Jaudīgs digitālais maiņstrāvas regulētājs, izmantojot STM32: 15 soļi (ar attēliem)

2024 Autors: John Day | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-30 10:51

Autors Hesams Moshiri, [email protected]

Maiņstrāvas slodzes dzīvo kopā ar mums! Jo tās ir visur mums apkārt un vismaz sadzīves tehnika tiek piegādāta no elektrotīkla. Daudzu veidu rūpnieciskās iekārtas tiek darbinātas arī ar vienfāzes 220V-AC. Tāpēc mēs bieži saskaramies ar situācijām, kad mums ir pilnībā jākontrolē (jāsamazina) maiņstrāvas slodze, piemēram, lampa, maiņstrāvas motors, putekļsūcējs, urbis utt……………………………. tikpat vienkārša kā līdzstrāvas slodze. Mums jāizmanto cita elektroniskā shēma un stratēģija. Turklāt, ja maiņstrāvas regulētājs ir veidots digitāli, tas tiek uzskatīts par laika ziņā kritisku lietojumprogrammu, un mikrokontrollera kods ir jāraksta rūpīgi un efektīvi. Šajā rakstā es iepazīstināju ar izolētu 4000 W digitālo maiņstrāvas dimmeri, kas sastāv no divām daļām: pamatplates un paneļa. Paneļa panelī ir divas spiedpogas un septiņu segmentu displejs, kas ļauj lietotājam vienmērīgi pielāgot izejas spriegumu.

1. darbība: 1. attēls, maiņstrāvas dimmera pamatplates shematiskā diagramma

IC1, D1 un R2 tiek izmantoti nulles šķērsošanas punktu noteikšanai. Nulles šķērsošanas punkti ir ļoti svarīgi maiņstrāvas dimmerim. IC1 [1] ir optiskais savienotājs, kas nodrošina galvanisko izolāciju. R1 ir pievilkšanas rezistors, kas samazina troksni un ļauj mums fiksēt visas izmaiņas (gan augošās, gan krītošās malas).

IC3 ir Triac ar 25A vērtējumu no ST [2]. Šis augstais strāvas stiprums ļauj mums viegli sasniegt 4000 W aptumšošanas jaudu, tomēr Triac temperatūrai jābūt zemai un tuvu telpas temperatūrai. Ja plānojat kontrolēt lielas jaudas slodzes, neaizmirstiet uzstādīt lielu radiatoru vai izmantot ventilatoru, lai atdzesētu sastāvdaļu. Saskaņā ar datu lapu, šo Triac var izmantot dažādās lietojumprogrammās: “Lietojumprogrammas ietver ieslēgšanas/izslēgšanas funkciju tādās lietojumprogrammās kā statiskie releji, apkures regulēšana, indukcijas motora iedarbināšanas ķēdes utt., Vai fāzes vadības darbībai gaismas regulētājos, motora ātruma regulatori un tamlīdzīgi”.

C3 un R6, R4 un C4 ir snaiperi. Vienkārši izsakoties, Snubber shēmas tiek izmantotas, lai samazinātu troksni, tomēr, lai iegūtu vairāk lasīšanas, lūdzu, ņemiet vērā AN437 piezīmi no ST [3]. IC3 ir Triac bez snubber, tomēr es nolēmu izmantot arī ārējās snubber shēmas.

IC2 ir optoizolators Triac [4], ko izmanto, lai kontrolētu IC3. Tas arī nodrošina pareizu galvanisko izolāciju. R5 ierobežo IC2 diodes strāvu.

IC4 ir slavenais AMS1117 3.3V sprieguma regulators [5], kas nodrošina strāvu ciparu daļu ķēdēm. C1 samazina ieejas troksni un C2 samazina izejas troksni. P1 ir 2 kontaktu vīriešu kārtas XH savienotājs, ko izmanto, lai ierīcei pievienotu ārējo barošanu. Pietiek ar jebkuru ieejas spriegumu no 5V līdz 9V.

IC5 ir STM32F030F4 mikrokontrolleris un ķēdes sirds [6]. Tas sniedz visus norādījumus, lai kontrolētu slodzi. P2 ir 2*2 vīriešu galvene, kas nodrošina interfeisu, lai ieprogrammētu mikrokontrolleru caur SWD.

R7 un R8 ir spiedpogu pievilkšanas rezistori. Tāpēc MCU spiedpogu ievades tapas ir ieprogrammētas kā zemas. C8, C9 un C10 tiek izmantoti, lai samazinātu troksni saskaņā ar MCU datu lapu. L1, C5, C6 un C7 samazina barošanas troksni, izveidojiet arī pirmās kārtas LC filtru (Pi), lai nodrošinātu spēcīgāku ieejas trokšņa filtrēšanu.

IDC1 ir 2*7 (14 tapas) vīriešu kārtas IDC savienotājs, ko izmanto, lai izveidotu pareizu savienojumu starp mātesplati un paneļa paneli, izmantojot 14 virzienu plakanu kabeli.

PCB izkārtojums [mātesplate]

2. attēlā parādīts mātesplates PCB izkārtojums. Tas ir divu slāņu PCB dizains. Barošanas komponenti ir caur caurumu, un digitālie komponenti ir SMD.

2. solis: 2. attēls, maiņstrāvas dimmera pamatplates PCB izkārtojums

Kā redzams attēlā, tāfele ir sadalīta divās daļās un optiski izolēta, izmantojot IC1 un IC2. Es arī izveidoju izolācijas spraugu uz PCB saskaņā ar IC2 un IC3. Lielas strāvas sliedes ir nostiprinātas, izmantojot gan augšējo, gan apakšējo slāni, un sasaistītas, izmantojot Vias. IC3 ir novietots tāfeles malā, tāpēc ir vieglāk uzstādīt radiatoru. Jums nevajadzētu būt grūtībām ar sastāvdaļu lodēšanu, izņemot IC5. Tapas ir plānas un tuvu viena otrai. Jums vajadzētu būt uzmanīgiem, lai starp tapām neveidotos lodēšanas tilti.

Izmantojot rūpnieciski novērtētās SamacSys komponentu bibliotēkas TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] un STM32F030F4 [11], ievērojami samazinājās mans projektēšanas laiks un tika novērstas iespējamās kļūdas. Es nevaru iedomāties, cik daudz laika es tērēju, ja es plānoju no jauna izstrādāt šos shematiskos simbolus un PCB pēdas. Lai izmantotu Samacsys komponentu bibliotēkas, varat izmantot spraudni savai iecienītajai CAD programmatūrai [12] vai lejupielādēt bibliotēkas no komponentu meklētājprogrammas. Visi SamacSys pakalpojumi/komponentu bibliotēkas ir bezmaksas. Es izmantoju Altium Designer, tāpēc es gribēju izmantot SamacSys Altium spraudni (3. attēls).

3. darbība: 3. attēls, atlasītās komponentu bibliotēkas no SamacSys Altium spraudņa

4. attēlā parādīti 3D skati no tāfeles augšas un apakšas. 5. attēlā parādīta samontētā mātesplates PCB no augšas un 6. attēlā - samontētā mātesplates PCB no apakšas. Lielākā daļa sastāvdaļu ir pielodētas augšējā slānī. Uz apakšējā slāņa ir pielodēti četri SMD komponenti. 6. attēlā PCB izolācijas sprauga ir skaidra.

4. solis: 4. attēls, 3D skati no PCB plates

5. darbība: attēls 5/6, samontēta mātesplates PCB (skats no augšas/skats no apakšas)

Ķēdes analīze [panelis] 7. attēlā parādīta paneļa shematiskā diagramma. SEG1 ir divciparu multipleksēts kopējā katoda septiņu segmentu.

6. darbība: 7. attēls, maiņstrāvas regulētāja paneļa shematiska diagramma

Rezistori no R1 līdz R7 ierobežo strāvu līdz septiņu segmentu gaismas diodēm. IDC1 ir 7*2 (14 tapas) vīriešu kārtas IDC savienotājs, tāpēc 14 virzienu plakans vads nodrošina savienojumu ar mātesplati. SW1 un SW2 ir taustes spiedpogas. P1 un P2 ir divu kontaktu XH vīriešu savienotāji. Esmu tos nodrošinājis lietotājiem, kuri plāno izmantot ārējās paneļa pogas, nevis taustes taustiņu pogas.

Q1 un Q2 ir N-kanālu MOSFET [13], ko izmanto, lai ieslēgtu/izslēgtu katru septiņu segmentu daļu. R8 un R9 ir nolaižami rezistori, lai zemu noturētu MOSFET vārtu tapas, lai novērstu nevēlamu MOSFET iedarbināšanu.

PCB izkārtojums [panelis]

8. attēlā parādīts paneļa PCB izkārtojums. Tā ir divu slāņu PCB plāksne, un visas sastāvdaļas, izņemot IDC savienotāju un taustes spiedpogas, ir SMD.

7. solis: 8. attēls, maiņstrāvas regulētāja paneļa PCB izkārtojums

Izņemot septiņu segmentu un spiedpogas (ja neizmantojat ārējās pogas), citas sastāvdaļas ir pielodētas apakšējā slānī. IDC savienotājs ir pielodēts arī apakšējā slānī.

2N7002 [14], tāpat kā mātesplate, es izmantoju SamacSys rūpniecisko komponentu bibliotēkas (shematisks simbols, PCB pēdas nospiedums, 3D modelis). 9. attēlā parādīts spraudnis Altium un atlasītais komponents, kas jāinstalē shematiskajā dokumentā.

8. darbība: 9. attēls, atlasītais komponents (2N7002) no SamacSys Altium spraudņa

10. attēlā parādīti 3D skati no paneļa augšdaļas un apakšas. 11. attēlā parādīts salikta paneļa skats no augšas, bet 12. attēlā redzams apakšējais skats no samontētā paneļa.

9. solis: 10. attēls, 3D skati no paneļa augšdaļas un apakšas

10. darbība: attēls 11/12, skats no augšas/apakšas no samontētā paneļa

Rezultāti 13. attēlā parādīta maiņstrāvas regulētāja shēma. Ja jūs plānojat pārbaudīt izejas viļņu formu, izmantojot osciloskopu, nedrīkstat savienot osciloskopa zondes zemējuma vadu ar dimmeru izeju vai nekur no tīkla.

Uzmanību: nekad nepievienojiet osciloskopa zondi tieši elektrotīklam. Zondes zemējuma vads var izveidot slēgtu cilpu ar tīkla spaili. Tas uzspridzinātu visu ceļā esošo, ieskaitot jūsu ķēdi, zondi, osciloskopu vai pat sevi

11. darbība: 13. attēls, maiņstrāvas regulētāja shēma

Lai pārvarētu šo problēmu, jums ir 3 iespējas. Izmantojot diferenciālo zondi, izmantojot peldošo osciloskopu (lielākā daļa osciloskopu attiecas uz zemi), izmantojot 220V-220V izolācijas transformatoru vai vienkārši izmantojiet lētu pazeminošu transformatoru, piemēram, 220V-6V vai 220V-12V … utt Video un 11. attēlā es izmantoju pēdējo metodi (pazeminošo transformatoru), lai pārbaudītu izvadi.

14. attēlā parādīta pilnīga maiņstrāvas regulēšanas ierīce. Esmu savienojis divus paneļus, izmantojot 14 virzienu plakanu vadu.

12. solis: 14. attēls, pilnīga digitālā maiņstrāvas regulēšanas ierīce

15. attēlā parādīti nulles šķērsošanas punkti un Triac ieslēgšanas/izslēgšanas laiks. Kā skaidrs, tika uzskatīts, ka pulsa augšupejošā/krītošā mala nesaskaras ar mirgošanu un nestabilitāti.

13. darbība: 15. attēls, nulles šķērsošanas punkti (purpursarkanā viļņa forma)

14. solis: materiālu saraksts

C3 un C4 ir labāk izmantot 630 V nominālos kondensatorus.

15. darbība: atsauces

Raksts:

[1]: TLP521 datu lapa:

[2]: BTA26 datu lapa:

[3]: AN437, ST pieteikuma piezīme:

[4]: MOC3021 datu lapa:

[5]: AMS1117-3.3 datu lapa:

[6]: STM32F030F4 datu lapa:

[7]: TLP521 shematiskais simbols un PCB pēdas nospiedums:

[8]: shematisks simbols un PCB pēdas nospiedums MOC3021:

[9]: BTA26-600 shematisks simbols un PCB pēdas nospiedums:

[10]: AMS1117-3.3 shematisks simbols un PCB pēdas nospiedums:

[11]: STM32F030F4 shematisks simbols un PCB pēdas nospiedums:

[12]: elektroniskie CAD spraudņi:

[13]: 2N7002 Datu lapa:

[14]: 2N7002 shematisks simbols un PCB pēdas nospiedums: