Kraftfull digital AC -dimmer med STM32: 15 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:35

Av Hesam Moshiri, [email protected]

AC -laster bor hos oss! Eftersom de finns överallt runt omkring oss och åtminstone hushållsapparater levereras med nätström. Många typer av industriell utrustning drivs också med enfas 220V-AC. Därför står vi ofta inför situationer där vi måste ha full kontroll (dimning) över en AC -belastning, till exempel en lampa, en AC -motor, en dammsugare, en borr, etc. Vi bör veta att kontroll av en AC -belastning inte är lika enkelt som en DC -belastning. Vi måste använda en annan elektronisk krets och strategi. Om en AC-dimmer är designad digitalt anses den dessutom vara en tidskritisk applikation och mikrokontrollerns kod måste skrivas noggrant och effektivt. I denna artikel introducerade jag en isolerad 4000W digital AC -dimmer som består av två delar: moderkortet och panelen. Panelkortet har två tryckknappar och en sjusegmentsdisplay som låter användaren justera utspänningen smidigt.

Steg 1: Figur 1, schematiskt diagram över AC -dimmerns moderkort

IC1, D1 och R2 används för att detektera nollkorsningspunkter. Nollkorsningspunkterna är ganska viktiga för en AC-dimmer. IC1 [1] är en optokopplare som ger galvanisk isolering. R1 är ett pullup -motstånd som minskar bullret och gör att vi kan fånga alla förändringar (både stigande och fallande kanter).

IC3 är en 25A -klassad Triac från ST [2]. Denna höga strömstyrka gör att vi enkelt kan nå 4000W dimningseffekt, men temperaturen på Triac måste hållas låg och så nära rummets temperatur. Om du tänker styra hög effektbelastning, glöm inte att montera en stor kylfläns eller använd en fläkt för att kyla ned komponenten. Enligt databladet kan denna Triac användas i en mängd olika applikationer:”Applikationerna inkluderar ON/OFF -funktionen i applikationer som statiska reläer, värmereglering, induktionsmotorns startkretsar etc., eller för fasstyrning i ljusdimmare, motorvarvtalsregulatorer och liknande”.

C3 och R6, R4 och C4 är snubbers. På ett enkelt sätt används Snubber -kretsar för att minska bullret, men för mer läsning, överväg AN437 -ansökningsnotan från ST [3]. IC3 är en snubberfri Triac, men jag bestämde mig för att använda externa snubberkretsar också.

IC2 är en optoisolator Triac [4] som används för att styra IC3. Det gör också korrekt galvanisk isolering. R5 begränsar diodströmmen för IC2.

IC4 är den berömda AMS1117 3.3V spänningsregulatorn [5] som ger ström till de digitala delkretsarna. C1 reducerar ingångsbruset och C2 reducerar utgångsbruset. P1 är en 2 -stifts hane XH -kontakt som används för att ansluta den externa strömmen till enheten. Varje ingångsspänning från 5V till 9V räcker.

IC5 är STM32F030F4 mikrokontroller och hjärtat i kretsen [6]. Den innehåller alla instruktioner för att kontrollera lasten. P2 är en 2*2 hanrubrik som ger ett gränssnitt för att programmera mikrokontrollern genom SWD.

R7 och R8 är pullup -motstånd för tryckknapparna. Därför är tryckknappens ingångsstiften på MCU programmerade som aktiv-låg. C8, C9 och C10 används för att minska bruset enligt MCU: s datablad. L1, C5, C6 och C7 reducerar matningsbruset, bygg också ett första ordnings LC -filter (Pi) för att ge starkare filtrering för ingångsbruset.

IDC1 är en 2*7 (14 stift) manlig IDC-kontakt som används för att göra en korrekt anslutning mellan moderkortet och panelkortet genom en 14-vägs platt kabel.

PCB -layout [moderkort]

Figur-2 visar PCB-layouten på moderkortet. Det är en två-lager PCB-design. Strömkomponenterna är genomgående hål och digitala komponenter är SMD.

Steg 2: Figur 2, PCB -layout för AC Dimmerns moderkort

Som det framgår av bilden är kortet uppdelat i två delar och optiskt isolerat med IC1 och IC2. Jag gjorde också en isoleringslucka på kretskortet, under IC2 och IC3. Högströmsspåren har förstärkts med både topp- och bottenlager och bundits med Vias. IC3 har placerats vid kanten av brädet, så det är lättare att montera en kylfläns. Du bör inte ha problem med att lödda komponenterna förutom IC5. Nålar är tunna och nära varandra. Du bör vara försiktig så att du inte gör lödbroar mellan stiften.

Genom att använda de industriellt klassade SamacSys -komponentbiblioteken för TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] och STM32F030F4 [11] minskade min designtid avsevärt och förhindrade eventuella misstag. Jag kan inte föreställa mig hur mycket tid jag slösade bort om jag tänkte designa dessa schematiska symboler och PCB -fotavtryck från grunden. För att använda Samacsys komponentbibliotek kan du antingen använda ett plugin för din favorit CAD-programvara [12] eller ladda ner biblioteken från komponentsökmotorn. Alla SamacSys tjänster/komponentbibliotek är gratis. Jag använde Altium Designer, så jag föredrog att använda SamacSys Altium -plugin (figur 3).

Steg 3: Figur 3, utvalda komponentbibliotek från SamacSys Altium -plugin

Figur 4 visar 3D -vyer från toppen och botten av brädet. Figur 5 visar det monterade moderkortet från ovanifrån och figur 6 visar det monterade moderkortet från en vy underifrån. Majoriteten av komponenterna är lödda på det översta lagret. Fyra SMD -komponenter är lödda på bottenlagret. I figur 6 är PCB: s isoleringsgap tydligt.

Steg 4: Figur 4, 3D -vyer från kretskortet

Steg 5: Figur 5/6, monterad moderkortskort (ovanifrån/nedifrån)

Kretsanalys [panel] Figur 7 visar det schematiska diagrammet över panelen. SEG1 är en tvåsiffrig multiplexerad gemensam katod med sju segment.

Steg 6: Figur 7, schematiskt diagram över AC -dimmerens panel

R1 till R7 motstånd begränsar strömmen till lysdioderna med sju segment. IDC1 är en 7*2 (14 stift) han-IDC-kontakt, så en 14-vägs platt tråd ger anslutningen till moderkortet. SW1 och SW2 är taktila tryckknappar. P1 och P2 är 2-poliga XH-hankontakter. Jag har tillhandahållit dem för användare som tänker använda externa panelknappar istället för inbyggda taktila tryckknappar.

Q1 och Q2 är N-Channel MOSFETs [13] som används för att slå PÅ/AV varje del av sjusegmentet. R8 och R9 är neddragningsmotstånd för att hålla portarna på MOSFET: erna låga för att förhindra oönskad utlösning av MOSFET: erna.

PCB -layout [panel]

Figur 8 visar panelens PCB -layout. Det är ett tvålagers kretskort och alla komponenter utom IDC -kontakt och taktila tryckknappar är SMD.

Steg 7: Figur 8, PCB -layout för AC Dimmerns panel

Förutom sjusegmentet och tryckknappar (om du inte använder externa knappar) löds andra komponenter på bottenlagret. IDC -kontakten är också lödd på bottenlagret.

Samma som moderkortet använde jag SamacSys industriella komponentbibliotek (schematisk symbol, PCB -fotavtryck, 3D -modell) för 2N7002 [14]. Figur 9 visar Altium -plugin och den valda komponenten som ska installeras i det schematiska dokumentet.

Steg 8: Figur 9, vald komponent (2N7002) från SamacSys Altium -plugin

Figur 10 visar 3D -vyer från panelens övre och nedre del. Figur 11 visar en vy ovanifrån från den monterade panelskivan och figur 12 visar en vy underifrån från den monterade panelen.

Steg 9: Figur 10, 3D -vyer uppifrån och nedifrån på panelen

Steg 10: Figur 11/12, en topp-/bottenvy från den monterade panelen

Resultat Figur 13 visar kopplingsschemat för AC Dimmer. Om du tänkte kontrollera utmatningsvågformen med ett oscilloskop får du inte ansluta din oscilloskopprobes jordledning till dimmerns utgång eller ingenstans på elnätet.

Observera: Anslut aldrig din oscilloskopsond direkt till elnätet. Sondens jordledning kan bygga en sluten slinga med nätterminalen. Det skulle spränga allt i vägen, inklusive din krets, sond, oscilloskop eller till och med dig själv

Steg 11: Figur 13, kopplingsschema för AC -dimmer

För att lösa detta problem har du tre alternativ. Med hjälp av en differentialsond, med hjälp av ett flytande oscilloskop (majoriteten av oscilloskopen är markrefererade), med en 220V-220V isoleringstransformator, eller helt enkelt använda en billig trapptransformator, till exempel 220V-6V eller 220V-12V … etc I videon och figur 11 använde jag den sista metoden (trapptransformator) för att kontrollera utmatningen.

Figur 14 visar hela AC -dimmerenheten. Jag har anslutit två kort med en 14-vägs platt tråd.

Steg 12: Figur 14, en komplett digital AC -dimmer

Figur 15 visar nollkorsningspunkterna och Triacs ON/OFF-tid. Som det är klart ansågs både den stigande/fallande kanten av en puls att inte möta några flimmer och instabilitet.

Steg 13: Figur 15, Nollkorsningspunkter (den lila vågformen)

Steg 14: Materialförteckning

Det är bättre att använda 630V -kondensatorer för C3 och C4.

Steg 15: Referenser

Artikel:

[1]: TLP521 Datablad:

[2]: BTA26 -datablad:

[3]: AN437, ST Application Note:

[4]: MOC3021 Datablad:

[5]: AMS1117-3.3 Datablad:

[6]: STM32F030F4 Datablad:

[7]: Schematisk symbol och PCB -fotavtryck för TLP521:

[8]: Schematisk symbol och PCB -fotavtryck för MOC3021:

[9]: Schematisk symbol och PCB-fotavtryck för BTA26-600:

[10]: Schematisk symbol och PCB-fotavtryck för AMS1117-3.3:

[11]: Schematisk symbol och PCB -fotavtryck för STM32F030F4:

[12]: Elektroniska CAD-plugins:

[13]: 2N7002 Datablad:

[14]: Schematisk symbol och PCB -fotavtryck för 2N7002: