Moćni digitalni prigušivač naizmjenične struje pomoću STM32: 15 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:04

Autor Hesam Moshiri, [email protected]

AC opterećenja žive s nama! Zato što su posvuda oko nas i barem se kućanski aparati napajaju iz električne mreže. Mnoge vrste industrijske opreme također se napajaju jednofaznim 220V-AC. Stoga se često susrećemo sa situacijama da moramo imati potpunu kontrolu (zatamnjivanje) nad izmjeničnim opterećenjem, poput svjetiljke, motora naizmjenične struje, usisavača, bušilice, itd. Itd. Trebamo znati da kontrola opterećenja izmjeničnom strujom nije jednostavno kao istosmjerno opterećenje. Moramo koristiti drugačije elektroničko kolo i strategiju. Štoviše, ako je prigušivač izmjenične struje digitalno dizajniran, smatra se vremenski kritičnom aplikacijom, a kod mikrokontrolera mora biti napisan pažljivo i efikasno. U ovom članku predstavio sam izolirani digitalni izmjenjivač naizmjenične struje od 4000 W koji se sastoji od dva dijela: matične ploče i ploče. Ploča na ploči nudi dva tastera i sedmo-segmentni ekran koji korisniku omogućava glatko podešavanje izlaznog napona.

Korak 1: Slika 1, shematski dijagram matične ploče prigušivača naizmjenične struje

IC1, D1 i R2 se koriste za detekciju nultih križnih točaka. Tačke ukrštanja nule su vrlo bitne za AC prigušivač. IC1 [1] je optička sprega koja osigurava galvansku izolaciju. R1 je pullup otpornik koji smanjuje buku i omogućava nam da zabilježimo sve promjene (i rastuće i padajuće rubove).

IC3 je Triac s ocjenom 25A iz ST [2]. Ova visoka struja omogućuje nam da lako postignemo snagu zatamnjenja od 4000 W, međutim, temperatura triaka mora biti niska i što bliža sobnoj temperaturi. Ako namjeravate kontrolirati velika opterećenja, ne zaboravite montirati veliki hladnjak ili koristiti ventilator za hlađenje komponente. Prema tehničkom listu, ovaj se Triac može koristiti u raznim aplikacijama: „Aplikacije uključuju funkciju ON/OFF u aplikacijama kao što su statički releji, regulacija grijanja, krugovi pokretanja indukcijskog motora itd., Ili za rad faze upravljanja u prigušivačima svjetla, regulatori brzine motora i slično”.

C3 i R6, R4 i C4 su prigušivači. Jednostavno rečeno, Snubber kola se koriste za smanjenje buke, međutim za više čitanja razmotrite napomenu o primjeni AN437 iz ST [3]. IC3 je triac bez snubera, međutim, odlučio sam koristiti i vanjske snubberske krugove.

IC2 je optički izolator Triac [4] koji se koristi za kontrolu IC3. Takođe čini odgovarajuću galvansku izolaciju. R5 ograničava diodnu struju IC2.

IC4 je poznati AMS1117 regulator napona od 3,3 V [5] koji osigurava napajanje za krugove digitalnih dijelova. C1 smanjuje ulaznu buku, a C2 smanjuje izlaznu buku. P1 je 2 -pinski muški XH konektor koji se koristi za spajanje vanjskog napajanja na uređaj. Bilo koji ulazni napon od 5V do 9V je dovoljan.

IC5 je mikrokontroler STM32F030F4 i srce kruga [6]. Pruža sve upute za kontrolu opterećenja. P2 je 2*2 muško zaglavlje koje pruža sučelje za programiranje mikrokontrolera putem SWD -a.

R7 i R8 su otpornici za povlačenje tipki. Zbog toga su ulazni pinovi MCU-a s tipkama programirani kao aktivni-niski. C8, C9 i C10 koriste se za smanjenje buke prema podatkovnom listu MCU -a. L1, C5, C6 i C7 smanjuju dovodnu buku, takođe grade LC filter prvog reda (Pi) kako bi se obezbedilo jače filtriranje za ulaznu buku.

IDC1 je muški IDC konektor 2*7 (14 pinova) koji se koristi za pravilnu vezu između matične ploče i ploče ploče putem 14-putnog ravnog kabela.

Raspored PCB -a [matična ploča]

Slika-2 prikazuje izgled PCB-a matične ploče. To je dvoslojni dizajn PCB-a. Elementi za napajanje su kroz rupu, a digitalne komponente su SMD.

Korak 2: Slika 2, Izgled PCB -a matične ploče prigušivača naizmjenične struje

Kao što je jasno na slici, ploča je podijeljena na dva dijela i optički izolirana pomoću IC1 i IC2. Napravio sam i izolacijski jaz na PCB -u, pod IC2 i IC3. Noseće gusjenice velike struje ojačane su gornjim i donjim slojevima i vezane pomoću Vias -a. IC3 je postavljen na ivicu ploče, pa je lakše montirati hladnjak. Ne biste trebali imati poteškoća sa lemljenjem komponenti osim za IC5. Igle su tanke i blizu jedna drugoj. Trebate paziti da ne napravite lemne mostove između igala.

Korištenje SamacSys biblioteka komponenti sa industrijskom ocjenom za TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] i STM32F030F4 [11] značajno je smanjilo moje vrijeme projektiranja i spriječilo moguće greške. Ne mogu zamisliti koliko sam vremena gubio ako sam namjeravao dizajnirati ove shematske simbole i otiske PCB -a od nule. Da biste koristili biblioteke komponenti Samacsys, možete koristiti dodatak za svoj omiljeni CAD softver [12] ili preuzeti biblioteke sa tražilice komponenti. Sve SamacSys usluge/biblioteke komponenti su besplatne. Koristio sam Altium Designer, pa sam radije koristio dodatak SamacSys Altium (slika 3).

Korak 3: Slika 3, Biblioteke odabranih komponenti iz SamacSys Altium dodatka

Na slici 4 prikazani su 3D prikazi s vrha i dna ploče. Slika 5 prikazuje sklopljenu PCB matične ploče s gornje strane, a slika 6 prikazuje sklopljenu PCB matične ploče s donje strane. Većina komponenti je lemljena na gornjem sloju. Četiri SMD komponente lemljene su na donjem sloju. Na slici 6, izolacijski jaz PCB-a je jasan.

Korak 4: Slika 4, 3D prikazi sa PCB ploče

Korak 5: Slika 5/6, sklopljena PCB matične ploče (pogled odozgo/pogled odozdo)

Analiza kola [panel] Na slici 7 prikazan je shematski dijagram ploče. SEG1 je dvocifreni multipleksirani zajednički katodni sedmerosegment.

Korak 6: Slika 7, shematski dijagram panela prigušivača naizmjenične struje

Otpornici R1 do R7 ograničavaju struju na sedam segmentnih LED dioda. IDC1 je muški IDC konektor 7*2 (14 pinova), pa 14-smjerna ravna žica omogućuje povezivanje s matičnom pločom. SW1 i SW2 su taktilni tasteri. P1 i P2 su 2-pinski XH muški konektori. Osigurao sam ih za korisnike koji namjeravaju koristiti vanjske tipke umjesto taktilnih tipki.

Q1 i Q2 su N-kanalni MOSFET-ovi [13] koji se koriste za uključivanje/isključivanje svakog dijela sedam segmenata. R8 i R9 su otpornici koji se spuštaju i drže iglice vrata MOSFET-ova nisko, kako bi se spriječilo neželjeno aktiviranje MOSFET-ova.

Raspored PCB -a [ploča]

Slika 8 prikazuje izgled PCB ploče. To je dvoslojna PCB ploča i sve komponente osim IDC konektora i taktilnih tipki su SMD.

Korak 7: Slika 8, Izgled PCB -a na ploči AC Dimmera

Osim sedam-segmentnih i tipki (ako ne koristite vanjske tipke), ostale su komponente lemljene na donjem sloju. IDC konektor je takođe lemljen na donjem sloju.

Isto kao i matična ploča, za 2N7002 koristio sam biblioteke industrijskih komponenti SamacSys (shematski simbol, otisak PCB -a, 3D model) [14]. Na slici 9 prikazan je dodatak Altium i odabrana komponenta koja će se instalirati u Shematski dokument.

Korak 8: Slika 9, Odabrana komponenta (2N7002) iz SamacSys Altium dodatka

Na slici 10 prikazani su 3D prikazi s vrha i dna ploče. Slika 11 prikazuje pogled odozgo sa sastavljene ploče, a slika 12 prikazuje pogled odozdo sa sastavljene ploče.

Korak 9: Slika 10, 3D prikazi s vrha i dna ploče

Korak 10: Slika 11/12, pogled odozgo/odozdo sa sklopljene ploče

Rezultati Slika 13 prikazuje dijagram ožičenja AC Dimmera. Ako ste namjeravali provjeriti izlazni valni oblik pomoću osciloskopa, ne smijete spojiti uzemljeni kabel sonde osciloskopa na izlaz zatamnjenja ili nigdje na mreži.

Pažnja: Nikada nemojte priključivati sondu osciloskopa direktno na električnu mrežu. Uzemljeni provodnik sonde može izgraditi zatvorenu petlju sa mrežnim priključkom. Raznijelo bi sve na putu, uključujući vaš krug, sondu, osciloskop ili čak i vas same

Korak 11: Slika 13, Shema ožičenja AC prigušivača

Da biste prevladali ovaj problem, imate 3 mogućnosti. Korištenjem diferencijalne sonde, plutajućim osciloskopom (većina osciloskopa je referencirana na tlo), upotrebom izolacijskog transformatora 220V-220V, ili jednostavno jednostavno koristite jeftini silazni transformator, poput 220V-6V ili 220V-12V … itd. U videu i na slici 11 koristio sam posljednju metodu (padajući transformator) za provjeru izlaza.

Slika 14 prikazuje kompletnu jedinicu prigušivača naizmjenične struje. Spojio sam dvije ploče pomoću 14-putne ravne žice.

Korak 12: Slika 14, potpuna digitalna jedinica za prigušivanje naizmjenične struje

Slika 15 prikazuje točke ukrštanja nule i vrijeme uključivanja/isključivanja triaca. Kao što je jasno, smatralo se da se i rastuća i padajuća ivica impulsa ne suočavaju s bilo kakvim treperenjem i nestabilnošću.

Korak 13: Slika 15, nulte točke ukrštanja (ljubičasti valni oblik)

Korak 14: Predmet materijala

Bolje je koristiti kondenzatore nominalne snage 630V za C3 i C4.

Korak 15: Reference

Članak:

[1]: Tehnički list TLP521:

[2]: Tehnički list BTA26:

[3]: AN437, ST Napomena o aplikaciji:

[4]: Tehnički list MOC3021:

[5]: Tehnički list AMS1117-3.3:

[6]: Tehnički list STM32F030F4:

[7]: Šematski simbol i otisak PCB -a TLP521:

[8]: Šematski simbol i otisak PCB -a za MOC3021:

[9]: Šematski simbol i otisak PCB-a BTA26-600:

[10]: Šematski simbol i otisak PCB-a AMS1117-3.3:

[11]: Šematski simbol i otisak PCB -a STM32F030F4:

[12]: Elektronski CAD dodaci:

[13]: Tehnički list 2N7002:

[14]: Šematski simbol i otisak PCB -a 2N7002: