STM32 Kullanan Güçlü Dijital AC Dimmer: 15 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:16

Hesam Moshiri tarafından, [email protected]

AC yükleri bizimle yaşıyor! Çünkü onlar etrafımızda her yerdeler ve en azından ev aletlerine elektrik veriliyor. Birçok endüstriyel ekipman türü de tek fazlı 220V-AC ile çalışır. Bu nedenle, bir AC yükü üzerinde tam kontrole (karartma) ihtiyacımız olan lamba, AC motor, elektrikli süpürge, matkap vb. durumlarla sıklıkla karşılaşıyoruz. DC yükü kadar basit. Farklı bir elektronik devre ve strateji kullanmamız gerekiyor. Ayrıca, dijital olarak tasarlanmış bir AC dimmer ise, zaman açısından kritik bir uygulama olarak kabul edilir ve mikrodenetleyicinin kodunun dikkatli ve verimli bir şekilde yazılması gerekir. Bu yazıda iki parçadan oluşan izole bir 4000W dijital AC dimmer tanıttım: Anakart ve panel. Panel kartı, kullanıcının çıkış voltajını sorunsuz bir şekilde ayarlamasını sağlayan iki basma düğmesi ve yedi segmentli bir ekran sağlar.

Adım 1: Şekil 1, AC Dimmer Anakartının Şematik Diyagramı

IC1, D1 ve R2, sıfır geçiş noktalarını tespit etmek için kullanılır. AC dimmer için sıfır geçiş noktaları oldukça önemlidir. IC1 [1], galvanik izolasyon sağlayan bir optokuplördür. R1, gürültüyü azaltan ve tüm değişiklikleri (hem yükselen hem de düşen kenarlar) yakalamamızı sağlayan bir çekme direncidir.

IC3, ST [2]'den 25A dereceli bir Triyaktır. Bu yüksek akım derecesi, 4000W dimleme gücüne kolayca ulaşmamızı sağlar, ancak Triyak'ın sıcaklığı düşük ve oda sıcaklığına yakın tutulmalıdır. Yüksek güçlü yükleri kontrol etmeyi düşünüyorsanız, bileşeni soğutmak için büyük bir soğutucu takmayı veya bir Fan kullanmayı unutmayın. Veri sayfasına göre, bu Triyak çeşitli uygulamalarda kullanılabilir: “Uygulamalar, statik röleler, ısıtma regülasyonu, asenkron motor başlatma devreleri vb. uygulamalarda AÇMA/KAPAMA işlevini veya ışık dimmerlerinde faz kontrol işlemini içerir., motor hız kontrolörleri ve benzerleri”.

C3 ve R6, R4 ve C4 snubber'lardır. Basit bir ifadeyle, gürültüyü azaltmak için Snubber devreleri kullanılır, ancak daha fazla okuma için lütfen ST [3]'den AN437 uygulama notunu dikkate alın. IC3 snubber'sız bir Triyak'tır, ancak harici snubber devrelerini de kullanmaya karar verdim.

IC2, IC3'ü kontrol etmek için kullanılan bir optoizolatör Triyak'tır [4]. Ayrıca uygun galvanik izolasyon sağlar. R5, IC2'nin diyot akımını sınırlar.

IC4, dijital parça devrelerine güç sağlayan ünlü AMS1117 3.3V voltaj regülatörüdür [5]. C1 giriş gürültüsünü azaltır ve C2 çıkış gürültüsünü azaltır. P1, harici gücü cihaza bağlamak için kullanılan 2 pinli erkek XH konektörüdür. 5V ile 9V arasındaki herhangi bir giriş voltajı yeterlidir.

IC5, STM32F030F4 mikrodenetleyicisidir ve devrenin kalbidir [6]. Yükü kontrol etmek için tüm talimatları sağlar. P2, mikro denetleyiciyi SWD aracılığıyla programlamak için bir arabirim sağlayan 2*2 erkek bir başlıktır.

R7 ve R8, butonlar için çekme dirençleridir. Bu nedenle MCU'nun buton giriş pinleri aktif-düşük olarak programlanmıştır. C8, C9 ve C10, MCU'nun veri sayfasına göre gürültüyü azaltmak için kullanılır. L1, C5, C6 ve C7 besleme gürültüsünü azaltır, ayrıca giriş gürültüsü için daha güçlü filtreleme sağlamak için birinci dereceden bir LC filtresi (Pi) oluşturur.

IDC1, ana kart ile panel kartı arasında 14 yollu düz bir kablo aracılığıyla uygun bir bağlantı yapmak için kullanılan 2*7 (14 pimli) erkek IDC konektörüdür.

PCB Düzeni [anakart]

Şekil-2, anakartın PCB yerleşimini göstermektedir. İki katmanlı bir PCB tasarımıdır. Güç bileşenleri açık delik ve dijital bileşenler SMD'dir.

Adım 2: Şekil 2, AC Dimmer Ana Kartının PCB Düzeni

Resimden de anlaşılacağı gibi kart iki parçaya bölünmüş ve IC1 ve IC2 kullanılarak optik olarak izole edilmiştir. Ayrıca IC2 ve IC3 altında PCB üzerinde bir izolasyon boşluğu yaptım. Yüksek akım taşıyan raylar hem üst hem de alt katmanlar kullanılarak güçlendirilmiş ve Vias kullanılarak bağlanmıştır. IC3, kartın kenarına yerleştirilmiştir, bu nedenle bir soğutucu monte etmek daha kolaydır. IC5 dışındaki bileşenlerin lehimlenmesinde zorluk çekmemelisiniz. Pimler ince ve birbirine yakındır. Pimler arasında lehim köprüleri yapmamaya dikkat etmelisiniz.

TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] ve STM32F030F4 [11] için endüstriyel olarak derecelendirilmiş SamacSys bileşen kitaplıklarını kullanmak, tasarım süremi önemli ölçüde azalttı ve olası hataları önledi. Bu şematik sembolleri ve PCB ayak izlerini sıfırdan tasarlamayı planlıyorsam ne kadar zaman kaybettiğimi hayal bile edemiyorum. Samacsys bileşen kitaplıklarını kullanmak için, favori CAD yazılımınız [12] için bir eklenti kullanabilir veya kitaplıkları bileşen arama motorundan indirebilirsiniz. Tüm SamacSys hizmetleri/bileşen kitaplıkları ücretsizdir. Altium Designer kullandım, bu yüzden SamacSys Altium eklentisini kullanmayı tercih ettim (Şekil 3).

Adım 3: Şekil 3, SamacSys Altium Eklentisinden Seçilmiş Bileşen Kitaplıkları

Şekil 4, kartın üstünden ve altından 3D görünümleri gösterir. Şekil 5, monte edilmiş ana kart PCB'yi üstten görünümden gösterir ve şekil 6, monte edilmiş anakart PCB'yi alttan görünümden gösterir. Bileşenlerin çoğu üst katmana lehimlenmiştir. Alt katmanda dört SMD bileşeni lehimlenmiştir. Şekil-6'da PCB'nin izolasyon boşluğu açıktır.

Adım 4: Şekil 4, PCB Kartından 3D Görünümler

Adım 5: Şekil 5/6, Monte Edilmiş Ana Kart PCB (üstten Görünüm/alttan Görünüm)

Devre Analizi [panel]Şekil 7, panelin şematik diyagramını göstermektedir. SEG1, iki basamaklı çoğullanmış ortak katot yedi segmentlidir.

Adım 6: Şekil 7, AC Dimmer Panelinin Şematik Diyagramı

R1 ila R7 dirençleri, akımı yedi segmentli LED'lerle sınırlar. IDC1, 7*2 (14 pimli) erkek IDC konektörüdür, bu nedenle ana karta bağlantıyı 14 yollu düz kablo sağlar. SW1 ve SW2 dokunsal butonlardır. P1 ve P2, 2 pimli XH erkek konektörlerdir. Yerleşik dokunmatik butonlar yerine harici panel butonlarını kullanmayı düşünen kullanıcılar için sağladım.

Q1 ve Q2, yedi segmentin her bir parçasını AÇMAK/KAPATMAK için kullanılan N-Kanal MOSFET'leridir [13]. R8 ve R9, MOSFET'lerin istenmeyen tetiklenmesini önlemek için MOSFET'lerin kapı pimlerini düşük tutmak için aşağı çekme dirençleridir.

PCB Düzeni [paneli]

Şekil 8, panonun PCB yerleşimini göstermektedir. İki katmanlı bir PCB kartıdır ve IDC konektörü ve dokunmatik butonlar dışındaki tüm bileşenler SMD'dir.

Adım 7: Şekil 8, AC Dimmer'ın Panel Panosunun PCB Yerleşimi

Yedi segmentli ve basmalı butonlar (harici butonlar kullanmıyorsanız) dışında diğer bileşenler alt katmana lehimlenmiştir. IDC konektörü de alt katmana lehimlenmiştir.

Anakartla aynı şekilde, 2N7002 için SamacSys endüstriyel bileşen kitaplıklarını (şematik sembol, PCB ayak izi, 3D model) kullandım [14]. Şekil 9, Altium eklentisini ve Şematik belgesine kurulacak seçili bileşeni göstermektedir.

Adım 8: Şekil 9, SamacSys Altium Eklentisinden Seçilen Bileşen (2N7002)

Şekil 10, panonun üstünden ve altından 3D görünümleri gösterir. Şekil 11, monte edilmiş panodan bir üstten görünüşü gösterir ve şekil 12, monte edilmiş panodan bir alt görünüşü gösterir.

Adım 9: Şekil 10, Panel Panosunun Üstten ve Alttan 3D Görünümleri

Adım 10: Şekil 11/12, Monte Edilmiş Panodan Üstten/Alttan Görünüm

SonuçlarŞekil 13, AC Dimmer'ın kablo şemasını gösterir. Bir osiloskop kullanarak çıkış dalga biçimini kontrol etmeyi amaçladıysanız, osiloskop probunuzun topraklama kablosunu dimmer çıkışına veya şebekenin hiçbir yerine bağlamamalısınız.

Dikkat: Osiloskop probunuzu asla doğrudan şebekeye bağlamayın. Probun topraklama kablosu, ana terminal ile kapalı bir döngü oluşturabilir. Devreniz, sondanız, osiloskopunuz ve hatta kendiniz de dahil olmak üzere yoldaki her şeyi havaya uçurur

Adım 11: Şekil 13, AC Dimmer'ın Kablo Şeması

Bu sorunun üstesinden gelmek için 3 seçeneğiniz var. Diferansiyel prob kullanarak, yüzer bir osiloskop kullanarak (osiloskopların çoğu toprak referanslıdır), 220V-220V izolasyon transformatörü kullanarak veya sadece 220V-6V veya 220V-12V gibi ucuz bir düşürücü transformatör kullanın… vb.. Videoda ve şekil-11'de çıkışı kontrol etmek için son yöntemi (düşürücü transformatör) kullandım.

Şekil 14, komple AC dimmer ünitesini göstermektedir. 14 yollu düz bir kablo kullanarak iki kartı bağladım.

Adım 12: Şekil 14, Komple Dijital AC Dimmer Ünitesi

Şekil 15, sıfır geçiş noktalarını ve Triyak'ın AÇIK/KAPALI zamanını gösterir. Açıkça görüldüğü gibi, bir darbenin hem yükselen/alçalan kenarının herhangi bir titreme ve kararsızlıkla karşılaşmadığı düşünülmüştür.

Adım 13: Şekil 15, Sıfır Geçiş Noktaları (Mor Dalga Formu)

Adım 14: Malzeme Listesi

C3 ve C4 için 630V nominal kapasitör kullanmak daha iyidir.

Adım 15: Referanslar

Makale:

[1]: TLP521 Veri Sayfası:

[2]: BTA26 Veri Sayfası:

[3]: AN437, ST Uygulama Notu:

[4]: MOC3021 Veri Sayfası:

[5]: AMS1117-3.3 Veri Sayfası:

[6]: STM32F030F4 Veri Sayfası:

[7]: TLP521'in Şematik Sembolü ve PCB Ayak İzi:

[8]: MOC3021'in Şematik Sembolü ve PCB Ayak İzi:

[9]: BTA26-600'ün Şematik Sembolü ve PCB Ayak İzi:

[10]: AMS1117-3.3'ün Şematik Sembolü ve PCB Ayak İzi:

[11]: STM32F030F4'ün Şematik Sembolü ve PCB Ayak İzi:

[12]: Elektronik CAD Eklentileri:

[13]: 2N7002 Veri Sayfası:

[14]: 2N7002'nin Şematik Sembolü ve PCB Ayak İzi: