Трехфазные генераторы с широким частотным диапазоном и ШИ-регулировкой

Считалось ранее, что трехфазным напряжением гораздо проще раскрутить электродвигатель, т.к. в поочередно расположенных обмотках статора с приложенным к каждой из них электрических колебаний определенной частоты, смещенных относительно друг друга на 120*, образуется вращающееся магнитное поле, приводящее к вращению ротора, расположенного внутри статора. Да и сейчас ничего не изменилось. Большая часть электродвигателей на нашей планете работает от трехфазной сети переменного тока. Мне же такой генератор необходим для выполнения несколько иных задач, требующих трехфазного мощного сигнала, с широким частотным диапазоном и широтно-импульсной регулировкой (здесь и далее - ШИР). К сожалению, в интернете не обнаружил схем устройств, которые можно было бы повторить, применительно к моим нуждам. Хотя было много всего на эту тему, но... либо сырой материал на форумах, либо под выполнение слишком узких задач, либо нечто специфичное или, уж, откровенно дорогие решения. В результате был сочинен недорогой трехфазный, достаточно мощный генератор с необходимым частотным диапазоном и ШИР. В трех модификациях, доступных для повторения даже начинающим электронщикам.

Первый генератор был построен по давно уже известной схеме на счетчике-дешифраторе CD4017 с фазоформирующей логикой на элементах 2-ИЛИ (схема 1). 

СХЕМА 1

В качестве задающего генератора использован таймер 555, импульсная последовательность с выхода которого (вывод 3 U1) поступает на счетный вход (вывод 14 U2) микросхемы двоично-десятичного счетчика с дешифратором CD4017 (К561ИЕ8). Классическая фазоформирующая схема предполагает использование элементов логики 3-ИЛИ, но, к сожалению, у меня не оказалось в наличии логики с трех-входовыми элементами и пришлось использовать пару корпусов 74АС32 (4 элемента ИЛИ вместо одного корпуса, например, - CD4075 с тремя элементами ИЛИ). Схема 3-фазного "дешифратора" на 2-входовых элементах полностью эквивалентна схеме на элементах 3-входовых. Такая схема работает с взаимным перекрытием импульсов во времени, где каждый следующий положительный импульс на треть во времени перекрывает импульс предыдущий. Схема работоспособна до вполне высоких частот, но проверялась лишь в необходимом мне диапазоне (от долей герца для каждой фазы до нескольких десятков килогерц), что вполне подходит для поставленной для устройства задачи.

СХЕМА 2 

Генератор по схеме 2 можно построить всего на трех логических инвертирующих элементах при небольшом количестве элементов обвязки. Возможна перестройка частоты генератора в небольших пределах (приблизительно 10-12%) с помощью потенциометра PR1. Недостатком этого генератора, кроме небольшого диапазона регулировки, является так же и значительный уход частоты. Поэтому была произведена попытка его модернизации при одновременном сохранении схемотехнической и конструктивной простоты с улучшением параметров генератора: расширение рабочего частотного диапазона, снижение нестабильности частоты генерации. Все решилось достаточно просто применением генератора тока заряда времязадающего конденсатора (схема 3).

СХЕМА 3

Генератор тока заряда (он же – стабилизатор тока на схеме 3) часто используется в различных генераторах частот для стабилизации времени заряда конденсатора, а, значит, и стабилизации частоты. В результате, генератор на схеме 4 обладает гораздо лучшими параметрами, чем предыдущий (СХЕМА 2). 

СХЕМА 4

Он так же, как и генератор на схеме 2, выполнен на логических инверторах, а «тройной» стабилизатор тока заряда конденсаторов является регулятором частоты генератора. Диапазон рабочих частот генератора без изменения примененных номиналов - 3,3-117кГц (при регулировании одним только переменным резистором PR1). Стабильность частоты так же достаточно высока и уход ее составляет несколько (2-4) герц /час в нижнем краю диапазона и около 10-20 – в верхнем. При относительной простоте схемы параметры генератора весьма хороши.
Роль ШИР выполняет схема на логических инверторах CD40106 (схема 5). 

СХЕМА 5

Регулировка ширины выходного импульса (от 100% входного импульса до 0) каждой из фаз производится потенциометрами PR (1-3). Недостаток такой схемы в том, что ШИР привязана к номиналу конденсатора (С1-С3 для каждого канала) и может работать лишь в относительно узком диапазоне частот без замены номинала. Поэтому подбор конденсатора следует осуществлять с привязкой к выбранному диапазону частот. Регулятор ШИ на схеме 6 можно использовать в качестве альтернативы. 

СХЕМА 6

Выполнен он на микросхеме UC3843 в несколько нестандартном включении, где регулировка ШИ осуществляется по входу Cs (пин 3) с подачей на него постоянной составляющей, образованной из выходных импульсов. Благодаря такому схемному решению, регулировка ШИ на выходе U2 осуществляется плавно в достаточно широком диапазоне входных (по пин4) частот. Выход микросхемы уже рассчитан на работу с мощными ПТ. Выходные импульсы будут инверсными по отношению к входным. Микросхема U1.6 в данном случае не является частью схемы регулятора. Схема данного регулятора испытывалась в диапазоне частот 3,3-150кГц. Причем пришлось для диапазонов 3,3-11кГц / 11-45кГц / 45-98кГц / 98-150кГц все же использовать конденсаторы С2 разных номиналов. Но и этот результат вполне неплох. Вывод 2 микросхемы можно использовать, как и в классическом применении ее в качестве входа регулировки по обратной связи (ОС). 
На схеме 7 изображен еще один регулятор, выполненный на микросхеме (так же довольно популярной) UC3825, полным аналогом которой является отечественная микросхема КР1156ЕУ2. 


СХЕМА 7

Принцип ПЛАВНОЙ регулировки ШИ осуществлен так же, как и в схеме 6. Выход регулятора образован диодами D3, 4. Т.к. выходы (противофазные) микросхемы способны работать в импульсе до 1,5А, то и диоды должны быть рассчитаны на не меньший ток. Входы ОС микросхемы (выводы 1, 8, 9) можно использовать в их классическом назначении, несмотря на то, что пин 9 уже задействован для регулировки ШИ. Недостатки и достоинства этой схемы такие же, как и для схемы 6 (подбор номинала конденсатора С1 для различных диапазонов частот). Не содержит этих недостатков регулятор, показанный на схеме 8. 


СХЕМА 8

Схема этого регулятора выполнена на компараторе, сравнивающее опорное напряжение с пилообразным (или треугольным), съем которого можно произвести с конденсатора времязадающей цепи практически любого генератора, в состав которого входит этот самый конденсатор. Этот регулятор оптимален будет для работы с генератором из схемы 4, на конденсаторах которого присутствует пилообразное напряжение. Входное сопротивление регулятора достаточно высокое, и не окажет влияния на параметры генератора при съеме напряжения с его времязадающих цепей.
На схеме 3 изображен один из вариантов схемы силового модуля, состоящий из драйвера ТС4420 (U1), фазоинвертора верхнего плеча на полевом транзисторе (ПТ) Q1 и выходного полумостового каскада на мощных ПТ (Q1, Q3). 


СХЕМА 9

Выходной каскад можно упростить и выполнить его, как показано на схеме 4, где в качестве драйвера использована та же ТС4420, а в качестве выходного ключа мощный ПТ.


СХЕМА 10

В качестве драйвера так же можно использовать и более популярную микросхему UC3843, включив ее так, как это показано на схеме 10. 

СХЕМА 11

Абсолютное отсутствие навесных компонентов в таком включении и достаточно большой выходной ток (до 1А), делают ее привлекательной в качестве использования драйвера. Следует только учесть, что импульс на выходе такого драйвера получится инверсным по отношению к входному. Так как RC-вход (пин 4) связан с встроенным 5-В питанием микросхемы, и подавать внешний сигнал необходимо через резистор величиной до нескольких сотен Ом.

На схеме 12 представлен модуль управления (УМ) силовой частью 3-фазного ИИП. 

СХЕМА 12

Схема состоит из уже описанных выше узлов. Это тактовый генератор на таймере 555 (U1), с выхода которого (пин 3) прямоугольные импульсы поступают на вход микросхемы CD4017 (U2 – пин 13). Пин 14 микросхемы U2, соединенный с плюсом питания, разрешает работу тактового входа. Пин 15 U2 является входом сброса и "обнуляет" выходы U2 каждый раз при появлении высокого уровня на пин 5 U2. Входной частотой и процессом сброса, собственно, и определяется частота цикла работы U2. Выходные, коммутируемые U2 положительные импульсы, последовательны (относительно друг друга) от верхнего выхода к нижнему, и в таком же порядке управляют фазообразующими элементами микросхемы U3. Элементы, двухвходовые, в общем-то, ИЛИ - U3.1-U4.1, U3.2-U4.2, U3.3-U4.3, - используемые попарно, можно представить как одиночные трехвходовые элементы ИЛИ (которых у меня просто не оказалось). 

Коэффициент взаимного перекрытия импульсов, получаемый на выходах этих элементов, составляет 1/3. Т.е. каждый последующий импульс перекрывает ровно треть «задней» части импульса предыдущего. На инверторах микросхемы U5 построены три идентичных ШИ-регулятора, на входы которых через резисторы R14-16 (установка необходима в случае наличия в схеме диодов D1-3) поступают разнесенные во времени последовательности импульсов. Заряд-разряд конденсаторов С8-10, а, следовательно, и амплитуда (и пологость) пилообразного напряжения на входе элементов U5.2, U5.4, U5.6 определяется сопротивлением К-Э переходов транзисторов Q1-3 , управляемых напряжением, снимаемого с движка потенциометра R6. Штифты R61-R63 предусмотрены для дублирующего внешнего потенциометра. Чем ниже амплитуда импульса на входе U5.2, U5.4, U5.6, тем короче импульсы на их выходах. С выходов U5.2, U5.4, U5.6 регулируемые по ширине импульсы поступают на буферные эмитерные повторители на комплементарных транзисторах Q4-Q9. На коллекторы транзисторов Q1-Q3 при необходимости можно подавать напряжение ОС (штифты FBA, FBB, FBC) с датчиков контроля температуры, напряжения, тока или освещенности. Питание УМ напряжением +5В осуществляется с платы силового модуля (MC). Печатная плата (двусторонняя) управляющего модуля представлена на рис 1 (со стороны расположения компонентов) и рис 2. 

РИС 1

РИС 2

Силовой модуль показан на схеме 13. 

СХЕМА 13

Не вижу особого смысла описывать его подробно, кроме того, что модуль достаточно универсален и способен работать на частотах не менее 200кГц (зависит от разводки и компоновки); с напряжениями до 450В (зависит от используемых деталей и качества печатной платы) и мощностями до 500Вт. Выходной импульс инвертирован по отношению к входному. Печатная плата МС приведена на рис 3 и рис 4. Оговорюсь сразу – плата этого МС не рассчитана на высоковольтные «испытания».

РИС 3


РИС 4

На схеме 14 представлен второй вариант 3-х фазного ИИП. 

СХЕМА 14

Генератор выполнен на элементах микросхемы CD4093, частота которого перестраивается узлом на транзисторах Q2-Q5. ШИР производится компараторами, на инверсный вход которых подается регулируемое опорное напряжение, а на прямой – пилообразное (с каждого из генераторов на свой компаратор). В результате сравнения уровня в точке наклона «пилы» и опорного напряжения, регулировкой потенциометра PR5 можно получить импульсы необходимой ширины на выходе компаратора. На схеме параллельно микросхемам компараторов U3, U5, U7 включены ОУ (U4, U6, U8), способные успешно выполнять функцию компаратора. Так, например, вместо компараторов LM311 в схеме успешно работают такие ОУ, как К571УД1, К544УД2, СА3130, К140УД8, TL081, NE5534. Других ОУ в «одиночных» корпусах у меня просто не было, а сдвоенные ОУ в испытаниях не участвовали. Разумеется, необходимо использование лишь одной из этих микросхем. Дополнительные микросхемы указаны на схеме лишь для универсализации печатной платы с тем, что бы вместо, допустим, отсутствующих компараторов в схему можно было бы установить корпуса ОУ. Схема, конечно, при этом получилась более громоздкой, но площадь печатной платы при этом практически не увеличилась по сравнению с тем, как если бы на плате находились лишь корпуса компараторов (один из вариантов печатной платы на рис 5 и рис 6). 


РИС 5

РИС 6

По инверсным входам компараторов могут быть организованы фидбэки любого из параметров. Для этого предусмотрены штифты Xa-Xc. В схеме присутствуют драйверы (U9-U11) и силовые ключи (Q6-Q8), поэтому устройство можно считать самостоятельным и достаточным для работы с достаточно большими нагрузками и напряжениями при испытаниях. Однако, для работы в реальных условия модуль следует использовать в качестве управляющего и «развязать» его гальванически от исполнительного силового модуля. Перестройка каналов модуля по частоте 3,3-117кГц, диапазон длительности выходного импульса 0-45% от времени периода.
В схеме присутствуют и дополнительные, не имеющие отношения к теме, узлы на ОУ U1, транзисторе Q1, потенциометре PR2, логическом элементе U2.4. В схеме по теме статьи они не нужны.

3-й вариант генератора с ШИР показан на схеме 15.

СХЕМА 15

Здесь 4-х элементная CD4093 (2И-НЕ с ТШ) заменена на 6-ти элементную CD40106 (лог инверторы с ТШ), благодаря чему «прямоугольный» выход генератора буферирован каждым вторым элементом микросхемы при том, что каждый первый включен в кольцо генератора. В качестве драйвера-регулятора применена микросхема UC3843 (U4-U6). Узел перестройки частоты аналогичен узлу из схемы 14, а регулирование ШИ осуществляется узлом на транзисторах Q6-Q8 с помощью потенциометра PR4. Предварительна установка ШИ по каждому из каналов производится подстроечными резисторами PR5-PR7, что избавляет от подбора постоянных резисторов. Фидбэки могут быть организованы, так же, как и в классическом включении 3843 по входам ее усилителя ошибки (пин 2). Названия штифтов такие же, как и в схеме 14. Выходные параметры схем практически не отличаются, кроме нагрузочной способности - в схеме 14 допустимо применение ПТ с большей емкостью затвора, т.к. используемые в ней драйверы способны отдать ток в импульсе до 6А. Во всех схемах допустимо применение аналогичных микросхем (там, где позволяет цоколевка) из состава 74АСХХ или 74НСХХ. Для этих целей предусмотрена установка 5-ти вольтного интегрального стабилизатора (7805). При использовании микросхем серии 40ХХ, 45ХХ стабилизатор не нужен, но при этом устанавливается развязывающий резистор R21 для схемы 14 и R11 для схемы 15, которые не надо устанавливать при наличии стабилизатора. Печатная плата модуля показана на рис 7 и рис 8.


РИС 7


РИС 8

Все схемы работоспособны и проверены, как по узлам, так и в полной сборке. В полную меру, с реальной силовой нагрузкой, включенной в электросеть ни одна из схем еще не тестировалась, - дело близкого будущего.

Номиналы деталей для каждой из практических схем приводятся ниже.

Теги:

• ШИМ
• Генератор
• DipTrace