Регулятор частоты вращения коллекторного двигателя постоянного тока. ШИМ-регулятор. Широтно-импульсная модуляция. Схема. Разновидности коллекторных двигателей

Широкое применение таймер 555 находит в устройствах регулирования, например, в ШИМ - регуляторах оборотов двигателей постоянного тока.

Все, кто когда - либо пользовался аккумуляторным шуруповертом, наверняка слышали писк, исходящий изнутри. Это свистят обмотки двигателя под воздействием импульсного напряжения, порождаемого системой ШИМ.

Другим способом регулировать обороты двигателя, подключенного к аккумулятору, просто неприлично, хотя вполне возможно. Например, просто последовательно с двигателем подключить мощный реостат, или использовать регулируемый линейный стабилизатор напряжения с большим радиатором.

Вариант ШИМ - регулятора на основе таймера 555 показан на рисунке 1.

Схема достаточно проста и базируется все на мультивибраторе, правда переделанном в генератор импульсов с регулируемой скважностью, которая зависит от соотношения скорости заряда и разряда конденсатора C1.

Заряд конденсатора происходит по цепи: +12V, R1, D1, левая часть резистора P1, C1, GND. А разряжается конденсатор по цепи: верхняя обкладка C1, правая часть резистора P1, диод D2, вывод 7 таймера, нижняя обкладка C1. Вращением движка резистора P1 можно изменять соотношение сопротивлений его левой и правой части, а следовательно время заряда и разряда конденсатора C1, и как следствие скважность импульсов.

Рисунок 1. Схема ШИМ - регулятора на таймере 555

Схема эта настолько популярна, что выпускается уже в виде набора, что и показано на последующих рисунках.

Рисунок 2. Принципиальная схема набора ШИМ - регулятора.

Здесь же показаны временные диаграммы, но, к сожалению, не показаны номиналы деталей. Их можно подсмотреть на рисунке 1, для чего он, собственно, здесь и показан. Вместо биполярного транзистора TR1 без переделки схемы можно применить мощный полевой, что позволит увеличить мощность нагрузки.

Кстати, на этой схеме появился еще один элемент - диод D4. Его назначение в том, чтобы предотвратить разряд времязадающего конденсатора C1 через источник питания и нагрузку - двигатель. Тем самым достигается стабилизация работы частоты ШИМ.

Кстати, с помощью подобных схем можно управлять не только оборотами двигателя постоянного тока, но и просто активной нагрузкой - лампой накаливания или каким-либо нагревательным элементом.

Рисунок 3. Печатная плата набора ШИМ - регулятора.

Если приложить немного труда, то вполне возможно такую воссоздать, используя одну из программ для рисования печатных плат. Хотя, учитывая немногочисленность деталей, один экземпляр будет проще собрать навесным монтажом.

Рисунок 4. Внешний вид набора ШИМ - регулятора.

Правда, уже собранный фирменный набор, смотрится достаточно симпатично.

Вот тут, возможно, кто-то задаст вопрос: «Нагрузка в этих регуляторах подключена между +12В и коллектором выходного транзистора. А как быть, например, в автомобиле, ведь там все уже подключено к массе, корпусу, автомобиля?»

Да, против массы не попрешь, тут можно только рекомендовать переместить транзисторный ключ в разрыв «плюсового» провода. Возможный вариант подобной схемы показан на рисунке 5.

Рисунок 5.

На рисунке 6 показан отдельно выходной каскад на транзисторе MOSFET. Сток транзистора подключен к +12В аккумулятора, затвор просто «висит» в воздухе (что не рекомендуется), в цепь истока включена нагрузка, в нашем случае лампочка. Такой рисунок показан просто для объяснения, как работает MOSFET транзистор.

Рисунок 6.

Для того, чтобы MOSFET транзистор открыть, достаточно относительно истока подать на затвор положительное напряжение. В этом случае лампочка зажжется в полный накал и будет светить до тех пор, пока транзистор не будет закрыт.

На этом рисунке проще всего закрыть транзистор, замкнув накоротко затвор с истоком. И такое вот замыкание вручную для проверки транзистора вполне пригодно, но в реальной схеме, тем более импульсной придется добавить еще несколько деталей, как показано на рисунке 5.

Как было сказано выше, для открывания MOSFET транзистора необходим дополнительный источник напряжения. В нашей схеме его роль выполняет конденсатор C1, который заряжается по цепи +12В, R2, VD1, C1, LA1, GND.

Чтобы открыть транзистор VT1, на его затвор необходимо подать положительное напряжение от заряженного конденсатора C2. Совершенно очевидно, что это произойдет только при открытом транзисторе VT2. А это возможно лишь в том случае, если закрыт транзистор оптрона OP1. Тогда положительное напряжение с плюсовой обкладки конденсатора C2 через резисторы R4 и R1 откроет транзистор VT2.

В этот момент входной сигнал ШИМ должен иметь низкий уровень и шунтировать светодиод оптрона (такое включение светодиодов часто называют инверсным), следовательно, светодиод оптрона погашен, а транзистор закрыт.

Чтобы закрыть выходной транзистор, надо соединить его затвор с истоком. В нашей схеме это произойдет, когда откроется транзистор VT3, а для этого требуется, чтобы был открыт выходной транзистор оптрона OP1.

Сигнал ШИМ в это время имеет высокий уровень, поэтому светодиод не шунтируется и излучает положенные ему инфракрасные лучи, транзистор оптрона OP1 открыт, что в результате приводит к отключению нагрузки - лампочки.

Как один из вариантов применения подобной схемы в автомобиле, это дневные ходовые огни. В этом случае автомобилисты претендуют на пользование лампами дальнего свете, включенными вполнакала. Чаще всего эти конструкции на микроконтроллере, в интернете их полно, но проще сделать на таймере 555.

Драйверы для транзисторов MOSFET на таймере 555

Еще одно применение интегральный таймер 555 нашел в трехфазных инверторах, или как их чаще называют частотно - регулируемых приводах. Основное назначение «частотников» - это регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей. В литературе и в интернете можно найти немало схем самодельных частотных приводов, интерес к которым не пропадает до настоящего времени.

В целом идея такова. Выпрямленное сетевое напряжение с помощью контроллера преобразуется в трехфазное, как в промышленной сети. Но частота этого напряжения может меняться под воздействием контроллера. Способы изменения различны, - просто от ручного управления до регулирования системой автоматики.

Блок схема трехфазного инвертора показана на рисунке 1. Точками A,B,C показаны три фазы, к которым подключается асинхронный двигатель. Эти фазы получаются при коммутации транзисторных ключей, в качестве которых на этом рисунке показаны специальные транзисторы IGBT.

Рисунок 1. Блок схема трехфазного инвертора

Между устройством управления (контроллером) и силовыми ключами установлены драйверы силовых ключей инвертора. В качестве драйверов используются специализированные микросхемы типа IR2130, позволяющие подключить к контроллеру сразу все шесть ключей,- три верхних и три нижних, а кроме этого еще обеспечивает целый комплекс защит. Все подробности об этой микросхеме можно узнать в Data Sheet.

И все бы хорошо, но для домашних опытов такая микросхема слишком дорогая. И тут на помощь опять приходит наш старый знакомый интегральный таймер 555, он же КР1006ВИ1. Схема одного плеча трехфазного моста показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Драйверы для транзисторов MOSFET на таймере 555

В качестве драйверов верхних и нижних ключей силовых транзисторов используются КР1006ВИ1, работающие в режиме триггера Шмитта. При использовании таймера в таком режиме достаточно просто получить импульсный ток открывания затвора не менее 200мА, что обеспечивает быстрое переключение выходных транзисторов.

Транзисторы нижних ключей соединены непосредственно с общим проводом контроллера, поэтому никаких трудностей в управлении драйверами не возникает, - нижние драйверы управляются непосредственно от контроллера логическими сигналами.

Несколько сложнее обстоит дело с верхними ключами. Прежде всего, следует обратить внимание на то, как осуществляется питание драйверов верхних ключей. Такой способ питания называется «бустрепным». Смысл его в следующем. Питание микросхемы DA1 осуществляется от конденсатора C1. А вот каким образом он может зарядиться?

Когда откроется транзистор VT2 минусовая обкладка конденсатора C1 практически связана с общим проводом. В это время конденсатор C1 заряжается от источника питания через диод VD1 до напряжения +12В. Когда транзистор VT2 закроется, будет закрыт и диод VD1, но запаса энергии в конденсаторе C1 достаточно для срабатывания микросхемы DA1 в следующем цикле. Для осуществления гальванической развязки от контролера и между собой управление верхними ключами приходится осуществлять через оптрон U1.

Такой способ питания позволяет избавиться от усложнения блока питания, обойтись всего одним напряжением. В противном случае потребовались бы три изолированных обмотки на трансформаторе, три выпрямителя и три стабилизатора. Более подробно с таким способом питания можно ознакомиться в описаниях специализированных микросхем.

Борис Аладышкин, http://electrik.info

ШИМ регулятор предназначен для регулирования скорости вращения полярного двигателя,яркости освещения лампочки или мощностью нагревательного элемента.

Преимущества:
1 Простота изготовления
2 Доступность компонентов(стоимость не превышает 2$)
3 Широкое применение
4 Для новичков лишний раз потренироваться и порадовать себя=)

Однажды понадобился мне "девайс" для регулировки скорости вращения кулера. Для чего именно уже не помню. С начала пробовал через обычный переменный резистор, он сильно грелся и это было не приемлемо для меня. В итоге покопавшись в интернете нашел схему на мне уже знакомой микросхеме NE555. Это была схема обычного ШИМ регулятора с скважностью (длительностью) импульсов равной или меньше 50% (позже приведу графики как это работает). Схема оказалось очень простой и не требовала настройки, главное было не накосячить с подключением диодов и транзистора. Первый раз его собрал на макетной плате и испытал, все заработало с пол оборота. Позже уже развел небольшую печатную плату и аккуратнее все выглядело=) Ну теперь взглянем на саму схему!

Схема ШИМ регулятора

Из нее мы видим что это обычный генератор с регулятором скважности импульсов собранный по схеме из даташита. Резистором R1 мы и меняем эту скважность, резистор R2 служит нам защитой от КЗ, так как 4 вывод микросхемы через внутренний ключ таймера подключен на землю и при крайнем положении R1 он просто замкнет. R3 это подтягивающий резистор. С2 это задающий частоту конденсатор. Транзистор IRFZ44N - это N канальный мосфет. D3 - это защитный диод который предотвращает выхода из строя полевик при обрыве нагрузки. Теперь немного о скважности импульсов. Скважность импульса - это отношение его периода следования (повторения) к длительности импульса, то есть через определенный промежуток времени будет происходить переход от (грубо говоря) плюса к минусу, а точнее от логической единицы к логическому нулю. Так вот этот промежуток времени между импульсами и есть та самая скважность.

Скважность при среднем положении R1

Скважность при крайнем левом положении R1

Скважность при крайнем правом положении R

Ниже приведу печатные платы с расположением деталей и без них

Теперь немного о деталях и их вид. Сама микросхема выполнена в DIP-8 корпусе, конденсаторы керамические малогабаритные, резисторы на 0,125-0,25 ватт. Диоды обычные выпрямительные на 1А (самое доступное это 1N4007 их везде навалом). Так же микросхему можно устанавливать на панельку, если в будущем вы хотите ее использовать в других проектах и лишний раз не выпаивать ее. Ниже приведу фотографии деталей.

В любом современном электроинструменте или бытовом приборе используется коллекторный двигатель. Это связано с их универсальностью, т. е. способностью работать как от переменного, так и от постоянного напряжения. Ещё одно преимущество заключается эффективном пусковом моменте.

Однако высокая частота оборотов коллекторного двигателя устраивает далеко не всех пользователей. Для плавности пуска и возможности менять частоту вращений был изобретён регулятор , который вполне возможно изготовить своими руками.

Принцип работы и разновидности коллекторных двигателей

Каждый электродвигатель состоит из коллектора, статора, ротора и щёток. Принцип его работы довольно прост:

Помимо стандартного устройства также существуют:

Устройство регулятора

В мире существует множество схем таких устройств. Тем не менее всех их можно разделить на 2 группы: стандартные и модифицированные изделия.

Стандартное устройство

Типичные изделия отличаются простотой в изготовлении идинистора, хорошей надёжностью при изменении оборотов двигателя. Как правило, такие модели основываются на тиристорных регуляторах. Принцип работы подобных схем достаточно прост:

Таким образом, происходит регулировка оборотов коллекторного двигателя. В большинстве случаев подобную схему используют в зарубежных бытовых пылесосах. Однако следует знать, что такой регулятор оборотов не обладает обратной связью. Поэтому при изменении нагрузки придётся настраивать обороты электродвигателя.

Изменённые схемы

Конечно, стандартное устройство устраивает многих любителей регуляторов оборотов «покопаться» в электронике. Однако, без прогресса и улучшения изделий мы бы до сих пор жили в каменном веке. Поэтому постоянно изобретаются более интересные схемы, которые с удовольствием применяют многие производители.

Чаще всего используются реостатные и интегральные регуляторы. Как понятно из названия, первый вариант основан на реостатной схеме. Во втором же случае применяется интегральный таймер.

Реостатные отличаются эффективностью в смене количества оборотов коллекторного двигателя. Высокая эффективность обусловлена силовыми транзисторами, которые забирают часть напряжения. Таким образом, снижается поступление тока и двигатель работает с меньшим усердием.

Видео: устройство регулятора оборотов с поддержанием мощности

Главный недостаток такой схемы заключается в большом объёме выделяемого тепла. Поэтому для бесперебойной работы, регулятор должен постоянно охлаждаться. Притом охлаждение устройства должно быть интенсивным.

Иной подход реализован в интегральном регуляторе, где за нагрузку отвечает интегральный таймер. Как правило, в подобных схемах используются транзисторы практически любых наименований. Это связано с тем, что в составе имеется микросхема, обладающая большими значениями выходного тока.

Если нагрузка меньше 0,1 ампера, то всё напряжение поступает прямо на микросхему в обход транзисторов. Однако для эффективной работы регулятора необходимо, чтобы на затворе было напряжение 12В. Поэтому электроцепь и напряжение самого питания должно соответствовать этому диапазону.

Обзор типичных схем

Регулировать вращения вала электродвигателя малой мощности можно посредством последовательного соединения резистора питания с отсутствие. Однако у такого варианта имеется очень низкий КПД и отсутствие возможности плавного изменения скорости. Чтобы избежать такой неприятности, следует рассмотреть несколько схем регулятора, которые применяются чаще всего.

Как известно, ШИМ имеет постоянную амплитуду импульсов. Кроме того, амплитуда идентична напряжению питания. Следовательно, электродвигатель не остановится, даже работая на малых оборотах.

Второй вариант аналогичен первому. Единственное отличие, что в качестве задающего генератора используется операционный усилитель. Этот компонент имеет частоту 500 Гц и занимается выработкой импульсов, имеющих треугольную форму. Регулировка также осуществляется переменным резистором.

Как сделать своими руками

Если нет желания тратиться на приобретение готового устройства, его можно изготовить самостоятельно. Таким образом, можно не только сэкономить деньги, но и получить полезный опыт. Итак, для изготовления тиристорного регулятора потребуется:

• паяльник (для проверки работоспособности);
• провода;
• тиристор, конденсаторы и резисторы;
• схема.

Как видно по схеме, регулятором контролируется только 1 полупериод. Однако для тестирования работоспособности на обычном паяльнике этого будет вполне достаточно.

Если знаний по расшифровке схемы недостаточно, можно ознакомиться с текстовым вариантом:

Использование регуляторов позволяет более экономично использовать электродвигатели. В определённых ситуациях такое устройство можно изготовить самостоятельно. Однако для более серьёзных целей (например, контроля оборудования для отопления) лучше приобрести готовую модель. Благо, на рынке есть широкий выбор таких изделий, а цена вполне демократичная.

Качественный и надёжный контроллер скорости вращения для однофазных коллекторных электродвигателей можно сделать на распространённых деталях буквально за 1 вечер. Эта схема имеет встроенный модуль обнаружения перегрузки, обеспечивает мягкий пуск управляемого двигателя и стабилизатор скорости вращения мотора. Работает такой блок с напряжением как 220, так и 110 вольт.

Технические параметры регулятора

• напряжение питания: 230 вольт переменного тока
• диапазон регулирования: 5…99%
• напряжение нагрузки: 230 В / 12 А (2,5 кВт с радиатором)
• максимальная мощность без радиатора 300 Вт
• низкий уровень шума
• стабилизация оборотов
• мягкий старт
• размеры платы: 50×60 мм

Принципиальная электросхема

Схема модуля системы регулирования основана на генераторе ШИМ импульсов и симисторе управления мотором — классическая схемотехника для подобных устройств. Элементы D1 и R1 обеспечивают ограничение величины напряжения питания до значения безопасной для питания микросхемы генератора. Конденсатор C1 отвечает за фильтрацию напряжения питания. Элементы R3, R5 и P1 являются делителем напряжения с возможностью его регулирования, который используется для задания величины мощности, подаваемой в нагрузку. Благодаря применению резистора R2, непосредственно входящего в цепь поступления на м/с фазы, внутренние блоки синхронизированы с симистором ВТ139.

На следующем рисунке показано расположение элементов на печатной плате. Во время монтажа и запуска следует обратить внимание на обеспечение условий безопасной работы — регулятор имеет питание от сети 220В и его элементы непосредственно подключены к фазе.

Увеличение мощности регулятора

В испытательном варианте был применен симистор BT138/800 с максимальным током 12 А, что дает возможность управления нагрузкой более 2 кВт. Если необходимо управление ещё большими токами нагрузки — советуем тиристор установить за пределами платы на большом радиаторе. Также следует помнить о правильном выборе предохранителя FUSE в зависимости от нагрузки.

Кроме управления оборотами электромоторов, можно без каких-либо переделок использовать схему для регулировки яркости ламп.

Регулировать напряжение питания мощных потребителей удобно с помощью регуляторов с широтно-импульсной модуляцией. Преимущество таких регуляторов заключается в том, что выходной транзистор работает в ключевом режиме, а значить имеет два состояния - открытое или закрытое. Известно, что наибольший нагрев транзистора происходит в полуоткрытом состоянии, что приводит к необходимости устанавливать его на радиатор большой площади и спасать его от перегрева.

Предлагаю простую схему ШИМ регулятора. Питается устройство от источника постоянного напряжения 12В. При указанном экземпляре транзистора, выдерживает ток до 10А.

Рассмотрим работу устройства: На транзисторах VT1 и VT2 собран мультивибратор с регулируемой скважностью импульсов. Частота следования импульсов около 7кГц. С коллектора транзистора VT2 импульсы поступают на ключевой транзистор VT3, который управляет нагрузкой. Скважность регулируется переменным резистором R4. При крайнем левом положении движка этого резистора, см. верхнюю диаграмму, импульсы на выходе устройства узкие, что свидетельствует о минимальной выходной мощности регулятора. При крайнем правом положении, см. нижнюю диаграмму, импульсы широкие, регулятор работает на полную мощность.

Диаграмма работы ШИМ в КТ1

С помощью данного регулятора можно управлять бытовыми лампами накаливания на 12 В, двигателем постоянного тока с изолированным корпусом. В случае применения регулятора в автомобиле, где минус соединён с корпусом, подключение следует выполнять через p-n-p транзистор, как показано на рисунке.
Детали: В генераторе могут работать практически любые низкочастотные транзисторы, например КТ315, КТ3102. Ключевой транзистор IRF3205, IRF9530. Транзистор p-n-p П210 заменим на КТ825, при этом нагрузку можно подключать на ток до 20А!

И в заключении следует сказать, что данный регулятор работает в моей машине с двигателем обогрева салона уже более двух лет.

Список радиоэлементов