Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Regulator impulsowy DC. Sterownik wiertarki modelarskiej. Bezstratny ściemniacz żarówek

AVT735
kit
Bardzo prosty układ regulacji impulsowej do urządzeń zasilanych prądem stałym. Potencjometr zmienia współczynnik wypełnienia przebiegu wyjściowego, pozwalając na bezstratną regulację mocy wyjściowej. Przeznaczony do regulacji mocy modelarskiej wiertarki na prąd stały. Znakomicie nadaje się do regulacji jasności żarówek 6…24V o mocy do 100W. Możliwość optymalizacji parametrów do konkretnego urządzenia współpracującego. Zakres napięć zasilania 6…25V. Zakres prądów wyjściowych: do 10A. Pobór prądu 0,5mA przy 12V.
KIT w postaci zestawu do samodzielnego montażu oferowany przez sklep.avt.pl, powstał na bazie niniejszego projektu opublikowanego na łamach czasopism: „Elektronika dla Wszystkich” lub „Elektronika Praktyczna”. Z racji naturalnego postępu technologicznego, jak również praktycznego podejścia do projektu, przede wszystkim zwiększającego jego uniwersalność, KIT konstrukcyjnie może się różnić od opisywanego oryginału.
Light icon
Article Image

Opisywany układ jest regulatorem, włączanym między źródła zasilania a odbiornik. Źródłem zasilania, dołączonym do zacisków śrubowych Z1 jest albo akumulator, albo zasilacz o odpowiedniej wydajności prądowej (napięcie zasilające nie musi być stabilizowane, ale musi być filtrowane). Obciążenie dołączone jest do zacisków Z2 (oznaczone wiertarka). Regulator pozwala płynnie regulować moc dostarczaną do obciążenia. Dzięki pracy impulsowej w regulatorze prawie nie występują straty, czyli sprawność jest bliska 100%. Układ jest przeznaczony do silników prądu stałego oraz do żarówek. Nie nadaje się natomiast jako warsztatowy zasilacz regulowany ani jako ładowarka akumulatorów.

Rysunek 1. Schemat elektryczny regulatora impulsowego DC

Schemat regulatora pokazany jest na rysunku 1, a rysunek i wygląd płytki przedstawiają rysunek 2 i fotografia 3. Podzespoły należy wlutować w płytkę drukowaną, najlepiej według kolejności podanej w wykazie elementów. Na początek w miejsce R4 należy wlutować zworę. Potem kolejno montować coraz większe elementy. Podczas montażu należy zwracać szczególną uwagę na sposób wlutowania elementów biegunowych: kondensatora elektrolitycznego, diod, tranzystora oraz układu scalonego, którego wycięcie w obudowie musi odpowiadać rysunkowi na płytce drukowanej. Liczne wskazówki dotyczące szczegółów montażu podane są na plakatach, które zamieszczone były w numerach 5/2004…7/2004 (numery te dostępne są w Dziale Prenumeraty i sklepie AVT).

Rysunek 2.  Schemat montażowy regulatora

Po zmontowaniu układu trzeba bardzo starannie skontrolować, czy elementy nie zostały wlutowane w niewłaściwym kierunku lub w niewłaściwe miejsca oraz czy podczas lutowania nie powstały zwarcia punktów lutowniczych. Po skontrolowaniu poprawności montażu można dołączyć zasilacz (najlepiej 9…15V) oraz obciążenie, np. żarówkę. Układ bezbłędnie zmontowany ze sprawnych elementów od razu będzie poprawnie pracował. Sterownik w czasie pracy pobiera znikomy prąd: przy zasilaniu napięciem 12V około 0,5mA, przy 9V ok. 0,3mA, a przy 6V poniżej 0,2mA.

Fotografia 3. Widok zmontowanego układu

Tylko dla dociekliwych – działanie układu

Bramki U1A, U1B pracują w układzie klasycznego dwubramkowego generatora. Rezystor R1 pełni jedynie rolę ochronną. Częstotliwość wyznacza pojemność C2, ewentualnie C3 oraz rezystancja potencjometru PR1 wraz z R2, R3. 

Połączone równolegle bramki U1C, U1D sterują tranzystorem MOSTET T1. Rezystor R4 nie jest potrzebny w układzie, gdy T1 to tranzystor MOSFET. W wersji podstawowej jest zastąpiony zworą. Przewidziano go w układzie tylko na okoliczność, gdyby ktoś zamiast MOSFET−a chciał zastosować „darlingtona” NPN, np. BD649. Wtedy dla ograniczenia prądu bazy rezystor R4 powinien mieć wartość 1…2,2kΩ.

Potencjometr PR1 pozwala zmieniać współczynnik wypełnienia generowanego przebiegu w bardzo szerokich granicach od około 1% do około 99%. Przebieg impulsowy podany na bramkę T1 cyklicznie otwiera i zamyka tranzystor T1, a średnia moc dostarczana do odbiornika dołączonego do złącza Z2 jest zależna od współczynnika wypełnienia przebiegu z generatora. W ten sposób potencjometr PR1 umożliwia płynną regulację mocy dostarczanej do odbiornika.

Włączona „odwrotnie” dioda D4 jest niezbędna przy współpracy z obciążeniem o charakterze indukcyjnym (w praktyce – z silnikami). Układ reguluje średnią moc dostarczaną przez okresowe otwieranie i zamykanie tranzystora T1 a jak wiadomo, gwałtowne przerwanie prądu w indukcyjności powoduje powstanie napięcia samoindukcji. Bez diody D4 na drenie tranzystora T1 w chwili jego wyłączania pojawiałyby się impulsy dodatnie o napięciu znacznie większym niż napięcie zasilające. Miałyby one amplitudę kilkudziesięciu woltów, wyznaczoną przez właściwości tranzystora T1. Tranzystory MOSFET mają właściwości zapobiegające uszkodzeniu – nadmierny wzrost napięcia na drenie powyżej napięcia katalogowego powoduje chwilowe otwarcie tranzystora, przepływ prądu, co zapobiega dalszemu narastaniu napięcia. Choć tranzystor nie uległby uszkodzeniu, wydzielałaby się w nim wtedy znaczna moc strat. Można ją ograniczyć dołączając równolegle do obciążenia kondensator, ale musiałby to być kondensator o znacznej pojemności i dobrych właściwościach impulsowych. Dużo lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie diody D4, która powoduje, że w chwili zatkania tranzystora T1, energia zmagazynowana w indukcyjności obciążenia zostaje przekazana przez tę diodę z powrotem do źródła zasilania. W efekcie dioda D4 zapobiega grzaniu się tranzystora T1 i powoduje wzrost sprawności. W przypadku obciążenia o charakterze rezystancyjnym, na przykład żarówki, dioda D4 jest niepotrzebna, bo żadne przepięcia wtedy nie występują.

Dzięki pracy impulsowej, straty w tranzystorze T1 są niewielkie i nie wymaga on radiatora nawet przy prądach rzędu kilku amperów, czyli mocach obciążenia nawet do 100W. Należy pamiętać, że układ jest regulatorem mocy, a nie stabilizatorem obrotów silnika, więc obroty silnika będą zależne od jego obciążenia.

UWAGA! Układ reguluje moc w sposób impulsowy, podając na obciążenie przebieg prostokątny. Przebieg taki może być źródłem zakłóceń elektromagnetycznych. Dla zminimalizowania zakłóceń należy stosować możliwie krótkie połączenia między sterownikiem, a obciążeniem. Przewód połączeniowy powinien mieć postać skrętki (zwykłe dwie skręcone ze sobą żyły). Zaleca się też dodatkowo dołączenie kondensatora elektrolitycznego (zestawu kondensatorów) o pojemności 1000…10000uF do złącza zasilania Z1.

W układzie przewidziano dodatkowy kondensator C3, dołączany za pomocą zwory J1. Dołączenie tego kondensatora przez nałożenie jumpera na kołki J1 powoduje zmniejszenie częstotliwości pracy generatora z około 700Hz na około 25Hz. Jest to korzystne z uwagi na generowane zakłócenia elektromagnetyczne. W niektórych zastosowaniach tak duże obniżenie częstotliwości może okazać się niedopuszczalne (np. może powodować zauważalne migotanie żarówki). Wtedy można we własnym zakresie dobrać pojemność C3.

Możliwości zmian

Zamiast PR1 śmiało można wykorzystać potencjometr obrotowy lub suwakowy.

Jeśli napięcie zasilające podawane na złącze Z1 nie przekroczy 18V, można usunąć diodę D3, a R5 zastąpić zwora. Przy napięciach zasilania poniżej 10V jest to wręcz konieczne.

Choć ten prosty układ nie zapewnia stałości obrotów, spotyka się opinie, że sterowanie impulsowe silnika komutatorowego (np. w małej wiertarce modelarskiej) z częstotliwością kilku… kilkudziesięciu herców jest lepsze niż regulacja napięcia stałego i pozwala uzyskać lepszy moment przy małych prędkościach obrotowych. Dlatego zwłaszcza w przypadku takiej wiertarki warto poeksperymentować z wartością C3 (100nF…2,2uF) i sprawdzić zachowanie silnika przy wierceniu z małą prędkością obrotową.

Wykaz elementów
Rezystory:
 
R1-R3, R5:
1kΩ (brązowy-czarny-czerwony-złoty)
R4:
zwora
PR1:
100kΩ potencjometr miniaturowy
Kondensatory:
 
C1:
100μF !
C2:
22nF (może być oznaczony 223)
C3:
470nF (może być oznaczony 474)
Półprzewodniki:
 
D1, D2:
1N4148 lub podobna
D3:
Dioda Zenera 12…15 V
D4:
1N5822
U1:
CMOS 4011
T1:
BUZ10 (BUZ11, IRF540)
Pozostałe:
 
J1:
szpilki goldpin + jumper
podstawka:
14-pin pod układ scalony U1
Z1, Z2:
złącze śrubowe
Tematyka materiału: LM317, sterownik wiertarki, PWM
AUTOR
Udostępnij
UK Logo