Gradateur CA numérique puissant utilisant STM32 : 15 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

Par Hesam Moshiri, [email protected]

Les charges AC vivent avec nous ! Parce qu'ils sont partout autour de nous et qu'au moins les appareils électroménagers sont alimentés par le secteur. De nombreux types d'équipements industriels sont également alimentés en 220V-AC monophasé. Par conséquent, nous sommes fréquemment confrontés à des situations où nous devons avoir un contrôle total (gradation) sur une charge CA, comme une lampe, un moteur CA, un aspirateur, une perceuse, etc. Nous devons savoir que contrôler une charge CA n'est pas aussi simple qu'une charge CC. Nous devons utiliser un circuit électronique et une stratégie différents. De plus, si un gradateur CA est conçu numériquement, il est considéré comme une application à temps critique, et le code du microcontrôleur doit être écrit avec soin et efficacité. Dans cet article, j'ai présenté un gradateur CA numérique isolé de 4000 W qui se compose de deux parties: la carte mère et le panneau. Le panneau de contrôle fournit deux boutons-poussoirs et un affichage à sept segments qui permet à l'utilisateur d'ajuster la tension de sortie en douceur.

Étape 1: Figure 1, Schéma de principe de la carte mère du gradateur AC

IC1, D1 et R2 sont utilisés pour détecter les points de passage par zéro. Les points de passage à zéro sont tout à fait essentiels pour un gradateur AC. IC1 [1] est un optocoupleur qui fournit une isolation galvanique. R1 est une résistance pullup qui réduit le bruit et nous permet de capturer tous les changements (fronts montants et descendants).

IC3 est un Triac de 25A de ST [2]. Ce courant nominal élevé nous permet d'atteindre facilement une puissance de variation de 4000W, cependant, la température du Triac doit être maintenue basse et aussi proche de la température de la pièce. Si vous avez l'intention de contrôler des charges de puissance élevée, n'oubliez pas de monter un gros dissipateur thermique ou d'utiliser un ventilateur pour refroidir le composant. Selon la fiche technique, ce Triac peut être utilisé dans une variété d'applications: « Les applications incluent la fonction ON/OFF dans des applications telles que les relais statiques, la régulation de chauffage, les circuits de démarrage de moteurs à induction, etc., régulateurs de vitesse de moteur et similaires ».

C3 et R6, R4 et C4 sont des amortisseurs. En termes simples, les circuits Snubber sont utilisés pour réduire le bruit, mais pour plus de lecture, veuillez considérer la note d'application AN437 de ST [3]. IC3 est un Triac sans amortisseur, cependant, j'ai décidé d'utiliser également des circuits d'amortisseur externes.

IC2 est un optoisolateur Triac [4] qui est utilisé pour contrôler l'IC3. Il permet également une isolation galvanique appropriée. R5 limite le courant de diode de l'IC2.

IC4 est le célèbre régulateur de tension AMS1117 3.3V [5] qui fournit l'alimentation pour les circuits de la partie numérique. C1 réduit le bruit d'entrée et C2 réduit le bruit de sortie. P1 est un connecteur XH mâle à 2 broches qui est utilisé pour connecter l'alimentation externe à l'appareil. Toute tension d'entrée de 5V à 9V est suffisante.

IC5 est le microcontrôleur STM32F030F4 et le cœur du circuit [6]. Il fournit toutes les instructions pour contrôler la charge. P2 est un connecteur mâle 2*2 qui fournit une interface pour programmer le microcontrôleur via le SWD.

R7 et R8 sont des résistances de rappel pour les boutons-poussoirs. Par conséquent, les broches d'entrée du bouton-poussoir du MCU sont programmées comme actives-bas. C8, C9 et C10 sont utilisés pour réduire le bruit selon la fiche technique du MCU. L1, C5, C6 et C7 réduisent le bruit d'alimentation, construisent également un filtre LC de premier ordre (Pi) pour fournir un filtrage plus fort pour le bruit d'entrée.

IDC1 est un connecteur IDC mâle 2*7 (14 broches) qui est utilisé pour établir une connexion correcte entre la carte mère et le panneau via un câble plat à 14 voies.

Disposition PCB [carte mère]

La figure 2 montre la disposition PCB de la carte mère. Il s'agit d'une conception de PCB à deux couches. Les composants de puissance sont traversants et les composants numériques sont SMD.

Étape 2: Figure 2, disposition du circuit imprimé de la carte mère du gradateur AC

Comme il est clair sur l'image, la carte est divisée en deux parties et isolée optiquement à l'aide de IC1 et IC2. J'ai aussi fait un trou d'isolement sur le PCB, sous IC2 et IC3. Les voies de transport de courant élevé ont été renforcées à l'aide des couches supérieure et inférieure et attachées à l'aide de Vias. IC3 a été placé au bord de la carte, il est donc plus facile de monter un dissipateur thermique. Vous ne devriez pas avoir de difficultés à souder les composants, à l'exception de IC5. Les broches sont fines et proches les unes des autres. Vous devez faire attention à ne pas faire de ponts de soudure entre les broches.

L'utilisation des bibliothèques de composants SamacSys classées industrielles pour TLP512 [7], MOC3021 [8], BTA26 [9], AMS1117 [10] et STM32F030F4 [11], a considérablement réduit mon temps de conception et évité d'éventuelles erreurs. Je ne peux pas imaginer combien de temps je perdais si j'avais l'intention de concevoir ces symboles schématiques et ces empreintes de circuits imprimés à partir de zéro. Pour utiliser les bibliothèques de composants Samacsys, vous pouvez soit utiliser un plugin pour votre logiciel de CAO préféré [12], soit télécharger les bibliothèques à partir du moteur de recherche de composants. Tous les services/bibliothèques de composants SamacSys sont gratuits. J'ai utilisé Altium Designer, j'ai donc préféré utiliser le plugin SamacSys Altium (Figure 3).

Étape 3: Figure 3, bibliothèques de composants sélectionnées du plugin SamacSys Altium

La figure 4 montre des vues 3D du haut et du bas de la carte. La figure 5 montre la carte mère assemblée depuis une vue de dessus et la figure 6 montre la carte mère assemblée depuis une vue de dessous. La majorité des composants sont soudés sur la couche supérieure. Quatre composants SMD sont soudés sur la couche inférieure. Dans la figure 6, l'écart d'isolation du PCB est clair.

Étape 4: Figure 4, vues 3D de la carte PCB

Étape 5: Figure 5/6, PCB de la carte mère assemblée (vue de dessus/vue de dessous)

Analyse de circuit [panneau] La figure 7 montre le diagramme schématique du panneau. SEG1 est un sept segments à cathode commune multiplexée à deux chiffres.

Étape 6: Figure 7, Schéma de principe du panneau du gradateur AC

Les résistances R1 à R7 limitent le courant aux LED à sept segments. IDC1 est un connecteur IDC mâle 7*2 (14 broches), donc un fil plat à 14 voies assure la connexion à la carte mère. SW1 et SW2 sont des boutons poussoirs tactiles. P1 et P2 sont des connecteurs mâles XH à 2 broches. Je les ai fournis aux utilisateurs qui ont l'intention d'utiliser des boutons-poussoirs externes au lieu de boutons-poussoirs tactiles embarqués.

Q1 et Q2 sont des MOSFET à canal N [13] qui sont utilisés pour activer/désactiver chaque partie des sept segments. R8 et R9 sont des résistances pull-down pour maintenir les broches de grille des MOSFET à un niveau bas, afin d'éviter un déclenchement indésirable des MOSFET.

Disposition PCB [panneau]

La figure 8 montre la disposition des circuits imprimés du panneau de distribution. Il s'agit d'une carte PCB à deux couches et tous les composants, à l'exception du connecteur IDC et des boutons-poussoirs tactiles, sont SMD.

Étape 7: Figure 8, disposition du circuit imprimé du panneau de distribution du gradateur CA

À l'exception des sept segments et des boutons poussoirs (si vous n'utilisez pas de boutons externes), d'autres composants sont soudés sur la couche inférieure. Le connecteur IDC est également soudé sur la couche inférieure.

De la même manière que la carte mère, j'ai utilisé les bibliothèques de composants industriels SamacSys (symbole schématique, empreinte PCB, modèle 3D) pour 2N7002 [14]. La figure 9 montre le plugin Altium et le composant sélectionné à installer dans le document Schematic.

Étape 8: Figure 9, Composant sélectionné (2N7002) à partir du plugin SamacSys Altium

La figure 10 montre des vues 3D du haut et du bas du panneau de distribution. La figure 11 montre une vue de dessus du panneau de distribution assemblé et la figure 12 montre une vue de dessous du panneau de distribution assemblé.

Étape 9: Figure 10, Vues 3D du haut et du bas du panneau de distribution

Étape 10: Figure 11/12, une vue de dessus/de dessous à partir du panneau de distribution assemblé

RésultatsLa figure 13 montre le schéma de câblage du gradateur AC. Si vous aviez l'intention de vérifier la forme d'onde de sortie à l'aide d'un oscilloscope, vous ne devez pas connecter le fil de terre de la sonde de votre oscilloscope à la sortie du gradateur ou nulle part sur le secteur.

Attention: Ne branchez jamais votre sonde d'oscilloscope directement sur le secteur. Le fil de terre de la sonde peut former une boucle fermée avec la borne secteur. Cela ferait exploser tout sur le chemin, y compris votre circuit, votre sonde, votre oscilloscope ou même vous-même

Étape 11: Figure 13, Schéma de câblage du gradateur AC

Pour surmonter ce problème, vous avez 3 options. Utiliser une sonde différentielle, utiliser un oscilloscope flottant (la majorité des oscilloscopes sont référencés à la masse), utiliser un transformateur d'isolement 220V-220V, ou tout simplement utiliser un transformateur abaisseur pas cher, type 220V-6V ou 220V-12V…etc Dans la vidéo et la figure 11, j'ai utilisé la dernière méthode (transformateur abaisseur) pour vérifier la sortie.

La figure 14 montre l'unité de gradation AC complète. J'ai connecté deux cartes à l'aide d'un fil plat à 14 voies.

Étape 12: Figure 14, une unité de gradation numérique AC complète

La figure 15 montre les points de passage à zéro et le temps ON/OFF du Triac. Comme il est clair, le front montant/descendant d'une impulsion a été considéré comme ne faisant pas face à un scintillement et à une instabilité.

Étape 13: Figure 15, points de passage à zéro (la forme d'onde violette)

Étape 14: Nomenclature

Il est préférable d'utiliser des condensateurs de 630 V pour C3 et C4.

Étape 15: Références

Article:

[1]: Fiche technique TLP521:

[2]: Fiche technique BTA26:

[3]: AN437, note d'application ST:

[4]: Fiche technique MOC3021:

[5]: Fiche technique AMS1117-3.3:

[6]: Fiche technique STM32F030F4:

[7]: Symbole schématique et empreinte PCB du TLP521:

[8]: Symbole schématique et empreinte PCB de MOC3021:

[9]: Symbole schématique et empreinte PCB de BTA26-600:

[10]: Symbole schématique et empreinte PCB de l'AMS1117-3.3:

[11]: Symbole schématique et empreinte PCB de STM32F030F4:

[12]: Plugins CAO électroniques:

[13]: Fiche technique 2N7002:

[14]: Symbole schématique et empreinte PCB de 2N7002: