AC диммер с нулевым переходом для ESPHome и ESP8266/NodeMCU

Введение

Умные розетки и выключатели обычно используют механические реле — они включают и выключают нагрузку. Для управления скоростью моторов или яркостью ламп нужна фазовая регулировка, а значит — TRIAC и схема управления с детектором нулевого перехода (zero-cross detector, ZCD). Такая схема позволяет безопасно синхронизировать управление с моментами, когда синусоида сетевого напряжения пересекает ноль, и реализовать регулировку методом среза фазы.

В этом руководстве мы построим одноканальный (на примере) модуль диммера с нулевым переходом, объясним выбор компонентов, монтаж, компиляцию прошивки ESPHome, прошивку устройства и интеграцию с Home Assistant. Отдельно — сценарии тестирования, возможные проблемы и рекомендации по безопасности.

К чему это применимо

• Диммирование ламп накаливания и некоторых видов LED (проверяйте совместимость).
• Управление скоростью асинхронных двигателей с простыми вентиляторными нагрузками.
• Автоматизация освещения и вентиляторов через Home Assistant.

Важно: не все нагрузки подходят для фазового управления (например, некоторые блоки питания, светодиодные светильники и сложные электронные двигатели). См. раздел Когда это не работает.

Что такое детектор нулевого перехода

Детектор нулевого перехода — это схема сравнения (компаратор/оп-амп или оптоизолятор) для определения момента, когда сетевое напряжение проходит через ноль (из положительной полуволны в отрицательную и обратно). Микроконтроллер получает короткий импульс при каждом пересечении нуля и использует его как опорную точку для фазовой задержки перед запуска TRIAC.

Принцип: на каждой полуволне синусоида пересекает ноль. Если подать управляющий импульс TRIAC сразу после нуля или с задержкой, можно управлять долей энергии, отданной в нагрузку, тем самым изменяя яркость/скорость.

Необходимые компоненты

Соберите следующие детали для одноканального диммер-модуля:

• NodeMCU или D1 Mini (ESP8266)
• TRIAC BT136 4A или BT139 16A — выбирайте под ток нагрузки
• Оптопара для управления TRIAC: MOC3021 (необогащённая изоляция) или аналог с драйвером TRIAC
• Оптопара для детектора нуля: MCT2E или 4N35 (для гальванической развязки входа детектора)
• Мостовой выпрямитель DB107
• Резисторы: 220 Ω 1/4W, 2 × 10 kΩ 1/4W, 2 × 100 kΩ 1/4W (по схеме)
• 2 × клеммник 2 контакта для входа питания и нагрузки
• Многоконтактный разъём (male berg) по желанию
• Макетная или универсальная печатная плата
• Паяльник, припой, провода
• Изоляционная термоусадка, клеевой пистолет, винты для крепления

Эти компоненты рассчитаны на один канал. Для многоканального модуля увеличьте количество TRIAC и оптопар.

Выбор компонентов и параметры

• TRIAC: выбирайте по току и напряжению нагрузки. Для бытовых нагрузок до 4 А подойдёт BT136. Для более мощных — BT139 или аналоги с запасом по напряжению (≥ 600 V) и по току (с запасом 25–50%).
• Оптопара для управления TRIAC: MOC3021 даёт электрическую развязку и формирует сигнал на затвор TRIAC. Убедитесь, что в даташите указана совместимость с вашим TRIAC и резистором затвора.
• Для детектора нуля применяют оптопару MCT2E или 4N35: это обеспечивает гальваническую развязку между сетью и ESP8266.
• DB107 как выпрямитель даёт на выходе пульсирующее постоянное напряжение, которое используют в цепи детектора. Можно применить диодный мост с аналогичными параметрами.
• Компоненты мощности (TRIAC, радиаторы) и соединения должны выдерживать ток и температуру вашей нагрузки.

Важно: при работе с сетью 220–240 В соблюдайте правила безопасности и изоляции.

Схема подключения и сборка

Ниже показаны исходные схемы. На макетной плате распаяйте компоненты аккуратно, соблюдая гальваническую развязку между сетевой частью и логикой. Пайка должна быть прочной, а дорожки и контакты — надежно изолированы.

Обратите внимание на следующие блоки схемы:

• Секция детектора нулевого перехода: вход через делитель/ограничитель к оптопаре, далее оптопара даёт импульс на GPIO микроконтроллера.
• Секция управления TRIAC: оптопара MOC3021 соединена через резистор с GPIO и с затвором TRIAC через резистор отпирания.
• Сетевые клеммы: разнесите силовые дорожки и разъёмы на расстоянии, используйте изоляцию.

На этой схеме показано типовое подключение оптопары для детектирования нуля и формирование цифрового сигнала для ESP8266. Соблюдайте полярность и номиналы резисторов.

Проверьте расположение TRIAC, где один из выводов TRIAC подключен к фазе сети, второй — к нагрузке, а ноль (нейтраль) идёт напрямую к нагрузке. Силовые провода должны быть проложены отдельно от низковольтной логики.

Сборка прошивки ESPHome

Для беспроводного управления нам нужна прошивка ESPHome и Home Assistant. Предполагается, что у вас уже установлен Home Assistant с аддоном ESPHome или вы используете локальную установку ESPHome.

Пошагово:

1. В Home Assistant откройте ESPHome и нажмите +New Device > Continue.
2. Укажите имя устройства, например symphony-cooler, и нажмите Next.
3. Выберите ESP8266 или Pick specific board > D1 Mini, затем Next > Skip.
4. Найдите устройство в списке и нажмите Edit для редактирования YAML.

Вставьте ваши Wi‑Fi учётные данные в раздел wifi:

wifi:  
  ssid: "YourWIFiSSID"  
  password: "WIFi-Password"

Ниже captive portal добавьте конфигурацию выходов и света:

output:  
  - platform: ac_dimmer  
    id: symphony_cooler  
    gate_pin: D0  
    zero_cross_pin:  
      number: D2  
    min_power: 70%  
  
light:  
  - platform: monochromatic  
    output: symphony_cooler  
    name: Symphony Cooler

Пояснения:

• gate_pin — вывод, который будет управлять оптопарой MOC3021 (через резистор).
• zero_cross_pin.number — GPIO, принимающий импульсы от детектора нуля (через оптопару/делитель).
• min_power — минимальная мощность для стабильного срабатывания TRIAC; значение подбирается экспериментально (в примере 70%).

Измените id и name под ваши нужды. Для нескольких каналов добавьте дополнительные блоки output и light с разными пинами.

Нажмите Save > Install > Plug into this computer и дождитесь компиляции. Затем скачайте скомпилированный .bin файл.

Прошивка устройства

1. Запустите ESPHome Flasher или аналогичный инструмент.
2. Подключите NodeMCU/D1 Mini к ПК по micro-USB.
3. В Flasher нажмите Browse и выберите .bin файл.
4. Выберите COM-порт устройства и нажмите Flash ESP.

После прошивки устройство перезагрузится и подключится к сети. В ESPHome Dashboard оно должно появиться онлайн.

Интеграция в Home Assistant и добавление на панель

1. В Home Assistant откройте Settings > Devices & Integrations.
2. В разделе Integrations найдите обнаруженное устройство и нажмите CONFIGURE > SUBMIT.
3. Устройство появится под ESPHome. Откройте его и нажмите ADD TO DASHBOARD, выберите View и подтвердите ADD TO DASHBOARD.

После добавления вы получите слайдер для регулировки яркости/скорости и кнопку включения.

Для красивых карточек используйте интеграцию Mushroom Cards.

Тестирование и отладка

Пошаговый план тестирования:

1. Перед подачей сетевого напряжения проверьте низковольтные связи: наличие сигналов 3.3 В на GPIO после прошивки.
2. Подайте питание на устройство без подключённой нагрузки и замерьте выходы управления.
3. Подключите нагрузку через защитный предохранитель и по возможности через автоматический выключатель малого тока.
4. В Home Assistant поочерёдно включайте и регулируйте диммер, наблюдайте поведение TRIAC и температуру радиатора.
5. Проверьте отсутствие заметных помех и искрения; при наличии помех добавьте фильтрацию (RC-снижение всплесков).

Критерии приёмки

• Устройство стабильно подключается к Wi‑Fi и отображается в ESPHome.
• При изменении слайдера в Home Assistant нагрузка плавно меняет яркость/скорость.
• Нет перегрева TRIAC при номинальной нагрузке в течение 30–60 минут теста.
• Нет видимых электрических искр или запаха гари.

Безопасность и рекомендации по монтажу

Important: Все работы с сетью 230 В выполняются только при отключённом питании и при наличии навыков работы с сетевыми устройствами. Если вы не уверены — обратитесь к квалифицированному электрику.

Рекомендации:

• Используйте предохранитель и автомат на входе.
• Разделяйте силовую и низковольтную части платы.
• Обеспечьте надёжную изоляцию оголённых контактов.
• Для TRIAC, работающего при больших токах, устанавливайте радиатор и термодатчик при необходимости.
• Тщательно проверяйте заземление и нейтральную линию.

Когда это не работает и ограничения

• Электронные блоки питания и некоторые LED‑лампы могут некорректно работать с фазовой регулировкой; возможен мерцающий эффект.
• Сложные моторы с электронным управлением и частотные приводы требуют специализированной регулировки, фазовый диммер может повредить их.
• Высокочастотные помехи: фазовое управление генерирует переключения, которые могут влиять на другие устройства; при необходимости добавьте RC-фильтры и сетевой фильтр.

Альтернативные подходы

• Механическое реле: простое включение/выключение, без регулировки фазы.
• Готовые SSR модули с управляющим входом и встроенной развязкой: экономят время, но нужно проверить совместимость с желаемыми нагрузками.
• Управление частотой или использование преобразователей частоты для двигателей — для точного управления скоростью на сложных двигателях.

Советы по выбору конфигурации и настройке

• Подберите min_power в ESPHome экспериментально. Для TRIAC часто требуется минимальная амплитуда сигнала, чтобы нагрузка не гасла при малых значениях.
• Для индуктивных нагрузок используйте оптопары и TRIAC с более высоким запасом по токам и добавьте RC-демпфер (snubber) по рекомендациям даташита.

Чек-листы по ролям

Чек-лист для мастера (сборщика):

• Проверил номиналы резисторов и полярность оптопар.
• Спаял все соединения, проверил отсутствие холодных паек.
• Изолировал силовые проводники и установил предохранитель.
• Протестировал устройство на макетной нагрузке и термомониторинг при нагрузке.

Чек-лист для электрика (инсталляция в сеть):

• Проверил соответствие TRIAC току нагрузки и мощность радиатора.
• Подключил устройство через УЗО и автомат.
• Провёл измерения тока и проверку утечек.
• Дал рекомендации по размещению в распределительном щитке.

Чек-лист для пользователя (домашнего):

• Убедился, что лампы и приборы совместимы с фазовым диммированием.
• Настроил автоматизацию в Home Assistant и протестировал сценарии.
• Настроил уведомления на случай оффлайн устройства.

Отладка неисправностей и типовые ошибки

• Устройство не появляется в ESPHome: проверьте питание и UART-подключение.
• TRIAC не срабатывает при низкой мощности: увеличьте min_power или проверьте резистор затвора.
• Мерцание ламп: попробуйте другую лампу или добавьте RC-фильтр; проверьте совместимость светильника с фазовым диммированием.
• Перегрев TRIAC: увеличьте радиатор или используйте TRIAC с большей мощностью.

Качество сигнала и электромагнитная совместимость

Фазовое управление может генерировать гармоники и импульсные помехи. Смягчите их следующими способами:

• Добавьте RC-снижение (snubber) параллельно TRIAC.
• Используйте фильтры линий питания (LC/RC) при необходимости.
• Разнесите силовые проводники и дорожки, экранируйте при необходимости.

Глоссарий в одну строку

• TRIAC — полупроводниковый симистор для переключения переменного тока.
• Оптопара — устройство для гальванической развязки сигнала через световой канал.
• Детектор нулевого перехода — схема, детектирующая момент, когда сетевое напряжение равно нулю.

Примеры тест-кейсов и критерии приёмки

Тест-кейс 1: Базовое включение

• Условия: NodeMCU прошит и подключён к Wi‑Fi.
• Действие: Нажать в Home Assistant ON.
• Ожидаемый результат: TRIAC открывается, нагрузка получает питание.

Тест-кейс 2: Плавное диммирование

• Действие: Медленно перемещать слайдер яркости от 0% до 100%.
• Ожидаемый результат: Нагрузка изменяет яркость/скорость плавно, без рывков и сильного шума.

Тест-кейс 3: Нагрузочный тест

• Действие: Прогон при номинальной нагрузке 30–60 мин.
• Ожидаемый результат: Температура TRIAC и радиатора стабильна; нет запаха гари или уменьшения производительности.

Конфигурация для 50 Hz и 60 Hz

Схема и логика остаются теми же, отличия могут быть в тонкой подгонке задержек и min_power из‑за частоты сети. ESPHome и ZCD фиксируют пересечения нуля; при 60 Hz период меньше, значит временные интервалы для одной фазы короче. Подстройте параметры в конфигурации при необходимости.

Приватность и безопасность сети

• Ограничьте доступ к устройству через Home Assistant с помощью аутентификации и сетевых правил.
• Отключите удалённый доступ из внешней сети, если нет надёжной VPN.
• Регулярно обновляйте прошивку ESPHome и Home Assistant ради безопасности.

Резюме

Мы собрали и прошили одноканальный AC диммер с детектором нулевого перехода для управления через ESPHome и Home Assistant. В статье описаны подбор компонентов, монтаж схемы, прошивка и интеграция, список тестов и меры безопасности. Такой модуль даёт плавное управление яркостью и скоростью, но требует внимания к совместимости нагрузок и мерам электробезопасности.

Summary:

• Фазовое управление с TRIAC подходит для ламп накаливания и простых моторов, но не для всех типов LED и сложных двигателей.
• Обязательна гальваническая развязка между сетью и контроллером.
• Тестируйте на реальной нагрузке и используйте предохранители и радиаторы.

Если вы собираете многоканальный модуль, повторите блоки TRIAC/оптопара/клеммы и адаптируйте конфигурацию ESPHome под несколько output/light.

Спасибо за внимание. Удачной сборки и соблюдайте технику безопасности!