Digital AC Dimmer อันทรงพลังโดยใช้ STM32: 15 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:02

โดย Hesam Moshiri, [email protected]

โหลด AC อยู่กับเรา! เพราะมันมีอยู่ทุกหนทุกแห่งรอบตัวเราและอย่างน้อยเครื่องใช้ในบ้านก็มาพร้อมกับแหล่งจ่ายไฟหลัก อุปกรณ์อุตสาหกรรมหลายประเภทยังใช้ไฟฟ้ากระแสสลับแบบเฟสเดียว 220V-AC ดังนั้นเราจึงมักเผชิญกับสถานการณ์ที่เราจำเป็นต้องควบคุม (ลดแสง) อย่างเต็มที่กับโหลด AC เช่น หลอดไฟ มอเตอร์ AC เครื่องดูดฝุ่น สว่าน … ฯลฯ เราควรรู้ว่าการควบคุมโหลด AC ไม่ใช่ ง่ายเหมือนโหลด DC เราต้องใช้วงจรอิเล็กทรอนิกส์และกลยุทธ์ที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ หากสวิตช์หรี่ไฟ AC ได้รับการออกแบบทางดิจิทัล ก็ถือเป็นแอปพลิเคชันที่สำคัญด้านเวลา และโค้ดของไมโครคอนโทรลเลอร์จะต้องเขียนอย่างระมัดระวังและมีประสิทธิภาพ ในบทความนี้ ฉันได้แนะนำสวิตช์หรี่ไฟ AC แบบดิจิตอล 4000W แบบแยกเดี่ยวซึ่งประกอบด้วยสองส่วน: เมนบอร์ดและแผงควบคุม แผงแผงควบคุมมีปุ่มกดสองปุ่มและจอแสดงผลเจ็ดส่วน ที่ช่วยให้ผู้ใช้ปรับแรงดันไฟขาออกได้อย่างราบรื่น

ขั้นตอนที่ 1: รูปที่ 1 แผนผังไดอะแกรมของเมนบอร์ด AC Dimmer

IC1, D1 และ R2 ใช้เพื่อตรวจจับจุดข้ามศูนย์ จุดตัดเป็นศูนย์นั้นค่อนข้างจำเป็นสำหรับสวิตช์หรี่ไฟ AC IC1 [1] เป็นออปโตคัปเปลอร์ที่ให้การแยกทางไฟฟ้า R1 เป็นตัวต้านทานแบบดึงขึ้นที่ลดเสียงรบกวนและช่วยให้เราจับการเปลี่ยนแปลงทั้งหมด (ทั้งขอบที่เพิ่มขึ้นและลดลง)

IC3 เป็น Triac ที่ได้รับการจัดอันดับ 25A จาก ST [2] พิกัดกระแสไฟที่สูงนี้ช่วยให้เราใช้พลังงานลดแสงได้ถึง 4000W อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิของ Triac จะต้องอยู่ในระดับต่ำและใกล้เคียงกับอุณหภูมิห้องมากที่สุด หากคุณต้องการควบคุมโหลดพลังงานสูง อย่าลืมติดตั้งฮีทซิงค์ขนาดใหญ่หรือใช้พัดลมเพื่อทำให้ส่วนประกอบเย็นลง ตามเอกสารข้อมูล Triac นี้สามารถใช้งานได้หลากหลาย: “แอพพลิเคชั่นรวมถึงฟังก์ชั่นเปิด/ปิดในการใช้งาน เช่น รีเลย์แบบสถิต การควบคุมความร้อน วงจรสตาร์ทมอเตอร์เหนี่ยวนำ ฯลฯ หรือสำหรับการควบคุมเฟสในเครื่องหรี่ไฟ, ตัวควบคุมความเร็วมอเตอร์ และอื่นๆ ที่คล้ายกัน”

C3 และ R6, R4 และ C4 เป็นสนูบเบอร์ พูดง่ายๆ ก็คือ ใช้วงจร Snubber เพื่อลดเสียงรบกวน อย่างไรก็ตาม สำหรับการอ่านเพิ่มเติม โปรดพิจารณาบันทึกการใช้งาน AN437 จาก ST [3] IC3 เป็น Triac ที่ไม่มีเสแสร้ง แต่ฉันตัดสินใจใช้วงจร snubber ภายนอกเช่นกัน

IC2 เป็น optoisolator Triac [4] ที่ใช้ในการควบคุม IC3 นอกจากนี้ยังทำให้การแยกกระแสไฟฟ้าที่เหมาะสม R5 จำกัดกระแสไดโอดของ IC2

IC4 เป็นตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า AMS1117 3.3V ที่มีชื่อเสียง [5] ซึ่งให้พลังงานสำหรับวงจรชิ้นส่วนดิจิทัล C1 ลดเสียงรบกวนอินพุตและ C2 ลดเสียงรบกวนเอาต์พุต P1 เป็นขั้วต่อ XH ตัวผู้ 2 พินที่ใช้เชื่อมต่อพลังงานภายนอกกับอุปกรณ์ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าใดๆ จาก 5V ถึง 9V ก็เพียงพอแล้ว

IC5 คือไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32F030F4 และหัวใจของวงจร [6] มันให้คำแนะนำทั้งหมดเพื่อควบคุมโหลด P2 เป็นส่วนหัวชาย 2*2 ที่มีอินเทอร์เฟซสำหรับตั้งโปรแกรมไมโครคอนโทรลเลอร์ผ่าน SWD

R7 และ R8 เป็นตัวต้านทานแบบดึงขึ้นสำหรับปุ่มกด ดังนั้นหมุดอินพุตปุ่มกดของ MCU จึงถูกตั้งโปรแกรมเป็นแอ็คทีฟต่ำ C8, C9 และ C10 ใช้เพื่อลดเสียงรบกวนตามแผ่นข้อมูลของ MCU L1, C5, C6 และ C7 ช่วยลดสัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่าย และสร้างตัวกรอง LC ลำดับแรก (Pi) เพื่อให้การกรองสัญญาณรบกวนอินพุตแข็งแกร่งขึ้น

IDC1 เป็นคอนเน็กเตอร์ IDC ตัวผู้ 2*7 (14 พิน) ที่ใช้เพื่อทำการเชื่อมต่อที่เหมาะสมระหว่างเมนบอร์ดและแผงบอร์ดผ่านสายเคเบิลแบบแบน 14 ทิศทาง

เค้าโครง PCB [เมนบอร์ด]

รูปที่ 2 แสดงเค้าโครง PCB ของเมนบอร์ด เป็นการออกแบบ PCB สองชั้น ส่วนประกอบพลังงานเป็นรูทะลุและส่วนประกอบดิจิทัลคือ SMD

ขั้นตอนที่ 2: รูปที่ 2 เค้าโครง PCB ของเมนบอร์ดของ AC Dimmer

เนื่องจากในภาพมีความชัดเจน บอร์ดจึงถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนและแยกทางแสงโดยใช้ IC1 และ IC2 ฉันยังสร้างช่องว่างแยกบน PCB ภายใต้ IC2 และ IC3 รางรองรับกระแสไฟแรงสูงได้รับการเสริมความแข็งแกร่งโดยใช้ทั้งชั้นบนและล่าง และมัดโดยใช้ Vias IC3 ถูกวางไว้ที่ขอบของบอร์ด ดังนั้นจึงง่ายต่อการติดตั้งฮีทซิงค์ คุณไม่ควรมีปัญหาในการบัดกรีส่วนประกอบยกเว้น IC5 หมุดมีความบางและอยู่ใกล้กัน คุณควรระวังอย่าให้สะพานประสานระหว่างหมุด

การใช้ไลบรารีส่วนประกอบ SamacSys ระดับอุตสาหกรรมสำหรับ TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] และ STM32F030F4 [11] ช่วยลดเวลาในการออกแบบของฉันได้อย่างมากและป้องกันข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นได้ ฉันไม่สามารถจินตนาการได้ว่าฉันเสียเวลาไปมากแค่ไหนถ้าฉันตั้งใจที่จะออกแบบสัญลักษณ์แผนผังและรอยเท้า PCB เหล่านี้ตั้งแต่เริ่มต้น ในการใช้ไลบรารีคอมโพเนนต์ Samacsys คุณสามารถใช้ปลั๊กอินสำหรับซอฟต์แวร์ CAD ที่คุณชื่นชอบ [12] หรือดาวน์โหลดไลบรารีจาก component-search-engine บริการ/ไลบรารีส่วนประกอบ SamacSys ทั้งหมดนั้นฟรี ฉันใช้ Altium Designer ดังนั้นฉันจึงต้องการใช้ปลั๊กอิน SamacSys Altium (รูปที่ 3)

ขั้นตอนที่ 3: รูปที่ 3 ไลบรารีส่วนประกอบที่เลือกจากปลั๊กอิน SamacSys Altium

รูปที่ 4 แสดงมุมมอง 3 มิติจากด้านบนและด้านล่างของกระดาน รูปที่ 5 แสดง PCB เมนบอร์ดที่ประกอบจากมุมมองด้านบน และรูปที่ 6 แสดง PCB เมนบอร์ดที่ประกอบจากมุมมองด้านล่าง ส่วนประกอบส่วนใหญ่บัดกรีที่ชั้นบนสุด ส่วนประกอบ SMD สี่ชิ้นถูกบัดกรีที่ชั้นล่าง ในรูปที่ 6 ช่องว่างการแยกของ PCB นั้นชัดเจน

ขั้นตอนที่ 4: รูปที่ 4 มุมมอง 3 มิติจากบอร์ด PCB

ขั้นตอนที่ 5: รูปที่ 5/6, Assembled Mainboard PCB (มุมมองด้านบน/ด้านล่าง)

การวิเคราะห์วงจร [แผง] รูปที่ 7 แสดงแผนผังของแผงควบคุม SEG1 เป็นเซกเมนต์แคโทดร่วมแบบมัลติเพล็กซ์แบบมัลติเพล็กซ์เจ็ดหลัก

ขั้นตอนที่ 6: รูปที่ 7 Schematic Diagram ของแผง AC Dimmer

ตัวต้านทาน R1 ถึง R7 จะจำกัดกระแสไฟไว้ที่ LED เจ็ดส่วน IDC1 เป็นขั้วต่อ IDC ตัวผู้ 7*2 (14 พิน) ดังนั้นสายแบน 14 ทิศทางจึงให้การเชื่อมต่อกับเมนบอร์ด SW1 และ SW2 เป็นปุ่มกดแบบสัมผัส P1 และ P2 เป็นขั้วต่อ XH ตัวผู้ 2 ขา ฉันได้จัดเตรียมไว้สำหรับผู้ใช้ที่ต้องการใช้ปุ่มกดแผงภายนอกแทนปุ่มกดสัมผัสออนบอร์ด

Q1 และ Q2 เป็น N-Channel MOSFET [13] ที่ใช้เพื่อเปิด/ปิดแต่ละส่วนของเจ็ดส่วน R8 และ R9 เป็นตัวต้านทานแบบดึงลงเพื่อยึดเกทพินของ MOSFET ให้ต่ำ เพื่อป้องกันการทริกเกอร์ MOSFET ที่ไม่ต้องการ

เค้าโครง PCB [แผง]

รูปที่ 8 แสดงเค้าโครง PCB ของแผงควบคุม เป็นบอร์ด PCB สองชั้นและส่วนประกอบทั้งหมดยกเว้นขั้วต่อ IDC และปุ่มกดสัมผัสคือ SMD

ขั้นตอนที่ 7: รูปที่ 8 เค้าโครง PCB ของแผงควบคุมของ AC Dimmer

ยกเว้นส่วนเจ็ดส่วนและปุ่มกด (หากคุณไม่ได้ใช้ปุ่มภายนอก) ส่วนประกอบอื่นๆ จะถูกบัดกรีที่ชั้นล่าง ตัวเชื่อมต่อ IDC นั้นถูกบัดกรีที่ชั้นล่างเช่นกัน

เช่นเดียวกับเมนบอร์ด ฉันใช้ไลบรารีส่วนประกอบทางอุตสาหกรรมของ SamacSys (สัญลักษณ์แผนผัง, รอยเท้า PCB, โมเดล 3 มิติ) สำหรับ 2N7002 [14] รูปที่ 9 แสดงปลั๊กอิน Altium และส่วนประกอบที่เลือกที่จะติดตั้งในเอกสาร Schematic

ขั้นตอนที่ 8: รูปที่ 9 ส่วนประกอบที่เลือก (2N7002) จากปลั๊กอิน SamacSys Altium

รูปที่ 10 แสดงมุมมอง 3 มิติจากด้านบนและด้านล่างของแผงควบคุม รูปที่ 11 แสดงมุมมองด้านบนจากแผงที่ประกอบ และรูปที่ 12 แสดงมุมมองด้านล่างจากแผงที่ประกอบแล้ว

ขั้นตอนที่ 9: รูปที่ 10 มุมมอง 3 มิติจากด้านบนและด้านล่างของแผงควบคุม

ขั้นตอนที่ 10: รูปที่ 11/12 มุมมองด้านบน/ด้านล่างจากแผงควบคุมที่ประกอบแล้ว

ผลลัพธ์ภาพที่ 13 แสดงแผนภาพการเดินสายไฟของ AC Dimmer หากคุณต้องการตรวจสอบรูปคลื่นสัญญาณเอาท์พุตโดยใช้ออสซิลโลสโคป คุณต้องไม่ต่อสายดินของโพรบออสซิลโลสโคปเข้ากับเอาท์พุตหรี่ไฟหรือไม่มีแหล่งจ่ายไฟหลัก

ข้อควรสนใจ: ห้ามเชื่อมต่อโพรบออสซิลโลสโคปกับแหล่งจ่ายไฟหลักโดยตรง สายกราวด์ของโพรบสามารถสร้างลูปปิดกับขั้วต่อไฟหลักได้ มันจะระเบิดทุกอย่างในเส้นทาง รวมถึงวงจรของคุณ โพรบ ออสซิลโลสโคป หรือแม้แต่ตัวคุณเอง

ขั้นตอนที่ 11: รูปที่ 13 แผนภาพการเดินสายไฟของ AC Dimmer

เพื่อแก้ปัญหานี้ คุณมี 3 ทางเลือก การใช้ดิฟเฟอเรนเชียลโพรบโดยใช้ออสซิลโลสโคปแบบลอยตัว (ออสซิลโลสโคปส่วนใหญ่เป็นแบบอ้างอิงกราวด์) โดยใช้หม้อแปลงแยก 220V-220V หรือเพียงแค่ใช้หม้อแปลงสเต็ปดาวน์ราคาถูก เช่น 220V-6V หรือ 220V-12V … เป็นต้น. ในวิดีโอและรูปที่ 11 ฉันใช้วิธีสุดท้าย (หม้อแปลงสเต็ปดาวน์) เพื่อตรวจสอบเอาต์พุต

รูปที่ 14 แสดงหน่วยหรี่ไฟ AC แบบสมบูรณ์ ฉันเชื่อมต่อบอร์ดสองบอร์ดโดยใช้สายแบน 14 ทาง

ขั้นตอนที่ 12: รูปที่ 14 หน่วย Digital AC Dimmer ที่สมบูรณ์

รูปที่ 15 แสดงจุดตัดเป็นศูนย์และเวลาเปิด/ปิดของ Triac ดังที่เห็นได้ชัด ทั้งขอบขึ้น/ลงของชีพจรได้รับการพิจารณาว่าไม่ต้องเผชิญกับการสั่นไหวและความไม่เสถียรใดๆ

ขั้นตอนที่ 13: รูปที่ 15 จุดตัดเป็นศูนย์ (รูปคลื่นสีม่วง)

ขั้นตอนที่ 14: รายการวัสดุ

ควรใช้ตัวเก็บประจุที่มีพิกัด 630V สำหรับ C3 และ C4

ขั้นตอนที่ 15: การอ้างอิง

บทความ:

[1]: TLP521 เอกสารข้อมูลสินค้า:

[2]: BTA26 เอกสารข้อมูล:

[3]: AN437, ST Application Note:

[4]: MOC3021 เอกสารข้อมูล:

[5]: AMS1117-3.3 เอกสารข้อมูล:

[6]: STM32F030F4 เอกสารข้อมูลสินค้า:

[7]: Schematic Symbol และ PCB Footprint ของ TLP521:

[8]: Schematic Symbol and PCB Footprint of MOC3021:

[9]: Schematic Symbol และ PCB Footprint ของ BTA26-600:

[10]: Schematic Symbol และ PCB Footprint ของ AMS1117-3.3:

[11]: Schematic Symbol และ PCB Footprint ของ STM32F030F4:

[12]: ปลั๊กอิน CAD อิเล็กทรอนิกส์:

[13]: 2N7002 เอกสารข้อมูล:

[14]: Schematic Symbol และ PCB Footprint ของ 2N7002: