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:

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

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Блок питания
• ШИМ
• Сварка