Võimas digitaalne vahelduvvoolu dimmer STM32 abil: 15 sammu (piltidega)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:45

Autor: Hesam Moshiri, [email protected]

Vahelduvvoolu koormused elavad koos meiega! Kuna neid on kõikjal meie ümber ja vähemalt kodutehnika saab toitevõrku. Mitut tüüpi tööstusseadmeid toidetakse ka ühefaasilise 220V-vahelduvvooluga. Seetõttu seisame sageli silmitsi olukordadega, kus peame vahelduvvoolu koormust täielikult kontrollima (hämardama), näiteks lamp, vahelduvvoolumootor, tolmuimeja, puur jne. Me peaksime teadma, et vahelduvvoolu koormuse juhtimine ei ole sama lihtne kui alalisvoolu koormus. Peame kasutama teistsugust elektroonilist vooluringi ja strateegiat. Lisaks, kui vahelduvvoolu dimmer on projekteeritud digitaalselt, loetakse see ajakriitiliseks rakenduseks ning mikrokontrolleri kood tuleb hoolikalt ja tõhusalt kirjutada. Selles artiklis tutvustasin isoleeritud 4000 W digitaalset vahelduvvoolu dimmerit, mis koosneb kahest osast: emaplaadist ja paneelist. Paneeliplaadil on kaks vajutusnuppu ja seitsme segmendi ekraan, mis võimaldab kasutajal sujuvalt väljundpinget reguleerida.

Samm: joonis 1, vahelduvvoolu dimmeri emaplaadi skemaatiline diagramm

IC1, D1 ja R2 kasutatakse nullpunktide tuvastamiseks. Nullpunktid on vahelduvvoolu hämardaja jaoks üsna olulised. IC1 [1] on optoelement, mis tagab galvaanilise isolatsiooni. R1 on tõmbetakistus, mis vähendab müra ja võimaldab jäädvustada kõik muutused (nii tõusvad kui ka langevad servad).

IC3 on 25A reitinguga Triac firmalt ST [2]. See kõrge voolutugevus võimaldab meil hõlpsalt saavutada 4000 W hämardamisvõimsust, kuid Triaci temperatuur tuleb hoida madalal ja ruumi temperatuurile lähedane. Kui kavatsete juhtida suure võimsusega koormusi, ärge unustage paigaldada suurt jahutusradiaatorit ega kasutada komponendi jahutamiseks ventilaatorit. Andmelehe kohaselt saab seda Triacit kasutada mitmesugustes rakendustes: „Rakendused hõlmavad ON/OFF funktsiooni rakendustes, nagu staatilised releed, kütte reguleerimine, induktsioonmootori käivitusahelad jne, või faasijuhtimiseks valgusdimmerites, mootori kiiruse regulaatorid jms”.

C3 ja R6, R4 ja C4 on nuusutajad. Lihtsamalt öeldes kasutatakse müra vähendamiseks Snubberi ahelaid, kuid lugemiseks lugege palun ST -i AN437 rakenduse märkust [3]. IC3 on nuuskamisvaba Triac, kuid otsustasin kasutada ka väliseid nuusutusahelaid.

IC2 on optoisolaator Triac [4], mida kasutatakse IC3 juhtimiseks. See tagab ka korraliku galvaanilise isolatsiooni. R5 piirab IC2 dioodivoolu.

IC4 on kuulus AMS1117 3,3 V pingeregulaator [5], mis annab toite digitaalsete osade vooluringidele. C1 vähendab sisendmüra ja C2 vähendab väljundmüra. P1 on kahe kontaktiga isane XH -pistik, mida kasutatakse seadme välise toite ühendamiseks. Piisab igasugusest sisendpingest 5V kuni 9V.

IC5 on mikrokontroller STM32F030F4 ja vooluahela süda [6]. See sisaldab kõiki juhiseid koormuse juhtimiseks. P2 on 2*2 isane päis, mis pakub liidest mikrokontrolleri programmeerimiseks SWD kaudu.

R7 ja R8 on surunuppude tõmbetakistid. Seetõttu on MCU nuppude sisendpoldid programmeeritud aktiivseks-madalaks. C8, C9 ja C10 kasutatakse müra vähendamiseks vastavalt MCU andmelehele. L1, C5, C6 ja C7 vähendavad toite müra, ehitage ka esmakordne LC -filter (Pi), et tagada sisendmüra tugevam filtreerimine.

IDC1 on 2*7 (14 tihvtiga) isane IDC-pistik, mida kasutatakse emaplaadi ja paneeliplaadi vahelise ühenduse loomiseks 14-suunalise lamekaabli kaudu.

PCB paigutus [emaplaat]

Joonis-2 näitab emaplaadi trükkplaadi paigutust. See on kahekihiline PCB disain. Toite komponendid on läbi aukude ja digitaalsed komponendid on SMD.

2. samm: joonis 2, vahelduvvoolu dimmeri emaplaadi trükkplaadi paigutus

Nagu pildilt selge, on plaat jagatud kaheks osaks ja optiliselt isoleeritud, kasutades IC1 ja IC2. Tegin ka PCB -le isoleerimisvahe IC2 ja IC3 all. Suure voolu kandvad rajad on tugevdatud nii ülemise kui ka alumise kihi abil ning seotud Vias abil. IC3 on paigutatud tahvli serva, nii et jahuti on lihtsam paigaldada. Teil ei tohiks olla raskusi komponentide jootmisega, välja arvatud IC5. Tihvtid on õhukesed ja üksteise lähedal. Peaksite olema ettevaatlik, et tihvtide vahele ei tekiks jooteid.

Tööstuslikult hinnatud SamacSys komponenditeekide kasutamine TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] ja STM32F030F4 [11] jaoks vähendas oluliselt minu projekteerimisaega ja vältis võimalikke vigu. Ma ei kujuta ette, kui palju aega raiskasin, kui kavatsesin need skemaatilised sümbolid ja trükkplaatide jalajäljed nullist kujundada. Samacsysi komponenditeekide kasutamiseks võite kasutada oma lemmik CAD-tarkvara jaoks pistikprogrammi [12] või alla laadida teegid komponentide otsingumootorist. Kõik SamacSys teenused/komponentide teegid on tasuta. Kasutasin Altium Designerit, seega eelistasin kasutada SamacSys Altium pluginat (joonis 3).

Samm 3: Joonis 3, SamacSys Altiumi pistikprogrammi valitud komponenditeegid

Joonis 4 näitab 3D -vaateid tahvli üla- ja alaosast. Joonis 5 näitab kokkupandud emaplaadi trükkplaati pealtvaates ja joonis 6 näitab kokkupandud emaplaadi trükkplaati altvaates. Enamik komponente on joodetud ülemisele kihile. Alumisele kihile on joodetud neli SMD komponenti. Joonisel 6 on trükkplaadi isolatsioonivahe selge.

4. samm: joonis 4, 3D -vaated trükkplaadilt

5. samm: joonis 5/6, emaplaadi kokkupandud trükkplaat (pealtvaade/altvaade)

Vooluahela analüüs [paneel] Joonis 7 näitab paneeli skemaatilist diagrammi. SEG1 on kahekohaline multipleksitud ühise katoodi seitsme segmendi.

Samm 6: Joonis 7, vahelduvvoolu dimmeri paneeli skemaatiline diagramm

Takistid R1 kuni R7 piiravad voolu seitsme segmendi LED-idega. IDC1 on 7*2 (14 tihvtiga) isane IDC-pistik, nii et 14-suunaline lamejuhe tagab ühenduse emaplaadiga. SW1 ja SW2 on kombatavad nupud. P1 ja P2 on 2-kontaktilised XH-isaliited. Olen pakkunud neid kasutajatele, kes kavatsevad kasutada pardal olevate puutetundlike nuppude asemel väliseid paneeli nuppe.

Q1 ja Q2 on N-kanaliga MOSFET-id [13], mida kasutatakse seitsme segmendi iga osa sisse/välja lülitamiseks. R8 ja R9 on allatõmmatavad takistid, mis hoiavad MOSFET-i värava tihvte madalal, et vältida MOSFET-ide soovimatut käivitamist.

PCB paigutus [paneel]

Joonis 8 näitab paneeli trükkplaadi paigutust. See on kahekihiline trükkplaat ja kõik komponendid, välja arvatud IDC -pistik ja kombatavad nupud, on SMD.

Samm: joonis 8, vahelduvvoolu reguleerimisseadme paneeli trükkplaatide paigutus

Välja arvatud seitsme segmendi ja nupud (kui te ei kasuta väliseid nuppe), on alumisel kihil joodetud muud komponendid. IDC -pistik on joodetud ka alumisele kihile.

Sama, mis emaplaadil, kasutasin 2N7002 jaoks SamacSys tööstuslike komponentide raamatukogusid (skemaatiline sümbol, trükkplaatide jalajälg, 3D -mudel) [14]. Joonisel 9 on näidatud pistikprogramm Altium ja skemaatilisse dokumenti installitav komponent.

8. samm: joonis 9, valitud komponent (2N7002) SamacSys Altium Pluginist

Joonis 10 näitab 3D -vaateid paneeli üla- ja alaosast. Joonis fig 11 näitab kokkupandud paneeli pealtvaadet ja joonis 12 näitab kokkupandud paneeli altvaadet.

9. samm: joonis 10, 3D -vaated paneeli ülalt ja alt

10. samm: joonis 11/12, ülalt/alt vaade kokkupandud paneelilt

Joonis 13 näitab vahelduvvoolu dimmeri ühendusskeemi. Kui kavatsete ostsilloskoobi abil väljundlainekuju kontrollida, ei tohi ostsilloskoobi anduri maandusjuhtme ühendada hämardusväljundiga ega kusagil vooluvõrgus.

Tähelepanu: Ärge kunagi ühendage ostsilloskoobi andurit otse vooluvõrku. Sondi maandusjuhe võib võrguklemmiga ehitada suletud ahela. See laseks õhku kõik, mis on teel, sealhulgas teie vooluring, sond, ostsilloskoop või isegi teie ise

Samm 11: Joonis 13, vahelduvvoolu dimmeri ühendusskeem

Selle probleemi lahendamiseks on teil 3 võimalust. Kasutades diferentsiaalandurit, kasutades ujuvat ostsilloskoopi (enamik ostsilloskoope on viidatud maa peale), kasutades 220V-220V eraldustrafot või lihtsalt kasutades odavat vähendavat trafot, näiteks 220V-6V või 220V-12V … jne Videol ja joonisel 11 kasutasin väljundi kontrollimiseks viimast meetodit (astmelist trafot).

Joonisel 14 on kujutatud kogu vahelduvvoolu dimmer. Olen ühendanud kaks plaati 14-suunalise lameda juhtme abil.

12. samm: joonis 14, täielik digitaalne vahelduvvoolu reguleerimisseade

Joonisel 15 on näidatud nullpunktid ja Triaci ON/OFF aeg. Nagu on selge, peeti nii pulsi tõusva/langeva serva puhul vilkuvaks ja ebastabiilseks.

13. samm: joonis 15, nullpunktid (lilla lainekuju)

14. samm: materjalide arve

C3 ja C4 jaoks on parem kasutada 630 V nimiväärtusega kondensaatoreid.

15. samm: viited

Artikkel:

[1]: TLP521 andmeleht:

[2]: BTA26 andmeleht:

[3]: AN437, ST taotluse märkus:

[4]: MOC3021 andmeleht:

[5]: AMS1117-3.3 andmeleht:

[6]: STM32F030F4 andmeleht:

[7]: TLP521 skemaatiline sümbol ja trükkplaadi jalajälg:

[8]: MOC3021 skemaatiline sümbol ja trükkplaadi jalajälg:

[9]: BTA26-600 skemaatiline sümbol ja trükkplaadi jalajälg:

[10]: AMS1117-3.3 skemaatiline sümbol ja trükkplaadi jalajälg:

[11]: STM32F030F4 skemaatiline sümbol ja trükkplaadi jalajälg:

[12]: elektroonilised CAD-pistikprogrammid:

[13]: 2N7002 Andmeleht:

[14]: 2N7002 skemaatiline sümbol ja trükkplaadi jalajälg: