В настоящее время двигатели постоянного тока нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Двигатели постоянного тока используются там, где требуется плавное и точное регулирование скорости и вращающего момента в широких пределах.
В этой статье я расскажу о создании блока управления для двигателя постоянного тока, который позволял бы изменять частоту вращения вала двигателя и стабилизировал обороты на определенном уровне, вне зависимости от нагрузки на валу двигателя. В основе разработки положен принцип работы следящего привода с одноконтурной системой регулирования.
Блок управления состоит из следующих узлов: — СИФУ (Система Импульсно — Фазового Управления) — Регулятор — Защита Принципиальная схема привода приведена ниже.
Крупнее Рассмотрим схему поподробнее. Итак, СИФУ (Система Импульсно — Фазового Управления) — преобразует синусоидальное напряжение сети в серию прямоугольных импульсов, идущих на управляющие электроды силовых тиристоров. При включении блока управления переменное напряжение величиной 14-16в поступает на мостовой выпрямитель D1, где преобразуется в пульсирующее напряжение, служащее не только для питания схемы, но и для синхронизации работы привода. Диод D2 препятствует сглаживанию импульсов конденсатором С1. Далее импульсы поступают на «детектор нуля» — DA1.1, собранного на одном ОУ микросхемы LM324, работающего в режиме компаратора. Пока нет импульса, напряжения на прямом и инверсном входах примерно равны и компаратор находиться в сбалансированном состоянии. При прохождении фазы через «0», на инверсном входе компаратора DA1.1 играющего роль «детектора нуля» появляются импульсы, переключающие компаратор, в результате чего на выходе DA1.1 вырабатываются прямоугольные синхроимпульсы, период следования которых жестко привязан к похождению фазы через «0». Ниже представлены осциллограммы, поясняющие принцип работы. 
Сверху вниз: КТ1, КТ2, КТ3.
Схема была просимулированна в программе Multisim 11. Вот файл проекта. Можно скачать, запустить и посмотреть как работает данный узел.
Далее синхроимпульсы поступают на интегратор с транзисторным ключом (С4, Q1), где и вырабатывается пилообразное напряжение. В момент прохождения фазы через «0» синхроимпульс открывает транзистор Q1, который разряжает конденсатор С4. После спада импульса транзистор закрывается и происходит заряд конденсатора до прихода следующего синхроимпульса, в результате чего на коллекторе Q1 (осцил. КТ4). формируется линейно нарастающее пилообразное напряжение, стабилизированное генератором стабильного тока выполненного на полевом транзисторе T1. Амплитуда „пилы“ равное 9в выставляется подстроечным резистором RP1. Напряжение „пилы“ поступает на прямой вход компаратора DA1.2. Напряжение задания поступает на инверсный вход компаратора DA1.2 и в момент, когда пилообразное напряжение превышает величину напряжения на инверсном входе компаратора, компаратор переключиться и на выходе компаратора формируется импульс (осцил. КТ4). Импульс дифференцируется через цепочку R14, C6 и поступает на базу транзистора Q2. Транзистор открывается и на импульсном трансформаторе Tr1 формируются импульсы открытия силовых тиристоров. Увеличивая (уменьшая) напряжение задания, меняется скважность импульсов в КТ5. Вот осциллограммы. 
Но никаких импульсов в КТ5 мы не увидим до тех пор, пока не нажмем кнопку „Пуск“ — S1. Когда кнопка не нажата, напряжение питания +12в через нормально замкнутые контакты S1 по цепочке R12, D3 поступает на инверсный вход DA1.2 и равно около 11в. Так как это напряжение превышает напряжение „пилы“ равное 9в, компаратор запирается, и управляющие импульсы открытия тиристоров не формируются. Для предотвращения аварии и выхода из строя двигателя, в случае если оператор не вывел на «0» регулятор оборотов, в схеме предусмотрен узел разгона C5, R13 служащий для плавного разгона двигателя. В режиме «Пуск», схема работает следующим образом: при нажатии кнопки «Пуск» нормально закрытые контакты размыкаются и конденсатор С5 по цепочке — «земля», R13, — С5 начинает плавно заряжаться и напряжение на отрицательной обкладке конденсатора плавно стремиться к нулю. Одновременно, напряжение на инвертирующем входе DA1.2 плавно возрастает до величины, определяемой напряжением задания, и компаратор начинает вырабатывать управляющие импульсы силовых тиристоров. Время заряда определяется номиналами C5, R13. Если в процессе работы двигателя необходимо изменить его обороты, чтобы избежать резких бросков оборотов — в схеме предусмотрен узел «разгона — торможения» R21, C8, R22. При увеличении (уменьшении) напряжения задания, конденсатор С8 плавно заряжается (разряжается) что предотвращает резкий «наброс» напряжения на инверсном входе усилителя и как следствие предотвращает резкий бросок оборотов двигателя.
Теперь рассмотрим принцип работы регулятора оборотов.
Регулятор предназначен для поддержания постоянных оборотов двигателя в зоне регули-рования. Регулятор представляет собой дифференциальный усилитель с суммированием двух напряжений: напряжения задания и напряжения обратной связи. Напряжение задания задается резистором RP1 и поступает через фильтр R20, C8, R21, выполняющий одновременно функции узла «разгона — торможения», поступает на инверсный вход регулятора ОУ DA1.3. При увеличении напряжения задания на выходе ОУ DA1.3 линейно уменьшается выходное напряжение. Выходное напряжение регулятора поступает на инверсный вход компаратора СИФУ DA1.2 где, суммируясь с импульсами пилообразного напряжения, преобразуется в серию прямоугольных импульсов идущих на управляющие электроды тиристоров. При увеличении (уменьшении) напряжения задания увеличивается (уменьшается) и выходное напряжение на выходе силового блока. На этом графике представлена зависимость оборотов двигателя от напряжения задания.
Значения оборотов двигателя даны для примера. Делитель напряжения R22, R23 включенный на прямой вход регулятора DA1.3 служит для предотвращения аварии двигателя при обрыве обратной связи (при обрыве обратной связи двигатель идет в разнос). При включении привода, тахогенератор начинает вырабатывать напряжение, пропорциональное оборотам двигателя. Это напряжение поступает на вход прецизионного детектора DA1.4, DA2.1 собранного по двухполупериодной схеме. Напряжение, снимаемое с выхода точного детектора DA1.4, DA2.1, поступает через фильтр C10, R30, R33 на масштабирующий усилитель обратной связи DA2.2. Усилитель служит для подгонки напряжения обратной связи поступающего с тахогенератора. Напряжение с выхода ОУ DA2.2. поступает как на вход регулятора DA1.3 так и на схему защиты DA2.3. Резистором RP1 задаются обороты двигателя. При работе двигателя без нагрузки, напряжение на выходе масштабирующего усилителя ниже напряжения на выводе 6 ОУ DA1.3. ≈ +5v, поэтому привод работает как регулятор. При увеличении нагрузки на валу двигателя, уменьшается напряжение, получаемое с тахогенератора и как следствие уменьшение напряжения с выхода, масштабирующего усилителя. Когда это напряжение будет меньше напряжение на выводе 5 ОУ DA1.3 привод входит в зону стабилизации тока. Уменьшение напряжения на неинвертирующем входе ОУ DA1.3 приводит к уменьшению напряжения на его выходе, а так как он работает на инвертирующий усилитель DA1.2, это приводит к большему углу открытия тиристоров и, следовательно, к увеличению напряжения на якоре двигателя.
СХЕМА ЗАЩИТЫ
Защита от превышения оборотов предназначена для защиты двигателя от аварии, в случае резкого превышения установленных оборотов двигателя. Схема собрана на ОУ DА2.3, включенного по схеме компаратора. На инверсный вход компаратора подается опорное напряжение с делителя R36, R37, RP3. Резистором RP3 устанавливается порог срабатывания защиты. Напряжение с выхода масштабирующего усилителя DA2.2 поступает на прямой вход компаратора защиты DA2.3. При превышении оборотов двигателя выше номинальных, напряжение на прямом входе компаратора превышает порог уставки защиты, определяемой RP3 — компаратор переключиться. Благодаря наличию в схеме положительной обратной связи R38 приводит к «за-щелкиванию» компаратора, а наличие диода VD12 препятствует сбросу компаратора. При срабатывании защиты, напряжение с выхода компаратора защиты (≈ +11v) через диод VD14 поступает на инверсный вход 13 DA1.2 СИФУ, а так как напряжение защиты превышает напряжение «пилы» (= 9v) — происходит мгновенный запрет выдачи управляющих импульсов на управляющие электроды тиристоров. Напряжение с выхода компаратора защиты DA2.3 открывает транзистор VT4, что приводит к срабатыванию реле Р1.1 и зажиганию светодиода VL1 сигнализирующего об аварийной ситуации. Снять защиту можно, только полностью обесточив привод, и, выдержав паузу 5 — 10 секунд вновь включив его. Силовая часть блока управления. Схема силовой части представлена ниже
Трансформатор Tr1 предназначен для питания схемы блока управления. Управляемый выпрямитель собран по полумостовой симметричной схеме и содержит два силовых диода D1,D2 и два силовых тиристора Т1, Т2, и защитный диод D3. Обмотка возбуждения питается от своего отдельного трансформатора и выпрямителя. Если на двигателе отсутствует тахогенератор, то обратную связь, для контроля оборотов, можно выполнить следующим образом: 1. Применить трансформатор тока, включенный в цепь питания управляемого выпрямителя
Если используется трансформатор тока, то перемычку P1 на схеме блока управления поставить в положение 1-3, это необходимо потому, что при увеличении нагрузки ток якоря будет увеличиваться, следовательно напряжение, снимаемое с трансформатора тока тоже будет увеличиваться, поэтому напряжение обратной связи необходимо подавать на инвертирующий вывод микросхемы DA1.3. Так же можно поставить стандартный токовый шунт, но только в цепь якоря двигателя, после выпрямителя и снимать сигнал обратной связи с него. 2. Использовать датчик якорного напряжения. Схема приведена ниже.
Датчик якорного напряжения представляет собой фильтр – делитель и подключается непосредственно к клеммам якоря электродвигателя. Настройка привода производиться следующим образом. Резисторы “Задание” и “Масштабирование Uoc” выставляется в среднее положение. Резистор R5 датчика якорного напряжения выводиться в нижнее к “земле” положение. Включаем привод и выставляем напряжение на якоре двигателя примерно 110 вольт. Контролируя напряжение на якоре двигателя, начинаем вращать резистор R5. В определенный момент регулирования напряжение на якоре начнет снижаться, это свидетельствует о том, что начала работать обратная связь.
Теперь перейдем к конструкции и наладке блока управления.
Блок управления был выполнен на печатной плате (файл печатной платы)
Плата проводом МГТФ соединена с разъемом, для удобства демонтажа при ремонте.
Настройка
На время настройки была собрана силовая часть навесным монтажем, в качестве нагрузки была использована обычная лампа накаливания.
Наладку начинаем с проверки напряжений питания и напряжения питания на операционных усилителях DA1, DA2. Микросхемы желательно ставить в панельки. Потом контролируем осциллограммы в контрольных точках КТ1, КТ2, КТ3 (осциллограммы в этих точках приведены в начале описания СИФУ). Теперь, осциллограф ставим в контрольную точку КТ4. Должны быть пилообразные импульсы, как на осиллограмме выше (кнопка «Пуск» в этот момент должна быть разомкнута). Подстроечным резистором RP1 необходимо выставить размах «пилы» равным 9 вольт, это очень важный момент, так как от него зависит дальнейшая работа схемы. Так как разброс параметров полевых транзисторов бывает весьма значительный, возможно диапазона регулировки RP1 может не хватить, тогда подбором номинала резистора R10 добиться нужного размаха. В контрольной точке КТ3 длительность импульса должна быть 1.5 — 1.8ms, если нет, то подбором резистора R4 (в сторону уменьшения) добиться необходимой длительности. Вращая регулятор RR1 в контрольной точке КТ5 проконтролировать изменение скважности импульсов от максимума до полного их исчезновения при нижнем положении движка RR1. При этом должна изменятся яркость лампочки подключенной к силовому блоку. Далее подключаем блок управления к двигателю и тахогенератору. Выставляем регулятором RR1 напряжение на якоре около 40-50 вольт. Резистор RP3 должен быть установлен в среднее положение. Контролируя напряжение на якоре двигателя, начинаем вращать резистор RP3. В определенный момент регулирования напряжение на якоре начнет снижаться, это свидетельствует о том, что начала работать обратная связь. Для желающих поэкспериментировать: для увеличения жесткости привода можно также увеличить сопротивление R24, увеличив тем самым коэффициент усиления регулятора либо увеличить резистор R32.
Если используется обратная связь по току якоря двигателя.
Для этого, как говорилось выше, необходим трансформатор тока, включенный в цепь питания управляемого выпрямителя. Схема калибровки трансформатора тока дана ниже. Подбором резистора получить на выходе трансформатора переменное напряжение ≈ 2 ÷ 2.5v. Мощность нагрузки RN1 должна соответствовать мощности двигателя. Внимание! Трансформатор тока без нагрузочного резистора не включать. Подключаем трансформатор тока к цепи обратной связи P1 и P2. На время настройки «Регулятора» желательно выпаять диод D12, чтобы исключить ложное срабатывание защиты. Осциллограммы в контрольных точках КТ8, КТ9, КТ10 должны быть как на рисунке ниже.
- Если используется обратная связь по напряжению якоря двигателя.
- Схемы и перечень элементов
Дальнейшая настройка такая же как и в случае с использования тахогенератора. Как отмечалось выше, можно применить обратную связь по якорному напряжению, для этого собирается датчик якорного напряжения. Настройка блока управления производиться следующим образом. Резисторы “Задание” и “Масштабирование Uoc” выставляется в среднее положение. Резистор R5 датчика якорного напряжения выводиться в нижнее к “земле” положение. Включаем привод и выставляем напряжение на якоре двигателя примерно 110 вольт. Контролируя напряжение на якоре двигателя, начинаем вращать резистор R5. В определенный момент регулирования напряжение на якоре начнет снижаться, это свидетельствует о том, что начала работать обратная связь. Данный блок управления изготавливался для расточного станка. Вот фото этого монстра На этом станке вышел из строя электромашинный усилитель, который и управлял двигателем постоянного тока перемещения стола. Вот такой электромашинный усилитель. Заместо него и делался данный блок управления. Вот фото самого двигателя постоянного тока. Блок управления был собран на изоляциоонном основани, где размещены все основные элементы. Силовые диоды и тиристоры установлены на теплоотводы. Так же была сделана панель с разъемами, куда были выведены сигналы с контрольных точек схемы. Это делалось для удобство настройки и ремонта непосредственно на станке. Вот смонтированный блок управления в силовом шкафу станка На другой стороне силового шкафа был установлен маленький пульт управления. На нем расположены: -тумблер включения блока -тумблер режима работы. Так как для установочных перемещений стола станка, точный контроль и стабилизация оборотов не нужны, то на это время цепь обратной связи шунтируется. -ручки регулировки количества оборотов. Было поставлено два переменных резистора, один для грубой регулировки, второй — многооборотный — для точной установки нужных оборотов при черновой и чистовой расточке детали. Кому интересно, ниже представлено видео работы станка. Сперва, показывается расточка отверстия в стальной плите толщиной 20мм. Потом показывается с какой частотой вращается винт подачи стола станка. С этой скорость подается деталь на резец, а такую частоту вращения подающего винта обеспечивает двигатель постоянного тока, для которого, собственно, все это и делалось. Блок управления показал себя хорошо, сбоев и аварий не было. Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.
Управление двигателями постоянного тока. Часть 1
- Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2014
- Владимир Рентюк, Запорожье, Украина
- В статье дается краткий обзор и анализ популярных схем, предназначенных для управления коллекторными двигателями постоянного тока, а также предлагаются оригинальные и малоизвестные схемотехнические решения
Электродвигатели являются, наверное, одним из самых массовых изделий электротехники. Как говорит нам всезнающая Википедия, электрический двигатель – электрическая машина (электромеханический преобразователь), в которой электрическая энергия преобразуется в механическую. Началом его истории можно считать открытие, которое сделал Майкл Фарадей в далеком 1821 году, установив возможность вращения проводника в магнитном поле. Но первый более-менее практический электродвигатель с вращающимся ротором ждал своего изобретения до 1834 года. Его во время работы в Кёнигсберге изобрел Мориц Герман фон Якоби, более известный у нас как Борис Семенович. Электродвигатели характеризуют два основных параметра – это скорость вращения вала (ротора) и момент вращения, развиваемый на валу. В общем плане оба этих параметра зависят от напряжения, подаваемого на двигатель и тока в его обмотках. В настоящее время имеется достаточно много разновидностей электродвигателей, и поскольку, как заметил наш известный литературный персонаж Козьма Прутков, нельзя объять необъятное, остановимся на рассмотрении особенностей управления двигателями постоянного тока (далее электродвигателями).
К двигателям постоянного тока относятся два типа – это привычные для нас коллекторные двигатели и бесколлекторные (шаговые) двигатели. В первых переменное магнитное поле, обеспечивающее вращение вала двигателя, образуется обмотками ротора, которые запитываются через щеточный коммутатор – коллектор. Оно и взаимодействует с постоянным магнитным полем статора, вращая ротор.
Для работы таких двигателей внешние коммутаторы не требуются, их роль выполняет коллектор. Статор может быть изготовлен как из системы постоянных магнитов, так и из электромагнитов. Во втором типе электродвигателей обмотки образуют неподвижную часть двигателя (статор), а ротор сделан из постоянных магнитов.
Здесь переменное магнитное поле образуется путем коммутации обмоток статора, которая выполняется внешней управляющей схемой. Шаговые двигатели («stepper motor» в английском написании) значительно дороже коллекторных. Это достаточно сложные устройства со своими специфическими особенностями. Их полное описание требует отдельной публикации и выходит за рамки данной статьи.
Для получения более полной информации по двигателям этого типа и их схемам управления можно обратиться, например, к [1].
Коллекторные двигатели (Рисунок 1) более дешевы и, как правило, не требуют сложных систем управления. Для их функционирования достаточно подачи напряжения питания (выпрямленного, постоянного!).
Проблемы начинают возникать, когда появляется необходимость в регулировке скорости вращения вала такого двигателя или в специальном режиме управления моментом вращения.
Основных недостатков таких двигателей три – это малый момент на низких скоростях вращения (поэтому часто требуется редуктор, а это отражается на стоимости конструкции в целом), генерация высокого уровня электромагнитных и радиопомех (из-за скользящего контакта в коллекторе) и низкая надежность (точнее малый ресурс; причина в том же коллекторе). При использовании коллекторных двигателей необходимо учитывать, что ток потребления и скорость вращения их ротора зависят от нагрузки на валу. Коллекторные двигатели более универсальны и имеют более широкое распространение, особенно в недорогих устройствах, где определяющим фактором является цена.
|
||||
| Рисунок 1. | Коллекторный двигатель с редуктором (а) и типовая конструкция коллекторного двигателя (б). |
Поскольку скорость вращения ротора коллекторного двигателя зависит, в первую очередь, от подаваемого на двигатель напряжения, то естественным является использование для его управления схем, имеющих возможность установки или регулировки выходного напряжения.
Такими решениями, которые можно найти в Интернете, являются схемы на основе регулируемых стабилизаторов напряжения и, поскольку век дискретных стабилизаторов давно прошел, для этого целесообразно использовать недорогие интегральные компенсационные стабилизаторы, например, LM317 [2].
Возможные варианты такой схемы представлены на Рисунке 2.
|
||||
| Рисунок 2. | Схемы управления маломощным коллекторным двигателем на базе ИМС LM317. |
Схема примитивная, но кажется очень удачной и, главное, недорогой. Посмотрим на нее с точки зрения инженера. Во-первых, можно ли ограничить момент вращения или ток двигателя? Это решается установкой дополнительного резистора. На Рисунке 2 он обозначен как RLIM. Его расчет имеется в спецификации, но он ухудшает характеристику схемы как стабилизатора напряжения (об этом будет ниже). Во-вторых, какой из вариантов управления скоростью лучше? Вариант на Рисунке 2а дает удобную линейную характеристику регулирования, поэтому он и более популярен. Вариант на Рисунке 2б имеет нелинейную характеристику. Но в первом случае при нарушении контакта в переменном резисторе мы получаем максимальную скорость, а во втором – минимальную. Что выбрать – зависит от конкретного применения. Теперь рассмотрим один пример для двигателя с типовыми параметрами: рабочее напряжение 12 В; максимальный рабочий ток 1 А. ИМС LM317, в зависимости от суффиксов, имеет максимальный выходной ток от 0.5 А до 1.5 А (см. спецификацию [2]; имеются аналогичные ИМС и с бóльшим током) и развитую защиту (от перегрузки и перегрева). С этой точки зрения для нашей задачи она подходит идеально. Проблемы скрываются, как всегда, в мелочах. Если двигатель будет выведен на максимальную мощность, что для нашего применения весьма реально, то на ИМС, даже при минимально допустимой разнице между входным напряжением VIN и выходным VOUT, равной 3 В, будет рассеиваться мощность не менее
P = (VIN – VOUT)×I = 3×1 = 3 Вт.
Таким образом, нужен радиатор. Опять вопрос – на какую рассеиваемую мощность? На 3 Вт? А вот и нет.
Если не полениться и рассчитать график нагрузки ИМС в зависимости от выходного напряжения (это легко выполнить в Excel), то мы получаем, что при наших условиях максимальная мощность на ИМС будет рассеиваться не при максимальном выходном напряжении регулятора, а при выходном напряжении равном 7.5 В (см. Рисунок 3), и она составит почти 5.0 Вт!
 |
|
| Рисунок 3. | График зависимости мощности, рассеиваемой на ИМС регулятора, от выходного напряжения. |
Как видим, получается что-то уже не дешевое, но очень громоздкое. Так что такой подход годится только для маломощных двигателей с рабочим током не более 0.25 А. В этом случае мощность на регулирующей ИМС будет на уровне 1.2 Вт, что уже будет приемлемо.
Выход из положения – использовать для управления метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Он, действительно, самый распространенный. Его суть – подача на двигатель промодулированных по длительности однополярных прямоугольных импульсов.
Согласно теории сигналов, в структуре такой последовательности имеется постоянная составляющая, пропорциональная отношению τ/T, где: τ – длительность импульса, а T – период последовательности. Вот она-то и управляет скоростью двигателя, который выделяет ее как интегратор в этой системе.
Поскольку выходной каскад регулятора на основе ШИМ работает в ключевом режиме он, как правило, не нуждается в больших радиаторах для отвода тепла, даже при относительно больших мощностях двигателя, и КПД такого регулятора несравненно выше предыдущего.
В ряде случаев можно использовать понижающие или повышающие DC/DC-преобразователи, но они имеют ряд ограничений, например, по глубине регулировки выходного напряжения и минимальной нагрузке. Поэтому, как правило, чаще встречаются иные решения. «Классическое» схемное решение такого регулятора представлено на Рисунке 4 [3]. Оно использовано в качестве дросселя (регулятора) в профессиональной модели железной дороги.
 |
|
| Рисунок 4. | «Классическая» схема управления коллекторным двигателем на основе ШИМ (согласно оригиналу [3]). |
На первом операционном усилителе собран генератор, на втором компаратор. На вход компаратора подается сигнал с конденсатора C1, а путем регулирования порога срабатывания формируется уже сигнал прямоугольной формы с нужным отношением τ/T (Рисунок 5).
| Рисунок 5. | Диаграмма управления коллекторным двигателем на основе ШИМ. Верхняя трасса – напряжение на конденсаторе С1; средняя (пересекает верхнюю) – сигнал управления (напряжение на движке резистора RV2); нижняя – напряжение на двигателе. |
Диапазон регулировки устанавливается подстроечными резисторами RV1 (быстрее) и RV3 (медленнее), а сама регулировка скорости осуществляется резистором RV2 (скорость). Обращаю внимание читателей, что в Интернете на русскоязычных форумах гуляет похожая схема с ошибками в номиналах делителя, задающего порог компаратора.
Управление непосредственно двигателем осуществляется через ключ на мощном полевом транзисторе типа BUZ11 [4].
Особенности этого транзистора типа MOSFET – большой рабочий ток (30 А постоянного, и до 120 А импульсного), сверхмалое сопротивление открытого канала (40 мОм) и, следовательно, минимальная мощность потерь в открытом состоянии.
На что нужно в первую очередь обращать внимание при использовании таких схем? Во-первых, это исполнение цепи управления. Здесь в схеме (Рисунок 4) есть небольшая недоработка.
Если со временем возникнут проблемы с подвижным контактом переменного резистора, мы получим полный почти мгновенный разгон двигателя. Это может вывести из строя наше устройство.
Какое противоядие? Установить добавочный достаточно высокоомный резистор, например, 300 кОм с вывода 5 ИМС на общий провод. В этом случае при отказе регулятора двигатель будет остановлен.
Еще одна проблема таких регуляторов – это выходной каскад или драйвер двигателя. В подобных схемах он может быть выполнен как на полевых транзисторах, так и на биполярных; последние несравненно дешевле.
Но и в первом и во втором варианте необходимо учитывать некоторые важные моменты. Для управления полевым транзистором типа MOSFET нужно обеспечить заряд и разряд его входной емкости, а она может составлять тысячи пикофарад.
Если не использовать последовательный с затвором резистор (R6 на Рисунке 4) или его номинал будет слишком мал, то на относительно высоких частотах управления операционный усилитель может выйти из строя.
Если же использовать R6 большого номинала, то транзистор будет дольше находиться в активной зоне своей передаточной характеристики и, следовательно, имеем рост потерь и нагрев ключа.
Еще одно замечание к схеме на Рисунке 4.
Использование дополнительного диода D2 лишено смысла, так как в структуре транзистора BUZ11 уже имеется свой внутренний защитный быстродействующий диод с лучшими характеристиками, чем предлагаемый.
Диод D1 также явно лишний, транзистор BUZ11 допускает подачу напряжения затвор-исток ± 20 В, да и переполюсовка в цепи управления при однополярном питании, как и напряжение выше 12 В, невозможны.
Если использовать биполярный транзистор, то возникает проблема формирования достаточного по величине базового тока. Как известно, для насыщения ключа на биполярном транзисторе ток его базы должен быть, по крайней мере, не менее 0.06 от тока нагрузки. Понятно, что операционный усилитель такой ток может не обеспечить.
С этой целью в аналогичном, по сути, регуляторе, который используется, например, в популярном мини-гравере PT-5201 компании Pro’sKit, применен транзистор TIP125, представляющий собой схему Дарлингтона. Тут интересный момент.
Эти мини-граверы иногда выходят из строя, но не из-за перегрева транзистора, как можно было бы предположить, а из-за перегрева ИМС LM358 (максимальная рабочая температура +70 °С) выходным транзистором (максимально допустимая температура +150 °С).
В изделиях, которыми пользовался автор статьи, он был вплотную прижат к корпусу ИМС и посажен на клей, что недопустимо нагревало ИМС и почти блокировало теплоотвод. Если вам попалась такое исполнение, то лучше «отклеить» транзистор от ИМС и максимально отогнуть.
За это know-how автор статьи был премирован компанией Pro’sKit набором инструментов. Как видите все нужно решать в комплексе – смотреть не только на схемотехнику, но и внимательно относится к конструкции регулятора в целом.
|
||||
| Рисунок 6. | Пример схем регуляторов с ШИМ и изменением опорной частоты. |
Есть еще несколько интересных схем более простых ШИМ-регуляторов. Например, две схемы на одиночном операционном усилителе с драйвером опубликованы в [5] (Одна из них приведена на Рисунке 6а). Есть схемы и на базе популярного таймера серии 555 [6] (Рисунок 6б). Эти дешевые решения не должны вводить вас в заблуждение своей кажущейся простотой. Вспомним А.С.
Пушкина: «Не гонялся бы ты, поп, за дешевизной». Или французов: «За каждое удовольствие нужно платить». Обе эти схемы формируют суррогатный сигнал ШИМ с изменением опорной частоты.
Так схемы на ОУ из [5] меняют частоту управления во время регулирования от 170 Гц до 500 Гц, а схема на таймере – от 150 Гц до 1000 Гц, и ее диапазон регулировки (верхний диапазон) ограничен скважностью 9.5. Для некоторых применений это может быть недопустимо, так как на больших частотах двигатель может и не заработать, или не дать нужный момент вращения.
Это происходит из-за того, что ток в обмотке двигателя, которая представляет собой индуктивность, устанавливается не мгновенно, а нарастает и спадает по экспоненте. Более корректные схемы на базе таймера и одиночного ОУ приведены на Рисунке 7.
|
||
| Рисунок 7. | Схемы регуляторов с ШИМ без изменения опорной частоты. |
Аналогичные по структуре регуляторы можно построить и на цифровых логических элементах, но они имеют малую нагрузочную способность и требуют отдельного источника питания, поэтому в данной статье не рассматриваются. Применение же таймера 555 интересно тем, что частота генератора, выполненного на его базе, практически не зависит от напряжения питания.
Кроме того, большинство ныне выпускаемых зарубежных аналогов, выполненных по биполярной технологии, допускает выходной ток до 200 мА и более. То есть, они могут легко справиться и с емкостью затвора MOSFET и с мощными ключами на биполярных транзисторах. Близкий к таймеру 555 советско-российский аналог – это ИМС (КР)1006ВИ1.
Максимальный выходной ток для КР1006ВИ1 и КМОП-версий таймера составляет 100 мА.
Литература:
Окончание
Как сделать простой блок питания на 12 вольт из трансформатора, выпрямителя, конденсатора. _v_
Автогаджеты и товары
- Автор Артем
- ДатаНоя 3, 201717 199
- Поделиться
Автомобильный стабилизатор напряжения 12 Вольт используется для поддержания постоянного напряжения в цепи. В машинах их используют для подключения светодиодов, так как они чувствительны к изменения в электрической сети.
- Предназначение стабилизатора напряжения
- Как сделать регулятор на 12 Вольт
- Сборка простейшего линейного стабилизатора своими руками
- Схема выпрямителя с блоком питания 5 Ампер
- Стабилизатор напряжения для светодиодов
- Сборка мощного интегрального регулятора
- Схема регулируемого стабилизатора на транзисторах
- Импульсный регулятор
Какие бывают виды стабилизаторов напряжения?
Различают такие типы:
- Феррорезонансные. К их достоинствам относят высокую точность стабилизации и скорость регулирования. Но они создают довольно много шума, и качество их работы зависит от величины нагрузки. Благодаря тому, что они по стоимости равны источникам бесперебойного питания (или даже дороже их), то широкого распространения не получили.
- Электромеханические. Это автотрансформаторы, которые имеют функцию ручного регулирования выходного напряжения. Недостатком данного устройства является необходимость постоянно следить за показателями прибора и при отклонениях выставлять вручную необходимое значение. Хотя сейчас наибольшей популярностью пользуются экземпляры, которые всё делают автоматически благодаря электродвигателю с редуктором. В качестве преимуществ приводят хорошую точность стабилизации в 2-3%. Но из-за инерционности двигателя мы имеем низкую скорость регулирования и увеличение уровня шума. При этом резкое увеличение сетевого напряжения часто приводит к кратковременному отключению нагрузки.
- Электронные. Обеспечивают качественную стабилизацию. Строятся на основании автоматического переключения секций используемого трансформатора благодаря силовым ключам (в качестве которым могут выступать тиристоры, симисторы и реле). Они обладают быстродействием, широким диапазоном входного напряжения, хорошим показателем КПД и точностью стабилизации.
Параметры блока питания
Самые главные параметры любого блока питания – это выходное напряжение и ток. Зависят их значения от одного – от используемого провода во вторичной обмотке трансформатора. О том, как провести выбор его, будет рассказано немного ниже.
Для себя вы должны заранее решить, для каких целей планируется использовать блок питания 12 Вольт. Если необходимо запитывать маломощную аппаратуру – навигаторы, светодиоды, и прочее, то вполне достаточно на выходе 2-3 Ампер.
И то этого будет много.
Но если вы планируете с его помощью осуществлять более серьезные действия – например, заряжать аккумуляторную батарею автомобиля, то потребуется на выходе 6-8 Ампер.
Ток зарядки должен быть в десять раз меньше емкости АКБ – это требование обязательно учитывается.
Если же возникает необходимость в подключении приборов, напряжение питания которых существенно отличается от 12 Вольт, то разумнее установить регулировку.
Климатические условия
Большинство рыночных стабилизатором рассчитаны на работу при температуре от 5 до 35 градусов тепла по Цельсию. Относительная влажность воздуха должна быть в пределах 35-90%. В атмосфере должны отсутствовать водяные брызги, пыль и тому подобное. Если это не предоставляется возможным, используют специальные корпуса.
Хотя по отношению к температуре необходимо сказать, что самые передовые образцы могут выдерживать диапазон с -40 до +40 градусов, что смотрится весьма недурно в наших погодных условиях.
Но благодаря нагреву самой машины можно использовать и самые распространённые модели, хотя в случае с ними могут быть определённые проблемы с быстрым запуском (возможно, перед активацией придётся подождать).
Схема принципиальная блока 12 В 15 А
Многие имели дело с блоками питания на стабилизаторах LM317, поэтому было бы достаточно сделать стабилизирующую часть на микросхеме LM338. Не стоит брать мощные транзисторы, потому что по цене это будет дороже, чем готовые стабилизаторы, да и заметное усложнение электроники.
В качестве трансформатора использовался тороид 220 В / 12 В 150 Вт (он будет питать 2 отдельных источника питания с разной силой тока).
Стоит сразу 3 стабилизатора LM338, соединенных параллельно. Просматривая даташит производителей LM338 стало понятно, что 3 штуки дадут запас надежности даже в случае сильного нагрева воздуха в корпусе.
При первых тестах использовали диодный мост BR1010, но были в ужасе от его быстрого нагрева до высокой температуры, поэтому пришлось брать KBPC 2510 и установка большего радиатора. В качестве вспомогательных конденсаторов 2x 10000 мкФ, 10 мкФ и 1 мкФ для фильтрации нежелательных помех. Контрольные резисторы LM338 имеют сопротивление 240 Ом и 1,9 кОм.
Обратите внимание, что тороиды могут иметь первоначальное высокое потребление энергии от сети (бросок тока при включении) и, таким образом, может перегорать предохранитель, в несколько раз превышающий номинальное потребление тока, поэтому советуем использовать устройство плавного пуска для тороидальных трансформаторов.
Полезное: Ламповый передатчик на FM диапазон 88-108 МГц
Защита
Стабилизатор должен решать две проблемы – устранение возможности короткого замыкания и перегрузки. В первом случае необходимо будет установить причину срабатывания прибора и только после этого включать его.
При перегрузке (которая в промышленных образцах обычно устанавливается в рамках 5-50 процентов от номинала) спустя определённый период времени (как правило, до одной минуты) срабатывает система защиты, которая выключит прибор. В промышленных образцах распространённой практикой является установление функции повторного включения.
Если никакие проблемы при этом не будут найдены, то после запуска устройство продолжит свою работу в нормальном режиме. Теперь давайте рассмотрим, что нам нужно, если мы хотим сделать стабилизатор напряжения (12 вольт, 1,5 Ампера).
Как работает диодный мост
Переменный ток, имеющий определенную меняющуюся частоту, подается на входные контакты моста. На выходах с положительным и отрицательным значением образуется однополярный ток, обладающий повышенной пульсацией, значительно превышающей частоту тока, подаваемого на вход.
Появляющиеся пульсации нужно обязательно убрать, иначе электронная схема не сможет нормально работать. Поэтому, в схеме присутствуют специальные фильтры, представляющие собой электролитические конденсаторы с большой емкостью.
Сама сборка моста состоит из четырех диодов с одинаковыми параметрами. Они соединены в общую схему и размещаются в общем корпусе.
https://www.youtube.com/watch?v=G84TO5pbHiA
Диодный мост имеет четыре вывода. К двум из них подключается переменное напряжение, а два остальных являются положительным и отрицательным выводом пульсирующего выпрямленного напряжения.
Выпрямительный мост в виде диодной сборки обладает существенными технологическими преимуществами. Таким образом, на печатную плату устанавливается сразу одна монолитная деталь. Во время эксплуатации, для всех диодов обеспечивается одинаковый тепловой режим.
Стоимость общей сборки ниже четырех диодов в отдельности. Однако, данная деталь имеет серьезный недостаток. При выходе из строя хотя-бы одного диода, вся сборка подлежит замене. При желании, любая общая схема может быть заменена четырьмя отдельными деталями.
Детали для самостоятельного создания устройства
Один только прибор монтировать не рекомендуется. Для обеспечения устойчивости и эффективности его работы понадобятся различные компоненты.
Если говорить о самом устройстве и его применении, то стабилизатор напряжения 12 вольт в авто, как правило, используется для работы с подсветкой.
Он позволяет избавиться от моргания и позволяет сделать свечение равномерным. Для этого нам понадобятся:
- Конденсаторы SMD ёмкостью на 0,1 и 0,33 микрофарад.
- Стабилизатор напряжения (12 вольт, 1,5 А).
- Радиатор для охлаждения;
- Предохранитель на 1,6 А;
- Крепления для проводов платы;
- По желанию можно взять ещё 2 электролитических конденсатора на 220 мкФ и припаять их на вход и выход стабилизатора.
Стоимость данного устройства составит максимум несколько сотен рублей (в зависимости от того, где все необходимые детали будут покупаться).
Как выбрать трансформатор
Первый элемент – это преобразователь напряжения. Трансформатор способствует преобразованию переменного напряжения 220 Вольт в такое же по амплитуде, только со значением, намного меньше. По крайней мере, вам нужно меньшее значение.
Для мощных блоков питания за основу можно взять трансформатор типа ТС-270. У него высокая мощность, даже имеются 4 обмотки, которые выдают по 6,3 Вольт каждая. Они использовались для питания накала радиоламп.
Без особого труда из него можно сделать блок питания 12 Вольт 12 Ампер, который сможет даже АКБ автомобиля заряжать.
Но если вас полностью не устраивают его обмотки, то можно вторичные все убрать, оставить только сетевую. И провести намотку провода. Проблема в том, как посчитать необходимое количество витков.
Для этого можно воспользоваться простой схемой вычисления – посчитайте, сколько витков содержит вторичная обмотка, которая выдает 6,3 Вольт. Теперь просто разделите 6,3 на число витков. И вы получите величину напряжения, которое можно снять с одного витка провода.
Осталось только высчитать, сколько нужно намотать витков, чтобы на выходе получить 12,5-13 Вольт. Будет даже лучше, если на выходе окажется на 1-2 Вольт напряжение выше требуемого.
Делаем своё устройство
Первоначально нам нужна схема стабилизатора напряжения на 12 вольт. Её необходимо вытравить и очистить, чтобы можно было применять на практике. Далее следует припаять необходимые детали так, как указано. И как результат – перед вами импульсный стабилизатор напряжения (12 вольт, 1,5 Ампера), который можно использовать в автомобиле, чтобы регулировать подсветку.
Для удобства и защиты всё устройство можно разместить в специальный контейнер. Желательно в качестве его материала использовать пластик, который спокойно переносит значительную температуру и обеспечивает герметичность. Токопроводящие металлы следует применять только при наличии изоляторов на проводах и всех частях деталей, которые потенциально могут ударить током.
Выпрямитель
В трансформаторном блоке питания используется обычно мостовой выпрямитель с одним, двумя или четырьмя диодами.
Используем мостовую схему выпрямления
Использование мостового выпрямителя показано на данной схеме:
Хотите купить токарно-карусельный станок 1510 в России?
Как работает
Принцип работы у выпрямителя мостового типа следующий: во время течения в полупериоде, электрический ток идет через два диода, которые включены в прямом направлении. Это позволяет конденсатору получать напряжение с пульсацией в два раза большей частотой от питания.
Выше представлена схема как использовать выпрямитель мостового типа в конструкции. Чтобы понять, как работает выпрямитель с постоянным и переменным напряжением мостового типа можно использовать для ознакомления данную схему:
Треугольники на схеме – это диоды, которые позволяют работать мостовому выпрямителю.
Как спаять
Для спайки мостового выпрямителя следует использовать следующую схему:
Как стабилизировать напряжение на выходе
Чтобы стабилизировать выходное напряжение, можно воспользоваться стабилитроном, имеющим силу 12-вольтового показателя. Даже если установить более мощные стабилизаторы, то на выходе получаются те же 12 Вольт.
Куда же уходит оставшееся количество? Остальная часть переходит в тепловую энергию, поэтому этот компонент принято монтировать на поверхность радиатора.
- Подключение дифавтомата — схемы, правила монтажа и особенности установки своими руками. Пошаговая инструкция начинающего электрика!
- Реле времени: как подключить своими руками? Для чего используется и обзор уровней автоматизации. Виды, маркировка и принцип работы устройства
- Реле контроля напряжения: советы по установке и подключению своими руками. Выбор и принцип работы для однофазной и трехфазной сети
Загрузка...
