Kraftig digital vekselstrømdimmer med STM32: 15 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:20

Av Hesam Moshiri, [email protected]

AC -belastninger bor hos oss! Fordi de er overalt rundt oss og i det minste husholdningsapparater får strøm. Mange typer industrielt utstyr drives også med enfaset 220V-AC. Derfor står vi ofte overfor situasjoner der vi må ha full kontroll (dimming) over en AC -belastning, for eksempel en lampe, en vekselstrømsmotor, en støvsuger, en drill, etc. Vi bør vite at kontroll av en AC -belastning ikke er så enkelt som en DC -belastning. Vi må bruke en annen elektronisk krets og strategi. Videre, hvis en AC-dimmer er designet digitalt, anses den som en tidskritisk applikasjon, og mikrokontrollerens kode må skrives nøye og effektivt. I denne artikkelen introduserte jeg en isolert 4000W digital AC -dimmer som består av to deler: hovedkortet og panelet. Panelbordet har to trykknapper og en sjusegments skjerm som lar brukeren justere utgangsspenningen jevnt.

Trinn 1: Figur 1, skjematisk diagram over AC -dimmerens hovedkort

IC1, D1 og R2 brukes til å oppdage nullkryssingspunkter. Nullpunktene er ganske viktige for en AC-dimmer. IC1 [1] er en optokobler som gir galvanisk isolasjon. R1 er en pullup -motstand som reduserer støyen og lar oss fange alle endringer (både stigende og fallende kanter).

IC3 er en 25A vurdert Triac fra ST [2]. Denne høye strømstyrken gjør at vi enkelt kan nå 4000W dimmekraft, men temperaturen på Triac må holdes lav og så nær romtemperaturen. Hvis du har tenkt å kontrollere høye effektbelastninger, ikke glem å montere en stor kjøleribbe eller bruk en vifte for å kjøle ned komponenten. I henhold til databladet kan denne Triac brukes i en rekke applikasjoner: “Programmer inkluderer ON/OFF -funksjonen i applikasjoner som statiske reléer, oppvarmingsregulering, induksjonsmotorens startkretser, etc., eller for fasekontroll i lysdimmere., motorhastighetsregulatorer og lignende”.

C3 og R6, R4 og C4 er snubbers. På et enkelt begrep brukes Snubber -kretser for å redusere støyen, men for mer lesing, vennligst vurder AN437 -applikasjonsnotatet fra ST [3]. IC3 er en snubberfri Triac, men jeg bestemte meg for å bruke eksterne snubberkretser også.

IC2 er en optoisolator Triac [4] som brukes til å kontrollere IC3. Det gjør også riktig galvanisk isolasjon. R5 begrenser diodestrømmen til IC2.

IC4 er den berømte AMS1117 3.3V spenningsregulatoren [5] som gir strøm til de digitale delkretsene. C1 reduserer inngangsstøyen og C2 reduserer utgangsstøyen. P1 er en 2 -pins mannlig XH -kontakt som brukes til å koble den eksterne strømmen til enheten. Enhver inngangsspenning fra 5V til 9V er nok.

IC5 er mikrokontrolleren STM32F030F4 og hjertet i kretsen [6]. Den inneholder alle instruksjoner for å kontrollere belastningen. P2 er en 2*2 mannlig overskrift som gir et grensesnitt for å programmere mikrokontrolleren gjennom SWD.

R7 og R8 er pullup -motstander for trykknappene. Derfor er knappens inngangspinner på MCU programmert som aktiv-lav. C8, C9 og C10 brukes til å redusere støyen i henhold til MCUs datablad. L1, C5, C6 og C7 reduserer forsyningsstøyen, bygg også et førsteordens LC -filter (Pi) for å gi sterkere filtrering av inngangsstøyen.

IDC1 er en 2*7 (14 pinner) mannlig IDC-kontakt som brukes til å opprette en riktig forbindelse mellom hovedkortet og panelkortet gjennom en 14-veis flat kabel.

PCB -oppsett [hovedkort]

Figur-2 viser PCB-layouten på hovedkortet. Det er en to-lags PCB-design. Strømkomponentene er gjennomgående hull og digitale komponenter er SMD.

Trinn 2: Figur 2, PCB -oppsett av AC Dimmerens hovedkort

Som det er tydelig på bildet, er tavlen delt i to deler og optisk isolert ved bruk av IC1 og IC2. Jeg gjorde også et isolasjonsgap på PCB, under IC2 og IC3. Bæresporene med høy strøm er forsterket ved bruk av både topp- og bunnlag og knyttet opp med Vias. IC3 har blitt plassert i kanten av brettet, så det er lettere å montere en kjøleribbe. Du bør ikke ha problemer med lodding av komponentene bortsett fra IC5. Pinner er tynne og nær hverandre. Du bør være forsiktig så du ikke lager loddebroer mellom pinner.

Ved å bruke de industrielle SamacSys komponentbibliotekene for TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] og STM32F030F4 [11], reduserte jeg designtiden betydelig og forhindret mulige feil. Jeg kan ikke forestille meg hvor mye tid jeg kaster bort hvis jeg hadde tenkt å designe disse skjematiske symbolene og PCB -fotavtrykkene fra bunnen av. For å bruke Samacsys komponentbibliotek kan du enten bruke et plugin for din favoritt CAD-programvare [12] eller laste ned bibliotekene fra komponentsøkemotoren. Alle SamacSys -tjenester/komponentbiblioteker er gratis. Jeg brukte Altium Designer, så jeg foretrakk å bruke SamacSys Altium -pluginet (figur 3).

Trinn 3: Figur 3, utvalgte komponentbiblioteker fra SamacSys Altium -plugin

Figur 4 viser 3D -visninger fra toppen og bunnen av brettet. Figur 5 viser den monterte hovedkort -PCB sett ovenfra og figur 6 viser den monterte hovedkort -PCB -en sett nedenfra. Flertallet av komponentene er loddet på det øverste laget. Fire SMD -komponenter er loddet på bunnlaget. I figur 6 er PCBs isolasjonsgap klart.

Trinn 4: Figur 4, 3D -visninger fra kretskortet

Trinn 5: Figur 5/6, montert hovedkort PCB (sett ovenfra/sett nedenfra)

Kretsanalyse [panel] Figur 7 viser skjematisk diagram av panelet. SEG1 er en tosifers multiplekset felles katode med syv segmenter.

Trinn 6: Figur 7, skjematisk diagram over AC -dimmerens panel

R1 til R7 motstander begrenser strømmen til lysdioder med syv segmenter. IDC1 er en 7*2 (14 pins) mannlig IDC-kontakt, så en 14-veis flat ledning gir tilkobling til hovedkortet. SW1 og SW2 er taktile trykknapper. P1 og P2 er 2-pinners XH-hankontakter. Jeg har gitt dem til brukerne som har tenkt å bruke eksterne panelknapper i stedet for innebygde taktile trykknapper.

Q1 og Q2 er N-Channel MOSFETs [13] som brukes til å slå PÅ/AV hver del av syv-segmentet. R8 og R9 er nedtrekksmotstander for å holde portene på MOSFETene lave, for å forhindre uønsket utløsning av MOSFETene.

PCB -oppsett [panel]

Figur 8 viser PCB -oppsettet på tavlen. Det er et to -lags PCB -kort og alle komponenter unntatt IDC -kontakt og taktile trykknapper er SMD.

Trinn 7: Figur 8, PCB -oppsett av AC -dimmerens panel

Bortsett fra syv-segmentet og trykknapper (hvis du ikke bruker eksterne knapper), er andre komponenter loddet på bunnlaget. IDC -kontakten er også loddet på bunnlaget.

Det samme som hovedkortet brukte jeg SamacSys industrielle komponentbibliotek (skjematisk symbol, PCB -fotavtrykk, 3D -modell) for 2N7002 [14]. Figur 9 viser Altium -pluginet og den valgte komponenten som skal installeres i skjematisk dokument.

Trinn 8: Figur 9, valgt komponent (2N7002) fra SamacSys Altium -plugin

Figur 10 viser 3D -visninger fra toppen og bunnen av tavlen. Figur 11 viser et toppriss fra det monterte tavlen og figur 12 viser et bunn sett fra det monterte tavlen.

Trinn 9: Figur 10, 3D -visninger fra toppen og bunnen av tavlen

Trinn 10: Figur 11/12, en topp-/bunnvisning fra det monterte panelbordet

Resultater Figur 13 viser koblingsskjemaet for vekselstrømdimmeren. Hvis du hadde til hensikt å kontrollere utgangsbølgeformen ved hjelp av et oscilloskop, må du ikke koble oscilloskopsondeens jordledning til dimmerutgangen eller ingen steder på strømnettet.

OBS: Koble aldri oscilloskopproben direkte til strømnettet. Sondens jordledning kan bygge en lukket sløyfe med nettterminalen. Det ville sprenge alt i banen, inkludert kretsen, sonden, oscilloskopet eller til og med deg selv

Trinn 11: Figur 13, koblingsskjema for vekselstrømdimmeren

For å løse dette problemet har du tre alternativer. Ved hjelp av en differensialprobe, ved hjelp av et flytende oscilloskop (de fleste oscilloskopene er referert til bakken), ved bruk av en 220V-220V isolasjonstransformator, eller bare bruk en billig trappetransformator, for eksempel 220V-6V eller 220V-12V … osv.. I videoen og figur-11 brukte jeg den siste metoden (trappetransformator) for å kontrollere utgangen.

Figur 14 viser hele AC -dimmerenheten. Jeg har koblet to brett med en 14-veis flat ledning.

Trinn 12: Figur 14, en komplett digital vekselstrømdimmer

Figur 15 viser nullkryssingspunktene og Triacs PÅ/AV-tid. Som det er klart, ble både den stigende/fallende kanten av en puls ansett for ikke å møte flimmer og ustabilitet.

Trinn 13: Figur 15, Null kryssingspunkter (den lilla bølgeformen)

Trinn 14: Materialliste

Det er bedre å bruke 630V nominelle kondensatorer for C3 og C4.

Trinn 15: Referanser

Artikkel:

[1]: TLP521 Dataark:

[2]: BTA26 Dataark:

[3]: AN437, ST Application Note:

[4]: MOC3021 Datablad:

[5]: AMS1117-3.3 Dataark:

[6]: STM32F030F4 Dataark:

[7]: Skjematisk symbol og PCB -fotavtrykk for TLP521:

[8]: Skjematisk symbol og PCB -fotavtrykk for MOC3021:

[9]: Skjematisk symbol og PCB-fotavtrykk for BTA26-600:

[10]: Skjematisk symbol og PCB-fotavtrykk for AMS1117-3.3:

[11]: Skjematisk symbol og PCB -fotavtrykk for STM32F030F4:

[12]: Elektroniske CAD-plugins:

[13]: 2N7002 Dataark:

[14]: Skjematisk symbol og PCB -fotavtrykk for 2N7002: