Potężny cyfrowy ściemniacz prądu przemiennego przy użyciu STM32: 15 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:26

Autor: Hesam Moshiri, [email protected]

Obciążenia AC mieszkają z nami! Ponieważ są wszędzie wokół nas i przynajmniej sprzęt AGD jest zasilany z sieci. Wiele typów urządzeń przemysłowych jest również zasilanych napięciem jednofazowym 220V-AC. Dlatego często spotykamy się z sytuacjami, w których musimy mieć pełną kontrolę (ściemnianie) nad obciążeniem AC, takim jak lampa, silnik AC, odkurzacz, wiertarka itp. Powinniśmy wiedzieć, że sterowanie obciążeniem AC nie jest tak proste, jak obciążenie DC. Musimy użyć innego obwodu elektronicznego i strategii. Co więcej, jeśli ściemniacz AC zaprojektowany cyfrowo, jest uważany za aplikację, w której czas ma krytyczne znaczenie, a kod mikrokontrolera musi być napisany starannie i wydajnie. W tym artykule przedstawiłem izolowany cyfrowy ściemniacz AC o mocy 4000 W, który składa się z dwóch części: płyty głównej i panelu. Płyta rozdzielcza zawiera dwa przyciski i siedmiosegmentowy wyświetlacz, który pozwala użytkownikowi płynnie regulować napięcie wyjściowe.

Krok 1: Rysunek 1, Schemat ideowy płyty głównej ściemniacza AC

IC1, D1 i R2 służą do wykrywania punktów przejścia przez zero. Punkty przejścia przez zero są dość istotne dla ściemniacza AC. IC1 [1] to transoptor zapewniający izolację galwaniczną. R1 to rezystor podciągający, który redukuje szumy i pozwala na uchwycenie wszystkich zmian (zarówno narastających, jak i opadających zboczy).

IC3 to triak o obciążalności 25A firmy ST [2]. Ten wysoki prąd pozwala nam łatwo osiągnąć moc ściemniania 4000 W, jednak temperatura triaka musi być utrzymywana na niskim poziomie i jak najbliżej temperatury pomieszczenia. Jeśli zamierzasz kontrolować obciążenia o dużej mocy, nie zapomnij zamontować dużego radiatora lub użyć wentylatora, aby schłodzić komponent. Zgodnie z arkuszem danych, ten triak może być używany w różnych aplikacjach: „Zastosowania obejmują funkcję włączania/wyłączania w aplikacjach takich jak przekaźniki statyczne, regulacja ogrzewania, obwody rozruchowe silników indukcyjnych itp. lub do sterowania fazami w ściemniaczach światła, regulatory prędkości silnika i tym podobne”.

C3 i R6, R4 i C4 są tłumikami. Mówiąc prościej, obwody tłumiące są używane do redukcji szumów, jednak aby uzyskać więcej informacji, zapoznaj się z notą aplikacyjną AN437 z ST [3]. IC3 jest triakiem bez tłumika, jednak zdecydowałem się również na użycie zewnętrznych obwodów tłumiących.

IC2 to triak optoizolatora [4], który służy do sterowania IC3. Zapewnia również odpowiednią izolację galwaniczną. R5 ogranicza prąd diody IC2.

IC4 to słynny regulator napięcia AMS1117 3,3 V [5], który zapewnia zasilanie dla obwodów części cyfrowych. C1 zmniejsza szum wejściowy, a C2 zmniejsza szum wyjściowy. P1 to 2-pinowe męskie złącze XH, które służy do podłączenia zewnętrznego zasilania do urządzenia. Wystarczy dowolne napięcie wejściowe od 5V do 9V.

IC5 to mikrokontroler STM32F030F4 i serce układu [6]. Zawiera wszystkie instrukcje dotyczące kontroli obciążenia. P2 to męskie złącze 2*2, które zapewnia interfejs do programowania mikrokontrolera przez SWD.

R7 i R8 to rezystory podciągające dla przycisków. Dlatego piny wejściowe przycisku MCU są zaprogramowane jako aktywne-niskie. C8, C9 i C10 służą do redukcji hałasu zgodnie z arkuszem danych MCU. L1, C5, C6 i C7 zmniejszają szum zasilania, a także budują filtr LC pierwszego rzędu (Pi), aby zapewnić silniejsze filtrowanie szumu wejściowego.

IDC1 to męskie złącze IDC 2*7 (14 pinów), które służy do prawidłowego połączenia między płytą główną a płytą centrali za pomocą 14-stykowego płaskiego kabla.

Układ PCB [płyta główna]

Rysunek 2 przedstawia układ PCB płyty głównej. Jest to dwuwarstwowa konstrukcja PCB. Komponenty mocy są przewlekane, a komponenty cyfrowe to SMD.

Krok 2: Rysunek 2, Układ PCB płyty głównej ściemniacza AC

Jak widać na obrazku, płytka jest podzielona na dwie części i optycznie izolowana za pomocą IC1 i IC2. Zrobiłem też szczelinę izolacyjną na płytce drukowanej, pod IC2 i IC3. Tory przenoszące prąd o wysokim natężeniu zostały wzmocnione zarówno górną, jak i dolną warstwą i związane za pomocą Vias. IC3 został umieszczony na krawędzi płytki, dzięki czemu łatwiej jest zamontować radiator. Nie powinieneś mieć trudności z lutowaniem elementów z wyjątkiem IC5. Szpilki są cienkie i blisko siebie. Należy uważać, aby nie tworzyć mostków lutowniczych między pinami.

Korzystanie z przemysłowych bibliotek komponentów SamacSys dla TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] i STM32F030F4 [11] znacznie skróciło mój czas projektowania i zapobiegło możliwym błędom. Nie wyobrażam sobie, ile czasu marnowałbym, gdybym zamierzał zaprojektować te schematyczne symbole i odciski PCB od podstaw. Aby korzystać z bibliotek komponentów Samacsys, możesz użyć wtyczki do swojego ulubionego oprogramowania CAD [12] lub pobrać biblioteki z wyszukiwarki komponentów. Wszystkie usługi/biblioteki komponentów SamacSys są bezpłatne. Użyłem Altium Designer, więc wolałem użyć wtyczki SamacSys Altium (rysunek 3).

Krok 3: Rysunek 3, wybrane biblioteki komponentów z wtyczki SamacSys Altium

Rysunek 4 przedstawia widoki 3D od góry i od dołu tablicy. Rysunek 5 przedstawia zmontowaną płytkę PCB płyty głównej w widoku z góry, a rysunek 6 przedstawia zmontowaną płytkę PCB płyty głównej w widoku od dołu. Większość elementów jest lutowana na wierzchniej warstwie. W dolnej warstwie przylutowane są cztery elementy SMD. Na rysunku 6 luka izolacyjna PCB jest wyraźna.

Krok 4: Rysunek 4, Widoki 3D z płytki PCB

Krok 5: Rysunek 5/6, Zmontowana płytka PCB płyty głównej (widok z góry/widok z dołu)

Analiza obwodu [panel]Rysunek 7 przedstawia schemat ideowy panelu. SEG1 to dwucyfrowy, siedmiosegmentowy multipleksowany ze wspólną katodą.

Krok 6: Rysunek 7, Schematyczny Schemat Panelu Ściemniacza AC

Rezystory R1 do R7 ograniczają prąd do siedmiosegmentowych diod LED. IDC1 to męskie złącze IDC 7*2 (14 pinów), więc 14-stykowy płaski przewód zapewnia połączenie z płytą główną. SW1 i SW2 to przyciski dotykowe. P1 i P2 to 2-stykowe męskie złącza XH. Udostępniłem je użytkownikom, którzy zamierzają używać przycisków na panelu zewnętrznym zamiast przycisków dotykowych na płycie.

Q1 i Q2 to tranzystory MOSFET z kanałem N [13], które służą do włączania/wyłączania każdej części siedmiosegmentu. R8 i R9 to rezystory pull-down, które utrzymują szpilki bramki tranzystorów MOSFET na niskim poziomie, aby zapobiec niepożądanemu wyzwalaniu tranzystorów MOSFET.

Układ PCB [panel]

Rysunek 8 przedstawia układ PCB tablicy rozdzielczej. Jest to dwuwarstwowa płytka PCB, a wszystkie elementy oprócz złącza IDC i przycisków dotykowych są SMD.

Krok 7: Rysunek 8, Układ PCB panelu sterowania ściemniacza AC

Poza siedmiosegmentem i przyciskami (jeśli nie używasz zewnętrznych przycisków), pozostałe elementy są lutowane na spodniej warstwie. Złącze IDC jest również przylutowane na spodniej warstwie.

Podobnie jak płyta główna, użyłem bibliotek komponentów przemysłowych SamacSys (symbol schematu, obrys PCB, model 3D) dla 2N7002 [14]. Rysunek 9 pokazuje wtyczkę Altium i wybrany komponent do zainstalowania w dokumencie Schematic.

Krok 8: Rysunek 9, wybrany komponent (2N7002) z wtyczki SamacSys Altium

Rysunek 10 przedstawia widoki 3D od góry i od dołu tablicy rozdzielczej. Figura 11 przedstawia widok z góry zmontowanej płyty panelowej, a figura 12 przedstawia widok z dołu zmontowanej płyty panelowej.

Krok 9: Rysunek 10, Widoki 3D od góry i od dołu panelu rozdzielczego

Krok 10: Rysunek 11/12, widok z góry/dołu ze zmontowanej tablicy rozdzielczej

Wyniki Rysunek 13 przedstawia schemat połączeń ściemniacza AC. Jeśli zamierzasz sprawdzić kształt fali wyjściowej za pomocą oscyloskopu, nie możesz podłączać przewodu uziemiającego sondy oscyloskopowej do wyjścia ściemniacza lub nigdzie w sieci.

Uwaga: Nigdy nie podłączaj sondy oscyloskopowej bezpośrednio do sieci. Przewód uziemiający sondy może utworzyć zamkniętą pętlę z zaciskiem sieciowym. Wysadziłoby wszystko na ścieżce, w tym obwód, sondę, oscyloskop, a nawet ciebie

Krok 11: Rysunek 13, Schemat połączeń ściemniacza AC

Aby rozwiązać ten problem, masz 3 opcje. Używając sondy różnicowej, używając pływającego oscyloskopu (większość oscyloskopów jest z uziemieniem), używając transformatora izolującego 220V-220V lub po prostu użyj taniego transformatora obniżającego napięcie, takiego jak 220V-6V lub 220V-12V… itd. W filmie i na rysunku 11 użyłem ostatniej metody (transformator obniżający napięcie), aby sprawdzić wyjście.

Rysunek 14 przedstawia kompletną jednostkę ściemniacza AC. Połączyłem dwie płytki za pomocą 14-żyłowego płaskiego przewodu.

Krok 12: Rysunek 14, kompletny cyfrowy ściemniacz AC

Rysunek 15 pokazuje punkty przejścia przez zero i czas włączenia/wyłączenia triaka. Jak widać, uznano, że zarówno narastająca, jak i opadająca krawędź impulsu nie napotyka na migotanie i niestabilność.

Krok 13: Rysunek 15, Punkty przejścia przez zero (fioletowy przebieg)

Krok 14: Zestawienie materiałów

Lepiej jest używać kondensatorów o napięciu znamionowym 630V dla C3 i C4.

Krok 15: Referencje

Artykuł:

[1]: Karta katalogowa TLP521:

[2]: Arkusz danych BTA26:

[3]: AN437, nota aplikacyjna ST:

[4]: Arkusz danych MOC3021:

[5]: Arkusz danych AMS1117-3.3:

[6]: Karta katalogowa STM32F030F4:

[7]: Schematyczny symbol i ślad płytki drukowanej TLP521:

[8]: Schematyczny symbol i ślad PCB MOC3021:

[9]: Schematyczny symbol i ślad PCB BTA26-600:

[10]: Schematyczny symbol i obrys PCB AMS1117-3.3:

[11]: Schematyczny symbol i ślad PCB STM32F030F4:

[12]: Elektroniczne wtyczki CAD:

[13]: Karta katalogowa 2N7002:

[14]: Schematyczny symbol i obrys PCB 2N7002: