Realisierung einer mikroprozessorgesteuerten Dimmerschaltung

1.Aufgabenstellung

Entwurf und Realisierung einer mikroprozessorgesteuerten Dimmerschaltung mit folgenden Features:

T  Steuerung der Helligkeit mittels PC-Tastatur (Tasten "H" und "D")

Die Schaltung sollte mit möglichst geringem Bauteilaufwand realisiert werden.

2.Theoretische Grundlagen

2.1 Thyristor

Thyristoren sind steuerbare Bauteile mit Schaltereigenschaften. Sie haben zwei stabile Betriebszustände, einen hochohmigen und einen niederohmigen Zustand. Das Umschalten von einem Zustand in den anderen ist über einen Steueranschluß steuerbar.

Bild 1:Schaltzeichen eines Thyristors (kathodenseitig steuerbar)

Bild 2:Grundaufbau

Bild 3:Aufteilung des Thyristorkristalls in zwei Thyristorstrecken

Bild 4:Ersatzschaltnild

Die Nullkippspannung ist die Spannung, bei der ein mit offenem Steueranschluß in Schaltrichtung betriebener Thyristor in den niederohmigen Zustand kippt. Gibt man den Steueranschluß des Thyristors einen gegenüber der Kathode positiven Impuls, so steuert die Transistorstrecke T₂ auf und leitet den gegenseitigen Aufsteuerungszustand zwischen T₁ und T₂ ein. Der Thyristor kippt in den niederohmigen Bereich.

2.2 Triac und Optotriac

3.Verwendete Bauteile

!!!Anm: Der zuerst verwendete Bauteil AN1511 (Triac) konnte nicht in die Realisierung einbezogen werden, da der Zündimpuls nur in einem bestimmten Bereich möglich war, wir aber den gesamten Halbwellenbereich ausnutzen.

4. Realisierung

4.1 Schaltungsaufbau

Schaltungserläuterung:

Die Bauteilgruppe R1,D1,Z1 und C1 dient zur Erzeugung und Gleichrichtung der 5V Gleichspannung. Die darunter liegende Bauteilgruppe teilt die Wechselspannung herunter und wandelt diese in ein Rechtecksignal um, welches zur Nulldurchgangsbestimmung benötigt wird. Der Optokoppler CNY17 dient lediglich dazu das µP-Board optisch von der übrigen Schaltung zu trennen.

Im Laststromkreis wird die Phase der Wechselspannung angeschnitten. Je größer der Zündverzögerungswinkel des Triacs ist, desto geringer ist die Helligkeit der Lampe (Senkung der Effektivwertspannung). Die Synchronisation des Zündzeitpunktes wurde im µP- Programm berücksichtigt.

4.2 Nähere Betrachtung des Laststromkreises

-Dimensionierung

Datenblatt:

Pulse duration (Mindestanhaltezeit des Zündstromes): >20µs T t =100 µs (Annahme)

I_GT (Typ. Zündstrom): 2 mA< I_GT<50 mA => Ann.» 40 mA

TR₇ muß so dimensioniert werden, daß I_GT unter dem Zündstromminimum bleibt.

R₇ und R₈ müssen gemeinsam groß genug sein, damit es zu keiner unerwünschten Zündung kommen kann (der minimal benötigte Zündstrom darf nicht über die Serienschaltung der beiden Widerstände fließen). Jedoch müssen beide Widerstände klein genug sein, um das Aufladen der Kondensatoren in der zur Verfügung stehenden Zeit zu gewährleisten.

Berechnung des Kondensators C2:

Gegeben:        t=4,5ms..Zeit welcher der Kondensator hat um sich auf ungefähr 325V aufzuladen.

R7=470k

Gewählt wurde ein Kondensator von 10µF für C₂ da nur dieser für eine Spannung von über 300V vorhanden ist.

5. Entwicklungsprobleme

Der erste realisierte Aufbau wies einige Mängel auf .Die Glühbirne flackerte in unregelmäßigen Abständen immer wieder auf . Es bestand die Vermutung, daß diese Störungen eventuel vom Netz herrühren könnte. Dieser Fall konnte ausgeschlossen werden, indem wir im Programm ein Interrupt-Fenster programmierten (Interrupt-Enable nur kurz vor und nach dem Zündimpuls. Später stellte sich heraus das ein Schaltfehler diese Störungen verursachte. Der Kondensator C1 hatte einen falschen Massebezug und dadurch erzeugte der fälschlicherweise verwendete Inverter HC05  (open collector) diese Störungen. Durch Austausch des Inverters (HCT04) konnte das Problem beseitigt werden. Außerdem traten noch Störungen regelmäßiger Art auf. Dieser Fehler trat aufgrund des langen Zündimpulses auf. Um den Zündimpuls möglichst kurz zu halten wurde der Lastteil der Schaltung auf folgende Weise modifiziert. Der Kondensator C3 lädt einen Kondensator kleiner Kapazität auf welcher anschließend dann den Zündstrom liefert. Ansonsten würde der Kondensator C3 (10µF) eine dauernden Zündstrom liefern.

Versorgungsspannung des Inverters (HCT04) beträgt nur 3,7V (Schaltung funktioniert trotzdem einwandfrei). Eventuell sollte ein Baustein eingesetzt werden, welcher einen Verssorgungspannungsbereich von 3V bis viel größer als 3V besitzt um auf jeden Fall einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten. Dabei ist jedoch zu beachten, daß durch einen höheren Versorgungsstrom, durch eventuelle Erhöhung der Versorgungsspannung, eine zu große Verlustleistung an R1 abfallen würde (da an R1 ungefähr die Netzspannung abfällt).

6. Flußdiagramm

7. µP-Programme

7.1 Erste Version

Programm zur Phasenanschnittssteuerung *

letztes Datum: 16.12.96 *

11:37:30 *

charin equ 2730h

charout                               equ 273ch

port1_0               equ 90h ;Port-Pin zum Messen vom Nulldurchgang

port1_1               equ 91h ;Port_Pin zur Ausgabe des Zündimpulses

zeit10ms_L                        equ 00000111b ;Erklärung am Ende des Files

zeit10ms_H                       equ 11011100b ;-'-

zeitv  equ R3 ;-'-

malzeitv                             equ 72d ;-'-

synchv                                equ R4 ;-'-

Interrupt-Service-Routine

org                        800bh ;Interruptadresse für Timer0

jmp timer_subroutine

Hauptprogramm

Beinhaltet: .) Timerinitialisierung

.) Abfrage der Tastatur

org                        8200h

mov zeitv,#1d ;Zuerst soll Lampe leuchten(Zündimpuls gleich nach Nulldurchgang)

setb port1_1 ;muß high sein da Zündimpuls eine Lowphase ist

anl tcon,#11001100b ;TF0=0 TimerOVFL, TR0=0 stop, IE0=0 disabled

anl tmod,#11110000b ;G0=0 Osz, C/~T=0 Timer, mode 0

orl tmod,#00000001b ;mode 1

setb ea ;enable all INT

setb et0 ;enable INT

mov synchv,#100d ;nach 100mal wird synchronisiert

;(Synchronisation nach 1-tem INT)

setb tr0 ;timer starten

ABFRAGE:

call CHARIN ;warten auf zeicheneingabe

mov R0,A ;zeichen retten

subb A,#64h ;if zeichen = d

jz DUENKLER ;goto DUENKLER

mov A,R0

subb A,#68h ;if zeichen = h

jz HELLER ;goto HELLER

jmp ABFRAGE

DUENKLER:

mov a,zeitv

subb a,#58d ;Überprüfung ob Lampe breits nicht leuchtet

jz abfrage ;Wenn Maximalwert erreicht, sprung zurück

mov a,zeitv

inc a ;Triac später zünden => Lampe wird dünkler

mov zeitv,a

jmp abfrage

HELLER:                          

mov a,zeitv

dec a

jz abfrage ;Überprüfung ob Lampe bereits voll leuchtet

mov zeitv,a ;Triac früher zünden => Lampe wird heller

jmp abfrage

Unterprogramm timer_subroutine *

wird nach einem Interrupt aufgerufen *

Übergabe von: .) synchv *

.) zeit10ms_L und zeit10ms_H *

.) zeitv *

timer_subroutine:

mov tl0,#zeit10ms_L

mov th0,#zeit10ms_H

mov a,synchv

inc a

mov synchv,a

subb a,#101d ;Nach 100mal Synchronisation

jnz sprung

clr tr0 ;Synchronisation

synch_loop1:     jb port1_0,synch_loop1 ;Überprüfung auf Low High übergang

synch_loop2: jnb port1_0,synch_loop2 ;Abfrage ob ein Nulldurchgang vorliegt

mov synchv,#0h

setb tr0 ;Ende der Synchronisation

sprung:                mov a,zeitv ;Einstellung der Helligkeit

time0: dec a

mov r2,#malzeitv

time1: djnz r2,time1

jnz time0

clr port1_1 ;Ausgabe des Zündimpulses

mov r6,#5d ;Impulsbreite über Zeitverzögerung einstellen

loop3: djnz r6,loop3

setb port1_1

RETI

END

Register

synchv Zähler (100d init), jede 100-te Halbperiode neu synchronisieren

zeitv Zeit zur Festlegung des Zündzeitpunktes

zeit10ms_L und zeit10ms_H Ergeben die Zeit für eine Halbperiode (Timer lößt bei jeder

Halbperiode einen INT aus)

malzeitv Multiplikationsfaktor für eine grobe Helligkeitseinstellung

;Siehe Doku für Zeitberechnung für maximale Helligkeit

7.3 Endgültiges Programm (externer Interrupt)

Programm zur Phasenanschnittssteuerung *

letztes Datum: 17.03.97 *

12:20:00 *

Status: funktion überprüft *

einwandfreie funktion *

charin equ 2730h

charout                               equ 273ch

port1_1               equ 91h ;Port-Pin zur Ausgabe des Zündimpulsesimpulses

zeitv  equ R3 ;Siehe Ende des Files

malzeitv                             equ 60d ;-'-

Interrupt-Service-Routine

org                        8003h ;Interruptadresse für Externen Interrupt INT0' (P3.2)

jmp interrupt

Hauptprogramm

Beinhaltet: .) Abfrage der Tastatur

org                        8200h

mov zeitv,#2d ;Zuerst soll Lampe leuchten(Zündzeitpunkt gleich nach Nulldurchgang)

setb port1_1 ;muß high sein da Zündimpuls Lowphase

orl tcon,#00000001b ;IT0 auf Flanken-aktiv eingestellt (neg. Flanke)

setb ea ;enable all INT

setb ex0 ;enable Ex-INT

ABFRAGE:

call CHARIN ;warten auf zeicheneingabe

mov R0,A ;zeichen retten

subb A,#64h ;if zeichen = d

jz DUENKLER ;goto DUENKLER

mov A,R0

subb A,#68h ;if zeichen = h

jz HELLER ;goto HELLER

jmp ABFRAGE

DUENKLER:

mov a,zeitv

subb a,#67d ;Überprüfung ob Lampe breits nicht leuchtet

;Siehe auch Ende des Files

jz abfrage ;Wenn Maximalwert erreicht, sprung zurück

mov a,zeitv

inc a ;Triac später zünden => Lampe wird dünkler

mov zeitv,a

jmp abfrage

HELLER:                          

mov a,zeitv

subb a,#2d

jz abfrage ;Überprüfung ob Lampe bereits voll leuchtet

mov a,zeitv

dec a

mov zeitv,a ;Triac früher zünden => Lampe wird heller

jmp abfrage

Unterprogramm Ex-Int-subroutine

wird nach einem Interrupt aufgerufen

Übergabe von: .) zeitv

interrupt:

sprung:                mov a,zeitv ;Einstellung der Helligkeit

time0: dec a

mov r2,#malzeitv

time1: djnz r2,time1

jnz time0

clr port1_1 ;Ausgabe des Zündimpulses

mov r4,#100d ;Impulsbreite über Zeitverzögerung einstellen

loop1: djnz r4,loop1

setb port1_1

mov r5,#255d ;Zeitverzögerung (10ms) um auch bei der nächsten Halbwelle

loop2: mov r6,#16d ;zu Zünden (siehe auch unten)

loop3: djnz r6,loop3

djnz r5,loop2

clr port1_1 ;Zündimpuls für zweite Halbwelle

mov r4,#100d ;Impulsbreite über Zeitverzögerung einstellen

loop4: djnz r4,loop4

setb port1_1

RETI

END

Register

zeitv Zeit zur Festlegung des Zündzeitpunktes

malzeitv Multiplikationsfaktor für eine grobe Helligkeitseinstellung

;Siehe Doku für Zeitberechnung für maximale Helligkeit und 10ms Zeitverzögerung