Один мой знакомый подал мне идею сделать электровелосипед своими руками. Поначалу задумка мне показалась странной, но потом я вник и даже загорелся. На финальном этапе сборки у меня уже почти всё было готово, оставался лишь ШИМ регулятор. Почему-то его я тоже захотел сделать сам. Результатом вполне доволен, поэтому дальше расскажу вам то, как своими руками сделать ШИМ контроллер для электродвигателя.
Источник prom.st
Про ШИМ регулятор
ШИМ (PWM) регулятор широкого применения – устройство, разработанное для плавного включения, выключения и регулировки мощности, оборотов, яркости и другого.
Ранее для регулировки оборотов электродвигателей изменяли питающее напряжение. Однако в современной электротехнике от этого отказались. Теперь регулировка происходит путём подачи на электромотор импульсов тока, которые имеют разную длительность. Что и делают ШИМ (широтно-импульсно модулируемые) регуляторы, которые в последнее время становятся всё более и более популярными.
Схемы ШИМ контроллеров универсальны – подойдут и для регулировки яркости ламп, и для регулировки скорости оборотов мотора да хоть для регулирования силы тока в зарядном устройстве.
Сфера применения ШИМ регуляторов очень велика.
Обзор на плату
Собранная плата самодельного ШИМ регулятора:
Источник prom.st
Управление платы ручное и осуществляется переменным резистором или внешним напряжением в диапазонах:
0,45 В – устройство выключено, коэффициент заполнения – 0%
0,5/3,5 В – плавное регулирование, коэффициент заполнения от 0,1% до 99,9%
3,6 В – устройство включено, коэффициент заполнения – 100%
Устройство работает при постоянном напряжении от 10 до 28 Вольт.
Максимальное напряжение ограничено максимально допустимым напряжением силовых ключей, а также обратным напряжением мощного диода в нагрузке, при отдельном от дополнительного источника питания управления на 15 В.
Советую при напряжение не доходящим до 15 Вольт не устанавливать стабилизатор.
Вместо него лучше подойдёт какой-нибудь диод или обычная перемычка.
Если же напряжение от 15 до 28 Вольт, то стоит установить линейный (например, 7815) или импульсный стабилизатор в виде готового модуля на MP2307, при этом необходимо выставить на нём напряжение 15 Вольт.
Заказать их можно на всё том же Алиэкспрессе.
При необходимости вы можете регулировать частоту плавно переменным резистором.
Для этого нужно подключить его на плату вместо перемычки.
Электроника для всех
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.
- Тратить такую ценную и дорогую деталь на какой то вентилятор мне западло. Я для микроконтроллера поинтересней задачу найду
- Еще софт под это писать, вдвойне западло.
- Напряжение питания там 12 вольт, понижать его для питания МК до 5 вольт это вообще уже лениво
- 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. Сколько на этом таймере разной хрени сделали, за его более чем тридцатилетнюю историю… До сих пор эта микросхема, несмотря на почтенный возраст, штампуется миллионными тиражами и есть практически в каждом лабазе по цене в считанные рубли. У нас, например, он стоит около 5 рублей. Порылся по сусекам и нашел пару штук. О! Щас и замутим.
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.
Диоды можно ставить любые совершенно, кондеры примерно такого номинала, отклонения в пределах одного порядка не влияют особо на качество работы. На 4.7нанофарадах, поставленных в С1, например, частота снижается до 18кГц, но ее почти не слышно, видать слух у меня уже не идеальный 
Покопался в закромах, нашел программку, которая сама расчитывает параметры работы таймера NE555 и собрал схему оттуда, для астабильного режима со коэффициентом заполнения меньше 50%, да вкрутил там вместо R1 и R2 переменный резистор, которым у меня менялась скважность выходного сигнала. Надо только обратить внимание на то, что выход DIS (DISCHARGE) через внутренний ключ таймера подключен на землю, поэтому нельзя было его сажать напрямую к потенциометру, т.к. при закручивании регулятора в крайнее положение этот вывод бы сажался на Vcc. А когда транзистор откроется, то будет натуральное КЗ и таймер с красивым пшиком испустит волшебный дым, на котором, как известно, работает вся электроника. Как только дым покидает микросхему — она перестает работать. Вот так то. Посему берем и добавляем еще один резистор на один килоом. Погоды в регулировании он не сделает, а от перегорания защитит.
Сказано — сделано. Вытравил плату, впаял компоненты:
Сам таймер скрыт массивной тушей транзистора. Пришлось его так загнуть, чтобы не торчал.
Защитный диод, ограждающий полевик от пробоя при обрыве нагрузки я напаял на сам двигатель.
Снизу все просто. Вот и печатку прилагаю, в родимом Sprint Layout — PWM.lay
Включаю… Тычу осциллографом и вижу такие картинки:
Это на выходе с конденсатора. Тут у нас пила. Изначально я хотел вообще поставить таймер 555 просто как генератор пилы, а ШИМ делать на компараторе, но потом понял, что можно и без компаратора обойтись.
А это напряжение на выходе самого таймера. При разных положениях крутилки
Крайне левое
Середина
Крайне правое
А это напряжение на движке. Видно небольшой переходный процесс. Надо кондерчик поставить в параллель на пол микрофарады и его сгладит.
Как видно, частота плывет — оно и понятно, у нас ведь частота работы зависит от резисторов и конденсатора, а раз они меняются, то и частота уплывает, но это не беда. Во всем диапазоне регулирования она ни разу не влазит в слышимый диапазон. А вся конструкция обошлась в 35 рублей, не считая корпуса. Так что — Profit!
Схема самодельного контроллера
Данная схема содержит минимальное количество компонентов в обвязках микросхем:
Источник usamodelkina.ru
Основной контроллер ШИМ от 0% до 100%, что будет управлять всей мощностью в нагрузке, собран на микросхеме TL494.
При этом варианте включения компенсируется внутреннее смещение для формирования мертвого времени.
При коммутации больших токов возникают сильные помехи.
Изолированный источник питания +15 Вольт -12 Вольт с дополнительной защитой от перегрузок собран на микросхеме NE555.
Основной задаче является регулирование вторичных напряжений путём изменения частоты.
В зависимости от нагрузки он работает на частоте в диапазоне 120-480 кГц.
В случае перегрузки ширина импульса, а также частота, уменьшается.
Если же нагрузка отсутствует, на трансформаторе плюсовое плечо стремится к 25 вольтам, а минусовое напряжение уменьшается, пока не достигнет нуля.
Если на трансформаторе отсутствует нагрузка, то либо драйвер не подключён, либо холостой ход.
Для снижения помех и нагрузки на провода, отсекая реактивную энергию, следует установить обратный диод нагрузки в непосредственной близости к самой нагрузке.
В этом случае вы можете использовать проводники, чьё сечение меньше, чем у тех, что использовались при установке диода на удалении от нагрузки.
Источник ytimg.com
Как сделать своими руками
Если нет желания тратиться на приобретение готового устройства, его можно изготовить самостоятельно. Таким образом, можно не только сэкономить деньги, но и получить полезный опыт. Итак, для изготовления тиристорного регулятора потребуется:
- паяльник (для проверки работоспособности);
- провода;
- тиристор, конденсаторы и резисторы;
- схема.
Как видно по схеме, регулятором контролируется только 1 полупериод. Однако для тестирования работоспособности на обычном паяльнике этого будет вполне достаточно.
Если знаний по расшифровке схемы недостаточно, можно ознакомиться с текстовым вариантом:
Использование регуляторов позволяет более экономично использовать электродвигатели. В определённых ситуациях такое устройство можно изготовить самостоятельно. Однако для более серьёзных целей (например, контроля оборудования для отопления) лучше приобрести готовую модель. Благо, на рынке есть широкий выбор таких изделий, а цена вполне демократичная.
На основе мощного симистора BT138-600, можно собрать схему регулятора скорости вращения двигателя переменного тока. Эта схема предназначена для регулирования скорости вращения электродвигателей сверлильных машин, вентиляторов, пылесосов, болгарок и др. Скорость двигателя можно регулировать путем изменения сопротивления потенциометра P1. Параметр P1 определяет фазу запускающего импульса, который открывает симистор. Схема также выполняет функцию стабилизации, которая поддерживает скорость двигателя даже при большой его нагрузке.
Например, когда мотор сверлильного станка тормозит из-за повышенного сопротивления металла, ЭДС двигателя также уменьшается. Это приводит к увеличению напряжения в R2-P1 и C3 вызывая более продолжительное открывание симистора, и скорость соответственно увеличивается.
Тестирование контроллера
Одним способом применения данного контроллера является плавное регулирование оборотов электродвигателя.
При этом можно не удалять штатную дискретную схему регулировки оборотов – она остаётся, не нарушается и продолжает работать.
Схема подключается лишь тремя проводами: плюс на 12 Вольт, масса и провод самого электродвигателя.
Также плату можно использовать для замены переключателя и гасящего резистора в родной схеме.
Первым делом при тестировании убедитесь, что все детали на своём месте и надёжно закреплены.
Дальше изготовленный ШИМ регулятор для двигателя электровелосипеда должен быть одновременно подключён и к аккумулятору, и к мотору велосипеда, что будет приводить его в движение.
Используйте набор ячеек литиевых батарей, номинальное напряжение которые составляет 80 Вольт (такие батареи как раз используются в электровелосипедах).
Поворачивая потенциометр по часовой стрелке, двигатель вашего велосипеда постепенно начнёт вращаться, а его скорость увеличиваться пропорционально вращению ручки.
Если всё в порядке, то ваш самодельный ШИМ контроллер собран правильно.
Источник ytimg.com
Рекомендую следующее видео, в котором автор изготавливает ШИМ регулятор своими руками:
Принцип работы импульсных преобразователей
Принцип работы импульсного стабилизатора
Главный принцип работы заключается в том, что при замыкании регулирующего элемента электроэнергия накапливается в интегрирующем элементе. Это накопление наблюдается повышением напряжения. После того, когда регулирующий элемент отключается, т.е. размыкает линию подачи электричества, интегрирующий компонент отдает электричество, постепенно снижая величину напряжения. Благодаря такому способу работы импульсное стабилизационное устройство не тратит большого количества энергии и может иметь небольшие габариты.
Регулирующий элемент может представлять собой тиристор, биполярный транзитор или полевой транзистор. В качестве интегрирующих элементов могут использоваться дроссели, аккумуляторы или конденсаторы.
Заметим, что импульсные стабилизационные устройства могут работать двумя различными способами. Первый предполагает использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Второй — триггера Шмитта. Как ШИМ, так и триггер Шмитта используются для управления ключами стабилизационного устройства.
Как итог…
ШИМ регулятор своими руками готов. Собрать его не составит особого труда для любого, кто хоть немного разбирается в радиотехнике. Я собирал свой контроллер для использования в электродвигателе электровелосипеда, однако он может использоваться не только в двигателях. Это универсальное устройство – подойдёт и для настройки яркости ламп, и скорости оборотов мотора, и силы тока в зарядном устройстве.
Вопрос
Напишите в комментариях, как вы считаете насколько надёжны ШИМ-регуляторы с Алиэкспресс?
Комментарии:
Метелкин
Статья хорошая. Нужно дополнить, что импульсный стабилизатор предназначен для слаботочки, т.е. подключить через него телевизор или комп никак не получится, только лампочку или кулер какой-нибудь.
Ромка
Кто знает схему стабилизатора для лампочки-экономки и выгодно ли его собирать самостоятельно? Насколько дешевле/дороже выходит, чем купить новую лампу?
Пашка
Какой конденсатор нужно устанавливать в узел накопления электроэнергии для стабилизатора?
Оставить комментарий Отменить ответ
Похожие записи
Электроприборы для домашнего и производственного направления
Стабилизатор напряжения – как выбирать для котла отопления. Стабилизатор Эра STA 3000 — устройство для дома Стабилизатор напряжения 220 — надежность работы техники в доме.
Регулировка
Теперь расскажем о том, как можно регулировать обороты коллекторных двигателей. В связи с тем, что скорость вращения мотора просто зависит от величины подаваемого напряжения, то любые средства регулировки, которые способны выполнять эту функцию для этого вполне пригодны.
Перечислим несколько такого рода вариантов для примера:
- Лабораторный автотрансформатор
(ЛАТР). - Заводские платы регулировки
, используемые в бытовых приборах (можно использовать в частности те, которые применяются в миксерах или в пылесосах). - Кнопки
, используемые в конструкции электроинструментах. - Бытовые регуляторы
освещения с плавным действием.
Однако, все вышеперечисленные способы имеют очень важный изъян. Вместе с уменьшением оборотов, одновременно уменьшается и мощность работы мотора. В некоторых случаях, его можно остановить даже просто рукой. В некоторых случаях, это может быть приемлемо, но большей частью, это является серьёзным препятствием.
Хорошим вариантом является выполнение регулировки оборотов посредством использования тахогенератора.
Его обычно устанавливают на заводе. При отклонениях в скорости вращения мотора, через в мотор передаётся уже откорректированное электропитание, соответствующее требуемой скорости вращения. Если в эту схему встроить регулировку вращения мотора, то потери мощности здесь происходить не будет.
Как это выглядит конструктивно? Наиболее распространены реостатная регулировка вращения, и сделанная на основе использования полупроводников.
В первом случае, речь идёт о переменном сопротивлении с механической регулировкой. Она последовательно подключается к коллекторному электродвигателю. Недостатком является дополнительное выделение тепла и дополнительная трата ресурса аккумулятора. При таком способе регулировк, происходит потеря мощности вращения мотора. Является дешёвым решением. Не применяется для достаточно мощных моторов по упомянутым причинам.
Во втором случае, при использовании полупроводников, происходит управление мотором путём подачи определённых импульсов. Схема может менять длительность таких импульсов, что в свою очередь, меняет скорость вращения без потери мощности.
Как изготовить своими руками?
Существуют различные варианты схем регулировки. Приведём один из них более подробно.
Вот схема его работы:
Первоначально, это устройство было разработана для регулировки коллекторного двигателя на электротранспорте. Речь шла о таком, где напряжение питания составляет 24 В, но эта конструкция применима и для других двигателей.
Слабым местом схемы, которое было определено при испытаниях её работы, является плохая пригодность при очень больших значениях силы тока. Это связано с некоторым замедлением работы транзисторных элементов схемы.
Рекомендуется, чтобы ток составлял не более 70 А. В этой схеме нет защиты по току и по температуре, поэтому рекомендуется встроить амперметр и контролировать силу тока визуально. Частота коммутации составит 5 кГц, она определяется конденсатором C2 ёмкостью 20 нф.
При изменении силы тока, эта частота может изменяться между 3 кГц и 5 кГц. Переменный резистор R2 служит для регулировки тока. При использовании электродвигателя в бытовых условиях, рекомендуется использовать регулятор стандартного типа.
При этом, рекомендуется подобрать величину R1 таким образом, чтобы правильно настроить работу регулятора. С выхода микросхемы, управляющий импульс поступает на двухтактный усилитель на транзисторах КТ815 и КТ816, далее идёт уже на транзисторы.
Печатная плата имеет размер 50 на 50 мм и изготавливается из одностороннего стеклотекстолита:
На этой схеме дополнительно указаны 2 резистора по 45 ом. Это сделано для возможного подключения обычного компьютерного вентилятора для охлаждения прибора. При использовании в качестве нагрузки электродвигателя, необходимо схему заблокировать блокирующим (демпферным) диодом, который по своим характеристикам соответствует удвоенному значению тока нагрузки и удвоенному значению питающего напряжения.
Работа устройства при отсутствии такого диода может привести к поломке вследствие возможного перегрева.
При этом, диод нужно будет поместить на теплоотвод. Для этого, можно воспользоваться металлической пластиной, которая имеет площадь 30 см2.
Регулирующие ключи работают так, что потери мощности на них достаточно малы. В
оригинальной схеме, был использован стандартный компьютерный вентилятор. Для его подключения использовалось ограничительное сопротивление 100 Ом и напряжение питания 24 В.
Собранное устройство выглядит следующим образом:
При изготовлении силового блока (на нижнем рисунке), провода должны быть присоединены таким образом, чтобы было минимум изгибов тех проводников по которым проходят большие токи.Мы видим, что изготовление такого прибора требует определённых профессиональных знаний и навыков. Возможно, в некоторых случаях имеет смысл воспользоваться покупным устройством.
Сборка и включение
Подключите входное питание постоянного тока к CON2, а выходную нагрузку к CON3. Вход выключения PWM необязателен, если он не требуется оставьте разъем отключенным и выход будет включен.
Файл HEX готов к программированию непосредственно в PIC12F683. Файл asm содержит исходный код, который можете изменить или просто просмотреть, чтобы увидеть как оно работает. Если собираетесь изменить код, рекомендуем загрузить и установить Microchip MPLAB IDE, которая позволит легко редактировать, изменять и программировать PIC.
Если нужно управлять плюсовым контактом
В таком случае нам понадобится другой мосфет- транзистор — P-канальный. Схема аналогична, только подтягивающий резистор подключен к плюсу.
Также нужно будет инвертировать сигнал на выходе ардуино, ведь при подаче 5 вольт транзистор будет закрываться, а при 0 — открываться, значит шим скважностью в 30% выдаст 70% мощность на выходе схемы.
ШИМ на irf4905, питание5 v
Стоит оговориться такая схема будет работать только при питании не выше 5 вольт, так как для полного закрытия P-канального транзистора необходимо подтянуть его затвор к плюсу питания, а ардуина способна выдавать на цифровой пин только 5 вольт. Значит, при питании хотя бы чуть-чуть выше напряжения выдаваемого на цифровой пин транзистор будет не полностью закрываться при верхней части импульса ШИМ и БУДЕТ СИЛЬНО ГРЕТЬСЯ. Полностью отключить нагрузку он тоже не сможет.
Если нужно управлять, к примеру,12 -ти вольтовым устройством, то схема немного усложнится. Добавится так называемое «плечо раскачки» или драйвер полевого транзистора. По классике он собирается на двух, а иногда и на трёх транзисторах, но мы есть вариант немного проще, который работает при невысоких частотах:
Ардуино, управление ШИМ по плюсовому проводу IRF4905
