Krachtige digitale AC-dimmer met STM32 - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:14

Door Hesam Moshiri, [email protected]

AC-belastingen leven bij ons! Omdat ze overal om ons heen zijn en in ieder geval huishoudelijke apparaten van netstroom worden voorzien. Veel soorten industriële apparatuur worden ook gevoed met de enkelfasige 220V-AC. Daarom worden we vaak geconfronteerd met situaties waarin we volledige controle (dimmen) over een AC-belasting moeten hebben, zoals een lamp, een AC-motor, een stofzuiger, een boormachine, … enz. We moeten weten dat het regelen van een AC-belasting niet zo eenvoudig als een DC-belasting. We moeten een ander elektronisch circuit en een andere strategie gebruiken. Bovendien, als een AC-dimmer digitaal is ontworpen, wordt deze als een tijdkritische toepassing beschouwd en moet de code van de microcontroller zorgvuldig en efficiënt worden geschreven. In dit artikel heb ik een geïsoleerde 4000W digitale AC-dimmer geïntroduceerd die uit twee delen bestaat: het moederbord en het paneel. Het paneelbord biedt twee drukknoppen en een display met zeven segmenten waarmee de gebruiker de uitgangsspanning soepel kan aanpassen.

Stap 1: Afbeelding 1, Schematisch diagram van het moederbord van de AC-dimmer

IC1, D1 en R2 worden gebruikt om nuldoorgangspunten te detecteren. De nuldoorgangen zijn vrij essentieel voor een AC-dimmer. IC1 [1] is een optocoupler die galvanische isolatie biedt. R1 is een pullup-weerstand die de ruis vermindert en ons in staat stelt om alle veranderingen (zowel stijgende als dalende flanken) vast te leggen.

IC3 is een Triac met een vermogen van 25 A van ST [2]. Deze hoge stroomsterkte stelt ons in staat om gemakkelijk 4000W dimvermogen te bereiken, maar de temperatuur van de Triac moet laag worden gehouden en zo dicht mogelijk bij de kamertemperatuur. Als u van plan bent om hoge stroombelastingen te regelen, vergeet dan niet om een groot koellichaam te monteren of een ventilator te gebruiken om het onderdeel af te koelen. Volgens de datasheet kan deze Triac in verschillende toepassingen worden gebruikt: "Toepassingen omvatten de AAN / UIT-functie in toepassingen zoals statische relais, verwarmingsregeling, inductiemotorstartcircuits, enz., of voor faseregeling in lichtdimmers, motortoerentalregelaars en dergelijke”.

C3 en R6, R4 en C4 zijn dempers. In een eenvoudige term worden Snubber-circuits gebruikt om de ruis te verminderen, maar voor meer informatie kunt u de AN437-toepassingsnota van ST [3] raadplegen. IC3 is een snubberloze Triac, maar ik heb besloten om ook externe snubbercircuits te gebruiken.

IC2 is een optoisolator Triac [4] die wordt gebruikt om de IC3 aan te sturen. Het zorgt ook voor een goede galvanische isolatie. R5 begrenst de diodestroom van de IC2.

IC4 is de beroemde AMS1117 3.3V spanningsregelaar [5] die de stroom levert voor de digitale deelcircuits. C1 reduceert de ingangsruis en C2 reduceert de uitgangsruis. P1 is een 2-pins mannelijke XH-connector die wordt gebruikt om de externe voeding op het apparaat aan te sluiten. Elke ingangsspanning van 5V tot 9V is voldoende.

IC5 is de STM32F030F4 microcontroller en het hart van het circuit [6]. Het biedt alle instructies om de belasting te regelen. P2 is een 2*2 mannelijke header die een interface biedt om de microcontroller via de SWD te programmeren.

R7 en R8 zijn pullup-weerstanden voor de drukknoppen. Daarom zijn de ingangspinnen van de drukknop van de MCU geprogrammeerd als actief-laag. C8, C9 en C10 worden gebruikt om de ruis te verminderen volgens de datasheet van de MCU. L1, C5, C6 en C7 verminderen de toevoerruis, bouwen ook een eerste orde LC-filter (Pi) om sterkere filtering voor de ingangsruis te bieden.

IDC1 is een 2*7 (14-pins) mannelijke IDC-connector die wordt gebruikt om een goede verbinding te maken tussen het moederbord en het paneelbord via een 14-polige platte kabel.

PCB-layout [moederbord]

Figuur 2 toont de PCB-layout van het moederbord. Het is een tweelaags PCB-ontwerp. De voedingscomponenten zijn doorlopende gaten en digitale componenten zijn SMD.

Stap 2: Afbeelding 2, PCB-layout van het moederbord van de AC-dimmer

Zoals op de afbeelding duidelijk is, is het bord opgedeeld in twee delen en optisch geïsoleerd met behulp van IC1 en IC2. Ook heb ik een isolatiegat op de print gemaakt, onder IC2 en IC3. De hoge stroomvoerende sporen zijn verstevigd met zowel boven- als onderlagen en vastgebonden met Vias. IC3 is aan de rand van het bord geplaatst, waardoor het makkelijker is om een koellichaam te monteren. U zou geen problemen moeten hebben met het solderen van de componenten, behalve IC5. Pinnen zijn dun en dicht bij elkaar. Je moet oppassen dat je geen soldeerbruggen tussen de pinnen maakt.

Het gebruik van de industriële SamacSys-componentenbibliotheken voor TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] en STM32F030F4 [11], verminderde mijn ontwerptijd aanzienlijk en voorkwam mogelijke fouten. Ik kan me niet voorstellen hoeveel tijd ik zou verspillen als ik van plan was om deze schematische symbolen en PCB-voetafdrukken helemaal opnieuw te ontwerpen. Om de Samacsys-componentbibliotheken te gebruiken, kunt u ofwel een plug-in voor uw favoriete CAD-software [12] gebruiken of de bibliotheken downloaden van de component-zoekmachine. Alle SamacSys-services/componentbibliotheken zijn gratis. Ik gebruikte Altium Designer, dus ik gaf er de voorkeur aan de SamacSys Altium-plug-in te gebruiken (Figuur 3).

Stap 3: Afbeelding 3, Geselecteerde Componentbibliotheken van SamacSys Altium Plugin

Afbeelding 4 toont 3D-aanzichten vanaf de boven- en onderkant van het bord. Figuur 5 toont de geassembleerde moederbordprint van bovenaf en figuur 6 toont de geassembleerde moederbordprint van onderaf. Het merendeel van de componenten wordt op de toplaag gesoldeerd. Op de onderste laag zijn vier SMD-componenten gesoldeerd. In figuur 6 is de isolatiekloof van de PCB duidelijk.

Stap 4: Figuur 4, 3D-weergaven vanaf de printplaat

Stap 5: Afbeelding 5/6, geassembleerde moederbordprint (bovenaanzicht/onderaanzicht)

Circuitanalyse [paneel] Afbeelding 7 toont het schematische diagram van het paneel. SEG1 is een uit twee cijfers bestaande gemultiplexte gemeenschappelijke kathode met zeven segmenten.

Stap 6: Afbeelding 7, schematisch diagram van het paneel van de AC-dimmer

R1- tot R7-weerstanden beperken de stroom tot de zevensegmentige LED's. IDC1 is een 7*2 (14-pins) mannelijke IDC-connector, dus een 14-polige platte draad zorgt voor de verbinding met het moederbord. SW1 en SW2 zijn tactiele drukknoppen. P1 en P2 zijn 2-pins XH mannelijke connectoren. Ik heb ze voorzien voor gebruikers die externe paneeldrukknoppen willen gebruiken in plaats van ingebouwde tactiele drukknoppen.

Q1 en Q2 zijn N-Channel MOSFET's [13] die worden gebruikt om elk deel van het zevensegment AAN/UIT te zetten. R8 en R9 zijn pull-down weerstanden om de gate-pinnen van de MOSFET's laag te houden, om ongewenste activering van de MOSFET's te voorkomen.

PCB-layout [paneel]

Figuur 8 toont de PCB-layout van het paneelbord. Het is een tweelaagse printplaat en alle componenten behalve IDC-connector en tactiele drukknoppen zijn SMD.

Stap 7: Afbeelding 8, PCB-layout van het paneelbord van de AC-dimmer

Behalve de zevensegmenten en drukknoppen (als je geen externe knoppen gebruikt), zijn andere componenten op de onderste laag gesoldeerd. De IDC-connector is ook op de onderste laag gesoldeerd.

Hetzelfde als het moederbord, ik gebruikte de SamacSys industriële componentenbibliotheken (schematisch symbool, PCB-voetafdruk, 3D-model) voor 2N7002 [14]. Afbeelding 9 toont de Altium-plug-in en het geselecteerde onderdeel dat moet worden geïnstalleerd in het Schematische document.

Stap 8: Afbeelding 9, Geselecteerd onderdeel (2N7002) van de SamacSys Altium-plug-in

Afbeelding 10 toont 3D-aanzichten vanaf de boven- en onderkant van het paneel. Figuur 11 toont een bovenaanzicht van het gemonteerde paneelbord en figuur 12 toont een onderaanzicht vanaf het gemonteerde paneelbord.

Stap 9: Afbeelding 10, 3D-weergaven vanaf de boven- en onderkant van het paneel

Stap 10: Afbeelding 11/12, een boven-/onderaanzicht van het geassembleerde paneelpaneel

Resultaten Afbeelding 13 toont het bedradingsschema van de AC-dimmer. Als u de uitgangsgolfvorm met een oscilloscoop wilt controleren, mag u de massakabel van uw oscilloscoopsonde niet aansluiten op de dimmeruitgang of nergens op het lichtnet.

Let op: Sluit uw oscilloscoop-sonde nooit rechtstreeks op het lichtnet aan. De massakabel van de sonde kan een gesloten lus vormen met de netaansluiting. Het zou alles op het pad opblazen, inclusief je circuit, sonde, oscilloscoop of zelfs jezelf

Stap 11: Afbeelding 13, Bedradingsschema van de AC-dimmer

Om dit probleem op te lossen, hebt u 3 opties. Een differentiële sonde gebruiken, een zwevende oscilloscoop gebruiken (de meeste oscilloscopen hebben een aardereferentie), een 220V-220V scheidingstransformator gebruiken, of gewoon een goedkope step-down transformator gebruiken, zoals 220V-6V of 220V-12V … enz. In de video en figuur 11 heb ik de laatste methode (step-down transformator) gebruikt om de output te controleren.

Afbeelding 14 toont de complete AC-dimmereenheid. Ik heb twee borden aangesloten met een 14-polige platte draad.

Stap 12: Afbeelding 14, een complete digitale AC-dimmereenheid

Afbeelding 15 toont de nuldoorgangspunten en de AAN/UIT-tijd van de Triac. Zoals duidelijk is, werd aangenomen dat zowel de stijgende/dalende flank van een puls geen flikkering en instabiliteit onderging.

Stap 13: Afbeelding 15, nuldoorgangspunten (de paarse golfvorm)

Stap 14: Stuklijst

Het is beter om 630V-condensatoren te gebruiken voor C3 en C4.

Stap 15: Referenties

Artikel:

[1]: TLP521 Gegevensblad:

[2]: BTA26-gegevensblad:

[3]: AN437, ST Toepassingsnotitie:

[4]: MOC3021 Gegevensblad:

[5]: AMS1117-3.3 Gegevensblad:

[6]: STM32F030F4 Gegevensblad:

[7]: Schematisch symbool en PCB-voetafdruk van TLP521:

[8]: Schematisch symbool en PCB-voetafdruk van MOC3021:

[9]: Schematisch symbool en PCB-voetafdruk van BTA26-600:

[10]: Schematisch symbool en PCB-voetafdruk van AMS1117-3.3:

[11]: Schematisch symbool en PCB-voetafdruk van STM32F030F4:

[12]: Elektronische CAD-plug-ins:

[13]: 2N7002 Gegevensblad:

[14]: Schematisch symbool en PCB-voetafdruk van 2N7002: