Простой кнопочный диммер на STM32

Возникла необходимость изготовления диммера для тена. Существуют простейшие схемы управления из небольшого числа компонентов применимые для управления нагревателями, но они, на мой взгляд, имеют определенные недостатки. Фазовое управление относительно мощными нагревателями создает помехи в сети, искажает форму сетевого напряжения, простые конструкции регуляторов с переменными резисторами не обеспечивают плавность и равномерность регулировки выходной мощности при полном обороте потенциометров. Приведенная ниже конструкция диммера обеспечивает регулировку выходной мощности до 2 кВт с дискретностью один процент, индикацию сетевого напряжения и времени работы регулятора.

Ниже приведена схема регулятора

Входное напряжение подается на разъём X1. Резистор R1 выполняет роль предохранителя, а варистор RU1 защищает от бросков напряжения в сети. Диод VD3 это однополупериодный выпрямитель. Он применен для того, чтобы иметь общий ноль для схемы управления и для симистора. С8, С2, L3 образуют сетевой фильтр для сглаживания однополупериодных пульсаций. Понижающий источник бестрансформаторный, импульсный на микросхеме LNK304, понижающий входное напряжение до 5 вольт. Необходимость импульсного преобразователя обусловлена требованием питания подсветки дисплея и схемы управления током до 100 мА (для конденсаторного источника потребовался бы например большой конденсатор и был бы кпд стремящийся к 0). В микросхеме D2 lnk304 между выводами S и D выполнен полевой ключ, который вместе с силовым диодом D4 и дросселем L1 образуют классический понижающий импульсный преобразователь. Выходное напряжение подстраивается делителем напряжения на резисторах R2 и R3. C3, C4, C5 и L1 - выходной фильтр источника. Микросхема D1 понижающий линейный стабилизатор 3.3 вольта. Он необходим для питания микроконтроллера D3. Микроконтроллер применен STM32F030. Это самый распространенный и дешевый контроллер из F серии. К тому же, в нем есть 9 битный SPI которым можно управлять аппаратно дисплеями от телефонов NOKIA. На R11, R16, VD7 выполнен детектор 0. R15, R10, R9 - делитель для измерения сетевого напряжения. VT1 - усилитель для зуммера. Зуммер пищит когда сетевое напряжение поднимается выше 242 вольта. VT3, R18 - схема управления симистором. Резистором R8 подстраивается ток управления. Нагрузкой управляет симистор VS1. В данной схеме применен 4Q симистор BTA16-600CRG, так как управление происходит в 1 и 4 квадрантах. ЦепьС11 R19 необходима для уменьшения времени нарастания напряжения на симисторе и его защиты. Дисплей D4 от NOKIA1616. Разъём X2 для подключения нагрузки, X3 для подключения программатора ST-LINK.

Печатная плата выполнена в Altium Designer

Фото диммера в сборе

р

Плата диммера установлена в корпус от распределительной коробки 100x100x50 мм. Плата крепится 4 винтами М3, отверстия для которых в ней предусмотрены. Для удобства эксплуатации на тактовый кнопки одеты желтые декоративные колпачки. У кнопок выгнуты ножки, в печатной плате просверлены отверстия и кнопки запаяны с внутренней стороны. Это сделано для уменьшения зазора между корпусом и дисплеем. Для охлаждения симистора предусмотрен радиатор. Радиатор крепится к печатной плате двумя латунными втулками длинной 25 мм, отверстия для которых также в ней предусмотрены.

Программа для мк написана в среде Keil, проект Keil сгенерирован в CubeMX. Алгоритм программы: При старте опрашиваются кнопки + и -, при нажатии на кнопку старт отслеживается прерывание перехода через 0 по нарастанию сигнала ножкой 2 PF0. По прерыванию от PF0 открываем или закрываем симистор (в зависимости из установленной мощности) через 5 мс запускается ADC по таймеру и измеряет амплитудное значение сетевого напряжения, запускаем таймер на 10 мс. для управления вторым полупериодом сетевого напряжения. Все это повторяется 50 раз или 1 секунду.Таким образом в секунду, в зависимости от установленной мощности, пропускаем через симистор от 0 до 100 полупериодов сетевого напряжения. Считая периоды выводится время работы диммера ( 1 минута = 3000 периодов ). При нажатии кнопки стоп работа диммера приостанавливается и опрашиваются только кнопки + и -.

Ниже осциллограммы напряжение на нагрузке.

На диммере установлена 7% мощность на нагрузке и на осциллограмме видно соответственно 7 полуволн сетевого напряжения ( 3 положительные и 4 отрицательные)

Диммер испытывался на на утюг 1 кВт при 100 мощности для оценки перегревов (регулятор в утюге предварительно был отключен). Ниже термограмма после длительной работы. Вид сбоку радиатора.

Температура радиатора не более 30 градусов. Температура симистора около 50 градусов. Большой температурный переход (корпус симистора 50 градусов а радиатор 20) думаю обусловлен тем, что металлическая часть корпуса TO220 симистора BTA16-600CRG изолированна от выводов внутри через керамическую подложку. Это позволяет его устанавливать на любую металлическую поверхность. Предохранитель имеет температуру  50 градусов, а при повышении нагрузки его температура повышается.

В процессе изготовления в схему вкралась ошибка, конденсатор С9 должен подключаться к ножке S шим контроллера а не к GND. На фотографии видна доработка.

Данный диммер подходит только для нагревательных устройств, обладающих инертностью нагрева и остывания. При подключении на выход диммера ламп накаливания вместо изменения яркости будут видны пульсации света с частотой 1 Гц.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Altium Designer
• STM32
• Диммер
• Микроконтроллер