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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:31

Napisao Hesam Moshiri, [email protected]

AC opterećenja žive s nama! Budući da 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, izmjeničnog motora, usisavača, bušilice, itd. Itd. Trebamo znati da upravljanje AC opterećenjem nije jednostavno kao istosmjerno opterećenje. Moramo koristiti drugačiji elektronički sklop i strategiju. Štoviše, ako je prigušivač izmjenične struje digitalno dizajniran, smatra se vremenski kritičnom aplikacijom, a kod mikrokontrolera mora biti napisan pažljivo i učinkovito. U ovom članku predstavio sam izolirani digitalni prigušivač naizmjenične struje od 4000 W koji se sastoji od dva dijela: matične ploče i ploče. Ploča na ploči nudi dva gumba i sedmo-segmentni zaslon koji korisniku omogućuje glatko podešavanje izlaznog napona.

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

IC1, D1 i R2 koriste se za otkrivanje točaka prijelaza nule. Točke prijelaza nule vrlo su bitne za prigušivač naizmjenične struje. IC1 [1] je optička sprega koja osigurava galvansku izolaciju. R1 je pullup otpornik koji smanjuje buku i omogućuje nam snimiti sve promjene (i rastuće i padajuće rubove).

IC3 je Triac snage 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, nemojte zaboraviti montirati veliki hladnjak ili koristiti ventilator za hlađenje komponente. Prema podatkovnom listu, ovaj se Triac može koristiti u raznim aplikacijama: „Primjene 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 sklopovi koriste se za smanjenje buke, međutim za više čitanja razmotrite napomenu o primjeni AN437 iz ST [3]. IC3 je triac bez prigušivača, međutim, odlučio sam koristiti i vanjske sklopove za prigušivanje.

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

IC4 je poznati regulator napona od 3,3 V AMS1117 [5] koji osigurava snagu 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 gumba. Stoga su ulazni pinovi tipke MCU-a programirani kao aktivni-niski. C8, C9 i C10 koriste se za smanjenje buke prema podatkovnom listu MCU -a. L1, C5, C6 i C7 smanjuju opskrbnu buku, također grade LC filter prvog reda (Pi) kako bi se osiguralo jače filtriranje ulazne buke.

IDC1 je muški IDC konektor 2*7 (14 pinova) koji se koristi za ispravnu 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 napajanja su kroz rupu, a digitalne komponente SMD.

Korak 2: Slika 2, izgled PCB -a matične ploče prigušivača izmjenične struje

Kao što je jasno na slici, ploča je podijeljena na dva dijela i optički izolirana pomoću IC1 i IC2. Također sam napravio izolacijski jaz na PCB -u, pod IC2 i IC3. Nosive gusjenice velike struje ojačane su gornjim i donjim slojevima te su vezane pomoću Vias -a. IC3 je postavljen na rub 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 knjižnica komponenti SamacSys sa industrijskom ocjenom za TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] i STM32F030F4 [11], značajno je skratilo 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 upotrijebiti dodatak za svoj omiljeni CAD softver [12] ili preuzeti biblioteke s tražilice komponenti. Sve usluge/biblioteke komponenti SamacSys su besplatne. Koristio sam Altium Designer, pa sam radije koristio dodatak SamacSys Altium (slika 3).

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

Na slici 4 prikazani su 3D prikazi s vrha i dna ploče. Slika 5 prikazuje sklopljenu PCB matične ploče s pogleda odozgo, a slika 6 prikazuje sklopljenu PCB matične ploče s donje strane. Većina komponenti lemljena je 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 s PCB ploče

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

Analiza kruga [ploča] Na slici 7 prikazan je shematski dijagram ploče. SEG1 je dvoznamenkasti multipleksirani zajednički katodni sedam-segment.

Korak 6: Slika 7, shematski dijagram panela prigušivača izmjenične 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 gumbi. P1 i P2 su 2-pinski XH muški konektori. Osigurao sam ih za korisnike koji namjeravaju koristiti vanjske tipke umjesto upravljačkih 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 kako bi držali ulazne igle MOSFET-ova nisko, kako bi spriječili neželjeno aktiviranje MOSFET-ova.

Raspored PCB -a [ploča]

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

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

Osim sedam-segmentnih i gumba (ako ne koristite vanjske gumbe), ostale su komponente lemljene na donjem sloju. IDC priključak je također lemljen na donjem sloju.

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 dodatka SamacSys Altium

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 izmjenjivača izmjenične struje. Ako ste namjeravali provjeriti izlazni valni oblik pomoću osciloskopa, ne smijete spojiti uzemljeni kabel svoje sonde osciloskopa na izlaz zatamnjivača ili nigdje na mreži.

Pažnja: Nikada nemojte priključivati sondu osciloskopa izravno na električnu mrežu. Kabel za uzemljenje sonde može izgraditi zatvorenu petlju s mrežnim priključkom. Raznio bi sve na putu, uključujući vaš krug, sondu, osciloskop ili čak i sebe

Korak 11: Slika 13, Shema ožičenja izmjenjivača izmjenične struje

Kako biste prevladali ovaj problem, imate 3 mogućnosti. Korištenjem diferencijalne sonde, plutajućim osciloskopom (većina osciloskopa je referencirana na tlo), korištenjem izolacijskog transformatora 220V-220V ili jednostavno jednostavno upotrebom jeftinog silaznog transformatora, poput 220V-6V ili 220V-12V … itd. U videu i na slici 11, upotrijebio 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 rastući/padajući rub pulsa ne suočavaju s bilo kakvim titranjem i nestabilnošću.

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

Korak 14: Opis materijala

Bolje je koristiti kondenzatore 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]: Shematski simbol i otisak PCB -a TLP521:

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

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

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

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

[12]: Elektronički CAD dodaci:

[13]: Tehnički list 2N7002:

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