Potente dimmer CA digitale con STM32: 15 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 09:59

Di Hesam Moshiri, [email protected]

I carichi di aria condizionata vivono con noi! Perché sono ovunque intorno a noi e almeno gli elettrodomestici sono alimentati dalla rete elettrica. Molti tipi di apparecchiature industriali sono alimentate anche con il 220V-AC monofase. Pertanto, affrontiamo spesso situazioni in cui abbiamo bisogno di avere il pieno controllo (attenuazione) su un carico CA, come una lampada, un motore CA, un aspirapolvere, un trapano, ecc. Dovremmo sapere che il controllo di un carico CA non è semplice come un carico CC. Dobbiamo usare un circuito elettronico e una strategia diversi. Inoltre, se un dimmer AC progettato digitalmente, è considerato un'applicazione time-critical e il codice del microcontrollore deve essere scritto con attenzione ed efficienza. In questo articolo, ho introdotto un dimmer CA digitale isolato da 4000 W composto da due parti: la scheda madre e il pannello. La scheda del pannello fornisce due pulsanti e un display a sette segmenti che consente all'utente di regolare facilmente la tensione di uscita.

Passaggio 1: Figura 1, diagramma schematico della scheda madre del dimmer CA

IC1, D1 e R2 vengono utilizzati per rilevare i punti di zero-crossing. I punti di zero-crossing sono abbastanza essenziali per un dimmer AC. IC1 [1] è un fotoaccoppiatore che fornisce isolamento galvanico. R1 è un resistore di pullup che riduce il rumore e ci permette di catturare tutti i cambiamenti (sia fronti di salita che di discesa).

IC3 è un Triac da 25 A di ST [2]. Questa elevata corrente nominale ci consente di raggiungere facilmente una potenza di regolazione di 4000 W, tuttavia, la temperatura del Triac deve essere mantenuta bassa e il più vicino alla temperatura della stanza. Se intendi controllare carichi ad alta potenza, non dimenticare di montare un grande dissipatore di calore o utilizzare una ventola per raffreddare il componente. Secondo la scheda tecnica, questo Triac può essere utilizzato in una varietà di applicazioni: “Le applicazioni includono la funzione ON/OFF in applicazioni come relè statici, regolazione del riscaldamento, circuiti di avviamento di motori a induzione, ecc., o per il funzionamento a controllo di fase in dimmer, regolatori di velocità del motore e simili”.

C3 e R6, R4 e C4 sono snubber. In un termine semplice, i circuiti Snubber sono usati per ridurre il rumore, tuttavia per ulteriori letture, si prega di considerare la nota applicativa AN437 di ST [3]. IC3 è un Triac senza snubber, tuttavia, ho deciso di utilizzare anche circuiti snubber esterni.

IC2 è un optoisolatore Triac [4] che viene utilizzato per controllare l'IC3. Inoltre realizza un corretto isolamento galvanico. R5 limita la corrente del diodo dell'IC2.

IC4 è il famoso regolatore di tensione AMS1117 3.3V [5] che fornisce l'alimentazione per i circuiti delle parti digitali. C1 riduce il rumore in ingresso e C2 riduce il rumore in uscita. P1 è un connettore XH maschio a 2 pin utilizzato per collegare l'alimentazione esterna al dispositivo. Qualsiasi tensione di ingresso da 5V a 9V è sufficiente.

IC5 è il microcontrollore STM32F030F4 e il cuore del circuito [6]. Fornisce tutte le istruzioni per controllare il carico. P2 è un header maschio 2*2 che fornisce un'interfaccia per programmare il microcontrollore attraverso l'SWD.

R7 e R8 sono resistori di pullup per i pulsanti. Pertanto i pin di ingresso del pulsante dell'MCU sono programmati come attivo-basso. C8, C9 e C10 vengono utilizzati per ridurre il rumore in base alla scheda tecnica dell'MCU. L1, C5, C6 e C7 riducono il rumore di alimentazione, inoltre costruiscono un filtro LC di primo ordine (Pi) per fornire un filtraggio più forte per il rumore di ingresso.

IDC1 è un connettore IDC maschio 2*7 (14 pin) utilizzato per effettuare un corretto collegamento tra la scheda madre e la scheda del pannello tramite un cavo piatto a 14 vie.

Layout PCB [scheda madre]

La Figura-2 mostra il layout del PCB della scheda madre. È un design PCB a due strati. I componenti di potenza sono a foro passante e i componenti digitali sono SMD.

Passaggio 2: Figura 2, layout PCB della scheda madre del dimmer CA

Come è evidente nell'immagine, la scheda è divisa in due parti e isolata otticamente utilizzando IC1 e IC2. Ho anche creato un gap di isolamento sul PCB, sotto IC2 e IC3. I binari portanti alta corrente sono stati rinforzati usando sia lo strato superiore che quello inferiore e legati usando Vias. IC3 è stato posizionato sul bordo della scheda, quindi è più facile montare un dissipatore di calore. Non dovresti avere difficoltà con la saldatura dei componenti ad eccezione di IC5. I perni sono sottili e vicini l'uno all'altro. Fare attenzione a non creare ponti di saldatura tra i pin.

L'utilizzo delle librerie di componenti SamacSys con classificazione industriale per TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] e STM32F030F4 [11] ha ridotto significativamente i tempi di progettazione e prevenuto possibili errori. Non riesco a immaginare quanto tempo stavo perdendo se avessi intenzione di progettare da zero questi simboli schematici e impronte PCB. Per utilizzare le librerie dei componenti Samacsys, puoi utilizzare un plug-in per il tuo software CAD preferito [12] o scaricare le librerie dal motore di ricerca dei componenti. Tutti i servizi/librerie di componenti SamacSys sono gratuiti. Ho usato Altium Designer, quindi ho preferito usare il plugin SamacSys Altium (Figura 3).

Passaggio 3: Figura 3, librerie di componenti selezionate da SamacSys Altium Plugin

La Figura 4 mostra le viste 3D dalla parte superiore e inferiore della scheda. La Figura 5 mostra il PCB della scheda madre assemblato da una vista dall'alto e la Figura 6 mostra il PCB della scheda madre assemblato da una vista dal basso. La maggior parte dei componenti è saldata sullo strato superiore. Quattro componenti SMD sono saldati sullo strato inferiore. Nella figura 6, il gap di isolamento del PCB è chiaro.

Passaggio 4: Figura 4, Viste 3D dalla scheda PCB

Passaggio 5: Figura 5/6, PCB della scheda madre assemblata (vista dall'alto/vista dal basso)

Analisi del circuito [pannello] La Figura 7 mostra il diagramma schematico del pannello. SEG1 è un sette segmenti a catodo comune multiplexato a due cifre.

Passaggio 6: Figura 7, diagramma schematico del pannello del dimmer CA

I resistori da R1 a R7 limitano la corrente ai LED a sette segmenti. IDC1 è un connettore IDC maschio 7*2 (14 pin), quindi un cavo piatto a 14 vie fornisce il collegamento alla scheda madre. SW1 e SW2 sono pulsanti tattili. P1 e P2 sono connettori maschio XH a 2 pin. Li ho messi a disposizione per gli utenti che intendono utilizzare i pulsanti esterni del pannello invece dei pulsanti tattili a bordo.

Q1 e Q2 sono MOSFET a canale N [13] che vengono utilizzati per attivare/disattivare ciascuna parte dei sette segmenti. R8 e R9 sono resistori pull-down per mantenere bassi i pin di gate dei MOSFET, per impedire l'attivazione indesiderata dei MOSFET.

Layout PCB [pannello]

La Figura 8 mostra il layout PCB del quadro. È una scheda PCB a due strati e tutti i componenti, ad eccezione del connettore IDC e dei pulsanti tattili, sono SMD.

Passaggio 7: Figura 8, layout PCB del pannello del dimmer AC

Ad eccezione dei sette segmenti e dei pulsanti (se non si utilizzano pulsanti esterni), altri componenti sono saldati sullo strato inferiore. Anche il connettore IDC è saldato sullo strato inferiore.

Come per la scheda madre, ho utilizzato le librerie di componenti industriali SamacSys (simboli schematici, ingombro PCB, modello 3D) per 2N7002 [14]. La Figura 9 mostra il plugin Altium e il componente selezionato da installare nel documento Schematic.

Passaggio 8: Figura 9, componente selezionato (2N7002) dal plugin SamacSys Altium

La Figura 10 mostra le viste 3D dall'alto e dal basso del quadro elettrico. La figura 11 mostra una vista dall'alto dal quadro assemblato e la figura 12 mostra una vista dal basso dal quadro assemblato.

Passaggio 9: Figura 10, Viste 3D dall'alto e dal basso del pannello

Passaggio 10: Figura 11/12, una vista dall'alto/dal basso dal pannello assemblato

RisultatiLa Figura 13 mostra lo schema elettrico del dimmer CA. Se si intende controllare la forma d'onda di uscita utilizzando un oscilloscopio, non è necessario collegare il cavo di massa della sonda dell'oscilloscopio all'uscita del dimmer o da nessuna parte sulla rete.

Attenzione: non collegare mai la sonda dell'oscilloscopio direttamente alla rete. Il cavo di massa della sonda può formare un circuito chiuso con il terminale di rete. Farebbe esplodere tutto sul percorso, inclusi il circuito, la sonda, l'oscilloscopio o persino te stesso

Passaggio 11: Figura 13, Schema di cablaggio del dimmer CA

Per superare questo problema, hai 3 opzioni. Utilizzando una sonda differenziale, utilizzando un oscilloscopio flottante (la maggior parte degli oscilloscopi è collegata a terra), utilizzando un trasformatore di isolamento da 220V-220V, o semplicemente utilizzando un trasformatore step-down economico, come 220V-6V o 220V-12V … ecc. Nel video e nella figura 11, ho usato l'ultimo metodo (trasformatore step-down) per controllare l'uscita.

La Figura 14 mostra l'unità dimmer AC completa. Ho collegato due schede utilizzando un cavo piatto a 14 vie.

Passaggio 12: Figura 14, un'unità dimmer digitale CA completa

La Figura 15 mostra i punti di zero-crossing e il tempo di ON/OFF del Triac. Come è chiaro, sia il fronte di salita/discesa di un impulso è stato considerato per non affrontare alcuno sfarfallio e instabilità.

Passaggio 13: Figura 15, Zero Crossing Points (la forma d'onda viola)

Passaggio 14: Distinta base

È meglio usare condensatori da 630 V per C3 e C4.

Passaggio 15: riferimenti

Articolo:

[1]: Scheda tecnica TLP521:

[2]: Scheda tecnica BTA26:

[3]: AN437, Nota applicativa ST:

[4]: Scheda tecnica MOC3021:

[5]: Scheda tecnica AMS1117-3.3:

[6]: Scheda tecnica STM32F030F4:

[7]: Simbolo schematico e impronta PCB di TLP521:

[8]: Simbolo schematico e impronta PCB di MOC3021:

[9]: Simbolo schematico e impronta PCB di BTA26-600:

[10]: Simbolo schematico e impronta PCB di AMS1117-3.3:

[11]: Simbolo schematico e impronta PCB di STM32F030F4:

[12]: Plugin CAD elettronici:

[13]: Scheda tecnica 2N7002:

[14]: Simbolo schematico e impronta PCB di 2N7002: