ШИМ-регулятор. Широтно-импульсная модуляция. Схема. Цифровой ШИМ регулятор оборотов коллекторного двигателя. Регулятор вращения коллекторного двигателя на ne555

Для регулировки частоты вращения маломощных электродвигателей коллекторного типа обычно применяют резистор, который включают последовательно с двигателем. Но такой способ включения обеспечивает очень низкий КПД, а самое главное не позволяет осуществлять плавную регулировку оборотов (найти переменный резистор достаточной мощности на несколько десятков Ом совсем не просто). А самый главный недостаток такого способа, это то, что иногда происходит остановка ротора при снижении напряжения питания.

ШИМ-регуляторы , речь о которых пойдет в этой статье, позволяют осуществлять плавную регулировку оборотов без перечисленных выше недостатков. Помимо этого ШИМ-регуляторы так же можно применять и для регулировки яркости ламп накаливания.

На рис.1 приведена схема одного из таких ШИМ-регуляторов . Полевой транзистор VT1 является генератором пилообразного напряжения (с частотой повторения 150 Гц), а операционный усилитель на микросхеме DA1 работает как компаратор, формирующий ШИМ-сигнал на базе транзистора VT2. Частота вращения регулируется переменным резистором R5, изменяющим ширину импульсов. Благодаря тому, что их амплитуда равна напряжению питания, электродвигатель не будет «тормозить», а кроме этого можно добиться более медленного вращения, чем в обычном режиме.

Схема ШИМ регуляторов на рис.2 аналогична предыдущей, но задающий генератор здесь выполнен на операционном усилителе (ОУ) DA1. Этот ОУ функционирует в роли генератора импульсов напряжения треугольной формы с частотой повторения 500 Гц. Переменный резистор R7 позволяет осуществлять плавную регулировку вращения.

На рис.3. представлена весьма интересная схема регулятора. Этот ШИМ регулятор выполнен на интегральном таймере NE555 . Задающий генератор имеет частоту повторения 500 Гц. Длительность импульсов, а, следовательно, и частоту вращения ротора электродвигателя можно регулировать в диапазоне от 2 до 98 % периода повторения. Выход генератора ШИМ регулятора на таймере NE555 подключен к усилителю тока, выполненному на транзисторе VT1 и собственно управляет электродвигателем М1.

Главным недостатком схем рассмотренных выше является отсутствие элементов стабилизации частоты вращения вала при изменении нагрузки. А вот следующая схема, показанная на рис.4., поможет решить эту проблему.

Данный ШИМ регулятор как и большинство аналогичных устройств, имеет задающий генератор импульсов напряжения треугольной формы (частота повторения 2 кГц), выполненный на DA1.1.DA1.2, компаратор на DA1.3, электронный ключ на транзисторе VT1, а также регулятор скважности импульсов, а по сути частоты вращения электродвигателя - R6. Особенностью схемы является наличие положительной обратной связи посредством резисторов R12, R11, диода VD1,конденсатора C2, и DA1.4, которая обеспечивает постоянную частоты вращения вала электродвигателя при изменении нагрузки. При подключении ШИМ регулятора к конкретному электродвигателю при помощи резистора R12 производится регулировка глубины ПОС, при которой не возникает автоколебаний частоты вращения при увеличении или уменьшении нагрузки на вал двигателя.

Элементная база. В приведенных в статье схемах можно использовать следующие аналоги деталей: транзистор КТ117А можно заменить на КТ117Б-Г или как вариант на 2N2646; КТ817Б - КТ815, КТ805; микросхему К140УД7 на К140УД6, или КР544УД1, ТL071, TL081; таймер NE555 на С555, или КР1006ВИ1; микросхему TL074 на TL064, или TL084, LM324. Если необходимо подключить к ШИМ-регулятору более мощную нагрузку ключевой транзистор КТ817 необходимо заменить более мощным полевым транзистором, как вариант, IRF3905 или подобным. Указанный транзистор способен пропускать токи до 50А.

При использовании электродвигателя в различных устройствах и инструментах неизменно возникает необходимость регулировки скорости вращения вала.

Самостоятельно сделать регулятор оборотов электродвигателя не составит труда. Нужно лишь подыскать качественную схему, устройство которой полностью бы подходило к особенностям и типу конкретного электрического двигателя.

Использование частотных преобразователей

Для регулировки оборотов электрического двигателя, работающего от сети с напряжением в 220 и 380 Вольт, могут использоваться частотные преобразователи. Высокотехнологичные электронные устройства позволяют благодаря изменению частоты и амплитуды сигнала плавно регулировать частоту вращения электродвигателя.

В основе таких преобразователей лежат мощные полупроводниковые транзисторы с широкоимпульсными модуляторами.

Преобразователи с помощью соответствующего блока управления на микроконтроллере позволяют плавно изменять показатель оборотов двигателя.

Высокотехнологичные преобразователи частоты используются в сложных и нагруженных механизмах. Современные частотные регуляторы имеют сразу несколько степеней защиты , в том числе по нагрузке, показателю тока напряжения и другим характеристикам. Отдельные модели питаются от электросети с однофазным напряжением в 220 Вольт и могут переделывать напряжение в трехфазные 380 Вольт. Использование таких преобразователей позволяет в домашних условиях использовать асинхронные электрические двигатели без применения сложных схем подключения.

Применение электронных регуляторов

Использование мощных асинхронных двигателей невозможно без применения соответствующих регуляторов оборотов. Такие преобразователи используются для следующих целей:

Используемая частотными преобразователями схема работы аналогична у большинства бытовых приборов. Похожие устройства также используются в сварочных аппаратах, ИБП, питании ПК и ноутбуков, стабилизаторах напряжения, блоках розжига ламп, а также в мониторах и жидкокристаллических телевизорах.

Несмотря на кажущуюся сложность схемы, сделать регулятор оборотов электродвигателя 220 В будет достаточно просто.

Принцип работы устройства

Принцип работы и конструкция регулятора оборотов двигателя отличается простотой, поэтому, изучив технические моменты, вполне по силам выполнить их самостоятельно. Конструктивно выделяют несколько основных компонентов, из которых состоят регуляторы вращения:

Отличием асинхронных двигателей от стандартных приводов является вращение ротора с максимальными показателями мощности при подаче напряжения на обмотку трансформатора. На начальном этапе показатели потребляемого тока и мощность у двигателя возрастает до максимума, что приводит к существенной нагрузке на привод и его быстрому выходу из строя.

При запуске двигателя на максимальных оборотах выделяется большое количество тепла, что приводит к перегреву привода, обмотки и других элементов привода. Благодаря использованию частотного преобразователя имеется возможность плавно разгонять двигатель, что предупреждает перегрев и другие проблемы с агрегатом. Электромотор может при использовании частотного преобразователя запускаться на частоте оборотов 1000 в минуту, а в последующем обеспечивается плавный разгон, когда каждые 10 секунд прибавляется 100−200 оборотов двигателя.

Изготовление самодельных реле

Изготовить самодельный регулятор оборотов электродвигателя 12 В не составит какого-либо труда. Для такой работы потребуется следующее:

• Проволочные резисторы.
• Переключатель на несколько положений.
• Блок управления и реле.

Использование проволочных резисторов позволяет изменять напряжение питания, соответственно, и частоту вращения двигателя. Такой регулятор обеспечивает ступенчатый разгон двигателя, отличается простой конструкции и может быть выполнен даже начинающими радиолюбителями. Такие простейшие самодельные ступенчатые регуляторы можно использовать с асинхронными и контактными двигателями.

Принцип работы самодельного преобразователя:

В прошлом наибольшей популярностью пользовались механические регуляторы, выполненные на основе вариатора или шестеренчатого привода. Однако они не отличались должной надежностью и часто выходили из строя.

Самодельные электронные регуляторы зарекомендовали себя с наилучшей стороны. Они используют принцип изменения ступенчатого или плавного напряжения, отличаются долговечностью, надежностью, имеют компактные габариты и обеспечивают возможность тонкой настройки работы привода.

Дополнительное использование в схемах электронных регуляторов симисторов и аналогичных устройств позволяет обеспечить плавное изменение мощности напряжения, соответственно электродвигатель будет правильно набирать обороты, постепенно выходя на свою максимальную мощность.

Для обеспечения качественной регулировки в схему включаются переменные резисторы, которые изменяют амплитуду входящего сигнала, обеспечивая плавное или ступенчатое изменение числа оборотов.

Схема на ШИМ-транзисторе

Регулировать скорость вращения вала у маломощных электродвигателей можно при помощи шин-транзистора и последовательного соединения резисторов в питании. Этот вариант отличается простотой реализации, однако имеет низкий КПД и не позволяет плавно изменять скорость вращения двигателя. Изготовить своими руками регулятор оборотов коллекторного двигателя 220 В с использованием шим-транзистора не составит особой сложности.

Принцип работы регулятора на транзисторе:

• Используемые сегодня шин-транзисторы имеют генератор пилообразного напряжения частотой в 150 Герц.
• Операционные усилители используются в роли компаратора.
• Изменение скорости вращения осуществляется за счёт наличия переменного резистора, управляющего длительностью импульсов.

Транзисторы имеют ровную постоянную амплитуду импульсов, идентичную амплитуде напряжения питания. Это позволяет выполнять регулировку оборотов двигателя 220 В и поддерживать работу агрегата даже при подаче минимального напряжения на обмотку трансформатора.

Благодаря возможности подключения микроконтроллера к ШИМ-транзистору обеспечивается возможность автоматической настройки и регулировки работы электропривода. Такие схемы исполнения преобразователей могут иметь дополнительные компоненты, которые расширяют функциональные возможности привода, обеспечивая работу в полностью автоматическом режиме.

Внедрение автоматических систем управления

Наличие в регуляторах и частотных преобразователях микроконтроллерного управления позволяет улучшить параметры работы привода, а сам мотор может работать в полностью автоматическом режиме, когда используемый контроллер плавно или ступенчато изменяет показатели частоты вращения агрегата. Сегодня в качестве микроконтроллерного управления используются процессоры, которые имеют отличающееся число выходов и входов. К такому микроконтроллеру можно подключить различные электронные ключи, кнопки, всевозможные датчики потери сигнала и так далее.

В продаже можно найти различные типы микроконтроллеров , которые отличаются простотой в использовании, гарантируют качественную настройку работы преобразователя и регулятора, а наличие дополнительных входов и выходов позволяет подключать к процессору различные дополнительные датчики, по сигналу которых устройство будет уменьшать или увеличивать число оборотов или же полностью прекращать подачу напряжения на обмотки электродвигателя.

Сегодня в продаже имеются различные преобразователи и регуляторы электродвигателя. Впрочем, при наличии даже минимальных навыков работы с радиодеталями и умении читать схемы можно выполнить такое простейшее устройство, которое будет плавно или ступенчато изменять обороты двигателя. Дополнительно можно включить в цепь управляющий симисторный реостат и резистор, что позволит плавно изменять обороты, а наличие микроконтроллерного управления полностью автоматизирует использование электрических двигателей.

Регулировка оборотов электродвигателей в современной электронной технике достигается не изменением питающего напряжения, как это делалось раньше, а подачей на электромотор импульсов тока, разной длительности. Для этих целей и служат, ставшие в последнее время очень популярными - ШИМ (широтно-импульсно модулируемые ) регуляторы. Схема универсальная - она же и регулятор оборотов мотора, и яркости ламп, и силы тока в зарядном устройстве.

Схема ШИМ регулятора

Указанная схема отлично работает, прилагается.

Без переделки схемы напряжение можно поднимать до 16 вольт. Транзистор ставить в зависимости от мощности нагрузки.

Можно собрать ШИМ регулятор и по такой электрической схеме, с обычным биполярным транзистором:

А при необходимости, вместо составного транзистора КТ827 поставить полевой IRFZ44N, с резистором R1 - 47к. Полевик без радиатора, при нагрузке до 7 ампер, не греется.

Работа ШИМ регулятора

Таймер на микросхеме NE555 следит за напряжением на конденсаторе С1, которое снимает с вывода THR. Как только оно достигнет максимума - открывается внутренний транзистор. Который замыкает вывод DIS на землю. При этом на выходе OUT появляется логический ноль. Конденсатор начинает разряжаться через DIS и когда напряжение на нем станет равно нулю - система перекинется в противоположное состояние — на выходе 1, транзистор закрыт. Конденсатор начинает снова заряжаться и все повторяется вновь.

Заряд конденсатора С1 идет по пути: «R2->верхнее плечо R1 ->D2«, а разряд по пути: D1 -> нижнее плечо R1 -> DIS. Когда вращаем переменный резистор R1, у нас меняются соотношения сопротивлений верхнего и нижнего плеча. Что, соответственно, меняет отношение длины импульса к паузе. Частота задается в основном конденсатором С1 и еще немного зависит от величины сопротивления R1. Меняя отношение сопротивлений заряда/разряда - меняем скважность. Резистор R3 обеспечивает подтяжку выхода к высокому уровню — так так там выход с открытым коллектором. Который не способен самостоятельно выставить высокий уровень.

Диоды можно ставить любые, конденсаторы примерно такого номинала, как на схеме. Отклонения в пределах одного порядка не влияют существенно на работу устройства. На 4.7 нанофарадах, поставленных в С1, например, частота снижается до 18кГц, но ее почти не слышно.

Если после сборки схемы греется ключевой управляющий транзистор, то скорее всего он полностью не открывается. То есть на транзисторе большое падение напряжения (он частично открыт) и через него течет ток. В результате рассеивается большая мощность, на нагрев. Желательно схему параллелить по выходу конденсаторами большой емкости, иначе будет петь и плохо регулировать. Чтобы не свистел - подбирайте С1, свист часто идет от него. В общем область применения очень широкая, особенно перспективным будет её использование в качестве регулятора яркости мощных светодиодных ламп, LED лент и прожекторов, но про это в следующий раз. Статья написана при поддержке ear, ur5rnp, stalker68.

Еще один обзор на тему всяких вещей для самоделок. На этот раз я расскажу о цифровом регуляторе оборотов. Вещица по своему интересная, но хотелось большего.
Кому интересно, читайте дальше:)

Имея в хозяйстве некоторые низковольтные устройства типа небольшой шлифовальной машинки и т.п. я захотел немного увеличить их функциональный и эстетический вид. Правда это не получилось, хотя я надеюсь все таки добиться своего, возможно в другой раз, на за саму вещицу расскажу сегодня.
Производитель данного регулятора фирма Maitech, вернее именно это название часто встречается на всяких платках и блочках для самоделок, хотя сайт этой фирмы почему то мне не попался.

Из-за того, что я не сделал в итоге то, что хотел, обзор будет короче обычного, но начну как всегда с того, как это продается и присылается.
В конверте лежал обычный пакетик с защелкой.

В комплекте только регулятор с переменным резистором и кнопкой, жесткой упаковки и инструкции нет, но доехало все целым и без повреждений.

Сзади присутствует наклейка, заменяющая инструкцию. В принципе большего для такого устройства и не требуется.
Указан рабочий диапазон напряжения 6-30 Вольт и максимальный ток в 8 Ампер.

Внешний вид весьма неплох, темное «стекло», темно-серый пластик корпуса, в выключенном состоянии кажется вообще черным. По внешнему виду зачет, придраться не к чему. Спереди была приклеена транспортировочная пленка.
Установочные размеры устройства:
Длина 72мм (минимальное отверстие в корпусе 75мм), ширина 40мм, глубина без учета передней панели 23мм (с передней панелью 24мм).
Размеры передней панели:
Длина 42.5, мм ширина 80мм

Переменный резистор идет в комплекте с ручкой, ручка конечно грубовата, но для применения вполне сойдет.
Сопротивление резистора 100КОм, зависимость регулировки - линейная.
Как потом выяснилось, 100КОм сопротивление дает глюк. При питании от импульсного БП невозможно выставить стабильные показания, сказывается наводка на провода к переменному резистору, из-за чего показания скачут +\- 2 знака, но ладно бы скакали, вместе с этим скачут обороты двигателя.
Сопротивление резистора высокое, ток маленький и провода собирают все помехи вокруг.
При питании от линейного БП такая проблема отсутствует полностью.
Длина проводов к резистору и кнопке около 180мм.

Кнопка, ну тут ничего особенного. Контакты нормально открытые, установочный диаметр 16мм, длина 24мм, подсветки нет.
Кнопка выключает двигатель.
Т.е. при подаче питания индикатор включается, двигатель запускается, нажатие на кнопку его выключает, второе нажатие включает опять.
Когда двигатель выключен то индикатор так же не светится.

Под крышкой находится плата устройства.
На клеммы выведены контакты питания и подключения двигателя.
Плюсовые контакты разъема соединены вместе, силовой ключ коммутирует минусовой провод двигателя.
Подключение переменного резистора и кнопки разъемное.
На вид все аккуратно. Выводы конденсатора немного кривоваты, но я думаю что это можно простить:)

Дальнейшую разборку я спрячу под спойлер.

Подробнее

Индикатор довольно большой, высота цифры 14мм.
Размеры платы 69х37мм.

Плата собрана аккуратно, около контактов индикатора присутствуют следы флюса, но в целом плата чистая.
На плате присутствуют: диод для защиты от переполюсовки, стабилизатор 5 Вольт, микроконтроллер, конденсатор 470мкФ 35 Вольт, силовые элементы под небольшим радиатором.
Так же видны места под установку дополнительных разъемов, назначение их непонятно.

Набросал небольшую блок-схему, просто для примерного понимания что и как коммутируется и как подключается. Переменный резистор так и включен одной ногой к 5 Вольт, второй на землю. потому его можно спокойно заменить на более низкий номинал. На схеме нет подключений к нераспаянному разъему.

В устройстве использован микроконтроллер производства STMicroelectronics.
Насколько мне известно, этот микроконтроллер используется в довольно большом количестве разных устройств, например ампервольтметрах.

Стабилизатор питания , при работе на максимальном входном напряжении нагревается, но не очень сильно.

Часть тепла от силовых элементов отводится на медные полигоны платы, слева видно большое количество переходов с одной стороны платы на другую, что помогает отводить тепло.
Так же тепло отводится при помощи небольшого радиатора, который прижат к силовым элементам сверху. Такое размещение радиатора кажется мне несколько сомнительным, так как тепло отводится через пластмассу корпуса и такой радиатор помогает несильно.
Паста между силовыми элементами и радиатором отсутствует, рекомендую снять радиатор и промазать пастой, хоть немного но станет лучше.

В силовой части применен транзистор , сопротивление канала 3.3мОм, максимальный ток 161 Ампер, но максимальное напряжение всего 30 Вольт, потому я бы рекомендовал ограничивать входное на уровне 25-27 Вольт. При работе на околомаксимальных токах присутствует небольшой нагрев.
Так же рядом расположен диод, который гасит выбросы тока от самоиндукции двигателя.
Здесь применен 10 Ампер, 45 Вольт. К диоду вопросов нет.

Первое включение. Так получилось, что испытания я проводил еще до снятия защитной пленки, потому на этих фото она еще есть.
Индикатор контрастный, в меру яркий, читается отлично.

Сначала я решил попробовать на мелких нагрузках и получил первое разочарование.
Нет, претензий к производителю и магазину у меня нет, просто я надеялся, что в таком относительно недешевом устройстве будет присутствовать стабилизация оборотов двигателя.
Увы, это просто регулируемый ШИМ, на индикаторе отображается % заполнения от 0 до 100%.
Мелкого двигателя регулятор даже не заметил, дня него это совсем смешной ток нагрузки:)

Внимательные читатели наверняка обратили внимание на сечение проводов, которыми я подключил питание к регулятору.
Да, дальше я решил подойти к вопросу более глобально и подключил более мощный двигатель.
Он конечно заметно мощнее регулятора, но на холостом ходу его ток около 5 Ампер, что позволило проверить регулятор на режимах более приближенных к максимальным.
Регулятор вел себя отлично, кстати я забыл указать что при включении регулятор плавно увеличивает заполнение ШИМ от нуля до установленного значения обеспечивая плавный разгон, на индикаторе при этом сразу показывается установленное значение, а не как на частотных приводах, где отображается реальное текущее.
Регулятор не вышел из строя, немного нагрелся, но не критично.

Так как регулятор импульсный, то я решил просто ради интереса потыкаться осциллографом и посмотреть что происходит на затворе силового транзистора в разных режимах.
Частота работы ШИМа около 15 КГц и не меняется в процессе работы. Двигатель заводится примерно при 10% заполнения.

Изначально я планировал поставить регулятор в свой старый (скорее уже древний) блок питания для мелкого электроинструмента (о нем как нибудь в другой раз). по идее он должен был стать вместо передней панели, а на задней должен был расположиться регулятор оборотов, кнопку ставить не планировал (благо при включении устройство сразу переходит в режим - включено).
Должно было получиться красиво и аккуратно.

Но дальше меня ждало некоторое разочарование.
1. Индикатор хоть и был немного меньше по габаритам чем вставка передней панели, но хуже было то, что он не влазил по глубине упираясь в стойки для соединения половинок корпуса.
и если пластмассу корпуса индикатора можно было срезать, то не стал бы все равно, так как дальше мешала плата регулятора.
2. Но даже если бы первый вопрос я бы решил, то была вторая проблема, я совсем забыл как у меня сделан блок питания. Дело в том, что регулятор рвет минус питания, а у меня дальше по схеме стоит реле реверса, включения и принудительной остановки двигателя, схема управления всем этим. И с их переделкой оказалось все куда сложнее:(

Если бы регулятор был со стабилизацией оборотов, то я бы все таки заморочился и переделал схему управления и реверса, либо переделал регулятор под коммутацию + питания. А так можно и переделаю, но уже без энтузиазма и теперь не знаю когда.
Может кому интересно, фото внутренностей моего БП, собирался он лет так около 13-15 назад, почти все время работал без проблем, один раз пришлось заменить реле.

Резюме.
Плюсы
Устройство полностью работоспособно.
Аккуратный внешний вид.
Качественная сборка
В комплект входит все необходимое.

Минусы .
Некорректная работа от импульсных блоков питания.
Силовой транзистор без запаса по напряжению
При таком скромном функционале завышена цена (но здесь все относительно).

Мое мнение. Если закрыть глаза на цену устройства, то само по себе оно вполне неплохое, и выглядит аккуратно и работает нормально. Да, присутствует проблема не очень хорошей помехозащищенности, думаю что решить ее несложно, но немного расстраивает. Кроме того рекомендую не превышать входное напряжение выше 25-27 Вольт.
Больше расстраивает то, что я довольно много смотрел варианты всяких готовых регуляторов, но нигде не предлагают решение со стабилизацией оборотов. Возможно кто то спросит, зачем мне это. Объясню, как то попала в руки шлифовальная машинка со стабилизацией, работать гораздо приятнее чем обычной.

На этом все, надеюсь что было интересно:)

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.