Мощен цифров променлив димер с помощта на STM32: 15 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:49

От Hesam Moshiri, [email protected]

AC натоварванията живеят с нас! Защото те са навсякъде около нас и поне домакинските уреди се захранват от електрическата мрежа. Много видове промишлено оборудване също се захранват с еднофазен 220V-AC. Затова често се сблъскваме със ситуации, при които трябва да имаме пълен контрол (затъмняване) върху променливотоковото натоварване, като например лампа, променливотоков двигател, прахосмукачка, бормашина и т.н. толкова просто, колкото постоянен товар. Трябва да използваме различна електронна схема и стратегия. Освен това, ако променливотоковият димер е проектиран цифрово, той се счита за критично за времето приложение и кодът на микроконтролера трябва да бъде написан внимателно и ефективно. В тази статия представих изолиран 4000 W цифров променливотоков димер, който се състои от две части: дънната платка и панела. Панелът предлага два бутона за натискане и седемсегментен дисплей, който позволява на потребителя да регулира плавно изходното напрежение.

Стъпка 1: Фигура 1, Схематична диаграма на дънната платка на AC Dimmer

IC1, D1 и R2 се използват за откриване на точки на пресичане на нулата. Точките на пресичане на нулата са доста важни за AC димер. IC1 [1] е оптрон, който осигурява галванична изолация. R1 е издърпващ резистор, който намалява шума и ни позволява да улавяме всички промени (както нарастващи, така и падащи ръбове).

IC3 е триак с рейтинг 25A от ST [2]. Този висок ток ни позволява лесно да достигнем 4000W мощност на затъмняване, но температурата на триака трябва да се поддържа ниска и възможно най -близо до температурата в помещението. Ако възнамерявате да контролирате натоварванията с висока мощност, не забравяйте да монтирате голям радиатор или да използвате вентилатор, за да охладите компонента. Според листа с данни този Triac може да се използва в различни приложения: „Приложенията включват функцията ON/OFF в приложения като статични релета, регулиране на отоплението, пускови вериги на асинхронния двигател и т.н., или за работа по фазово управление в димери за светлина, регулатори на скоростта на двигателя и други подобни”.

C3 и R6, R4 и C4 са гасители. Просто казано, Snubber веригите се използват за намаляване на шума, но за повече четене, моля, помислете за бележката за приложението AN437 от ST [3]. IC3 е Triac без snubber, но реших да използвам и външни схеми за заглушаване.

IC2 е оптоизолаторен триак [4], който се използва за управление на IC3. Освен това прави правилната галванична изолация. R5 ограничава диодния ток на IC2.

IC4 е известният AMS1117 3.3V регулатор на напрежение [5], който осигурява захранването за цифровите вериги на части. C1 намалява входния шум, а C2 намалява изходния шум. P1 е 2 -пинов мъжки XH конектор, който се използва за свързване на външното захранване към устройството. Всяко входно напрежение от 5V до 9V е достатъчно.

IC5 е микроконтролерът STM32F030F4 и сърцевината на веригата [6]. Той предоставя всички инструкции за контрол на товара. P2 е 2*2 мъжка заглавка, която осигурява интерфейс за програмиране на микроконтролера чрез SWD.

R7 и R8 са издърпващи резистори за бутоните. Следователно входните щифтове на бутоните на MCU са програмирани като активно-ниско. C8, C9 и C10 се използват за намаляване на шума според листа с данни на MCU. L1, C5, C6 и C7 намаляват шума на захранването, също така изграждат LC филтър от първи ред (Pi), за да осигурят по -силно филтриране на входния шум.

IDC1 е 2*7 (14 пина) мъжки IDC конектор, който се използва за правилна връзка между дънната платка и панелната платка чрез 14-пътен плосък кабел.

Разположение на печатни платки [дънна платка]

Фигура-2 показва оформлението на платката на дънната платка. Това е двуслоен дизайн на печатни платки. Захранващите компоненти са с отвор, а цифровите компоненти са SMD.

Стъпка 2: Фигура 2, Разположение на печатни платки на дънната платка на AC Dimmer

Както е ясно на изображението, платката е разделена на две части и оптично изолирана с помощта на IC1 и IC2. Направих и изолация на PCB, под IC2 и IC3. Високотоковите носещи коловози са подсилени с помощта на горния и долния слой и са свързани с Vias. IC3 е поставен на ръба на платката, така че е по -лесно да се монтира радиатор. Не трябва да имате затруднения при запояване на компонентите, с изключение на IC5. Щифтовете са тънки и близки един до друг. Трябва да внимавате да не правите споени мостове между щифтовете.

Използването на библиотеки за компоненти SamacSys с промишлен клас за TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] и STM32F030F4 [11], значително намали времето ми за проектиране и предотврати възможни грешки. Не мога да си представя колко време губя, ако възнамерявах да проектирам тези схематични символи и печатни платки от нулата. За да използвате библиотеките на компонентите на Samacsys, можете или да използвате приставка за любимия си CAD софтуер [12], или да изтеглите библиотеките от търсачката на компоненти. Всички услуги/библиотеки на компоненти на SamacSys са безплатни. Използвах Altium Designer, затова предпочетох да използвам плъгина SamacSys Altium (Фигура 3).

Стъпка 3: Фигура 3, Избрани библиотеки на компоненти от плъгина SamacSys Altium

Фигура 4 показва 3D изгледи отгоре и отдолу на дъската. Фигура 5 показва сглобената платка на дънната платка от изглед отгоре, а фигура 6 показва сглобената платка на дънната платка от изглед отдолу. По -голямата част от компонентите са запоени върху горния слой. Четири SMD компонента са запоени на долния слой. На фигура 6 изолационната пропаст на печатната платка е ясна.

Стъпка 4: Фигура 4, 3D изгледи от печатната платка

Стъпка 5: Фигура 5/6, Сглобена платка на дънната платка (изглед отгоре/изглед отдолу)

Анализ на вериги [панел] Фигура 7 показва схематичната диаграма на панела. SEG1 е двуцифрен мултиплексиран седем сегмент с общ катод.

Стъпка 6: Фигура 7, Схематична диаграма на панела на AC Dimmer

Резисторите R1 до R7 ограничават тока до седемсегментните светодиоди. IDC1 е 7*2 (14 пина) мъжки IDC конектор, така че 14-пътен плосък проводник осигурява връзката към дънната платка. SW1 и SW2 са тактилни бутони. P1 и P2 са 2-пинови XH мъжки конектори. Предоставих ги за потребителите, които възнамеряват да използват бутони на външен панел вместо вградени тактилни бутони.

Q1 и Q2 са N-Channel MOSFETs [13], които се използват за включване/изключване на всяка част от седемте сегмента. R8 и R9 са издърпващи се резистори, които държат щифтовете на портата на MOSFET ниско, за да се предотврати нежеланото задействане на MOSFET.

Разположение на печатни платки [панел]

Фигура 8 показва разпределението на печатната платка на панела. Това е двуслойна печатна платка и всички компоненти с изключение на IDC конектора и тактилните бутони са SMD.

Стъпка 7: Фигура 8, Разположение на печатни платки на панела на AC Dimmer

С изключение на седем сегмента и бутони (ако не използвате външни бутони), други компоненти са запоени на долния слой. IDC конекторът също е запоен върху долния слой.

Подобно на дънната платка, използвах библиотеките за промишлени компоненти на SamacSys (схематичен символ, отпечатък на печатни платки, 3D модел) за 2N7002 [14]. Фигура 9 показва приставката Altium и избрания компонент, който трябва да бъде инсталиран в документа на схемата.

Стъпка 8: Фигура 9, Избран компонент (2N7002) От плъгина SamacSys Altium

Фигура 10 показва 3D изгледи отгоре и отдолу на панела. Фигура 11 показва изглед отгоре от сглобената плоскост, а фигура 12 показва изглед отдолу от сглобената плоскост.

Стъпка 9: Фигура 10, 3D изгледи отгоре и отдолу на панела

Стъпка 10: Фигура 11/12, изглед отгоре/отдолу от сглобения панел

Резултати Фигура 13 показва схемата на свързване на AC Dimmer. Ако сте възнамерявали да проверите изходната форма на вълната с помощта на осцилоскоп, не трябва да свързвате заземяващия проводник на сондата на осцилоскопа към изхода на димера или никъде по мрежата.

Внимание: Никога не свързвайте осцилоскопската си сонда директно към електрическата мрежа. Заземяващият проводник на сондата може да изгради затворен контур с мрежовия терминал. Това ще взриви всичко по пътя, включително вашата верига, сонда, осцилоскоп или дори себе си

Стъпка 11: Фигура 13, Схема на свързване на променливотоковия димер

За да преодолеете този проблем, имате 3 възможности. Използвайки диференциална сонда, използвайки плаващ осцилоскоп (по-голямата част от осцилоскопите са заземени), използвайки изолационен трансформатор 220V-220V или просто просто използвайте евтин понижаващ трансформатор, като 220V-6V или 220V-12V … и т.н. Във видеото и фигура-11 използвах последния метод (понижаващ трансформатор), за да проверя изхода.

Фигура 14 показва пълния модул на димер за променлив ток. Свързах две платки, използвайки 14-пътен плосък проводник.

Стъпка 12: Фигура 14, цялостен цифров модул за димер за променлив ток

Фигура 15 показва точките на пресичане на нулата и времето за включване/изключване на триака. Както е ясно, се смята, че и нарастващият/спадащият ръб на импулса не е изправен пред трептене и нестабилност.

Стъпка 13: Фигура 15, нулеви точки на пресичане (лилавата форма на вълната)

Стъпка 14: Справка за материалите

По -добре е да използвате кондензатори с номинал 630V за C3 и C4.

Стъпка 15: Препратки

Статия:

[1]: TLP521 лист с данни:

[2]: Информационен лист на BTA26:

[3]: AN437, ST Забележка за приложението:

[4]: Информационен лист MOC3021:

[5]: AMS1117-3.3 Информационен лист:

[6]: Лист с данни STM32F030F4:

[7]: Схематичен символ и печатна платка на TLP521:

[8]: Схематичен символ и печатна платка на MOC3021:

[9]: Схематичен символ и печатна платка на BTA26-600:

[10]: Схематичен символ и печатна платка на AMS1117-3.3:

[11]: Схематичен символ и печатна платка на STM32F030F4:

[12]: Електронни CAD приставки:

[13]: 2N7002 Информационен лист:

[14]: Схематичен символ и печатна платка на 2N7002: