Tehokas digitaalinen AC -himmennin käyttäen STM32: 15 vaihetta (kuvien kanssa)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Kirjoittanut Hesam Moshiri, [email protected]

AC -kuormat elävät kanssamme! Koska niitä on kaikkialla ympärillämme ja ainakin kodinkoneet on varustettu verkkovirralla. Monenlaisia teollisuuslaitteita käytetään myös yksivaiheisella 220V-AC-jännitteellä. Siksi kohtaamme usein tilanteita, joissa meidän on hallittava (himmennettävä) täysin AC -kuormaa, kuten lamppu, vaihtovirtamoottori, pölynimuri, pora jne.. yhtä yksinkertainen kuin DC -kuorma. Meidän on käytettävä erilaista elektronista piiriä ja strategiaa. Lisäksi jos digitaalisesti suunniteltu AC-himmennin, sitä pidetään aikakriittisenä sovelluksena, ja mikro-ohjaimen koodi on kirjoitettava huolellisesti ja tehokkaasti. Tässä artikkelissa esittelin eristetyn 4000 W: n digitaalisen AC -himmentimen, joka koostuu kahdesta osasta: emolevystä ja paneelista. Paneelitaulussa on kaksi painiketta ja seitsemän segmentin näyttö, jonka avulla käyttäjä voi säätää lähtöjännitettä sujuvasti.

Vaihe 1: Kuva 1, AC -himmentimen emolevyn kaavio

IC1, D1 ja R2 käytetään nollapisteiden havaitsemiseen. Nollakohdat ovat AC-himmentimelle aivan välttämättömiä. IC1 [1] on optoerotin, joka tarjoaa galvaanisen eristyksen. R1 on vetovoima, joka vähentää kohinaa ja mahdollistaa kaikkien muutosten (sekä nousevien että laskevien reunojen) tallentamisen.

IC3 on 25A -luokiteltu Triac ST: ltä [2]. Tämän korkean virrankulutuksen ansiosta voimme saavuttaa helposti 4000 W: n himmennystehon, mutta Triacin lämpötila on pidettävä alhaisena ja lähellä huoneen lämpötilaa. Jos aiot hallita suuritehoisia kuormia, älä unohda asentaa suurta jäähdytyselementtiä tai käyttää tuuletinta komponentin jäähdyttämiseen. Tietolomakkeen mukaan tätä Triacia voidaan käyttää monissa sovelluksissa:”Sovellukset sisältävät ON/OFF -toiminnon sovelluksissa, kuten staattiset releet, lämmityksen säätö, induktiomoottorin käynnistyspiirit jne., Tai vaiheohjaukseen valon himmentimissä, moottorin nopeudensäätimet ja vastaavat”.

C3 ja R6, R4 ja C4 ovat snubbereita. Yksinkertaisesti sanottuna Snubber -piirejä käytetään melun vähentämiseen, mutta lisää lukemista varten ota huomioon ST: n AN437 -sovellushuomautus [3]. IC3 on snubberiton Triac, mutta päätin käyttää myös ulkoisia snubberpiirejä.

IC2 on optoisolaattori Triac [4], jota käytetään IC3: n ohjaamiseen. Se tekee myös oikean galvaanisen eristyksen. R5 rajoittaa IC2: n diodivirtaa.

IC4 on kuuluisa AMS1117 3,3 V: n jännitesäädin [5], joka tuottaa virran digitaalisille osapiireille. C1 vähentää sisääntulon kohinaa ja C2 vähentää lähtökohinaa. P1 on 2 -nastainen urospuolinen XH -liitin, jota käytetään ulkoisen virran kytkemiseen laitteeseen. Mikä tahansa tulojännite 5V - 9V riittää.

IC5 on STM32F030F4 -mikrokontrolleri ja piirin sydän [6]. Se sisältää kaikki ohjeet kuorman hallitsemiseksi. P2 on 2*2 urosotsikko, joka tarjoaa käyttöliittymän mikro -ohjaimen ohjelmointiin SWD: n kautta.

R7 ja R8 ovat painonappien vetovastus. Siksi MCU: n painikkeen tulonapit on ohjelmoitu aktiiviseksi matalaksi. C8, C9 ja C10 käytetään vähentämään melua MCU: n tietolomakkeen mukaan. L1, C5, C6 ja C7 vähentävät syöttökohinaa ja rakentavat myös ensimmäisen kertaluvun LC -suodattimen (Pi), jotta tuloäänen suodatus olisi tehokkaampaa.

IDC1 on 2*7 (14 nastaa) uros-IDC-liitin, jota käytetään muodostamaan oikea yhteys emolevyn ja paneelilevyn välillä 14-suuntaisen litteän kaapelin kautta.

Piirilevyasettelu [emolevy]

Kuva 2 esittää emolevyn piirilevyasettelua. Se on kaksikerroksinen piirilevy. Virtakomponentit ovat läpireikiä ja digitaaliset komponentit ovat SMD.

Vaihe 2: Kuva 2, AC -himmentimen emolevyn piirilevyasettelu

Kuten kuvassa on selvää, levy on jaettu kahteen osaan ja eristetty optisesti IC1: n ja IC2: n avulla. Tein myös eristysraon piirilevyyn IC2: n ja IC3: n alla. Korkean virran kantokiskot on vahvistettu sekä ylä- että alakerroksilla ja sidottu Viasilla. IC3 on sijoitettu levyn reunaan, joten jäähdytyselementin asentaminen on helpompaa. Sinulla ei pitäisi olla vaikeuksia juottaa komponentteja paitsi IC5. Nastat ovat ohuita ja lähellä toisiaan. Sinun on oltava varovainen, ettet tee juotosiltoja nastojen väliin.

Teollisten SamacSys -komponenttikirjastojen käyttäminen TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] ja STM32F030F4 [11] varten lyhensi merkittävästi suunnitteluaikaani ja esti mahdolliset virheet. En voi kuvitella kuinka paljon aikaa tuhlailin, jos aioin suunnitella nämä kaavamaiset symbolit ja PCB -jalanjäljet tyhjästä. Jos haluat käyttää Samacsys-komponenttikirjastoja, voit joko käyttää CAD-suosikkiohjelmistosi laajennusta [12] tai ladata kirjastot komponenttihakukoneesta. Kaikki SamacSys -palvelut/komponenttikirjastot ovat ilmaisia. Käytin Altium Designeria, joten mieluummin käytin SamacSys Altium -laajennusta (kuva 3).

Vaihe 3: Kuva 3, Valitut komponenttikirjastot SamacSys Altium -laajennuksesta

Kuva 4 esittää 3D -näkymiä levyn ylä- ja alareunasta. Kuvassa 5 esitetään koottu emolevyn piirilevy ylhäältä katsottuna ja kuviossa 6 esitetään koottu emolevyn piirilevy alhaalta katsottuna. Suurin osa komponenteista on juotettu yläkerrokseen. Neljä SMD -komponenttia on juotettu pohjakerrokseen. Kuvassa 6 piirilevyn eristysrako on selvä.

Vaihe 4: Kuva 4, 3D -näkymät PCB -kortilta

Vaihe 5: Kuva 5/6, koottu emolevyn piirilevy (ylhäältä/alhaalta)

Piirien analyysi [paneeli] Kuva 7 esittää paneelin kaaviota. SEG1 on kaksinumeroinen multipleksoitu yhteisen katodin seitsemän segmentti.

Vaihe 6: Kuva 7, AC -himmentimen paneelin kaavio

R1-R7 vastukset rajoittavat virran seitsemän segmentin LEDeihin. IDC1 on 7*2 (14 nastaa) uros-IDC-liitin, joten 14-suuntainen litteä johdin tarjoaa yhteyden emolevyyn. SW1 ja SW2 ovat kosketuspainikkeita. P1 ja P2 ovat 2-nastaisia XH-urosliittimiä. Olen tarjonnut ne käyttäjille, jotka aikovat käyttää ulkoisia paneelin painikkeita sisäisten kosketuspainikkeiden sijasta.

Q1 ja Q2 ovat N-kanavaisia MOSFET-laitteita [13], joita käytetään kytkemään PÄÄLLE/POIS jokaisen seitsemän segmentin osa. R8 ja R9 ovat alasvetovastus, joka pitää MOSFET-laitteiden hihnatapit alhaisina estääkseen MOSFET-laitteiden ei-toivotun laukaisun.

Piirilevyasettelu [paneeli]

Kuva 8 esittää paneelin piirilevyasettelua. Se on kaksikerroksinen piirilevy ja kaikki komponentit paitsi IDC -liitin ja kosketuspainikkeet ovat SMD -levyjä.

Vaihe 7: Kuva 8, AC -himmentimen paneelin piirilevyasettelu

Lukuun ottamatta seitsemän segmentin ja painikkeita (jos et käytä ulkoisia painikkeita), muut komponentit on juotettu pohjakerrokseen. IDC -liitin on myös juotettu pohjakerrokseen.

Sama kuin emolevy, käytin SamaNSysin teollisuuskomponenttikirjastoja (kaavamainen symboli, PCB -jalanjälki, 3D -malli) 2N7002: lle [14]. Kuva 9 esittää Altium -laajennuksen ja valitun komponentin, joka asennetaan kaavamaiseen asiakirjaan.

Vaihe 8: Kuva 9, Valittu komponentti (2N7002) SamacSys Altium -laajennuksesta

Kuva 10 esittää 3D -näkymiä paneelin ylä- ja alareunasta. Kuvio 11 esittää ylhäältä katsottuna koottua paneelia ja kuva 12 esittää alhaalta katsottuna koottua paneelia.

Vaihe 9: Kuva 10, 3D -näkymät paneelista ylhäältä ja alhaalta

Vaihe 10: Kuva 11/12, ylhäältä/alhaalta näkymä kootusta paneelista

Tulokset Kuva 13 esittää AC -himmentimen kytkentäkaaviota. Jos aiot tarkistaa lähtöaaltomuodon oskilloskoopilla, älä kytke oskilloskooppianturin maajohtoa himmentimen ulostuloon tai mihinkään verkkoon.

Huomio: Älä koskaan kytke oskilloskooppianturia suoraan verkkovirtaan. Mittapään maajohto voi rakentaa suljetun silmukan verkkoliittimen kanssa. Se räjäyttäisi kaiken tiellä, mukaan lukien piiri, anturi, oskilloskooppi tai jopa itse

Vaihe 11: Kuva 13, AC -himmentimen kytkentäkaavio

Tämän ongelman ratkaisemiseksi sinulla on 3 vaihtoehtoa. Käyttämällä differentiaalianturia, kelluvaa oskilloskooppia (suurin osa oskilloskoopeista on maadoitettu), käyttämällä 220 V-220 V: n eristysmuuntajaa tai yksinkertaisesti vain halpaa alasmuuntajaa, kuten 220 V-6 V tai 220 V-12 V … jne. Videossa ja kuvassa 11 käytin viimeistä menetelmää (askelmuuntaja) lähdön tarkistamiseen.

Kuva 14 esittää koko AC -himmenninyksikön. Olen liittänyt kaksi levyä 14-suuntaisella litteällä johdolla.

Vaihe 12: Kuva 14, täydellinen digitaalinen AC -himmennin

Kuva 15 esittää nollapisteitä ja Triacin ON/OFF-ajan. Kuten on selvää, sekä pulssin nousevan/laskevan reunan ei katsottu kohtaavan välkkymistä ja epävakautta.

Vaihe 13: Kuva 15, nollapisteitä (violetti aaltomuoto)

Vaihe 14: Materiaaliluettelo

On parempi käyttää 630 V: n nimelliskondensaattoreita C3: lle ja C4: lle.

Vaihe 15: Viitteet

Artikkeli:

[1]: TLP521 -tietolomake:

[2]: BTA26 -tietolomake:

[3]: AN437, ST -sovellushuomautus:

[4]: MOC3021 -tietolomake:

[5]: AMS1117-3.3 Tietolomake:

[6]: STM32F030F4 -tietolomake:

[7]: TLP521: n kaavamainen symboli ja piirilevyn jalanjälki:

[8]: Kaavamainen symboli ja piirilevyn jalanjälki MOC3021:

[9]: Kaavamainen symboli ja piirilevyn jalanjälki BTA26-600:

[10]: Kaavamainen symboli ja piirilevyn jalanjälki AMS1117-3.3:

[11]: Kaavamainen symboli ja piirilevyn jalanjälki STM32F030F4:

[12]: Elektroniset CAD-laajennukset:

[13]: 2N7002 Datasheet:

[14]: Kaavamainen symboli ja piirilevyn jalanjälki 2N7002: