Výkonný digitální AC stmívač využívající STM32: 15 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:18

Od Hesam Moshiri, [email protected]

AC zátěže žijí s námi! Protože jsou všude kolem nás a přinejmenším domácí spotřebiče jsou napájeny ze sítě. Mnoho typů průmyslových zařízení je také napájeno jednofázovým 220V-AC. Proto se často setkáváme se situacemi, kdy musíme mít plnou kontrolu (stmívání) nad AC zátěží, jako je lampa, AC motor, vysavač, vrtačka, atd. Atd. Měli bychom vědět, že ovládání AC zátěže není tak jednoduché jako DC zátěž. Musíme použít jiný elektronický obvod a strategii. Pokud je stmívač střídavého proudu navržen digitálně, je považován za časově kritickou aplikaci a kód mikrokontroléru musí být napsán pečlivě a efektivně. V tomto článku jsem představil izolovaný digitální stmívač s výkonem 4000 W, který se skládá ze dvou částí: základní desky a panelu. Deska panelu obsahuje dvě tlačítka a sedmisegmentový displej, který uživateli umožňuje plynule upravovat výstupní napětí.

Krok 1: Obrázek 1, schematický diagram základní desky AC Dimmer

IC1, D1 a R2 se používají k detekci bodů křížení nuly. Body přechodu nuly jsou pro stmívač střídavého proudu zcela zásadní. IC1 [1] je optočlen, který poskytuje galvanickou izolaci. R1 je pullup odpor, který snižuje šum a umožňuje nám zachytit všechny změny (stoupající i sestupné hrany).

IC3 je triak s hodnocením 25A od ST [2]. Toto vysoké proudové hodnocení nám umožňuje snadno dosáhnout stmívacího výkonu 4 000 W, ale teplota Triaku musí být udržována na nízké úrovni a co nejblíže teplotě místnosti. Pokud máte v úmyslu ovládat vysoké výkonové zátěže, nezapomeňte namontovat velký chladič nebo použít ventilátor k ochlazení součásti. Podle datového listu lze tento Triac použít v různých aplikacích: „Aplikace zahrnují funkci ON/OFF v aplikacích, jako jsou statická relé, regulace topení, spouštěcí obvody indukčních motorů atd., Nebo pro provoz fázové regulace ve stmívačích světla, regulátory otáček motoru a podobné “.

C3 a R6, R4 a C4 jsou tlumiče. Jednoduše řečeno, obvody Snubber se používají ke snížení hluku, ale pro další čtení vezměte v úvahu aplikační poznámku AN437 od ST [3]. IC3 je triak bez tlumení, ale rozhodl jsem se použít i externí tlumící obvody.

IC2 je optoizolátor Triac [4], který se používá k ovládání IC3. Rovněž zajišťuje řádnou galvanickou izolaci. R5 omezuje diodový proud IC2.

IC4 je slavný regulátor napětí AMS1117 3,3 V [5], který zajišťuje napájení obvodů digitálních částí. C1 snižuje vstupní šum a C2 snižuje výstupní šum. P1 je 2kolíkový konektor XH, který slouží k připojení externího napájení k zařízení. Stačí jakékoli vstupní napětí od 5V do 9V.

IC5 je mikrokontrolér STM32F030F4 a srdcem obvodu [6]. Poskytuje všechny pokyny k ovládání zátěže. P2 je samčí záhlaví 2*2, které poskytuje rozhraní pro programování mikrokontroléru prostřednictvím SWD.

R7 a R8 jsou výsuvné odpory pro tlačítka. Proto jsou vstupní piny tlačítka MCU naprogramovány jako aktivní-nízké. C8, C9 a C10 se používají ke snížení hluku podle datového listu MCU. L1, C5, C6 a C7 snižují hlučnost napájení a také vytvářejí LC filtr prvního řádu (Pi), který poskytuje silnější filtrování vstupního šumu.

IDC1 je 2*7 (14 pinů) zástrčka IDC konektoru, která se používá k vytvoření správného spojení mezi základní deskou a deskou panelu prostřednictvím 14pásmového plochého kabelu.

Rozložení DPS [základní deska]

Obrázek 2 ukazuje rozvržení desky plošných spojů základní desky. Jedná se o dvouvrstvý design DPS. Napájecí komponenty jsou průchozí a digitální komponenty jsou SMD.

Krok 2: Obrázek 2, Rozložení DPS na základní desce AC Dimmer

Jak je z obrázku patrné, deska je rozdělena na dvě části a opticky izolována pomocí IC1 a IC2. Také jsem udělal izolační mezeru na DPS pod IC2 a IC3. Silnoproudé dráhy byly posíleny pomocí horní i spodní vrstvy a svázány pomocí Vias. IC3 byl umístěn na okraji desky, takže je snazší namontovat chladič. Neměli byste mít problémy s pájením součástí kromě IC5. Špendlíky jsou tenké a blízko sebe. Měli byste dávat pozor, abyste mezi piny nevytvářeli pájecí můstky.

Použitím průmyslově hodnocených komponentních knihoven SamacSys pro TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] a STM32F030F4 [11] se výrazně zkrátil můj návrhový čas a předešlo se možným chybám. Nedokážu si představit, kolik času jsem ztrácel, pokud jsem měl v úmyslu navrhnout tyto schematické symboly a stopy PCB od nuly. Chcete-li používat knihovny komponent Samacsys, můžete buď použít plugin pro svůj oblíbený software CAD [12], nebo si knihovny stáhnout z vyhledávače komponent. Všechny služby/knihovny komponent SamacSys jsou zdarma. Použil jsem Altium Designer, takže jsem raději použil plugin SamacSys Altium (obrázek 3).

Krok 3: Obrázek 3, vybrané knihovny komponent ze SamacSys Altium Plugin

Obrázek 4 ukazuje 3D pohledy z horní a dolní části desky. Obrázek 5 ukazuje sestavenou desku plošných spojů základní desky z pohledu shora a obrázek 6 ukazuje sestavenou desku plošných spojů základní desky z pohledu zdola. Většina součástí je připájena na vrchní vrstvu. Na spodní vrstvu jsou připájeny čtyři SMD komponenty. Na obrázku 6 je izolační mezera DPS jasná.

Krok 4: Obrázek 4, 3D pohledy z desky plošných spojů

Krok 5: Obrázek 5/6, sestavená základní deska PCB (pohled shora/spodní pohled)

Analýza obvodu [panel] Obrázek 7 ukazuje schematický diagram panelu. SEG1 je dvoumístný multiplexovaný sedmisegmentový společnou katodou.

Krok 6: Obrázek 7, schematický diagram panelu AC Dimmer’s

Rezistory R1 až R7 omezují proud na sedmisegmentové LED diody. IDC1 je konektor IDC 7*2 (14 pinů), takže připojení k základní desce zajišťuje 14vodičový plochý vodič. SW1 a SW2 jsou hmatová tlačítka. P1 a P2 jsou 2kolíkové konektory XH male. Poskytl jsem je uživatelům, kteří mají v úmyslu používat tlačítka na externím panelu místo palubních hmatových tlačítek.

Q1 a Q2 jsou N-kanálové MOSFETy [13], které se používají k zapnutí/vypnutí každé části sedmi segmentů. R8 a R9 jsou stahovací odpory, které drží kolíky hradla MOSFETů nízko, aby se zabránilo nežádoucímu spuštění MOSFETů.

Rozložení DPS [panel]

Obrázek 8 ukazuje rozložení desky plošných spojů na desce plošných spojů. Jedná se o dvouvrstvou desku plošných spojů a všechny komponenty kromě konektoru IDC a hmatových tlačítek jsou SMD.

Krok 7: Obrázek 8, Rozložení DPS na panelu AC Dimmer’s

Kromě sedmi segmentů a tlačítek (pokud nepoužíváte externí tlačítka) jsou na spodní vrstvu připájeny další součásti. Konektor IDC je také připájen na spodní vrstvu.

Stejně jako základní deska jsem pro 2N7002 [14] použil knihovny průmyslových komponent SamacSys (schematický symbol, stopa desky plošných spojů, 3D model) [14]. Obrázek 9 ukazuje plugin Altium a vybranou komponentu, která má být nainstalována do Schematického dokumentu.

Krok 8: Obrázek 9, vybraná součást (2N7002) z pluginu SamacSys Altium

Obrázek 10 ukazuje 3D pohledy z horní a dolní části desky. Obrázek 11 ukazuje pohled shora na sestavenou desku a obrázek 12 ukazuje pohled zespodu na sestavenou desku.

Krok 9: Obrázek 10, 3D pohledy z horní a dolní části panelu

Krok 10: Obrázek 11/12, pohled shora/zdola ze smontovaného panelu

Výsledky Obrázek 13 ukazuje schéma zapojení AC stmívače. Pokud jste zamýšleli zkontrolovat výstupní průběh pomocí osciloskopu, nesmíte připojit zemnící vodič sondy osciloskopu k výstupu stmívače ani nikam do sítě.

Upozornění: Nikdy nepřipojujte sondu osciloskopu přímo k síti. Zemnicí vodič sondy může vytvořit uzavřenou smyčku se síťovým terminálem. To by vyhodilo do povětří vše na cestě, včetně vašeho obvodu, sondy, osciloskopu nebo dokonce vás

Krok 11: Obrázek 13, Schéma zapojení AC stmívače

K překonání tohoto problému máte 3 možnosti. Pomocí diferenciální sondy, pomocí plovoucího osciloskopu (většina osciloskopů je uzemněna), pomocí izolačního transformátoru 220 V-220 V nebo jednoduše použijte levný sestupný transformátor, například 220 V-6 V nebo 220 V-12… atd. Ve videu a na obrázku 11 jsem použil poslední metodu (krokový transformátor) ke kontrole výstupu.

Obrázek 14 ukazuje kompletní jednotku AC stmívače. Spojil jsem dvě desky pomocí 14pásmového plochého drátu.

Krok 12: Obrázek 14, Kompletní digitální AC stmívací jednotka

Obrázek 15 ukazuje body křížení nuly a čas zapnutí/vypnutí triaku. Jak je zřejmé, obě stoupající/klesající hrany pulsu byly považovány za takové, které nebudou čelit žádnému blikání a nestabilitě.

Krok 13: Obrázek 15, Nulové body přechodu (fialová křivka)

Krok 14: Kusovník

Pro C3 a C4 je lepší použít kondenzátory o jmenovité hodnotě 630V.

Krok 15: Reference

Článek:

[1]: TLP521 Datový list:

[2]: Datový list BTA26:

[3]: AN437, ST Application Note:

[4]: Datový list MOC3021:

[5]: Datový list AMS1117-3.3:

[6]: Datový list STM32F030F4:

[7]: Schematický symbol a stopa desky plošných spojů TLP521:

[8]: Schematický symbol a stopa desky plošných spojů MOC3021:

[9]: Schematický symbol a stopa PCB BTA26-600:

[10]: Schematický symbol a stopa desky plošných spojů AMS1117-3.3:

[11]: Schematický symbol a stopa desky plošných spojů STM32F030F4:

[12]: Elektronické CAD doplňky:

[13]: 2N7002 Datasheet:

[14]: Schematický symbol a stopa desky plošných spojů 2N7002: