На новогодних каникулах автор решил исполнить давнюю свою задумку – сделать плавный пуск и регулировку оборотов вентиляторов радиатора, а также плавное включение фар для своего «Меркури Кугар» 2000 года рождения.
Поскольку задачи в принципе идентичны, решено было начать с изучения объектов регулирования.
На Рисунке 1 изображены осциллограммы токов при пуске двигателя вентилятора, а на Рисунке 2 – осциллограммы токов при включении лампы фары.
|
|||||||||
| Рисунок 1. | Осциллограммы токов при работе электродвигателя вентилятора. Масштаб по вертикали 10 А/деление. | ||||||||
На Pисунках а и 1б показана осциллограмма токов при пуске двигателя 120 Вт без крыльчатки в разных масштабах времени. На Рисунке 1в отражена работа двигателя с крыльчаткой с периодическими двукратными искусственными перегрузками. На Рисунке 1г показана осциллограмма тока с имитацией пуска заклинившего двигателя.
|
|||||||||
| Рисунок 2. | Осциллограммы токов при включении лампы накаливания фары автомобиля. Масштаб по вертикали 10А/деление. | ||||||||
За кадром предохранитель 20 А приказал долго жить.
Как мы видим, величина стартового тока и скорость его нарастания практически не зависят от нагрузки на исследуемый двигатель и составляют примерно четырехкратную величину тока при номинальной нагрузке.
На Рисунках 2а и 2б показаны осциллограммы токов при включении лампы ближнего света 55 Вт в разных временных масштабах.
На Рисунках 2в и 2г показаны осциллограммы токов при включении параллельно соединенных нитей ближнего и дальнего света (55 Вт + 65 Вт).
 |
|
| Рисунок 3. | Принципиальная схема регулятора, обеспечивающая «мягкий» старт. |
В последнем случае с естественным ростом пускового тока мы видим существенное увеличение скорости его нарастания.
Из анализа Рисунков 1 и 2 делаем вывод, что «мягкое» включение электродвигателей вентиляторов и ламп фар позволит исключить возникновения сверхтоков в цепях питания этих устройств и должно положительно сказаться на их надежности. Поэтому исходно была смонтирована и опробована в лабораторных условиях схема, показанная на Рисунке содержащая элементы плавного пуска и регулирования оборотов двигателя или яркости ламп накаливания в фарах. Для простоты дальнейшего изложения назовем ее «базовой схемой».
Основой базовой схемы является легендарная и любимая многими микросхема контроллера импульсных источников питания TL494. Для регулирования среднего тока в нагрузке используется изменение напряжения на входе компаратора «мертвого времени», на другой вход которого поступает пилообразное напряжение с внутреннего генератора, частота которого определяется номиналами элементов R5 и С2.
Коэффициент заполнения изменяется от 0 до 95%. Стартовое значение коэффициента заполнения зависит от напряжения в контрольной точке КТ1.
«Мягкий» старт обеспечивается наличием конденсатора С1 и при указанной на схеме ёмкости С1 время плавного пуска составляет несколько секунд. После включения питания конденсатор С1 начинает заряжаться через цепь из R2 и R4 до напряжения на движке потенциометра R2. Поэтому при каждом включении ток в нагрузке (обороты двигателя или накал нитей ламп) после плавного старта будет соответствовать тому току, при котором питание было отключено.
Для обеспечения достаточной мощности в выходном каскаде используются два включенных параллельно n-канальных оригинальных полевых транзистора STP75N75, имеющих сопротивление канала менее 0.01 Ом при токе 80 А (для корпуса ТО-220). К затвору каждого транзистора подключен свой резистор сопротивлением 10 Ом; на схеме они показаны как один резистор R9.
Лабораторные испытания базовой схемы показали ее надежность и способность длительное время коммутировать токи до 40 ампер без существенного нагрева выходных транзисторов. Однако мысль перфекциониста на этом не успокоилась, и было решено дополнить базовую схему защитой от перегрузок и коротких замыканий в цепи нагрузки.
Микросхема TL494 содержит два усилителя ошибки, один из которых обычно используется для регулировки выходного напряжения источника питания, а второй усилитель регулирует/ограничивает ток в нагрузке.
В случае ШИМ-регулятора, работающего на нагрузку без промежуточного индуктивного элемента, например, дросселя, скорость нарастания тока короткого замыкания ограничивается только индуктивностью соединительных проводов, а его величина активным сопротивлением этих проводов. Поэтому наилучшим методом защиты будет не ограничение тока в нагрузке, а ее полное отключение. После исчезновения причин, вызвавших перегрузку, устройство должно автоматически вернуться к нормальной работе.
Эти функции реализует схема защиты регулятора, представленная на Рисунке 4.
 |
|
| Рисунок 4. | Принципиальная схема регулятора оборотов электродвигателя, обеспечивающая «мягкий» старт и двухканальную защиту от перегрузок. |
Наличие в TL494 двух усилителей ошибки, выходы которых объединены внутри микросхемы по схеме «ИЛИ», позволяет реализовать два канала защиты с различными характеристиками.
«Быстрый» канал имеет пороговый уровень срабатывания, равный трехкратному номинальному току двигателя и суммарную длительность реакции на перегрузку около 40 мкс. «Медленный» канал, имеет пороговый уровень срабатывания, равный двукратному номинальному току двигателя и длительность реакции на перегрузку в районе 60-80 мс.
Рассмотрим схему защиты более подробно. Сигнал обратной связи снимается с резистора R24 сопротивлением 0.01 Ом, включенного в исток транзистора VT5 (2 × STP75N75). При токе в 10 ампер падение напряжения на этом резисторе составит 0.1 вольта.
«Быстрый» канал защиты содержит входной фильтр на элементах R21 и C5, эффективно подавляющий коммутационные выбросы и компаратор, выполненный на усилителе ошибки 1 (выводы 1 и 2) . Уровень срабатывания компаратора определяется напряжением на движке резистора R12.
«Медленный» канал содержит входной двухзвенный фильтр на элементах R22, C7, R17, C6, подавляющий флуктуации тока, возникающие в процессе работы электродвигателя длительностью до 80 мс, и компаратор, выполненный на усилителе ошибки 2 (выводы 15 и 16). Уровень срабатывания компаратора определяется напряжением на движке резистора R15.
Для уменьшения зоны неопределенности и, соответственно, увеличения скорости переключения, компараторы охвачены положительной обратной связью (резисторы R8 и R10). При срабатывании любого компаратора уровень напряжения на выводе 3 растет и транзистор VT2 открывается. Отрицательный перепад напряжения на его коллекторе запускает ждущий мультивибратор DD1-1, на выходе которого формируется отрицательный импульс длительностью около 100 мс, открывающий транзистор VT1. При этом напряжение на управляющем входе компаратора мертвого времени (вывод 4) увеличивается до 5 В, прекращая генерацию импульсов, управляющих силовыми транзисторами.
Конденсатор С1 начинает разряжаться через резистор R4 и открытый транзистор VT1. Резистор R4 необходим, так как при его отсутствии замедлится открывание транзистора VT1. После окончания отрицательного импульса с выхода DD1-1 транзистор VT1 закрывается, и конденсатор С1 начинает заряжаться, начиная новый цикл «мягкого» запуска.
На Рисунке 5 показана осциллограмма напряжения на выводе 4 микросхемы TL494, иллюстрирующая процесс повторного запуска при срабатывании защиты.
 |
|
| Рисунок 5. | Процесс повторного запуска при перегрузке. |
Одновременно с ждущим мультивибратором DD1-1 запускается ждущий мультивибратор DD1-2, к выходу которого подключен внешний красный светодиод, сигнализирующий о возникновении перегрузки. Цепь R29, C12 предотвращает срабатывание ждущего мультивибратора DD1-2 при включении питания.
Регулятор, собранный по схеме, приведенной на Рисунке 4, показан на Рисунке 6. Он прошел лабораторные и сейчас проходит ходовые испытания.
 |
|
| Рисунок 6. | Экспериментальный образец регулятора. |
Монтаж платы экспериментального образца выполнен методом DIP с множеством контрольных точек и джамперов, рабочие же платы будут выполнены с применением SMD технологии и размещены в корпусах меньшего размера.
Испытания на короткое замыкание в нагрузке имитировались включением четырех соединенных параллельно автомобильных ламп фирмы Philips 12 В/120 Вт при уверенном срабатывании защиты.
Испытания с физическим замыканием линий нагрузки не проводились из соображений безопасности.
Заключение
Экспериментальный образец регулятора до сих пор используется, подтверждая ту истину, что нет ничего более постоянного, чем временное 
.
В автомобиле установлен сдвоенный вентилятор радиатора. Регулятор подключен к одному из них, и вентилятор постоянно работает на оборотах, задаваемых резистором R2. Второй вентилятор управляется по штатной схеме и включается при температуре охлаждающей жидкости, близкой к критической.
После установки регулятора, второй вентилятор ни разу не включался, несмотря на длительное стояние в пробках. Правда сейчас холодное время года… Возможно, летом придется подключить к регулятору второй вентилятор, не отключая, естественно, штатную автоматику.
…Вы всё про вентиляторы... А как же фары, с ними-то что?
В отличие от подключения регулятора оборотов вентилятора радиатора, для модернизации фар нужна более сложная операция по переделке проводки. Но процесс пошел… Разовое тестовое испытание регулятора с фарами прошло успешно.
Смотрится очень эффектно.
Кугар, черный горный лев, мурча холостыми оборотами, медленно открывает глаза!
Материалы по теме
- Datasheet Texas Instruments CD4098BE
- Datasheet Texas Instruments TL494
- Datasheet Texas Instruments LM317T
- Datasheet Fairchild BC547
- Datasheet Fairchild BC557
- Datasheet ON Semiconductor BD139
- Datasheet STMicroelectronics BD140
- Datasheet Diodes SB160
- Datasheet Vishay VS-15TQ060-M3
- Datasheet STMicroelectronics STP75N75
Купить CD4098BE на РадиоЛоцман.Цены
