W a 240VAC. O circuito de controle BLE e o relé usam mWs e, portanto, nem mesmo esquenta.

As vantagens deste projeto são: - (consulte Retrofit um interruptor de luz existente com controle remoto para mais detalhes)

Simples de instalar e manter esta solução é alimentada pela rede elétrica, mas NÃO requer a instalação de fiação extra. Basta instalar e adicionar o circuito de controle ao interruptor manual existente.

Flexível e robusto O interruptor de cancelamento manual continua a controlar a carga, mesmo se o circuito de controle remoto falhar (ou você não conseguir encontrar o seu celular). Além disso, você pode ligar remotamente a carga depois de usar o botão de controle manual para desligá-la

Funções adicionaisUma vez que você tem um microprocessador controlando sua carga, você pode facilmente adicionar funções adicionais. O código neste projeto inclui uma opção para desligar a carga após um determinado tempo. Você também pode adicionar um sensor de temperatura para controlar a carga e ajustar remotamente o ponto de ajuste da temperatura.

Cria a base para uma rede de automação residencial completa; este diagrama é do Bluetooth V5 “Mesh Profile Specification 1.0”, 13 de julho de 2017, Bluetooth SIG

Como você pode ver, ele consiste em vários nós de retransmissão em uma malha. Os nós de retransmissão estão ativos o tempo todo e fornecem acesso a outros nós na malha e aos sensores alimentados por bateria. A instalação deste módulo BLE Remote Powered Mains fornecerá automaticamente um conjunto de nós em sua casa que podem ser adicionados à malha como nós de retransmissão. RedBear BLE Nano V2 é compatível com Bluetooth V5.

No entanto, a especificação BLE Mesh é muito recente e atualmente não há implementações de exemplo. Portanto, a configuração da malha não é abordada neste projeto, mas assim que o código de exemplo estiver disponível, você será capaz de reprogramar seu RedBear BLE Nano V2 para fornecer uma rede de automação residencial em malha

Etapa 2: Como o switch remoto BLE é alimentado quando não há conexão neutra?

A ideia desse controle remonta, há alguns anos, a um simples circuito de fonte de corrente constante. (National Semiconductor Application Note 103, Figura 5, George Cleveland, agosto de 1980)

O que é interessante sobre este circuito é que ele tem apenas dois fios, um e um de saída. Não há conexão com a fonte -ve (gnd), exceto por meio da carga. Este circuito se auto-eleva pelas correias da bota. Ele usa a queda de tensão no regulador e no resistor para alimentar o regulador.

O retrofit de um interruptor de luz existente com controle remoto usou uma ideia semelhante.

Um 5V6 Zener em série com a carga fornece a energia para o controlador BLE e o relé de travamento. Quando a carga é desligada, uma quantidade muito pequena de corrente inferior a 5mA continua a fluir pelo zener (e a carga) por meio de 0,047uF e 1K, ignorando a chave aberta. Esta pequena corrente, que é quase imperceptível e 'segura', é suficiente para alimentar o controlador BLE quando a carga está desligada e também carregar um capacitor para acionar o relé de travamento para ligar a carga remotamente. Consulte Retrofit um interruptor de luz existente com controle remoto para o circuito completo e detalhes.

A limitação do circuito acima é que, quando a carga está LIGADA, toda a corrente de carga passa pelo zener. Usar um zener de 5W limita a corrente a cerca de meio amp. Isto é, para uma lâmpada de 60 W (em 110 VCA), 3 W estão sendo dissipados como calor do zener quando a carga está LIGADA. Para sistemas de 110 Vca, isso limita a carga a cerca de 60 W e para sistemas de 240 V cerca de 120 W. Com iluminação LED moderna, isso geralmente é suficiente; no entanto, não seria suficiente para os 200W de lâmpadas na sala de estar.

O circuito descrito aqui remove essa limitação e permite que os quilowatts de potência sejam controlados remotamente por mWs via BLE e pfodApp.

Etapa 3: Diagrama de Circuito

O circuito acima mostra a carga DESLIGADA. Neste estado, o controlador BLE é fornecido via 0,047uF e 1K como no circuito anterior. Quando a carga está LIGADA (ou seja, opere o interruptor de parede ou o relé de travamento no circuito acima), o retificador de ponte superior e os componentes 0,047uF e 1K são encurtados pelo relé e interruptor. A corrente de carga total então flui através do transformador toroidal que fornece os mWs necessários para o circuito de controle. Embora o toróide seja mostrado como tendo cerca de 3,8 V CA através de seu primário, o enrolamento primário é quase totalmente reativo e fora de fase com a tensão de carga, então muito pouca energia é realmente consumida pelo toroide, na verdade mWs.

O diagrama completo do circuito está aqui (pdf). A lista de peças, BLE_HighPower_Controller_Parts.csv, está aqui

Você pode ver os componentes adicionais no lado esquerdo. O transformador toroidal, supressor de surto, resistor limitador e retificador de onda completa. O retrofit de um interruptor de luz existente com controle remoto descreve o resto do circuito.

A tensão fornecida pelo transformador toroidal varia com a corrente de carga (veja abaixo para mais detalhes). Mais 7 V são necessários para acionar o retificador de onda completa e o zener. O resistor RL é escolhido para limitar a corrente através do Zener a alguns mAs, digamos menos de 20mA. Ter uma tensão de alimentação toroidal que varia com a corrente de carga não é um grande problema por causa da ampla gama de correntes que o zener pode suportar, 0,1mA a 900mA, o que dá uma ampla gama de quedas de tensão disponíveis em RL e, portanto, uma ampla gama de aceitáveis Tensões de alimentação toroidal. É claro que, para eficiência, gostaríamos que a tensão de saída do toroide fosse mais compatível com o que é necessário.

Atualização: 13 de julho de 2018 - substituído RL por regulador de 3 terminais

Ao verificar o hardware após alguns meses, o resistor limitador de corrente RL parecia ligeiramente queimado, então o circuito do transformador toroidal foi modificado (modifyCircuit.pdf) para usar um limitador de corrente de 3 terminais.

Z1 (um zener bidirecional) foi adicionado para limitar o pico de tensão no primário a <12 V e IC1 adicionado para limitar a corrente fornecida pelo secundário a ~ 10 mA. Um LM318AHV com um limite de tensão de entrada de 60 V foi usado e Z2 limita a saída do transformador a <36 V para proteger o LM318AHV.

Etapa 4: projetar o transformador toroidal

Um transformador toroidal é usado aqui porque tem um vazamento de fluxo magnético muito baixo e, portanto, minimiza a interferência com o resto do circuito. Existem dois tipos principais de núcleos toroidais, pó de ferro e ferrite. Para este projeto, você precisa usar o tipo de pó de ferro, que é projetado para energia usada. Usei um núcleo HY-2 da Jaycar, LO-1246. 14,8 mm de altura, 40,6 mm de diâmetro externo, 23,6 mm de diâmetro interno. Aqui está a folha de especificações. Essa ficha informa que os toróides T14, T27 e T40 são semelhantes, então você pode tentar um deles.

O projeto do transformador é uma arte devido à natureza não linear da curva B-H, à histerese magnética e às perdas do núcleo e do fio. Magnetic Inc tem um processo de design que parece ser simples, mas requer Excel e não roda no Open Office, então eu não o usei. Felizmente, aqui você só precisa obter o design quase certo e pode ajustá-lo adicionando voltas primárias ou aumentando o RL. Usei o processo de design abaixo e obtive um transformador aceitável na primeira vez, depois de adicionar um segundo enrolamento primário. Refinei o número de voltas e o processo de enrolamento do segundo transformador.

Os critérios básicos de design são: -

• Deve haver mudança suficiente no campo magnético (H) no núcleo para superar a histerese da curva B-H, mas não o suficiente para saturar o núcleo. ou seja, digamos 4500 a 12000 Gauss.
• A tensão primária depende: - da indutância do enrolamento primário e da frequência da rede para fornecer a reatância e, em seguida, dos tempos pela corrente de carga para fornecer a tensão do enrolamento primário.
• Os volts secundários dependem, grosso modo, da relação de espiras do secundário em relação ao tempo primário dos volts primários. As perdas do núcleo e a resistência do enrolamento significam que a saída é sempre menor que a de um transformador ideal.
• Os volts secundários precisam exceder 6,8 V (== 5,6 V (zener) + 2 * 0,6 V (diodos retificadores)) para o suficiente do ciclo AC para fornecer uma corrente média através do zener maior que alguns mA para alimentar o circuito BLE.
• O tamanho do fio do enrolamento primário precisa ser escolhido para poder transportar a corrente de carga total. O secundário normalmente carregará apenas mA após inserir o resistor limitador RL, de forma que o tamanho do fio do enrolamento secundário não seja crítico.

Etapa 5: Um projeto para rede elétrica de 50 Hz

A calculadora de indutância por volta do toroide irá calcular a indutância e Gauss / Amp para um determinado número de voltas, dadas as dimensões do toroide e a permeabilidade, ui.

Para esta aplicação, as luzes da sala de estar, a corrente de carga é de cerca de 0,9A. Assumindo um transformador elevador 2: 1 e pico maior do que 6,8 V no secundário, então a tensão primária de pico precisa ser maior do que 6,8 / 2 = pico de 3,4 V / sqrt (2) == volts AC RMS, então os volts RMS primário precisam ser maior que 3,4 / 1,414 = 2,4 V RMS. Portanto, vamos apontar para um volts RMS primário de, digamos, cerca de 3 V CA.

A tensão primária depende da reatância vezes a corrente de carga, ou seja, 3 / 0,9 = 3,33 reatância primária. A reatância para enrolamento é dada por 2 * pi * f * L, onde f é a frequência e L é a indutância. Portanto, para um sistema principal de 50 Hz L = 3,33 / (2 * pi * 50) == 0,01 H == 10000 uH

Usando a calculadora de indutância por volta do toroide e inserindo as dimensões do toroide de 14,8 mm de altura, 40,6 mm de diâmetro externo, 23,6 mm de diâmetro interno e assumindo 150 para ui dá para 200 espiras 9635uH e 3820 Gauss / A Nota: a interface do usuário está listada na especificação como 75, mas para os níveis mais baixos de densidade de fluxo usados aqui, 150 está mais próximo do valor correto. Isso foi determinado medindo a tensão primária da bobina final. Mas não se preocupe muito com a figura exata, pois você pode consertar o enrolamento primário mais tarde.

Então, usando 200 voltas, dê, para 50 Hz, f, forneça a reatância == 2 * pi * f * L == 2 * 3,142 * 50 * 9635e-6 = 3,03 e assim os volts através do enrolamento primário a 0,9 A RMS AC é 3,03 * 0,9 = 2,72 V RMS para uma tensão de pico de 3,85 V e uma tensão de pico secundária de 7,7 V, assumindo um transformador elevador 2: 1.

O pico de Gauss é 3820 Gauss / A * 0,9A == 4861 Gauss, que é menor que o nível de saturação de 12000 Gauss para este núcleo.

Para um transformador 2: 1, o enrolamento secundário precisa de 400 voltas. Os testes mostraram que esse projeto funcionou e um resistor limitador RL de 150 ohms deu uma corrente zener média de aproximadamente 6mA.

O tamanho do fio primário foi calculado usando Calculando transformadores de potência de frequência da rede elétrica - escolhendo o fio certo. Para 0,9A, essa página da web deu 0,677 mm de diâmetro. Assim, o fio esmaltado com 0,63 mm de diâmetro (Jaycar WW-4018) foi usado para o primário e o fio esmaltado com 0,25 mm de diâmetro (Jaycar WW-4012) foi usado para o secundário.

A construção real do transformador usava um único enrolamento secundário de 400 voltas de fio esmaltado de 0,25 mm de diâmetro e dois (2) enrolamentos primários de 200 voltas cada um de fio esmaltado de 0,63 mm de diâmetro. Esta configuração permite que o transformador seja configurado para funcionar com correntes de carga na faixa de 0,3 A a 2 A, ou seja, (33 W a 220 W a 110 V OU 72 W a 480 W a 240 V). A conexão dos enrolamentos primários é em série, dobra a indutância e permite que o transformador seja usado para correntes tão baixas quanto 0,3 A (33 W a 110 V ou 72 W a 240 V) com RL == 3R3 e até 0,9 A com RL = 150 ohms. Conectar os dois enrolamentos primários em paralelo dobra sua capacidade de carga de corrente e fornece corrente de carga de 0,9 A a 2 A (220 W a 110 V e 480 W a 240 V) com um RL apropriado.

Para minha aplicação que controla 200W de luzes em 240V, conectei o enrolamento em paralelo e usei 47 ohms para RL. Isso corresponde aproximadamente à tensão de saída para o que era necessário, permitindo que o circuito ainda funcione para cargas até 150W se uma ou mais lâmpadas falharem.

Etapa 6: Modificação das curvas para rede elétrica de 60 Hz

A 60 Hz, a reatância é 20% maior, então você não precisa de tantas voltas. Uma vez que a indutância varia como N ^ 2 (voltas ao quadrado), onde N é o número de voltas. Para sistemas de 60 Hz, você pode reduzir o número de voltas em cerca de 9%. Ou seja, 365 voltas para o secundário e 183 voltas para cada primário para cobrir 0,3A a 2A, conforme descrito acima.

Etapa 7: Projetando para correntes de carga mais altas, 10A 60 Hz Exemplo

O relé usado neste projeto pode comutar uma corrente de carga resistiva de até 16A. O projeto acima funcionará para 0,3A a 2A. Acima disso, o toroide começa a saturar e o tamanho do fio do enrolamento primário não é grande o suficiente para transportar a corrente de carga. O resultado, confirmado por testes com uma carga de 8,5A, é um transformador fedorento.

Como exemplo de um projeto de alta carga, vamos projetar para uma carga de 10 A em um sistema de 110 V de 60 Hz. Isso é 1100W a 110V.

Suponha uma tensão primária de, digamos, 3,5 V RMS e um transformador 2: 1 permitindo algumas perdas, então a reatância primária necessária é 3,5 V / 10 A = 0,35. Para 60 Hz, isso implica uma indutância de 0,35 / (2 * pi * 60) = 928,4 uH

Usando ui de 75 desta vez, como a densidade de fluxo será maior, veja abaixo, algumas tentativas do número de voltas na Calculadora de indutância toróide por volta dá 88 voltas para o primário e 842 Gauss / A para a densidade de fluxo ou 8420 Gauss em 10A, que ainda está dentro do limite de saturação de 12.000 Gauss. Neste nível de fluxo, o u i provavelmente é ainda maior do que 75, mas você pode ajustar o número de espiras primárias ao testar o transformador abaixo.

O cálculo de transformadores de potência de frequência de rede fornece um tamanho de fio de 4 mm ^ 2 de seção transversal ou 2,25 mm de diâmetro ou talvez um pouco menos, digamos dois enrolamentos primários de 88 voltas cada um de 2 mm ^ 2 de seção transversal, ou seja, fio de 1,6 mm de diâmetro, conectado em paralelo para dar um total de 4 mm ^ 2 seção transversal.

Para construir e testar este projeto, enrole um enrolamento secundário de 176 voltas (para dar o dobro da tensão de saída anterior) e, em seguida, enrole apenas um enrolamento primário de 88 voltas de fio de 1,6 mm de diâmetro. Nota: Deixe fio extra no antigo para que você possa adicionar mais voltas, se necessário. Em seguida, conecte a carga de 10A e veja se o secundário pode fornecer a tensão / corrente necessária para operar o circuito BLE. O fio de 1,6 mm de diâmetro pode suportar 10A durante o curto período de tempo em que você estiver medindo o secundário.

Se houver volts suficientes, determine o RL necessário para limitar a corrente e, talvez, dê algumas voltas se houver excesso de tensão. Caso contrário, se não houver tensão secundária suficiente, adicione mais algumas voltas ao primário para aumentar a tensão primária e, portanto, a tensão secundária. A tensão primária aumenta como N ^ 2 enquanto a tensão secundária diminui cerca de 1 / N devido à mudança na relação de espiras, portanto, adicionar enrolamentos primários aumentará a tensão secundária.

Depois de determinar o número de voltas primárias necessárias, você pode enrolar o segundo enrolamento primário em paralelo com o primeiro para fornecer a capacidade de carga de corrente de carga total.

Etapa 8: Enrolando o transformador toroidal

Para enrolar o transformador, primeiro você precisa enrolar o fio em um formador que passará pelo toroide.

Primeiro calcule a quantidade de fio necessária. Para o Jaycar, o toróide LO-1246 cada curva é cerca de 2 x 14,8 + 2 * (40,6 - 23,6) / 2 == 46,6 mm. Portanto, para 400 voltas, você precisa de cerca de 18,64 m de fio.

Em seguida, calcule o tamanho da volta única na primeira que você usará. Usei um lápis com cerca de 7,1 mm de diâmetro, o que deu um comprimento de volta de pi * d = 3,14 * 7,1 == 22,8 mm por volta. Portanto, para 18,6 m de fio, precisei de cerca de 840 voltas no primeiro. Em vez de contar as voltas que seriam sobre o primeiro, calculei o comprimento aproximado de 840 voltas, assumindo fio de 0,26 mm de diâmetro (um pouco maior que o diâmetro real de 0,25 mm do fio). 0,26 * 840 = enrolamento de 220 mm de comprimento em curvas fechadas para obter 18,6 m de fio no primeiro. Como o lápis tinha apenas 140 mm de comprimento, eu precisaria de pelo menos 2,2 camadas de 100 mm de comprimento cada. Finalmente, adicionei cerca de 20% de fio extra para permitir um enrolamento desleixado e aumentei o comprimento do giro no toroide para a segunda camada e, na verdade, coloquei 3 camadas de 100 mm de comprimento cada no formador de lápis.

Para enrolar o fio no formador de lápis, usei uma furadeira de baixa velocidade para girar o lápis. Usando o comprimento das camadas como guia, não precisei contar voltas. Você também pode usar uma furadeira manual montada em um torno.

Segurando o toroide em um torno de mandíbula macio que poderia girar as mandíbulas para manter o toroide horizontal, eu enrolei o enrolamento secundário primeiro. Começando com uma camada de fita dupla-face fina ao redor do lado externo do toroide para ajudar a manter o fio no lugar enquanto o enrolo. Eu adicionei outra camada de toque entre cada camada para ajudar a manter as coisas no lugar. Você pode ver a camada final da torneira na foto acima. Comprei o torno especialmente para este trabalho, um Stanley Multi Angle Hobby Vice. Valeu a pena o dinheiro gasto.

Um cálculo semelhante foi feito para preparar o formador do enrolamento para os dois enrolamentos primários. Embora seja esse o caso, medi o novo tamanho do toroide, com o enrolamento secundário colocado, para calcular o comprimento da volta. Acima, uma foto do transformador com o enrolamento secundário e o fio para o primeiro enrolamento primário do primeiro pronto para iniciar o enrolamento.

Etapa 9: construção

Para este protótipo, eu reutilizei um dos PCBs descritos em Retrofit um Interruptor de Luz Existente com Controle Remoto e cortei duas trilhas e adicionei um link para reconfigurá-lo para o toroide.

O toroide foi montado separadamente e o supressor de surto colocado diretamente através do enrolamento secundário.

Uma placa filha foi usada para montar o retificador de onda completa e RL.

O supressor de pico foi uma adição tardia. Quando testei pela primeira vez o circuito completo com uma carga de 0,9A, ouvi um estalo agudo ao usar o pfodApp para ligar remotamente a carga. Uma inspeção mais detalhada encontrou uma pequena descarga azul de RL durante a ativação. Ao ligar, todo o 240 V RMS (pico de 340 V) estava sendo aplicado ao longo do primário do toroide durante o transiente. O secundário, com relação de espiras de 2: 1, estava gerando até 680 V, o que foi suficiente para causar uma quebra entre RL e uma pista próxima. Limpar os trilhos próximos e adicionar um supressor de pico de 30,8 V CA na bobina secundária resolveu esse problema.

Etapa 10: Programação do BLE Nano e conexão

O código no BLE Nano é o mesmo usado no Retrofit de um Interruptor de Luz Existente com Controle Remoto e esse projeto discute o código e como programar o Nano. A única mudança foi no nome do anúncio BLE e no prompt exibido no pfodApp. Conectar via pfodApp a partir do celular Android exibe este botão.

O circuito monitora a tensão aplicada à carga para exibir corretamente um botão amarelo quando a carga é energizada pelo interruptor remoto ou pelo cancelamento manual.

Conclusão

Este projeto estende o retrofit de um interruptor de luz existente com controle remoto para permitir que você controle remotamente quilowatts de carga apenas adicionando este circuito ao interruptor existente. Nenhuma fiação extra é necessária e o interruptor original continua a operar como um controle manual, embora ainda permitindo que você ligue remotamente a carga após ter usado o interruptor de controle manual para desligá-lo

Se o circuito de controle remoto falhar ou você não conseguir encontrar seu celular, o botão de cancelamento manual continua a funcionar.

Daqui para frente, equipar os interruptores de luz de sua casa com módulos de controle BLE Nano V2 que oferecem suporte a Bluetooth V5 significa que, no futuro, você poderá configurar uma rede de automação em toda a casa usando uma malha Bluetooth V5.