Каталог радиолюбительских схем

Устройство управления частотой вращения мощного коллекторного электродвигателя

Обзор статьи А.Л. Бутова, опубликованной
в РадиоАматоре №12 за 2004, с. 22-23.

А.Л. Бутов, с. Курба, Ярославская обл

Описанная в статье конструкция предназначена для широтно-импульсного управления частотой вращения коллекторных электродвигателей мощностью до 150 Вт, применяемых в электрооборудовании автомобилей с напряжением бортовой сети 12 В. Это устройство можно также использовать для регулирования температуры низковольтных паяльников, а при незначительной модернизации - для управления яркостью свечения автомобильных ламп накаливания.

Принципиальная электрическая схема устройства показана на рисунке. Оно с успехом может заменить дискретные переключатели скорости вращения электродвигателей на две-три и более позиций, как правило, содержащие мощные, гасящие избыток тока резисторы.

Разработка мощных недорогих р-канальных полевых транзисторов обогащенного типа с изолированным затвором позволила резко упростить такие устройства и одновременно значительно улучшить их параметры. В этой конструкции, первоначально предназначенной для плавной регулировки частоты вращения электродвигателей салонного автомобильного вентилятора и вентиляторов обдува теплым воздухом лобового и заднего стекол, использованы полевые транзисторы типа IRF9Z34, допускающие постоянный ток стока до 18 А.

В данном случае управление угловой скоростью вращения вала коллекторного электродвигателя происходит с помощью широтно-модулированных импульсов прямоугольной формы с амплитудой, равной напряжению питания.

Регулировка частоты вращения электродвигателя Ml производится изменением сопротивления сдвоенного переменного резистора R2. Когда его сопротивление максимально, разряд конденсатора С1 через резистор R3 и выход DA1 (вывод 7), выполненный как биполярный транзистор с открытым коллектором, происходит быстрее, чем его заряд. Поэтому на выходе DA1 (вывод 3) большую часть времени присутствует высокий уровень (скважность импульсов около 4, частота переключения около 50 Гц).

Когда на выводе 3 DA1 высокий уровень, полевые транзисторы закрыты, и напряжение питания на нагрузку не подается. При уменьшении сопротивления переменного резистора R2 скорость заряда конденсатора С1 увеличивается, на выходе DA1 частота переключения возрастает. При частоте 100 Гц форма импульсов приближается к меандру, на нагрузку поступает примерно половина от максимальной мощности. При дальнейшем уменьшении сопротивления резистора R2 время заряда конденсатора С1 до порогового напряжения переключения микросхемы становится меньше, чем скорость его разряда. Это приводит к тому, что на выходе DA1 большую часть времени присутствует низкий уровень, а значит, большую часть времени полевые транзисторы открыты, на нагрузку поступает еще большая мощность, частота вращения двигателя увеличивается.

При сопротивлении резистора R2, близком к минимальному, конденсатор С1 уже не может разрядиться через резистор R3 и вывод 7 DA1 до напряжения ниже порогового напряжения переключения выхода DA1, и колебательный процесс DA1 срывается. На выходе микросхемы постоянно присутствует низкий уровень, полевые транзисторы постоянно открыты, на нагрузку подступает 100% мощности (без учета потерь на VT1, VT2, LI, FU1, FU2).

Переключатель SA1 для включения нагрузки на максимальную мощность (светодиод HL1 меняет цвет своего свечения с зеленого на желтый).

Резистор R4 и оксидные конденсаторы С2, СЗ образуют фильтр питания микросхемы. VD1, VD2, R7 - защита полевиков и м/с. VD3 гасит импульсы самоиндукции двигателя Ml.

Потери мощности на регулирующих ключах малы. Теплоотвод размерами 40x45x2,5 мм. При работе устройства с двигателем, потребляющим мощность 65 Вт, температура корпусов транзисторов превышает температуру окружающего воздуха не более чем на 8...12°С.

Замена:
IRF9Z34 - пара однотипных IRF9540, IRF9532, IRF9Z34, 2SJ176, КП784А, КП785А или один IRF4905
КР1006ВИ1 - NE555, XR-L555
VD3 - любым КД226, КД257, КД411, КД213, BY398, HFA08TB60S
VD1 - КС213Ж, 2С516В, TMZC-13, 2C213E
VD2 - 2С215Ж, КС515А, 2С215Ж
светодиод - L59, L119, L799 (например, L59EGW, L799SRSGW/CC или аналогичный)
варистор R7 - любым на напряжение ограничения 20...35 В, например FNR-14K270, FNR-10K330, FNR-20K330
С1 полиэтилентерефта-латный К73-17, К73-24В, К73-39
С4, С5 - К10-17
Остальные конденсаторы - К50-35 или аналоги.
С6, С7 целесообразно увеличить до 1000...4700 мкФ
постоянные резисторы - С1-4, С2-23, МЛТ
переменный резистор R2 хорошего качества (ППБ-ЗА, ППБ-1А, СП5-35А, СП5-40А и пр.), но можно попробовать СП-1, СП3-30, СП3-33.

Дроссель L1 намотан на железном кольцевом сердечнике К43х30х22, взятом из импульсного блока питания от компьютера "Корвет". Обмотка наматывается вчетверо сложенным проводом ПЭВ-2 диаметром 0,56 мм и содержит 45 витков.

Переключатель SA1 любой маломощный. Самовосстанавливающиеся полимерные предохранители можно заменить одним плавким на 15...20 А или электромагнитным размыкателем на такой же ток.

Устройство можно смонтировать в корпусе размерами 95x95x38 мм из ударопрочного полистирола. Плату со стороны пайки нужно обязательно покрыть несколькими слоями лака МЛ-92, ФЛ-98, цапонлаком или клеем БФ-2, а со стороны монтажа - тонким слоем эпоксидного клея. Такие меры необходимы для безотказной длительной работы конструкции, чтобы обеспечить вибро- и влагоустойчивость изделия. Этим же лаком или клеем нужно пропитать и дроссель L1.

Если устройству предстоит работать с массивным коллекторным электродвигателем мощностью более 50 Вт, то частоту переключения микросхемы желательно уменьшить, изменив номиналы элементов R2, Cl, R3. Для более "мягкого" хода электродвигателя Ml, по возможности, между выходом устройства и Ml устанавливают мощный LC-фильтр, состоящий, например, из дросселя фильтра питания или выходного трансформатора канала звукового сопровождения лампового телевизора, перемотанного проводом ПЭВ-2 диаметром 1,35 мм до полного заполнения каркаса (немагнитный зазор для такого дросселя - один слой обычной офисной бумаги плотностью 80 г/м2) и четырех конденсаторов емкостью 2200 мкФх25 В каждый, подключенных с соблюдением полярности параллельно источнику питания электродвигателя.

Литература

1.  Бутов А.Л. Таймер КР1006ВИ1 в управлении освещением//Схемотехника. - 2003. - №6. - С.34-37.

2.  Голиков В.Ф., Грель И.Н., Десницкий Е.А., Кузьмич В.И. Простейшие устройства на интегральных микросхемах. - Минск: Беларусь, 1997. -С.86-97.

3.  Стабилитроны//Электрик. - 2002. -№10.-С. 18-19.

Полный текст статьи читайте в журнале РадиоАматор №12, 2004 г., стр. 22-23.