ШИМ-контроллер скорости мотора / регулятор яркости
Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) – это устройство, которое может использоваться в качестве эффективного регулятора света или скорости двигателя постоянного тока. Описанная здесь схема предназначена для управления приборами постоянного тока с потреблением до нескольких ампер. Схема может работать как в 12-, так и в 24-вольтовых системах, лишь с небольшими изменениями в подключении. Это устройство было использовано для управления яркостью задних габаритных огней автомобиля и в качестве регулятора частоты вращения двигателя небольшого вентилятора, установленного в блоке питания компьютера.
| Надписи на схеме | |
| Oscillator | Генератор |
| 12V or 24V DC Pulse Width Modulator | Широтно-импульсный модулятор с напряжением питания 12 или 24 В DC |
| Pulse Width | Ширина импульса |
| Less | Меньше |
| More | Больше |
| VDC Input | Вход напряжения постоянного тока |
| Load | Нагрузка |
| Pinout | Цоколевка |
| Comparator | Компаратор |
| For 12V operation, short J1, omit U2, C4, C5 | При напряжении питания 12 В замкнуть перемычку J1, U2, C4, C5 не устанавливать |
| For 24V operation, short J2, omit C2 | При напряжении питания 24 В замкнуть перемычку J2, C2 не устанавливать |
Схема ШИМ работает, генерируя прямоугольные импульсы с переменной скважностью, которая в среднем может изменяться от 0 до 100 процентов. Таким образом, в нагрузку передается определенное количество мощности. Основным преимуществом схемы ШИМ над резистивными регуляторами питания является КПД. При установке регулятора на уровне 50% мощности в нагрузке, ШИМ будет использовать около 50% от всей мощности, почти вся из которой передастся в нагрузку; резистивный регулятор при 50% мощности нагрузки будет потреблять около 71% от полной мощности, 50% мощности идет в нагрузку, остальные 21% тратятся на нагрев последовательного резистора. КПД почти всегда решающий фактор в солнечных и других альтернативных источниках энергии.
Еще одно преимущество широтно-импульсной модуляции в том, что импульсы достигают полного напряжения питания и будут обеспечивать больший крутящий момент для двигателей, будучи в состоянии легче преодолевать их внутреннее сопротивление. Наконец, в схеме ШИМ для регулирования всевозможных нагрузок могут использоваться маломощные потенциометры, в то время как в резистивных регуляторах необходимы мощные и дорогие переменные резисторы.
Основными недостатками схемы ШИМ являются повышенная сложности и возможность генерации радиочастотных помех (RFI). Помехи могут быть сведены к минимуму за счет размещения регулятора вблизи нагрузки, и использования коротких проводов по питанию, и в некоторых случаях, с использованием дополнительных мер фильтрации питания. Эта схема создает определенные помехи, но их воздействие на АМ радиоприемник, расположенный на расстоянии 30 см, минимально. Если дополнительная фильтрация необходима, можно включить дроссель после силового разъема, но убедитесь, что максимальный ток потребления не превышает номинального тока дросселя. Большинство помех будет генерироваться сильноточными цепями, идущими от источника питания, нагрузки, и при переключении транзистора Q1.
Спецификация
3 А для полевого транзистора IRF521,
>10 A для полевого транзистора IRFZ34N с теплоотводом
Ток потребления схемы ШИМ
1.5 мА при 12 В без тока нагрузки и без светодиода
12 В или 24 В, в зависимости от конфигурации
Теория
Схема ШИМ требует постоянно работающего генератора. Генератор на U1a формирует прямоугольный сигнал частотой около 400 Гц, который усилителем U1d преобразуется в треугольный.
На U1c сделан источник опорного напряжения 6 В. Опорное напряжение используется в качестве виртуальной земли для генератора, это необходимо, чтобы генератор питался от однополярного источника, а не от двухполярного.
U1b включен как компаратор, и именно эта часть схемы создает импульсы переменной ширины. На контакт 6 U1b поступает изменяемое напряжение с делителя R6, VR1, R7. Это напряжение сравнивается с треугольным сигналом на выводе 14 U1b. Когда уровень этого сигнала выше напряжения на выводе 6, на выходе U1b высокий уровень. И наоборот, когда уровень сигнала ниже напряжения на выводе 6, на выходе низкий уровень. Изменяя напряжение на выводе 6, переключающие точки уровня этого напряжения перемещаются вверх и вниз относительно треугольного сигнала, создавая импульсы переменной длительности. Резисторы R6 и R7 используются для установки граничных напряжений управления VR1. Приведенные значения резисторов позволяют регулировать мощность от нуля до максимума при полном обороте движка потенциометра. Возможно, значения резисторов R6 и R7 нужно будет подобрать, чтобы обеспечить полное изменение длительности импульсов при изменении напряжения потенциометром.
Силовой ключ на транзисторе Q1, управляемый по выводу затвора G импульсами переменной ширины, включает и выключает ток нагрузки, текущий от истока к стоку. Когда Q1 открыт, через него проходит ток нагрузки на «землю», когда Q1 закрыт, нагрузка отключается от «земли». Следует проявлять осторожность, чтобы контакты подключения нагрузки не соединялись с «землей» или не замыкались накоротко.
Нагрузка постоянно подключена к положительному полюсу источника питания. Светодиод LED1 индицирует своей яркостью величину скважности импульсов. Конденсатор С3 сглаживает импульсный сигнал и отчасти устраняет помехи. D1– шунтирующий диод, он устраняет выбросы обратного напряжения от индуктивной нагрузки, например, двигателя.
В режиме 24 В стабилизатор U2 преобразует 24 В в 12 В для питания схемы ШИМ, транзистор Q1 коммутирует напряжение питания 24 В через нагрузку на «землю» так же, как и при питании 12 В. Инструкции по переключению схемы на питание от 12 или 24 В вы найдете на схеме.
При подключении нагрузки, потребляющей ток не более 1 А, устанавливать транзистор Q1 на радиатор не требуется, если же вы планируете подключать нагрузку на больший ток, понадобятся радиатор и теплопроводящая паста. Транзистор Q1 может быть заменен на более сильноточный, подходящие замены – IRFZ34N, IRFZ44N, или IRFZ48N. Такие компоненты как переключатель S1, предохранитель F1, проводники между полевым транзистором, блоком питания и нагрузкой должны быть рассчитаны на максимальный ток нагрузки.
Конструкция
Прототип устройства был собран на макетной плате, радиоэлементы и провода установлены в отверстия платы. Один из вариантов готового устройства был использован для регулирования скорости вентилятора постоянного тока, установленного на крышке небольшой металлической коробки, внутри которой размещалась схема ШИМ.
С использованием бесплатной CAD программы, работающей под Linux, была разработана несложная печатная плата (см. рисунок). Изображение платы было напечатано на лазерном PostScript принтере на трансферной пленке Techniks для переноса рисунка тонера. Напечатанное на пленке изображение было наложено на очищенную медную поверхность фольгированного текстолита и проглажено утюгом. Плата травится в растворе хлорного железа. Отверстия сверлятся тонким сверлом, радиокомпоненты припаиваются в отверстия и плата подключается к блоку питания и нагрузке. Эта техника отлично подходит для быстрого изготовления печатной платы, но не подходит для изготовления большого количества плат. Изображение печатных проводников показано на рисунке, оно может быть напечатано на пленке для переноса на медную фольгу, или использовано в фотографическом процессе травления.
В качестве альтернативы можно применить метод изготовления «выводами вверх». Этот метод предполагает следующее: на небольшой кусок фольгированного текстолита со стороны меди с помощью быстросохнущей эпоксидной смолы приклеиваются радиокомпоненты выводами вверх, и при помощи пайки выводы соединяются проводами. Выводы, которые должны подсоединятся к «земле», могут быть припаяны непосредственно к медной фольге.
Настройка
Настройка этой схемы не требуется.
Использование
Это устройство может работать, как регулятор яркости лампы постоянного тока, как регулятор небольшого двигателя, и даже для управления небольшим нагревателем. Эта схема была бы подходящим регулятором скорости электропоезда на солнечной батарее. Устройство было опробовано с 5-амперным электродвигателем при использовании полевого транзистора IRFZ34N и работало нормально. При использовании других двигателей диод D1, возможно, потребуется заменить на более быстродействующий и мощный. Схема может использоваться как система управления электродвигателем велосипеда, но если вы экспериментируете с этим, не забудьте установить выключатель питания с удобным и быстрым доступом. Это необходимо на случай пробоя полевого транзистора и включения двигателя на полную мощность.
Подключите блок питания на 12 или 24 В, или аккумулятор, согласно схеме, к входным клеммам, нагрузку подключите к выходным клеммам и убедитесь, что на выходных клеммах нет замыкания на корпус, например, при подключении заземленного электродвигателя. Поверните ручку потенциометра вперед и назад, двигатель должен изменять скорость вращения, свет лампы должен изменяться.
ШИМ регулятор большой мощности
Такой ШИМ регулятор может быть применен для управления мощными нагрузками , в том числе и низковольтными электродвигателями.Сегодня постараюсь сделать небольшой поверхностный обзор этого чудо-модуля и показать основные части и принцип работы.
Произведено естественно в Китае, жаль , что на плате затерты многие компоненты, хотя итак понятно что к чему.
Шим регулятор обеспечивает плавную регулировку мощности , диапазон выходных напряжений 10-50 Вольт , что проверялось неоднократно. Максимальный ток до 60 Ампер, а это дает возможность использовать такую плату для управления (регулировки) оборотов электрокаров, скутеров или велосипедов. Модуль как раз специально заточен для таких целей из-за наличия гасящих диодов, которые предназначены для защиты полевых ключей от самоиндукции двигателя. Для того кто захочет приобрести данный товар, вот ссылка
На плате 12 трехвыводных компонента в корпусе ТО220, у каждого свой теплоотвод, из них 4 являются диодами , а остальные 8 – полевые транзисторы .
Китайские инженеры затерли очень многое на плате, в том числе и полевики (точнее они вообще без маркировки).
Имеется задающий генератор, на выходе которого установлен делитель. Таким образом получено два аналогичных сигнала, которые поступают на двайвера, а их две.
Каждый драйвер управляет линейкой полевиков ( 4 шт) в итоге силовые выводы всех полеввиков включены параллельно.
Схема очень продуманная, но одного китайцы не учли – не имеется защита от кз на выходе.
Вообще это уже второй подобный модуль у меня, в первом варианте был установлен низкоомный шунт – беседа с продавцом подтвердила, что это токовый шунт, с которого берутся показания для системы защиты, т.е фиксируется падение именно на этом шунте, но когда плата доехала я был в шоке – шунт имеется, но на плате попросту не установлены компоненты схемы защиты , таким образом шунт играет роль банальной перемычки, в итоге эта плата сгорела в один прекрасный миг.
А та плато , о которой сегодня беседуем, пока жива и здорова, но опять же – очень уязвима из-за отсутствия защит.
По схематической части все стандартно – мощный шим регулятор оборотов для движка, важно не превысить максимально допустимое входное напряжение (50 Вольт макс) а то сгорит схема стабилизатора, который обеспечивает питание для шим микросхемы и драйвера.
Регулировать яркость галогенных ламп и других пассивных нагрузок тоже можно без проблем. Проверял регулятор под нагрузкой в 30 Ампер , ключи еле -еле теплые , не смотря на маленькие теплоотводы, хотя это стоило ожидать, ведь шим управление гораздо эффективнее, чем линейное.
Мощный 6-ти канальный ШИМ (PWM) регулятор с ручным управлением
Прямой применяемости устройства в авто я не вижу, но решения можно использовать в таких поделках, как регулировка яркости фар, подсветки салона, плавного розжига, дальний в пол накала и т.д. и .т.п… Просто используйте силовую часть в ваших целях. Для управления яркостью ламп дальнего света достаточно одного канала по схеме с одним 555 таймером) с нагрузкой 120W вполне можно обойтись без вентилятора.
У меня же возникла необходимость сделать усилитель ШИМ сигнала c шести PWM выходов Arduino Uno R3 для управления в течении нескольких дней подсветкой в большой рекламной конструкции.
Что имелось —
3 шт. импульсных БП 12V/350W, шесть независимых нагрузок по 150 — 200W и контроллер на базе Arduino.
Для того, что бы была возможность впоследствии использовать усилитель в других целях решил добавить встроенный ШИМ регулятор на 555 таймере на 3 канала. Это позволит к примеру — настроить нужный цвет RGB ленты вручную с суммарной мощностью больше 1 kWt. По работе иногда требуется и такое)
Для начала пробы на макете —
Схема для встроенного ШИМ найдена здесь же — на просторах драйва и воплощена в железе на трех 555 таймерах, выход каждого из них подключен к двум каналам усилителя. Для использования внешнего сигнала достаточно просто снять тумблером питание с этой платы. Для питания ардуины предусмотрен линейный стабилизатор 7808, общий провод которого так же является общим для сигнальных выходов контроллера. Это напряжение там всегда присутствует, если подключен хотя бы один БП.
Сам усилитель представляет собой 6 полевиков, выбранных в чипе-дипе исходя из оптимального соотношения параметров цена/ток/сопротивление канала + управление логическим уровнем. Таким транзистором оказался IRLZ44NPBF, N-канал 55V 47А logic в корпусе TO-220 по 33 рубля за штуку. Полевики установлены на радиаторы с площадью около 100 кв.см. Драйвер для управления не использовал, обошелся решением “для бедных” — комплементарная пара на канал BC337-327 в корпусе ТО-92. Для защиты выходов от КЗ установил обычные автомобильные предохранители 20A.
Корпус склеен из ПВХ толщиной 3мм. Для охлаждения в торце корпуса установлен кулер. При токах меньше 12А на канал и управлении от встроенного ШИМ радиаторы остаются холодными. При нагрузке 16-18А становятся теплыми, но не кипят. Нужно было предусмотреть включение кулера в зависимости от температуры, ибо коробочка получилась шумной, но это учту в следующей подобной поделке.
_
Видео работы от Arduino с нагруженным каналом (больше 200W) — Слышно как “поют” нити ламп накаливания с частотой ШИМ ардуины. С лентой такого конечно же не будет.
__________
ЗЫ.
Дабы не отвечать на каждый похожий комментарий вроде “для чего нужен драйвер” и “если IRLZ44N открывается логическим уровнем, почему я не повесил каналы напрямую к ардуине” решил сделать небольшое дополнение для очень продвинутых советчиков-теоретиков.
1. Ток каждого выхода контроллера — ДО 40 мА.
2. Суммарный ток на всех выводах контроллера — 200 мА.
3. Частота шим на 5-6 выходе ардуины — почти килогерц.
4. Частота шим на 3,11, 9-10 выходе ардуины — 488 Гц.
5. Напряжение (уровень) на затворе и ток заряда емкости затвора — вещи как ни странно разные, хотя и взаимозависимые.
6. Ток затвора должен быть таким, чтобы успеть полностью открыть и закрыть полевик на заданной частоте ШИМ.
Теперь давайте все же заглянем в даташит транзистора и найдем его параметр Qg Total Gate Charge — 48, поделим его на Turn-On Time, и о, чудо! — получим ток в начале заряда около 0,4 А. Это конечно для предельных частот будет справедливо, и ток конечно снижается по экспоненте от начала заряда, но все же если подходить с этой стороны — какой тут выход ардуины может быть? Еще нужно так же прикинуть ток, разряжающий емкость затвора при закрытии. А если увеличить частоту ШИМ? Усилитель то — универсальный. А я по току не лезу хоть как. А значит будем либо ломать фронты и греть воздух, либо таки — подобие драйвера. В этой схеме драйвер конечно не обеспечивает максимальный ток из расчета выше, но и превышает допустимый для ардуины (причем намного), хотя является достаточным для работы в качестве управлялки яркостью с разумными частотами ШИМ. Хотя у меня и нагрузка не предельная — максимум 40% от паспортной, транзисторы уже становятся теплыми. Это нормально при имеющемся сопротивлении открытого канала ( этот драйвер не обеспечивает нормальные фронты) и токе 18-20 А.
Теперь к нашим баранам.
Если вывести частоту шим за пределы слышимости (чтобы управлять двигателем например и не слышать писка шим) подключенные к выходам ардуины полевики начнут закипать просто не успевая открываться. Да и на 400 Гц. будет то же самое. Если кто хочет пожечь свой контроллер или горстку n-канальных полевичков — разубеждать не буду, развлекайтесь.
Поскольку использовать в дальнейшем усилитель с ардуино не планируется, большой ценой 6 пар BC327-337 за универсальность не назовешь. Да и не только в этом дело. Если хотите коммутировать большие токи, используя параметры транзистора хотя бы на половину — без простейших драйверов вы не обойдетесь. Единственное, что я бы изменил — уменьшил номинал Rg до 100-150 мА тока коллектора драйвера, (R1, R5 и т. д по схеме). Как то так.
Поскольку от задания до готового усилителя времени было всего пару дней и с макета после проверки без каких либо расчетов схему перенёс на печать — в планах повторить аналогичный регулятор с точно рассчитанным драйвером для предельной частоты этих же ключей и максимальным током 40 А на канал. Также обойтись одним общим радиатором без принудительного охлаждения, уменьшить в несколько раз габариты устройства. Отчет конечно же будет)
Удачи в ваших начинаниях)
СХЕМА ШИМ РЕГУЛЯТОРА
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, печатная плата 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.
Рекомендации по сборке и настройке
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.
ШИМ регулятор большой мощности
Товар можно купить тут
Этот обзор посвящен мощному ШИМ регулятору мощности со стоимостью чуть больше 10$
Это специализированный регулятор оборотов мощных электродвигателей постоянного тока, может управлять двигателями с мощностью до 3-х кВт.
Может быть задействован в электрокарах, мопедах и велосипедах.
Отлично подходит для регулировки мощности пассивных потребителей постоянного тока, например обогреватели мощные лампы и многое другое, в общем отличная штука, если ищете способ управления моторами и мощными низковольтными нагрузками постоянного тока.
Плата состоит из генератора, двух драйверов, 8-и полевых N – канальных ключей и 4-х диодных сборок, все силовые компоненты установлены на маленькие теплоотводы.
А это основные параметры платы.
На счет схематики – в принципе срисовать можно, но пока нет времени.
Маркировка основного генератора затерта, думаю понятно для каких целей, это маркетинговая тактика и если генератор у вас сгорит вы будете вынуждены купить новую плату.
Под микроскопом весьма интересная картина, помимо микросхемы генератора мы видим две микросхемы драйвера и пара ключей для стабилизации напряжения схемы управления. Но самое интересное в драйверах – видим маркировку 555, да этот тот самый таймер 555. Работает система так – сигнал с генератора поступает на входы обеих микросхемы 555, каждая микросхема управляет 4-я полевыми ключами. Сначала не поверил глазам, что управляющим звеном является 555 таймер, но и по схематике и по напряжениям на выводах и по маркировке – это самые обычные микросхемы 555.
Маркировка полевых ключей затерта, диоды на 100В 20А, обычные диодные сборки, они для гашения паразитной самоиндукции с двигателя.
По входу видим 4 параллельных электролита 63 Вольт 330мкФ каждый.
Имеем красный индикатор включения и переменный резистор с выключателем, котором собсно включаем плату и регулируем мощность.
Сама плата отличного качества, силовые шины дополнительно усилены, ничего не болтается и смотрится хорошо.
Ток ХХ не более 30-40 мА почти во всем диапазоне питающих напряжений, как и заявлял производитель.
Следующим делом делом проверил минимальное напряжение питания.
Для этого к выходу платы была подключена обычная лампочка, плата сохраняет работоспособность при напряжении в 6,2 Вольт, но я заметил некорректное управление при таких низких напряжениях, все стало на свои места уже при питающем напряжении в 10 Вольт, так, что производитель прав.
Это это осциллограммы на затворе одного из ключей, где наглядно видим изменение скважности импульсов при разных положениях регулятора.
Я думаю принцип ШИМ (а если точнее ШИ) управления нет необходимости пояснять.
А это рабочая частота генератора.
Для следующего теста я долго искал подходящий источник питания, в итоге последовательно соединил автомобильный аккум (замечу дохлый), jump starter (по сути полимерный аккум на 12 Вольт) и сборку из аккумуляторов 18650, суммарное напряжение 12 Вольт, емкость 8800мА/ч, в итоге напряжение, которое подавалось на плату регулятора составило около 36 Вольт
Нагрузкой служили 3 лампы от кинопроектора с мощностью в 400 ватт при напряжении в 30 вольт, т.е. суммарно получаем около 1200 ватт.
Ваттметр показывал все, что творилось на выходе, в итоге мощность около 1200 ватт, аккумы быстро начали просаживаться, но удивительно то, что ключи на плате регулятора были еле теплые, хотя разогнал лишь на 30-35% от заявленного максимума, думаю 3000 ватт потерпит, хотя нужно будет принудительно охлаждать ключи.
Простая схема управления двигателем постоянного тока
Простейшая схема управления двигателем постоянного тока состоит из полевого транзистора, на затвор которого подается ШИМ сигнал. Транзистор в данной схеме выполняет роль электронного ключа, коммутирующего один из выводов двигателя на землю. Транзистор открывается на момент длительности импульса.
Как будет вести себя двигатель в таком включении? Если частота ШИМ сигнала будет низкой (единицы Гц), то двигатель будет поворачиваться рывками. Это будет особенно заметно при маленьком коэффициенте заполнения ШИМ сигнала.
При частоте в сотни Гц мотор будет вращаться непрерывно и его скорость вращения будет изменяться пропорционально коэффициенту заполнения. Грубо говоря, двигатель будет “воспринимать” среднее значение подводимой к нему энергии.
Схема для генерации ШИМ сигнала
Существует много схем для генерации ШИМ сигнала. Одна из самых простых – это схема на основе 555-го таймера. Она требует минимум компонентов, не нуждается в настройке и собирается за один час.
Напряжение питания схемы VCC может быть в диапазоне 5 – 16 Вольт. В качестве диодов VD1 – VD3 можно взять практически любые диоды.
Если интересно разобраться, как работает эта схема, нужно обратиться к блок схеме 555-го таймера. Таймер состоит из делителя напряжения, двух компараторов, триггера, ключа с открытым коллектором и выходного буфера.
Вывод питания (VCC) и сброса (Reset) у нас заведены на плюс питания, допустим, +5 В, а земляной (GND) на минус. Открытый коллектор транзистора (вывод DISCH) подтянут к плюсу питания через резистор и с него снимается ШИМ сигнал. Вывод CONT не используется, к нему подключен конденсатор. Выводы компараторов THRES и TRIG объединены и подключены к RC цепочке, состоящей из переменного резистора, двух диодов и конденсатора. Средний вывод переменного резистора подключен к выводу OUT. Крайние выводы резистора подключены через диоды к конденсатору, который вторым выводом подключен к земле. Благодаря такому включению диодов, конденсатор заряжается через одну часть переменного резистора, а разряжается через другую.
В момент включения питания на выводе OUT низкий логический уровень, тогда на выводах THRES и TRIG, благодаря диоду VD2, тоже будет низкий уровень. Верхний компаратор переключит выход в ноль, а нижний в единицу. На выходе триггера установится нулевой уровень (потому что у него инвертор на выходе), транзисторный ключ закроется, а на выводе OUT установиться высокий уровень (потому что у него на инвертор на входе). Далее конденсатор С3 начнет заряжаться через диод VD1. Когда она зарядится до определенного уровня, нижний компаратор переключится в ноль, а затем верхний компаратор переключит выход в единицу. На выходе триггера установится единичный уровень, транзисторный ключ откроется, а на выводе OUT установится низкий уровень. Конденсатор C3 начнет разряжаться через диод VD2, до тех пор, пока полностью не разрядится и компараторы не переключат триггер в другое состояние. Далее цикл будет повторяться.
Приблизительную частоту ШИМ сигнала, формируемого этой схемой, можно рассчитать по следующей формуле:
где R1 в омах, C1 в фарадах.
При номиналах указанных на схеме выше, частота ШИМ сигнала будет равна:
F = 1.44/(50000*0.0000001) = 288 Гц.
ШИМ регулятор оборотов двигателя постоянного тока
Объединим две представленные выше схемы, и мы получим простую схему регулятора оборотов двигателя постоянного тока, которую можно применить для управления оборотами двигателя игрушки, робота, микродрели и т.д.
VT1 – полевой транзистор n-типа, способный выдерживать максимальный ток двигателя при заданном напряжении и нагрузке на валу. VCC1 от 5 до 16 В, VCC2 больше или равно VCC1.
Вместо полевого транзистора можно использовать биполярный n-p-n транзистор, транзистор дарлингтона, оптореле соответствующей мощности.
ШИМ-регулятор. Широтно-импульсная модуляция. Схема
При работе с множеством различных технологий часто стоит вопрос: как управлять мощностью, которая доступна? Что делать, если её необходимо понизить или повысить? Ответом на эти вопросы служит ШИМ-регулятор. Что он собой представляет? Где применяется? И как самому собрать такой прибор?
Что такое широтно-импульсная модуляция?
Без выяснения значения этого термина продолжать не имеет смысла. Итак, широтно-импульсная модуляция — это процесс управления мощностью, которая подводится к нагрузке, осуществляемая путём видоизменения скважности импульсов, которая делается при постоянной частоте. Существует несколько типов широтно-импульсной модуляции:
3. Двоичный (двухуровневый).
4. Троичный (трехуровневый).
Что такое ШИМ-регулятор?
Теперь, когда мы знаем, что такое широтно-импульсная модуляция, можно поговорить и о главной теме статьи. Используется ШИМ-регулятор для того, чтобы регулировать напряжение питания и для недопущения мощных инерционных нагрузок в авто- и мототехнике. Это может звучать слишком сложно и лучше всего пояснить на примере. Допустим, необходимо сделать, чтобы лампы освещения салона меняли свою яркость не сразу, а постепенно. Это же относится к габаритным огням, автомобильным фарам или вентиляторам. Воплотить такое желание можно путём установки транзисторного регулятора напряжения (параметрический или компенсационный). Но при большом токе на нём будет выделяться чрезвычайно большая мощность и потребуется установка дополнительных больших радиаторов или дополнение в виде системы принудительного охлаждения с использованием маленького вентилятора, снятого с компьютерного устройства. Как видите, данный путь влечёт за собой много последствий, которые необходимо будет преодолеть.
Настоящим спасением из данной ситуации стал ШИМ-регулятор, который работает на мощных полевых силовых транзисторах. Они могут коммутировать большие токи (которые достигают 160 Ампер) при напряжении всего в 12-15В на затворе. Следует отметить, что сопротивление у открытого транзистора довольное мало, и благодаря этому можно заметно снизить уровень рассеиваемой мощности. Чтобы создать свой собственный ШИМ-регулятор, понадобится схема управления, которая сможет обеспечить разность напряжения между истоком и затвором в границах 12-15В. Если этого не получится достичь, то сопротивление канала будет сильно увеличиваться и значительно возрастёт рассеиваемая мощность. А это, в свою очередь, может привести к тому, что транзистор перегреется и выйдет из строя.
Выпускается целый ряд микросхем для ШИМ-регуляторов, которые смогут выдержать повышение входного напряжения до уровня 25-30В, при том, что питание будет всего 7-14В. Это позволит включать выходной транзистор в схеме вместе с общим стоком. Это, в свою очередь, необходимо для подключения нагрузки с общим минусом. В качестве примеров можно привести такие образцы: L9610, L9611, U6080B . U6084B. Большинство нагрузок не потребляет ток больше 10 ампер, поэтому они не могут вызвать просадку напряжения. И как результат – использовать можно и простые схемы без доработки в виде дополнительного узла, который будет повышать напряжение. И именно такие образцы ШИМ-регуляторов и будут рассмотрены в статье. Они могут быть построены на основе несимметрического или ждущего мультивибратора. Стоит поговорить про ШИМ-регулятор оборотов двигателя. Об этом далее.
Схема №1
Эта схема ШИМ-регулятора собиралась на инверторах КМОП-микросхемы. Она является генератором прямоугольных импульсов, который действует на 2-х логических элементах. Благодаря диодам здесь отдельно изменяется постоянная времени разряда и заряда частотозадающего конденсатора. Это позволяет менять скважность, которую имеют выходные импульсы, и как результат – значение эффективного напряжения, которое есть на нагрузке. В данной схеме возможно использование любых инвертирующих КМОП-элементов, а также ИЛИ-НЕ и И. В качестве примеров подойдут К176ПУ2, К561ЛН1, К561ЛА7, К561ЛЕ5. Можно использовать и другие виды, но перед этим придётся хорошо подумать о том, как правильно сгруппировать их входы, чтобы они могли выполнять возложенный функционал. Преимущества схемы – доступность и простота элементов. Недостатки – сложность (практически невозможность) доработки и несовершенство относительно изменения диапазона выходного напряжения.
Схема №2
Обладает лучшими характеристиками, нежели первый образец, но сложнее в выполнении. Может регулировать эффективное напряжение на нагрузке в диапазоне 0-12В, до которого изменяется с начального значения 8-12В. Максимальный ток зависит от типа полевого транзистора и может достигать значительных значений. Учитывая, что выходное напряжение является пропорциональным входному управляющему, данную схему можно использовать как часть системы регулирования (для поддержки уровня температуры).
Причины распространения
Чем привлекает автолюбителей ШИМ-регулятор? Следует отметить стремление к увеличению КПД, когда проводится построение вторичных источников питания для электронной аппаратуры. Благодаря данному свойству можно данную технологию найти также при изготовлении компьютерных мониторов, дисплеев в телефонах, ноутбуках, планшетах и подобной техники, а не только в автомобилях. Также следует отметить значительную дешевизну, которой отличается данная технология при своём использовании. Также, если решите не покупать, а собирать ШИМ-регулятор собственноручно, то можно сэкономить деньги при усовершенствовании своего собственного автомобиля.
Заключение
Что ж, вы теперь знаете, что собой представляет ШИМ-регулятор мощности, как он работает, и даже можете сами собрать подобные устройства. Поэтому, если есть желание поэкспериментировать с возможностями своего автомобиля, можно сказать по этому поводу только одно – делайте. Причем можете не просто воспользоваться представленными здесь схемами, но и существенно доработать их при наличии соответствующих знаний и опыта. Но даже если всё не получится с первого раза, то вы сможете получить очень ценную вещь – опыт. Кто знает, где он может в следующий раз пригодиться и насколько важным будет его наличие.
