Мощный цифровой диммер переменного тока с использованием STM32: 15 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:47

Автор Хесам Мошири, [email protected]

Нагрузки переменного тока живут у нас! Потому что они повсюду вокруг нас и, по крайней мере, бытовая техника питается от сети. Многие виды промышленного оборудования также питаются от однофазного переменного тока 220В. Поэтому мы часто сталкиваемся с ситуациями, когда нам необходимо иметь полный контроль (регулирование яркости) над нагрузкой переменного тока, такой как лампа, двигатель переменного тока, пылесос, дрель и т. Д. Мы должны знать, что управление нагрузкой переменного тока не является так же просто, как нагрузка постоянного тока. Мы должны использовать другую электронную схему и другую стратегию. Более того, если диммер переменного тока разработан в цифровом виде, это считается критичным по времени приложением, и код микроконтроллера должен быть написан тщательно и эффективно. В этой статье я представил изолированный цифровой диммер переменного тока мощностью 4000 Вт, который состоит из двух частей: материнской платы и панели. На панели управления есть две кнопки и семисегментный дисплей, который позволяет пользователю плавно регулировать выходное напряжение.

Шаг 1. Рисунок 1. Принципиальная схема материнской платы диммера переменного тока

IC1, D1 и R2 используются для обнаружения точек пересечения нуля. Точки перехода через ноль очень важны для диммера переменного тока. IC1 [1] - это оптрон, обеспечивающий гальваническую развязку. R1 - это подтягивающий резистор, который снижает шум и позволяет нам фиксировать все изменения (как нарастающие, так и на спадающие фронты).

IC3 - это симистор номиналом 25А от ST [2]. Этот высокий номинальный ток позволяет нам легко достичь мощности затемнения 4000 Вт, однако температура симистора должна быть низкой и максимально приближенной к температуре помещения. Если вы собираетесь управлять нагрузками высокой мощности, не забудьте установить большой радиатор или использовать вентилятор для охлаждения компонента. Согласно техническому описанию, этот симистор может использоваться в различных приложениях: «Приложения включают функцию ВКЛ / ВЫКЛ в таких приложениях, как статические реле, регулирование нагрева, цепи запуска асинхронных двигателей и т. Д., Или для управления фазой в светорегуляторах., регуляторы скорости двигателя и т.п. ».

C3 и R6, R4 и C4 - амортизаторы. Проще говоря, демпфирующие цепи используются для уменьшения шума, однако для большего чтения, пожалуйста, обратите внимание на примечание по применению AN437 от ST [3]. IC3 - это симистор без демпфера, однако я решил также использовать внешние демпфирующие цепи.

IC2 - это оптоизолятор Triac [4], который используется для управления IC3. Он также обеспечивает надлежащую гальваническую развязку. R5 ограничивает ток диода IC2.

IC4 - это знаменитый стабилизатор напряжения 3,3 В AMS1117 [5], обеспечивающий питание схем цифровой части. C1 снижает входной шум, а C2 уменьшает выходной шум. P1 - это двухконтактный штекерный разъем XH, который используется для подключения внешнего источника питания к устройству. Достаточно любого входного напряжения от 5В до 9В.

IC5 - это микроконтроллер STM32F030F4 и сердце схемы [6]. В нем есть все инструкции по контролю нагрузки. P2 - это штекерный разъем 2 * 2, который обеспечивает интерфейс для программирования микроконтроллера через SWD.

R7 и R8 - подтягивающие резисторы для кнопок. Поэтому входные контакты кнопки MCU запрограммированы как активный низкий уровень. C8, C9 и C10 используются для уменьшения шума в соответствии с таблицей данных MCU. L1, C5, C6 и C7 уменьшают шум питания, а также создают LC-фильтр первого порядка (Pi), чтобы обеспечить более сильную фильтрацию входного шума.

IDC1 - это штекерный разъем IDC 2 * 7 (14 контактов), который используется для надлежащего соединения между материнской платой и панелью с помощью 14-контактного плоского кабеля.

Схема печатной платы [материнская плата]

На рисунке 2 показана компоновка печатной платы материнской платы. Это двухслойная конструкция печатной платы. Компоненты питания сквозные, а цифровые компоненты - SMD.

Шаг 2: Рисунок 2, компоновка печатной платы материнской платы диммера переменного тока

Как видно на изображении, плата разделена на две части и оптически изолирована с помощью IC1 и IC2. Еще я сделал изоляционный зазор на плате, под IC2 и IC3. Токоведущие дорожки усилены верхним и нижним слоями и связаны переходными переходниками. IC3 размещен на краю платы, поэтому установить радиатор проще. У вас не должно возникнуть трудностей с пайкой компонентов, кроме IC5. Штифты тонкие и плотно прилегают друг к другу. Будьте осторожны, чтобы не образовать перемычки между контактами.

Использование промышленных библиотек компонентов SamacSys для TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] и STM32F030F4 [11] значительно сократило время разработки и предотвратило возможные ошибки. Я не могу представить, сколько времени я тратил, если намеревался разработать эти схематические символы и посадочные места на печатной плате с нуля. Чтобы использовать библиотеки компонентов Samacsys, вы можете либо использовать подключаемый модуль для вашего любимого программного обеспечения САПР [12], либо загрузить библиотеки из поисковой системы компонентов. Все службы / библиотеки компонентов SamacSys бесплатны. Я использовал Altium Designer, поэтому я предпочел использовать плагин SamacSys Altium (рисунок 3).

Шаг 3: Рисунок 3, библиотеки выбранных компонентов из плагина SamacSys Altium

На рисунке 4 показаны трехмерные изображения сверху и снизу платы. На рис. 5 показана смонтированная печатная плата материнской платы сверху, а на рис. 6 - смонтированная плата материнской платы снизу. Большинство компонентов припаиваются к верхнему слою. На нижнем слое припаяны четыре SMD-компонента. На рисунке 6 виден изолирующий зазор печатной платы.

Шаг 4: Рисунок 4, 3D-виды с печатной платы

Шаг 5: Рисунок 5/6, Собранная печатная плата материнской платы (вид сверху / вид снизу)

Анализ схем [панель] На рисунке 7 показана принципиальная схема панели. SEG1 представляет собой двухзначный мультиплексированный семисегментный сегмент с общим катодом.

Шаг 6. Рисунок 7, принципиальная схема панели диммера переменного тока

Резисторы от R1 до R7 ограничивают ток семисегментных светодиодов. IDC1 представляет собой штекерный разъем IDC 7 * 2 (14 контактов), поэтому 14-контактный плоский провод обеспечивает соединение с материнской платой. SW1 и SW2 - тактильные кнопки. P1 и P2 - это двухконтактные штекерные разъемы XH. Я предоставил их пользователям, которые намереваются использовать кнопки внешней панели вместо встроенных тактильных кнопок.

Q1 и Q2 - это N-канальные полевые МОП-транзисторы [13], которые используются для включения / выключения каждой части семи сегментов. R8 и R9 - это понижающие резисторы, которые удерживают контакты затвора полевых МОП-транзисторов на низком уровне, чтобы предотвратить нежелательное срабатывание полевых МОП-транзисторов.

Схема печатной платы [панель]

На рисунке 8 показана компоновка печатной платы щитка. Это двухслойная печатная плата, и все компоненты, кроме разъема IDC и тактильных кнопок, имеют SMD-структуру.

Шаг 7: Рисунок 8, Компоновка печатной платы панели управления диммером переменного тока

За исключением семисегментных и кнопок (если вы не используете внешние кнопки), другие компоненты припаяны на нижнем слое. Разъем IDC также распаян на нижнем слое.

Так же, как и материнская плата, я использовал библиотеки промышленных компонентов SamacSys (схематический символ, посадочное место печатной платы, 3D-модель) для 2N7002 [14]. На рисунке 9 показан подключаемый модуль Altium и выбранный компонент для установки в документе схемы.

Шаг 8: Рисунок 9, выбранный компонент (2N7002) из подключаемого модуля SamacSys Altium

На рисунке 10 показаны трехмерные виды сверху и снизу панели. На Фиг.11 показан вид сверху собранной панели, а на Фигуре 12 показан вид снизу из собранной панели.

Шаг 9. Рисунок 10, 3D-виды сверху и снизу панели

Шаг 10: Рисунок 11/12, вид сверху / снизу с собранной панели

Результаты На рисунке 13 показана электрическая схема диммера переменного тока. Если вы намеревались проверить форму выходного сигнала с помощью осциллографа, вы не должны подключать заземляющий провод щупа осциллографа к выходу регулятора яркости или к электросети.

Внимание: никогда не подключайте пробник осциллографа напрямую к электросети. Провод заземления пробника может образовывать замкнутый контур с клеммой питания. Он взорвет все на пути, включая вашу схему, пробник, осциллограф или даже вас самих

Шаг 11: Рисунок 13, Схема подключения диммера переменного тока

Чтобы решить эту проблему, у вас есть 3 варианта. Используя дифференциальный пробник, используя плавающий осциллограф (большинство осциллографов привязано к земле), используя изолирующий трансформатор 220-220 В, или просто используйте дешевый понижающий трансформатор, такой как 220 В-6 В или 220 В-12 В и т. Д. На видео и на рисунке 11 я использовал последний метод (понижающий трансформатор) для проверки выхода.

На Рисунке 14 показан полный блок диммера переменного тока. Я соединил две платы плоским 14-жильным проводом.

Шаг 12. Рисунок 14, полный цифровой диммер переменного тока

На рисунке 15 показаны точки перехода через нуль и время включения / выключения симистора. Как ясно, считалось, что как нарастающий, так и спадающий фронт импульса не сталкиваются с мерцанием и нестабильностью.

Шаг 13: Рисунок 15, Нулевые точки пересечения (фиолетовая форма волны)

Шаг 14: Спецификация материалов

Для C3 и C4 лучше использовать конденсаторы номиналом 630 В.

Шаг 15: ссылки

Статья:

[1]: Техническое описание TLP521:

[2]: Лист данных BTA26:

[3]: AN437, Примечание по применению ST:

[4]: Техническое описание MOC3021:

[5]: Техническое описание AMS1117-3.3:

[6]: Лист данных STM32F030F4:

[7]: Схематический символ и посадочное место на печатной плате TLP521:

[8]: Схематический символ и посадочное место печатной платы MOC3021:

[9]: Схематический символ и посадочное место печатной платы BTA26-600:

[10]: Схематический символ и посадочное место печатной платы AMS1117-3.3:

[11]: Схематический символ и посадочное место на печатной плате STM32F030F4:

[12]: Электронные плагины САПР:

[13]: 2N7002 Лист данных:

[14]: Схематический символ и посадочное место печатной платы 2N7002: