Шим стабилизатор напряжения на полевом транзисторе

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. Желательно схему параллелить по выходу конденсаторами большой емкости, иначе будет петь и плохо регулировать. Чтобы не свистел – подбирайте С1, свист часто идет от него. 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.

Обсудить статью СХЕМА ШИМ РЕГУЛЯТОРА

Самодельные распашные ворота для частного дома – электроника и механика. Электрическая схема и фото процесса монтажа.

Простая схема для регулировки и стабилизации напряжения показана на рисунке. Такую схему можно выполнить даже неопытному в электронике любителю. На вход подается 50 вольт, при этом на выходе получается 15,7 В.

Главной деталью этого прибора стал полевой транзистор. В его качестве можно применять IRLZ 24 / 32 / 44 и аналогичные ему полупроводники. Чаще всего их изготавливают в корпусе ТО – 220 и D2 Pak. Его стоимость составляет менее одного доллара. Этот мощный полевик имеет 3 вывода. Он имеет внутреннее строение металл–изолятор–полупроводник.

Стабилизатор на микросхеме ТL 431 в корпусе ТО – 92 обеспечивает настраивание величины выходного напряжения. Мощный полевой транзистор мы оставили на охлаждающем радиаторе и проводами припаяли к монтажной плате.

Напряжение на входе для такой схемы 6-50 В. На выходе получаем от 3 до 27 В, с возможностью регулировки переменным сопротивлением на 33 кОм. Ток выхода большой, и составляет величину до 10 А, зависит от радиатора.

Выравнивающие конденсаторы С1, С2 емкостью от 10 до 22 мкФ, С2 – 4,7 мкФ. Без таких деталей схема будет функционировать, однако не с таким качеством, как необходимо. Нельзя забывать про допустимое напряжение электролитических конденсаторов, которые должны быть установлены на выходе и входе. Мы взяли емкости, которые выдерживают 50 В.

Такой стабилизатор способен рассеивать мощность не выше 50 Вт. Полевик необходимо монтировать на радиатор охлаждения. Его площадь целесообразно выполнять не меньше 200 см 2 . При установке полевика на радиатор нужно промазать место касания термопастой, для лучшего теплоотвода.

Можно применять переменный резистор на 33 кОм типа WH 06-1. Такие резисторы имеют возможность точной настройки сопротивления. Они бывают импортного и отечественного производства.

Для удобства монтажа на плату припаивают 2 колодки, вместо проводов. Так как провода быстро отрываются.

Вид платы дискретных компонентов и переменного сопротивления вида СП 5-2.

Стабильность напряжения в результате получается неплохой, а напряжение выхода колеблется на несколько долей вольта долгое время. Монтажная плата получается компактных размеров и удобна в работе. Дорожки платы окрашены зеленым цапонлаком.

Мощный стабилизатор на полевике

Рассмотрим сборку схемы стабилизатора, предназначенного для блока питания большой мощности. Здесь улучшены свойства прибора с помощью мощного электронного ключа в виде полевого транзистора.

При разработке мощных силовых стабилизаторов любители чаще всего применяют специальные серии микросхем 142, и ей подобные, которые усилены несколькими транзисторами, подключенными по параллельной схеме. Поэтому получается силовой стабилизатор.

Схема такой модели прибора изображена на рисунке. В нем использован мощный полевик IRLR 2905. Он служит для переключения, однако в этой схеме он применен в линейном режиме. Полупроводник имеет незначительное сопротивление и обеспечивает ток до 30 ампер при нагревании до 100 градусов. Он нуждается в напряжении на затворе до 3 вольт. Его мощность достигает 110 ватт.

Читайте также:  Youtube код ошибки 400

Полевиком управляет микросхема TL 431. Стабилизатор имеет следующий принцип действия. При подсоединении трансформатора на вторичной обмотке возникает переменное напряжение 13 вольт, которое выпрямляется выпрямительным мостом. На выравнивающем конденсаторе значительной емкости появляется постоянное напряжение 16 вольт.

Это напряжение проходит на сток полевого транзистора и по сопротивлению R1 идет на затвор, при этом открывая транзистор. Часть напряжения на выходе через делитель попадает на микросхему, при этом замыкая цепь ООС. Напряжение прибора повышается до тех пор, пока входное напряжение микросхемы не дойдет границы 2,5 вольт. В это время микросхема открывается, уменьшая напряжение затвора полевика, то есть, немного закрывая его, и прибор работает в режиме стабилизации. Емкость С3 делает быстрее выход стабилизатора на номинальный режим.

Величина напряжения выхода устанавливается 2,5-30 вольт, путем выбора переменным сопротивлением R2, его величина может меняться в больших пределах. Емкости С1, С2, С4 дают возможность стабильному действию стабилизатора.

Для такого прибора наименьшее падение напряжения на транзисторе составляет до 3 вольт, хотя он способен работать при напряжении около нуля. Такой недостаток возникает поступлением напряжения на затвор. При малом падении напряжения полупроводник не будет открываться, так как на затворе должно быть плюсовое напряжение по отношению к истоку.

Для снижения падения напряжения цепь затвора рекомендуется подключать от отдельного выпрямителя на 5 вольт выше, чем напряжение выхода прибора.

Хорошие результаты можно получить при подключении диода VD 2 к мосту выпрямления. При этом напряжение на конденсаторе С5 повысится, так как падение напряжения на VD 2 станет ниже, чем на диодах выпрямителя. Для плавного регулирования напряжения выхода постоянное сопротивление R2 нужно заменить переменным резистором.

Величину выходного напряжения определяют по формуле: U вых = 2,5 (1+R2 / R3). Если применить транзистор IRF 840, то наименьшее значение напряжения управления на затворе станет 5 вольт. Емкости выбирают танталовые малогабаритные, сопротивления – МЛТ, С2, Р1. Выпрямительный диод с небольшим падением напряжения. Свойства трансформатора, моста выпрямления и емкости С1 подбирают по нужному напряжению выхода и тока.

Полевик рассчитан на значительные токи и мощность, для этого необходим хороший теплоотвод. Транзистор служит для монтажа на радиатор путем пайки с промежуточной пластиной из меди. К ней припаивают транзистор с остальными деталями. После монтажа пластину размещают на радиаторе. Для этого пайка не нужна, так как пластина имеет значительную площадь контакта с радиатором.

Если использовать для наружной установки микросхему П_431 С, сопротивления Р1, и чип-конденсаторы, то их располагают на печатной плате из текстолита. Плату паяют к транзистору. Настройка прибора сводится к монтажу нужного значения напряжения. Необходимо проконтролировать прибор и проверить его, имеется ли самовозбуждение на всех режимах.

В статье описываются различные варианты построения AC/DC преобразователей со стабилизацией выходного напряжения или выходного тока предназначенные для работы как на активную, так и на индуктивную нагрузку.

Широтно-импульсная модуляция (PWM, Pulse-Width Modu­lation) — это распространенный способ управления мощнос­тью, подводимой к нагрузке, методом изменения ширины (дли­тельности) импульсов или паузы между импульсами при по­стоянной или изменяющейся частоте. ШИМ широко приме­няется в промышленности и в быту для регулировки и ста­билизации напряжения или тока преобразователей, блоков питания, зарядных устройств, сварочных аппаратов и т.п.

На рис.1 отображены различные варианты ШИМ. Отно­шение периода следования электрических импульсов к их длительности называется скважностью, а для ШИМ-регуляторов — это величина обратная мощности выделяемой в нагрузке. Так для уменьшения тока нагрузки мы должны уве­личивать скважность регулируемого тока и наоборот.

Вниманию читателей предлагается схема устройства, на основе таймера NE555 (отечественный аналог 1006ВИ1) Это — источник регулируемого стабильного напряжения или тока для изолированных от земли мощных потребителей посто­янного тока, таких как, например, роторы мощных синхрон­ных машин или двигатели постоянного тока (ДПТ). На рис.2 показан стабилизатор напряжения, на рис.3 — стабилиза­тор тока. Максимальная величина тока нагрузки (в десят­ки или даже сотни ампер) определяется способностью се­тевого выпрямительного моста VD1, силового ключа VТ1 и габаритами радиатора охлаждения, на котором они установ­лены. а при индуктивной нагрузке — еще и параметрами диода VD7, ток через который, в этом случае, соизмерим с током нагрузки.

Работает стабилизатор следующим образом: при дости­жении параметра на соответствующем датчике напряжения или тока (R14 на рис.3), на резисторе RV1, а, следователь­но, и на оптроне VU1 формируется сигнал обратной связи, который блокирует работу задающего генератора DA1 и, та­ким образом, запирает силовой ключ VT1. Выходной параметр, вследствие разряда емкости и/или индуктивности, начинает снижаться и затем работа генератора возобновляется.

Из-за высокого быстродействия микросхемы, частота ком­мутирования режимов работа-блокировка получается значи­тельной и может даже превышать частоту генерации ШИМ (рис.4) и, как следствие, коэффициент стабилизации схемы будет довольно высоким.

Рассмотренный выше автоматический способ управления таймером NE555 по входу Е (выв.4) не является единствен­но возможным. Управляющий сигнал через оптрон (или ка­ким-либо другим методом) можно подавать на вход R (выв.6), т.е. на частотозадающий конденсатор С11, при этом можно регулировать скважность в достаточно широких пределах, или на вход Uн (выв.5). При этом пределы регулирования будут несколько меньше, но можно добиться так называемого эф­фекта перерегулирования. В этом случае при уменьшении се­тевого напряжения или при увеличении тока нагрузки, выход­ное напряжение не уменьшается, а увеличивается и наоборот.

О деталях преобразователя

В роли (рис.2 и рис.3) лучше всего использовать мощный IGBT или MOSFEET транзистор с номинальным то­ком не ниже максимального тока нагрузки.

Читайте также:  Динамик гарнитура или наушники отключено как исправить

Например, для построения возбудителя мощного синхрон­ного двигателя можно использовать IGBT транзистор, изоб­раженный на рис.5 – MG300Q1US11 (номинальный ток 300 А и напряжение более 1000 В). В практике ремонта оборудо­вания у электриков бывают случаи выхода со строя силовых IGBT-модулей, таких, например, как SKM150GB128D (рис.6), M150DSA120 или CM200DY-24NF (рис.7). При этом, как правило, один из двух транзисторов модуля остается ис­правным. Для нашего случая это и «спасение» ценной дета­ли, и защита бюджета от немалых расходов при приобрете­нии очень дорогих компонентов.

Цепочка R15, С15 (рис.2 и рис.3) — это снаббер, т.е. дем­пфирующее устройство, не допускающее опасного перенапря­жения при закрывании ключа. На схемах рис.8 и рис.9 снаб­бер дополнен диодом VD11, заметно уменьшающим тепловые потери на резисторе снаббера.

Диод VD7 (рис.2, рис.3) необходим для работы с индук­тивной нагрузкой. Для токов в десятки и сотни ампер можно применить быстрый спаренный диод MURP20040CT фирмы Motorola (200 А, 400 В). Для меньших токов можно использо­вать менее мощные диоды, но они должны быть «быстрыми» — серии SF, UF. HER, FR (в порядке ухудшения быстродействия). Если нагрузка не индуктивная: нагреватели, гальванические ванны и др., то этот диод можно не устанавливать.

Фирма Semikron выпускает, как бы специально для на­шего случая, очень интересный IGBT-модуль SKM400GAL128D (рис.10), в состав которого входит, кроме обычного парал­лельного транзистору диода, еще один силовой диод, «вмес­то» «верхнего» транзистора. Использовать подобный модуль можно согласно схеме на рис.11. Кстати, на этой схеме по­казано, что питать устройство можно не только фазным на­пряжением сети, но и линейным, что позволяет получать ста­бильное регулируемое постоянное напряжение на выходе до 550 В и более.

Получить повышенное напряжение можно и от однофаз­ной сети, если воспользоваться удвоителем напряжения. Для этого (см. рис.11) нужно заменить один полумост (VD4) двумя оксидными конденсаторами, включенными последователь­но вместо диодов моста (аналогично включены С2, С3 на том же рисунке). В этом случае выпрямленное напряжение составит 640 В, но мощность всей установки будет ограни­чена емкостью этих конденсаторов.

В роли R1, ограничителя зарядного тока конденсаторов сетевого фильтра, должен быть резистор, способ­ный кратковременно выдержать сетевое напряже­ние без разрушения. Следует только заметить, что чем больше сопротивление этого резистора, тем меньше может быть его мощность, но тем доль­ше будут заряжаться конденсаторы С2, С3 до го­товности к работе. Ограничителем зарядного то­ка может быть лампа накаливания на напряже­ние 230 В, а лучше — две (рис.3). Конденсаторы С21, С22 вместе с диодным мостом VD12 на рис.12 служат для замены «энергоемкого» резистора в цепи питания схемы управления (R2 на рис.2), они должны быть рассчитаны на напряжение не ниже 350 В. Их емкость определяет ток через стабилитрон VD2 и, следовательно, степень его нагрева и каче­ства стабилизации. При большем токе стабильность напря­жения питания микросхемы улучшается, но возникает необ­ходимость использования радиатора для стабилитрона.

Улучшить параметры стабилизации без установки радиа­тора и защитить схему от наводимых помех, поможет вто­рая ступень стабилизации на стабилитроне VD3 (рис.11). Будет значительно лучше, если использовать интегральный стабилизатор DA1 (рис.12).

Но самым радикальным способом улучшения стабильно­сти работы устройства будет питание схемы управления от отдельного источника питания (AC/DC преобразователь на рис.3). В качестве последнего можно использовать заряд­ное устройство от старой «мобилки» с выходным напряже­нием 8.. 12 В. Автор встречал китайские «зарядки» с напря­жением более 16 В — такие тоже подходят. Гальваническую развязку обеспечивает трансформатор в зарядном устрой­стве. Дополнительная стабилизация напряжения источника, в этом случае, тоже не помешает. Важным условием пра­вильной работы схемы является последовательность вклю­чения источника питания микросхемы — только после заряда накопительных конденсаторов С2, С3, что обеспечивает дополнительная контакт­ная группа К1.2 контактора К1 (рис.2).

Назначение стабилитронов VD9, VD10 в измерительной цепи — ограничить «сни­зу» регулировку выходного напряжения. Дело в том, что трудно представить себе прикладное назначение подобного устрой­ства с регулировкой от нуля до 300 В. да­же лабораторные источники питания с та­кими возможностями вряд ли имеют смысл. Минимальное выходное напряжение источ­ника примерно соответствует напряжению стабилизации VD9 (VD10). Так если, на­пример, требуется напряжение в пределах 200…300 В, то в роли VD11 необходима сборка из трех стабилитронов на 65…70 В каждый, напри­мер BZX55C68. Д817Б или двух на 100В (BZX55C100, Д817Г). С высоковольтными стабилитронами нужно быть осторож­ным — при большом токе через них стабилитроны сильно гре­ются, а малого тока через них может не хватить для нор­мальной работы светодиода оптрона.

Ограничить «сверху» выходное напряжение поможет ус­тановка дополнительного резистора R16 в измерительной це­пи (рис.11).

Для индуктивной нагрузки (обмотка возбуждения элект­рической машины, электромагнит металлообрабатывающего станка и т.п.) конденсатор С16 не нужен. Индуктивность дрос­селя L2 должна быть не меньше 10 мГн для минимальной частоты преобразования в десятки герц (определяется пара­метрами элементов R8, R12, С11) и может быть уменьшена для более высоких частот. Кстати, «сложность» частотозада­ющей цепи (R8, R12. С11, VD13) определяется необходимо­стью сформировать «естественную» (без обратной связи) фор­му сигнала, отличающуюся от «меандра» (это — когда скважность равна двум, см. рис.1,а, Nom.), а сделать ее с боль­шим заполнением, близким к единице (рис.1,а, Мах).

Дроссель L1 не является необходимой деталью схемы, а служит лишь для улучшения коэффициента мощности (увели­чения cosφ), что требуют энергогенерирующие компании.

На потребительские свойства этот элемент не вли­яет (кроме ухудшения массо-габаритных показате­лей). Конструкция обоих дросселей (L1, L2) не име­ет особого значения, лишь бы они не насыщались при максимальном токе (они должны быть или очень большого геометрического размера, или с немагнит­ным зазором в магнитопроводе), сечение провода должно быть рассчитано на максимальный ток, а изоляция — на максимальное напряжение.

Читайте также:  Optimum atx 350 jsp

Конденсатор С14 имеет принципиальное значе­ние — он уменьшает наводимые помехи и замедляет процессы в цепях обратной связи а, следовательно, уменьшает частоту коммутации при стабилизации вы­ходного параметра. Дело в том, что IGBT ключи не «любят» работать на частотах в десятки килогерц — им «комфортнее» если частота переключения не вы­ше 10… 15 кГц (MOSFEET транзисторы могут работать на частотах в десятки раз больших). Качество стабилизации от этого немного ухудшается, но если «надеж­ность» не пустой звук для разработчика, то это того стоит.

Первое включение и настройка устройства

Очень важно! Рассматриваемые устройства не имеют гальванической развязки от сети 230 В / 50 Гц, т.е. все эле­менты находятся под опасным для человека напряжением.

Перед подачей сетевого напряжения желательно убедить­ся в исправности регулятора. Для этого от внешнего источника напряжением 8..15 В нужно запитать микросхему, си­ловую часть и регулятор RV1 по схеме рис.13. Роль нагруз­ки может играть автомобильная лампочка с мощностью, ко­торую может обеспечить временный источник питания. После сборки временной схемы и подачи напряже­ния, лампа должна загораться с максимальным накалом при перемещении движка RV1 вверх и должна притухать до минимума при перемещении движка RV1 вниз. Если так и есть, можно (после восстановления исходной схемы) подавать высо­кое напряжение.

Улучшение потребительских свойств преобразователя

Само собой разумеется, что питать схему мож­но не только непосредственно от сети 230 В / 50 Гц, а и через силовой разделительный трансформатор со вторичной обмоткой на нужное напряжение (от 30 до 400 В), который на схемах не показан.

На практике часто возникает необходимость в защите от экстремальных условий работы источника питания — перегрузки, короткого замыкания в нагрузке, перенапряжения и т.п. Предлагаемая разработка имеет неограниченные возможнос­ти модернизации. На рис.12 изображена схема с защитой от короткого замыкания в нагрузке — в случае превышения тока через датчик тока К3, срабатывает геркон (К3.1) и, свои­ми контактами, дает отпирающий импульс на управляющий электрод тиристора VS1, который, в свою очередь, блокирует таймер DA1 и зажигает лампу HL3. В таком положении схе­ма будет находиться до отключения питания и устранения не­исправности. Датчик тока К3 представляет собой провод или шину, свитые в спираль, вдоль оси которой и на­ходится геркон К3.1. Ре­гулировка чувствительно­сти датчика производит­ся продвижением геркона вдоль оси спирали. Для токов в единицы ам­пер эта спираль содержит десятки витков, для десятков ампер — единицы витков, а для тока в сотни ампер геркон располагается поперек токо­ведущей шины и регулируется поворотом на некоторый угол от перпендикуляра — самого чувствительного его положения.

Короткие замыкания в плюсовой шине нагрузки, как и питающих шинах, представляют собой особый вид замыка­ний, с которым трудно бороться. В этом случае (рис.11) дат­чик тока К3 в плюсовой шине питания защищает не столько нагрузку, сколько источник питания, диодный мост и контак­ты К1. От перегрузок спасет подобная защита в цепи отри­цательной шины нагрузки (рис.14), рассчитанная на отклю­чающий ток, незначительно превышающий номинальный (при­мерно на 15…20%). Тогда реле Кб заблокирует только тай­мер DA1 (перегруз), а реле К3, при коротком замыкании на землю, отключает контактор К2 и, следовательно, К1 (как на рис.11). Если неисправность не устранена, разряжаются на­копительные конденсаторы и загорается «сигнальная» лам­па HL2, которую можно сопроводить надписью «Авария» или «Неготовность».

Защитить устройство от коротких замыканий в нагрузке и других токовых нарушений так же может установка индук­тивности L4 в цепи эмиттера силового ключа (рис.12). В за­висимости от номинального тока установки число витков катушки L4 может быть от единиц до десятков (аналогично дат­чику тока К3 на рис.11), с сечением провода, заведомо боль­шим необходимого (рис.15). В нормальном режиме этот эле­мент (из-за своего ничтожного активного сопротивления) не оказывает существенного влияния на режим работы, а в слу­чае «форс-мажора» формирует сигнал управления для бло­кирующего транзистора VT2.

На рис.3 изображен способ реверсирования двигателя при помощи дополнительных контакторов К4 и К5 и комму­тационных элементов SB1… SB3, но делать это желательно после остановки двигателя или на малых оборотах.

Дополнительные дроссели L5, L6 на рис.14 кроме традици­онной функции сглаживания пульсаций обладают дополнитель­ными функциями — это дифференциальные датчики тока и тем­пературно-зависимые датчики тока. При коротком замыкании в нагрузке, скорость нарастания тока (di/dt) колоссальна и ЭДС наводимая в индуктивности возрастает раньше, чем ток до­стигнет опасных значений. Быстродействующая защита тоже сработает раньше и разрушений не будет — это дифференциаль­ная защита по току. А температурная защита основана на ис­пользовании высокого температурного коэффициента сопротив­ления меди. При увеличении температуры, сопротивление об­мотки увеличивается и это воспринимается датчиком тока, как увеличение тока, что приводит к его автоматическому сниже­нию и защите от перегрева других элементов схемы. От пере­напряжения в нагрузке (например, при пробое силового клю­ча VT1) может защитить реле высокого напряжения К7 (рис.8). После втягивания это реле остается под напряжением, даже если напряжение само нормализовалось — для выявления и устранения неисправности оперативным персоналом.

На рис.9 изображен еще один способ блокировки тайме­ра при аварии, с помощью геркона, аналогичный показанно­му на рис.12. Схема немного сложнее, но имеет большее быстродействие.

Автор: Александр Шуфотинский, г. Кривой Рог
Источник: журнал Электрик №9/2017