Michael Whybray
EDN
Большинство настольных вентиляторов, с которыми мне приходилось иметь дело, имело три скорости: «Полная скорость», «Почти полная скорость» и «Стоп». Бесполезный набор, если вы просто хотите ощущать легкое движение воздуха, и к тому же слишком шумный, если вы пытаетесь заснуть (конечно же, в спальне, а не за рабочим столом). В используемых в них двигателях с короткозамкнутыми роторами для снижения тока имеются переключатели, коммутирующие две или более обмоток и, возможно, конденсатор. Но если при этом не снижать частоту напряжения на двигателе, стабильность момента и скорости будет очень невысокой. По той же причине плохой результат дает использование симистора для фазового управления напряжением, проявляющийся в очень высокой чувствительности скорости к моменту включения симистора и нагрузке вентилятора, а также в тенденции к останову.
 |
||
| Рисунок 1. | Контроллер управления скоростью мотора. | |
Намного лучшую стабильность скорости можно получить путем снижения рабочей частоты относительно стандартных значений 50 Гц или 60 Гц. Основная проблема заключается в том, каким образом это можно сделать, не потратив денег больше, чем стоит сам вентилятор. Схема, изображенная на Рисунке 1, позволяет достичь нужного результата ценой нескольких долларов с помощью симистора, пропускающего через мотор лишь каждую третью полуволну переменного сетевого напряжения, как это показано на Рисунке 2.
 |
||
| Рисунок 2. | Каждый третий полупериод. | |
Хотя получившееся напряжение не является постоянным синусоидальным, его основную частоту можно рассматривать как одну треть исходной частоты сети (60 мс на период вместо 20 мс), а его гладкие импульсы с регулярными промежутками и чередующейся полярностью, управляя двигателем, поддерживают оптимальное внутреннее магнитное поле мотора, а следовательно, и ротора. В результате вентилятор работает с приятной низкой скоростью, стабильно и намного тише. Теперь зависимость от штатного управления скоростями вентилятора становится минимальной, поскольку доминирующее влияние на скорость имеет рабочая частота.
В схеме на Рисунке 1 R1, D1, D2 и C4 выпрямляют и сглаживают переменное напряжение сети 240 В, образуя слаботочный источник питания –5 В для двух стандартных логических микросхем: счетверенного элемента «исключающее ИЛИ» CD4070B и четырехразрядного счетчика 74HCT191. Сетевое напряжение 240 В через резистор R2 поступает также на первый вентиль «исключающее ИЛИ» (включенный неинвертирующим буфером), который, используя встроенные цепи защиты входов, ограничивает его на уровнях –5.6 В и +0.6 В, что почти превращает вентиль в детектор пересечения нуля, формирующий прямоугольные тактовые импульсы с частотой сети. Элементы C1 и R2 фильтруют шумы сетевого напряжения и задерживают тактовый сигнал относительно волн входного напряжения на время порядка 0.4 мс. C2 добавляет вентилю динамический гистерезис 1 В, обеспечивающий чистое переключение и обрезающий всплески на шине сетевого напряжения и на шине –5 В, возникающие при переключении симистора.
Затем тактовый сигнал проходит через второй буферный каскад «исключающее ИЛИ», который вместе с конденсатором C3 задерживает его на время порядка 500 нс. Комбинация этого сигнала с исходным тактовым импульсом на входах третьего элемента «исключающее ИЛИ» образует на выходе короткий положительный импульс при каждом переходе входного тактового сигнала из «1» в «0», в результате чего мы имеем импульс длительностью 0.4 мс после каждого пересечения нуля входным сетевым напряжением, то есть, каждые 10 мс. (Между прочим, достоинством освященных десятилетиями логических схем серии 4000 является то, что они позволяют вам допускать вольности, нагружая выход конденсатором, так как сопротивление канала транзистора ограничивает ток безопасным уровнем, если напряжение питания не превышает 10 В).
На тактовый вход (CP) двоичного счетчика 74HCT191 поступают короткие импульсы положительной полярности. Счетчик работает в режиме вычитания, каждые 10 мс уменьшая на единицу число, записанное во входной регистр по сигналу параллельной загрузки (~PL). По достижении нуля уровень сигнала на выходе переноса (TC) становится высоким, и конденсатор C5 начинает заряжаться током, текущим через R3. Примерно через 0.3 мс, когда напряжение на конденсаторе вырастет до 2.5 В, выход последнего элемента «исключающее ИЛИ», включенного в данном случае инвертором и соединенного с входом ~PL, переключится в низкий уровень и загрузит число "0011" на входы D3…D0, а на выходе TC вновь немедленно установится «лог. 0». В результате счетчик проходит через состояния "0011", "0010", "0001", а затем, после кратковременного пребывания в "0000", опять возвращается в состояние "0011".
Таким образом, на выводе TC через 0.4 мс после каждого третьего пересечения нуля входным сетевым напряжением образуется положительный импульс длительностью 0.3 мс. На выходе сквозного переноса ~RC появляется инвертированный сигнал TC (если быть точным – чуть более короткий), то есть, отрицательный импульс длительностью 0.3 мс, который через резистор R4 поступает на управляющий электрод и переключает симистор. Поскольку происходит это попеременно во время положительных и отрицательных полуволн сетевого напряжения с промежутками 30 мс, на нагрузке формируется сигнал, идеализированный вид которого показан на Рисунке 2. Благодаря управлению отрицательными импульсами напряжения и тока, симистор переключается только в квадрантах II и III, а квадрант IV, в котором симистору потребовался бы больший ток управления, исключается. (См. Материалы по теме – Datasheet ON Semiconductor 2N6073A). Задержка в 0.4 мс относительно точки пересечения нуля сетевым напряжением гарантирует, что к моменту, когда появляется импульс управления и открывается симистор, к индуктивной нагрузке мотора уже приложено напряжение, достаточное для того, чтобы ток симистора нарастал со скоростью, при которой успевал бы достичь значения удержания раньше, чем закончится управляющий импульс. Величиной 0.3 мс длительность импульса ограничена только для того, чтобы минимизировать мощность, потребляемую схемой управления, которая в целом не превышает 100 мВт.
Демпфирующая цепь R5, C6 предназначена для ограничения скорости нарастания помеховых импульсов (dV/dt), возникающих при коммутации индуктивной нагрузки и способных вызывать открывание симистора. Она нужна не для всех вентиляторов; например, мой прекрасно работает и без нее. В демпфирующей цепи используйте конденсатор, рассчитанный на работу при напряжении сети, а резистор лучше выбрать не пленочный, а объемный. Симистор должен иметь чувствительный вход управления, который мог бы переключаться микросхемами серии 74HCT. Что касается остальных компонентов, они маломощны и некритичны к отклонениям номиналов. В теплоотводе симистор, как правило, не нуждается, поскольку ток вентилятора и коэффициент заполнения управляющих симистором импульсов достаточно малы, чтобы воздушного охлаждения было вполне достаточно. (Впрочем, проделайте собственные расчеты).
При испытаниях моего вентилятора, питающегося от номинального сетевого напряжения, в режимах «быстро» и «медленно» скорость составляла, соответственно, 31 и 26 об/с. С описанной выше схемой скорость упала до 12 об/с. Поскольку акустический шум, производимый вентилятором, пропорционален пятой степени скорости его вращения, совершенно очевидно, что потенциал снижения шума здесь весьма значителен. Остаточный шум обусловлен отчасти импульсным характером питания, и проявляется в виде урчания, а отчасти качеством подшипников вентилятора и его общей конструкцией в целом.
Наконец, с помощью либо переключателя, либо паяльника, меняя двоичное число, записываемое в счетчик через входы данных, можно заставить ту же схему пропускать еще больше полуволн сетевого напряжения, понижая частоту до 1/5, 1/7…, 1/15. (Четные значения не годятся, поскольку полуволны становятся односторонними, и мотор вращаться не может). При испытаниях мой вентилятор, хоть и работал на этих пониженных скоростях, но начинал раздражать своим урчанием, а движение воздуха делалось слишком медленным, отчего я решил остановиться на единственной скорости 1/3. Впрочем, в других приложениях более низкие скорости могут оказаться полезными.
Если вы собираетесь не трогать вентилятор и разместить схему в отдельном корпусе с гнездами для сетевой вилки, для восстановления нормальной скорости вращения добавьте небольшой выключатель, накоротко замыкающий выводы симистора MT1 и MT2. (Просто записать в счетчик число "0001" вы не можете, так как при индуктивной нагрузке выходной ток пресекает ноль позже, чем сетевое напряжение, из-за чего тактовый импульс будет смещен на 0.3 мс, и схема работать не будет). Чтобы использовать схему в сети 120 В/60 Гц, достаточно просто уменьшить вдвое сопротивления резисторов R1 и R2.
Схема надежно работает даже тогда, когда резисторы R1 и R2 подключены не к входу сети, а к другой стороне мотора. Это означает, что схема становится двухвыводным черным ящиком, включаемым последовательно с вентилятором, что упрощает подключение и дает возможность использовать собственный выключатель вентилятора для полного прерывания питания. Сопротивление резистора R1 потребуется уменьшить до 2/3 от первоначального значения, поскольку на источник питания –5 В теперь будут попадать лишь две из трех полуволн сетевого напряжения. Несмотря на то, что форма синусоиды, приходящей на R2, будет очень сильно искажена, схема продолжит правильно считать циклы сетевого напряжения и формировать тактовые импульсы.
Купить 74HCT191 на РадиоЛоцман.Цены
