Главная » Автоматика в быту
Призовой фонд
на декабрь 2018 г.
1. 1500 руб
Сайт Паяльник
2. Осциллограф DSO138
Сайт Паяльник
3. 200 руб.
От пользователей

Регулятор скорости двигателя сварочного полуавтомата с защитой от КЗ и стабилизацией напряжения

В некоторых случаях необходимо регулировать скорость двигателя постоянного тока с питанием от источника с напряжением, изменяющимся в широких пределах. Например от источника сварочной дуги в сварочном полуавтомате. Обычно применяют ШИМ регуляторы на микросхеме 555, получается просто и не дорого. Однако при изменении напряжения питания, напряжение на моторе так же будет изменятся, что может быть не желательным. В таких случаях можно применить стабилизированный источник питания, или отдельный трансформатор, но это приведет к резкому удорожанию конструкции. 
Также, у простых регуляторов отсутствует защита от превышения тока ключа, что в случае заклинивания двигателя или короткого замыкания в проводах приводит к мгновенному выходу из строя транзистора, управляющего током двигателя.

В статье рассмотрим схему регулятора на специализированной микросхеме, ШИМ-контроллере UC3843. Микросхема имеет контроль тока ключа, стабилизатор выходного и источник опорного напряжений, мощный драйвер затвора внешнего ключевого транзистора. По стоимости устройство получается не намного дороже регулятора на 555 таймере.

Параметры устройства представлены в таблице:

Входное напряжение (макс)  10-55В
Потребляемый ток  25мА
Выходное напряжение     0-55В 
Рабочий ток двигателя(Uвых>5В)     0-7А
Ток КЗ (Uвых<1)     30А

Рассмотрим принципиальную схему устройства:


Напряжение источника питания поступает на стабилизатор напряжения через защитный диод D1. Диод этот необходим для предотвращения выхода из строя стабилизатора IC2 LM317 от просадок входного напряжения ниже выходного. Выбор этого стабилизатора обусловлен широким диапазоном его входных напряжений. IC2 работает с максимальной разницей входного и выходного напряжений 40В и с минимальной разницей 1,5В. При выходном напряжении 15В. входное может достигать 15В+40В=55В. Так как ШИМ контроллер IC1 работает при снижении напряжения питания до 8,5В., то питание регулятора может снижаться до 10В (8,5В UC3843 + 1,5В. LM317). Однако, при работе от автомобильного аккумулятора, не стоит использовать стабилизатор IC2, и лучше подключить питание без него, напрямую к D1, C5. Микросхема IC1 включена по типовой схеме из документации, предоставляемой производителем. Частота опорного генератора задается R3, C2. Пилообразное напряжение, формируемое этим генератором, через эмиттерный повторитель Q1 поступает на 3 выв. IC1, туда же подается напряжение с токоизмерительного резистора R11. Обратная связь по напряжению двигателя сформирована с помощью токового зеркала по простейшей схеме. Напряжение на двигателе преобразуется во входящий ток Q2, и регулируется резистором R8. Температурная компенсация обеспечена транзистором Q3. Выходящий ток поступает на вход усилителя ошибки (2 выв. IC1), туда же поступает напряжение с переменного резистора, через делитель R1, R2. Выходное напряжение ШИМ, через токоограничивающий резистор R10 поступает на затвор полевого транзистора Q4, коммутирующего нагрузку. Обратный диод поглощает ЭДС самоиндукции обмоток мотора.

Диапазон регулировки напряжения на двигателе определяет резистор R8, совместно с коэффициентом передачи по току (h21э) Q2 в максимуме, и делитель R1, R2 в минимуме. Так как  h21э у транзистора Q2 может быть различным, рассчитать сопротивление резистора R8, для требуемого значения максимального напряжения на моторе, проблематично. Однако, его очень просто настроить в ручную подстроечным резистором R8. Минимальное значение напряжения на моторе (Ummin) можно изменить резистором R1. Его значение, зависящее от максимального (Ummax), можно рассчитать:

Ummin=Ummax(2*R1/(R1+R2)-1)

Для показанной на рисунке схемы, напряжение на моторе в минимальном положении переменного резистора - 0 вольт:

Ummin=Ummax(2*20k/(20k+20k)-1)=0В

Значения резисторов R1, для двух вариантов максимального напряжения (Ummax), приведены на графике (созданы в [1]):

Для регулировки минимума, можно установить подстроечный резистор, последовательно с резистором R1.

До первого включения, нужно проверить монтаж и установить подстроечный резистор R8 в среднее положение. Резистор R11 изготовить из отрезка монтажного провода 0,2-0,35мм2 длинной 30см. Определиться с минимальным напряжением регулировки и установить соответствующий резистор R1, или оставить его как указано на схеме, для регулировки от нуля. После этого подать напряжение питания, проверить работу стабилизатора - наличие напряжения 12-17В. на 7 выв. IC1. На выв. 8 IC1, должно быть напряжение внутреннего стабилизатора 5В. Подключив двигатель, вращением резистора регулировки скорости установить средние обороты двигателя. Проверить нагрев элементов, он должен быть не значительный. Увеличивая ток потребления двигателя (нагружая его) убедится в уменьшении скорости - работе ограничителя тока. Уменьшить сопротивление R11 (длину провода) до тех пор, пока ограничение не перестанет влиять на работу двигателя на максимальной нагрузке. Проверить на малых оборотах. Не допустимо включать схему с отключенным резистором R11.  Резистором R8 установить максимальное напряжение на двигателе. Помните, что напряжение на выходе не может быть выше напряжения питания. А напряжение питания может "проседать" под нагрузкой. После этого настройка окончена.

В регуляторе использованы распространенные и недорогие радиоэлементы. Многие из них, могут быть заменены российскими. Транзистор Q1 - любой маломощный n-p-n: кт315, кт3102, S8050, S9014. Транзисторы Q2, Q3 должны быть одинаковы, структуры p-n-p: кт361, кт3107 или другие, с допустимым обратным напряжением не менее 60В. Q2 и Q3 можно склеить корпусами для баланса температур (не обязательно). Стабилизатор IC2 заменим на отечественный КРЕН22. Обратный диод КД213 можно заменить на КД2997, или другой быстродействующий на ток, не менее рабочего тока мотора. Диод D1 - любой с обратным напряжением не менее питающего и током больше 0,5А, например 1N4002-1n4007, КД226 и др. Транзистор Q4 можно заменить транзисторами IRFZ34, IRF540, IRF640 или любым другим с подходящими параметрами. Переменный резистор любого удобного типа с номиналом 1-6,8кОм. Резистор шунта изготовлен из отрезка монтажного провода 0,35мм2 длиной 3-10см. 

Монтаж регулятора выполнен выводными элементами на печатной плате. Стабилизатор IC2, транзистор Q4 и обратный диод, необходимо установить на радиатор через изолирующие прокладки. Причем больше всего нагревается обратный диод.

У регулятора есть потенциал для улучшения характеристик и доработок:
1. Схема легко масштабируется в сторону увеличения мощности двигателя. При питании IC1 от отдельного источника, максимальное напряжение питания регулятора ограничено максимальным напряжением транзисторов Q2, Q3 (65В) и ключевого транзистора Q4 (60В). Выходной ток регулятора ограничен током ключевого транзистора Q4, током обратного диода и выходным током IC1 (1А) для управления затвором мощного транзистора с большой емкостью. К примеру, можно установить транзисторы Q2, Q3 - 2N5401, Q4 - IRFP2341, обратный диод 150EBU02 и стабилизировать скорость двигателя на пару киловатт напряжением до 150В, к примеру - питанием от солнечной батареи. Конечно, для работы с бОльшим током, следует уменьшить сопротивление токоограничительного резистора R11.
2. Рассчитав и установив на выходе подходящий дроссель со сглаживающим выходным конденсатором, получим импульсный понижающий DC/DC с общим плюсом. Стабилизировать напряжение на выходе, подключив цепь измерения (правый по схеме вывод R8), к выходному конденсатору. 
3. Уменьшением частоты ШИМ можно понизить потери в силовом ключе и обратном диоде, правда работа станет слышна ухом.
4. Можно попробовать уменьшить скорость закрытия ключевого транзистора RD цепью, для облегчения токового режима обратного диода. Установить снабберные RC или RDC цепи параллельно силовому транзистору.

Ссылки:
1. https://www.wolframalpha.com/input/?i=y%3D24*(2*x%2F(x%2B20)-1)+(x+from+20+to+150)

Список радиоэлементов

Обозначение Тип Номинал Количество ПримечаниеМагазинМой блокнот
IC1 ШИМ контроллер
UC3843
1 Поиск в Utsource В блокнот
IC2 Линейный регулятор
LM317
1 Поиск в Utsource В блокнот
Q1 Биполярный транзистор
BC547
1 Поиск в Utsource В блокнот
Q2, Q3 Биполярный транзистор
BC557
2 Поиск в Utsource В блокнот
Q4 MOSFET-транзистор
IRFZ44
1 Поиск в Utsource В блокнот
D1 Выпрямительный диод
1N4007
1 Поиск в Utsource В блокнот
D2 Диод
КД213Б
1 Поиск в Utsource В блокнот
R1, R2, R5 Резистор
20 кОм
3 Поиск в Utsource В блокнот
R3 Резистор
47 кОм
1 Поиск в Utsource В блокнот
R6 Резистор
4.7 кОм
1 Поиск в Utsource В блокнот
R7 Резистор
220 Ом
1 Поиск в Utsource В блокнот
R8 Подстроечный резистор470 кОм1 Поиск в Utsource В блокнот
R10 Резистор
47 Ом
1 Поиск в Utsource В блокнот
R11 Резистор
0.01 Ом
1 30мм провода 0,15мм2Поиск в Utsource В блокнот
C1, C7 Конденсатор0.1 мкФ2 Поиск в Utsource В блокнот
C2 Конденсатор4.7 нФ1 Поиск в Utsource В блокнот
C3 Конденсатор0.47 мкФ1 Поиск в Utsource В блокнот
C4 Конденсатор1 нФ1 Поиск в Utsource В блокнот
C5, C6 Электролитический конденсатор47uF 63v2 Поиск в Utsource В блокнот
C8 Электролитический конденсатор1000uF 63v1 Поиск в Utsource В блокнот
Добавить все

Скачать список элементов (PDF)

Теги:

Опубликована: 0 0
Я собрал 0 1
x

Оценить статью

  • Техническая грамотность
  • Актуальность материала
  • Изложение материала
  • Полезность устройства
  • Повторяемость устройства
  • Орфография
0

Средний балл статьи: 5 Проголосовало: 1 чел.

Комментарии (12) | Я собрал (0) | Подписаться

+1
Публикатор #
На форуме автоматически создана тема для обсуждения статьи.
Ответить
0
andro #
Получилось очень просто и понятно, но мне интересно, с какой целью в сварочных аппаратах применяется двигатель?
Ответить
0
matik.sasha@gmail.com #
Попробуй в ручную подавать проволоку и станет ясно.
Ответить
+1
sancta #
В полуавтоматах двигатель используется для подачи проволоки по рукаву.
Ответить
0
Лобзик #
Подскажите, чем можно заменить старые диоды КД213Б из импорта?
Ответить
0
Vslz #
Диоды - на ток мотора, обратное напряжение - не менее 1,5 х напряжения питания.
Фаст, ультрафаст, Шоттки. Обязательно с фланцем и сажать на радиатор.
Фаст/ультрафаст:
F12C20 (12A, 200V), STTH2003CT (20A, 300V), различные STPRxxxx и куча других аналогичных.
Шоттки, в т.ч. и от компьютерных БП:
SBLxxxx, STPSхххх, MBRхххх, например STPS20L60CT (20A, 60В).

4. Можно попробовать уменьшить скорость закрытия ключевого транзистора RD цепью, для облегчения токового режима обратного диода. Установить снабберные RC или RDC цепи параллельно силовому транзистору

Снабберные цепи эффективны (и то не все) только в ограниченном диапазоне Кзап, поэтому, считаю, что в данном случае, от них будет больше вреда. Основные потери в ключе - при закрывании, его надо максимально ускорить. Бросок тока обратного восстановления через диод возникает в момент открывания транзистора. Чем быстрее запирается диод, тем ниже бросок. Чем быстрее открывается ключ, тем больше бросок тока. Поэтому, обычные выпрямительные диоды не пойдут, а передний фронт на затворе должен быть умеренно быстрым.
Ответить
0
Лобзик #
Провод для R11 мотать кольцом?
R11 можна заменить на металоксид или цемент 5 Вт?
Ответить
0

[Автор]
shara #
Кольцом не желательно мотать, может свистеть.
Можно использовать очень короткий провод в качестве шунта. 1-2 см. Будет ограничение больше 30А. Это нормально. Защита спасает транзистор, не мотор
Ответить
0
u37 #
Если можно, пара вопросов:
1. почему вы реализовали защиту (D1 C6) питания контроллера (что правильно), но охватили ею вспомогательные элементы (Q2, Q3)?
2. что будет с транзисторами Q2, Q3, если выставить R8 в "0"?
Ответить
0

[Автор]
shara #
1. Диод D1 не влияет на работу транзисторов. Через него идёт только питание на стабилизатор.
2. Транзисторы выйдут из строя от превышения тока
Ответить
0
eugene. #
55 вольт не многовато-ли?
Отредактирован 07.10.2018 05:31
Ответить
0

[Автор]
shara #
Напряжение ограничено стабилизатором. Более 40в падение на нем нельзя. А значит меньше можно
Ответить
Добавить комментарий
Имя:
E-mail:
не публикуется
Текст:
Защита от спама:
В чем измеряется сила тока?
Файлы:
 
Для выбора нескольких файлов использйте CTRL

Радиореле 220В
Радиореле 220В
Набор для сборки - УНЧ 2х60 Вт на TDA7294 Металлоискатель MD3010II
вверх