Leistungsstarker digitaler AC-Dimmer mit STM32 - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:15

Von Hesam Moshiri, [email protected]

AC-Lasten leben bei uns! Denn sie sind überall um uns herum und zumindest Haushaltsgeräte werden mit dem Stromnetz versorgt. Viele Arten von Industrieanlagen werden auch mit einphasigem 220V-AC betrieben. Daher sind wir häufig mit Situationen konfrontiert, in denen wir die volle Kontrolle (Dimmen) über eine Wechselstromlast haben müssen, wie z. B. eine Lampe, einen Wechselstrommotor, einen Staubsauger, eine Bohrmaschine usw. Wir sollten wissen, dass die Steuerung einer Wechselstromlast nicht möglich ist so einfach wie eine DC-Last. Wir müssen eine andere elektronische Schaltung und Strategie verwenden. Darüber hinaus gilt ein digital entworfener AC-Dimmer als zeitkritische Anwendung, und der Code des Mikrocontrollers muss sorgfältig und effizient geschrieben werden. In diesem Artikel habe ich einen isolierten 4000W digitalen AC-Dimmer vorgestellt, der aus zwei Teilen besteht: dem Mainboard und dem Panel. Das Bedienfeld bietet zwei Drucktasten und eine Sieben-Segment-Anzeige, mit der der Benutzer die Ausgangsspannung stufenlos einstellen kann.

Schritt 1: Abbildung 1, Schematische Darstellung des Mainboards des AC-Dimmers

IC1, D1 und R2 werden verwendet, um Nulldurchgangspunkte zu erkennen. Die Nulldurchgangspunkte sind für einen AC-Dimmer ganz wesentlich. IC1 [1] ist ein Optokoppler mit galvanischer Trennung. R1 ist ein Pullup-Widerstand, der das Rauschen reduziert und es uns ermöglicht, alle Änderungen (sowohl steigende als auch fallende Flanken) zu erfassen.

IC3 ist ein mit 25 A bewerteter Triac von ST [2]. Dieser hohe Nennstrom ermöglicht es uns, problemlos 4000 W Dimmleistung zu erreichen, jedoch muss die Temperatur des Triac niedrig und möglichst nahe an der Raumtemperatur gehalten werden. Wenn Sie Hochleistungslasten steuern möchten, vergessen Sie nicht, einen großen Kühlkörper zu montieren oder einen Lüfter zu verwenden, um die Komponente abzukühlen. Laut Datenblatt kann dieser Triac in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden: „Anwendungen umfassen die EIN/AUS-Funktion in Anwendungen wie statische Relais, Heizungsregelung, Induktionsmotor-Startkreise usw. oder für den Phasenanschnittsbetrieb in Lichtdimmern, Motordrehzahlregler und ähnliches“.

C3 und R6, R4 und C4 sind Dämpfer. Einfach ausgedrückt werden Snubber-Schaltungen verwendet, um das Rauschen zu reduzieren, aber für weitere Informationen beachten Sie bitte den Anwendungshinweis AN437 von ST [3]. IC3 ist ein snubberloser Triac, ich habe mich jedoch entschieden, auch externe Snubber-Schaltungen zu verwenden.

IC2 ist ein Optoisolator Triac [4], der zur Steuerung des IC3 verwendet wird. Es sorgt auch für eine ordnungsgemäße galvanische Trennung. R5 begrenzt den Diodenstrom des IC2.

IC4 ist der berühmte 3,3-V-Spannungsregler AMS1117 [5], der den Strom für die Schaltungen des digitalen Teils liefert. C1 reduziert das Eingangsrauschen und C2 reduziert das Ausgangsrauschen. P1 ist ein 2-poliger XH-Stecker, der zum Anschließen der externen Stromversorgung an das Gerät verwendet wird. Jede Eingangsspannung von 5V bis 9V reicht aus.

IC5 ist der Mikrocontroller STM32F030F4 und das Herzstück der Schaltung [6]. Es enthält alle Anweisungen zur Steuerung der Last. P2 ist ein 2*2-Stecker, der eine Schnittstelle zum Programmieren des Mikrocontrollers über das SWD bietet.

R7 und R8 sind Pullup-Widerstände für die Taster. Daher werden die Drucktasten-Eingangspins der MCU als aktiv-niedrig programmiert. C8, C9 und C10 werden verwendet, um das Rauschen gemäß dem Datenblatt der MCU zu reduzieren. L1, C5, C6 und C7 reduzieren das Versorgungsrauschen und bauen auch einen LC-Filter (Pi) erster Ordnung auf, um das Eingangsrauschen stärker zu filtern.

IDC1 ist ein 2*7 (14-poliger) IDC-Stecker, der verwendet wird, um eine ordnungsgemäße Verbindung zwischen dem Mainboard und dem Panelboard über ein 14-poliges Flachkabel herzustellen.

PCB-Layout [Mainboard]

Abbildung-2 zeigt das PCB-Layout des Mainboards. Es handelt sich um ein zweischichtiges PCB-Design. Die Leistungskomponenten sind Durchgangslöcher und die digitalen Komponenten sind SMD.

Schritt 2: Abbildung 2, PCB-Layout des Mainboards des AC-Dimmers

Wie im Bild deutlich zu erkennen ist, ist die Platine in zwei Teile geteilt und mit IC1 und IC2 optisch isoliert. Ich habe auch eine Isolationslücke auf der Platine unter IC2 und IC3 gemacht. Die hochstromführenden Leiterbahnen wurden mit Ober- und Unterlage verstärkt und mit Vias verbunden. IC3 wurde am Rand der Platine platziert, so dass es einfacher ist, einen Kühlkörper zu montieren. Sie sollten keine Schwierigkeiten mit dem Löten der Komponenten haben, außer IC5. Pins sind dünn und dicht beieinander. Sie sollten darauf achten, keine Lötbrücken zwischen den Pins zu bilden.

Die Verwendung der industrietauglichen SamacSys-Komponentenbibliotheken für TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] und STM32F030F4 [11] reduzierte meine Designzeit erheblich und verhinderte mögliche Fehler. Ich kann mir nicht vorstellen, wie viel Zeit ich damit verschwende, diese Schaltplansymbole und PCB-Footprints von Grund auf neu zu entwerfen. Um die Samacsys Komponentenbibliotheken zu verwenden, können Sie entweder ein Plugin für Ihre bevorzugte CAD-Software [12] verwenden oder die Bibliotheken von der Komponentensuchmaschine herunterladen. Alle SamacSys-Dienste/Komponentenbibliotheken sind kostenlos. Ich habe Altium Designer verwendet, also habe ich es vorgezogen, das SamacSys Altium-Plugin zu verwenden (Abbildung 3).

Schritt 3: Abbildung 3, Ausgewählte Komponentenbibliotheken aus dem SamacSys Altium Plugin

Abbildung 4 zeigt 3D-Ansichten von der Ober- und Unterseite der Platine. Abbildung 5 zeigt die bestückte Mainboard-Platine von oben und Abbildung 6 zeigt die bestückte Mainboard-Platine von unten. Der Großteil der Bauteile wird auf der obersten Schicht gelötet. Auf der unteren Schicht sind vier SMD-Bauteile aufgelötet. In Abbildung 6 ist die Isolationslücke der Leiterplatte deutlich.

Schritt 4: Abbildung 4, 3D-Ansichten von der Leiterplatte

Schritt 5: Abbildung 5/6, Bestückte Mainboard-Platine (Ansicht von oben/Ansicht von unten)

Schaltungsanalyse [Panel]Abbildung 7 zeigt das schematische Diagramm des Panels. SEG1 ist ein zweistelliges gemultiplextes Siebensegment mit gemeinsamer Kathode.

Schritt 6: Abbildung 7, Schematische Darstellung des Panels des AC-Dimmers

Die Widerstände R1 bis R7 begrenzen den Strom zu den Siebensegment-LEDs. IDC1 ist ein 7*2 (14-poliger) IDC-Stecker, sodass ein 14-poliger Flachdraht die Verbindung zum Mainboard herstellt. SW1 und SW2 sind taktile Taster. P1 und P2 sind 2-polige XH-Stecker. Ich habe sie für die Benutzer bereitgestellt, die beabsichtigen, externe Bedienfeldtaster anstelle von integrierten taktilen Tastern zu verwenden.

Q1 und Q2 sind N-Kanal-MOSFETs [13], die verwendet werden, um jeden Teil des Siebensegments ein- und auszuschalten. R8 und R9 sind Pull-Down-Widerstände, um die Gate-Pins der MOSFETs niedrig zu halten, um ein ungewolltes Auslösen der MOSFETs zu verhindern.

PCB-Layout [Panel]

Abbildung 8 zeigt das PCB-Layout des Panelboards. Es ist eine zweilagige Leiterplatte und alle Komponenten außer IDC-Steckverbinder und taktile Drucktasten sind SMD.

Schritt 7: Abbildung 8, PCB-Layout der Schalttafel des AC-Dimmers

Mit Ausnahme der Siebensegment- und Taster (wenn Sie keine externen Taster verwenden) sind andere Komponenten auf der unteren Schicht gelötet. Der IDC-Stecker ist ebenfalls auf der unteren Schicht verlötet.

Wie beim Mainboard habe ich für 2N7002 [14] die industriellen Komponentenbibliotheken von SamacSys (Schemasymbol, PCB-Footprint, 3D-Modell) verwendet. Abbildung 9 zeigt das Altium-Plugin und die ausgewählte Komponente, die im Schaltplandokument installiert werden soll.

Schritt 8: Abbildung 9, Ausgewählte Komponente (2N7002) aus dem SamacSys Altium Plugin

Abbildung 10 zeigt 3D-Ansichten von der Ober- und Unterseite des Panelboards. Fig. 11 zeigt eine Draufsicht von der zusammengebauten Schalttafel und Fig. 12 zeigt eine Unteransicht der zusammengebauten Schalttafel.

Schritt 9: Abbildung 10, 3D-Ansichten von der Ober- und Unterseite des Panelboards

Schritt 10: Abbildung 11/12, eine Ansicht von oben/unten von der montierten Schalttafel

ErgebnisseAbbildung 13 zeigt den Schaltplan des AC-Dimmers. Wenn Sie die Ausgangswellenform mit einem Oszilloskop überprüfen möchten, dürfen Sie das Erdungskabel Ihres Oszilloskop-Tastkopfs nicht an den Dimmerausgang oder nirgendwo an das Stromnetz anschließen.

Achtung: Schließen Sie Ihren Oszilloskop-Tastkopf niemals direkt an das Stromnetz an. Das Erdungskabel der Sonde kann mit dem Netzanschluss eine geschlossene Schleife bilden. Es würde alles auf dem Weg sprengen, einschließlich Ihrer Schaltung, Sonde, Oszilloskop oder sogar sich selbst

Schritt 11: Abbildung 13, Schaltplan des AC-Dimmers

Um dieses Problem zu lösen, haben Sie 3 Möglichkeiten. Verwenden Sie einen Differenzialtastkopf, verwenden Sie ein schwebendes Oszilloskop (die meisten Oszilloskope sind massebezogen), verwenden Sie einen 220V-220V-Trenntransformator oder verwenden Sie einfach einen billigen Abwärtstransformator wie 220V-6V oder 220V-12V … usw. Im Video und in Abbildung 11 habe ich die letzte Methode (Abwärtstransformator) verwendet, um die Ausgabe zu überprüfen.

Abbildung 14 zeigt die komplette AC-Dimmereinheit. Ich habe zwei Platinen mit einem 14-poligen Flachdraht verbunden.

Schritt 12: Abbildung 14, eine komplette digitale AC-Dimmereinheit

Abbildung 15 zeigt die Nulldurchgangspunkte und die EIN/AUS-Zeit des Triacs. Wie klar ist, wurde davon ausgegangen, dass sowohl die steigende als auch die fallende Flanke eines Impulses keinem Flackern und Instabilität ausgesetzt ist.

Schritt 13: Abbildung 15, Nulldurchgangspunkte (die violette Wellenform)

Schritt 14: Stückliste

Es ist besser, Kondensatoren mit einer Nennspannung von 630 V für C3 und C4 zu verwenden.

Schritt 15: Referenzen

Artikel:

[1]: TLP521 Datenblatt:

[2]: BTA26 Datenblatt:

[3]: AN437, ST Application Note:

[4]: MOC3021 Datenblatt:

[5]: AMS1117-3.3 Datenblatt:

[6]: STM32F030F4 Datenblatt:

[7]: Schematisches Symbol und PCB-Footprint von TLP521:

[8]: Schaltplansymbol und PCB-Footprint von MOC3021:

[9]: Schematisches Symbol und PCB Footprint von BTA26-600:

[10]: Schaltplansymbol und PCB-Footprint von AMS1117-3.3:

[11]: Schematisches Symbol und PCB-Footprint von STM32F030F4:

[12]: Elektronische CAD-Plugins:

[13]: 2N7002 Datenblatt:

[14]: Schematisches Symbol und PCB Footprint von 2N7002: