تنظیم کننده قدرتمند دیجیتال AC با استفاده از STM32: 15 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:51

توسط حسام مشیری ، [email protected]

بارهای AC با ما زندگی می کنند! زیرا همه جا در اطراف ما هستند و حداقل لوازم خانگی با برق اصلی تأمین می شوند. بسیاری از انواع تجهیزات صنعتی نیز با جریان تک فاز 220V-AC تغذیه می شوند. بنابراین ، ما اغلب با شرایطی روبرو می شویم که باید کنترل کامل (کم نور شدن) بار AC را داشته باشیم ، مانند لامپ ، موتور AC ، جاروبرقی ، مته ، و غیره. باید بدانیم که کنترل بار AC کار نمی کند به سادگی بار DC ما باید از یک مدار و استراتژی الکترونیکی متفاوت استفاده کنیم. علاوه بر این ، اگر یک دیمر AC به صورت دیجیتالی طراحی شود ، یک برنامه کاربردی مهم در نظر گرفته می شود و کد میکروکنترلر باید با دقت و کارآمد نوشته شود. در این مقاله ، من یک دیمر AC دیجیتال 4000 وات جداگانه را معرفی کردم که از دو قسمت تشکیل شده است: صفحه اصلی و پانل. صفحه پانل دارای دو دکمه فشاری و یک صفحه نمایش هفت قسمتی است که به کاربر اجازه می دهد ولتاژ خروجی را بدون مشکل تنظیم کند.

مرحله 1: شکل 1 ، نمودار شماتیک صفحه اصلی AC Dimmer

IC1 ، D1 و R2 برای تشخیص نقاط عبور صفر استفاده می شود. نقاط عبور صفر برای یک دیمر AC بسیار ضروری است. IC1 [1] یک اپتوکوپلر است که عایق گالوانیکی را فراهم می کند. R1 یک مقاومت کششی است که نویز را کاهش می دهد و به ما اجازه می دهد تا همه تغییرات (هم در لبه های بالا و پایین) را ثبت کنیم.

IC3 از نوع Triac درجه 25A از ST [2] است. این درجه جریان بالا به ما اجازه می دهد تا به راحتی به قدرت کم نور 4000 وات برسیم ، با این حال ، دمای Triac باید پایین و نزدیک به دمای اتاق نگه داشته شود. اگر قصد کنترل بارهای قدرت بالا را دارید ، فراموش نکنید که یک هیت سینک بزرگ نصب کنید یا از یک فن برای خنک کردن قطعه استفاده کنید. با توجه به برگه اطلاعات ، این Triac می تواند در برنامه های مختلف مورد استفاده قرار گیرد: "برنامه های کاربردی شامل عملکرد ON/OFF در برنامه هایی مانند رله های استاتیک ، تنظیم حرارت ، مدارهای راه اندازی موتور القایی و غیره یا برای کنترل فاز در کم نورها هستند. ، کنترل کننده های دور موتور و موارد مشابه”.

C3 و R6 ، R4 و C4 خنثی هستند. در یک عبارت ساده ، از مدارهای Snubber برای کاهش نویز استفاده می شود ، اما برای خواندن بیشتر ، لطفاً توجه داشته باشید برنامه AN437 از ST [3]. IC3 یک Triac بدون تقلب است ، با این حال ، من تصمیم گرفتم از مدارهای snubber خارجی نیز استفاده کنم.

IC2 یک اپتیکولاتور تریاک [4] است که برای کنترل IC3 استفاده می شود. همچنین باعث ایجاد عایق گالوانیک مناسب می شود. R5 جریان دیود IC2 را محدود می کند.

IC4 تنظیم کننده ولتاژ AMS1117 3.3V معروف [5] است که برق مدارهای قطعه دیجیتال را تأمین می کند. C1 نویز ورودی و C2 نویز خروجی را کاهش می دهد. P1 یک کانکتور مردانه 2 پین XH است که برای اتصال برق خارجی به دستگاه استفاده می شود. هر ولتاژ ورودی از 5V تا 9V کافی است.

IC5 میکروکنترلر STM32F030F4 و قلب مدار است [6]. تمام دستورالعمل ها را برای کنترل بار ارائه می دهد. P2 یک هدر نر 2*2 است که رابط برنامه ریزی میکروکنترلر را از طریق SWD فراهم می کند.

R7 و R8 مقاومت های کششی برای دکمه های فشار هستند. بنابراین پین های ورودی دکمه فشاردهنده MCU به صورت فعال-پایین برنامه ریزی شده اند. مطابق برگه داده MCU ، از C8 ، C9 و C10 برای کاهش نویز استفاده می شود. L1 ، C5 ، C6 و C7 سر و صدای منبع را کاهش می دهند ، همچنین یک فیلتر LC مرتبه اول (Pi) ایجاد می کنند تا فیلتر قوی تری برای سر و صدای ورودی ارائه شود.

IDC1 یک کانکتور 2*7 (14 پین) IDC نر است که برای ایجاد ارتباط مناسب بین صفحه اصلی و برد پانل از طریق یک کابل تخت 14 جهت استفاده می شود.

طرح PCB [صفحه اصلی]

شکل 2 طرح PCB مادربرد را نشان می دهد. این یک طرح PCB دو لایه است. اجزای قدرت از طریق سوراخ و قطعات دیجیتالی از نوع SMD هستند.

مرحله 2: شکل 2 ، طرح PCB صفحه اصلی AC Dimmer

همانطور که در تصویر مشخص است ، برد به دو قسمت تقسیم شده و با استفاده از IC1 و IC2 از نظر نوری جدا شده است. من همچنین در PCB ، تحت IC2 و IC3 ، شکاف جدا شده ایجاد کردم. مسیرهای حمل جریان بالا با استفاده از هر دو لایه بالا و پایین تقویت شده و با استفاده از Vias گره خورده است. IC3 در لبه برد قرار گرفته است ، بنابراین نصب هیت سینک راحت تر است. به جز IC5 نباید در لحیم کاری قطعات مشکل داشته باشید. سنجاق ها نازک و نزدیک به هم هستند. باید مراقب باشید که بین سنجاق ها پل لحیم کاری نکنید.

استفاده از کتابخانه های صنعتی SamacSys برای TLP512 [7] ، MOC3021 [8] ، BTA26 [9] ، AMS1117 [10] و STM32F030F4 [11] ، زمان طراحی من را به میزان قابل توجهی کاهش داد و از اشتباهات احتمالی جلوگیری کرد. من نمی توانم تصور کنم که چقدر وقتم را تلف می کردم اگر قصد داشتم این نمادهای شماتیک و ردپای PCB را از ابتدا طراحی کنم. برای استفاده از کتابخانه های کامپوننت Samacsys ، می توانید از افزونه ای برای نرم افزار CAD دلخواه خود استفاده کنید [12] یا کتابخانه ها را از موتور جستجوی جزء بارگیری کنید. همه خدمات/کتابخانه های کامپوننت SamacSys رایگان هستند. من از Altium Designer استفاده کردم ، بنابراین ترجیح دادم از افزونه SamacSys Altium استفاده کنم (شکل 3).

مرحله 3: شکل 3 ، کتابخانه های کامپوننت انتخاب شده از افزونه SamacSys Altium

شکل 4 نماهای سه بعدی را از بالا و پایین برد نشان می دهد. شکل 5 PCB مونتاژ مادربرد مونتاژ شده را از نمای بالا و شکل 6 PCB مادربرد مونتاژ شده را از نمای پایین نشان می دهد. اکثر اجزاء روی لایه بالا لحیم می شوند. چهار قطعه SMD روی لایه زیرین لحیم شده است. در شکل 6 ، فاصله جداسازی PCB روشن است.

مرحله 4: شکل 4 ، نمای 3D از برد PCB

مرحله 5: شکل 5/6 ، PCB مونتاژ صفحه اصلی (نمای بالا/نمای پایین)

تحلیل مدار [پانل] شکل 7 نمودار شماتیک پانل را نشان می دهد. SEG1 یک دو رقمی چند قسمتی کاتد مشترک هفت قسمتی است.

مرحله 6: شکل 7 ، نمودار شماتیک پنل AC Dimmer

مقاومت R1 تا R7 جریان را به LED های هفت قسمتی محدود می کند. IDC1 یک کانکتور IDC مردانه 7*2 (14 پین) است ، بنابراین یک سیم تخت 14 جهته اتصال به مادربرد را فراهم می کند. SW1 و SW2 دکمه های لمسی هستند. P1 و P2 اتصالات نر 2 پین XH هستند. من آنها را برای کاربرانی تهیه کرده ام که قصد دارند به جای دکمه های لمسی روی صفحه از دکمه های پانل خارجی استفاده کنند.

Q1 و Q2 ماسفت های N-Channel هستند [13] که برای روشن/خاموش کردن هر قسمت از هفت بخش استفاده می شوند. R8 و R9 مقاومت های کششی هستند تا پایه های دروازه MOSFET ها را پایین نگه دارند تا از فعال شدن ناخواسته MOSFET ها جلوگیری شود.

طرح PCB [پانل]

شکل 8 طرح PCB صفحه تخته را نشان می دهد. این یک برد PCB دو لایه است و همه اجزا به جز اتصال IDC و دکمه های لمسی SMD هستند.

مرحله 7: شکل 8 ، طرح PCB صفحه تابلو AC Dimmer

به جز دکمه های هفت قسمتی و دکمه های فشاری (اگر از دکمه های خارجی استفاده نمی کنید) ، اجزای دیگر روی لایه پایینی لحیم می شوند. کانکتور IDC نیز در لایه زیرین لحیم شده است.

همانند صفحه اصلی ، از کتابخانه های قطعات صنعتی SamacSys (نماد شماتیک ، رد پای PCB ، مدل سه بعدی) برای 2N7002 استفاده کردم [14]. شکل 9 افزونه Altium و جزء انتخاب شده برای نصب در سند شماتیک را نشان می دهد.

مرحله 8: شکل 9 ، جزء انتخاب شده (2N7002) از افزونه SamacSys Altium

شکل 10 نماهای سه بعدی را از بالا و پایین تخته نشان می دهد. شکل 11 نمای بالایی را از تخته چوبی مونتاژ شده و شکل 12 نمای پایینی را از تخته چوبی مونتاژ شده نشان می دهد.

مرحله 9: شکل 10 ، نمای سه بعدی از بالا و پایین صفحه تخته

مرحله 10: شکل 11/12 ، نمای بالا/پایین از صفحه پانل مونتاژ شده

نتایج شکل 13 نمودار سیم کشی دیمر AC را نشان می دهد. اگر قصد داشتید شکل موج خروجی را با استفاده از یک اسیلوسکوپ بررسی کنید ، نباید سیم زمین پروب اسیلوسکوپ خود را به خروجی کم نور یا هیچ جای شبکه اصلی متصل کنید.

توجه: هرگز پروب اسیلوسکوپ خود را مستقیماً به برق وصل نکنید. سربی پروب می تواند یک حلقه بسته با ترمینال اصلی ایجاد کند. این می تواند همه چیز را در مسیر ، از جمله مدار ، کاوشگر ، اسیلوسکوپ یا حتی خودتان منفجر کند

مرحله 11: شکل 13 ، نمودار سیم کشی AC Dimmer

برای غلبه بر این مشکل ، 3 گزینه دارید. با استفاده از یک پروب دیفرانسیل ، با استفاده از یک اسیلوسکوپ شناور (اکثر اسیلوسکوپ ها به زمین اشاره شده اند) ، با استفاده از ترانسفورماتور ایزولاسیون 220V-220V ، یا فقط به سادگی از ترانسفورماتور پله پایین ارزان ، مانند 220V-6V یا 220V-12V … و غیره استفاده کنید. در ویدئو و شکل 11 ، از آخرین روش (ترانسفورماتور گام به گام) برای بررسی خروجی استفاده کردم.

شکل 14 واحد دیمر AC کامل را نشان می دهد. من دو تخته را با استفاده از یک سیم صاف 14 جهت متصل کرده ام.

مرحله 12: شکل 14 ، یک واحد دیجیتال AC دیجیتال کامل

شکل 15 نقاط عبور صفر و زمان روشن/خاموش Triac را نشان می دهد. همانطور که واضح است ، هر دو لبه بالا/پایین یک نبض در نظر گرفته می شود که با هیچ سوسو و بی ثباتی روبرو نیست.

مرحله 13: شکل 15 ، نقاط عبور صفر (شکل موج بنفش)

مرحله 14: صورتجلسه مواد

بهتر است از خازن های دارای درجه 630V برای C3 و C4 استفاده کنید.

مرحله 15: منابع

مقاله:

[1]: برگه اطلاعات TLP521:

[2]: BTA26 Datasheet:

[3]: AN437 ، ST برنامه توجه:

[4]: برگه اطلاعات MOC3021:

[5]: AMS1117-3.3 برگه اطلاعات:

[6]: برگه اطلاعات STM32F030F4:

[7]: نماد شماتیک و رد پای PCB TLP521:

[8]: نماد شماتیک و رد پای PCB MOC3021:

[9]: نماد شماتیک و رد پای PCB BTA26-600:

[10]: نماد شماتیک و رد پای PCB AMS1117-3.3:

[11]: نماد شماتیک و رد پای PCB STM32F030F4:

[12]: افزونه های CAD الکترونیکی:

[13]: 2N7002 برگه اطلاعات:

[14]: نماد شماتیک و رد پای PCB 2N7002: