Výkonný digitálny stmievač striedavého prúdu s použitím STM32: 15 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:55

Hesam Moshiri, [email protected]

AC záťaže žijú s nami! Pretože sú všade okolo nás a prinajmenšom domáce spotrebiče sú napájané zo siete. Mnoho typov priemyselných zariadení je napájaných aj z jednofázového 220V-AC. Preto sa často stretávame so situáciami, kedy potrebujeme mať plnú kontrolu (stmievanie) nad striedavým zaťažením, ako je lampa, striedavý motor, vysávač, vŕtačka, atď. Mali by sme vedieť, že ovládanie striedavého zaťaženia nie je také jednoduché ako DC záťaž. Musíme použiť iný elektronický obvod a stratégiu. Navyše, ak je AC stmievač navrhnutý digitálne, považuje sa to za časovo kritickú aplikáciu a kód mikrokontroléra musí byť napísaný starostlivo a efektívne. V tomto článku som predstavil izolovaný 4000W digitálny stmievač striedavého prúdu, ktorý sa skladá z dvoch častí: základnej dosky a panelu. Panelová doska obsahuje dve tlačidlá a sedemsegmentový displej, ktorý umožňuje užívateľovi plynulo nastaviť výstupné napätie.

Krok 1: Obrázok 1, schematický diagram základnej dosky AC Dimmer

Na detekciu bodov prechodu nulou sa používajú IC1, D1 a R2. Body prechodu nulou sú pre AC stmievač celkom nevyhnutné. IC1 [1] je optočlen, ktorý poskytuje galvanickú izoláciu. R1 je vyťahovací odpor, ktorý znižuje šum a umožňuje nám zachytiť všetky zmeny (stúpajúce aj klesajúce hrany).

IC3 je triak s certifikáciou 25A od ST [2]. Toto vysoké prúdové hodnotenie nám umožňuje ľahko dosiahnuť 4000 W stmievacieho výkonu, teplotu Triaku však musíte udržiavať na nízkej úrovni a čo najbližšie k teplote miestnosti. Ak máte v úmysle ovládať vysoké výkonové záťaže, nezabudnite namontovať veľký chladič alebo na ochladenie komponentu použiť ventilátor. Podľa technického listu je možné tento Triac použiť v rôznych aplikáciách: „Aplikácie zahŕňajú funkciu ON/OFF v aplikáciách, ako sú statické relé, regulácia vykurovania, štartovacie obvody indukčného motora atď., Alebo na ovládanie fázovej prevádzky v stmievačoch svetla „regulátory otáčok motora a podobné“.

C3 a R6, R4 a C4 sú snubbers. Jednoducho povedané, obvody Snubber sa používajú na zníženie šumu, ale pre ďalšie čítanie vezmite do úvahy aplikačnú poznámku AN437 od ST [3]. IC3 je triak bez tlmenia, rozhodol som sa však použiť aj externé tlmiace obvody.

IC2 je optoizolátor Triac [4], ktorý sa používa na kontrolu IC3. Poskytuje tiež správnu galvanickú izoláciu. R5 obmedzuje diódový prúd IC2.

IC4 je slávny regulátor napätia AMS1117 3,3 V [5], ktorý poskytuje napájanie obvodov digitálnych častí. C1 znižuje vstupný šum a C2 znižuje výstupný šum. P1 je 2 -kolíkový konektor XH, ktorý sa používa na pripojenie externého napájania k zariadeniu. Stačí akékoľvek vstupné napätie od 5V do 9V.

IC5 je mikrokontrolér STM32F030F4 a je srdcom obvodu [6]. Poskytuje všetky pokyny na ovládanie záťaže. P2 je hlavička 2*2 male, ktorá poskytuje rozhranie na programovanie mikrokontroléra prostredníctvom SWD.

R7 a R8 sú výsuvné odpory pre tlačidlá. Preto sú vstupné kolíky tlačidiel MCU naprogramované ako aktívne-nízke. C8, C9 a C10 sa používajú na zníženie hluku podľa technického listu MCU. L1, C5, C6 a C7 znižujú šum dodávok a tiež stavajú LC filter prvého rádu (Pi), ktorý poskytuje silnejšie filtrovanie vstupného šumu.

IDC1 je 2 x 7 (14 kolíkov) konektor IDC, ktorý sa používa na správne prepojenie medzi základnou doskou a doskou panela pomocou 14-smerného plochého kábla.

Rozloženie PCB [základná doska]

Obrázok 2 zobrazuje rozloženie DPS na základnej doske. Jedná sa o dvojvrstvový dizajn DPS. Napájacie komponenty sú priechodné a digitálne komponenty sú SMD.

Krok 2: Obrázok 2, Rozloženie PCB na základnej doske AC Dimmer

Ako je zrejmé z obrázku, doska je rozdelená na dve časti a opticky izolované pomocou IC1 a IC2. Tiež som urobil izolačnú medzeru na doske plošných spojov pod IC2 a IC3. Vysokonapäťové koľaje boli spevnené hornou aj dolnou vrstvou a zviazané pomocou Vias. IC3 bol umiestnený na okraji dosky, takže je jednoduchšie namontovať chladič. S spájkovaním súčiastok by ste nemali mať problémy s výnimkou IC5. Špendlíky sú tenké a blízko seba. Mali by ste dávať pozor, aby ste medzi kolíkmi nerobili spájkovacie mostíky.

Použitím priemyselne hodnotených knižníc komponentov SamacSys pre TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] a STM32F030F4 [11] sa výrazne skrátil čas návrhu a predišlo sa možným chybám. Neviem si predstaviť, koľko času som strácala, ak som mala v úmysle navrhnúť tieto schematické symboly a stopy PCB od začiatku. Ak chcete používať knižnice komponentov Samacsys, môžete buď použiť doplnok pre svoj obľúbený softvér CAD [12], alebo si ich stiahnuť z vyhľadávacieho nástroja komponentov. Všetky služby/knižnice komponentov SamacSys sú bezplatné. Použil som Altium Designer, preto som radšej použil doplnok SamacSys Altium (obrázok 3).

Krok 3: Obrázok 3, vybrané knižnice komponentov z doplnku SamacSys Altium Plugin

Obrázok 4 zobrazuje 3D pohľady zhora a zospodu dosky. Obrázok 5 zobrazuje zostavenú DPS základnej dosky z pohľadu zhora a obrázok 6 zobrazuje zostavenú DPS základnej dosky z pohľadu zdola. Väčšina komponentov je spájkovaná na vrchnú vrstvu. Na spodnú vrstvu sú spájkované štyri súčiastky SMD. Na obrázku 6 je izolačná medzera PCB jasná.

Krok 4: Obrázok 4, 3D pohľady z dosky plošných spojov

Krok 5: Obrázok 5/6, zostavená doska plošných spojov (pohľad zhora/pohľad zdola)

Analýza obvodu [panel] Obrázok 7 zobrazuje schematický diagram panelu. SEG1 je dvojčíselný multiplexovaný sedemsegmentový spoločnou katódou.

Krok 6: Obrázok 7, schematický diagram panelu stmievača AC

Rezistory R1 až R7 obmedzujú prúd na sedemsegmentové diódy LED. IDC1 je konektor IDC 7 x 2 (14 pinov), takže pripojenie k základnej doske zaisťuje 14-pólový plochý vodič. SW1 a SW2 sú hmatateľné tlačidlá. P1 a P2 sú 2-kolíkové zástrčky XH. Poskytol som ich pre používateľov, ktorí majú v úmysle používať tlačidlá externých panelov namiesto palubných hmatových tlačidiel.

Q1 a Q2 sú N-kanálové MOSFETy [13], ktoré sa používajú na zapnutie/vypnutie každej časti sedemsegmentového segmentu. R8 a R9 sú výsuvné odpory, ktoré držia kolíky brány MOSFET nízko, aby sa zabránilo nechcenému spusteniu MOSFETov.

Rozloženie DPS [panel]

Obrázok 8 zobrazuje rozloženie DPS panelovej dosky. Je to dvojvrstvová doska plošných spojov a všetky komponenty okrem konektora IDC a hmatových tlačidiel sú SMD.

Krok 7: Obrázok 8, Rozloženie PCB na doske AC Dimmer

Okrem siedmich segmentov a tlačidiel (ak nepoužívate externé tlačidlá) sú ostatné komponenty spájkované na spodnej vrstve. Konektor IDC je tiež spájkovaný so spodnou vrstvou.

Rovnako ako základnú dosku, aj pre 2N7002 som použil knižnice priemyselných komponentov SamacSys (schematický symbol, pôdorys PCB, 3D model) [14]. Obrázok 9 zobrazuje doplnok Altium a vybraný komponent, ktorý sa má nainštalovať do schematického dokumentu.

Krok 8: Obrázok 9, vybraný komponent (2N7002) z doplnku SamacSys Altium Plugin

Obrázok 10 zobrazuje 3D pohľady zhora a zospodu na doske. Obrázok 11 zobrazuje pohľad zhora na zostavenú dosku a obrázok 12 zobrazuje pohľad zdola na zostavenú dosku.

Krok 9: Obrázok 10, 3D pohľady z hornej a spodnej časti panelovej dosky

Krok 10: Obrázok 11/12, pohľad zhora/zdola zo zostavenej tabule

Výsledky Na obrázku 13 je schéma zapojenia stmievača striedavého prúdu. Ak ste chceli skontrolovať výstupný priebeh vlny pomocou osciloskopu, nesmiete pripojiť uzemňovací vodič sondy osciloskopu k výstupu stmievača ani nikde v elektrickej sieti.

Upozornenie: Nikdy nepripájajte sondu osciloskopu priamo k elektrickej sieti. Uzemňovací vodič sondy môže vytvoriť uzavretú slučku so sieťovým terminálom. Vybuchne všetko, čo je v ceste, vrátane vášho obvodu, sondy, osciloskopu alebo dokonca vás

Krok 11: Obrázok 13, Schéma zapojenia stmievača striedavého prúdu

Na vyriešenie tohto problému máte 3 možnosti. Pomocou diferenciálnej sondy pomocou plávajúceho osciloskopu (väčšina osciloskopov sa odvoláva na uzemnenie), izolačného transformátora 220 V-220 V alebo jednoducho použite lacný zostupný transformátor, ako napríklad 220 V-6 V alebo 220 V-12… atď. Na videu a obrázku 11 som použil poslednú metódu (transformátor typu step-down) na kontrolu výstupu.

Obrázok 14 zobrazuje kompletnú jednotku AC stmievača. Pripojil som dve dosky pomocou 14-pólového plochého drôtu.

Krok 12: Obrázok 14, Kompletná digitálna jednotka AC stmievača

Obrázok 15 zobrazuje body kríženia nuly a čas zapnutia/vypnutia triaku. Ako je zrejmé, stúpajúca/klesajúca hrana impulzu sa považovala za takú, ktorá nebude čeliť žiadnemu blikaniu a nestabilite.

Krok 13: Obrázok 15, Nulové body prechodu (purpurový priebeh)

Krok 14: Kusovník

Pre C3 a C4 je lepšie použiť kondenzátory s výkonom 630 V.

Krok 15: Referencie

Článok:

[1]: Technický list TLP521:

[2]: Technický list BTA26:

[3]: AN437, Poznámka k aplikácii ST:

[4]: Technický list MOC3021:

[5]: AMS1117-3.3 Datasheet:

[6]: Technický list STM32F030F4:

[7]: Schematický symbol a stopa plošných spojov TLP521:

[8]: Schematický symbol a stopa plošných spojov MOC3021:

[9]: Schematický symbol a stopa plošných spojov BTA26-600:

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

[11]: Schematický symbol a stopa plošných spojov STM32F030F4:

[12]: Elektronické CAD doplnky:

[13]: 2N7002 Datasheet:

[14]: Schematický symbol a stopa plošných spojov 2N7002: