Afstandsbedienbare schakelaar met behulp van een microcontroller

We komen vaak in situaties terecht waarin we een elektrische belasting willen inschakelen door op knoppen in een computerprogramma te drukken. Stel je voor dat je in een energiecentrale zit en je vanaf afstand een schakelaar wilt inschakelen. Het besturen van schakelaars vanaf afstand kan worden bereikt door gebruik te maken van een microcontroller. We zullen bespreken hoe je een Afstandsbedienbare Schakelaar met behulp van een Microcontroller kunt maken.

Voor deze afstandsbedienbare schakelaar hebben we nodig:

1. Microcontroller (zoals een Arduino)

2. Transistor

3. Diode

4. Resistoren

5. Relais

6. LED

7. PC (Persoonlijke Computer)

Microcontroller

Een microcontroller is een IC dat intelligent genoeg is om de commando's te begrijpen die via een communicatieprotocol van de PC ontvangen worden. Een microcontroller heeft verschillende communicatieprotocollen om met de PC te communiceren, zoals Seriële, Ethernet en CAN (Controller Area Network) communicatieprotocollen.

Een microcontroller heeft veel perifere apparaten zoals GPIO (General Purpose Input Output) pinnen, ADC (Analog to Digital Converter), timer, UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) en Ethernet en nog veel meer perifere apparaten om met de buitenwereld te communiceren.
Een digitale uitvoer van een microcontroller is een laag stroomsignaal.

Wanneer je een pin HIGH instelt, is de spanning die op die pin komt meestal +3,3V of +5V en de ampère die het kan leveren of afvoeren is ongeveer 30mA. Dit is prima als je een LED bedient, wiens vereisten miniem zijn.

Als we een schakelaar willen besturen met een microcontroller pin, dan hebben we een driver nodig die de benodigde hoeveelheid stroom kan leveren aan de belasting om deze in te schakelen. Je hebt een component nodig tussen je microcontroller en het apparaat dat met kleine spanning en stroom bediend zou worden. Relais en transistors worden hiervoor meestal gebruikt.

Transistor

Een transistor werkt als een driver in deze toepassing, die de benodigde stroom levert aan het relais om het in te schakelen wanneer het in verzadigingsmodus is.

Resistor

Resistoren worden gebruikt om de stroom in LED's en transistors te beperken.

LED

Een lichtgevende diode wordt gebruikt om aan te geven of de schakelaar aan of uit staat.

Relais

Een relais is een schakelaar die wordt gebruikt om hoge vermogens elektrische belastingen (zoals schakelaars, motoren en elektromagneten) te besturen. Een normale schakelaar kan geen hoge vermogens belastingen aan, daarom wordt een relais gebruikt om hoge vermogens elektrische belastingen te besturen.

Werking van Afstandsbediening van Schakelaar door Microcontroller

Wanneer een commando wordt gegeven aan de microcontroller om de belasting in te schakelen, wordt de microcontrollerpin ingesteld op 3,3V (in het bovenstaande circuit), wat de NPN transistor inschakelt. Wanneer de transistor ingeschakeld is, stroomt er stroom van de collector naar de emitter van de transistor, waardoor het relais wordt geactiveerd en het relais de AC-spanning verbindt met de schakelaar, waardoor de schakelaar wordt ingeschakeld.

Een LED wordt gebruikt om aan te geven of de schakelaar aan of uit staat. Wanneer de microcontrollerpin hoog is, is de LED aan (schakelaar aan). Wanneer de microcontrollerpin laag is, is de transistor uitgeschakeld en stroomt er geen stroom naar de spoel van het relais, en de schakelaar is uit, evenals de LED.

Protectiediode

Wanneer het relais wordt uitgeschakeld, wordt een tegenstroomspanning gegenereerd die de transistor kan beschadigen als de magnitude van de tegenstroomspanning groter is dan de VCEO-spanning van de transistor. Om de transistor en de digitale uitvoer van de microcontroller te beschermen, wordt een diode gebruikt die geleidt wanneer het relais uit is. Dit wordt ook wel een freewheel-diode genoemd.

Ontwerp

De aangenomen microcontroller geeft 3,3V wanneer de pin hoog is en 0V wanneer de pin laag is. Kies een relais van 12V en 360-ohm spoelweerstand, dan is de stroom die het relais neemt om in te schakelen

Dit is de geregistreerde stroom van het relais.

LED (voorwaartse spanning = 1,2 V) neemt ongeveer 20mA stroom, dan weerstand RLED

RLED waarde kan gekozen worden op 500 Ω.

RB kan gekozen worden als 4K om meer basisstroom te geven aan de transistor GUI (Graphical User Interface): Een GUI kan worden ontwikkeld in een hogere programmeertaal (zoals C#) die UDP (User Datagram Protocol) gebruikt om met de microcontroller over de PC te communiceren. Hieronder is de GUI die de digitale uitvoer van de microcontroller over het UDP-protocol bestuurt.