دیمر (Dimmer) دستگاهی الکتریکی است که برای تغییر روشنایی یک چراغ یا دستگاه استفاده می‌شود. اغلب دیمرهای مدرن به‌جای جریان مستقیم (DC) در جریان متناوب (AC) کاربرد دارند.
در خانه ما، بیشتر وسایل برقی از منبع AC مانند چراغ‌ها، تلویزیون‌ها، و فن‌ها و غیره تغذیه می‌شوند. در صورت نیاز می‌توانیم، با ایجاد یک اتوماسیون خانگی، آن‌ها را به‌صورت دیجیتالی روشن/خاموش کنیم. اما اگر لازم باشد توان آن دستگاه‌ها را کنترل کنیم، مثلاً شدت نور لامپ AC یا سرعت فن را کنترل کنیم، در این صورت باید از تکنیک کنترل فاز و کلیدهای استاتیک مانند ترایاک برای کنترل فاز ولتاژ تغذیه AC استفاده کنیم.
دیمر نور یک وسیله الکترونیکی است که برای کنترل روشنایی یک منبع نور مانند لامپ‌های رشته‌ای، هالوژن یا LED استفاده می‌شود. مدار دیمر به کاربران این توانایی را می‌دهد تا شدت نور را برای ایجاد حالات مختلف یا صرفه‌جویی در مصرف انرژی تنظیم کنند.
در این آموزش، با مدار دیمر DC و AC آشنا خواهیم شد. ابتدا، مدار دیمر DC با ماسفت و آی‌سی ۵۵۵ را معرفی خواهیم کرد و در ادامه، با مدار دیمر AC با ترایاک و آردوینو آشنا می‌شویم.
مدار دیمر DC با ماسفت و آی‌سی ۵۵۵
در این بخش، مدار دیمر را با استفاده از آی‌سی ۵۵۵ و ماسفت می‌سازیم. در این مدار، از ال‌ای‌دی ۱۲ و یک آی‌سی تایمر ۵۵۵ استفاده می‌شود که یک راه آسان برای کنترل روشنایی LED با یک پتانسیومتر است. مدار دیمر ال‌ای‌دی مدولاسیون پهنای پالس (PWM) یک سیگنال PWM تولید می‌کند و پتانسیومتر امکان تنظیم چرخه کار (Duty Cycle) آن را فراهم می‌آورد. استفاده از PWM برای کنترل روشنایی، این LED قابل‌تنظیم را بسیار کارآمد می‌کند، به‌طوری‌که می‌توان مدار را تنها با استفاده از چند قطعه الکترونیکی اولیه مونتاژ کرد.
قطعات موردنیاز
فهرست قطعات موردنیاز برای ساخت مدار دیمر به‌صورت زیر است:
- یک عدد آی‌سی تایمر ۵۵۵
- یک عدد ماسفت IRFZ44N
- یک عدد پتانسیومتر ۵۰ کیلو اهم
- دو عدد خازن سرامیکی 1uF
- دو عدد مقاومت ۱ کیلو اهم
- دو عدد دیود 1N4007
- یک عدد بردبورد
- یک عدد منبع تغذیه ۱۲ ولت DC
- LED نواری ۱۲ ولت
طراحی مدار و PCB
شکل زیر مدار دیمر LED با استفاده از آی‌سی تایمر ۵۵۵ و ماسفت IRFZ44N را نشان می‌دهد. آی‌سی تایمر ۵۵۵ در حالت چند نوسان‌ساز ناپایدار (Multivirabtor Astable) پیکربندی شده است.
مدار دیمر LED با استفاده از آی‌سی تایمر ۵۵۵ و ماسفت IRFZ44N
تصویر زیر نیز PCB این مدار را نشان می‌دهد که با استفاده از نرم‌افزار EasyEDA طراحی شده است.
PCB مدار دیمر LED با استفاده از آی‌سی تایمر ۵۵۵ و ماسفت IRFZ44N
فایل Gerber مربوط به PCB مدار دیمر را میتوانید از این لینک دانلود کنید. نمای سه‌بعدی PCB نیز در ادامه نشان‌داده‌شده است.
برای اهداف آزمایشی از بردبود ساده قابل لحیم‌کاری استفاده و تمام قطعات را روی آن مونتاژ می‌کنیم.
قسمت پشتی PCB به دلیل سیم‌های جامپر و سایر اتصالات بیش از حد نامرتب به نظر می‌رسد.
مدار را با استفاده از یک باتری ۱۲ ولت تغذیه و لامپ ال‌ای‌دی ۱۲ ولتی را در ترمینال خروجی مدار وصل می‌کنیم.
عملکرد مدار دیمر با تایمر ۵۵۵
در این بخش، به شرح عملکرد مدار دیمر با آی‌سی ۵۵۵ می‌پردازیم.
تایمر ۵۵ در حالت ناپایدار یا آستابل (Astable) پیکربندی شده است و موج مربعی با قسمت بالا و پایین قابل‌تنظیم ایجاد می‌کند. نسبت این زمان‌های بالا و پایین را می‌توان با تغییر مقادیر مقاومتهای R1 و RV1 و همچنین، خازن C2 در پیکربندی استاندارد ۵۵۵ تغییر داد.
در این مدار خاص، RV1 یک پتانسیومتر 50k است که به‌عنوان یک مقاومت متغیر عمل می‌کند و امکان تنظیم چرخه وظیفه سیگنال خروجی را فراهم می‌کند. خازن C2 از طریق دیود D1 شارژ و از طریق دیود D2 تخلیه می‌شود. این فرایند یک سیگنال مدولاسیون پهنای پالس (PWM) در پایه خروجی (پایه ۳) تایمر ۵۵۵ ایجاد می‌کند. در نتیجه، ماسفت باتوجه‌به سیگنال PWM روشن و خاموش می‌شود.
مدت‌زمان حالت High (زمان روشن) در موج مربعی را می‌توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:
ON time = 0.7 x (R1 + R2) x C1
مدت‌زمان حالت Low (زمان OFF) نیز با فرمول زیر به دست می‌آید:
OFF time = 0.7 x R2 x C1
با تنظیم پتانسیومتر (RV1)، چرخه وظیفه سیگنال PWM تغییر می‌کند و به نوبه خود روشنایی نوار LED متصل به مدار را تغییر می‌دهد. ماسفت به‌عنوان یک سوئیچ عمل می‌کند و عبور جریان را از طریق نوار LED بر اساس سیگنال PWM فعال یا غیرفعال می‌کند.
این روش کنترل روشنایی LED از نظر مصرف انرژی کارآمد است و انتقال نرم بین سطوح مختلف شدت نور را فراهم می‌کند.
در بخش بعد، با روش ساخت مدار دیمر با استفاده از ترایاک آشنا می‌شویم.
مدار دیمر AC با ترایاک و آردوینو
بیشتر وسایل برقی مانند چراغ‌ها، تلویزیون‌ها، فن‌ها و غیره از منبع AC تغذیه می‌شوند. در صورت نیاز، می‌توانیم با استفاده از آردوینو و رله‌ها، با ایجاد یک راه‌اندازی اتوماسیون خانگی، این وسایل را به‌صورت دیجیتالی روشن/خاموش کنیم. اما اگر لازم باشد توانایی دستگاه‌ها را کنترل کنیم، مثلاً نور لامپ AC یا سرعت فن را کنترل کنیم، در این صورت باید از تکنیک کنترل فاز و سوئیچ‌های استاتیک مانند ترایاک (TRIAC) برای کنترل فاز ولتاژ تغذیه AC استفاده کنیم.
در این بخش، با نحوه ساخت مدار دیمر لامپ AC با استفاده از آردوینو و ترایاک آشنا خواهیم شد. دلیل استفاده از ترایاک در مدار دیمر لامپ AC این است که این قطعه یک عنصر سوئیچینگ سریع الکترونیک قدرت است که برای این کاربردها مناسب‌ترین گزینه است. در ادامه، جزئیات سخت‌افزاری و برنامه‌نویسی مربوط به این مدار را شرح می‌دهیم.
قطعات موردنیاز برای ساخت مدار دیمر با ترایاک و آردوینو
قطعات موردنیاز برای ساخت مدار دیمر با ترایاک و آردوینو عبارت‌اند از:
- یک عدد آردوینو UNO
- یک عدد اپتوکوپلر MCT2E
- کوپلر نوری MOC3021
- یک عدد ترایاک BT136
- یک عدد ترانسفورماتور کاهنده 50mA (۰ تا ۱۲ ولت)
- مقاومتهای ۳۳۰ اهم، ۱ کیلو اهم و ۱۰ کیلو اهم
- پتانسیومتر ۱۰ کیلو اهم
- هولدر AC با لامپ
- سیم AC
- جامپر
قبل از اینکه به ادامه مطلب بپردازیم با مفهوم عبور از صفر، ترایاک و اپتوکوپلر آشنا خواهیم شد.
تکنیک تشخیص عبور از صفر
برای کنترل ولتاژ AC، اولین کاری که باید انجام دهیم، تشخیص عبور صفر سیگنال AC است. در ایران، فرکانس سیگنال برق ۵۰ هرتز است و از نظر ماهیت متناوب است. ازاین‌رو، هر بار که سیگنال به نقطه صفر می‌رسد، باید آن نقطه را شناسایی کرده و پس از آن ترایاک را بر اساس نیاز فعال کنیم. نقطه عبور صفر سیگنال AC در شکل زیر نشان‌داده‌شده است.
عملکرد ترایاک
ترایاک یک سوئیچ AC با سه ترمینال است که می‌تواند توسط یک سیگنال کم‌انرژی در ترمینال گیت راه‌اندازی شود. در SCRها جریان فقط در یک جهت برقرار می‌شود، اما گذر جریان در ترایاک قدرت را می‌توان در هر دو جهت کنترل کرد. در اینجا از ترایاک BT136 برای مدار دیمر AC استفاده می‌کنیم.
همان‌طور که در شکل زیر نشان‌داده‌شده است، ترایاک در زاویه آتش ۹۰ درجه با اعمال یک سیگنال پالس گیت کوچک به آن راه‌اندازی می‌شود. زمان t1 میزان تأخیری است که ما باید مطابق با نیاز مدار دیمر خود تنظیم کنیم. به‌عنوان‌مثال، در این حالت چون زاویه آتش ۹۰ درصد است، توان خروجی نیز به نصف کاهش می‌یابد و ازاین‌رو، لامپ نیز با شدت نصف می‌درخشد.
می‌دانیم که فرکانس سیگنال AC در اینجا ۵۰ هرتز است؛ بنابراین، دوره زمانی 1/f برابر با ۲۰ میلی‌ثانیه خواهد بود. در نتیجه، برای نصف دوره، این مقدار به ۱۰ میلی‌ثانیه یا ۱۰۰۰۰ میکروثانیه خواهد رسید؛ بنابراین، برای کنترل توان لامپ AC، مقدار t1 را می‌توان از ۰ تا ۱۰۰۰۰ میکروثانیه تغییر داد.
اپتوکوپلر
اپتوکوپلر (Optocoupler) که با نام اپتوایزولاتور (Optoisolator) نیز شناخته می‌شود، برای ایزوله‌سازی بین دو مدار الکتریکی مانند سیگنال‌های DC و AC استفاده می‌شود. این قطعه اساساً از یک LED تشکیل شده است که نور مادون‌قرمز را ساطع می‌کند و نیز یک سنسور نور که آن را تشخیص می‌دهد. در اینجا، از یک اپتوکوپلر MOC3021 برای ایزوله کردن لامپ AC از سیگنال‌های میکروکنترلر استفاده می‌کنیم که سیگنال DC هستند.
شماتیک مدار دیمر AC
تصویر مدار دیمر AC در شکل زیر آورده شده است.
اتصال ترایاک و اپتوکوپلر نیز به‌صورت زیر است.
اتصال ترایاک و اپتوکوپلر
تصویر مدار پس از مونتاژ و لحیم‌کاری ترایاک و اپتوکوپلر به شکل زیر خواهد بود.
پس از قراردادن ترانسفورماتور روی برد، مدار به‌صورت زیر در خواهد آمد.
و در نهایت، مدار کامل دیمر لامپ آردوینو به شکل زیر خواهد بود.
برنامه‌نویسی آردوینو برای مدار دیمر AC
پس از اتمام موفقیت‌آمیز مونتاژ سخت‌افزاری، نوبت پروگرام کردن آردوینو فرا می‌ٰسد. در اینجا، برای درک بهتر، کد را به‌صورت گام‌به‌گام توضیح می‌دهیم.
در مرحله اول، تمام متغیرهای سراسری را که قرار است در سراسر کد استفاده شوند، تعریف می‌کنیم. در اینجا ترایاک به پایه ۴ آردوینو متصل می‌شود. سپس dim_val برای ذخیره مقدار مرحله dimming که در برنامه استفاده خواهیم کرد، تعریف می‌شود.
1 2 | int LAMP = 4; int dim_val=0; |
سپس، در تابع setup، پین LAMP را به‌عنوان خروجی تعریف کرده و سپس یک وقفه را برای تشخیص عبور از صفر پیکربندی می‌کنیم. در اینجا از تابعی به نام attachInterrupt استفاده کرده‌ایم که پین دیجیتال شماره ۲ آردوینو را به‌عنوان وقفه خارجی پیکربندی می‌کند و وقتی هر وقفه‌ای را در پین خود تشخیص دهد، تابعی به نام zero_cross را فراخوانی می‌کند.
1 2 3 4 5 | void setup() { pinMode(LAMP, OUTPUT); attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), zero_cross, CHANGE); } |
در داخل حلقه بی‌نهایت، مقدار آنالوگ را از پتانسیومتری که در A0 وصل شده است می‌خوانیم. سپس، آن را به محدوده مقدار (10-49) تبدیل می‌کنیم. برای فهمیدن این موضوع باید یک محاسبه کوچک انجام دهیم. پیش‌تر گفتیم که هر نیم‌سیکل معادل ۱۰۰۰۰ میکروثانیه است؛ بنابراین، نیاز به کنترل دیمر ۵۰ داریم (این مقدار یک مقدار دلخواه است و می‌توانیم آن را تغییر دهیم). در اینجا، حداقل گام را ۱۰ انتخاب کرده‌ایم، نه صفر ۰، زیرا ۰ تا ۹ تقریباً همان توان خروجی را می‌دهد و عملاً توصیه نمی‌شود حداکثر تعداد گام را انتخاب کنیم؛ بنابراین، حداکثر گام را ۴۹ در نظر می‌گیریم.
زمان هر مرحله 10000/50 = 200 میکروثانیه محاسبه می‌شود. این عدد در قسمت بعدی کد استفاده خواهد شد.
1 2 3 4 5 6 | void loop() { int data=analogRead(A0); int data1 = map(data, 0, 1023,10,49); dim_val=data1; } |
در مرحله آخر، تابع مبتنی بر وقفه zero_cross را پیکربندی می‌کنیم. در اینجا زمان dimming را می‌توان با ضرب زمان گام در شماره گام محاسبه کرد. پس از این زمان تأخیر، ترایاک را می‌توان با استفاده از یک پالس کوچک ۱۰ میکروثانیه‌ای فعال کرد که برای روشن‌کردن آن کافی است.
1 2 3 4 5 6 7 8 | void zero_cross() { int dimming_time = (200*dim_val); delayMicroseconds(dimming_time); digitalWrite(LAMP, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(LAMP, LOW); } |
منابع: How To Electronics و Circuit Digest
سلام خیلی ممنون از سایت خوبتون
برای تنظیم شدت نور لامپ به جای برد آردوینو میشه از سیگنال PWM (خروجی IC555) و یک اپتوکوپلر استفاده کرد ؟ اینطوری فکر نکنم نیازی به میکروکنترلر هم نیازی باشه.
سلام دوست عزیز
بله کاملا درسته