Interruttore a comando remoto utilizzando un microcontrollore
Spesso ci troviamo in situazioni in cui desideriamo attivare un carico elettrico premendo alcuni pulsanti su un programma del computer. Considera ad esempio una situazione in cui ti trovi in una centrale elettrica e desideri attivare un interruttore differenziale a distanza. Il controllo degli interruttori differenziali da un luogo remoto può essere ottenuto utilizzando un microcontrollore. Discuteremo come realizzare un Interruttore Differenziale Controllato Remotamente Utilizzando un Microcontrollore.
Per questo interruttore differenziale controllato a distanza avremo bisogno di:
Microcontrollore (come ad esempio un Arduino)
Transistore
Diodo
Resistenze
Relè
LED
PC (Computer Personale)
Microcontrollore
Un microcontrollore è un circuito integrato che ha l'intelligenza per comprendere i comandi ricevuti dal PC tramite un protocollo di comunicazione. Un microcontrollore dispone di diversi protocolli di comunicazione per interagire con il PC, come Serial, Ethernet e CAN (Controller Area Network).
Un microcontrollore possiede molti periferici come pin GPIO (general purpose Input Output), ADC (Convertitore Analogico-Digitale), timer, UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) ed Ethernet, e molti altri periferici per comunicare con l'esterno.
L'uscita digitale da un microcontrollore è un segnale a bassa intensità.
Quando si imposta un pin su ALTO, la tensione presente su quel pin è tipicamente +3,3V o +5V e l'intensità che può fornire o assorbire è intorno ai 30mA. Questo è sufficiente se si sta controllando un LED la cui richiesta è minima.
Se vogliamo controllare un interruttore differenziale tramite un pin del microcontrollore, allora abbiamo bisogno di un driver che possa fornire l'intensità necessaria al carico per attivarlo. È necessario un componente tra il microcontrollore e il dispositivo che deve essere controllato con una tensione e corrente ridotte. I relè e i transistor sono spesso utilizzati per questo scopo.
Transistore
Il transistore funziona come un driver in questa applicazione, fornendo l'intensità necessaria al relè per attivarlo quando è in modalità di saturazione.
Resistenza
Le resistenze vengono utilizzate per limitare l'intensità nei LED e nei transistor.
LED
Il diodo emettitore di luce viene utilizzato per indicare se l'interruttore differenziale è acceso o spento.
Relè
Un relè è un interruttore utilizzato per controllare carichi elettrici ad alta potenza (come interruttori differenziali, motori e solenoide). Un interruttore normale non può gestire carichi ad alta potenza, per questo motivo si utilizza un relè per controllare tali carichi.
Principio di Funzionamento del Controllo Remoto dell'Interruttore Differenziale tramite Microcontrollore
Quando si invia un comando al microcontrollore per attivare il carico, il pin del microcontrollore viene impostato a 3,3V (nel circuito sopra) che attiva il transistore NPN. Quando il transistore è acceso, la corrente scorre dal collettore all'emettitore del transistore, azionando il relè e collegando la tensione alternata all'interruttore differenziale, che lo attiva.
Un LED viene utilizzato per indicare se l'interruttore differenziale è acceso o spento. Quando un pin del microcontrollore è alto, il LED è acceso (interruttore differenziale acceso); quando il pin del microcontrollore è basso, il transistore è in condizione OFF e nessuna corrente scorre alla bobina del relè, e l'interruttore differenziale è spento, il LED è anche spento.
Diodo di Protezione
Quando il relè viene disattivato, viene generata una f.e.m. indotta che può danneggiare il transistore se la sua magnitudine è superiore alla tensione VCEO del transistore. Per proteggere il transistore e l'uscita digitale del microcontrollore, viene utilizzato un diodo che conduce quando il relè è spento. Questo è noto anche come diodo di freewheeling.
Progettazione
Si supponga che il microcontrollore fornisca 3,3V quando il pin è alto e 0V quando il pin è basso. Scegli un relè di 12 V e 360 ohm di resistenza della bobina, quindi la corrente assorbita dal relè per attivarsi
Questa è la corrente nominale del relè.
L'LED (tensione in avanti = 1,2 V) assorbe circa 20mA di corrente, quindi la resistenza RLED
Il valore di RLED può essere scelto a 500 Ω.
RB può essere scelto a 4K per fornire più corrente alla base del transistore GUI (Interfaccia Grafica Utente): Una GUI può essere sviluppata in un linguaggio di alto livello (come C#) che utilizza il UDP (User Datagram Protocol) per comunicare con il microcontrollore tramite PC. Di seguito è riportata la GUI che controlla l'uscita digitale del microcontrollore tramite il protocollo UDP.
