Kraftfuld digital AC -dæmper ved hjælp af STM32: 15 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:25

Af Hesam Moshiri, [email protected]

AC -belastninger bor hos os! Fordi de er overalt omkring os, og i det mindste husholdningsapparater forsynes med lysnettet. Mange typer industriudstyr forsynes også med enfaset 220V-AC. Derfor står vi ofte over for situationer, hvor vi skal have fuld kontrol (dæmpning) over en vekselstrøm, f.eks. En lampe, en vekselstrømsmotor, en støvsuger, en boremaskine … osv. Vi bør vide, at styring af en vekselstrømsmængde ikke er så simpelt som en DC -belastning. Vi skal bruge et andet elektronisk kredsløb og en strategi. Hvis en AC-dæmper er designet digitalt, betragtes den desuden som en tidskritisk applikation, og mikrokontrollerens kode skal skrives omhyggeligt og effektivt. I denne artikel introducerede jeg en isoleret 4000W digital AC -lysdæmper, der består af to dele: bundkortet og panelet. Panelbrættet har to trykknapper og et syv-segment display, der gør det muligt for brugeren at justere udgangsspændingen jævnt.

Trin 1: Figur 1, skematisk diagram over AC -dæmperens bundkort

IC1, D1 og R2 bruges til at detektere nulkrydsningspunkter. Nul-krydsningspunkterne er ganske afgørende for en AC-dæmper. IC1 [1] er en optokobler, der giver galvanisk isolering. R1 er en pullup -modstand, der reducerer støj og giver os mulighed for at fange alle ændringer (både stigende og faldende kanter).

IC3 er en 25A -klassificeret Triac fra ST [2]. Denne høje strømstyrke giver os mulighed for let at nå 4000W dæmpningseffekt, men temperaturen på Triac skal holdes lav og så tæt på rummets temperatur. Hvis du har til hensigt at kontrollere høje effektbelastninger, skal du ikke glemme at montere en stor kølelegeme eller bruge en blæser til at køle komponenten ned. Ifølge databladet kan denne Triac bruges i en række forskellige applikationer:”Applikationer inkluderer ON/OFF -funktionen i applikationer såsom statiske relæer, varmestyring, induktionsmotorens startkredsløb osv. Eller til fasestyring i lysdæmpere, motorhastighedsregulatorer og lignende”.

C3 og R6, R4 og C4 er snubbers. I et enkelt udtryk bruges Snubber -kredsløb til at reducere støjen, men for mere aflæsning bedes du overveje AN437 -applikationsnoten fra ST [3]. IC3 er en snubberfri Triac, men jeg besluttede også at bruge eksterne snubberkredsløb.

IC2 er en optoisolator Triac [4], der bruges til at styre IC3. Det gør også korrekt galvanisk isolation. R5 begrænser diode strømmen af IC2.

IC4 er den berømte AMS1117 3.3V spændingsregulator [5], der leverer strøm til de digitale delkredsløb. C1 reducerer inputstøj og C2 reducerer outputstøj. P1 er et 2 -pins han -XH -stik, der bruges til at slutte den eksterne strøm til enheden. Enhver indgangsspænding fra 5V til 9V er nok.

IC5 er STM32F030F4 mikrokontroller og hjertet i kredsløbet [6]. Den indeholder alle instruktioner til at kontrollere belastningen. P2 er et 2*2 hanhoved, der giver en grænseflade til at programmere mikrokontrolleren gennem SWD.

R7 og R8 er pullup -modstande til trykknapperne. Derfor er trykknapindgangsstifterne på MCU programmeret som aktiv-lav. C8, C9 og C10 bruges til at reducere støj i henhold til MCU’s datablad. L1, C5, C6 og C7 reducerer forsyningsstøj, opbyg også et førsteordens LC -filter (Pi) for at give stærkere filtrering af inputstøj.

IDC1 er et 2*7 (14 pins) han-IDC-stik, der bruges til at oprette en korrekt forbindelse mellem bundkortet og panelkortet via et 14-vejs fladt kabel.

PCB -layout [hovedkort]

Figur-2 viser PCB-layoutet på bundkortet. Det er et to-lags PCB-design. Strømkomponenterne er gennemgående huller, og digitale komponenter er SMD.

Trin 2: Figur 2, PCB -layout af AC Dimmerens bundkort

Som det er tydeligt i billedet, er tavlen opdelt i to dele og optisk isoleret ved hjælp af IC1 og IC2. Jeg lavede også et isolationsgab på printkortet under IC2 og IC3. Bæresporene med høj strøm er blevet forstærket ved hjælp af både øverste og nederste lag og bundet op ved hjælp af Vias. IC3 er placeret i kanten af brættet, så det er lettere at montere en kølelegeme. Du bør ikke have problemer med lodning af komponenterne undtagen IC5. Stifter er tynde og tæt på hinanden. Du skal være forsigtig med ikke at lave loddebroer mellem stifter.

Brug af de industrielt klassificerede SamacSys -komponentbiblioteker til TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] og STM32F030F4 [11] reducerede min designtid betydeligt og forhindrede mulige fejl. Jeg kan ikke forestille mig, hvor meget tid jeg spilder, hvis jeg havde til hensigt at designe disse skematiske symboler og PCB -fodaftryk fra bunden. Hvis du vil bruge Samacsys komponentbiblioteker, kan du enten bruge et plugin til din yndlings CAD-software [12] eller downloade bibliotekerne fra komponentsøgemaskinen. Alle SamacSys -tjenester/komponentbiblioteker er gratis. Jeg brugte Altium Designer, så jeg foretrak at bruge SamacSys Altium -plugin (figur 3).

Trin 3: Figur 3, udvalgte komponentbiblioteker fra SamacSys Altium -plugin

Figur 4 viser 3D -visninger fra toppen og bunden af brættet. Figur 5 viser det samlede hovedkort -printkort set ovenfra, og figur 6 viser det samlede hovedkort -printkort set fra bunden. Størstedelen af komponenterne er loddet på det øverste lag. Fire SMD -komponenter er loddet på bundlaget. I figur 6 er PCB's isolationsgab klart.

Trin 4: Figur 4, 3D -visninger fra printkortet

Trin 5: Figur 5/6, samlet bundkort PCB (set ovenfra/nederst)

Kredsløbsanalyse [panel] Figur 7 viser panelets skematiske diagram. SEG1 er et tocifret multiplexeret fælles katode syv segment.

Trin 6: Figur 7, skematisk diagram over AC -dæmperens panel

R1 til R7 modstande begrænser strømmen til lysdioderne i syv segmenter. IDC1 er et 7*2 (14 pins) han-IDC-stik, så en 14-vejs flad ledning giver forbindelsen til bundkortet. SW1 og SW2 er taktile trykknapper. P1 og P2 er 2-benede XH-hanstik. Jeg har givet dem til de brugere, der har til hensigt at bruge eksterne panelknapper i stedet for indbyggede taktile trykknapper.

Q1 og Q2 er N-Channel MOSFETs [13], der bruges til at tænde/slukke hver del af syv-segmentet. R8 og R9 er pull-down modstande for at holde portene på MOSFET'erne lave for at forhindre uønsket udløsning af MOSFET'erne.

PCB -layout [panel]

Figur 8 viser panelets PCB -layout. Det er et tolags printkort og alle komponenter undtagen IDC -stik og taktile trykknapper er SMD.

Trin 7: Figur 8, PCB -layout af AC -dæmperens panel

Bortset fra syv-segmentet og trykknapper (hvis du ikke bruger eksterne knapper), er andre komponenter loddet på bundlaget. IDC -stikket er også loddet på bundlaget.

Det samme som hovedkortet brugte jeg SamacSys industrielle komponentbiblioteker (skematisk symbol, printkort, 3D -model) til 2N7002 [14]. Figur 9 viser Altium -pluginet og den valgte komponent, der skal installeres i det skematiske dokument.

Trin 8: Figur 9, valgt komponent (2N7002) fra SamacSys Altium -plugin

Figur 10 viser 3D -visninger fra toppen og bunden af tavlen. Fig. 11 viser en afbildning set ovenfra fra det samlede panel og figur 12 viser et billede set ovenfra fra det samlede panel.

Trin 9: Figur 10, 3D -visninger fra toppen og bunden af panelpladen

Trin 10: Figur 11/12, en top-/bundvisning fra det samlede panel

Resultater Figur 13 viser ledningsdiagrammet for AC -dæmperen. Hvis du havde til hensigt at kontrollere outputbølgeformen ved hjælp af et oscilloskop, må du ikke tilslutte din oscilloskopsonde jordledning til lysdæmperens udgang eller ingen steder på lysnettet.

Bemærk: Tilslut aldrig din oscilloskop sonde direkte til lysnettet. Sondens jordledning kan bygge en lukket sløjfe med netterminalen. Det ville sprænge alt i vejen, inklusive dit kredsløb, sonde, oscilloskop eller endda dig selv

Trin 11: Figur 13, ledningsdiagram over AC -dæmperen

For at overvinde dette problem har du 3 muligheder. Ved hjælp af en differentiel sonde, ved hjælp af et flydende oscilloskop (størstedelen af oscilloskoperne refereres til jorden), ved hjælp af en 220V-220V isolationstransformator, eller bare bruge en billig step-down transformer, såsom 220V-6V eller 220V-12V … osv.. I videoen og figur-11 brugte jeg den sidste metode (trappetransformator) til at kontrollere output.

Figur 14 viser den komplette vekselstrømsdæmper. Jeg har tilsluttet to tavler ved hjælp af en 14-vejs flad ledning.

Trin 12: Figur 14, en komplet digital AC -dæmper

Figur 15 viser nulkrydsningspunkterne og Triacens ON/OFF-tid. Som det er klart, blev både den stigende/faldende kant af en puls anset for ikke at møde flimmer og ustabilitet.

Trin 13: Figur 15, Nul krydsningspunkter (den lilla bølgeform)

Trin 14: Bill of Materials

Det er bedre at bruge 630V -klassificerede kondensatorer til C3 og C4.

Trin 15: Referencer

Artikel:

[1]: TLP521 Datablad:

[2]: BTA26 Datablad:

[3]: AN437, ST Application Note:

[4]: MOC3021 Datablad:

[5]: AMS1117-3.3 Datablad:

[6]: STM32F030F4 Datablad:

[7]: Skematisk symbol og PCB -fodaftryk af TLP521:

[8]: Skematisk symbol og PCB -fodaftryk af MOC3021:

[9]: Skematisk symbol og PCB-fodaftryk af BTA26-600:

[10]: Skematisk symbol og PCB-fodaftryk af AMS1117-3.3:

[11]: Skematisk symbol og PCB -fodaftryk af STM32F030F4:

[12]: Elektroniske CAD-plugins:

[13]: 2N7002 Datablad:

[14]: Skematisk symbol og PCB -fodaftryk af 2N7002: