G. Forrest Cook
Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) – это устройство, которое может использоваться в качестве эффективного регулятора света или скорости двигателя постоянного тока. Описанная здесь схема предназначена для управления приборами постоянного тока с потреблением до нескольких ампер. Схема может работать как в 12-, так и в 24-вольтовых системах, лишь с небольшими изменениями в подключении. Это устройство было использовано для управления яркостью задних габаритных огней автомобиля и в качестве регулятора частоты вращения двигателя небольшого вентилятора, установленного в блоке питания компьютера.
.gif)
| Надписи на схеме | |
| Oscillator | Генератор |
| 12V or 24V DC Pulse Width Modulator | Широтно-импульсный модулятор с напряжением питания 12 или 24 В DC |
| Pulse Width | Ширина импульса |
| Less | Меньше |
| More | Больше |
| VDC Input | Вход напряжения постоянного тока |
| Load | Нагрузка |
| Pinout | Цоколевка |
| Comparator | Компаратор |
| For 12V operation, short J1, omit U2, C4, C5 | При напряжении питания 12 В замкнуть перемычку J1, U2, C4, C5 не устанавливать |
| For 24V operation, short J2, omit C2 | При напряжении питания 24 В замкнуть перемычку J2, C2 не устанавливать |
Схема ШИМ работает, генерируя прямоугольные импульсы с переменной скважностью, которая в среднем может изменяться от 0 до 100 процентов. Таким образом, в нагрузку передается определенное количество мощности. Основным преимуществом схемы ШИМ над резистивными регуляторами питания является КПД. При установке регулятора на уровне 50% мощности в нагрузке, ШИМ будет использовать около 50% от всей мощности, почти вся из которой передастся в нагрузку; резистивный регулятор при 50% мощности нагрузки будет потреблять около 71% от полной мощности, 50% мощности идет в нагрузку, остальные 21% тратятся на нагрев последовательного резистора. КПД почти всегда решающий фактор в солнечных и других альтернативных источниках энергии.
Еще одно преимущество широтно-импульсной модуляции в том, что импульсы достигают полного напряжения питания и будут обеспечивать больший крутящий момент для двигателей, будучи в состоянии легче преодолевать их внутреннее сопротивление. Наконец, в схеме ШИМ для регулирования всевозможных нагрузок могут использоваться маломощные потенциометры, в то время как в резистивных регуляторах необходимы мощные и дорогие переменные резисторы.
Основными недостатками схемы ШИМ являются повышенная сложности и возможность генерации радиочастотных помех (RFI). Помехи могут быть сведены к минимуму за счет размещения регулятора вблизи нагрузки, и использования коротких проводов по питанию, и в некоторых случаях, с использованием дополнительных мер фильтрации питания. Эта схема создает определенные помехи, но их воздействие на АМ радиоприемник, расположенный на расстоянии 30 см, минимально. Если дополнительная фильтрация необходима, можно включить дроссель после силового разъема, но убедитесь, что максимальный ток потребления не превышает номинального тока дросселя. Большинство помех будет генерироваться сильноточными цепями, идущими от источника питания, нагрузки, и при переключении транзистора Q1.
Спецификация
|
Частота ШИМ |
400 Гц |
|
Ток нагрузки |
3 А для полевого транзистора IRF521, |
|
Ток потребления схемы ШИМ |
1.5 мА при 12 В без тока нагрузки и без светодиода |
|
Напряжение нагрузки: |
12 В или 24 В, в зависимости от конфигурации |
Теория
Схема ШИМ требует постоянно работающего генератора. Генератор на U1a формирует прямоугольный сигнал частотой около 400 Гц, который усилителем U1d преобразуется в треугольный.
На U1c сделан источник опорного напряжения 6 В. Опорное напряжение используется в качестве виртуальной земли для генератора, это необходимо, чтобы генератор питался от однополярного источника, а не от двухполярного.
U1b включен как компаратор, и именно эта часть схемы создает импульсы переменной ширины. На контакт 6 U1b поступает изменяемое напряжение с делителя R6, VR1, R7. Это напряжение сравнивается с треугольным сигналом на выводе 14 U1b. Когда уровень этого сигнала выше напряжения на выводе 6, на выходе U1b высокий уровень. И наоборот, когда уровень сигнала ниже напряжения на выводе 6, на выходе низкий уровень. Изменяя напряжение на выводе 6, переключающие точки уровня этого напряжения перемещаются вверх и вниз относительно треугольного сигнала, создавая импульсы переменной длительности. Резисторы R6 и R7 используются для установки граничных напряжений управления VR1. Приведенные значения резисторов позволяют регулировать мощность от нуля до максимума при полном обороте движка потенциометра. Возможно, значения резисторов R6 и R7 нужно будет подобрать, чтобы обеспечить полное изменение длительности импульсов при изменении напряжения потенциометром.
Силовой ключ на транзисторе Q1, управляемый по выводу затвора G импульсами переменной ширины, включает и выключает ток нагрузки, текущий от истока к стоку. Когда Q1 открыт, через него проходит ток нагрузки на «землю», когда Q1 закрыт, нагрузка отключается от «земли». Следует проявлять осторожность, чтобы контакты подключения нагрузки не соединялись с «землей» или не замыкались накоротко.
Нагрузка постоянно подключена к положительному полюсу источника питания. Светодиод LED1 индицирует своей яркостью величину скважности импульсов. Конденсатор С3 сглаживает импульсный сигнал и отчасти устраняет помехи. D1– шунтирующий диод, он устраняет выбросы обратного напряжения от индуктивной нагрузки, например, двигателя.
В режиме 24 В стабилизатор U2 преобразует 24 В в 12 В для питания схемы ШИМ, транзистор Q1 коммутирует напряжение питания 24 В через нагрузку на «землю» так же, как и при питании 12 В. Инструкции по переключению схемы на питание от 12 или 24 В вы найдете на схеме.
При подключении нагрузки, потребляющей ток не более 1 А, устанавливать транзистор Q1 на радиатор не требуется, если же вы планируете подключать нагрузку на больший ток, понадобятся радиатор и теплопроводящая паста. Транзистор Q1 может быть заменен на более сильноточный, подходящие замены – IRFZ34N, IRFZ44N, или IRFZ48N. Такие компоненты как переключатель S1, предохранитель F1, проводники между полевым транзистором, блоком питания и нагрузкой должны быть рассчитаны на максимальный ток нагрузки.
Конструкция
Прототип устройства был собран на макетной плате, радиоэлементы и провода установлены в отверстия платы. Один из вариантов готового устройства был использован для регулирования скорости вентилятора постоянного тока, установленного на крышке небольшой металлической коробки, внутри которой размещалась схема ШИМ.
С использованием бесплатной CAD программы, работающей под Linux, была разработана несложная печатная плата (см. рисунок). Изображение платы было напечатано на лазерном PostScript принтере на трансферной пленке Techniks для переноса рисунка тонера. Напечатанное на пленке изображение было наложено на очищенную медную поверхность фольгированного текстолита и проглажено утюгом. Плата травится в растворе хлорного железа. Отверстия сверлятся тонким сверлом, радиокомпоненты припаиваются в отверстия и плата подключается к блоку питания и нагрузке. Эта техника отлично подходит для быстрого изготовления печатной платы, но не подходит для изготовления большого количества плат. Изображение печатных проводников показано на рисунке, оно может быть напечатано на пленке для переноса на медную фольгу, или использовано в фотографическом процессе травления.
В качестве альтернативы можно применить метод изготовления «выводами вверх». Этот метод предполагает следующее: на небольшой кусок фольгированного текстолита со стороны меди с помощью быстросохнущей эпоксидной смолы приклеиваются радиокомпоненты выводами вверх, и при помощи пайки выводы соединяются проводами. Выводы, которые должны подсоединятся к «земле», могут быть припаяны непосредственно к медной фольге.
Настройка
Настройка этой схемы не требуется.
Использование
Это устройство может работать, как регулятор яркости лампы постоянного тока, как регулятор небольшого двигателя, и даже для управления небольшим нагревателем. Эта схема была бы подходящим регулятором скорости электропоезда на солнечной батарее. Устройство было опробовано с 5-амперным электродвигателем при использовании полевого транзистора IRFZ34N и работало нормально. При использовании других двигателей диод D1, возможно, потребуется заменить на более быстродействующий и мощный. Схема может использоваться как система управления электродвигателем велосипеда, но если вы экспериментируете с этим, не забудьте установить выключатель питания с удобным и быстрым доступом. Это необходимо на случай пробоя полевого транзистора и включения двигателя на полную мощность.
Подключите блок питания на 12 или 24 В, или аккумулятор, согласно схеме, к входным клеммам, нагрузку подключите к выходным клеммам и убедитесь, что на выходных клеммах нет замыкания на корпус, например, при подключении заземленного электродвигателя. Поверните ручку потенциометра вперед и назад, двигатель должен изменять скорость вращения, свет лампы должен изменяться.
Радиоэлементы
|
U1 |
Счетверенный операционный усилитель LM324N |
|
U2 |
Стабилизатор 12 В 78L12 |
|
Q1 |
N канальный MOSFET IRF521 |
|
D1 |
Кремниевый диод 1N4004 |
|
LED1 |
Красный светодиод |
|
C1 |
Керамический дисковый конденсатор 0.01 мкФ, 25 В |
|
C2…C5 |
Керамический дисковый конденсатор 0.1 мкФ, 50В |
|
R1…R4 |
Резистор 100 кОм 0.25 Вт |
|
R5 |
Резистор 47 кОм 0.25 Вт |
|
R6…R7 |
Резистор 3.3 кОм 0.25 Вт |
|
R8 |
Резистор 2.7 кОм 0.25 Вт |
|
R9 |
Резистор 470 Ом 0.25 Вт |
|
VR1 |
Линейный потенциометр 10 кОм |
|
F1 |
Быстродействующий предохранитель 3 A, 28 В |
|
S1 |
Переключатель 5 A |
Загрузки
Рисунки печатной платы в формате GIF и PostScript.
Слой шелкографии в формате GIF и PostScript.
Пояснения к рисунку слоя шелкографии:
- необозначенный круглый контур возле LED1 – проволочная перемычка,
- элемент, обозначенный FB1 – на самом деле R9.
