Регулятор частоты вращения низковольтных коллекторных двигателей (КР1006ВИ1)

Для плавной регулировки частоты вращения коллекторных электродвигателей, применяемых в электрооборудовании автомобилей, предлагается изготовить из недорогих и доступных деталей простое малогабаритное устройство, способное работать с 12-вольтовыми двигателями электрической мощностью до 80...100 Вт.

Изготовленным по схеме на рис. 3.9 устройством можно заменить дискретные двух-трехпозиционные переключатели скорости вращения, как правило, содержащие мощные, гасящие избыток тока резисторы, что не только повысит комфортность эксплуатации автомобиля, но и уменьшит средний ток, потребляемый электродвигателем от автомобильной бортовой электросети.

Ранее при создании подобных устройств основная проблема заключалась в том, что большинство исполнительных электрических механизмов автомобиля имеют общий минус, механически и электрически жестко связанный с «массой». Управляются такие механизмы подачей плюсового напряжения питания обычно через несложные схемы, состоящие из предохранителей, и соответствующие переключатели.

Рис. 3.9

В еще не столь далекие времена радиолюбители при попытках повышения комфортности своих автомобилей для плавного или дискретного управления мощностью, подаваемой на оконечные устройства электроавтоматики, вынуждены были использовать мощные биполярные п-р-л транзисторы, например, такие как П210, КТ818, КТ8102. Не секрет, что для ключевого управления такими транзисторами требуется большая мощность, а это неизбежно приводит к решению об использовании составного транзистора, состоящего из нескольких, последовательно включенных соответствующим образом транзисторов, например, по схемам Дарлингтона, Шиклаи или их комбинаций. Еще одно неудобство - биполярные транзисторы при работе с большими токами имеют большое напряжение насыщения перехода коллектор-эмиттер, например, для 2Т818А до 1,5...4 В при токе до 20 А, что требует применения массивного теплоотвода и приводит к снижению мощности и напряжения на управляемом узле.

Создание мощных р-канальных полевых транзисторов обогащенного типа с изолированным затвором позволило резко упростить такие устройства и одновременно улучшить их параметры. В предлагаемой конструкции устройства, предназначенного для плавной регулировки частоты вращения двигателя обдува теплым воздухом лобового стекла, использован полевой транзистор типа IRF9540, допускающий ток стока до 19 А и имеющий во включенном состоянии сопротивление открытого канала не более 0,2 Ом. Это далеко не лучший из подобных p-МОП транзисторов, но именно их удалось приобрести в магазинах г. Ярославля.

Управление угловой скоростью вращения вала коллекторного электродвигателя с помощью устройства, собранного по схеме рис. 3.9, происходит с помощью широтно-модулированных импульсов. Для снижения потерь мощности на «замкнутом» ключе VT1, VT2 и уменьшения их нагрева использовано параллельное включение двух однотипных полевых транзисторов. В отличие от использования обычных биполярных транзисторов, при параллельном включении мощных полевых транзисторов не требуется установка сильноточных токовыравнивающих резисторов.

Частота вращения двигателя М1 регулируется изменением сопротивления переменного резистора R2. Когда его сопротивление максимально, разрядка конденсатора С1 через резистор R3 и выход микросхемы DA1 (выв. 7), выполненный как биполярный транзистор с открытым коллектором, происходит быстрее, чем его зарядка. Поэтому на выходе DA1 (выв. 3) большую часть времени будет высокий уровень - скважность импульсов около 4, частота переключения около 50 Гц. Когда на выв. 3 DA1 высокий уровень, то полевые транзисторы закрыты, и напряжение питания на нагрузку не подается.

При уменьшении сопротивления резистора R2 скорость зарядки С1 растет, на выходе DA1 частота переключения возрастает, а при частоте 100 Гц форма импульсов приближается к меандру и на нагрузку поступает примерно половина от максимальной мощности. При дальнейшем уменьшении сопротивления переменного резистора R2 время зарядки конденсатора С1 до порогового напряжения переключения микросхемы становится меньше, чем скорость его разрядки. Это приводит к тому, что теперь на выходе микросхемы большую часть времени будет низкий уровень. Соответственно и большую часть времени полевые транзисторы будут открыты, на нагрузку станет поступать еще большая мощность, частота вращения двигателя увеличивается.

При сопротивлении переменного резистора R2, близком к минимальному, конденсатор С1 уже не может разрядиться через R3 и выв. 7 микросхемы до напряжения ниже порогового напряжения переключения выхода DA1. Колебательный процесс DA1 срывается. На выходе микросхемы постоянно присутствует низкий уровень, полевые транзисторы постоянно открыты, на нагрузку поступает 100% мощности (без учета потерь на транзисторах VT1, VT2).

Резистор R5 и оксидные конденсаторы С2, СЗ образуют фильтр питания микросхемы. Стабилитроны VD1 и VD3 препятствуют повреждению полевых транзисторов. Мощный диод VD2 гасит импульсы самоиндукции обмоток двигателя М1, которые при отсутствии этого диода могут достигать сотен вольт. Чтобы обеспечить минимальное переходное сопротивление ползунка переменного резистора при минимальном (нулевом) введенном сопротивлении R2, использован сдвоенный одноосный переменный резистор, обозначенный на схеме как R2.1, R2.2.

Так как максимальная частота переключения полевых транзисторов низкая, то динамические потери мощности на их переключение весьма малы. Кроме указанных на схеме IRF9540 можно использовать пару однотипных IRF9532, IRF9Z34, 2SJ176, КП784А, КП785А или один IRF4905. Транзисторы рекомендуется установить на небольшой теплоотвод, например, как показано на рис. 3.10 (размеры примененного алюминиевого теплоотвода 40x25x2,5 мм). При работе устройства с двигателем, потребляющим мощность 50 Вт, температура корпусов транзисторов не превышает 10°С относительно температуры окружающего воздуха. Отечественную микросхему КР1006ВИ1 можно заменить импортным аналогом NE555, XR-L555.

Рис. 3.10

Диод VD2 можно заменить на любой из серий КД226, КД257, КД411, КД213, BY398, HFA08TB60S. На месте стабилитрона VD1 могут работать КС213Ж, КС215Ж, КС515А, 1N4744A, TMZC-15. Защитный стабилитрон VD3 можно заменить на Д816 (А-Г), 1N5361 или, что лучше, на варистор, например, типов FNR-14K270, FNR-10K330, FNR-20K330. Конденсатор С1 полиэтилентерефта-латный, например, К73-17, К73-24В. Остальные конденсаторы -оксидные, малогабаритные высококачественные импортные аналоги К50-35. Конденсаторы С5, С6, если позволят габариты корпуса устройства, желательно взять большей емкости - по 1000...4700 мкФ. С4 - керамический КМ-5, К10-17. Постоянные резисторы типов С1-4, С2-23, МЛТ. Переменный резистор R2 должен быть хорошего качества, например, проволочные ППБ-ЗА, ППБ-1А, СП5-35А, СП5-40А. Можно попробовать и обычные композитные серий СП-1, СПЗ-ЗО, СПЗ-ЗЗ.

Устройство смонтировано в корпусе размерами 108x45x22 из ударопрочного полистирола. Размер монтажной платы 60 х 40 (см. рис. 3.10). Плату со стороны пайки обязательно покрывают несколькими слоями лака МЛ-92, ФЛ-98, цапонлаком или клеем БФ-2, а со стороны монтажа тонким слоем эпоксидного клея. Такие меры необходимы, чтобы обеспечить вибро- и влагоустойчивость изделия.

Если устройство должно работать с массивным коллекторным электродвигателем мощностью более 50 Вт, то частоту переключения микросхемы желательно уменьшить, изменив номиналы элементов R2, С1, R3. Для более «мягкого» хода электродвигателя М1 между выходом устройства и электродвигателем М1 по возможности устанавливается мощный LC фильтр, состоящий, например, из дросселя фильтра питания от лампового телевизора, перемотанного проводом ПЭВ-2 диаметром 1,2 мм до полного заполнения каркаса, и 3-6 конденсаторов по 2200 мкФ, подключенных параллельно питанию электродвигателя. Использовать один малогабаритный конденсатор большой емкости не рекомендуется.

Литература: А. П. Кашкаров, А. Л. Бутов - Радиолюбителям схемы, Москва 2008