Potente atenuador de CA digital con STM32: 15 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Por Hesam Moshiri, [email protected]

¡Cargas de CA viven con nosotros! Porque están en todas partes a nuestro alrededor y al menos los electrodomésticos se alimentan de la red eléctrica. Muchos tipos de equipos industriales también se alimentan con el 220V-AC monofásico. Por lo tanto, con frecuencia nos enfrentamos a situaciones en las que necesitamos tener un control total (atenuación) sobre una carga de CA, como una lámpara, un motor de CA, una aspiradora, un taladro, … etc. Debemos saber que controlar una carga de CA no es tan simple como una carga de CC. Tenemos que utilizar un circuito electrónico y una estrategia diferentes. Además, si un atenuador de CA está diseñado digitalmente, se considera una aplicación de tiempo crítico, y el código del microcontrolador debe escribirse de manera cuidadosa y eficiente. En este artículo, presenté un atenuador de CA digital aislado de 4000 W que consta de dos partes: la placa base y el panel. La placa del panel proporciona dos botones y una pantalla de siete segmentos que permite al usuario ajustar el voltaje de salida sin problemas.

Paso 1: Figura 1, diagrama esquemático de la placa base del atenuador de CA

IC1, D1 y R2 se utilizan para detectar puntos de cruce por cero. Los puntos de cruce por cero son bastante esenciales para un atenuador de CA. IC1 [1] es un optoacoplador que proporciona aislamiento galvánico. R1 es una resistencia pullup que reduce el ruido y nos permite capturar todos los cambios (tanto los flancos ascendentes como descendentes).

IC3 es un Triac con clasificación 25A de ST [2]. Esta alta corriente nominal nos permite alcanzar fácilmente una potencia de atenuación de 4000 W, sin embargo, la temperatura del Triac debe mantenerse baja y lo más cercana a la temperatura de la habitación. Si tiene la intención de controlar cargas de alta potencia, no olvide montar un disipador de calor grande o usar un ventilador para enfriar el componente. Según la hoja de datos, este Triac se puede utilizar en una variedad de aplicaciones: “Las aplicaciones incluyen la función ON / OFF en aplicaciones como relés estáticos, regulación de calefacción, circuitos de arranque de motores de inducción, etc., o para operación de control de fase en atenuadores de luz, controladores de velocidad de motor y similares”.

C3 y R6, R4 y C4 son amortiguadores. En pocas palabras, los circuitos amortiguadores se utilizan para reducir el ruido; sin embargo, para obtener más información, considere la nota de aplicación AN437 de ST [3]. IC3 es un Triac sin amortiguadores, sin embargo, decidí utilizar también circuitos amortiguadores externos.

IC2 es un optoaislador Triac [4] que se utiliza para controlar el IC3. También hace un adecuado aislamiento galvánico. R5 limita la corriente de diodo del IC2.

IC4 es el famoso regulador de voltaje AMS1117 de 3.3V [5] que proporciona energía para los circuitos de la parte digital. C1 reduce el ruido de entrada y C2 reduce el ruido de salida. P1 es un conector XH macho de 2 pines que se utiliza para conectar la alimentación externa al dispositivo. Cualquier voltaje de entrada de 5 V a 9 V es suficiente.

IC5 es el microcontrolador STM32F030F4 y el corazón del circuito [6]. Proporciona todas las instrucciones para controlar la carga. P2 es un encabezado macho 2 * 2 que proporciona una interfaz para programar el microcontrolador a través del SWD.

R7 y R8 son resistencias pullup para los botones. Por lo tanto, los pines de entrada del botón pulsador de la MCU están programados como activo bajo. C8, C9 y C10 se utilizan para reducir el ruido de acuerdo con la hoja de datos de la MCU. L1, C5, C6 y C7 reducen el ruido de suministro, también construyen un filtro LC de primer orden (Pi) para proporcionar un filtrado más fuerte para el ruido de entrada.

IDC1 es un conector IDC macho de 2 * 7 (14 pines) que se utiliza para realizar una conexión adecuada entre la placa base y la placa del panel a través de un cable plano de 14 vías.

Diseño de PCB [placa base]

La Figura 2 muestra el diseño de PCB de la placa base. Es un diseño de PCB de dos capas. Los componentes de potencia son de orificio pasante y los componentes digitales son SMD.

Paso 2: Figura 2, Disposición de la PCB de la placa base del atenuador de CA

Como se ve claramente en la imagen, la placa se divide en dos partes y se aísla ópticamente mediante IC1 e IC2. También hice un espacio de aislamiento en la PCB, bajo IC2 e IC3. Las vías de transporte de alta corriente se han reforzado utilizando las capas superior e inferior y se han amarrado con Vias. IC3 se ha colocado en el borde de la placa, por lo que es más fácil montar un disipador de calor. No debería tener dificultades para soldar los componentes a excepción de IC5. Los alfileres son delgados y están cerca unos de otros. Debe tener cuidado de no hacer puentes de soldadura entre los pines.

El uso de las bibliotecas de componentes SamacSys con clasificación industrial para TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] y STM32F030F4 [11], redujo significativamente el tiempo de diseño y evitó posibles errores. No puedo imaginar cuánto tiempo estaba perdiendo si tenía la intención de diseñar estos símbolos esquemáticos y huellas de PCB desde cero. Para utilizar las bibliotecas de componentes de Samacsys, puede utilizar un complemento para su software CAD favorito [12] o descargar las bibliotecas del motor de búsqueda de componentes. Todos los servicios / bibliotecas de componentes de SamacSys son gratuitos. Usé Altium Designer, por lo que preferí usar el complemento SamacSys Altium (Figura 3).

Paso 3: Figura 3, Bibliotecas de componentes seleccionadas del complemento SamacSys Altium

La Figura 4 muestra vistas 3D desde la parte superior e inferior del tablero. La figura 5 muestra el PCB de la placa principal ensamblada desde una vista superior y la figura 6 muestra el PCB de la placa principal ensamblada desde una vista inferior. La mayoría de los componentes están soldados en la capa superior. Cuatro componentes SMD están soldados en la capa inferior. En la figura 6, la brecha de aislamiento de la PCB es clara.

Paso 4: Figura 4, Vistas 3D desde la placa PCB

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

Análisis de circuitos [panel] La Figura 7 muestra el diagrama esquemático del panel. SEG1 es un segmento de siete segmentos de cátodo común multiplexado de dos dígitos.

Paso 6: Figura 7, Diagrama esquemático del panel del atenuador de CA

Las resistencias R1 a R7 limitan la corriente a los LED de siete segmentos. IDC1 es un conector IDC macho de 7 * 2 (14 pines), por lo que un cable plano de 14 vías proporciona la conexión a la placa base. SW1 y SW2 son botones táctiles. P1 y P2 son conectores macho XH de 2 pines. Los he proporcionado para los usuarios que tienen la intención de utilizar botones pulsadores de panel externo en lugar de botones táctiles integrados.

Q1 y Q2 son MOSFET de canal N [13] que se utilizan para encender / apagar cada parte de los siete segmentos. R8 y R9 son resistencias desplegables para mantener bajos los pines de la compuerta de los MOSFET, para evitar la activación no deseada de los MOSFET.

Diseño de PCB [panel]

La Figura 8 muestra el diseño de PCB del tablero. Es una placa PCB de dos capas y todos los componentes, excepto el conector IDC y los botones táctiles, son SMD.

Paso 7: Figura 8, Disposición de la PCB del tablero del atenuador de CA

Excepto por los botones de siete segmentos y pulsadores (si no usa botones externos), otros componentes están soldados en la capa inferior. El conector IDC también está soldado en la capa inferior.

Al igual que la placa base, utilicé las bibliotecas de componentes industriales SamacSys (símbolo esquemático, huella de PCB, modelo 3D) para 2N7002 [14]. La Figura 9 muestra el complemento Altium y el componente seleccionado que se instalará en el documento Esquemático.

Paso 8: Figura 9, Componente seleccionado (2N7002) del complemento SamacSys Altium

La Figura 10 muestra vistas 3D desde la parte superior e inferior del tablero. La figura 11 muestra una vista superior del tablero ensamblado y la figura 12 muestra una vista inferior del tablero ensamblado.

Paso 9: Figura 10, Vistas 3D desde la parte superior e inferior del tablero

Paso 10: Figura 11/12, una vista superior / inferior del tablero ensamblado

Resultados La Figura 13 muestra el diagrama de cableado del atenuador de CA. Si tenía la intención de verificar la forma de onda de salida con un osciloscopio, no debe conectar el cable de tierra de la sonda del osciloscopio a la salida del atenuador o en ninguna parte de la red.

Atención: Nunca conecte la sonda de su osciloscopio directamente a la red. El cable de tierra de la sonda puede formar un circuito cerrado con el terminal de red. ¡Volaría todo en el camino, incluido su circuito, sonda, osciloscopio o incluso usted mismo

Paso 11: Figura 13, Diagrama de cableado del atenuador de CA

Para superar este problema, tiene 3 opciones. Usando una sonda diferencial, usando un osciloscopio flotante (la mayoría de los osciloscopios están referenciados a tierra), usando un transformador de aislamiento 220V-220V, o simplemente use un transformador reductor económico, como 220V-6V o 220V-12V … etc. En el video y la figura 11, utilicé el último método (transformador reductor) para verificar la salida.

La Figura 14 muestra la unidad de atenuación de CA completa. He conectado dos placas con un cable plano de 14 vías.

Paso 12: Figura 14, una unidad de atenuación de CA digital completa

La Figura 15 muestra los puntos de cruce por cero y el tiempo de ENCENDIDO / APAGADO del Triac. Como está claro, se consideró que tanto el borde ascendente como el descendente de un pulso no enfrentaban ningún parpadeo e inestabilidad.

Paso 13: Figura 15, Puntos de cruce por cero (la forma de onda púrpura)

Paso 14: Lista de materiales

Es mejor utilizar condensadores de 630 V para C3 y C4.

Paso 15: referencias

Artículo:

[1]: Hoja de datos de TLP521:

[2]: Hoja de datos de BTA26:

[3]: AN437, Nota de aplicación ST:

[4]: Hoja de datos de MOC3021:

[5]: AMS1117-3.3 Hoja de datos:

[6]: STM32F030F4 Hoja de datos:

[7]: Símbolo esquemático y huella de PCB de TLP521:

[8]: Símbolo esquemático y huella de PCB de MOC3021:

[9]: Símbolo esquemático y huella de PCB de BTA26-600:

[10]: Símbolo esquemático y huella de PCB de AMS1117-3.3:

[11]: Símbolo esquemático y huella de PCB de STM32F030F4:

[12]: Complementos CAD electrónicos:

[13]: 2N7002 Hoja de datos:

[14]: Símbolo esquemático y huella de PCB de 2N7002: