Zmogljiv digitalni zatemnilnik izmeničnega toka z uporabo STM32: 15 korakov (s slikami)

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:02

Avtor Hesam Moshiri, [email protected]

AC obremenitve živijo pri nas! Ker so povsod okoli nas in vsaj gospodinjski aparati so oskrbovani z električno energijo. Veliko vrst industrijske opreme se napaja tudi z enofaznim 220V-AC. Zato se pogosto srečujemo s situacijami, da moramo imeti popoln nadzor (zatemnitev) nad obremenitvijo izmeničnega toka, na primer svetilko, motor z izmeničnim tokom, sesalnik, vrtalnik … itd. Vedeti moramo, da nadzor nad obremenitvijo izmeničnega toka ni tako preprosto kot enosmerna obremenitev. Uporabiti moramo drugačno elektronsko vezje in strategijo. Poleg tega, če je zatemnilnik izmeničnega toka digitalno zasnovan, velja za časovno kritično aplikacijo, kodo mikrokrmilnika pa je treba pisati previdno in učinkovito. V tem članku sem predstavil izoliran 4000 W digitalni zatemnilnik na izmenični tok, ki je sestavljen iz dveh delov: matične plošče in plošče. Plošča na plošči ima dva gumba in sedem-segmentni zaslon, ki uporabniku omogoča nemoteno prilagajanje izhodne napetosti.

Korak 1: Slika 1, Shematski diagram matične plošče zatemnilnika AC

IC1, D1 in R2 se uporabljajo za odkrivanje ničelnih točk. Ničelne točke so zelo pomembne za zatemnilnik AC. IC1 [1] je optični sklopnik, ki zagotavlja galvansko izolacijo. R1 je vlečni upor, ki zmanjšuje hrup in nam omogoča zajemanje vseh sprememb (tako naraščajočih kot padajočih robov).

IC3 je triac z oznako 25A, označen s ST [2]. Ta visok tok nam omogoča, da zlahka dosežemo moč zatemnitve 4000 W, vendar je treba temperaturo triaka vzdrževati nizko in čim bližje sobni temperaturi. Če nameravate nadzorovati velike obremenitve, ne pozabite namestiti velikega hladilnega telesa ali pa ventilatorja ohladiti. Po podatkovnem listu se lahko ta triac uporablja v različnih aplikacijah: »Aplikacije vključujejo funkcijo VKLOP/IZKLOP v aplikacijah, kot so statični releji, regulacija ogrevanja, zagonski krogi indukcijskega motorja itd., Ali za fazno krmiljenje v svetlobnih zatemnilnikih, krmilniki hitrosti motorja in podobno «.

C3 in R6, R4 in C4 so snubbers. Preprosto povedano, za zmanjšanje hrupa se uporabljajo vezja Snubber, vendar za več branja upoštevajte opombo o uporabi AN437 iz ST [3]. IC3 je triac brez dušilca, vendar sem se odločil uporabiti tudi zunanja vezja.

IC2 je optoizolator Triac [4], ki se uporablja za krmiljenje IC3. Omogoča tudi ustrezno galvansko izolacijo. R5 omejuje diodni tok IC2.

IC4 je slavni regulator napetosti 3,3 V AMS1117 [5], ki napaja digitalna vezja delov. C1 zmanjša vhodni hrup in C2 zmanjša izhodni hrup. P1 je 2 -pinski moški XH konektor, ki se uporablja za priključitev zunanjega napajanja na napravo. Vsaka vhodna napetost od 5V do 9V je dovolj.

IC5 je mikrokrmilnik STM32F030F4 in srce vezja [6]. Vsebuje vsa navodila za nadzor obremenitve. P2 je moška glava 2*2, ki ponuja vmesnik za programiranje mikrokrmilnika prek SWD.

R7 in R8 sta vlečna upora za gumbe. Zato so vhodni zatiči tipke MCU programirani kot nizko aktivni. C8, C9 in C10 se uporabljajo za zmanjšanje hrupa v skladu s podatkovnim listom MCU. L1, C5, C6 in C7 zmanjšajo napajalni hrup, izdelajo tudi LC filter prvega reda (Pi), ki zagotavlja močnejše filtriranje vhodnega hrupa.

IDC1 je moški IDC konektor 2*7 (14 pinov), ki se uporablja za pravilno povezavo med matično ploščo in ploščo plošče s 14-smernim ravnim kablom.

Postavitev tiskanega vezja [matična plošča]

Slika-2 prikazuje postavitev tiskanega vezja matične plošče. Gre za dvoslojno zasnovo PCB. Napajalne komponente so skozi luknje, digitalne komponente pa SMD.

2. korak: Slika 2, postavitev tiskanega vezja na matični plošči zatemnilnika AC

Kot je razvidno iz slike, je plošča razdeljena na dva dela in optično izolirana z uporabo IC1 in IC2. Naredil sem tudi izolacijsko vrzel na tiskanem vezju, pod IC2 in IC3. Nosilne proge z visokim tokom so bile okrepljene z zgornjo in spodnjo plastjo ter vezane z uporabo Vias. IC3 je nameščen na robu plošče, zato je lažje namestiti hladilnik. Pri spajkanju komponent ne bi smelo biti težav, razen pri IC5. Zatiči so tanki in blizu drug drugemu. Bodite previdni, da med zatiči ne naredite spajkalnih mostov.

Uporaba industrijskih knjižnic komponent SamacSys za TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] in STM32F030F4 [11] je znatno skrajšala moj čas načrtovanja in preprečila možne napake. Ne predstavljam si, koliko časa sem izgubljal, če sem nameraval oblikovati te shematske simbole in odtise PCB iz nič. Če želite uporabljati knjižnice komponent Samacsys, lahko uporabite vtičnik za svojo najljubšo programsko opremo CAD [12] ali pa prenesete knjižnice iz iskalnika komponent. Vse storitve/knjižnice komponent SamacSys so brezplačne. Uporabil sem Altium Designer, zato sem raje uporabil vtičnik SamacSys Altium (slika 3).

3. korak: Slika 3, Knjižnice izbranih komponent iz vtičnika SamacSys Altium

Slika 4 prikazuje 3D -poglede z vrha in dna plošče. Slika 5 prikazuje sestavljeno tiskano vezje matične plošče od zgoraj, slika 6 pa sestavljeno tiskano vezje matične plošče od spodaj. Večina komponent je spajkanih na zgornji sloj. Štiri komponente SMD so spajkane na spodnji sloj. Na sliki 6 je izolacijska vrzel PCB jasna.

4. korak: Slika 4, 3D pogledi s plošče PCB

5. korak: Slika 5/6, Sestavljeno tiskano vezje matične plošče (pogled od zgoraj/od spodaj)

Analiza vezja [plošča] Slika 7 prikazuje shematski diagram plošče. SEG1 je dvomestni multipleksni sedem-segment skupne katode.

Korak 6: Slika 7, Shematski diagram plošče zatemnilnika AC

Upori R1 do R7 omejujejo tok na sedemsegmentne LED. IDC1 je moški IDC konektor 7*2 (14 pinov), zato 14-smerna ravna žica omogoča povezavo z matično ploščo. SW1 in SW2 sta taktilni tipki. P1 in P2 sta 2-pinska XH moška priključka. Zagotovil sem jih za uporabnike, ki nameravajo namesto taktilnih tipk uporabiti vgrajene zunanje plošče.

Q1 in Q2 sta N-kanalna MOSFET-a [13], ki se uporabljata za vklop/izklop vsakega dela sedmih segmentov. R8 in R9 sta izvlečna upora, ki držita zatiča vrat MOSFET nizko, da preprečita neželeno sprožitev MOSFET.

Postavitev tiskanega vezja [plošča]

Slika 8 prikazuje postavitev plošče na plošči. To je dvoslojna tiskana vezja in vse komponente razen priključka IDC in tipnih tipk so SMD.

7. korak: Slika 8, postavitev tiskanega vezja na plošči zatemnilnika AC

Razen sedemsegmentnih in gumbov (če ne uporabljate zunanjih gumbov), so druge komponente spajkane na spodnji sloj. Priključek IDC je tudi spajkan na spodnji plasti.

Tako kot matično ploščo sem za 2N7002 uporabljal knjižnice industrijskih komponent SamacSys (shematski simbol, odtis tiskanega vezja, 3D model) [14]. Slika 9 prikazuje vtičnik Altium in izbrano komponento, ki jo je treba namestiti v dokument Shematski.

8. korak: Slika 9, Izbrana komponenta (2N7002) iz vtičnika SamacSys Altium

Slika 10 prikazuje 3D -poglede z vrha in dna plošče. Slika 11 prikazuje pogled od zgoraj s sestavljene plošče, slika 12 pa od spodaj s sestavljene plošče.

9. korak: Slika 10, 3D pogledi z vrha in dna plošče

10. korak: Slika 11/12, pogled od zgoraj/spodaj z sestavljene plošče

Rezultati Slika 13 prikazuje shemo ožičenja AC Dimmerja. Če ste nameravali z osciloskopom preveriti izhodno valovno obliko, ozemljitvenega kabla sonde osciloskopa ne smete priključiti na izhod zatemnilnika ali nikamor na omrežje.

Pozor: Osciloskopske sonde nikoli ne priključujte neposredno na električno omrežje. Ozemljitveni vod sonde lahko ustvari zaprto zanko z omrežnim priključkom. Razstrelilo bi vse na poti, vključno z vašim vezjem, sondo, osciloskopom ali celo samim seboj

11. korak: Slika 13, Shema ožičenja AC zatemnilnika

Če želite odpraviti to težavo, imate 3 možnosti. Z uporabo diferencialne sonde, z uporabo plavajočega osciloskopa (večina osciloskopov je referenciranih na tleh), z uporabo izolacijskega transformatorja 220V-220V ali preprosto preprosto z uporabo poceni padajočega transformatorja, na primer 220V-6V ali 220V-12V … itd V videoposnetku in na sliki-11 sem uporabil zadnjo metodo (padajoči transformator) za preverjanje izhoda.

Slika 14 prikazuje celotno enoto zatemnitve AC. Dve plošči sem povezal s 14-smerno ravno žico.

12. korak: Slika 14, popolna digitalna zatemnilna enota za izmenični tok

Slika 15 prikazuje ničelne točke in čas vklopa/izklopa triaka. Kot je jasno, velja, da se tako naraščajoči/padajoči rob impulza ne sooča z utripanjem in nestabilnostjo.

13. korak: Slika 15, ničelne točke prečkanja (vijolična oblika vala)

14. korak: Predmet materiala

Za C3 in C4 je bolje uporabiti kondenzatorje z napetostjo 630V.

15. korak: Reference

Članek:

[1]: Podatkovni list TLP521:

[2]: Podatkovni list BTA26:

[3]: AN437, ST Opomba k prijavi:

[4]: Podatkovni list MOC3021:

[5]: Podatkovni list AMS1117-3.3:

[6]: podatkovni list STM32F030F4:

[7]: Shematski simbol in odtis PCB TLP521:

[8]: Shematski simbol in odtis PCB za MOC3021:

[9]: Shematski simbol in odtis PCB BTA26-600:

[10]: Shematski simbol in odtis PCB AMS1117-3.3:

[11]: Shematski simbol in odtis tiskanega vezja STM32F030F4:

[12]: Vtičniki za elektronski CAD:

[13]: Podatkovni list 2N7002:

[14]: Shematski simbol in odtis PCB 2N7002: