Регулятор частоты вращения низковольтных коллекторных двигателей

June 14, 2010 by admin Комментировать »

Для плавной регулировки частоты вращения коллекторных элек­тродвигателей, применяемых в электрооборудовании автомобилей, предлагается изготовить из недорогих и доступных деталей простое малогабаритное устройство, способное работать с 12-вольтовыми двигателями электрической мощностью до 80… 100 Вт.

Изготовленным по схеме на рис. 3.9 устройством можно заме­нить дискретные двух-трехпозиционные переключатели скорости вращения, как правило, содержащие мощные, гасящие избыток тока резисторы, что не только повысит комфортность эксплуатации автомобиля, но и уменьшит средний ток, потребляемый электро­двигателем от автомобильной бортовой электросети.

Ранее при создании подобных устройств основная проблема за­ключалась в том, что большинство исполнительных электрических механизмов автомобиля имеют общий минус, механически и элек­трически жестко связанный с «массой». Управляются такие меха­низмы подачей плюсового напряжения питания обычно через не­сложные схемы, состоящие из предохранителей, и соответствую­щие переключатели.

clip_image002

В еще не столь далекие времена радиолюбители лри попытках повышения комфортности своих автомобилей для плавного или дискретного управления мощностью, подаваемой на оконечные устройства электроавтоматики, вынуждены были использовать мощные биполярные п-р-п транзисторы, например, такие как П210, КТ818, КТ8102. Не секрет, что для ключевого управления такими транзисторами требуется большая мощность, а это неизбежно приводит к решению об использовании составного транзистора, состоящего из нескольких, последовательно включенных соответ­ствующим образом транзисторов, например, по схемам Дарлингто­на, Шиклаи или их комбинаций. Еще одно неудобство – биполяр­ные транзисторы при работе с большими токами имеют большое напряжение насыщения перехода коллектор-эмиттер, например, для 2Т818А до 1,5…4 В при токе до 20 А, что требует применения массивного теплоотвода и приводит к снижению мощности и на­пряжения на управляемом узле.

Создание мощных р-канальных полевых транзисторов обога­щенного типа с изолированным затвором позволило резко упро­стить такие устройства и одновременно улучшить их параметры. В предлагаемой конструкции устройства, предназначенного для плавной регулировки частоты вращения двигателя обдува теплым воздухом лобового стекла, использован полевой транзистор типа IRF9540, допускающий ток стока до 19 А и имеющий во включен­ном состоянии сопротивление открытого канала не более 0,2 Ом. Это далеко не лучший из подобных р-МОП транзисторов, но имен­но их удалось приобрести в магазинах г. Ярославля.

Управление угловой скоростью вращения вала коллекторного электродвигателя с помощью устройства, собранного по схеме рис. 3.9, происходит с помощью широтно-модулированных импульсов. Для снижения потерь мощности на «замкнутом» ключе VT1, VT2 и уменьшения их нагрева использовано параллельное включение двух однотипных полевых транзисторов. В отличие от использова­ния обычных биполярных транзисторов, при параллельном вклю­чении мощных полевых транзисторов не требуется установка сильноточных токовыравнивающих резисторов.

Частота вращения двигателя Ml регулируется изменением со­противления переменного резистора R2. Когда его сопротивление максимально, разрядка конденсатора 01 через резистор R3 и вы­ход микросхемы DA1 (выв. 7), выполненный как биполярный тран­зистор с открытым коллектором, происходит быстрее, чем его за­рядка. Поэтому на выходе DA1 (выв. 3) большую часть времени будет высокий уровень – скважность импульсов около 4, частота переключения около 50 Гц. Когда на выв. 3 DA1 высокий уровень, то полевые транзисторы закрыты, и напряжение питания на нагруз­ку не подается.

При уменьшении сопротивления резистора R2 скорость зарядки С1 растет, на выходе DA1 частота переключения возрастает, а при частоте 100 Гц форма импульсов приближается к меандру и на на­грузку поступает примерно половина от максимальной мощности. При дальнейшем уменьшении сопротивления переменного рези­стора R2 время зарядки конденсатора С1 до порогового напряже­ния переключения микросхемы становится меньше, чем скорость его разрядки. Это приводит к тому, что теперь на выходе микро­схемы большую часть времени будет низкий уровень. Соответст­венно и большую часть времени полевые транзисторы будут от­крыты, на нагрузку станет поступать еще большая мощность, час­тота вращения двигателя увеличивается.

При сопротивлении переменного резистора R2, близком к ми­нимальному, конденсатор С1 уже не может разрядиться через R3 и выв. 7 микросхемы до напряжения ниже порогового напряжения переключения выхода DA1. Колебательный процесс DA1 срывает­ся. На выходе микросхемы постоянно присутствует низкий уровень, полевые транзисторы постоянно открыты, на нагрузку поступает 100% мощности (без учета потерь на транзисторах VT1, VT2).

Резистор R5 и оксидные конденсаторы С2, СЗ образуют фильтр питания микросхемы. Стабилитроны VD1 и VD3 препятствуют по­вреждению полевых транзисторов. Мощный диод VD2 гасит им­пульсы самоиндукции обмоток двигателя М1, которые при отсутст­вии этого диода могут достигать сотен вольт. Чтобы обеспечить минимальное переходное сопротивление ползунка переменного резистора при минимальном (нулевом) введенном сопротивлении R2, использован сдвоенный одноосный переменный резистор, обо­значенный на схеме как R2.1, R2.2.

Так как максимальная частота переключения полевых транзи­сторов низкая, то динамические потери мощности на их переклю­чение весьма малы. Кроме указанных на схеме iRF9540 можно ис­пользовать пару однотипных 1RF9532, IRF9Z34, 2SJ176, КП784А, КП785А или один IRF4905. Транзисторы рекомендуется установить на небольшой теплоотвод, например, как показано на рис. 3.10 (размеры примененного алюминиевого теплоотвода 40x25x2,5 мм). При работе устройства с двигателем, потребляющим мощность 50 Вт, температура корпусов транзисторов не превышает 10°С

clip_image004

Рис. 3.10

относительно температуры окружающего воздуха. Отечественную микросхему КР1006ВИ1 можно заменить импортным аналогом NE555, XR-L555.

Диод VD2 можно заменить на любой из серий КД226, КД257, КД411, КД213, BY398, HFA08TB60S. На месте стабилитрона VD1 могут работать К0213Ж, К0215Ж, К0515А, 1N4744A, TMZC-15. Защитный стабилитрон VD3 можно заменить на Д816 (А-Г), 1N5361 или, что лучше, на варистор, например, типов FNR-14K270, FNR-10K330, FNR-20K330. Конденсатор 01 полиэтилентерефта-латный, например, К73-17, К73-24В. Остальные конденсаторы -оксидные, малогабаритные высококачественные импортные анало­ги К50-35. Конденсаторы 05, 06, если позволят габариты корпуса уст­ройства, желательно взять большей емкости – по 1000…4700 мкФ. 04 – керамический КМ-5, К10-17. Постояннью резисторы типов 01-4, 02-23, МЛТ. Переменный резистор R2 должен быть хорошего каче­ства, например, проволочные ППБ-ЗА, ППБ-1А, ОП5-35А, ОП5-40А. Можно попробовать и обычные композитные серий ОП-1, ОПЗ-30, ОПЗ-33.

Устройство смонтировано в корпусе размерами 108x45x22 из ударопрочного полистирола. Размер монтажной платы 60 х 40 (см. рис. 3.10). Плату со стороны пайки обязательно покрывают не­сколькими слоями лака МЛ-92, ФЛ-98, цапонлаком или клеем БФ-2, а со стороны монтажа тонким слоем эпоксидного клея. Такие ме­ры необходимы, чтобы обеспечить вибро- и влагоустойчивость изделия.

Если устройство должно работать с массивным коллекторным электродвигателем мощностью более 50 Вт, то частоту переклю­чения микросхемы желательно уменьшить, изменив номиналы элементов R2, С1, R3. Для более «мягкого» хода электродвигателя М1 между выходом устройства и электродвигателем М1 по воз­можности устанавливается мощный LC фильтр, состоящий, напри­мер, из дросселя фильтра питания от лампового телевизора, пе­ремотанного проводом ПЭВ-2 диаметром 1,2 мм до полного запол­нения каркаса, и 3-6 конденсаторов по 2200 мкФ, подключенных параллельно питанию электродвигателя. Использовать один мало­габаритный конденсатор большой емкости не рекомендуется.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты