Шим регулятор для сварочного аппарата
В некоторых случаях необходимо регулировать скорость двигателя постоянного тока с питанием от источника с напряжением, изменяющимся в широких пределах. Например от источника сварочной дуги в сварочном полуавтомате. Обычно применяют ШИМ регуляторы на микросхеме 555, получается просто и не дорого. Однако при изменении напряжения питания, напряжение на моторе так же будет изменятся, что может быть не желательным. В таких случаях можно применить стабилизированный источник питания, или отдельный трансформатор, но это приведет к резкому удорожанию конструкции.
Также, у простых регуляторов отсутствует защита от превышения тока ключа, что в случае заклинивания двигателя или короткого замыкания в проводах приводит к мгновенному выходу из строя транзистора, управляющего током двигателя.
В статье рассмотрим схему регулятора на специализированной микросхеме, ШИМ-контроллере UC3843. Микросхема имеет контроль тока ключа, стабилизатор выходного и источник опорного напряжений, мощный драйвер затвора внешнего ключевого транзистора. По стоимости устройство получается не намного дороже регулятора на 555 таймере.
Параметры устройства представлены в таблице:
Рассмотрим принципиальную схему устройства:
Напряжение источника питания поступает на стабилизатор напряжения через защитный диод D1. Диод этот необходим для предотвращения выхода из строя стабилизатора IC2 LM317 от просадок входного напряжения ниже выходного. Выбор этого стабилизатора обусловлен широким диапазоном его входных напряжений. IC2 работает с максимальной разницей входного и выходного напряжений 40В и с минимальной разницей 1,5В. При выходном напряжении 15В. входное может достигать 15В+40В=55В. Так как ШИМ контроллер IC1 работает при снижении напряжения питания до 8,5В., то питание регулятора может снижаться до 10В (8,5В UC3843 + 1,5В. LM317). Однако, при работе от автомобильного аккумулятора, не стоит использовать стабилизатор IC2, и лучше подключить питание без него, напрямую к D1, C5. Микросхема IC1 включена по типовой схеме из документации, предоставляемой производителем. Частота опорного генератора задается R3, C2. Пилообразное напряжение, формируемое этим генератором, через эмиттерный повторитель Q1 поступает на 3 выв. IC1, туда же подается напряжение с токоизмерительного резистора R11. Обратная связь по напряжению двигателя сформирована с помощью токового зеркала по простейшей схеме. Напряжение на двигателе преобразуется во входящий ток Q2, и регулируется резистором R8. Температурная компенсация обеспечена транзистором Q3. Выходящий ток поступает на вход усилителя ошибки (2 выв. IC1), туда же поступает напряжение с переменного резистора, через делитель R1, R2. Выходное напряжение ШИМ, через токоограничивающий резистор R10 поступает на затвор полевого транзистора Q4, коммутирующего нагрузку. Обратный диод поглощает ЭДС самоиндукции обмоток мотора.
Диапазон регулировки напряжения на двигателе определяет резистор R8, совместно с коэффициентом передачи по току (h21э) Q2 в максимуме, и делитель R1, R2 в минимуме. Так как h21э у транзистора Q2 может быть различным, рассчитать сопротивление резистора R8, для требуемого значения максимального напряжения на моторе, проблематично. Однако, его очень просто настроить в ручную подстроечным резистором R8. Минимальное значение напряжения на моторе (Ummin) можно изменить резистором R1. Его значение, зависящее от максимального (Ummax), можно рассчитать:
Ummin=Ummax(2*R1/(R1+R2)-1)
Для показанной на рисунке схемы, напряжение на моторе в минимальном положении переменного резистора - 0 вольт:
Ummin=Ummax(2*20k/(20k+20k)-1)=0В
Значения резисторов R1, для двух вариантов максимального напряжения (Ummax), приведены на графике (созданы в [1]):
Для регулировки минимума, можно установить подстроечный резистор, последовательно с резистором R1.
До первого включения, нужно проверить монтаж и установить подстроечный резистор R8 в среднее положение. Резистор R11 изготовить из отрезка монтажного провода 0,2-0,35мм 2 длинной 30см. Определиться с минимальным напряжением регулировки и установить соответствующий резистор R1, или оставить его как указано на схеме, для регулировки от нуля. После этого подать напряжение питания, проверить работу стабилизатора - наличие напряжения 12-17В. на 7 выв. IC1. На выв. 8 IC1, должно быть напряжение внутреннего стабилизатора 5В. Подключив двигатель, вращением резистора регулировки скорости установить средние обороты двигателя. Проверить нагрев элементов, он должен быть не значительный. Увеличивая ток потребления двигателя (нагружая его) убедится в уменьшении скорости - работе ограничителя тока. Уменьшить сопротивление R11 (длину провода) до тех пор, пока ограничение не перестанет влиять на работу двигателя на максимальной нагрузке. Проверить на малых оборотах. Не допустимо включать схему с отключенным резистором R11. Резистором R8 установить максимальное напряжение на двигателе. Помните, что напряжение на выходе не может быть выше напряжения питания. А напряжение питания может "проседать" под нагрузкой. После этого настройка окончена.
В регуляторе использованы распространенные и недорогие радиоэлементы. Многие из них, могут быть заменены российскими. Транзистор Q1 - любой маломощный n-p-n: кт315, кт3102, S8050, S9014. Транзисторы Q2, Q3 должны быть одинаковы, структуры p-n-p: кт361, кт3107 или другие, с допустимым обратным напряжением не менее 60В. Q2 и Q3 можно склеить корпусами для баланса температур (не обязательно). Стабилизатор IC2 заменим на отечественный КРЕН22. Обратный диод КД213 можно заменить на КД2997, или другой быстродействующий на ток, не менее рабочего тока мотора. Диод D1 - любой с обратным напряжением не менее питающего и током больше 0,5А, например 1N4002-1n4007, КД226 и др. Транзистор Q4 можно заменить транзисторами IRFZ34, IRF540, IRF640 или любым другим с подходящими параметрами. Переменный резистор любого удобного типа с номиналом 1-6,8кОм. Резистор шунта изготовлен из отрезка монтажного провода 0,35мм 2 длиной 3-10см.
Монтаж регулятора выполнен выводными элементами на печатной плате. Стабилизатор IC2, транзистор Q4 и обратный диод, необходимо установить на радиатор через изолирующие прокладки. Причем больше всего нагревается обратный диод.
У регулятора есть потенциал для улучшения характеристик и доработок:
1. Схема легко масштабируется в сторону увеличения мощности двигателя. При питании IC1 от отдельного источника, максимальное напряжение питания регулятора ограничено максимальным напряжением транзисторов Q2, Q3 (65В) и ключевого транзистора Q4 (60В). Выходной ток регулятора ограничен током ключевого транзистора Q4, током обратного диода и выходным током IC1 (1А) для управления затвором мощного транзистора с большой емкостью. К примеру, можно установить транзисторы Q2, Q3 - 2N5401, Q4 - IRFP2341, обратный диод 150EBU02 и стабилизировать скорость двигателя на пару киловатт напряжением до 150В, к примеру - питанием от солнечной батареи. Конечно, для работы с бОльшим током, следует уменьшить сопротивление токоограничительного резистора R11.
2. Рассчитав и установив на выходе подходящий дроссель со сглаживающим выходным конденсатором, получим импульсный понижающий DC/DC с общим плюсом. Стабилизировать напряжение на выходе, подключив цепь измерения (правый по схеме вывод R8), к выходному конденсатору.
3. Уменьшением частоты ШИМ можно понизить потери в силовом ключе и обратном диоде, правда работа станет слышна ухом.
4. Можно попробовать уменьшить скорость закрытия ключевого транзистора RD цепью, для облегчения токового режима обратного диода. Установить снабберные RC или RDC цепи параллельно силовому транзистору.
Регулятор скорости двигателя сварочного полуавтомата с защитой от КЗ и стабилизацией напряжения
Как сделать простой регулятор тока для сварочного трансформатора
Важной особенностью конструкции любого сварочного аппарата является возможность регулировки рабочего тока. В промышленных аппаратах используют разные способы регулировки тока: шунтирование с помощью дросселей всевозможных типов, изменение магнитного потока за счет подвижности обмоток или магнитного шунтирования, применение магазинов активных балластных сопротивлений и реостатов. К недостаткам такой регулировки надо отнести сложность конструкции, громоздкость сопротивлений, их сильный нагрев при работе, неудобство при переключении.
Наиболее оптимальный вариант - еще при намотке вторичной обмотки сделать ее с отводами и, переключая количество витков, изменять ток. Однако использовать такой способ можно для подстройки тока, но не для его регулировки в широких пределах. Кроме того, регулировка тока во вторичной цепи сварочного трансформатора связана с определенными проблемами.
Так, через регулирующее устройство проходят значительные токи, что приводит к его громоздкости, а для вторичной цепи практически невозможно подобрать столь мощные стандартные переключатели, чтобы они выдерживали ток до 200 А. Другое дело - цепь первичной обмотки, где токи в пять раз меньше.
После долгих поисков путем проб и ошибок был найден оптимальный вариант решения проблемы - широко известный тиристорный регулятор, схема которого изображена на рис.1.
При предельной простоте и доступности элементной базы он прост в управлении, не требует настроек и хорошо зарекомендовал себя в работе - работает не иначе, как "часы".
Регулирование мощности происходит при периодическом отключении на фиксированный промежуток времени первичной обмотки сварочного трансформатора на каждом полупериоде тока. Среднее значение тока при этом уменьшается.
Основные элементы регулятора (тиристоры) включены встречно и параллельно друг другу. Они поочередно открываются импульсами тока, формируемыми транзисторами VT1, VT2. При включении регулятора в сеть оба тиристора закрыты, конденсаторы С1 и С2 начинают заряжаться через переменный резистор R7. Как только напряжение на одном из конденсаторов достигает напряжения лавинного пробоя транзистора, последний открывается, и через него течет ток разряда соединенного с ним конденсатора.
Вслед за транзистором открывается и соответствующий тиристор, который подключает нагрузку к сети. После начала следующего, противоположного по знаку полупериода переменного тока тиристор закрывается, и начинается новый цикл зарядки конденсаторов, но уже в обратной полярности. Теперь открывается второй транзистор, и второй тиристор снова подключает нагрузку к сети.
Изменением сопротивления переменного резистора R7 можно регулировать момент включения тиристоров от начала до конца полупериода, что в свою очередь приводит к изменению общего тока в первичной обмотке сварочного трансформатора Т1. Для увеличения или уменьшения диапазона регулировки можно изменить сопротивление переменного резистора R7 в большую или меньшую сторону соответственно.
Транзисторы VT1, VT2, работающие в лавинном режиме, и резисторы R5, R6, включенные в их базовые цепи, можно заменить динисторами. Аноды динисторов следует соединить с крайними выводами резистора R7, а катоды подключить к резисторам R3 и R4. Если регулятор собрать на динисторах, то лучше использовать приборы типа КН102А.
В качестве VT1, VT2 хорошо зарекомендовали себя транзисторы старого образца типа П416, ГТ308. Вполне реальна замена их более современными маломощными высокочастотными, имеющими близкие параметры.
Переменный резистор типа СП-2, остальные типа МЛТ. Конденсаторы типа МБМ или МБТ на рабочее напряжение не менее 400 В.
Правильно собранный регулятор не требует налаживания. Необходимо лишь убедиться в стабильной работе транзисторов в лавинном режиме (или в стабильном включении динисторов).
Внимание! Устройство имеет гальваническую связь с сетью. Все элементы, включая теплоотводы тиристоров, должны быть изолированы от корпуса.
ШИМ - регуляторы оборотов двигателей на таймере 555
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.
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.
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 NE555.
Читайте также: