Napakahusay na Digital AC Dimmer Gamit ang STM32: 15 Hakbang (na may Mga Larawan)

2024 May -akda: John Day | [email protected]. Huling binago: 2024-01-30 13:09

Ni Hesam Moshiri, [email protected]

Ang mga paglo-load ng AC ay nakatira sa amin! Sapagkat ang mga ito ay saanman sa paligid natin at kahit papaano ang mga gamit sa bahay ay ibinibigay na may lakas na pangunahing kapangyarihan. Maraming uri ng kagamitan pang-industriya ang pinalakas din ng solong-phase 220V-AC. Samakatuwid, madalas nating harapin ang mga sitwasyon na kailangan nating magkaroon ng ganap na kontrol (paglabo) sa isang karga sa AC, tulad ng isang lampara, isang motor na AC, isang vacuum cleaner, isang drill, … atbp. Dapat nating malaman na ang pagkontrol sa isang karga sa AC ay hindi kasing simple ng DC load. Kailangan naming gumamit ng ibang elektronikong circuit at diskarte. Bukod dito, kung ang isang AC dimmer ay dinisenyo nang digital, ito ay itinuturing na isang kritikal na oras na application, at ang code ng microcontroller ay dapat na maingat na maisulat. Sa artikulong ito, ipinakilala ko ang isang nakahiwalay na 4000W digital AC dimmer na binubuo ng dalawang bahagi: ang mainboard at ang panel. Nagbibigay ang panel board ng dalawang mga pindutan ng push at isang pitong-segment na display na nagpapahintulot sa gumagamit na ayusin nang maayos ang output boltahe.

Hakbang 1: Larawan 1, Diagram ng Skematika ng Mainboard ng AC Dimmer

Ginagamit ang IC1, D1, at R2 upang makita ang mga zero-tawiran na puntos. Ang mga zero-tawiran point ay lubos na mahalaga para sa isang AC dimmer. Ang IC1 [1] ay isang optocoupler na nagbibigay ng pagkakahiwalay ng galvanic. Ang R1 ay isang pullup risistor na binabawasan ang ingay at pinapayagan kaming makuha ang lahat ng mga pagbabago (parehong tumataas at bumabagsak na mga gilid).

Ang IC3 ay isang 25A na na-rate na Triac mula sa ST [2]. Ang mataas na kasalukuyang rating na ito ay nagbibigay-daan sa amin upang madaling maabot ang 4000W na dimming power, gayunpaman, ang temperatura ng Triac ay dapat panatilihing mababa at malapit sa temperatura ng kuwarto. Kung balak mong kontrolin ang mataas na pag-load ng lakas, huwag kalimutang i-mount ang isang malaking heatsink o gumamit ng isang Fan upang palamigin ang sangkap. Ayon sa datasheet, ang Triac na ito ay maaaring magamit sa iba't ibang mga application: "Kasama sa mga application ang ON / OFF function sa mga application tulad ng static relay, regulasyon sa pag-init, induction motor na nagsisimula ng mga circuit, atbp., O para sa pagpapatakbo ng phase control sa light dimmers, mga motor control Controllers, at katulad”.

Ang C3 at R6, R4 at C4 ay mga snubber. Sa isang simpleng term, ang mga snubber circuit ay ginagamit upang mabawasan ang ingay, gayunpaman para sa karagdagang pagbabasa, mangyaring isaalang-alang ang tala ng aplikasyon ng AN437 mula sa ST [3]. Ang IC3 ay isang snubber-less Triac, gayunpaman, nagpasya akong gumamit din ng mga panlabas na snubber circuit.

Ang IC2 ay isang optoisolator Triac [4] na ginagamit upang makontrol ang IC3. Gumagawa din ito ng wastong pagkakahiwalay ng galvanic. Nililimitahan ng R5 ang kasalukuyang diode ng IC2.

Ang IC4 ay ang sikat na AMS1117 3.3V boltahe regulator [5] na nagbibigay ng lakas para sa mga digital na bahagi ng mga circuit. Binabawasan ng C1 ang ingay ng pag-input at binabawasan ng C2 ang ingay ng output. Ang P1 ay isang 2 pin male XH konektor na ginagamit upang ikonekta ang panlabas na lakas sa aparato. Ang anumang input boltahe mula 5V hanggang 9V ay sapat na.

Ang IC5 ay ang STM32F030F4 microcontroller at ang puso ng circuit [6]. Nagbibigay ito ng lahat ng mga tagubilin upang makontrol ang pagkarga. Ang P2 ay isang 2 * 2 male header na nagbibigay ng isang interface upang mai-program ang microcontroller sa pamamagitan ng SWD.

Ang R7 at R8 ay mga pullup resistors para sa mga pushbuttons. Samakatuwid ang mga pushbutton input pin ng MCU ay na-program bilang aktibo-mababa. Ang C8, C9, at C10 ay ginagamit upang mabawasan ang ingay ayon sa datasheet ng MCU. Ang L1, C5, C6, at C7 ay nagbabawas ng ingay ng suplay, bumuo din ng unang order na LC filter (Pi) upang magbigay ng mas malakas na pag-filter para sa ingay ng pag-input.

Ang IDC1 ay isang 2 * 7 (14 na pin) male IDC konektor na ginagamit upang makagawa ng wastong koneksyon sa pagitan ng mainboard at ng board board sa pamamagitan ng isang 14-way flat cable.

Layout ng PCB [mainboard]

Ipinapakita ng Figure-2 ang layout ng PCB ng mainboard. Ito ay isang dalawang-layer na disenyo ng PCB. Ang mga sangkap ng kuryente ay through-hole at ang mga digital na bahagi ay SMD.

Hakbang 2: Larawan 2, Layout ng PCB ng Mainboard ng AC Dimmer

Tulad ng malinaw sa imahe, ang board ay nahahati sa dalawang bahagi at optically na ihiwalay gamit ang IC1 at IC2. Gumawa din ako ng agwat ng paghihiwalay sa PCB, sa ilalim ng IC2 at IC3. Ang mataas na kasalukuyang nagdadala ng mga track ay napalakas gamit ang parehong tuktok at ilalim na mga layer at nakatali gamit ang Vias. Ang IC3 ay inilagay sa gilid ng board, kaya mas madaling mag-mount ng heatsink. Hindi ka dapat magkaroon ng mga paghihirap sa paghihinang ng mga bahagi maliban sa IC5. Pins ay payat at malapit sa bawat isa. Dapat kang mag-ingat na hindi gumawa ng mga solder bridges sa pagitan ng mga pin.

Gamit ang pang-industriya na na-rate na mga library ng sangkap ng SamacSys para sa TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10], at STM32F030F4 [11], makabuluhang nabawasan ang oras ng aking disenyo at pinigilan ang mga posibleng pagkakamali. Hindi ko maisip kung gaano karaming oras ang aking nasasayang kung balak kong idisenyo ang mga simbolong eskematiko at mga footprint ng PCB mula sa simula. Upang magamit ang mga library ng sangkap ng Samacsys, maaari kang gumamit ng isang plugin para sa iyong paboritong software ng CAD [12] o i-download ang mga aklatan mula sa component-search-engine. Ang lahat ng mga serbisyo ng SamacSys / aklatan ng sangkap ay libre. Gumamit ako ng Altium Designer, Kaya't ginusto kong gamitin ang SamacSys Altium plugin (Larawan 3).

Hakbang 3: Larawan 3, Napiling Mga Library ng Component Mula sa SamacSys Altium Plugin

Ipinapakita ng Larawan 4 ang mga pagtingin sa 3D mula sa tuktok at ilalim ng pisara. Ipinapakita ng Larawan 5 ang tipunin na mainboard PCB mula sa isang tuktok na pagtingin at ang pigura 6 ay nagpapakita ng tipunin na mainboard PCB mula sa isang ilalim na pagtingin. Ang karamihan ng mga bahagi ay solder sa tuktok na layer. Apat na mga bahagi ng SMD ang solder sa ilalim na layer. Sa figure-6, malinaw ang agwat ng paghihiwalay ng PCB.

Hakbang 4: Larawan 4, Mga Pagtingin sa 3D Mula sa PCB Board

Hakbang 5: Larawan 5/6, Nagtipon ng Mainboard PCB (tuktok Tingnan / ibaba Tingnan)

Pagsusuri sa Circuit [panel] Ipinapakita ng Larawan 7 ang diagram ng eskematiko ng panel. Ang SEG1 ay isang dalawang digit na multiplexed common-cathode na pitong-segment.

Hakbang 6: Larawan 7, Diagram ng Skematika ng Panel ng AC Dimmer

Ang mga resistor ng R1 hanggang R7 ay naglilimita sa kasalukuyang sa pitong-segment na LED. Ang IDC1 ay isang 7 * 2 (14 na pin) male IDC konektor, kaya ang isang 14-way flat wire ay nagbibigay ng koneksyon sa mainboard. Ang SW1 at SW2 ay mga tactile pushbuttons. Ang P1 at P2 ay 2-pin XH male konektor. Ibinigay ko ang mga ito para sa mga gumagamit na balak na gumamit ng panlabas na mga pindutan ng pindutan sa halip na onboard na pandikit na pushbuttons.

Ang Q1 at Q2 ay mga N-Channel MOSFET [13] na ginagamit upang buksan / I-OFF ang bawat bahagi ng pitong-segment. Ang R8 at R9 ay mga pull-down resistor upang hawakan mababa ang mga pin ng gate ng MOSFETs, upang maiwasan ang hindi ginustong pag-trigger ng mga MOSFET.

Layout ng PCB [panel]

Ipinapakita ng Larawan 8 ang layout ng PCB ng panelboard. Ito ay isang dalawang layer ng PCB board at lahat ng mga sangkap maliban sa konektor ng IDC at mga pushbuttons na pandamdam ay SMD.

Hakbang 7: Larawan 8, PCB Layout ng AC Dimmer's Panelboard

Maliban sa pitong-segment at mga pushbutton (kung hindi ka gumagamit ng mga panlabas na pindutan), ang iba pang mga bahagi ay solder sa ilalim na layer. Ang konektor ng IDC ay solder din sa ilalim na layer.

Kapareho ng mainboard, ginamit ko ang SamacSys pang-industriya na sangkap na mga aklatan (simbolo ng eskematiko, bakas ng PCB, modelo ng 3D) para sa 2N7002 [14]. Ipinapakita ng Larawan 9 ang Altium plugin at ang napiling sangkap na mai-install sa dokumento ng Schematic.

Hakbang 8: Larawan 9, Napiling Component (2N7002) Mula sa SamacSys Altium Plugin

Ipinapakita ng Larawan 10 ang mga pagtingin sa 3D mula sa tuktok at ibaba ng panelboard. Ang Figure 11 ay nagpapakita ng isang nangungunang pagtingin mula sa naka-assemble na panelboard at ang numero 12 ay nagpapakita ng isang ibabang pagtingin mula sa tipunin na panelboard.

Hakbang 9: Larawan 10, Mga Pagtingin sa 3D Mula sa Itaas at Ibaba ng Panelboard

Hakbang 10: Larawan 11/12, isang Tuktok / ibaba na Pagtingin Mula sa Assembled Panelboard

Mga Resulta ng Larawan 13 ay nagpapakita ng diagram ng mga kable ng AC Dimmer. Kung inilaan mong suriin ang output waveform gamit ang isang oscilloscope, hindi mo dapat ikonekta ang ground oscilloscope probe na humantong sa dimmer output o saanman sa mains.

Pansin: Huwag kailanman ikonekta ang iyong oscilloscope probe nang direkta sa mains. Ang lead ng lupa ng probe ay maaaring bumuo ng isang closed loop gamit ang terminal ng mains. Pasabog nito ang lahat sa daanan, kabilang ang iyong circuit, probe, oscilloscope, o kahit na iyong sarili

Hakbang 11: Larawan 13, Diagram ng Mga Kable ng AC Dimmer

Upang mapagtagumpayan ang problemang ito, mayroon kang 3 mga pagpipilian. Gamit ang isang kaugalian na pagsisiyasat, paggamit ng isang lumulutang oscilloscope (ang karamihan ng mga oscilloscope ay nasangguni sa lupa), gamit ang isang 220V-220V isolation transpormer, o simpleng paggamit lamang ng isang murang step-down na transpormer, tulad ng 220V-6V o 220V-12V… atbp Sa video at figure-11, ginamit ko ang huling pamamaraan (step-down transpormer) upang suriin ang output.

Ipinapakita ng Figure 14 ang kumpletong unit ng AC dimmer. Nakakonekta ko ang dalawang board gamit ang isang 14-way flat wire.

Hakbang 12: Larawan 14, isang Kumpletong Digital AC Dimmer Unit

Ipinapakita ng Larawan 15 ang mga zero-tawiran point at oras ng ON / OFF ng Triac. Tulad ng malinaw, ang parehong tumataas / bumabagsak na gilid ng isang pulso ay isinasaalang-alang upang hindi harapin ang anumang pagkutitap at kawalang-tatag.

Hakbang 13: Larawan 15, Mga Zero Crossing Points (ang Lila na Waveform)

Hakbang 14: Bill ng Mga Materyales

Mas mahusay na gumamit ng 630V na na-rate na mga capacitor para sa C3 at C4.

Hakbang 15: Mga Sanggunian

Artikulo:

[1]: TLP521 Datasheet:

[2]: BTA26 Datasheet:

[3]: AN437, ST Application Tandaan:

[4]: MOC3021 Datasheet:

[5]: AMS1117-3.3 Datasheet:

[6]: STM32F030F4 Datasheet:

[7]: Simbolo ng Skematika at PCB Footprint ng TLP521:

[8]: Symbol ng Skematika at PCB Footprint ng MOC3021:

[9]: Simbolo ng Skematika at PCB Footprint ng BTA26-600:

[10]: Simbolo ng Skematika at PCB Footprint ng AMS1117-3.3:

[11]: Simbolo ng Skematika at PCB Footprint ng STM32F030F4:

[12]: Mga Plugin ng Elektronikong CAD:

[13]: 2N7002 Datasheet:

[14]: Simbolo ng Skematika at PCB Footprint ng 2N7002: