Potent regulador digital de CA amb STM32: 15 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:10

Per Hesam Moshiri, [email protected]

Les càrregues de CA viuen amb nosaltres! Perquè són a tot arreu al nostre voltant i, com a mínim, els aparells electrodomèstics se subministren amb la xarxa elèctrica. Molts tipus d’equips industrials també s’alimenten amb 220V-AC monofàsic. Per tant, sovint ens enfrontem a situacions que necessitem tenir un control total (atenuació) sobre una càrrega de corrent altern, com ara una llum, un motor de corrent altern, una aspiradora, una broca, etc. Hem de saber que controlar una càrrega de corrent altern no és tan senzill com una càrrega de CC. Hem d’utilitzar un circuit i una estratègia electrònics diferents. A més, si un regulador de corrent altern es dissenya digitalment, es considera una aplicació de temps crític i el codi del microcontrolador s’ha d’escriure amb cura i eficiència. En aquest article, vaig introduir un regulador de CA digital aïllat de 4000 W que consta de dues parts: la placa principal i el tauler. El tauler del tauler proporciona dos botons i una pantalla de set segments que permet a l’usuari ajustar la tensió de sortida sense problemes.

Pas 1: figura 1, diagrama esquemàtic de la placa base del regulador de corrent altern

IC1, D1 i R2 s’utilitzen per detectar punts de pas zero. Els punts de pas zero són força essencials per a un regulador de corrent altern. IC1 [1] és un optoacoblador que proporciona aïllament galvànic. R1 és una resistència de captació que redueix el soroll i ens permet capturar tots els canvis (tant vores ascendents com descendents).

IC3 és un Triac de 25A de ST [2]. Aquest alt nivell de corrent ens permet arribar fàcilment a una potència d’enfosquiment de 4.000 W, però la temperatura del Triac s’ha de mantenir baixa i tan a prop de la temperatura de l’habitació. Si teniu intenció de controlar càrregues d’alta potència, no us oblideu de muntar un gran dissipador de calor o utilitzar un ventilador per refredar el component. Segons el full de dades, aquest Triac es pot utilitzar en diverses aplicacions: “Les aplicacions inclouen la funció ON / OFF en aplicacions com ara relés estàtics, regulació de la calefacció, circuits d’arrencada del motor d’inducció, etc., o per al control de fase en reguladors de llum., controladors de velocitat del motor i similars”.

C3 i R6, R4 i C4 són snubbers. En un terme senzill, els circuits Snubber s’utilitzen per reduir el soroll, tot i que per a més lectura, tingueu en compte la nota d’aplicació AN437 de ST [3]. IC3 és un Triac que no necessita canalla, però, també he decidit utilitzar circuits externs de canalla.

IC2 és un Triac optoisolador [4] que s'utilitza per controlar l'IC3. També fa un aïllament galvànic adequat. R5 limita el corrent de díode de l'IC2.

IC4 és el famós regulador de voltatge AMS1117 de 3,3 V [5] que proporciona l'alimentació als circuits de peces digitals. C1 redueix el soroll d’entrada i C2 redueix el soroll de sortida. P1 és un connector XH mascle de 2 pins que s’utilitza per connectar l’alimentació externa al dispositiu. Qualsevol voltatge d’entrada de 5V a 9V és suficient.

IC5 és el microcontrolador STM32F030F4 i el cor del circuit [6]. Proporciona totes les instruccions per controlar la càrrega. P2 és una capçalera masculina 2 * 2 que proporciona una interfície per programar el microcontrolador a través del SWD.

R7 i R8 són resistències de tracció per als botons. Per tant, els pins d'entrada del polsador de l'MCU estan programats com a actius-baixos. C8, C9 i C10 s’utilitzen per reduir el soroll segons el full de dades de la MCU. L1, C5, C6 i C7 redueixen el soroll de subministrament, també construeixen un filtre LC de primer ordre (Pi) per proporcionar un filtratge més fort per al soroll d’entrada.

IDC1 és un connector IDC mascle de 2 * 7 (14 pins) que s’utilitza per fer una connexió adequada entre la placa principal i la placa del tauler mitjançant un cable pla de 14 vies.

Disseny de PCB [placa base]

La Figura-2 mostra el disseny del PCB de la placa principal. És un disseny de PCB de dues capes. Els components de potència són forats passants i els components digitals són SMD.

Pas 2: figura 2, Disseny de PCB de la placa base del regulador de corrent altern

Com queda clar a la imatge, la placa es divideix en dues parts i aïllada òpticament mitjançant IC1 i IC2. També he fet un buit d’aïllament al PCB, sota IC2 i IC3. Les pistes de transport d’alta intensitat s’han reforçat amb capes superiors i inferiors i s’han lligat amb Vias. IC3 s'ha col·locat a la vora del tauler, de manera que és més fàcil muntar un dissipador de calor. No hauríeu de tenir dificultats per soldar els components excepte IC5. Els passadors són prims i propers entre si. Heu d’anar amb compte de no fer ponts de soldadura entre passadors.

L’ús de les biblioteques de components SamacSys classificades industrialment per a TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] i STM32F030F4 [11], va reduir significativament el meu temps de disseny i va evitar possibles errors. No puc imaginar el temps que perdia si tenia intenció de dissenyar aquests símbols esquemàtics i petjades de PCB des de zero. Per utilitzar les biblioteques de components Samacsys, podeu utilitzar un connector per al vostre programari CAD preferit [12] o descarregar-les des del motor de cerca de components. Tots els serveis / biblioteques de components de SamacSys són gratuïts. He utilitzat Altium Designer, de manera que he preferit utilitzar el connector SamacSys Altium (Figura 3).

Pas 3: Figura 3, biblioteques de components seleccionats del connector SamacSys Altium

La figura 4 mostra vistes en 3D des de la part superior i inferior del tauler. La figura 5 mostra el PCB de la placa base muntat des d’una vista superior i la figura 6 mostra el PCB de la placa base muntat des de la vista inferior. La majoria dels components es solden a la capa superior. Quatre components SMD es solden a la capa inferior. A la figura 6, la bretxa d’aïllament del PCB és clara.

Pas 4: Figura 4, vistes 3D des de la placa PCB

Pas 5: Figura 5/6, PCB de la placa base muntada (vista superior / vista inferior)

Anàlisi de circuits [tauler] La figura 7 mostra el diagrama esquemàtic del tauler. SEG1 és un segment de càtode comú multiplexat de dos dígits.

Pas 6: figura 7, diagrama esquemàtic del tauler del regulador de corrent altern

Les resistències R1 a R7 limiten el corrent als LED de set segments. IDC1 és un connector IDC mascle de 7 * 2 (14 pins), de manera que un cable pla de 14 vies proporciona la connexió a la placa principal. SW1 i SW2 són polsadors tàctils. P1 i P2 són connectors masculins XH de 2 pins. Els he proporcionat als usuaris que tinguin intenció d'utilitzar botons de comandament externs en lloc de botons tàctils integrats.

Q1 i Q2 són MOSFET de canal N [13] que s'utilitzen per activar / desactivar cada part del segment de set. R8 i R9 són resistències desplegables per mantenir els passadors dels MOSFET baixos, per evitar l’activació no desitjada dels MOSFET.

Disseny de PCB [panell]

La figura 8 mostra el disseny del PCB del tauler. Es tracta d’una placa PCB de dues capes i tots els components, excepte el connector IDC i els botons polsadors tàctils, són SMD.

Pas 7: figura 8, Disseny de PCB del tauler de regulació de l’AC

Excepte el botó de set segments i els botons de pressió (si no feu servir botons externs), la resta de components es solden a la capa inferior. El connector IDC també es solda a la capa inferior.

Igual que la placa principal, vaig utilitzar les biblioteques de components industrials SamacSys (símbol esquemàtic, petjada de PCB, model 3D) per al 2N7002 [14]. La figura 9 mostra el connector Altium i el component seleccionat que s’instal·larà al document esquemàtic.

Pas 8: figura 9, component seleccionat (2N7002) del connector SamacSys Altium

La figura 10 mostra vistes en 3D des de la part superior i inferior del tauler. La figura 11 mostra una vista superior des del tauler de muntatge muntat i la figura 12 mostra una vista inferior des del tauler de tauler muntat.

Pas 9: Figura 10, vistes 3D des de la part superior i inferior del tauler

Pas 10: figura 11/12, una vista superior / inferior des del tauler de muntatge

Resultats La figura 13 mostra el diagrama de cablejat del regulador de corrent altern. Si teniu intenció de comprovar la forma d’ona de sortida mitjançant un oscil·loscopi, no haureu de connectar el cable de terra de la sonda de l’oscil·loscopi a la sortida del regulador més feble ni enlloc de la xarxa elèctrica.

Atenció: no connecteu mai la sonda de l’oscil·loscopi directament a la xarxa elèctrica. El cable de terra de la sonda pot construir un bucle tancat amb el terminal de xarxa. Faria volar tot el camí, inclòs el circuit, la sonda, l'oscil·loscopi o fins i tot vosaltres mateixos

Pas 11: Figura 13, Esquema de cablejat del regulador de corrent altern

Per superar aquest problema, teniu 3 opcions. Utilitzant una sonda diferencial, utilitzant un oscil·loscopi flotant (la majoria dels oscil·loscopis estan referenciats a terra), utilitzant un transformador d’aïllament de 220V-220V o simplement utilitzant un transformador descens barat, com ara 220V-6V o 220V-12V … etc. Al vídeo i a la figura 11, he utilitzat l’últim mètode (transformador reductor) per comprovar la sortida.

La figura 14 mostra la unitat de regulador de corrent altern completa. He connectat dues taules mitjançant un cable pla de 14 vies.

Pas 12: figura 14, una unitat digital de regulador de corrent altern

La figura 15 mostra els punts de creuament zero i el temps ON / OFF del Triac. Com és clar, es considerava que la vora ascendent / descendent d'un impuls no afrontava cap parpelleig ni inestabilitat.

Pas 13: Figura 15, Punts d'encreuament zero (la forma d'ona morada)

Pas 14: llista de materials

És millor utilitzar condensadors classificats de 630V per a C3 i C4.

Pas 15: referències

Article:

[1]: Full de dades TLP521:

[2]: Full de dades BTA26:

[3]: AN437, Nota d'aplicació ST:

[4]: Full de dades MOC3021:

[5]: AMS1117-3.3 Full de dades:

[6]: STM32F030F4 Full de dades:

[7]: Símbol esquemàtic i petjada de PCB de TLP521:

[8]: Símbol esquemàtic i petjada del PCB de MOC3021:

[9]: Símbol esquemàtic i petjada del PCB de BTA26-600:

[10]: Símbol esquemàtic i petjada del PCB d’AMS1117-3.3:

[11]: Símbol esquemàtic i petjada de PCB de STM32F030F4:

[12]: Connectors de CAD electrònics:

[13]: 2N7002 Full de dades:

[14]: Símbol esquemàtic i petjada del PCB de 2N7002: