دیمر AC برای کنترل لامپ با PWM آردوینو

قطعه IRG4PC30 تو این مدار به عنوان یک سوئیچ سریع برای قطع و وصل کردن جریان لامپ عمل می‌کنه. برای اینکه این قطعه روشن بشه، به حدود 12 ولت روی پایه گیت نیاز داره. به همین دلیل یک مقسم ولتاژ (R1 و R2) گذاشتیم تا ولتاژ گیت رو به 13 تا 15 ولت برسونه و لامپ با حداکثر توان روشن بشه.

از اونجایی که برق شهر ممکنه نوسان داشته باشه، مقاومت 4.7 کیلواهم یک انتخاب کاملا ایمن و منطقیه. اگه می‌خوای خیالت راحت‌تر باشه، حتما از یک IGBT با تحمل ولتاژ بیس-امیتر حداقل 20 ولت استفاده کن و یک دیود زنر 15 ولتی رو موازی با مقاومت R2 قرار بده.

قطعاتی مثل IRGPC40 وات یا IRG4PC30 گزینه‌های خوبی برای IGBT هستن. وقتی اپتوکوپلر سیگنال رو از آردوینو دریافت می‌کنه، مسیر باز میشه و ولتاژ روی R1 و R2 رو صفر می‌کنه که باعث خاموش شدن سریع IGBT میشه.

چون سرعت سیگنال PWM آردوینو از فرکانس 50 هرتز برق شهر خیلی بیشتره، در واقع این سیگنال روی موج سینوسی یکسوشده سوار میشه و ولتاژ موثر رو کم می‌کنه. فقط یادت باشه این مدار فقط و فقط برای لامپ‌های رشته‌ای طراحی شده و اصلا نباید برای بارهای سلفی مثل موتورها استفاده بشه.

درباره خازن C1 باید بگم که من توی تست‌هام از مقدار 100 میکروفاراد استفاده کردم و عالی جواب داد، اما احتمالا مقادیر کمتر هم بدون مشکل کار کنن.

• با اینکه میانگین ولتاژ حدود 207 ولت میشه، اما خازن C1 ممکنه در نهایت تا 310 الی 330 ولت شارژ بشه، برای همین مقاومت 4.7 کیلواهمی به شدت توصیه میشه.

اگه دیود زنر رو به مدار اضافه کنی، دیگه نیازی به مقاومت 6.8 کیلواهمی نداری. با حذف این مقاومت، شماتیک مدار ساده‌تر میشه و شکل زیر رو به خودش می‌گیره:

حالا اگه بخواهیم بین ماسفت (MOSFET) و IGBT یکی رو انتخاب کنیم، باید بگم که ماسفت‌ها برای این ولتاژ و سرعت سوئیچینگ عالی کار می‌کنن و از طرفی خیلی مقرون‌به‌صرفه‌تر از IGBTها هستن.

یکی از ماسفت‌های فوق‌العاده‌ای که کاملا تست شده، قطعه STP10NK60Z هست. این ماسفت تحمل ولتاژ گیت-سورس 30 ولت رو داره و دیودهای محافظ داخلیش به شدت کاربردی هستن. یک گزینه ارزون‌تر و خوب دیگه هم ماسفت IRF730 هست.

معمولا ماسفت‌ها برای سوئیچ شدن به ولتاژ بالاتری نیاز دارن، پس همون مقاومت 6.8 کیلواهمی براشون مناسبه. اگه ماسفتی که انتخاب کردی دیود محافظ نداشت، حتما یک دیود زنر 15 ولتی براش بذار. توی تست‌های عملی با یک لامپ 60 واتی، ممکنه یه سوسو زدن خیلی ریز موقع روشن شدن کامل لامپ ببینی، اما جای نگرانی نیست.

در واقع این سوسو زدن خطای دید دوربین موبایل موقع تطبیق با نور محیطه و با چشم دیده نمیشه. در کل پیشنهاد می‌کنم به جای IGBT، از همون ماسفت استفاده کنی.

لیست قطعات مورد نیازت شامل این موارده: یک پل دیود 400 ولت 1 آمپر، دیود 1N4007، خازن 100 میکروفاراد 400 ولت، مقاومت 100 کیلواهم 1 وات (برای ایمنی بیشتر)، مقاومت 6.8 کیلواهم، دیود زنر 15 ولت و ماسفت IRF730 یا قطعه مشابه.

همچنین به یک اپتوکوپلر 4N35 و یک مقاومت بین 330 تا 470 اهم (بسته به مدل اپتوکوپلر) نیاز داری. این قطعات به راحتی پیدا میشن و هزینه‌ زیادی هم ندارن.

یکی از ویژگی‌های این مدار اینه که اگه هیچ سیگنال ورودی بهش ندی، لامپ با حداکثر توان روشن می‌مونه. موقع تست اگر متوجه شدی با دادن مقدار صفر به PWM، لامپ هنوز یکم روشنه، یعنی اپتوکوپلر کامل بسته نشده. تو این حالت می‌تونی مقدار مقاومت 470 اهمی رو کمی بیشتر کنی. در ضمن، خازن 100 میکروفاراد 400 ولت ممکنه کمی روی برد جاگیر باشه.

می‌تونی به جای اون از یک خازن 50 میکروفاراد هم استفاده کنی، اما مراقب باش مقدارش خیلی کم نشه تا ولتاژ کافی برای گیت ماسفت تامین بشه. شاید فکر کنی که میشه یک خازن ولتاژ پایین رو دو سر دیود زنر گذاشت تا جایگزین خازن 400 ولتی بشه...

اما این کار جواب نمیده! چون اپتوکوپلر به سرعت شارژش رو خالی می‌کنه و مقاومت 100 کیلواهمی هم اجازه نمیده به موقع شارژ بشه. این باعث میشه ماسفت درست سوئیچ نکنه و به شدت داغ بشه. فرکانس PWM آردوینو حدود 500 هرتزه.

این فرکانس برای مدار ما عالیه، هرچند که با فرکانس 100 هرتز هم مدار کار می‌کنه. مثلا بردهای کوچکی مثل ATtiny85 فرکانسی حدود 280 هرتز دارن که باز هم کاملا مناسبه.

البته با کدنویسی می‌تونی این فرکانس‌ها رو هم تغییر بدی. فقط فراموش نکن که این مدار به هیچ وجه برای موتورها و بارهای سلفی طراحی نشده.

نکته جالب این دیمر اینه که نیازی به مدار تشخیص عبور از صفر (Zero Cross) نداره. از نظر حرارتی هم خیلی پایداره؛ تست‌ها نشون دادن با یک لامپ 60 واتی و بدون هیت‌سینک، بعد از نیم ساعت کار، دمای مدار فقط 9 درجه نسبت به محیط افزایش پیدا می‌کنه.

حتی توی دیم کردن مداوم (از صفر تا صد) این افزایش دما نهایتا به 10 درجه رسید. وقتی از لامپ هالوژن 150 واتی استفاده کردم، دما حدود 15 درجه بالا رفت که باز هم برای قطعات استاندارده و روی همین دما ثابت موند.

پس با خیال راحت می‌تونی این مدار رو بسازی و برای کنترل نور ازش استفاده کنی. اگه این دیمر رو تکمیل کردی یا ایده‌ای درباره‌اش داشتی، خیلی خوشحال میشیم که اون رو توی اپلیکیشن آیسی‌مدار با بقیه بچه‌ها به اشتراک بذاری. موفق باشی!