Ισχυρός ψηφιακός ρυθμιστής εναλλασσόμενου ρεύματος με χρήση STM32: 15 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:31

Του Hesam Moshiri, [email protected]

Τα φορτία AC ζουν μαζί μας! Επειδή είναι παντού γύρω μας και τουλάχιστον οι οικιακές συσκευές παρέχονται με την κύρια τροφοδοσία. Πολλοί τύποι βιομηχανικού εξοπλισμού τροφοδοτούνται επίσης με το μονοφασικό 220V-AC. Ως εκ τούτου, αντιμετωπίζουμε συχνά καταστάσεις που πρέπει να έχουμε πλήρη έλεγχο (εξασθένιση) σε φορτίο εναλλασσόμενου ρεύματος, όπως μια λάμπα, έναν κινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος, μια ηλεκτρική σκούπα, ένα τρυπάνι, κλπ. Κ.λπ. Θα πρέπει να γνωρίζουμε ότι ο έλεγχος ενός φορτίου AC δεν είναι τόσο απλό όσο ένα φορτίο DC. Πρέπει να χρησιμοποιήσουμε ένα διαφορετικό ηλεκτρονικό κύκλωμα και στρατηγική. Επιπλέον, εάν ένας ρυθμιστής εναλλασσόμενου ρεύματος έχει σχεδιαστεί ψηφιακά, θεωρείται μια εφαρμογή κρίσιμη για το χρόνο και ο κωδικός του μικροελεγκτή πρέπει να γραφτεί προσεκτικά και αποτελεσματικά. Σε αυτό το άρθρο, παρουσίασα έναν απομονωμένο ψηφιακό ρυθμιστή εναλλασσόμενου ρεύματος 4000 W που αποτελείται από δύο μέρη: τον κεντρικό πίνακα και τον πίνακα. Ο πίνακας πίνακα παρέχει δύο κουμπιά και επτά τμήματα που επιτρέπουν στον χρήστη να ρυθμίζει ομαλά την τάση εξόδου.

Βήμα 1: Εικόνα 1, Σχηματικό διάγραμμα της κεντρικής πλακέτας του AC Dimmer

Τα IC1, D1 και R2 χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό σημείων μηδενικής διέλευσης. Τα σημεία μηδενικής διέλευσης είναι πολύ απαραίτητα για έναν ρυθμιστή εναλλασσόμενου ρεύματος. Το IC1 [1] είναι ένα οπτικό ζεύγος που παρέχει γαλβανική απομόνωση. Το R1 είναι μια αντίσταση έλξης που μειώνει το θόρυβο και μας επιτρέπει να καταγράφουμε όλες τις αλλαγές (τόσο τις άκρες ανόδου όσο και τις πτώσεις).

Το IC3 είναι ένα Triac 25A από ST [2]. Αυτή η υψηλή βαθμολογία ρεύματος μας επιτρέπει να φτάσουμε εύκολα στα 4000W φωτεινή ισχύ, ωστόσο, η θερμοκρασία του Triac πρέπει να διατηρείται χαμηλή και όσο πιο κοντά στη θερμοκρασία του δωματίου. Εάν σκοπεύετε να ελέγξετε φορτία υψηλής ισχύος, μην ξεχάσετε να τοποθετήσετε μια μεγάλη ψύκτρα ή χρησιμοποιήστε έναν ανεμιστήρα για να ψύξετε το εξάρτημα. Σύμφωνα με το φύλλο δεδομένων, αυτό το Triac μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες εφαρμογές: «Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν τη λειτουργία ON/OFF σε εφαρμογές όπως στατικά ρελέ, ρύθμιση θέρμανσης, κυκλώματα εκκίνησης κινητήρα επαγωγής κ.λπ. ή για λειτουργία ελέγχου φάσης σε ρυθμιστές φωτισμού, ελεγκτές ταχύτητας κινητήρα και παρόμοια ».

Τα C3 και R6, R4 και C4 είναι σνομπ. Με απλά λόγια, τα κυκλώματα Snubber χρησιμοποιούνται για τη μείωση του θορύβου, ωστόσο για περισσότερη ανάγνωση, λάβετε υπόψη τη σημείωση εφαρμογής AN437 από το ST [3]. Το IC3 είναι ένα Triac χωρίς snubber, ωστόσο, αποφάσισα να χρησιμοποιήσω και εξωτερικά κυκλώματα snubber.

Το IC2 είναι ένας οπτικοαπομονωτής Triac [4] που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του IC3. Κάνει επίσης σωστή γαλβανική απομόνωση. Το R5 περιορίζει το ρεύμα διόδου του IC2.

Το IC4 είναι ο διάσημος ρυθμιστής τάσης AMS1117 3.3V [5] που παρέχει την ισχύ για τα κυκλώματα ψηφιακών τμημάτων. Το C1 μειώνει τον θόρυβο εισόδου και το C2 μειώνει τον θόρυβο εξόδου. Το P1 είναι ένας αρσενικός συνδετήρας XH 2 ακίδων που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση της εξωτερικής τροφοδοσίας στη συσκευή. Οποιαδήποτε τάση εισόδου από 5V έως 9V είναι αρκετή.

Το IC5 είναι ο μικροελεγκτής STM32F030F4 και η καρδιά του κυκλώματος [6]. Παρέχει όλες τις οδηγίες για τον έλεγχο του φορτίου. Το P2 είναι μια αρσενική κεφαλίδα 2*2 που παρέχει μια διεπαφή για τον προγραμματισμό του μικροελεγκτή μέσω του SWD.

Τα R7 και R8 είναι αντιστάσεις έλξης για τα κουμπιά ώθησης. Επομένως, οι ακίδες εισόδου του MCU προγραμματίζονται ως ενεργές-χαμηλές. Τα C8, C9 και C10 χρησιμοποιούνται για τη μείωση του θορύβου σύμφωνα με το φύλλο δεδομένων του MCU. Τα L1, C5, C6 και C7 μειώνουν τον θόρυβο παροχής, δημιουργούν επίσης ένα φίλτρο LC πρώτης τάξης (Pi) για να παρέχουν ισχυρότερο φιλτράρισμα για τον θόρυβο εισόδου.

Το IDC1 είναι ένας αρσενικός συνδετήρας IDC 2*7 (14 ακίδων) που χρησιμοποιείται για τη σωστή σύνδεση μεταξύ της πλακέτας και της πλακέτας μέσω ενός επίπεδου καλωδίου 14 κατευθύνσεων.

Διάταξη PCB [κεντρική πλακέτα]

Το σχήμα-2 δείχνει τη διάταξη PCB της κεντρικής πλακέτας. Είναι ένα σχέδιο PCB δύο επιπέδων. Τα εξαρτήματα ισχύος είναι διαμπερά και τα ψηφιακά εξαρτήματα είναι SMD.

Βήμα 2: Εικόνα 2, Διάταξη PCB της κεντρικής πλακέτας του AC Dimmer

Όπως είναι σαφές στην εικόνα, ο πίνακας χωρίζεται σε δύο μέρη και απομονώνεται οπτικά χρησιμοποιώντας IC1 και IC2. Έκανα επίσης ένα κενό απομόνωσης στο PCB, υπό IC2 και IC3. Οι τροχιές μεταφοράς υψηλού ρεύματος έχουν ενισχυθεί χρησιμοποιώντας τόσο το επάνω όσο και το κάτω στρώμα και έχουν συνδεθεί χρησιμοποιώντας τη Vias. Το IC3 έχει τοποθετηθεί στην άκρη του πίνακα, οπότε είναι ευκολότερο να τοποθετήσετε μια ψύκτρα. Δεν πρέπει να αντιμετωπίζετε δυσκολίες με τη συγκόλληση των εξαρτημάτων εκτός από το IC5. Οι καρφίτσες είναι λεπτές και κοντά η μία στην άλλη. Θα πρέπει να είστε προσεκτικοί για να μην κάνετε γέφυρες συγκόλλησης μεταξύ ακίδων.

Η χρήση των βιομηχανικών ονομαστικών βιβλιοθηκών SamacSys για TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] και STM32F030F4 [11], μείωσε σημαντικά τον χρόνο σχεδιασμού μου και απέτρεψε πιθανά λάθη. Δεν μπορώ να φανταστώ πόσο χρόνο έχασα αν σκόπευα να σχεδιάσω αυτά τα σχηματικά σύμβολα και αποτυπώματα PCB από την αρχή. Για να χρησιμοποιήσετε τις βιβλιοθήκες στοιχείων Samacsys, μπορείτε είτε να χρησιμοποιήσετε ένα plugin για το αγαπημένο σας λογισμικό CAD [12] είτε να κατεβάσετε τις βιβλιοθήκες από τη μηχανή αναζήτησης συστατικών. Όλες οι υπηρεσίες/βιβλιοθήκες στοιχείων του SamacSys είναι δωρεάν. Χρησιμοποίησα Altium Designer, γι 'αυτό προτίμησα να χρησιμοποιήσω το πρόσθετο SamacSys Altium (Εικόνα 3).

Βήμα 3: Εικόνα 3, Επιλεγμένες βιβλιοθήκες συστατικών από το πρόσθετο SamacSys Altium

Το σχήμα 4 δείχνει τρισδιάστατες προβολές από το επάνω και το κάτω μέρος του πίνακα. Το σχήμα 5 δείχνει το συναρμολογημένο PCB του κεντρικού πίνακα από την κορυφή και το σχήμα 6 δείχνει το συναρμολογημένο PCB του κεντρικού πίνακα από την κάτω όψη. Η πλειοψηφία των εξαρτημάτων συγκολλούνται στο επάνω στρώμα. Τέσσερα εξαρτήματα SMD συγκολλούνται στο κάτω στρώμα. Στο σχήμα 6, το κενό απομόνωσης του PCB είναι σαφές.

Βήμα 4: Εικόνα 4, προβολές 3D από την πλακέτα PCB

Βήμα 5: Εικόνα 5/6, συναρμολογημένο PCB κεντρικού πίνακα (επάνω προβολή/κάτω προβολή)

Ανάλυση κυκλώματος [πίνακας] Το σχήμα 7 δείχνει το σχηματικό διάγραμμα του πίνακα. Το SEG1 είναι ένα διψήφιο πολυπλεγμένο κοινό-καθόδου επτά τμήμα.

Βήμα 6: Εικόνα 7, Σχηματικό διάγραμμα του πίνακα εναλλασσόμενου ρεύματος

Οι αντιστάσεις R1 έως R7 περιορίζουν το ρεύμα στις λυχνίες LED επτά τμημάτων. Το IDC1 είναι ένας αρσενικός συνδετήρας IDC 7*2 (14 ακίδων), οπότε ένα επίπεδο καλώδιο 14 κατευθύνσεων παρέχει τη σύνδεση με την κεντρική πλακέτα. Τα SW1 και SW2 είναι απτά κουμπιά. Τα P1 και P2 είναι αρσενικοί συνδετήρες 2 ακίδων XH. Τα παρέχω για τους χρήστες που σκοπεύουν να χρησιμοποιήσουν εξωτερικά πλήκτρα αντί για ενσωματωμένα απτικά κουμπιά.

Τα Q1 και Q2 είναι N-Channel MOSFET [13] που χρησιμοποιούνται για ενεργοποίηση/απενεργοποίηση κάθε μέρους του επτά τμήματος. Τα R8 και R9 είναι πτυσσόμενες αντιστάσεις για να συγκρατούν χαμηλά τους πείρους των πύλων των MOSFET, για να αποτρέψουν την ανεπιθύμητη ενεργοποίηση των MOSFET.

Διάταξη PCB [πάνελ]

Το σχήμα 8 δείχνει τη διάταξη PCB του πίνακα. Είναι ένας πίνακας PCB δύο στρωμάτων και όλα τα εξαρτήματα εκτός από το συνδετήρα IDC και τα απτά κουμπιά είναι SMD.

Βήμα 7: Εικόνα 8, Διάταξη PCB του πίνακα πίνακα AC Dimmer

Εκτός από τα επτά τμήματα και τα κουμπιά (εάν δεν χρησιμοποιείτε εξωτερικά κουμπιά), άλλα στοιχεία συγκολλούνται στο κάτω στρώμα. Η υποδοχή IDC είναι επίσης συγκολλημένη στο κάτω στρώμα.

Το ίδιο με τον κεντρικό πίνακα, χρησιμοποίησα τις βιομηχανικές βιβλιοθήκες SamacSys (σχηματικό σύμβολο, αποτύπωμα PCB, μοντέλο 3D) για το 2N7002 [14]. Το σχήμα 9 δείχνει το πρόσθετο Altium και το επιλεγμένο στοιχείο που θα εγκατασταθεί στο σχηματικό έγγραφο.

Βήμα 8: Εικόνα 9, Επιλεγμένο στοιχείο (2N7002) Από την προσθήκη SamacSys Altium

Το σχήμα 10 δείχνει τρισδιάστατες προβολές από το επάνω και το κάτω μέρος του πίνακα. Το σχήμα 11 δείχνει μια κάτοψη από τη συναρμολογημένη σανίδα και το σχήμα 12 δείχνει μια κάτω όψη από τη συναρμολογημένη σανίδα.

Βήμα 9: Εικόνα 10, 3D προβολές από την κορυφή και το κάτω μέρος του πίνακα

Βήμα 10: Εικόνα 11/12, Πάνω/κάτω Άποψη από τον πίνακα συναρμολογημένων

ΑποτελέσματαΤο σχήμα 13 δείχνει το διάγραμμα καλωδίωσης του ρυθμιστή εναλλασσόμενου ρεύματος. Εάν σκοπεύατε να ελέγξετε την κυματομορφή εξόδου χρησιμοποιώντας έναν παλμογράφο, δεν πρέπει να συνδέσετε τον αγωγό γείωσης του αισθητήρα παλμογράφου σας στην έξοδο χαμηλώματος ή πουθενά στο ηλεκτρικό δίκτυο.

Προσοχή: Μην συνδέετε ποτέ τον αισθητήρα παλμογράφου απευθείας στο ηλεκτρικό δίκτυο. Ο αγωγός γείωσης του καθετήρα μπορεί να δημιουργήσει έναν κλειστό βρόχο με τον τερματικό δικτύου. Θα ανατινάξει τα πάντα στο μονοπάτι, συμπεριλαμβανομένου του κυκλώματος, του καθετήρα, του παλμογράφου ή ακόμα και του εαυτού σας

Βήμα 11: Εικόνα 13, Διάγραμμα καλωδίωσης του ρυθμιστή εναλλασσόμενου ρεύματος

Για να ξεπεράσετε αυτό το πρόβλημα, έχετε 3 επιλογές. Χρήση διαφορικού ανιχνευτή, χρήση πλωτού παλμογράφου (η πλειοψηφία των παλμογράφων αναφέρεται στο έδαφος), χρησιμοποιώντας μετασχηματιστή απομόνωσης 220V-220V, ή απλώς χρησιμοποιήστε έναν φθηνό μετασχηματιστή αναβάθμισης, όπως 220V-6V ή 220V-12V … κ.λπ.. Στο βίντεο και το σχήμα-11, χρησιμοποίησα την τελευταία μέθοδο (μετασχηματιστής προς τα κάτω) για να ελέγξω την έξοδο.

Το σχήμα 14 δείχνει την πλήρη μονάδα dimmer. Έχω συνδέσει δύο πλακέτες χρησιμοποιώντας ένα καλώδιο 14 κατευθύνσεων.

Βήμα 12: Εικόνα 14, Πλήρης ψηφιακή μονάδα dimmer

Το σχήμα 15 δείχνει τα σημεία μηδενικής διέλευσης και τον χρόνο ενεργοποίησης/απενεργοποίησης του Triac. Όπως είναι σαφές, τόσο η άνοδος όσο και η πτώση του παλμού θεωρήθηκε ότι δεν αντιμετώπιζε τρεμόπαιγμα και αστάθεια.

Βήμα 13: Εικόνα 15, Μηδενικά σημεία διέλευσης (η μοβ κυματομορφή)

Βήμα 14: Λογαριασμός Υλικών

Είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείτε πυκνωτές 630V για C3 και C4.

Βήμα 15: Αναφορές

Άρθρο:

[1]: Φύλλο δεδομένων TLP521:

[2]: Φύλλο δεδομένων BTA26:

[3]: AN437, Σημείωση εφαρμογής ST:

[4]: Φύλλο δεδομένων MOC3021:

[5]: AMS1117-3.3 Φύλλο δεδομένων:

[6]: Φύλλο δεδομένων STM32F030F4:

[7]: Σχηματικό σύμβολο και αποτύπωμα PCB του TLP521:

[8]: Σχηματικό σύμβολο και αποτύπωμα PCB του MOC3021:

[9]: Σχηματικό σύμβολο και αποτύπωμα PCB της BTA26-600:

[10]: Σχηματικό σύμβολο και αποτύπωμα PCB του AMS1117-3.3:

[11]: Σχηματικό σύμβολο και αποτύπωμα PCB του STM32F030F4:

[12]: Ηλεκτρονικά πρόσθετα CAD:

[13]: 2N7002 Φύλλο δεδομένων:

[14]: Σχηματικό σύμβολο και αποτύπωμα PCB του 2N7002: