Dimmer AC digital poderoso usando STM32: 15 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:34

Por Hesam Moshiri, [email protected]

Cargas de AC moram com a gente! Porque estão por toda a parte à nossa volta e, pelo menos, os electrodomésticos são alimentados com corrente. Muitos tipos de equipamentos industriais também são alimentados com 220V-CA monofásico. Portanto, frequentemente enfrentamos situações em que precisamos ter controle total (escurecimento) sobre uma carga CA, como uma lâmpada, um motor CA, um aspirador de pó, uma furadeira, … etc. Devemos saber que controlar uma carga CA não é tão simples quanto uma carga DC. Temos que usar um circuito eletrônico e uma estratégia diferente. Além disso, se um dimmer AC projetado digitalmente, é considerado um aplicativo crítico em termos de tempo, e o código do microcontrolador deve ser escrito com cuidado e eficiência. Neste artigo, apresentei um dimmer AC digital de 4000 W isolado que consiste em duas partes: a placa-mãe e o painel. A placa do painel fornece dois botões e um display de sete segmentos que permite ao usuário ajustar a tensão de saída suavemente.

Etapa 1: Figura 1, Diagrama Esquemático da Placa Principal do Dimmer AC

IC1, D1 e R2 são usados para detectar pontos de cruzamento zero. Os pontos de cruzamento zero são essenciais para um dimmer AC. IC1 [1] é um optoacoplador que fornece isolamento galvânico. R1 é um resistor pullup que reduz o ruído e nos permite capturar todas as mudanças (bordas de subida e descida).

IC3 é um Triac classificado como 25A da ST [2]. Esta classificação de alta corrente nos permite atingir facilmente a potência de escurecimento de 4000W, no entanto, a temperatura do Triac deve ser mantida baixa e o mais próxima da temperatura ambiente. Se você pretende controlar cargas de alta potência, não se esqueça de montar um grande dissipador de calor ou usar um ventilador para resfriar o componente. De acordo com a ficha técnica, este Triac pode ser usado em uma variedade de aplicações: “As aplicações incluem a função ON / OFF em aplicações como relés estáticos, regulagem de aquecimento, circuitos de partida de motor de indução, etc., ou para operação de controle de fase em dimmers de luz, controladores de velocidade do motor e semelhantes”.

C3 e R6, R4 e C4 são amortecedores. Em um termo simples, os circuitos de amortecimento são usados para reduzir o ruído, no entanto, para mais leitura, considere a nota de aplicação AN437 de ST [3]. IC3 é um Triac sem amortecimento, no entanto, decidi usar circuitos de amortecimento externos também.

IC2 é um optoisolador Triac [4] que é usado para controlar o IC3. Também faz o isolamento galvânico adequado. R5 limita a corrente do diodo do IC2.

IC4 é o famoso regulador de tensão de 3,3 V AMS1117 [5] que fornece a energia para os circuitos da parte digital. C1 reduz o ruído de entrada e C2 reduz o ruído de saída. P1 é um conector XH macho de 2 pinos usado para conectar a alimentação externa ao dispositivo. Qualquer tensão de entrada de 5 V a 9 V é suficiente.

IC5 é o microcontrolador STM32F030F4 e o coração do circuito [6]. Ele fornece todas as instruções para controlar a carga. P2 é um cabeçalho 2 * 2 macho que fornece uma interface para programar o microcontrolador por meio do SWD.

R7 e R8 são resistores pullup para os botões. Portanto, os pinos de entrada do botão de pressão do MCU são programados como ativo-baixo. C8, C9 e C10 são usados para reduzir o ruído de acordo com a folha de dados do MCU. L1, C5, C6 e C7 reduzem o ruído de alimentação, também constroem um filtro LC de primeira ordem (Pi) para fornecer uma filtragem mais forte para o ruído de entrada.

IDC1 é um conector IDC macho de 2 * 7 (14 pinos) que é usado para fazer uma conexão adequada entre a placa principal e a placa do painel por meio de um cabo plano de 14 vias.

Layout PCB [placa principal]

A Figura-2 mostra o layout do PCB da placa-mãe. É um projeto de PCB de duas camadas. Os componentes de energia são passantes e os componentes digitais são SMD.

Etapa 2: Figura 2, Layout PCB da placa-mãe do Dimmer AC

Como fica claro na imagem, a placa é dividida em duas partes e opticamente isolada usando IC1 e IC2. Eu também fiz uma lacuna de isolamento no PCB, sob IC2 e IC3. As faixas de transporte de alta corrente foram reforçadas usando as camadas superior e inferior e amarradas usando Vias. O IC3 foi colocado na borda da placa, então é mais fácil montar um dissipador de calor. Você não deve ter dificuldades com a soldagem dos componentes, exceto para o IC5. Os pinos são finos e próximos uns dos outros. Você deve ter cuidado para não fazer pontes de solda entre os pinos.

Usando as bibliotecas de componentes SamacSys com classificação industrial para TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] e STM32F030F4 [11], reduziu significativamente meu tempo de design e evitou possíveis erros. Não consigo imaginar quanto tempo estaria perdendo se pretendesse projetar esses símbolos esquemáticos e pegadas de PCB do zero. Para usar as bibliotecas de componentes Samacsys, você pode usar um plugin para seu software CAD favorito [12] ou baixar as bibliotecas do mecanismo de busca de componentes. Todos os serviços / bibliotecas de componentes da SamacSys são gratuitos. Usei o Altium Designer, então preferi usar o plugin SamacSys Altium (Figura 3).

Etapa 3: Figura 3, Bibliotecas de componentes selecionadas do plug-in SamacSys Altium

A Figura 4 mostra visualizações 3D da parte superior e inferior da placa. A Figura 5 mostra a placa principal PCB montada de uma vista superior e a figura 6 mostra a placa principal PCB montada de uma vista inferior. A maioria dos componentes é soldada na camada superior. Quatro componentes SMD são soldados na camada inferior. Na figura 6, a lacuna de isolamento do PCB é clara.

Etapa 4: Figura 4, visualizações 3D da placa PCB

Etapa 5: Figura 5/6, PCB da placa-mãe montada (vista superior / vista inferior)

Análise do circuito [painel] A Figura 7 mostra o diagrama esquemático do painel. SEG1 é um cátodo comum multiplexado de dois dígitos com sete segmentos.

Etapa 6: Figura 7, Diagrama Esquemático do Painel do Dimmer AC

Os resistores R1 a R7 limitam a corrente aos LEDs de sete segmentos. O IDC1 é um conector IDC macho de 7 * 2 (14 pinos), portanto, um fio plano de 14 vias fornece a conexão à placa-mãe. SW1 e SW2 são botões táteis. P1 e P2 são conectores XH macho de 2 pinos. Eu os forneci para os usuários que pretendem usar botões de pressão de painel externo em vez de botões de pressão táteis integrados.

Q1 e Q2 são MOSFETs de N-Channel [13] que são usados para ligar / desligar cada parte dos sete segmentos. R8 e R9 são resistores pull-down para manter os pinos de gate dos MOSFETs baixos, para evitar o disparo indesejado dos MOSFETs.

Layout PCB [painel]

A Figura 8 mostra o layout da PCB do painel. É uma placa de PCB de duas camadas e todos os componentes, exceto o conector IDC e os botões táteis, são SMD.

Etapa 7: Figura 8, Layout PCB do Painel do Dimmer AC

Exceto para os sete segmentos e botões (se você não usar botões externos), outros componentes são soldados na camada inferior. O conector IDC também é soldado na camada inferior.

Da mesma forma que a placa-mãe, usei as bibliotecas de componentes industriais SamacSys (símbolo esquemático, pegada de PCB, modelo 3D) para 2N7002 [14]. A Figura 9 mostra o plugin Altium e o componente selecionado para ser instalado no documento Esquemático.

Etapa 8: Figura 9, componente selecionado (2N7002) do plug-in SamacSys Altium

A Figura 10 mostra visualizações 3D da parte superior e inferior do painel. A Figura 11 mostra uma vista superior do painel montado e a figura 12 mostra uma vista inferior do painel montado.

Etapa 9: Figura 10, vistas 3D da parte superior e inferior do painel

Etapa 10: Figura 11/12, uma vista superior / inferior do painel montado

Resultados A Figura 13 mostra o diagrama de fiação do Dimmer AC. Se você pretendia verificar a forma de onda de saída usando um osciloscópio, não deve conectar o cabo de aterramento da ponta de prova do osciloscópio à saída do dimmer ou a nenhum lugar da rede elétrica.

Atenção: Nunca conecte a ponta de prova do osciloscópio diretamente à rede elétrica. O cabo de aterramento da sonda pode formar um circuito fechado com o terminal de alimentação. Isso explodiria tudo no caminho, incluindo seu circuito, ponta de prova, osciloscópio ou até você mesmo

Etapa 11: Figura 13, Diagrama de Fiação do Dimmer AC

Para superar esse problema, você tem 3 opções. Usando uma ponta de prova diferencial, usando um osciloscópio flutuante (a maioria dos osciloscópios são aterrados), usando um transformador de isolamento 220V-220V ou simplesmente usando um transformador abaixador barato, como 220V-6V ou 220V-12V … etc. No vídeo e na figura 11, usei o último método (transformador abaixador) para verificar a saída.

A Figura 14 mostra a unidade de dimmer AC completa. Eu conectei duas placas usando um fio plano de 14 vias.

Etapa 12: Figura 14, uma unidade digital AC Dimmer completa

A Figura 15 mostra os pontos de cruzamento zero e o tempo ON / OFF do Triac. Como está claro, ambas as bordas de subida / descida de um pulso foram consideradas como não enfrentando qualquer oscilação e instabilidade.

Etapa 13: Figura 15, pontos de cruzamento zero (a forma de onda roxa)

Etapa 14: Lista de materiais

É melhor usar capacitores de 630 V para C3 e C4.

Etapa 15: Referências

Artigo:

[1]: Folha de dados TLP521:

[2]: Folha de dados BTA26:

[3]: AN437, Nota de aplicação ST:

[4]: Folha de dados MOC3021:

[5]: Folha de dados AMS1117-3.3:

[6]: Folha de dados STM32F030F4:

[7]: Símbolo esquemático e pegada de PCB de TLP521:

[8]: Símbolo esquemático e pegada de PCB de MOC3021:

[9]: Símbolo esquemático e pegada PCB de BTA26-600:

[10]: Símbolo esquemático e pegada de PCB de AMS1117-3.3:

[11]: Símbolo esquemático e pegada de PCB de STM32F030F4:

[12]: Plugins CAD eletrônicos:

[13]: 2N7002 Folha de dados:

[14]: Símbolo esquemático e pegada de PCB de 2N7002: