В любом современном электроинструменте или бытовом приборе используется коллекторный двигатель. Это связано с их универсальностью, т. е. способностью работать как от переменного, так и от постоянного напряжения. Ещё одно преимущество заключается эффективном пусковом моменте.
Однако высокая частота оборотов коллекторного двигателя устраивает далеко не всех пользователей. Для плавности пуска и возможности менять частоту вращений был изобретён регулятор , который вполне возможно изготовить своими руками.
Принцип работы и разновидности коллекторных двигателей
Каждый электродвигатель состоит из коллектора, статора, ротора и щёток. Принцип его работы довольно прост:
Помимо стандартного устройства также существуют:
Устройство регулятора
В мире существует множество схем таких устройств. Тем не менее всех их можно разделить на 2 группы: стандартные и модифицированные изделия.
Стандартное устройство
Типичные изделия отличаются простотой в изготовлении идинистора, хорошей надёжностью при изменении оборотов двигателя. Как правило, такие модели основываются на тиристорных регуляторах. Принцип работы подобных схем достаточно прост:
Таким образом, происходит регулировка оборотов коллекторного двигателя. В большинстве случаев подобную схему используют в зарубежных бытовых пылесосах. Однако следует знать, что такой регулятор оборотов не обладает обратной связью. Поэтому при изменении нагрузки придётся настраивать обороты электродвигателя.
Изменённые схемы
Конечно, стандартное устройство устраивает многих любителей регуляторов оборотов «покопаться» в электронике. Однако, без прогресса и улучшения изделий мы бы до сих пор жили в каменном веке. Поэтому постоянно изобретаются более интересные схемы, которые с удовольствием применяют многие производители.
Чаще всего используются реостатные и интегральные регуляторы. Как понятно из названия, первый вариант основан на реостатной схеме. Во втором же случае применяется интегральный таймер.
Реостатные отличаются эффективностью в смене количества оборотов коллекторного двигателя. Высокая эффективность обусловлена силовыми транзисторами, которые забирают часть напряжения. Таким образом, снижается поступление тока и двигатель работает с меньшим усердием.
Видео: устройство регулятора оборотов с поддержанием мощности
Главный недостаток такой схемы заключается в большом объёме выделяемого тепла. Поэтому для бесперебойной работы, регулятор должен постоянно охлаждаться. Притом охлаждение устройства должно быть интенсивным.
Иной подход реализован в интегральном регуляторе, где за нагрузку отвечает интегральный таймер. Как правило, в подобных схемах используются транзисторы практически любых наименований. Это связано с тем, что в составе имеется микросхема, обладающая большими значениями выходного тока.
Если нагрузка меньше 0,1 ампера, то всё напряжение поступает прямо на микросхему в обход транзисторов. Однако для эффективной работы регулятора необходимо, чтобы на затворе было напряжение 12В. Поэтому электроцепь и напряжение самого питания должно соответствовать этому диапазону.
Обзор типичных схем
Регулировать вращения вала электродвигателя малой мощности можно посредством последовательного соединения резистора питания с отсутствие. Однако у такого варианта имеется очень низкий КПД и отсутствие возможности плавного изменения скорости. Чтобы избежать такой неприятности, следует рассмотреть несколько схем регулятора, которые применяются чаще всего.
Как известно, ШИМ имеет постоянную амплитуду импульсов. Кроме того, амплитуда идентична напряжению питания. Следовательно, электродвигатель не остановится, даже работая на малых оборотах.
Второй вариант аналогичен первому. Единственное отличие, что в качестве задающего генератора используется операционный усилитель. Этот компонент имеет частоту 500 Гц и занимается выработкой импульсов, имеющих треугольную форму. Регулировка также осуществляется переменным резистором.
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.
5 частых вопросов, которые задают начинающие радиомеханики; 5 лучших транзисторов для регуляторов, тест на определение состава схемы
Регулятор электрического напряжения нужен для того, чтобы величина напряжения могла стабилизироваться. Он обеспечивает надежность работы и долговечность работы прибора.
Регулятор состоит из нескольких механизмов.
ТЕСТ:
Ответы на эти вопросы позволят узнать состав схемы регулятора напряжения 12 вольт и её сборку.- Какое сопротивление должно быть у переменного резистора?
- Как нужно подключать провода?
a) 1 и 2 клемма – питание, 3 и 4 – нагрузка
- Нужно ли устанавливать радиатор?
- Транзистор должен быть
Ответы:
Вариант 1. Сопротивление резистора 10 кОм – это стандарт для установки регулятора, провода в схеме подключаются по принципу: 1 и 2 клемма для питания, 3 и 4 для нагрузки – ток распределится правильно по нужным полюсам, радиатор устанавливать нужно – чтобы защитить от перегрева, транзистор использован КТ 815 – такой всегда подойдет. В таком варианте построенная схема сработает, регулятор станет работать.
Вариант 2. Сопротивление 500 кОм – слишком высокое, будет нарушена плавность звука в работе, а может не сработать вообще, 1 и 3 клемма это нагрузка, 2 и 4 питание, радиатор нужен, в схеме, где стоял минус будет плюс, транзистор любой – действительно можно использовать какой угодно.Регулятор не заработает из-за того, что схема собрана, будет неправильно.
Вариант 3. Сопротивление 10кОм, провода – 1 и 2 для нагрузки, 3 и 4 для питания, резистор имеет сопротивление 2кОм, транзистор КТ 815. Прибор не сможет заработать, так как он сильно перегреется без радиатора.
Как соединить 5 частей регулятора на 12 вольт.
Переменный резистор 10кОм.
Это переменный резистор 10ком. Изменяет силу тока или напряжений в электрической цепи, увеличивает сопротивление. Именно им регулируется напряжение.
Радиатор. Нужен для того, чтобы охладить приборы в случае их перегрева.
Резистор на 1 ком. Снижает нагрузку с основного резистора.
Транзистор. Прибор, увеличивает силу колебаний. В регуляторе он нужен, чтобы получить электрические колебания высокой частоты
2 проводка. Необходимы для того, чтобы по ним шел электрический ток.
Берем транзистор и резистор. У обоих есть 3 ответвления.
Проводятся две операции:
- Левый конец транзистора (делаем это алюминиевой частью вниз) присоединяем к концу, который находится в середине резистора.
- А ответвление середины транзистора соединяем с правым у резистора. Их необходимо припаять друг к другу.
Первый провод необходимо спаять с тем, что получилось во 2 операции.
Второй нужно спаять с оставшимся концом транзистора.
Прикручиваем к радиатору соединенный механизм.
Резистор на 1кОм припаиваем к крайним ножкам переменного резистора и транзистора.
Схема готова.
Регулятор скорости двигателя постоянного тока с помощью 2 конденсаторов на 14 вольт.
Практичность таких двигателей доказана, они используются в механических игрушках, вентиляторах и др. У них малый ток потребления, поэтому требуется стабилизация напряжения. Часто возникает необходимость подстройки частоты вращения или изменения скорости двигателя для корректировки выполнения цели, представленной какому – либо типу электродвигателя любой модели.
Эту задачу выполнит регулятор напряжения, который совместим с любым типом блока питания.
Чтобы это осуществить, надо изменить выходное напряжение, не требующее большого тока нагрузки.
Необходимые детали:
- 2 Конденсатора
- 2 переменных резистора
Соединяем части:
- Подключаем конденсаторы к самому регулятору.
- Первый резистор подключается с минусом регулятора, второй на массу.
Теперь менять скорость двигателя у прибора по желанию пользователя.
Регулятор напряжения на 14 вольт готов.
Простой регулятор напряжения 12 вольт
Регулятор оборотов 12 вольт для двигателя с тормозом.
- Реле – 12 вольт
- Теристор КУ201
- Трансформатор для запитки двигателя и реле
- Транзистор КТ 815
- Вентиль от дворников 2101
- Конденсатор
Используется для регулировки подачи проволоки, поэтому в ней присутсвует тормоз двигателя, реализованный с помощью реле.
К реле подключаем 2 провода от блока питания. На реле подается плюс.
Всё остально подключается по принципу обычного регулятора.
Схема полностью обеспечила 12 вольт для двигателя.
Регулятор мощности на симисторе BTA 12-600
Симистор – полупроводниковый аппарат, причисляется к разновидности тиристора и используется в целях коммутации тока. Он работает на переменном напряжении в отличие от динистора и обычного тиристора. От его параметра зависит вся мощность прибора.
Ответ на вопрос. Если схема собиралась бы на тиристоре, необходим был бы диод или диодный мост.
Для удобства схему можно собрать на печатной плате.
Плюс конденсатора нужно припаять к управляющему электроду симистора, он находится справа. Минус спаять с крайним третьим выводом, который находится слева.
К управляющему электроду симистора припаять резистор с номинальным сопротивлением 12 кОм. К этому резистору нужно присоединить подстрочный резистор. Оставшийся вывод нужно припаять к центральной ножке симистора.
К минусу конденсатора, который припаян к третьему выводу симистора необходимо прикрепить минус от выпрямительного моста.
Плюс выпрямительного моста к центральному выводу симистора и к той части, к которой симистор крепится на радиатор.
1 контакт от шнура с вилкой припаиваем к необходимому прибору. А 2 контакт к входу переменного напряжения на выпрямительном мосту.
Осталось припаять оставшийся контакт прибора с последним контактом выпрямительного моста.
Идет тестирование схемы.
Включаем схему в сеть. С помощью подстрочного резистора регулируется мощность прибора.
Мощность можно развить до 12 вольт для авто.
Динистор и 4 типа проводимости.
Это устройство, называется тригерным диодом. Обладает небольшой мощностью. В его внутренности нет электродов.
Динистор открывается при наборе напряжения. Скорость набора напряжения определяется конденсатором и резисторами. Вся регулировка производится через него. Работает на постоянном и переменном токе. Его можно не покупать, он находится в энергосберегающих лампах и его легко оттуда достать.
В схемах используется не часто, но чтобы не затрачивать деньги на диоды, применяют динистор.
Он содержит 4 типа: P N P N. Это сама электрическая проводимость. Между 2 прилегающими друг к другу областями образуется электронно-дырочный переход. В динистре таких переходов 3.
Схема:
Подключаем конденсатор. Он начинает заряжаться с помощью 1 резистора, напряжение почти равно тому, что в сети. Когда напряжение в конденсаторе достигнет уровня динистора, он включится. Прибор начинает работать. Не забываем про радиатор, иначе всё перегреется.
3 важных термина.
Регулятор напряжения – прибор, позволяющий на выходе подстраивать напряжение под устройство, для которого он необходим.
Схема для регулятора – рисунок, изображающий соединение частей устройства в одно целое.
Автомобильный генератор – устройство, в котором используется стабилизатор, обеспечивает превращение энергии коленчатого вала в электрическую.
7 основных схем для сборки регулятора.
СНИП
Использование 2 транзисторов. Как собрать стабилизатор тока.
Резистор 1кОм равен стабилизатору тока для нагрузки 10Ом. Главное условие – напряжение питания было стабилизированным. Ток зависит от напряжения по закону Ома. Сопротивление нагрузки намного меньше, чем сопротивление тока ограничивающего резистора.
Резистор 5 ватт, 510 Ом
Переменный резистор ППБ-3В, 47 Ом. Потребление – 53миллиампера.
Транзистор кт 815, установленный на радиаторе ток базы данного транзистора, задан резистором номиналом 4 и 7 кОм.
СНИП
СНИП
Еще важно знать
- На схеме стоит знак минуса, чтобы он был и в работе, то транзистор должен быть NPN структуры. Нельзя использовать PNP так как минус будет плюсом.
- Напряжение нужно постоянно регулировать
- Какая величина тока в нагрузке, это нужно знать, чтобы регулировать напряжение и прибор не переставал работать
- Если разность потенциалов будет больше 12 вольт на выходе, то значительно уменьшится уровень энергии.
Топ 5 транзисторов
Разные виды транзисторов применяются для разных целей, и существует необходимость его выбирать.
- КТ 315. Поддерживает NPN структуру. Выпущен в 1967 году, но до сих пор используется. Работает в динамическом режиме, и в ключевом. Идеален для приборов малой мощности. Больше подходит для радиодеталей.
- 2N3055. Лучше всего подходит для звуковых механизмов, усилителей. Работает в динамическом режиме. Спокойно используется для регулятора 12 вольт. Удобно крепится на радиатор. Работает на частотах до 3 МГц. Хоть транзистор и выдерживает только до 7 ампер, он вытягивает мощные нагрузки.
- КП501. Производитель рассчитывал его на применение в телефонных аппаратах, механизмах связи и радиоэлектронике. Через него происходит управление приборами с минимальными затратами. Преобразует уровни сигнала.
- Irf3205. Пригоден для автомобилей, повышает высокочастотные инверторы. Поддерживает значительный уровень тока.
- KT 815. Биполярен. Имеет структуру NPN. Работает с усилителями низкой частоты. Состоит из пластмассового корпуса. Подходит для импульсных устройств. Используется часто в генераторных схемах. Транзистор сделан давно, по сей день работает. Даже есть шанс, что он находится в обычном доме, где лежат старые приборы, нужно только их разобрать и посмотреть, есть ли там.
3 ошибки и как их избежать.
- Ножки транзистора и резистора спаяны друг с другом полностью. Чтобы этого избежать, нужно внимательно читать инструкцию.
- Хоть и поставлен радиатор, перегрелся прибор.Это связано с тем, что во время того, как детали спаиваются, происходит перегрев. Для этого нужно, ножки транзистора держать пинцетом для отвода тепла.
- Реле не стало работать после починки. Выгоняет проволоку после того как отпустил кнопку. Проволока по инерции тянется. Значит, не работает электротормоз. Берем реле с хорошими контактами и подключаем к кнопке. Подключить провода для питания. Когда на реле не подается напряжение, контакты становятся замкнутыми, поэтому обмотка замыкается сама на себя. Когда на реле подается напряжение(плюс), меняются контакты в схеме и напряжение подается на мотор.
Ответы на 5 часто задаваемых вопросов
- Почему входное напряжение выше, чем выходное?
По такому принципу работают все стабилизаторы, при таком типе работы напряжение приходит в норму и не скачет от условленных ей значений.
- Может ли убить током при неполадке или ошибке?
Нет, не убьет током, напряжение в 12 вольт слишком мало, чтобы это произошло.
- Нужен ли постоянный резистор? И если нужен, то, для каких целей?
Не обязательно, но используется. Он нужен для того, чтобы ограничить ток базы транзистора при крайнем левом положении переменного резистора. И также при его отсутствии может сгореть переменный.
- Можно ли использовать схему КРЕН вместо резистора?
Если вместо переменного резистора включить регулируемую схему КРЕН, которую часто используют, то тоже получится регулятор напряжения. Но есть оплошность: низкий КПД. Из-за этого высокое собственное энергопотребление и тепловыделение.
- Резистор горит, но ничего не крутится. Что делать?
Резистор обязательно 10кОм. Желательно использовать транзисторы КТ 315 (старой модели) – они желтого или оранжевого цвета с буквенным обозначением.
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.
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, 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:
Снизу все просто.
Вот и печатку прилагаю, в родимом Sprint Layout —
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!
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.
Регулятор для двигателя постоянного тока
Наиболее простой и популярный метод регулировки скорости вращения электродвигателя постоянного тока основан на использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ или PWM ). При этом напряжение питания подается на мотор в виде импульсов. Частота следования импульсов остается постоянной, а их длительность может меняться - так меняется и скорость (мощность).
Для генерации ШИМ сигнала можно взять схему на основе микросхемы NE555. Самая простая схема регулятора оборотов двигателя постоянного тока показана на рисунке:
Здесь VT1 - полевой транзистор n-типа, способный выдерживать максимальный ток двигателя при заданном напряжении и нагрузке на валу. VCC1 от 5 до 16 В, VCC2 больше или равно VCC1. Частоту ШИМ сигнала можно рассчитать по формуле:
F = 1.44/(R1*C1) , [Гц]
Где R1 в омах, C1 в фарадах.
При номиналах указанных на схеме выше, частота ШИМ сигнала будет равна:
F = 1.44/(50000*0.0000001) = 290 Гц.
Стоит отметить, что даже современные устройства , в том числе и высокой мощности управления, используют в своей основе именно такие схемы. Естественно с использованием более мощных элементов, выдерживающих большие токи.
