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チョッパ回路と位相制御回路
チョッパ回路は、発振回路を利用して、AC電源を負荷に
接続するか、負荷から切断するかを制御します。
AC電源と負荷の接続か切断では、負荷が必要とする
電力を調整できないので、位相を調整して電力制御
します。
チョッパ回路で、照明器具の照度を制御する場合を
考えてみます。
AC電源は、アウトレットにある実効値100Vを使います。
照明器具には、白熱電球を使います。
AC電源の周波数は、50Hzか60Hzなのでチョッパ回路で
位相制御しやすいように、トランスを利用してゼロクロス
ポイントを取り出します。
トランスから、ゼロクロスポイントを取り出す回路は
以下です。
原理は単純で、AC100Vを降圧してAC10V前後にします。
このAC10Vを全波整流し、脈流としてフォトカプラに
与えます。フォトカプラ内部のLEDで光に変換後、
フォトトランジスタをON/OFFします。
タイミングチャートで示すと、以下です。
フォトカプラ出力のエッジをトリガーに使えば
ゼロクロスポイントから、指定時間だけ論理値
のHかLを出力させられます。
指定時間だけ、AC電源電圧を負荷に与えると
電力制御ができます。
ゼロクロスポイントから指定時間だけ、制御信号
を出力する回路を考えます。
DIPスイッチで指定するカウント値を取り出し
電力制御信号を、その時間だけゲートトリガー
出力を遅らせる仕様を考えます。
PLDを利用する場合、VHDLコードは以下です。
library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;
use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
entity pconx is
generic (
TOPX : integer := 14 ;
RMAX : integer := 9217 -- ; 1.8434MHz => 10kHz
);
port (
-- system
nRESET : in std_logic ;
CLOCK : in std_logic ;
-- AC cross point input
ACP : in std_logic ;
-- counter value input
CNTV : in std_logic_vector(5 downto 0) ;
-- controlo out
COUT : out std_logic ;
LED : out std_logic -- ;
);
end pconx;
architecture Behavioral of pconx is
-- component clock generator
component clkgenx is
generic (
TOPX : integer ;
RMAX : integer --;
);
port (
-- system
nRESET : in std_logic ;
CLOCK : in std_logic ;
-- output
CLKOUT : out std_logic -- ;
);
end component ;
-- clock
signal iMCLK : std_logic ;
-- master sequencer
signal iSTATE : std_logic_vector(1 downto 0) ;
signal iCNTVX : std_logic_vector(5 downto 0) ;
signal iTRG : std_logic ;
signal iTRG_SFT : std_logic_vector(2 downto 0) ;
begin
-- component clock generator (1.8434MHz/9217 = 20kHz)
CLKX : clkgenx generic map (TOPX,RMAX) port map (nRESET,CLOCK,iMCLK);
-- output
COUT <= '1' when ( iSTATE = "11" ) else '0' ;
LED <= not iMCLK ;
-- master sequencer
process (nRESET,iMCLK)
begin
if ( nRESET = '0' ) then
iTRG_SFT <= "000" ;
elsif rising_edge(iMCLK) then
iTRG_SFT <= iTRG_SFT(1 downto 0) & ACP ;
end if ;
end process ;
iTRG <= '1' when ( iTRG_SFT = "011" or iTRG_SFT = "001" ) else '0' ;
-- master sequencer
process (nRESET,iMCLK)
begin
if ( nRESET = '0' ) then
iSTATE <= "00" ;
iCNTVX <= (others => '0') ;
elsif rising_edge(iMCLK) then
case conv_integer(iSTATE) is
-- wait trigger
when 0 => if ( iTRG = '1' ) then
iSTATE <= "01" ;
iCNTVX <= CNTV ;
else
iSTATE <= "00" ;
end if ;
-- delay
when 1 => if ( conv_integer( iCNTVX ) = 0 ) then
iSTATE <= "11" ;
else
iCNTVX <= iCNTVX - '1' ;
iSTATE <= "01" ;
end if ;
-- send trigger
when 3 => iSTATE <= "10" ;
-- return first state
when 2 => iSTATE <= "00" ;
-- default
when others =>
iSTATE <= "00" ;
end case ;
end if ;
end process ;
end Behavioral;
ゼロクロスポイントの立上がりエッジを利用し
DIPスイッチの値を記憶します。カウンタが
ゼロになったなら、トリガーを出力します。
マイクロコンピュータで実現する場合は
次のようなファームウエアを使います。
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#define OFF 0
#define ON OFF+1
#define MASK3F 0x3F
#define ACBIT 0x40
typedef unsigned char UBYTE ;
typedef unsigned short UWORD ;
typedef signed char SBYTE ;
typedef signed short SWORD ;
volatile UBYTE eflag ;
volatile UBYTE tflag ;
volatile UBYTE cflag ;
volatile UBYTE count ;
volatile UBYTE countx ;
/*--------------------------------*/
/* Insert user functions protoype */
/*--------------------------------*/
void user_initialize(void);
/*------*/
/* main */
/*------*/
int main(void)
{
/* initialize port and variables */
user_initialize();
/* enable interrupt */
sei();
/* endless loop */
while ( ON ) {
/* set value */
if ( eflag ) {
/* clear flag */
eflag = OFF ;
/* get count value */
count = PINB & MASK3F ;
countx = count ;
/* enable */
tflag = ON ;
}
/* AC phase handling */
if ( cflag ) {
/* clear flag */
cflag = OFF ;
/* judge */
if ( tflag == OFF ) { PORTD &= ~ACBIT ; }
else {
/* count down */
countx-- ;
if ( countx == 0 ) {
tflag = OFF ;
/* send H signal */
PORTD |= ACBIT ;
/* send H signal */
PORTD &= ~ACBIT ;
}
}
}
}
/* dummy */
return 0 ;
}
/*-----------------------*/
/* Insert user functions */
/*-----------------------*/
void user_initialize(void)
{
/* PORT B */
PORTB = 0b00111111 ; /* 00000000 */
DDRB = 0b11000000 ; /* oooooooo */
/* PORT D */
PORTD = 0b00000100 ; /* 00000000 */
DDRD = 0b11111011 ; /* oooooioo */
/* clear flags */
eflag = OFF ;
tflag = OFF ;
cflag = OFF ;
/* clear counters */
count = 0 ;
countx = 0 ;
/* initialize INT0 */
{
/* clear counter */
MCUCR = (3 << ISC00) ;
/* Enable interrupt */
GIMSK = (1 << INT0) ;
}
/* initialize timer1 */
{
/* clear counter */
TCNT1 = 0 ;
/* initialize counter */
OCR1A = 49 ;
OCR1B = 99 ;
/* set prescaler (/8) */
/* select clock and prescaler (generate 10kHz) */
TCCR1B = (1 << WGM12) | (1 << CS11) ;
/* Enable interrupt */
TIMSK = (1 << OCIE1A) ;
}
}
/* INT0 */
ISR(INT0_vect)
{
eflag = OFF ;
}
/* Timer1 interrupt */
ISR(TIMER1_COMPA_vect)
{
cflag = ON ;
}
外部割込みをゼロクロスポイントの
トリガー入力に接続します。
PLDあるいはマイクロコンピュータで
チョッパ回路を実現しても、AC電源を
接続、切断する回路は、ソリッドステート
リレーを使います。
位相制御で使うトリガーの出力タイミング
を、固定してもよい場合に、タイマーICの
555を使うこともできます。
発振回路の周波数が低い場合は、PUT(Programmable Unijunction Transistor)
を、使うこともできます。
PUTは、稼動させる電源電圧の範囲が広いので
使いやすい発振回路を実現できます。
PUTは、電圧を分割している２本の抵抗のうちの片側の
抵抗値を可変にすると、発振周波数を変えられます。
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