Dimmer AC Digital Kuat Menggunakan STM32: 15 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:53

Oleh Hesam Moshiri, [email protected]

Beban AC tinggal bersama kami! Karena mereka ada di mana-mana di sekitar kita dan setidaknya peralatan rumah tangga disuplai dengan daya listrik. Banyak jenis peralatan industri juga ditenagai dengan 220V-AC fase tunggal. Oleh karena itu, kita sering menghadapi situasi di mana kita perlu memiliki kontrol penuh (peredupan) atas beban AC, seperti lampu, motor AC, penyedot debu, bor, … dll. Kita harus tahu bahwa mengendalikan beban AC tidak sederhana seperti beban DC. Kami harus menggunakan sirkuit dan strategi elektronik yang berbeda. Selain itu, jika peredup AC dirancang secara digital, ini dianggap sebagai aplikasi yang sangat kritis terhadap waktu, dan kode mikrokontroler harus ditulis dengan hati-hati dan efisien. Dalam artikel ini, saya memperkenalkan dimmer AC digital 4000W terisolasi yang terdiri dari dua bagian: mainboard dan panel. Papan panel menyediakan dua tombol tekan dan tampilan tujuh segmen yang memungkinkan pengguna untuk menyesuaikan tegangan output dengan lancar.

Langkah 1: Gambar 1, Diagram Skema Mainboard AC Dimmer

IC1, D1, dan R2 digunakan untuk mendeteksi titik zero-crossing. Titik persimpangan nol cukup penting untuk peredup AC. IC1 [1] adalah optocoupler yang menyediakan isolasi galvanik. R1 adalah resistor pullup yang mengurangi kebisingan dan memungkinkan kita untuk menangkap semua perubahan (baik naik dan turun tepi).

IC3 adalah Triac berperingkat 25A dari ST [2]. Peringkat arus tinggi ini memungkinkan kita untuk dengan mudah mencapai daya peredupan 4000W, namun, suhu Triac harus dijaga tetap rendah dan sedekat mungkin dengan suhu ruangan. Jika Anda ingin mengontrol beban daya tinggi, jangan lupa untuk memasang heatsink besar atau menggunakan Kipas untuk mendinginkan komponen. Menurut datasheet, Triac ini dapat digunakan dalam berbagai aplikasi: “Aplikasi termasuk fungsi ON/OFF dalam aplikasi seperti relai statis, regulasi pemanas, sirkuit start motor induksi, dll., atau untuk operasi kontrol fasa dalam peredup cahaya, pengatur kecepatan motor, dan sejenisnya”.

C3 dan R6, R4 dan C4 adalah snubber. Dalam istilah sederhana, sirkuit Snubber digunakan untuk mengurangi kebisingan, namun untuk membaca lebih lanjut, silakan pertimbangkan catatan aplikasi AN437 dari ST [3]. IC3 adalah Triac tanpa snubber, namun, saya memutuskan untuk menggunakan sirkuit snubber eksternal juga.

IC2 merupakan optoisolator Triac [4] yang digunakan untuk mengontrol IC3. Itu juga membuat isolasi galvanik yang tepat. R5 membatasi arus dioda IC2.

IC4 adalah regulator tegangan AMS1117 3.3V yang terkenal [5] yang menyediakan daya untuk rangkaian bagian digital. C1 mengurangi kebisingan input dan C2 mengurangi kebisingan output. P1 adalah konektor XH laki-laki 2 pin yang digunakan untuk menghubungkan daya eksternal ke perangkat. Tegangan input apa pun dari 5V hingga 9V sudah cukup.

IC5 adalah mikrokontroler STM32F030F4 dan jantung dari rangkaian [6]. Ini menyediakan semua instruksi untuk mengontrol beban. P2 adalah header jantan 2*2 yang menyediakan antarmuka untuk memprogram mikrokontroler melalui SWD.

R7 dan R8 adalah resistor pullup untuk tombol tekan. Oleh karena itu, pin input tombol tekan MCU diprogram sebagai aktif-rendah. C8, C9, dan C10 digunakan untuk mengurangi noise sesuai dengan datasheet MCU. L1, C5, C6, dan C7 mengurangi kebisingan pasokan, juga membangun filter LC (Pi) orde pertama untuk memberikan penyaringan yang lebih kuat untuk kebisingan input.

IDC1 adalah konektor IDC jantan 2*7 (14 pin) yang digunakan untuk membuat sambungan yang benar antara papan utama dan papan panel melalui kabel datar 14 arah.

Tata Letak PCB [mainboard]

Gambar-2 menunjukkan layout PCB dari mainboard. Ini adalah desain PCB dua lapis. Komponen daya adalah melalui lubang dan komponen digital SMD.

Langkah 2: Gambar 2, Tata Letak PCB dari Mainboard AC Dimmer

Seperti yang terlihat pada gambar, papan dibagi menjadi dua bagian dan diisolasi secara optik menggunakan IC1 dan IC2. Saya juga membuat celah isolasi pada PCB, di bawah IC2 dan IC3. Jalur pembawa arus tinggi telah diperkuat menggunakan lapisan atas dan bawah dan diikat menggunakan Vias. IC3 telah ditempatkan di tepi papan, sehingga lebih mudah untuk memasang heatsink. Anda seharusnya tidak mengalami kesulitan dengan menyolder komponen kecuali untuk IC5. Pin tipis dan dekat satu sama lain. Anda harus berhati-hati untuk tidak membuat jembatan solder di antara pin.

Menggunakan perpustakaan komponen SamacSys berperingkat industri untuk TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10], dan STM32F030F4 [11], secara signifikan mengurangi waktu desain saya dan mencegah kemungkinan kesalahan. Saya tidak dapat membayangkan berapa banyak waktu yang saya buang jika saya berniat untuk mendesain simbol skematik dan jejak PCB ini dari awal. Untuk menggunakan pustaka komponen Samacsys, Anda dapat menggunakan plugin untuk perangkat lunak CAD favorit Anda [12] atau mengunduh pustaka dari mesin pencari komponen. Semua perpustakaan layanan/komponen SamacSys gratis. Saya menggunakan Altium Designer, Jadi saya lebih suka menggunakan plugin Altium SamacSys (Gambar 3).

Langkah 3: Gambar 3, Pustaka Komponen yang Dipilih Dari SamacSys Altium Plugin

Gambar 4 menunjukkan tampilan 3D dari atas dan bawah papan. Gambar 5 menunjukkan PCB mainboard rakitan dari tampilan atas dan gambar 6 menunjukkan PCB mainboard rakitan dari tampilan bawah. Sebagian besar komponen disolder di lapisan atas. Empat komponen SMD disolder di lapisan bawah. Pada gambar-6, celah isolasi PCB jelas.

Langkah 4: Gambar 4, Tampilan 3D Dari Papan PCB

Langkah 5: Gambar 5/6, PCB Mainboard Rakitan (Tampilan Atas/Tampilan Bawah)

Analisis Sirkuit [panel] Gambar 7 menunjukkan diagram skematik panel. SEG1 adalah tujuh segmen katoda umum multipleks dua digit.

Langkah 6: Gambar 7, Diagram Skema Panel Peredup AC

Resistor R1 hingga R7 membatasi arus ke LED tujuh segmen. IDC1 adalah konektor IDC jantan 7*2 (14 pin), jadi kabel datar 14 arah menyediakan koneksi ke mainboard. SW1 dan SW2 adalah tombol tekan taktil. P1 dan P2 adalah konektor laki-laki XH 2-pin. Saya telah menyediakannya untuk pengguna yang berniat menggunakan tombol tekan panel eksternal alih-alih tombol tekan taktil onboard.

Q1 dan Q2 adalah N-Channel MOSFET [13] yang digunakan untuk ON/OFF setiap bagian dari seven-segment. R8 dan R9 adalah resistor pull-down untuk menahan pin gerbang MOSFET rendah, untuk mencegah pemicu MOSFET yang tidak diinginkan.

Tata Letak PCB [panel]

Gambar 8 menunjukkan layout PCB papan panel. Ini adalah papan PCB dua lapis dan semua komponen kecuali konektor IDC dan tombol tekan taktil adalah SMD.

Langkah 7: Gambar 8, Tata Letak PCB dari Panelboard AC Dimmer

Kecuali untuk tujuh segmen dan tombol tekan (jika Anda tidak menggunakan tombol eksternal), komponen lain disolder di lapisan bawah. Konektor IDC juga disolder pada lapisan bawah.

Sama seperti mainboard, saya menggunakan perpustakaan komponen industri SamacSys (simbol skema, jejak PCB, model 3D) untuk 2N7002 [14]. Gambar 9 menunjukkan plugin Altium dan komponen yang dipilih untuk diinstal dalam dokumen Skema.

Langkah 8: Gambar 9, Komponen yang Dipilih (2N7002) Dari Plugin SamacSys Altium

Gambar 10 menunjukkan tampilan 3D dari atas dan bawah papan panel. Gambar 11 menunjukkan tampak atas dari papan panel rakitan dan Gambar 12 menunjukkan tampak bawah dari papan panel rakitan.

Langkah 9: Gambar 10, Tampilan 3D Dari Atas dan Bawah Papan Panel

Langkah 10: Gambar 11/12, Tampilan Atas/Bawah Dari Papan Panel Rakitan

Hasil Gambar 13 menunjukkan diagram pengkabelan AC Dimmer. Jika Anda bermaksud untuk memeriksa bentuk gelombang keluaran menggunakan osiloskop, Anda tidak boleh menghubungkan kabel ground probe osiloskop Anda ke keluaran peredup atau tidak terhubung ke sumber listrik.

Perhatian: Jangan pernah menghubungkan probe osiloskop Anda langsung ke listrik. Kabel ground probe dapat membuat loop tertutup dengan terminal listrik. Itu akan meledakkan semua yang ada di jalurnya, termasuk sirkuit, probe, osiloskop, atau bahkan diri Anda sendiri

Langkah 11: Gambar 13, Diagram Pengkabelan Peredup AC

Untuk mengatasi masalah ini, Anda memiliki 3 opsi. Menggunakan probe diferensial, menggunakan osiloskop mengambang (mayoritas osiloskop direferensikan ke ground), menggunakan transformator isolasi 220V-220V, atau cukup menggunakan transformator step-down yang murah, seperti 220V-6V atau 220V-12V … dll Dalam video dan gambar-11, saya menggunakan metode terakhir (transformator step-down) untuk memeriksa output.

Gambar 14 menunjukkan unit peredup AC lengkap. Saya telah menghubungkan dua papan menggunakan kabel datar 14 arah.

Langkah 12: Gambar 14, Unit Dimmer AC Digital Lengkap

Gambar 15 menunjukkan titik zero-crossing dan waktu ON/OFF Triac. Seperti yang sudah jelas, baik sisi naik/turunnya pulsa dianggap tidak menghadapi kedipan dan ketidakstabilan.

Langkah 13: Gambar 15, Zero Crossing Points (Bentuk Gelombang Ungu)

Langkah 14: Daftar Bahan

Lebih baik menggunakan kapasitor pengenal 630V untuk C3 dan C4.

Langkah 15: Referensi

Artikel:

[1]: Lembar Data TLP521:

[2]: Lembar Data BTA26:

[3]: AN437, ST Catatan Aplikasi:

[4]: Lembar Data MOC3021:

[5]: AMS1117-3.3 Lembar Data:

[6]: Lembar Data STM32F030F4:

[7]: Simbol Skema dan Jejak PCB TLP521:

[8]: Simbol Skema dan Jejak PCB MOC3021:

[9]: Simbol Skema dan Jejak PCB BTA26-600:

[10]: Simbol Skema dan Jejak PCB AMS1117-3.3:

[11]: Simbol Skema dan Jejak PCB STM32F030F4:

[12]: Plugin CAD Elektronik:

[13]: 2N7002 Lembar Data:

[14]: Simbol Skema dan Jejak PCB 2N7002: