Мощный шим регулятор своими руками

Управление с использованием широтно-импульсной модуляции напряжения

льтернативной технологией динамического управления скоростью вращения вентилятора кулера процессора является широтно-импульсная модуляция (Pulse Wide Modulation, PWM) напряжения питания вентилятора. Идея здесь тоже проста: вместо изменения амплитуды напряжения питания вентилятора напряжение подают на вентилятор импульсами определенной длительности. Амплитуда импульсов напряжения и частота их следования неизменны, и меняется только их длительность, то есть фактически вентилятор периодически включают и выключают. Подобрав частоту следования импульсов и их длительность, можно управлять скоростью вращения вентилятора. Действительно, поскольку вентилятор обладает определенной инертностью, он не может мгновенно ни раскрутиться, ни остановиться (рис. 3).

Рис. 3. Реакция вентилятора
на импульс напряжения

Если длительность импульса напряжения (T_on) меньше характерного времени раскрутки вентилятора (T_on < T_раскр), а длительность промежутка времени, в течение которого на вентилятор не подается напряжение (T_off), меньше характерного времени останова вентилятора (T_off < T_ост), то при подаче на вентилятор последовательности таких импульсов он будет вращаться с некоторой средней скоростью, значение которой определяется соотношением времен T_on и T_off (рис. 4).

Рис. 4. Управление скоростью вращения вентилятора при широтно-импульсной модуляции напряжения

Отношение времени Ton к периоду следования импульсов (T_on + T_off), измеряемой в процентах, то есть

.

называется скважностью импульсов. Если, к примеру, скважность составляет 30%, то время, в течение которого на вентилятор подается напряжение, составляет 30% от периода импульса

Реализации широтно-импульсной модуляции напряжения вентилятора осуществляется с помощью PWM-контроллера на материнской плате, причем данный тип управления поддерживается только материнскими платами для процессоров Intel.

PWM-контроллер, в зависимости от текущей температуры процессора, формирует последовательность импульсов напряжения с определенной скважностью, однако это  еще не импульсы напряжения, которые подаются на электродвигатель вентилятора. Последовательность импульсов, формируемая PWM-контроллером, используется для управления электронным ключом (транзистором), отвечающим за подачу напряжения (12 В) на электродвигатель

Упрощенная схема управления скоростью вращения кулера показана на рис. 5.

Рис. 5. Схема управления скоростью вращения вентилятора
при использовании PWM-сигнала

Кулеры, поддерживающие PWM-управление, должны быть четырехконтактными: два контакта необходимы для подачи напряжения 12 В, третий контакт  это сигнал тахометра, формируемый самим вентилятором и необходимый для определения текущей скорости вращения, а четвертый контакт используется для связи с PWM-контроллером.

Как уже говорилось, при широтно-импульсной модуляции напряжения для изменения скорости вращения вентилятора меняется скважность импульсов, но не частота их следования. Типичная минимально возможная скважность импульсов составляет 30%, а максимально возможная  100%, что соответствует постоянному напряжению на вентиляторе

Частота следования PWM-импульсов составляет от 21 до 25 кГц (типичное значение 23 кГц), то есть в течение одной секунды вентилятор включается и отключается приблизительно 23 тыс. раз! На рис. 6 показан пример осциллограммы PWM-импульсов с частотой следования 25 кГц и скважностью 78%.

Рис. 6

Осциллограмма PWM-последовательности со скважностью 78% при частоте следования 25 кГц

Скважность PWM-импульсов определяется текущей температурой процессора. Если температура процессора ниже некоторого порогового значения, то скважность импульсов минимальна  следовательно, вентилятор будет вращаться на минимальной скорости и создавать минимальный уровень шума

При превышении температуры процессора порогового значения скважность импульсов начинает линейно меняться в зависимости от температуры, увеличиваясь вплоть до 100%. Соответственно и скорость вращения вентилятора, равно как и уровень создаваемого им шума, будет изменяться в зависимости от температуры процессора (рис. 7).

Рис. 7

Зависимость скважности PWM-импульсов
от температуры процессора

В заключение отметим, что, как и в случае с DC-технологией, для реализации PWM-управления скоростью вращения кулера необходимо активировать данный режим управления в BIOS материнской платы.

Простейший регулятор оборотов электродвигателя своими руками

Изготавливая различные самоделки, приходится сталкиваться с рядом проблем и поиском их решений. Так и в случае с различными приспособлениями, которые имеют в своей конструкции коллекторный электродвигатель.

Очень часто нужно сделать так, чтобы двигатель имел регулируемые обороты. Для этих целей используется регулятор (контроллер) оборотов двигателя, который можно собрать своими руками.

Представленный ниже регулятор для электродвигателей позволяет не только обеспечить плавный пуск мотора и степень регулировки оборотов, но и защитить двигатель от перегрузок. Работать контроллер может не только от 220 Вольт, но и от пониженного напряжения, вплоть от 110 Вольт.

Шим регулятор для зарядного устройства

Совсем недавно решил изготовить несколько зарядных устройств для автомобильного аккумуляторы, который собирался продавать на местном рынке. В наличии имелись довольно красивые промышленные корпуса, стоило лишь изготовить хорошую начинку и все дела.

Но тут столкнулся с рядами проблем, начиная от блока питания, заканчивая узлом управления выходного напряжения. Пошел и купил старый добрый электронный трансформатор типа ташибра (китайский бренд) на 105 ватт и начал переделку. 

Ташибра – электронный (импульсный) сетевой блок питания реализованный на полумостовой основе, не имеет никаких защит, даже простой сетевой фильтр отсутствует. После переделки (об этом в следующих статьях) удалось получить на выходе трансформатора до 18 Вольт постоянного напряжения с током 8-10 Ампер, что более, чем достаточно для зарядки даже довольно емких автомобильных аккумуляторов.

Размеры платы не более пачки от сигарет, довольно компактный и мощный блок питания в итоге получился. Вторая проблема была связана с регулятором мощности, напрямую зарядить аккумулятор не получиться, поэтому было решено использовать схему простого ШИМ регулятора.

В нашей схеме силовым звеном является мощный N-канальный полевой транзистор, в моем случае IRFZ44, естественно он не критичен, можно задействовать почти любые аналогичные ключи с допустимым током 20Ампер и более. 

Маломощные транзисторы тоже не критичны, можно использовать любые транзисторы обратной проводимости (малой мощности, такие как – кт3102, кт315, S9012/9014/9016/9018 и другие), на них собран мультивибратор с регулируемой скважностью импульсов, который управляет мощным полевым ключом. Полевой транзистор в ходе работы будет перегреваться, но этот перегрев не будет слишком большим, но на всякий случай транзистор стоит установить на теплоотвод. 

• Данная схема ШИМ регулятора выходного напряжения отлично может работать с любыми зарядными устройствами/блоком питания, не зависимо от типа, номинал входных напряжений от 3,5 вплоть до максимального напряжения, допустимый через полевой транзистор (60-75 Вольт, в некоторых случаях 100 и выше, все зависит от конкретного транзистора). 
• Автор;  АКА КАСЬЯН

Регулятор оборотов двигателя постоянного тока 12 вольт

На простых механизмах удобно устанавливать аналоговые регуляторы тока. К примеру, они могут изменить скорость вращения вала мотора. С технической стороны выполнить такой регулятор просто (потребуется установка одного транзистора). Применим для регулировки независимой скорости моторов в робототехнике и источниках питания. Наиболее распространены два варианта регуляторов: одноканальные и двухканальные.

Видео №1 . Одноканальный регулятор в работе. Меняет скорость кручения вала мотора посредством вращения ручки переменного резистора.

Видео №2. Увеличение скорости кручения вала мотора при работе одноканального регулятора. Рост числа оборотов от минимального до максимального значения при вращении ручки переменного резистора.

Видео №3 . Двухканальный регулятор в работе. Независимая установка скорости кручения валов моторов на базе подстроечных резисторов.

Видео №4. Напряжение на выходе регулятора измерено цифровым мультиметром. Полученное значение равно напряжению батарейки, от которого отняли 0,6 вольт (разница возникает из-за падения напряжения на переходе транзистора). При использовании батарейки в 9,55 вольт, фиксируется изменение от 0 до 8,9 вольт.

Схема шим регулятора

   Регулировка оборотов электродвигателей в современной электронной технике достигается не изменением питающего напряжения, как это делалось раньше, а подачей на электромотор импульсов тока, разной длительности.

Для этих целей и служат, ставшие в последнее время очень популярными — ШИМ (широтно-импульсно модулируемые) регуляторы.

Схема универсальная — она же и регулятор оборотов мотора, и яркости ламп, и силы тока в зарядном устройстве.

Схема ШИМ регулятора

   Указанная схема отлично работает, печатная плата прилагается. 

   Без переделки схемы напряжение можно поднимать до 16 вольт. Транзистор ставить в зависимости от мощности нагрузки. 

   Можно собрать ШИМ регулятор и по такой электрической схеме, с обычным биполярным транзистором:

   А при необходимости, вместо составного транзистора КТ827 поставить полевой IRFZ44N, с резистором R1 — 47к. Полевик без радиатора, при нагрузке до 7 ампер, не греется. 

Работа ШИМ регулятора

   Таймер на микросхеме NE555 следит за напряжением на конденсаторе С1, которое снимает с вывода THR. Как только оно достигнет максимума — открывается внутренний транзистор. Который замыкает вывод DIS на землю.

При этом на выходе OUT появляется логический ноль. Конденсатор начинает разряжаться через DIS и когда напряжение на нем станет равно нулю — система перекинется в противоположное состояние — на выходе 1, транзистор закрыт.

Конденсатор начинает снова заряжаться и все повторяется вновь. 

   Заряд конденсатора С1 идет по пути: «R2->верхнее плечо R1 ->D2«, а разряд по пути: D1 -> нижнее плечо R1 -> DIS. Когда вращаем переменный резистор R1, у нас меняются соотношения сопротивлений верхнего и нижнего плеча. Что, соответственно, меняет отношение длины импульса к паузе.

Частота задается в основном конденсатором С1 и еще немного зависит от величины сопротивления R1

Меняя отношение сопротивлений заряда/разряда — меняем скважность. Резистор R3 обеспечивает подтяжку выхода к высокому уровню — так так там выход с открытым коллектором

Который не способен самостоятельно выставить высокий уровень. 

Рекомендации по сборке и настройке

   Диоды можно ставить любые, конденсаторы примерно такого номинала, как на схеме. Отклонения в пределах одного порядка не влияют существенно на работу устройства. На 4.7 нанофарадах, поставленных в С1, например, частота снижается до 18кГц, но ее почти не слышно.

     Если после сборки схемы греется ключевой управляющий транзистор, то скорее всего он полностью не открывается. То есть на транзисторе большое падение напряжения (он частично открыт) и через него течет ток. В результате рассеивается большая мощность, на нагрев.

В общем область применения очень широкая, особенно перспективным будет её использование в качестве регулятора яркости мощных светодиодных ламп, LED лент и прожекторов, но про это в следующий раз. Статья написана при поддержке ear, ur5rnp, stalker68.

•    Форум по широтно-импульсным регуляторам
•    Обсудить статью Схема шим регулятора

ШИМ контроллер: принцип работы

ШИМ сигналом управляет ШИМ контроллер. Он управляет силовым ключом благодаря изменениям управляющих импульсов. В ключевом режиме транзистор может быть полностью открытым или полностью открытым. В закрытом состоянии через p-n-переход идет ток не больше нескольких мкА, то есть мощность рассеивания близка к нулю. В открытом состоянии идет большой ток, но так как сопротивление p-n-перехода мало, происходят небольшие теплопотери. Больше тепла выделяется в при переходе из одного состояния в другое. Однако благодаря быстроте переходного процесса в сравнении с частотой модуляции, мощность этих потерь незначительна.

Все это позволило разработать высокоэффективный компактный широтно импульсный преобразователь, то есть с малыми теплопотерями. Резонансные преобразователи с переключением в 0 тока ZCS позволяют свести теплопотери к минимуму.

Аналоговая ШИМ

В аналоговых ШИМ-генераторах управляющий сигнал формируется при помощи аналогового компаратора, когда на его инвертирующий вход подается пилообразный или треугольный сигнал, а на неинвертирующий — непрерывный модулирующий.

Выходные импульсы идут прямоугольной формы. Частота их следования соответствует частоте пилы, а длительность плюсовой части импульса зависит от времени, когда уровень постоянного модулирующего сигнала, идущего на неинвертирующий вход компаратора, выше уровня пилообразного сигнала, подающегося на инвертирующий вход. В период когда напряжение пилообразного сигнала будет превышать модулирующий сигнал — на выходе будет фиксироваться отрицательная часть импульса.

Во время когда пилообразный сигнал подается на неинвертирующий вход, а модулирующий — на инвертирующий, выходные прямоугольные импульсы будут положительными, когда напряжение пилы будет выше уровня модулирующего сигнала на инвертирующем входе, а отрицательное — когда напряжение пилы станет ниже сигнала модулирующего.

Цифровая ШИМ

Работая с цифровой информацией, микроконтроллер может формировать на выходах или 100% высокий или 0% низкий уровень напряжения. Но для эффективного управления нагрузкой такое напряжение на выходе нужно изменять. Например, когда осуществляется регулировка скорости вращения вала мотора или при изменении яркости светодиода.

Вопрос решают ШИМ контроллеры. То есть, 2-хуровневая импульсно-кодированная модуляция — это серия импульсов, характеризующаяся  частотой 1/T и либо шириной Т, либо шириной 0. Для их усреднения применяется передискретизация. При цифровой ШИМ прямоугольные подимпульсы, которыми и заполнен период, могут занимать любое место в периоде. Тогда на среднем значении сигнала за период сказывается лишь их количество. Так как процесс осуществляется на частоте в сотни кГц, можно добиться плавной регулировки. ШИМ контроллеры решают эту задачу.

Можно провести следующую аналогию с механикой. Когда маховик вращается при помощи двигателя, при включенном двигателе маховик будет раскручиваться или продолжать вращение, если двигатель выключен, маховик будет тормозить из-за сил трения. Однако, если движок включать/выключать на несколько секунд, вращение маховика будет держаться на определенной скорости благодаря инерции. Чем дольше период включения двигателя, тем быстрее раскрутится маховик. Аналогично работает и ШИМ модулятор. Так работают ШИМ контроллеры, в которых переключения происходят в секунду тысячи раз, и частоты могут достигнуть единиц мегагерц.

Использование ШИМ-контроллеров обусловлено их следующими преимуществами:

• стабильностью работы;
• высокой эффективностью преобразования сигнала;
• экономией энергии;
• низкой стоимостью.

Получить на выводах микроконтроллера (МК) ШИМ сигнал можно:

• аппаратным способом;
• программным способом.

В каждом МК есть встроенный таймер, генерирующий ШИМ импульсы на определённых выводах. Это аппаратный способ. Получение ШИМ сигнала при помощи команд программирования более эффективно за счет разрешающей способности и дает возможность задействовать больше выводов. Но программный способ вызывает высокую загрузку МК, занимая много памяти.

Шим регулятор на таймере ne555

Потребовалось мне сделать регулятор скорости для пропеллера. Чтобы дым от паяльника сдувать, да морду лица вентилировать. Ну и, для прикола, уложить все в минимальную стоимость.

Проще всего маломощный двигатель постоянного тока, конечно, регулировать переменным резистором, но найти резюк на такой малый номинал, да еще нужной мощности это надо сильно постараться, да и стоить он будет явно не десять рублей. Поэтому наш выбор ШИМ + MOSFET.

Ключ я взял IRF630. Почему именно этот MOSFET? Да просто у меня их откуда то завелось штук десять. Вот и применяю, так то можно поставить что либо менее габаритное и маломощное. Т.к.

ток тут вряд ли будет больше ампера, а IRF630 способен протащить через себя под 9А. Зато можно будет сделать целый каскад из вентиляторов, подсоединив их к одной крутилке — мощи хватит

Теперь пришло время подумать о том, чем мы будем делать ШИМ.

Сразу напрашивается мысль — микроконтроллером. Взять какой-нибудь Tiny12 и сделать на нем. Мысль я эту отбросил мгновенно.

1. Тратить такую ценную и дорогую деталь на какой то вентилятор мне западло. Я для микроконтроллера поинтересней задачу найду
2. Еще софт под это писать, вдвойне западло.
3. Напряжение питания там 12 вольт, понижать его для питания МК до 5 вольт это вообще уже лениво
4. IRF630 не откроется от 5 вольт, поэтому тут пришлось бы еще и транзистор ставить, чтобы он подавал высокий потенциал на затвор полевика. Нафиг нафиг.

Остается аналоговая схема. А что, тоже неплохо. Наладки не требует, мы же не высокоточный девайс делаем. Детали тоже минимальные. Надо только прикинуть на чем делать.

Операционные усилители можно отбросить сразу. Дело в том, что у ОУ общего назначения уже после 8-10кГц, как правило, предельное выходное напряжение начинает резко заваливаться, а нам надо полевик дрыгать.

Да еще на сверхзвуковой частоте, чтобы не пищало.

ОУ лишенные такого недостатка стоят столько, что на эти деньги можно с десяток крутейших микроконтроллеров купить. В топку!

Остаются компараторы, они не обладают способностью операционника плавно менять выходное напряжение, могут только сравнивать две напруги и замыкать выходной транзистор по итогам сравнения, но зато делают это быстро и без завала характеристики.

Пошарил по сусекам и компараторов не нашел. Засада! Точнее был LM339, но он был в большом корпусе, а впаивать микросхему больше чем на 8 ног на такую простую задачу мне религия не позволяет. В лабаз тащиться тоже было влом.

Что делать?

И тут я вспомнил про такую замечательную вещь как аналоговый таймер — NE555. Представляет собой своеобразный генератор, где можно комбинацией резисторов и конденсатором задавать частоту, а также длительность импульса и паузы.

Как это работает
Если не вникать глубоко в структуру таймера 555, то несложно. Грубо говоря, таймер следит за напряжением на конденсаторе С1, которое снимает с вывода THR (THRESHOLD — порог). Как только оно достигнет максимума (кондер заряжен), так открывается внутренний транзистор.

Который замыкает вывод DIS (DISCHARGE — разряд) на землю. При этом на выходе OUT появляется логический ноль. Конденсатор начинает разряжаться через DIS и когда напряжение на нем станет равно нулю (полный разряд) система перекинется в противоположное состояние — на выходе 1, транзистор закрыт.

Конденсатор начинает снова заряжаться и все повторяется вновь.
Заряд конденсатора С1 идет по пути: «R4->верхнее плечо R1 ->D2«, а разряд по пути: D1 -> нижнее плечо R1 -> DIS. Когда мы крутим переменный резистор R1 то у нас меняются соотношения сопротивлений верхнего и нижнего плеча. Что, соответственно, меняет отношение длины импульса к паузе.

Частота задается в основном конденсатором С1 и еще немного зависит от величины сопротивления R1.

Резистор R3 обеспечивает подтяжку выхода к высокому уровню — так так там выход с открытым коллектором. Который не способен самостоятельно выставить высокий уровень.

Схема регулятора оборотов для электродвигателя

Чтобы собрать регулятор оборотов для двигателя потребуется генератор ШИМ импульсов и симистор для управления двигателем. Диод и резистор D1 и R1, позволяют снижать напряжение для питания двигателя, а конденсатор C1, призван обеспечивать фильтрацию тока на входе электроцепи.

Элементы P1, R5 и R3 — это делители напряжения с возможностью регулировки его значений. Резистор R2, который указан на схеме регулятора оборотов электродвигателя, позволяет синхронизировать внутренние блоки регулятора с основным симистором (ВТ139), на котором собственно и работает регулятор оборотов.

Ниже на рисунке можно увидеть наглядное расположение всех элементов регулятора оборотов для электродвигателей. Обязательно следует безопасно расположить элементы, так как работа регулятора осуществляется от опасного напряжения в 220 Вольт.

ШИМ регулятор оборотов электродвигателя постоянного тока рассчитанного на напряжение 12 В

Своими словами — если у нас есть двигатель постоянного тока на 12 вольт — то мы можем регулировать обороты двигателя изменяя напряжение питания. Изменяя напряжение питания от нуля до 12 вольт будут изменятся обороты двигателя от нуля до максимальных

В случае с ШИМ регулятором мы будем изменять скважность импульсов от 0 до 100% и это будет эквивалентно изменению напряжения питания двигателя и соответственно будут изменятся обороты двигателя

Рассмотрим первый ШИМ регулятор на 5 ампер. Есть такая самая любимая микросхема всех радиолюбителей — это таймер NE555 ( или советский аналог КР1006ВИ). Вот на этой микросхеме и собран ШИМ регулятор. Кроме таймера здесь я использую стабилизатор на 9 вольт LM7809, мощный полевой транзистор с N-каналом IRF540, сдвоенный диод Шоттки, а также другие мелкие детали. Схема по которой собран этот регулятор всем известна и очень популярна.

Печатку этой платы можно скачать —ШИМ 5A

В более мощном исполнении я применяю просто параллельное включение нескольких полевых транзисторов IRF540 и более мощный сдвоенный диод Шоттки. В остальном всё аналогично.

Печатку этой платы можно скачать —ШИМ 10A

Подключение ШИМ регулятора очень простое. Вы видите 4 клеммы — две клеммы для подачи питания (+) и (-), и две клеммы для подключения мотора (M+) и (M-).

Сделал еще ШИМ регулятор с защитой по току. Для этих целей использовал распространенный операционный усилитель LM358 и два оптрона PC817. При превышении тока, который мы задаем подстроечником R12, срабатывает триггер-защелка на операционнике DA3.1, оптронах DA4 и DA5 и блокируется генерация импульсов по 5 ноге таймера NE555. Чтобы снова запустить генерацию нужно кратковременно снять питание со схемы с помощью кнопки S1.

Печатку этой платы можно скачать —ШИМ 10А с защитой

ШИМ регуляторы все работоспособны, проверил их работу с помощью двигателя от шуруповерта.

ШИМ регулятор оборотов

Источник

Простой регулируемый ШИМ

Регулировать напряжение мощного нагрузке удобно с помощью регуляторов с широтно-импульсной модуляцией.

Преимущество таких регуляторов заключается в том, что выходной транзистор работает в ключевом режиме, а значит имеет два состояния — открытый или закрытый.

Известно, что наибольший нагрев транзистора происходит в полуоткрытом состоянии и требует установки его на радиатор.
Предлагаю простую схему ШИМ регулятора, питается от источника 12В (максимальный ток 10А).

Простой регулируемый ШИМ

Транзисторы VT1 и VT2 образуют мультивибратор с регулируемой скважностью импульсов и частотой ~ 7кГц. С коллектора VT2 импульсы поступают на ключевой транзистор VT3, который управляет нагрузкой

Скважность регулируется переменным резистором R4:
1. при крайнем левом положении ротора — импульсы на выходе устройства узкие (минимальная мощность)
2

при крайнем правом положении — импульсы широкие (полная мощность)

Простой регулируемый ШИМ

Этим регулятором можно управлять устройствами с питанием 12В (12 В лампа накаливания, двигатель постоянного тока с изолированным корпусом и т.д.). В случае применения регулятора в автомобиле, где минус соединен с корпусом, подключение через pnp транзистор.

Простой регулируемый ШИМ
Варианты подключения

В генераторе могут работать практически любые низкочастотные транзисторы, например КТ315, КТ3102. Ключевой транзистор IRF3205, IRF9530. Если транзистор pnp П210 заменить КТ825, то при этом максимальный ток нагрузки составит 20А!

Простой регулируемый ШИМ
Фото устройства

Скачать печатную плату

Гильванов А. м.Кушва

Простая схема управления двигателем постоянного тока

Простейшая схема управления двигателем постоянного тока состоит из полевого транзистора, на затвор которого подается ШИМ сигнал. Транзистор в данной схеме выполняет роль электронного ключа, коммутирующего один из выводов двигателя на землю. Транзистор открывается на момент длительности импульса.

Как будет вести себя двигатель в таком включении? Если частота ШИМ сигнала будет низкой (единицы Гц), то двигатель будет поворачиваться рывками. Это будет особенно заметно при маленьком коэффициенте заполнения ШИМ сигнала. При частоте в сотни Гц мотор будет вращаться непрерывно и его скорость вращения будет изменяться пропорционально коэффициенту заполнения. Грубо говоря, двигатель будет «воспринимать» среднее значение подводимой к нему энергии.