Шим на транзисторах: Простой ШИМ регулятор

Содержание

Шим регулятор на транзисторах

При работе с множеством различных технологий часто стоит вопрос: как управлять мощностью, которая доступна? Что делать, если её необходимо понизить или повысить? Ответом на эти вопросы служит ШИМ-регулятор. Что он собой представляет? Где применяется? И как самому собрать такой прибор?

Что такое широтно-импульсная модуляция?

3. Двоичный (двухуровневый).

4. Троичный (трехуровневый).

Что такое ШИМ-регулятор?

Настоящим спасением из данной ситуации стал ШИМ-регулятор, который работает на мощных полевых силовых транзисторах. Они могут коммутировать большие токи (которые достигают 160 Ампер) при напряжении всего в 12-15В на затворе. Следует отметить, что сопротивление у открытого транзистора довольное мало, и благодаря этому можно заметно снизить уровень рассеиваемой мощности. Чтобы создать свой собственный ШИМ-регулятор, понадобится схема управления, которая сможет обеспечить разность напряжения между истоком и затвором в границах 12-15В.

Если этого не получится достичь, то сопротивление канала будет сильно увеличиваться и значительно возрастёт рассеиваемая мощность. А это, в свою очередь, может привести к тому, что транзистор перегреется и выйдет из строя.

Выпускается целый ряд микросхем для ШИМ-регуляторов, которые смогут выдержать повышение входного напряжения до уровня 25-30В, при том, что питание будет всего 7-14В. Это позволит включать выходной транзистор в схеме вместе с общим стоком. Это, в свою очередь, необходимо для подключения нагрузки с общим минусом. В качестве примеров можно привести такие образцы: L9610, L9611, U6080B . U6084B. Большинство нагрузок не потребляет ток больше 10 ампер, поэтому они не могут вызвать просадку напряжения. И как результат – использовать можно и простые схемы без доработки в виде дополнительного узла, который будет повышать напряжение. И именно такие образцы ШИМ-регуляторов и будут рассмотрены в статье. Они могут быть построены на основе несимметрического или ждущего мультивибратора.

Стоит поговорить про ШИМ-регулятор оборотов двигателя. Об этом далее.

Схема №1

Схема №2

Причины распространения

Чем привлекает автолюбителей ШИМ-регулятор? Следует отметить стремление к увеличению КПД, когда проводится построение вторичных источников питания для электронной аппаратуры. Благодаря данному свойству можно данную технологию найти также при изготовлении компьютерных мониторов, дисплеев в телефонах, ноутбуках, планшетах и подобной техники, а не только в автомобилях. Также следует отметить значительную дешевизну, которой отличается данная технология при своём использовании. Также, если решите не покупать, а собирать ШИМ-регулятор собственноручно, то можно сэкономить деньги при усовершенствовании своего собственного автомобиля.

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.

Регулировать напряжение питания мощных потребителей удобно с помощью регуляторов с широтно-импульсной модуляцией. Преимущество таких регуляторов заключается в том, что выходной транзистор работает в ключевом режиме, а значить имеет два состояния – открытое или закрытое. Известно, что наибольший нагрев транзистора происходит в полуоткрытом состоянии, что приводит к необходимости устанавливать его на радиатор большой площади и спасать его от перегрева.

Предлагаю простую схему ШИМ регулятора. Питается устройство от источника постоянного напряжения 12В. При указанном экземпляре транзистора, выдерживает ток до 10А.

Рассмотрим работу устройства: На транзисторах VT1 и VT2 собран мультивибратор с регулируемой скважностью импульсов. Частота следования импульсов около 7кГц. С коллектора транзистора VT2 импульсы поступают на ключевой транзистор VT3, который управляет нагрузкой. Скважность регулируется переменным резистором R4. При крайнем левом положении движка этого резистора, см. верхнюю диаграмму, импульсы на выходе устройства узкие, что свидетельствует о минимальной выходной мощности регулятора. При крайнем правом положении, см. нижнюю диаграмму, импульсы широкие, регулятор работает на полную мощность.

Диаграмма работы ШИМ в КТ1

С помощью данного регулятора можно управлять бытовыми лампами накаливания на 12 В, двигателем постоянного тока с изолированным корпусом.

В случае применения регулятора в автомобиле, где минус соединён с корпусом, подключение следует выполнять через p-n-p транзистор, как показано на рисунке.
Детали: В генераторе могут работать практически любые низкочастотные транзисторы, например КТ315, КТ3102. Ключевой транзистор IRF3205, IRF9530. Транзистор p-n-p П210 заменим на КТ825, при этом нагрузку можно подключать на ток до 20А!

Варианты включения ШИМ регулятора

И в заключении следует сказать, что данный регулятор работает в моей машине с двигателем обогрева салона уже более двух лет.

Мощный шим регулятор своими руками

Регулировать напряжение питания мощных потребителей удобно с помощью регуляторов с широтно-импульсной модуляцией. Преимущество таких регуляторов заключается в том, что выходной транзистор работает в ключевом режиме, а значить имеет два состояния — открытое или закрытое. Известно, что наибольший нагрев транзистора происходит в полуоткрытом состоянии, что приводит к необходимости устанавливать его на радиатор большой площади и спасать его от перегрева.

Диаграмма работы ШИМ в КТ1

С помощью данного регулятора можно управлять бытовыми лампами накаливания на 12 В, двигателем постоянного тока с изолированным корпусом. В случае применения регулятора в автомобиле, где минус соединён с корпусом, подключение следует выполнять через p-n-p транзистор, как показано на рисунке.
Детали: В генераторе могут работать практически любые низкочастотные транзисторы, например КТ315, КТ3102. Ключевой транзистор IRF3205, IRF9530. Транзистор p-n-p П210 заменим на КТ825, при этом нагрузку можно подключать на ток до 20А!

Варианты включения ШИМ регулятора

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.

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

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.

PWM регулятор 0% . 100%. До 100 ампер

Автор: Simurg, [email protected]
Опубликовано 12.09.2017
Создано при помощи КотоРед.

Для решения задач плавного включения, выключения и регулирования мощности, (оборотов, яркости – на выбор), был разработан простой мощный ШИМ (PWM) регулятор широкого применения. Подходит для регулирования мощности различных потребителей постоянного тока (нагреватели, светодиоды, двигатели, лампы, и прочее, что можно регулировать при помощи ШИМ.) с максимальным током потребления до 100А. При наращивании числа выходных ключей максимальный ток может быть увеличен. Имеется возможность добавить защиту от перегрузки.

Фото собранной платы:

Управление плавное ручное переменным резистором, или внешним напряжением в указанных диапазонах:

0,45v = выключено. ШИМ коэф. заполнения =0%.

0,5в.3,5в = плавное регулирование коэф. заполнения 0,1% . 99,9%

3,6v = включено. ШИМ коэф. заполнения =100%.

Работает на постоянном напряжении 10…28V. При отдельном питании управления от дополнительного источника питания на 15в., максимальное напряжение ограничено только максимально допустимым напряжением силовых ключей и обратным напряжением мощного диода в нагрузке.

При напряжении до 15 вольт стабилизатор не устанавливать, а вместо него диод или перемычка. До 28 вольт можно установить линейный 7815 или импульсный стабилизатор на MP2307 с алиэкспресс в виде готового модуля, выставив на нем напряжение 15 вольт.

Частоту можно регулировать при необходимости плавно переменным резистором, подключив его вместо перемычки на плате. При регулировании на большом токе (от 10 до 100 ампер), частоту ШИМ для TL494 много увеличивать крайне не рекомендуется. Достаточно в пределах 2 кГц. Так как коммутационные потери будут ощутимо нагревать ключи и обратный диод.

Силовые ключи можно подключать к плюсу, к минусу, или использовать изолированно от схемы управления благодаря изолирующему конвертеру с трансформаторной развязкой.

Схема содержит минимум компонентов в обвязках микросхем.

На TL494 собран основной регулятор ШИМ от 0% до 100%, который будет управлять мощностью в нагрузке. Благодаря смещению земли TL494 относительно основной земли на +0,6В обеспечивается регулирование от 0 до 100%. Так как в этом варианте включения мы компенсируем внутреннее смещение для формирования мертвого времени. Пояснение как это получается на приведенной внутренней схеме:

На HCPL3120 драйвер управления силовыми ключами с двухполюсным питанием и биполярным выходом +15в на открытие ключа и -12в на закрытие. Этим обеспечивается надежное удержание ключа в закрытом состоянии в условиях сильных помех, которые возникают при коммутации больших токов.

На NE555 собран изолированный источник питания +15в -12в с защитой от перегрузок. Работает на частоте 120кГц – 480кГц в зависимости от нагрузки. Регулирование вторичных напряжений изменением частоты. При перегрузке уменьшает частоту и ширину импульса. При отсутствии нагрузки на трансформаторе (холостой ход, драйвер не подключен), минусовое напряжение стремится к 0, а плюсовое плечо стремится к 25в. Но это не штатная ситуация и нагрузка в виде драйвера всегда есть.

Схема ограничения минимального напряжения питания собрана на стабилитроне 8,2в. Нужна для недопущения разряда аккумулятора ниже минимального порога. При закрытии стабилитрона питание с драйвера снимается, и нагрузка отключается не зависимо от установки ШИМ. Обратный диод нагрузки желательно установить в непосредственной близости к нагрузке. Эта мера снизит помехи и нагрузку на провода отсекая реактивную энергию. При этом можно использовать проводники меньшего сечения, чем при установке диода на удалении от нагрузки.

Шим регулятор напряжения и тока своими руками

Эта самодельная схема может быть использована в качестве регулятора скорости для двигателя постоянного тока 12 В с номинальным током до 5 А или как диммер для 12 В галогенных и светодиодных ламп мощностью до 50 Вт. Управление идёт с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) при частоте следования импульсов около 200 Гц. Естественно частоту можно при необходимости изменить, подобрав по максимальной стабильности и КПД.

Большинство подобных конструкций собирается по гораздо . Здесь же представляем более усовершенствованный вариант, который использует таймер 7555, драйвер на биполярных транзисторах и мощный полевой MOSFET. Такая схематика обеспечивает улучшенное регулирование скорости и работает в широком диапазоне нагрузки. Это действительно очень эффективная схема и стоимость её деталей при покупке для самостоятельной сборки довольно низкая.

В схеме используется Таймер 7555 для создания переменной ширины импульсов около 200 Гц. Он управляет транзистором Q3 (через транзисторы Q1 – Q2), который контролирует скорость электро двигателя или ламп освещения.

Есть много применений для этой схемы, которые будут питаться от 12 В: электродвигатели, вентиляторы или лампы. Использовать её можно в автомобилях, лодках и электротранспортных средствах, в моделях железных дорог и так далее.

Светодиодные лампы на 12 В, например LED ленты, тоже можно смело сюда подключать. Все знают, что светодиодные лампы гораздо более эффективны, чем галогенные или накаливания, они прослужит намного дольше. А если надо – питайте ШИМ-контроллер от 24 и более вольт, так как сама микросхема с буферным каскадом имеют стабилизатор питания.

Для регулировки частоты вращения маломощных электродвигателей коллекторного типа обычно применяют резистор, который включают последовательно с двигателем. Но такой способ включения обеспечивает очень низкий КПД, а самое главное не позволяет осуществлять плавную регулировку оборотов (найти переменный резистор достаточной мощности на несколько десятков Ом совсем не просто). А самый главный недостаток такого способа, это то, что иногда происходит остановка ротора при снижении напряжения питания.

ШИМ-регуляторы , речь о которых пойдет в этой статье, позволяют осуществлять плавную регулировку оборотов без перечисленных выше недостатков. Помимо этого ШИМ-регуляторы так же можно применять и для регулировки яркости ламп накаливания.

На рис.1 приведена схема одного из таких ШИМ-регуляторов . Полевой транзистор VT1 является генератором пилообразного напряжения (с частотой повторения 150 Гц), а операционный усилитель на микросхеме DA1 работает как компаратор, формирующий ШИМ-сигнал на базе транзистора VT2. Частота вращения регулируется переменным резистором R5, изменяющим ширину импульсов. Благодаря тому, что их амплитуда равна напряжению питания, электродвигатель не будет «тормозить», а кроме этого можно добиться более медленного вращения, чем в обычном режиме.

Схема ШИМ регуляторов на рис.2 аналогична предыдущей, но задающий генератор здесь выполнен на операционном усилителе (ОУ) DA1. Этот ОУ функционирует в роли генератора импульсов напряжения треугольной формы с частотой повторения 500 Гц. Переменный резистор R7 позволяет осуществлять плавную регулировку вращения.

На рис.3. представлена весьма интересная схема регулятора. Этот ШИМ регулятор выполнен на интегральном таймере NE555 . Задающий генератор имеет частоту повторения 500 Гц. Длительность импульсов, а, следовательно, и частоту вращения ротора электродвигателя можно регулировать в диапазоне от 2 до 98 % периода повторения. Выход генератора ШИМ регулятора на таймере NE555 подключен к усилителю тока, выполненному на транзисторе VT1 и собственно управляет электродвигателем М1.

Главным недостатком схем рассмотренных выше является отсутствие элементов стабилизации частоты вращения вала при изменении нагрузки. А вот следующая схема, показанная на рис.4., поможет решить эту проблему.

Данный ШИМ регулятор как и большинство аналогичных устройств, имеет задающий генератор импульсов напряжения треугольной формы (частота повторения 2 кГц), выполненный на DA1. 1.DA1.2, компаратор на DA1.3, электронный ключ на транзисторе VT1, а также регулятор скважности импульсов, а по сути частоты вращения электродвигателя – R6. Особенностью схемы является наличие положительной обратной связи посредством резисторов R12, R11, диода VD1,конденсатора C2, и DA1.4, которая обеспечивает постоянную частоты вращения вала электродвигателя при изменении нагрузки. При подключении ШИМ регулятора к конкретному электродвигателю при помощи резистора R12 производится регулировка глубины ПОС, при которой не возникает автоколебаний частоты вращения при увеличении или уменьшении нагрузки на вал двигателя.

Элементная база. В приведенных в статье схемах можно использовать следующие аналоги деталей: транзистор КТ117А можно заменить на КТ117Б-Г или как вариант на 2N2646; КТ817Б – КТ815, КТ805; микросхему К140УД7 на К140УД6, или КР544УД1, ТL071, TL081; таймер NE555 на С555, или КР1006ВИ1; микросхему TL074 на TL064, или TL084, LM324. Если необходимо подключить к ШИМ-регулятору более мощную нагрузку ключевой транзистор КТ817 необходимо заменить более мощным полевым транзистором, как вариант, IRF3905 или подобным. Указанный транзистор способен пропускать токи до 50А.

Схема регулятора оборотов двигателя постоянного тока работает на принципах широтно-импульсной модуляции и применяется для изменения оборотов двигателя постоянного тока на 12 вольт. Регулирование частоты вращения вала двигателя при помощи широтно-импульсной модуляции дает больший КПД, чем при применение простого изменения постоянного напряжения подаваемого на двигатель, хотя эти схемы мы тоже рассмотрим

Двигатель подключен в цепь к полевому транзистору который управляется широтно-импульсной модуляцией осуществляемой на микросхеме таймере NE555, поэтому и схема получилась такой простой.

ШИМ регулятор реализован с помощью обычного генератора импульсов на нестабильном мультивибраторе, генерирующий импульсы с частотой следования 50 Гц и построенного на популярном таймере NE555. Сигналы поступающие с мультивибратора создают поле смещения на затворе полевого транзистора. Длительность положительного импульса настраивается при помощи переменного сопротивления R2. Чем выше длительность положительного импульса поступающего на затвор полевого транзистора, тем большая мощность подается на электродвигатель постоянного тока. И на оборот чем меньше длительность импульса, тем слабее вращается электродвигатель. Эта схема прекрасно работает от аккумуляторной батареи на 12 вольт.

Скорость 6 вольтового моторчика можно регулируется в пределах 5-95%

Регулировка оборотов в этой схеме достигается подачей на электромотор импульсов напряжения, различной длительности. Для этих целей используются ШИМ (широтно-импульсные модуляторы). В данном случае широтно-импульсное регулирование обеспечивается микроконтроллер PIC. Для управления скоростью вращения двигателя используются две кнопки SB1 и SB2, «Больше» и «Меньше». Изменять скорость вращенияможно только при нажатом тумблере «Пуск». Длительность импульса при этом изменяется, в процентном отношении к периоду, от 30 – 100%.

В качестве стабилизатора напряжения микроконтроллера PIC16F628A, используется трехвыводной стабилизатор КР1158ЕН5В, имеющий низкое падение напряжение «вход-выход», всего около 0,6В. Максимальное входное напряжение – 30В. Все это позволяет применять двигатели с напряжением от 6В до 27В. В роли силового ключа используется составной транзистор КТ829А который желательно установить на радиатор.

Устройство собрано на печатной плате размерами 61 х 52мм. Скачать рисунок печатной платы и файл прошивки можно по ссылке выше. (Смотри в архиве папку 027-el )

PWM | Электроника для всех

DC-DC преобразование
Для изменения напряжения постоянного тока с минимальными потерями используются DC-DC преобразователи, работающие по принципу Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ, она же PWM по басурмански). Если не читал мои прошлые статьи, где я подробно разжевал принцип работы ШИМ, то я кратенько тебе напомню. Основной принцип тут в том, что напряжение подается не сплошным потоком, как в линейных стабилизаторах, а краткими импульсами и с большой частотой.

Готовый девайс

То есть у тебя на выходе ШИМ контроллера, например, сначала в течении десяти микросекунд напряжение, к примеру, двенадцать вольт, потом идет пауза. Скажем, те же десять микросекунд, когда на выходе напряжения вообще нет. Затем все повторяется, словно мы быстро-быстро включаем и выключаем рубильник.

Таким образом у нас получаются прямоугольные импульсы. Если вспомнить матан, а конкретно интегрирование, то после интегрирования этих импульсов мы получим площадь под фигурой очерченной импульсами. Таким образом, меняя ширину импульсов и пропуская их через интегратор, можно плавно менять напряжения от нуля до максимума с любым шагом и практически без потерь.
В качестве интегратора служит конденсатор, он заряжается на пике, а на паузах будет отдавать энергию в цепь. Также туда всегда последовательно ставят дроссель, который тоже служит источником энергии, только он запасает и отдает ток. Поэтому такие преобразователи при небольших габаритах легко питают мощную нагрузку и при этом почти не расходуют энергию на лишний нагрев.

Если не догнал, то я для простоты переложил это в понятное «канализационное русло». Смотри на картинку, где ключевой транзистор ШИМ контроллера похож на вентиль, он открывает и закрывает канал. Конденсатор это банка, накапливающая энергию. Дроссель это массивная турбина, которая, будучи разогнанной потоком, при открытом вентиле, за счет своей инерции прогоняет воду по трубам и после закрытия вентиля.

Конечно, самостоятельно разработать такой источник питания сложно, требуется неслабое образование в области электроники, но не стоит напрягаться по этому поводу. Умные дядьки из Motorola, STM, Dallas и прочих Philips’ов придумали все за нас и выпустили уже готовые микросхемы содержащие в себе ШИМ контроллер. Тебе остается его лишь припаять и добавить обвески, которая задает параметры работы, причем изобретать самому ничего не надо, в datasheet’ах подробно расписано что и как подключать, какие номиналы выбирать, а иногда даже дают готовый рисунок печатной платы. Надо лишь немного знать английский 🙂

Шим стабилизатор напряжения на полевом транзисторе

Схема ШИМ регулятора

Указанная схема отлично работает, печатная плата прилагается.

Можно собрать ШИМ регулятор и по такой электрической схеме, с обычным биполярным транзистором:

Работа ШИМ регулятора

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

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.

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 U_н (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.

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.

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

ШИМ-регулятор 220 В ( IGBT )

Вот уже сделан и проверен первый ШИМ-регулятор на 220 вольт и 10 ампер на микросхеме NE555. Далее по плану надо сделать такой-же простой ШИМ, только с гальванической развязкой между силовой и управляющей частями схемы. А также в качестве силового транзистора попробую использовать транзистор IGBT , а именно широко известный FGA25N120ANTD . Этот ШИМ тоже сделан на микросхеме NE555, а гальваническая развязка сделана на самом известном оптроне PC817 . Питание задающего генератора сделано от отдельного трансформатора, стоит диодный мост VD7 и стабилизатор DA4 LM7809.
Транзисторы FGA25N120ANTD можно купить здесь

В качестве силового транзистора решил попробовать IGBT-транзистор. Есть такие хитрые транзисторы , которые сочетают в себе преимущества биполярных и полевых транзисторов. Выбрал известный транзистор FGA25N120ANTD. Для нормальной работы этому транзистору нужен соответствующий драйвер, который я сделал из транзисторов разной проводимости S8050 и S8550. Максимально допустимые параметры транзистора FGA25N120ANTD – напряжение коллектор-эмиттер 1200 вольт и ток до 25 ампер, что совсем неплохо.
Силовой диодный мость поставил на 25 ампер GBJ2510, диод в обратном включении параллельно нагрузке – это быстродействующий диод с максимальным током до 30 ампер и напряжением 600 вольт RHRP3060 . Питание драйвера силового транзистора сделано по бестрансформаторной схеме – это элементы VD6, VD8, R11, R12, C7, C8 и C9.
Потом провёл небольшие испытания этого ШИМ-регулятора. Сначала подключил активную нагрузку – то есть простую лампочку накаливания, затем подключил коллекторный двигатель от стиральной машины Индезит. В общем первые испытания прошли успешно. Буду дальше развивать этот проект.

Все нужные радиодетали можно приобрести здесь

Снял видео и разместил его в YouTube –

Нарисовал и проверил предварительную схему с обратной связью от таходатчика.

В общем с обратной связью работает лучше , чем без неё, но хуже чем с Ардуино – нормально работает от 1000 оборотов в минуту.
Сделал ещё один пробный вариант – переделал силовую часть на драйвере TLP250 и добавил защиту по току на компараторе – вот что получилось:

В общем регулятор работает по-лучше чем прошлые варианты. Защита помогает первоначальный бросок тока убрать. Драйвер TLP250 заработал нормально только при напряжении питания 15 вольт.
Снял видео –

Мощный ШИМ регулятор своими руками

Приветствую, Самоделкины!
Совсем недавно Роману, автору YouTube канала «Open Frime TV», понадобился мощный ШИМ-регулятор. Начались поиски и проверки разных схем. В итоге он остановился на данном варианте:

Автор уже не однократно снимал ролики про шим-регуляторы, но на момент их создания не особо разбирался в схемотехнике, да и не было оборудования для того, чтобы полностью протестировать получившиеся устройства.

Теперь же у автора появился осциллограф, с помощью которого можно увидеть все косяки.

Давайте разберемся в ошибках, чтобы в дальнейшем их не допускать. Самая важная ошибка – это непонимание принципа работы полевого транзистора. Те, кто не первый год занимается электроникой знают, что для открытия полевика нужно не только напряжение, но некий ток.

Это же касается и закрытия. Если этого тока недостаточно, то транзистор будет медленнее открываться и, следовательно, сильнее греться.

Нагрев мосфетов в ключевом режиме появляется именно в моменты переключения, и чем быстрее мы будем коммутировать транзистор, тем меньше он будет нагреваться. Большинство новичков этого не знают и поэтому, в некоторых схемах, силовой транзистор довольно сильно нагревается. У автора было точно также и на тот момент ему было непонятно почему так происходит.

Думаю, все кто искал схему шим-регулятора, натыкались на вариант с микросхемой ne555 и кучей транзисторов, но стоит заглянуть в ее datasheet и мы увидим максимальный выходной ток 200 мА.

Этого тока явно недостаточно для корректной работы устройства. Как же тогда собрать отличный шим-регулятор и уменьшить его нагрев? Все очень просто, необходимо на выход управляющей микросхемы поставить драйвер, который сможет обеспечить достаточный ток для открытия и закрытия мосфетов.

На осциллограммах четко видно, как переключается транзистор без драйвера и когда он есть. Тут даже невооруженным взглядом можно увидеть преимущества драйвера.

Теперь давайте взглянем на схему устройства:

Как видим, в качестве задающий микросхемы, автор применил TL494. Почему именно ее? Да потому, что она очень популярна и легка в настройке.

Автор также пробовал собирать ШИМ на Uc3843, но там есть свои особенности, которые затрудняют сборку. Делал и на 555-ой, но больше всего приглянулась именно 494-ая. В нее можно без особых проблем добавить ограничитель тока, но это уже будете делать под ваши нужды.

Теперь пару слов про работу схемы. TL494 генерирует прямоугольные импульсы, частота которых задается с помощью вот этого конденсатора и резистора:

Потом эти импульсы усиливаются драйвером и поступают на затворы транзисторов.

У каждого транзистора на затворе свой резистор. Это сделано с целью убрать звон при закрытии.

Так как это полевые транзисторы, то при параллельном включении им не нужны токоограничивающие резисторы, что повышает КПД схемы. Также на схеме можем видеть 2 входных напряжения.

Это сделано с целью расширения пределов работы самого шим-регулятора. Если входное напряжение находится в районе 13-30В, то можно установить перемычку и питать схему одним напряжением.

Также нужно сказать пару слов про транзисторы.

IRFZ44N рассчитан на напряжение 50В.

Если вам нужно управлять более высоким напряжением, то необходимо заменить транзисторы под ваши параметры. К примеру, IRF540 рассчитаны уже на напряжение 100В.

Со схемой закончили, рассмотрим печатную плату.

Тут в глаза бросаются силовые дорожки. Они не очень большие, но все компенсируется после сборки устройства. Их придется пропаять медным проводом для повышения токопроводимости. Это будет лучшим решением, так как делать саму дорожку еще больше нету смысла, она имеет маленькое сечение и не сможет провести большой ток.

С платой тоже разобрались. Давайте ее соберем. Это не составит трудностей, деталей немного и сложность минимальная.
э

С обратной стороны пропаяли силовые дорожки. Теперь необходимо установить транзисторы на радиатор, вы же не думаете, что мы полностью избавились от нагрева.

При установке можно не использовать изолирующие подложки, так как транзисторы включены параллельно.

С таким радиатором можно коммутировать токи до 20А. При б0льших токах требуется б0льший радиатор.

Ну и в конце можно производить тесты. Подаем напряжение на схему (в данном случае оно составляет 28В) и производим включение.

Для начала подключаем 2 лампы накаливания мощностью 100Вт, рассчитанные на напряжение 36В.

Но это такое, детский сад, схема справляется на раз-два. Теперь можно взять нагрузку помощнее, к примеру, вот такую нихромовую спираль.

Как видим ток идет довольно таки большой, но схема держится молодцом. Саму плату автор собирал одному человеку для мощного двигателя постоянного тока. Пока жалоб не было, поэтому можно советовать ее к повторению. Ну а на этом все. Благодарю за внимание. До новых встреч!

Видео:

Источник (Source) Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Какой транзистор мне следует использовать для ШИМ переключения питания 12 В в машине с 5 В на Arduino?

Чтобы найти подходящий транзистор: Сначала определитесь, какой именно. BJT: PNP или NPN? MOSFET: P-канал или N-канал? Для большинства случаев коммутации и ШИМ вы хотите использовать полевые МОП-транзисторы.

При модулировании с использованием простого входа Arduino 5V вам нужно что-то с «логическим вентилем», что означает, что он включается значительно ниже 5V. Самая простая схема – это переключатель низкого уровня, использующий N-канальный полевой МОП-транзистор. Итак, вам нужно побеспокоиться о: – Какое напряжение нужно для переключения? Допустим, верхняя граница составляет 15 В, и вы хотите удвоить это значение для безопасности: напряжение DS 30 В.- Какое напряжение идет на затвор? Ардуино составляет 5 В, поэтому для безопасности назовем его 10 В GS. – Какой ток вы хотите смодулировать? МОП-транзисторы рассчитаны на максимальный ток, но вы хотите, чтобы он оставался значительно ниже этого – уменьшите его, по крайней мере, вдвое. – Насколько сильно охлаждение? Посмотрите на RDSON транзистора и умножьте на квадрат тока, чтобы получить мощность / нагрев; TO-220 может без проблем рассеивать 1 Вт на открытом воздухе; для более чем 1 Вт вам, вероятно, понадобится радиатор.

В общем, подключите все это к параметрическому поиску в Digi-Key.Введите «Мне нужно 3» и нажмите стрелку вверх, чтобы найти самый дешевый вариант (или, по крайней мере, варианты, отсортированные по цене). Готово!

Я бы порекомендовал для этого случая IRLB8721, предполагая, что ваши светодиоды будут потреблять 10А или меньше.

Примечание. Индуктивный сброс в автомобиле может быть значительно выше 30 В, на которое рассчитан транзистор. Вероятно, вы захотите замкнуть цепь светодиод + транзистор с помощью зажима <30 В макс. С номинальной мощностью 5 кВт TVS-диода. Кроме того, вы захотите защитить затвор полевого МОП-транзистора с помощью стабилитрона 9 В на землю.Используйте ту же защиту TVS, что и для светодиодов, чтобы защитить входное напряжение Arduino, если вы используете свой собственный 7805 или аналогичный с входом 30 В. Если вы используете базовый вход Arduino, вам необходимо использовать фиксирующий TVS-диод с максимальным напряжением 16 В, потому что некоторые Arduinos не рассчитаны на максимальное входное напряжение более 16 В, а сброс нагрузки намного больше; вы не можете получить их с выдержкой на 13,6 В, что необходимо, чтобы не истощать заряженный автомобильный аккумулятор, поэтому я бы порекомендовал ваш собственный регулятор на 5 В.

Наконец: подключите резистор 10 кОм между затвором и землей, чтобы безопасно протечь затвор на землю, когда питание отключено или не определено.МОП-транзисторы действительно не любят быть «на полпути».

Частота ШИМ по умолчанию Arduino, 490 Гц, подходит для модуляции светодиодов для освещения; вы не услышите этого, если только ваша проводка не сильно ослаблена. Для больших нагрузок, индуктивных катушек, двигателей и т. Д. Частота 490 Гц довольно раздражает, и вам понадобится более высокая частота модуляции. Однако 25 мА, которые вы получаете от Arduino, не переключают силовой MOSFET достаточно быстро, чтобы работать с более высокой частотой, поэтому вам также понадобится отдельный драйвер затвора, такой как IRS2101PbF.Однако это совершенно другое уравнение дизайна.

^{смоделировать эту схему – Схема создана с помощью CircuitLab}

Основы широтно-импульсной модуляции (ШИМ): как работает ШИМ

Николас Браун – Следуйте за мной в Twitter.

Определение широтно-импульсной модуляции

Широтно-импульсная модуляция (PWM) – это изящный метод управления током, который позволяет вам управлять скоростью двигателей, теплопроизводительностью нагревателей и многим другим энергоэффективным (и обычно более тихим) способом.Существующие приложения для ШИМ включают, но не ограничиваются:

Контроллеры вентиляторов с регулируемой скоростью.
VRF Приводы компрессоров HVAC.
Цепи привода двигателей гибридных и электрических транспортных средств.
Светодиодные диммеры.

Широтно-импульсная модуляция изменила мир, снизив энергопотребление приборов, использующих двигатели, таких как инверторные кондиционеры [ PDF ], инверторные холодильники, инверторные стиральные машины и многие другие.Например, инверторные кондиционеры в некоторых случаях могут потреблять меньше половины энергии, чем их неинверторные аналоги.

В наши дни, если устройство рекламируется как имеющее компрессор с регулируемой скоростью или вентилятор с регулируемой скоростью (это не включает двух- или трехскоростные вентиляторы), существует значительная вероятность того, что в нем используется ШИМ!

Зачем нужен ШИМ?

Начинающие инженеры-электрики могут захотеть узнать, почему они должны использовать широтно-импульсную модуляцию для управления устройствами, и у домовладельцев есть аналогичный вопрос, на который есть тот же ответ: зачем использовать инверторные кондиционеры или другие устройства с регулируемой скоростью?

Ответ на оба вопроса: ШИМ изменяет скорость двигателей бытовых приборов, поэтому они потребляют столько энергии, сколько им нужно, но без обычных последствий сжигания неиспользованного тока в виде тепла.Примером более старой альтернативы является простая транзисторная схема, которая изменяет ток, проходящий через нее, путем изменения ее сопротивления.

То же правило эффективности, которое применяется к резисторам, применимо и к транзисторам – их сопротивление приводит к потере энергии, потому что они сжигают часть ее в виде тепла. В этом отношении они действуют как обогреватели.

К счастью, эти схемы никогда не были массовыми. Такие приборы, как кондиционеры и холодильники, работали все время на полной скорости, производя много шума и тратя много энергии, потому что им приходилось часто включаться и выключаться.

PWM действительно использует транзисторы, но другим способом, как описано ниже.

Пример контроллера двигателя с ШИМ.

Если вы хотите начать работу с ШИМ, отличной точкой входа будет схема ШИМ 555, схема ШИМ Arduino (очень удобная, так как вы можете легко изменить ее поведение с помощью простой модификации исходного кода) или схема ШИМ MSP30. о котором я писал на Kompulsa.

Как работает ШИМ?

PWM работает за счет пульсации постоянного тока и изменения количества времени, в течение которого каждый импульс остается «включенным», чтобы контролировать количество тока, протекающего к устройству, например светодиоду.ШИМ является цифровым, что означает, что он имеет два состояния: включено и выключено (которые соответствуют 1 и 0 в двоичном контексте, что станет для вас более актуальным при использовании микроконтроллеров).

Чем дольше горит каждый импульс, тем ярче будет светодиод. Из-за того, что интервал между импульсами такой короткий, светодиод фактически не гаснет. Другими словами, источник питания светодиода включается и выключается так быстро (тысячи раз в секунду), что светодиод фактически остается включенным, не мигая.Это называется ШИМ-регулировкой яркости, а такая схема просто называется схемой ШИМ-регулятора яркости светодиода.

Квадраты на приведенном ниже рисунке ШИМ – это импульсы, обозначающие время «включения», а области с депрессией – время, когда питание «выключено». И квадраты, и углубления имеют одинаковую «ширину», поэтому рабочий цикл составляет 50%. ШИМ-сигналы обычно представляют собой прямоугольные волны, подобные изображенному на рисунке ниже.

Сигнал ШИМ (прямоугольная волна) с рабочим циклом 50%.

Если рабочий цикл источника питания с ШИМ установлен на 70%, то импульс включен в течение 70% времени и выключен в течение 30% времени.Рабочий цикл означает количество времени, в течение которого он включен. При рабочем цикле 70% яркость светодиода должна быть около 70%. Корреляция между рабочим циклом и яркостью не является линейной на 100%, поскольку эффективность светодиодов зависит от величины подаваемого тока.

Если рабочий цикл равен 0%, весь сигнал будет ровным, как показано ниже. Рабочий цикл ШИМ 0% означает, что питание отключено. В таком состоянии светодиод не работал бы. Это было бы просто выключено.

ШИМ-сигнал (прямоугольная волна) с рабочим циклом 0%.Это означает, что питание отключено.

Основная причина того, что схемы ШИМ настолько эффективны, заключается в том, что они не пытаются частично ограничить протекание тока с помощью сопротивления. Они полностью включают и полностью выключают ток. Вместо этого они просто меняют количество включенного времени.

Пример схемы диммера светодиода с ШИМ

Старомодная транзисторная схема, о которой я упоминал выше в разделе «Зачем использовать ШИМ», может быть, например, на 50%, и легко тратить огромную часть других 50%, которые она блокирует.

Дополнительное тепло, выделяемое традиционными транзисторными схемами, является еще одним соображением, поскольку оно может увеличить количество времени, в течение которого охлаждающие вентиляторы должны оставаться включенными, чтобы снизить температуру указанных устройств.

Сигнал ШИМ

Чтобы еще больше разбить вещи, схемы ШИМ [ PDF ] обычно включают очень крошечный источник питания и большой. Крошечный источник питания управляет большим с помощью транзисторов мощности и .

Крошечный генерирует сигнал , а « мощность », который представляет собой большой ток и напряжение, которые фактически питают светодиод, управляется вышеупомянутыми транзисторами.Этим крошечным источником питания может быть вывод GPIO микроконтроллера, такой как вывод ввода-вывода Arduino, вывод таймера 555 и другие.

Установка рабочего цикла сигнала на 30% также приведет к рабочему циклу 30% для мощности, поскольку большой ток – это просто усиленная копия крошечного тока (который является сигналом).

Эта концепция позволяет очень сложным микроконтроллерам (часто называемым микроконтроллерам) и другим компьютерам управлять очень большими токами по разумной цене.Микроконтроллер / MCU генерирует сигнал, затем этот сигнал управляет силовым транзистором.

Дополнительная литература

Введение в микроконтроллеры – Венский технологический университет [ PDF ].

Как сгенерировать сигнал ШИМ с помощью Arduino – Государственный университет Портленда [ PDF ].

Как работают полупроводники и транзисторы – Университет Вирджинии.

Как создать контроллер вентилятора с ШИМ-управлением с критичным для безопасности микроконтроллером Hercules – Kompulsa.

(PDF) Анализ производительности инвертора с тремя транзисторными источниками напряжения с использованием различных методов ШИМ

точно так же, как метод ШИМ с вектором нулевого пространства для

как с традиционной топологией, так и с топологией TTVSI.

ТАБЛИЦА II Сводка результатов моделирования

ST-PWM THPWM SVPWM

(TH)

SVPWM

Ток

(Amp)

TTVSI 93,65 107,4 108,9 109,1

110,3 111SI.8 112,2

THD

(%)

TTVSI 9,75 7,46 7,37 7,38

CVSI 6,51 5,49 5,28 5,26

Линия Vo

-напряжение (В)

TTVSI 165,5 190,7 191,8 191,8 CV 9000 170003

Такая же результирующая тенденция наблюдается для значения выходного тока

и значения полного гармонического искажения

(THD) для частоты переключения 2400 Гц. Из всех

данные, полученные с помощью моделирования, показывают, что

с точки зрения производительности обычная VSI дает очень

, немного лучшие результаты, чем TTVSI.Кроме того, в линии

с использованием другой схемы ШИМ было обнаружено

напряжений,

очень похожи на обычную топологию (всего на 2,5%,

меньше). Причина небольших различий заключается в том, что время восстановления тиристора

было в 6 раз больше, чем указано в паспорте. Кроме того, это было достигнуто путем прерывания

части опорного сигнала основной гармоники.

Однако, из-за гибкости написания кода в эксперименте

, основной сигнал не требуется для отключения

, чтобы обеспечить время восстановления тиристора.Таким образом,

с небольшой регулировкой, THD выходного тока,

выходного тока и линейное напряжение могут быть улучшены

V. ВЫВОДЫ

Основная цель данной статьи – проанализировать характеристики

схемы TTVSI с использованием различных методов ШИМ

. Производительность и осуществимость были подтверждены

с помощью моделирования на системном уровне. По производительности

напоминает обычные топологии, но с некоторыми преимуществами

.Эта недорогая топология обещает

быть альтернативным решением для системы

средней и высокой мощности, где полупроводниковые электронные переключатели очень дороги. Наряду с тем, что тиристоры

коммутируются естественно без каких-либо внешних схемотехнических требований с помощью

средств коммутации транзисторов с использованием различных методов модуляции

. Практическая реализация

TTVSI могла бы обеспечить большее использование напряжения звена постоянного тока

, поскольку для этого требуется значительно меньшее общее время простоя

, чем для обычного 6-транзисторного инвертора.То есть, в отличие от

обычного VSI, этот TTVSI требует времени задержки

только при переходе через нуль выходного тока, поскольку

состоит только из одного транзистора на фазу. Одним из недостатков топологии

является то, что одиночный транзисторный переключатель

работает в течение полного цикла. Следовательно, коммутационные потери схемы

такие же, как и в традиционной топологии

VSI. Более того, размер одиночного транзистора

будет вдвое больше, чем размер одиночного транзистора

с традиционной топологией.Тем не менее, будущие темы исследований

будут касаться улучшения техники переключения,

уменьшения содержания гармоник и минимизации коммутационных потерь

. Более того, TTVSI может быть исследован для ряда будущих приложений энергосистемы

в системах средней мощности.

ПОДТВЕРЖДЕНИЕ

Это исследование было поддержано программой BK21PLUS

через Национальный исследовательский фонд Кореи

, финансируемый Министерством образования.

ССЫЛКИ

[1] Н. Мохан, У.П. Роббин и Т. Унделанд, «Power

Electronic: преобразователи, приложения и дизайн», 2-е изд.,

New York: Wiley, 1995.

[2 ] BK Bose, «Силовая электроника и частотно-регулируемые приводы

: технология и приложения», IEEE Press, 1997.

[3] Р. Диксит, Б. Сингх и др., «Приводы с регулируемой скоростью:

. Топологии инверторов », International

Journal of Reviews in Computing, 2012, Vol.09, pp. 54-6

[4] Хосе Миллан, Филипп Годиньон и др., «Обзор

широкозонных силовых полупроводниковых устройств», IEEE

Trans. Power Electron., Т. 29, нет. 5, pp. 2155–2163,

May. 2014

[5] С.М. Саджад Хоссейн Рафин, Т.А. Липо и Бьюнг-ил

Квон, «Новая топология инвертора источника напряжения

с уменьшенным количеством транзисторов и естественным использованием

коммутируемых тиристоров с простой коммутацией», в

Труды 22-го IEEE Int.Сим. по силовой электронике,

Электрические приводы, автоматизация и движение, SPEEDAM,

июнь 2014, стр. 637-642

[6] С.М. Саджад Хоссейн Рафин, Т.А. Липо и Бьюнг-ил Квон,

«Новые топологии матричных преобразователей. с уменьшенным числом транзисторов

», в материалах 7-го конгресса и выставки по преобразованию энергии IEEE

, ECCE, сентябрь 2014 г.

[7] Г.К. Дубей, Классификация коммутации тиристоров

Методы, IEEE Trans.По отраслевым приложениям, Vol. IA-

19, № 4, июль / август 1983 г., стр. 600-606.

[8] Д. Г. Холмс, Т. А. Липо, «Широтно-импульсная модуляция для преобразователей мощности

: принципы и практика», IEEE Press

Серия

по энергетике, 2003.

[9] А. М. Хава, Р. Дж. Керкман, Т.А. Липо, «Простые аналитические

и графические методы для приводов PWM-VSI

на базе оператора связи», IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.14,

pp.49-61, январь 1999 г.

4 объяснения схем эффективных ШИМ-усилителей

Аудиоусилители, которые предназначены для усиления аналогового аудиосигнала посредством широтно-импульсной модуляции или обработки ШИМ и с регулируемым рабочим циклом, известны под многими названиями, включая цифровые усилители, Класс -D усилитель, коммутируемый усилитель и усилитель ШИМ.

Поскольку он может работать с высоким КПД, усилитель класса D стал излюбленной концепцией для мобильных приложений и приложений громкой связи, где искажения незначительны.

Почему усилители ШИМ такие эффективные

Это потому, что они преобразуют аналоговый аудиосигнал в эквивалентное содержимое с ШИМ-модуляцией. Этот модулированный звуковой сигнал PWM эффективно усиливается выходными устройствами, такими как MOSFET или BJT, а затем преобразуется обратно в высокомощную аналоговую версию с использованием специальных индукторов на подключенных громкоговорителях.

Мы знаем, что полупроводниковые устройства, такие как MOSFET и BJT, «не любят» работать в неопределенных областях входного сигнала и имеют тенденцию нагреваться.Например, полевой МОП-транзистор не будет должным образом включаться, когда сигнал затвора ниже 8 В, а BJT не будут правильно реагировать при напряжении ниже 0,5 В базового напряжения, что приведет к значительному рассеиванию тепла через радиатор корпуса.

Аналоговые сигналы, являющиеся экспоненциальными по своей природе, вынуждают вышеуказанные устройства работать с неудобными и неблагоприятными потенциалами медленного нарастания и медленного спада, вызывая высокое рассеивание тепла и большую неэффективность.

Концепция усиления ШИМ, напротив, позволяет этим устройствам работать, либо полностью включив их, либо полностью выключив, без промежуточных неопределенных потенциалов.Благодаря этому устройства не излучают тепла, а усиление звука происходит с высокой эффективностью и минимальными потерями.

Преимущества цифрового усилителя по сравнению с линейным усилителем

Цифровые усилители или усилители с ШИМ используют обработку ШИМ, и поэтому выходные устройства усиливают сигналы с минимальным тепловыделением. В линейных усилителях используется конструкция эмиттерного повторителя, и они рассеивают большое количество тепла во время усиления звука.
Цифровые усилители могут работать с меньшим количеством устройств выходной мощности по сравнению с линейными усилителями.
Из-за минимального тепловыделения не требуется радиатор или радиаторы меньшего размера по сравнению с линейными усилителями, которые зависят от радиаторов большого размера.
Цифровые усилители ШИМ дешевле, легче и высокоэффективны по сравнению с линейными усилителями.
Цифровые усилители могут работать с меньшими входами источника питания, чем линейные усилители.

В этом посте первый ШИМ-усилитель мощности, представленный ниже, работает от батареи 6 В и генерирует выходную мощность до 5 Вт. Учитывая его вопиющую выходную мощность, ШИМ-усилитель часто встречается в мегафонах.

Общая проблема мобильных усилителей AF заключается в том, что из-за их низкой эффективности трудно получить высокую мощность из низкого напряжения питания.

Однако усилитель ШИМ в нашем обсуждении имеет почти 100% КПД при уровне искажений, приемлемом для мегафонов и связанных с ними P.A. устройств. Несколько факторов, влияющих на конструкцию, объясняются ниже:

Широтно-импульсная модуляция

Принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ) представлен на рисунке 1 ниже.

Концепция проста: рабочий цикл прямоугольного сигнала более высокой частоты управляется входным сигналом. Время включения импульса зависит от мгновенной амплитуды входного сигнала.

Количество включенного и выключенного времени в дополнение к частоте является постоянным. Следовательно, когда входной сигнал отсутствует, создается симметричный прямоугольный сигнал.

Для достижения относительно хорошего качества звука частота прямоугольного сигнала должна быть вдвое больше, чем самая высокая частота входного сигнала.

Результирующий сигнал может использоваться для питания громкоговорителя. На рис. 4 показано четкое преобразование на осциллограмме.

Верхний график показывает постфильтрацию выходного сигнала, измеренную через громкоговоритель. Амплитуда оставшегося ШИМ-сигнала, перекрывающего синусоидальную волну, мала.

Электронные переключатели как усилители

На рисунке 2 показана стандартная работа усилителя ШИМ с помощью блок-схемы.

Предположим, что при коротком замыкании входа переключатель S _a питает конденсатор C ₇ с током I ₂.Это происходит до тех пор, пока не будет достигнуто подходящее верхнее предельное напряжение переключения.

Затем он подключает R ₇ к земле. После этого C ₇ разряжается до нижнего предельного напряжения переключения S _a. В результате C ₇ и R ₇ генерируют прямоугольный сигнал с частотой 50 кГц.

Когда сигнал AF подается на вход усилителя, дополнительный ток I ₁ относительно уменьшает или увеличивает время заряда, или увеличивает и уменьшает время разряда.

Итак, входной сигнал изменяет коэффициент заполнения прямоугольного сигнала, который виден на выходе громкоговорителя.

Есть два закона, которые необходимы для основной работы усилителя ШИМ.

Первый – это переключатель S _b, управляемый в противофазе с S _a, при этом другой вывод громкоговорителя удерживается в качестве напряжения, альтернативного напряжению сигнала ШИМ.

Эта установка является результатом силового выходного каскада переключающего мостового типа.После этого, при каждой полярности, на громкоговоритель подается полное напряжение питания, так что достигается максимальное потребление тока.

2. Во-вторых, смотрим на индукторы L ₁ и L ₂. Назначение катушек индуктивности – интегрировать прямоугольный сигнал и преобразовывать его в синусоидальный, как показано ранее на графике осциллографа. Кроме того, они также служат для подавления гармоник прямоугольного сигнала 50 кГц.

Высокий уровень звука при скромном дизайне

Из схемы на приведенном выше рисунке вы можете легко определить электронные компоненты, используемые на блок-схеме.

Горстка компонентов, таких как резистор R1, конденсаторы связи C ₁ и C ₄, регулятор громкости P ₁ и усилитель на основе операционного усилителя A ₁ выполняет смещение для конденсаторного (или электростатического) микрофона. .

Вся эта операция создает входной сегмент усилителя ШИМ. Как обсуждалось ранее, переключатели S _a и S _b состоят из электронных переключателей ES ₁ до ES ₄ и пар транзисторов T ₁ -T ₃ и T ₂ -T ₄ .

Обозначения частей электронных компонентов, из которых состоит генератор ШИМ, относятся к тем, которые описаны на блок-схеме.

Вероятно, усилитель ШИМ необычайно эффективен, потому что выходные транзисторы не нагреваются даже при принудительном включении полного привода. Короче говоря, в выходном силовом каскаде практически отсутствует рассеяние.

Самый важный фактор, который необходимо учитывать перед выбором индукторов L ₁ и L ₂, заключается в том, что они должны иметь возможность пропускать ток 3 А без насыщения.

Фактическое рассмотрение индуктивности занимает лишь второе место. Например, индукторы, использованные в этом проекте, были получены от диммера.

Назначение диодов D ₃ – D ₆ – сдерживать обратную ЭДС, создаваемую индукторами, до разумно безопасного значения.

Кроме того, неинвертирующий вход операционного усилителя A ₁ формируется D ₁, C ₃, D ₂ и R ₃. Это входное напряжение, эффективно отфильтрованное, равно половине напряжения питания.

При использовании традиционного усилителя на операционном усилителе коэффициент усиления по напряжению задается с помощью контура отрицательной обратной связи. R ₄ и R ₅ установят усиление на 83, чтобы обеспечить достаточную чувствительность микрофона.

Если вы используете источники сигнала с высоким сопротивлением, R ₄ можно усилить по мере необходимости.

L ₁ и L ₂ вызывают фазовый сдвиг, поэтому возможна обратная связь с помощью прямоугольного сигнала на коллекторе T ₁ по сравнению с синусоидальным сигналом громкоговорителя.

В сочетании с C ₅ операционный усилитель обеспечивает значительную интеграцию сигнала обратной связи ШИМ.

Система обратной связи снижает искажения усилителя, но не настолько сильно, чтобы вы могли использовать ее для других приложений, помимо публичного оповещения.

Обычно для усилителя класса D с низким уровнем искажений требуется значительно увеличенное напряжение питания и сложная схема.

Реализация этой настройки снизит общую эффективность схемы.Обратите внимание при выборе электронных переключателей в усилителе, так как подходят типы HCMOS.

Типичный CMOS Тип 4066 чрезвычайно медленный и не подходит для «короткого замыкания» на T ₁ -T ₃ и T ₂ -T ₄. Более того, существует также повышенный риск перегрузки или даже необратимого повреждения усилителя.

ШИМ-усилитель для мегафонов

Энтузиасты электроники предпочитают использовать усилитель класса D для питания рупорных громкоговорителей, поскольку он может производить самый громкий звук при выбранном уровне мощности.

Используя аккумуляторную батарею 6 В и громкоговоритель с барокамерой, модель усилителя была легко сконструирована.

Существующие 4 Вт выходной мощности можно было измерить в мегафоне с приличным звуковым диапазоном.

Четыре сухие батареи 1,5 В или щелочные моноэлементы были подключены последовательно для подачи напряжения на мегафон. Если вы хотите часто использовать эту установку, выберите перезаряжаемый никель-кадмиевый или гелевый аккумулятор (Dryfit).

Так как максимальный ток потребления мегафона равен 0.7 А, стандартная щелочь может поддерживать работу в течение 24 часов при полной выходной мощности.

Если вы планируете непостоянное использование, выбора набора сухих ячеек будет более чем достаточно.

Имейте в виду, что какой бы источник питания вы ни использовали, он не должен превышать 7 В.

Причина в том, что переключатели HCMOS в IC ₁ не будут работать должным образом при этом уровне напряжения или выше.

К счастью, для усилителя максимальный порог напряжения питания превышает 11 В.

Конструкция печатной платы для описанного выше усилителя ШИМ класса D приведена ниже:

Другой хороший усилитель ШИМ

Хорошо спроектированный усилитель ШИМ будет содержать симметричный генератор прямоугольной волны.

Рабочий цикл этой прямоугольной волны модулируется звуковым сигналом.

Выходные транзисторы работают не линейно, а как переключатели, поэтому они либо полностью включены, либо выключены. В неактивном состоянии рабочий цикл формы волны составляет 50%.

Это означает, что каждый выходной транзистор полностью насыщен или также известен как проводящий в течение того же времени. В результате среднее выходное напряжение равно нулю.

Это означает, что если один из переключателей остается замкнутым немного дольше другого, среднее выходное напряжение будет либо отрицательным, либо положительным в зависимости от полярности входного сигнала.

Таким образом, мы можем наблюдать, что среднее выходное напряжение зависит от входного сигнала. Это связано с тем, что выходные транзисторы работают полностью как переключатели, поэтому потери мощности в выходном каскаде чрезвычайно малы.

Модель

На рисунке 1 изображена полная схема усилителя ШИМ класса D. Мы видим, что ШИМ-усилитель не должен быть слишком сложным.

Входной аудиосигнал подается на операционный усилитель IC1, который функционирует как компаратор. Эта установка приводит к нескольким триггерам Шмитта, которые подключены параллельно к схеме.

Они здесь по двум причинам. Во-первых, должна быть «прямоугольная» форма волны, а во-вторых, для выходного каскада требуется соответствующий базовый ток возбуждения.На этом этапе установлены два простых, но быстрых транзистора (BD137 / 138).

Весь усилитель колеблется и генерирует прямоугольную волну. Причина в том, что один вход компаратора (IC1) подключен к выходу через RC-цепь.

Кроме того, оба входа IC1 смещены к первой половине напряжения питания за счет использования делителя напряжения R3 / R4.

Каждый раз, когда на выходе IC1 низкий уровень, а на эмиттерах T1 / T2 высокий уровень, происходит зарядка конденсатора C3 через резистор R7.В то же время на неинвертирующем входе будет повышение напряжения.

Как только это возрастающее напряжение пересекает уровень инвертирующего пути, выход IC1 переключается с низкого на высокий.

В результате эмиттеры T1 / T2 переключаются с высокого на низкий. Это условие позволяет C3 разряжаться через R7, и напряжение на плюсовом входе падает ниже напряжения на минусовом входе.

Выход IC1 также возвращается в низкое состояние. В конце концов, выходной сигнал прямоугольной формы создается с частотой, определяемой R7 и C3.Приведенные значения генерируют колебания на частоте 700 кГц.

Используя осциллятор, мы можем модулировать частоту. Уровень инвертирующего входа IC1, который обычно используется в качестве эталона, не остается постоянным, а определяется звуковым сигналом.

Кроме того, амплитуда определяет точную точку, в которой выходной сигнал компаратора начинает изменяться. Следовательно, «толщина» прямоугольных волн регулярно модулируется звуковым сигналом.

Чтобы усилитель не работал как передатчик 700 кГц, на его выходе должна выполняться фильтрация.Сеть LC / RC, состоящая из L1 / C6 и C7 / R6, хорошо выполняет роль фильтра.

Технические характеристики

Оснащенный нагрузкой 8 Ом и напряжением питания 12 В, усилитель генерировал 1,6 Вт.
При использовании 4 Ом мощность увеличивалась до 3 Вт. Для такого небольшого рассеиваемого тепла охлаждение выходных транзисторов не требуются.
Доказано, что гармонические искажения необычно низки для такой простой схемы.
Общий уровень гармонических искажений был ниже 0.32% от измеренного диапазона от 20 Гц до 20 000 Гц.

На рисунке ниже вы можете увидеть печатную плату и расположение деталей усилителя. Время и стоимость создания этой схемы очень низкие, поэтому она представляет собой отличный шанс для тех, кто хочет лучше понять ШИМ.

Список деталей

Резисторы:
R1 – 22k
R2, R7 – 1M
R3, R4 – 2,2k
R6 – 420 k
R6 – 8,2 Ом
P1 = 100k логарифмический потенциометр
Конденсатор:
C1, C2 – 100 nF
C3 – 100 пФ
C4, C5 – 100 мкФ / 16 В
C6 = 68 нФ
C7 – 470nF
C8 – 1000p / 10 В
C9 – 2n2
Полупроводники:
IC1 – CA3130
IC2-00106
7 T
T2 – BD138

Разное:
L1 = 39 мкГн индуктивность

Простая схема усилителя класса D с 3 транзисторами

Выдающаяся эффективность усилителя PWM такова, что выходная мощность 3 Вт может быть получена с BC107, используемым в качестве выхода транзистор.Более того, он не требует радиатора.

Усилитель состоит из генератора ширины импульса, управляемого напряжением, работающего на частоте около 6 кГц и обеспечивающего выходной каскад класса D.

Есть только два сценария – полностью включен или полностью выключен. Из-за этого рассеиваемая мощность невероятно мала и, как следствие, обеспечивает высокий КПД. Форма выходного сигнала не похожа на входной.

Однако интеграл выходных и входных сигналов пропорционален друг другу относительно времени.

Из представленной таблицы значений компонентов видно, что можно изготовить любой усилитель мощностью от 3 до 100 Вт. При этом можно достичь большей мощности до 1 кВт.

Недостаток в том, что он создает около 30% искажений. В результате усилитель можно использовать только для усиления звука. Он подходит для систем громкой связи благодаря невероятно понятной речи.

Цифровой операционный усилитель

Следующая концепция показывает, как использовать базовый набор триггеров сброса IC 4013 для преобразования аналогового аудиосигнала в соответствующий сигнал ШИМ, который затем может быть подан на полевой МОП-транзистор для желаемого усиления ШИМ. .

Вы можете использовать половину корпуса 4013 в качестве усилителя с цифровым выходом с рабочим циклом, пропорциональным желаемому выходному напряжению. Когда вам понадобится аналоговый выход, подойдет простой фильтр.

Вы должны следить за тактовыми импульсами, как указано, и они должны быть значительно выше по частоте, чем желаемая полоса пропускания. Коэффициент усиления равен R1 / R2, тогда как время R1R2C / (R1 + R2) должно быть больше, чем период тактовых импульсов.

Приложения

Есть много способов использования схемы.Вот некоторые из них:

Получение импульсов от точки перехода через нуль сети и включение симистора с выходом. В результате теперь у вас есть реляционное управление мощностью без RFI.
Используя быстрые часы, переключите транзисторы драйвера с выходом. В результате получился высокоэффективный звуковой усилитель с ШИМ.

Усилитель с ШИМ мощностью 30 Вт

Принципиальная схема аудиоусилителя класса D мощностью 30 Вт представлена в следующем PDF-файле.

Операционный усилитель IC1 усиливает входной аудиосигнал с помощью потенциометра VR1 с регулируемой громкостью.Сигнал PWM (широтно-импульсная модуляция) генерируется путем сравнения аудиосигнала с треугольным сигналом 100 кГц. Это осуществляется через компаратор 1С6. Резистор RI3 используется для обеспечения положительной обратной связи, а C6 фактически вводится для увеличения времени работы компаратора.

Выход компаратора переключается между крайними значениями напряжения ± 7,5 В. Подтягивающий резистор R12 обеспечивает напряжение + 7,5 В, в то время как -7,5 В поступает от внутреннего транзистора с открытым эмиттером IC6 операционного усилителя на выводе 1. Пока этот сигнал переходит на положительный уровень, транзистор TR1 работает как клемма стока тока.Этот сток тока вызывает увеличение падения напряжения на резисторе R16, которого становится достаточно, чтобы включить полевой МОП-транзистор TR3.

Когда сигнал переключается на отрицательную крайность. TR2 превращается в источник тока, что приводит к падению напряжения на R17. Этого падения становится достаточно, чтобы включить TR4. Как правило, полевые МОП-транзисторы TR3 и TR4 срабатывают поочередно, генерируя сигнал ШИМ, который переключается между +/- 15 В.

На этом этапе становится важным вернуть или преобразовать этот усиленный ШИМ-сигнал в хорошее воспроизведение звука, которое может быть усиленным эквивалентом входного аудиосигнала.

Это достигается путем создания среднего значения рабочего цикла ШИМ через фильтр нижних частот Баттервора 3-го порядка, имеющий частоту среза (25 кГц) значительно ниже базовой частоты треугольника.

Это действие приводит к огромному затуханию на частоте 100 кГц. Полученный окончательный выходной сигнал преобразуется в аудиовыход, который представляет собой усиленную репликацию входного аудиосигнала.

Генератор треугольной волны через конфигурацию схемы 1C2 и 1C5, где IC2 работает как генератор прямоугольной волны с положительной обратной связью, подаваемой через R7 и R11.Диоды от DI до D5 работают как двунаправленный зажим. Это фиксирует напряжение примерно на уровне +/- 6 В.

Идеальный интегратор создается за счет предустановки VR2, конденсатора C5 и IC5, который преобразует прямоугольную волну в треугольную. Preset VR2 обеспечивает функцию регулировки частоты.

Выход 1C5 на (вывод 6) обеспечивает обратную связь на 1C2, а резистор R14 и предварительно установленный VR3 функционируют как гибкий аттенюатор, позволяющий регулировать уровень треугольной волны по мере необходимости.

После завершения полного цикла необходимо настроить VR2 и VR3, чтобы обеспечить высочайшее качество вывода звука.Набор обычных 741 ОУ для 1C4 и IC3 можно использовать в качестве буферов с единичным усилением для подачи питания +/- 7,5 В.

Конденсаторы C3, C4, C11 и C12 используются для фильтрации, а остальные конденсаторы используются для развязки источника питания.

Схема может питаться от двойного источника питания +/- 15 В постоянного тока, который сможет управлять громкоговорителем мощностью 30 Вт 8 Ом через каскад LC с использованием конденсатора C13 и катушки индуктивности L2. Обратите внимание, что для MOSFET TR3 и TR4, вероятно, могут потребоваться небольшие радиаторы.

ШИМ-усилитель с автоколебательной концепцией

Вентили с N3 по N8 образуют компаратор, а два двухтактных усилителя образуют усилители. Затворы буферного инвертора N3 — N8 подключены параллельно, чтобы обеспечить большее усиление сигнала с этого каскада.

Адам Мейер | Arduino + tip120

До сих пор мы говорили о работе с множеством маломощных устройств. Датчики, светодиоды, микросхемы и тому подобное могут получать питание непосредственно от вашего Arduino, но столько же замечательных 5 и 3.Компоненты с напряжением 3 В, так как они есть, в конце концов вы обнаружите, что держите соленоид, двигатель или свет на 12 В и задаетесь вопросом: «Как, черт возьми, я должен управлять этим с моего Arduino?» Сегодня мы поговорим о том, как сделать это с помощью волшебного устройства, известного как транзистор, в частности, транзистора Дарлингтона TIP120.

Причина, по которой я описываю этот конкретный транзистор, заключается в том, что он легко доступен, и вы обычно можете забрать его в Radio Shack, Adafruit или другом местном магазине запчастей в пробке, но вы можете использовать любой транзистор Дарлингтона NPN, такой как BD651. так же.

Как это работает

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: я собираюсь упростить это, так что будьте осторожны … здесь я пытаюсь простыми словами объяснить, что происходит.

Если вы вообще не знакомы с транзисторами, это 3-выводные компоненты, которые имеют 2 простые функции: переключение или усиление (в этом примере это настроено как переключатель). В основном у вас есть In , называемый Collector , Out , называемый Emitter , и Control , называемый Base .Когда вы отправляете ВЫСОКИЙ сигнал на базу (управляющий вывод), транзистор переключается и позволяет току течь от коллектора (вход) к эмиттеру (выход).

Итак, мы подключаем его так, чтобы наш двигатель, соленоид или свет был подключен к V +, но не к земле (V-). Земля подключена к коллектору транзистора. Когда наш arduino отправляет ВЫСОКИЙ сигнал на базу транзистора, он переключает транзистор (соединяя коллектор и эмиттер) и замыкает цепь для двигателя, соленоида или света.

Подключение / Для чего нужен диод?

Схема довольно проста. Этот тип транзистора переключается током, а не напряжением, поэтому нам необходимо обеспечить подачу правильного тока на базу для ее переключения, поэтому резистор подключен от Arduino к базе, чтобы ограничить ток до нужной величины.

Вы можете видеть, что на 2 из 3 иллюстраций есть диод, параллельный устройству, которое мы запитываем. Каждый раз, когда вы включаете устройство с катушкой, такое как реле, соленоид или двигатель, вам нужен этот парень, и не выходите из дома без него.Что происходит, когда вы прекращаете подавать питание на катушку, обратное напряжение до нескольких сотен вольт резко возрастает. Это длится всего несколько микросекунд, но этого достаточно, чтобы убить наш транзистор. Таким образом, этот диод (пропускающий ток только в одну сторону) обычно смотрит в неправильном направлении и ничего не делает. Но когда скачки напряжения текут в противоположном направлении, диод позволяет им течь обратно к катушке, а не к транзистору. Нам понадобится диод, достаточно быстрый, чтобы реагировать на отдачу, и достаточно сильный, чтобы выдерживать нагрузку.Выпрямительный диод, такой как 1N4001 или SB560, должен справиться с этой задачей. Если вам нужна дополнительная защита, вы можете использовать оптоизолятор между Arduino и транзистором. Оптоизолятор оптически изолирует обе стороны (высокое и низкое энергопотребление) схемы, поэтому высокое напряжение не может вернуться на микроконтроллер.

Просто убедитесь, что защитный диод направлен в правильную сторону (полоса направлена к V + устройства). Если он направлен в неправильном направлении, устройство, которое вы пытаетесь включить, не будет работать, поскольку диод просто позволит току обойти его.

Ограничения

Транзисторы

, такие как TIP120, действительно хороши для управления мощными устройствами с вашего микроконтроллера, но у них есть некоторые ограничения. Эта текущая конфигурация полезна только для переключения постоянного тока, поэтому не пытайтесь использовать это с источником переменного тока, также транзисторы имеют ограничение как по напряжению, так и по силе / току. TIP120 может обрабатывать переключение до 60 В, а сила тока ограничена до 5 А или до 8 А при импульсах 300 мкс. Мне удалось взорвать один из них с нагрузкой 5А из-за высокой температуры.На самом деле все, что превышает несколько ампер, особенно когда ток постоянный (как в двигателе), а не короткие импульсы, я бы рекомендовал использовать радиатор. Обычно я просто припаиваю согнутый кусок металла к задней части, просто чтобы помочь рассеять тепло. Просто обратите внимание, если вы используете более одного из TIP120, вы не можете припаять их к тому же радиатору, поскольку задняя часть подключена к базе транзистора, а не к эмиттеру. Если вам нужно переключить более 5А или переменный ток, я бы посмотрел на использование реле.

Fade it!

Вы знаете выходы ШИМ на вашем Arduino? Ага, то, что позволяет на аналоговую запись (пин, значение) . Ну, на самом деле ШИМ – это не аналоговый выход. На самом деле Arduino пульсирует (очень быстро) между 0 и 5 В, так что среднее напряжение находится где-то между 0 и 5. Из-за этого ШИМ может быть расширен через транзистор (транзистор может только включаться или выключаться, но может делайте это очень быстро), что позволяет нам гасить свет или контролировать скорость двигателя, как если бы они были подключены напрямую к Arduino.Все, что вам нужно сделать, чтобы воспользоваться этим, – это убедиться, что база TIP120 подключена к выводу ШИМ.

Для этого вам действительно не нужен код, вы просто отправляете сигнал HIGH на базовый вывод, и BAM … он работает. Но я собрал это для вас, чтобы вы могли проверить его затухание с помощью ШИМ. Этот код затухает в виде волны греха, как на видео ниже. (очевидно, полезно только для двигателя или света).

Это видео демонстрирует возможности ШИМ с TIP120. Этот светильник, хотя и выглядит как стандартный домашний светильник, на самом деле представляет собой светильник мощностью 15 Вт и 12 В постоянного тока.

Это что-то настолько простое, что вы найдете множество вещей, с которыми можно его использовать. Совсем недавно я применил это в нескольких местах: я помог местному художнику создать автоматическую машину кода Морзе, помог другу создать прототип сенсорного диммера света (тестовое видео выше), а на работе я использую его для управления 8 музыкальные колокола через Интернет.

Как работает широтно-импульсная модуляция в VFD

Преобразователи частоты (VFD), используемые в промышленных приложениях, обеспечивают эффективный способ изменения скорости и крутящего момента подключенного двигателя.ЧРП состоит из трех основных частей: секции входного преобразователя, промежуточной шины постоянного тока и выходной секции инвертора.

Рисунок 1 – ЧРП состоит из 3 основных частей

В секции преобразователя используется диодный мостовой выпрямитель для преобразования входного переменного напряжения в постоянное. Секция шины постоянного тока состоит из батареи конденсаторов, которая используется для сглаживания постоянного напряжения из секции преобразователя и обеспечения некоторой емкости хранения напряжения. Секция инвертора VFD принимает напряжение постоянного тока от шины постоянного тока и инвертирует его обратно в переменное напряжение и переменное напряжение переменной частоты, используемое для управления двигателем.

Что такое широтно-импульсная модуляция (ШИМ)?

Процесс преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение переменной частоты (VVVF) переменного напряжения в инверторной секции частотно-регулируемого привода называется широтно-импульсной модуляцией или ШИМ.

Широтно-импульсная модуляция использует транзисторы, которые включают и выключают постоянное напряжение в определенной последовательности для создания выходного переменного напряжения и частоты. В большинстве частотно-регулируемых приводов сегодня используются биполярные транзисторы с изолированным затвором или IGBT.Типичная конфигурация IGBT в инверторной секции частотно-регулируемого привода показана ниже на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема выходного каскада IGBT ЧРП

Транзисторы действуют как переключатель, соединяющий шину постоянного тока между обмотками двигателя. ЧРП с входом 480 В переменного тока будет иметь шину постоянного тока примерно 678 В постоянного тока. Таким образом, «импульс» относится к включению и выключению транзисторов, производящих импульс напряжения с амплитудой приблизительно 678 В постоянного тока.

Целью управления ШИМ является создание выходного сигнала синусоидального тока для создания крутящего момента в двигателе.

Для протекания тока между двумя фазами двигателя, указанного выше, должен быть активирован по крайней мере один транзистор в верхней части диаграммы и один в нижней части диаграммы. Используя определенные комбинации транзисторов, можно индуцировать ток в любом направлении между фазами.

Например, если T1 и T6 разомкнуты, ток будет течь от положительного полюса шины постоянного тока через фазу U-V двигателя, а затем – через отрицательный полюс шины постоянного тока.Если T3 и T4 разомкнуты, то ток будет течь от положительной шины постоянного тока через фазу V-U двигателя к отрицательной шине постоянного тока.

Одним из преимуществ использования частотно-регулируемого привода с технологией ШИМ является возможность управлять величиной тока, проходящего через обмотки двигателя, что при работе роторного промышленного двигателя преобразуется в управление величиной крутящего момента на валу двигателя.

В случае ЧРП, использующего технологию ШИМ, это достигается путем изменения среднеквадратичного напряжения на двигателе.Контролируя время включения и выключения каждого импульса, можно управлять результирующим среднеквадратичным напряжением на фазах двигателя. «Ширина» импульса влияет на результирующее выходное среднеквадратичное значение напряжения.

Более длительное время «ВКЛ» импульса приводит к более высокому среднеквадратичному напряжению на фазах.

ШИМ-представление с более длительным временем включения

Более короткое время «ВКЛ» импульсов приводит к более низкому среднеквадратичному напряжению на фазах двигателя.

ШИМ-представление с более коротким временем включения

Таким образом, модулируя ширину импульса каждой последовательной полуволной, можно управлять среднеквадратичным напряжением на фазах двигателя. Результирующее переменное среднеквадратичное напряжение позволяет частотно-регулируемому преобразователю изменять величину тока, протекающего между фазами двигателя. Форма волны тока, создаваемая в процессе ШИМ, также зависит от частоты переключения IGBT.

Частота переключения

Частота переключения IGBT относится к скорости включения / выключения отдельных IGBT.Типичные используемые частоты переключения составляют 4 кГц, 8 кГц и даже до 16 кГц. Более высокая частота переключения обеспечит более чистую форму волны для двигателя, поскольку на каждой полуволне будет больше импульсов.

В дополнение к крутящему моменту двигателя (току), скорость двигателя (частота) также может контролироваться с помощью ШИМ. Изменяя период импульсов напряжения, которые индуцируют ток в фазах двигателя, можно изменить результирующую частоту формы выходного тока.

Разные формы сигналов ШИМ приводят к разным выходным частотам

KEB – Эксперт по приводам

Соединяя управление шириной импульса и периодом группы импульсов, ШИМ-приводы предоставляют средства для управления как напряжением, так и частотой на выходе двигателя переменного тока.

Возможность управления крутящим моментом и скоростью двигателя переменного тока открывает возможности применения для разработчиков машин. Скорость двигателя можно оптимизировать для конкретного применения для достижения более высокой эффективности системы (т. Е. Управления вентиляторами). Скорость двигателя можно увеличить выше номинальной для увеличения производительности. Крутящий момент двигателя можно ограничить, чтобы защитить механические компоненты системы. Контролируемый запуск и остановка двигателей может устранить механические компоненты, которые могут со временем изнашиваться.

Свяжитесь с инженером KEB America, чтобы обсудить, как мы можем применить VFD для решения ваших задач.

Искажение мертвого времени – Granite Devices Knowledge Wiki

Искажение мертвого времени (DTD) – это тип перекрестных искажений, вызванных состоянием мертвого времени силовых каскадов ШИМ. Проблема присутствует во всех приводах вывода ШИМ. Чем дольше используется мертвое время, тем более значительными становятся искажения.

Время запаздывания – это период времени гашения (верхний и нижний транзисторы одновременно находятся в выключенном состоянии) полумостовой силовой ступени.Оба транзистора отключаются на короткое время, чтобы предотвратить одновременное проведение обоих транзисторов, что вызывает короткое замыкание между питанием и землей.

Объяснение искажения мертвого времени

Искажения мертвого времени в некоторой степени присутствуют во всех выходах мощности ШИМ полумостовой топологии.

Описание изображения:

Схема: типичный однофазный полумостовой выход мощности ШИМ, состоящий из двух транзисторов и индуктивной нагрузки (индуктора). В трехфазных электроприводах таких цепей 3 шт., Не считая индуктора (который заменен обмоткой двигателя).
Желаемая форма волны напряжения нагрузки: сигнал заданного значения формы волны без искажений на нагрузке, который мы хотели бы видеть.
ШИМ на верхний транзистор: сигнал ШИМ, который управляет, когда верхний транзистор находится в проводящем состоянии.
ШИМ на нижний транзистор: сигнал ШИМ, который управляет, когда нижний транзистор находится в проводящем состоянии.
Серые области: мертвое время, когда ни один из транзисторов не находится в проводящем состоянии, и в течение этого времени ток будет свободно проходить через диоды.Мертвое время необходимо для предотвращения перекрытия в открытом состоянии и сквозных токов от V + до GND.
Положительное текущее напряжение нагрузки: это достигнутый (искаженный) сигнал ШИМ на нагрузке, когда направление тока в индукторе нагрузки положительное.
Отрицательное текущее напряжение нагрузки: это достигнутый (искаженный) сигнал ШИМ на нагрузке, когда направление тока в индукторе нагрузки отрицательное.

Как видно на рисунке, фактическое выходное напряжение отличается от желаемого напряжения нагрузки. Фактический рабочий цикл ШИМ становится выше или ниже желаемого, и направление искажения изменяется всякий раз, когда меняется направление тока.

Измеренная пульсация крутящего момента как функция времени при вращении двигателя. Уставка крутящего момента была постоянной, поэтому в идеальном случае эта кривая была бы плоской, но вместо этого она периодически показывала значительные падения крутящего момента. Коррекция искажения DTD не использовалась.

Некоторые из наиболее заметных проблем управления движением, вызванных DTD:

Нежелательная пульсация крутящего момента, которая может снизить плавность движения
Вызывает “электрический люфт” или лень в управлении двигателем. С помощью DTD время реакции двигателя увеличивается всякий раз, когда направление тока меняется на противоположное (например, двигатель меняет направление).Это увеличивает ошибку слежения за серводвигателем.
Более сложная настройка сервопривода
Пониженная жесткость сервопривода

DTD не ограничивается управлением движением. Например, это также влияет на усилители звука класса D. [1]

Без коррекции искажений. Верхний график: заданное значение фазного тока и достигнутый ток. Нижний график: уставка рабочего цикла ШИМ

Коррекция искажения аргона (сервопривод) включена. Верхний график: заданное значение фазного тока и достигнутый ток.Нижний график: уставка рабочего цикла ШИМ

Искажение мертвого времени [править | править источник]

На этих графиках показаны фактические искажения синусоидальных токов двигателя при частоте ШИМ 17,5 кГц и длительности мертвого времени 2 мкс. Никаких контрмер для уменьшения искажений не принималось.

Обратите внимание на провалы тока в синусоидальном сигнале. На синусоидальный цикл приходится 6 провалов, потому что в этом эксперименте испытание проводилось на трехфазном двигателе, который имеет 3 синусоидальных тока с разностью фаз 60 градусов.Отображается только одна фаза, но искажение двух оставшихся фаз вызовет провалы также в соседних фазах.

Также обратите внимание на то, как уставка рабочего цикла ШИМ от контроллера крутящего момента / тока привода подскакивает вверх / вниз, пытаясь компенсировать ошибки мертвого времени. Однако ни один регулятор тока сам по себе не является достаточно быстрым, чтобы полностью устранить пульсации тока.

Устранение искажений [править | править источник]

На нижнем изображении показан точно такой же эксперимент, что и предыдущий, но на этот раз была включена коррекция мертвого времени для аргона (сервопривод).Обратите внимание, как провалы почти полностью исчезают, а уставка рабочего цикла ШИМ показывает более синусоидальную форму волны.

Ни в коем случае информация о продукте или ее части не должны рассматриваться как гарантия условий или характеристик. Информация о продукте или любая ее часть также не может рассматриваться как гарантия любого рода. Автор не принимает на себя никаких обязательств в отношении Информации о продукте или любого ее использования вами, а также Автор не освобождает вас от ответственности или не несет ответственности за любые претензии третьих лиц в отношении такой информации или любого ее использования.

Поскольку содержимое этой Wiki может редактироваться сообществом пользователей, Granite Devices Oy или ее аффилированные лица не несут никакой ответственности за содержание этой Wiki. Используйте информацию на свой страх и риск. Тем не менее, сотрудники Granite Devices стараются просмотреть все изменения, внесенные в эту Wiki, и сохранить достоверность информации.

Без письменного согласия Продукты или Интеллектуальная собственность Granite Devices не должны использоваться в ситуациях или установках, где живые существа, материальная собственность или нематериальная собственность могут быть повреждены в результате работы, функций или сбоев Продукта.

Шим на транзисторах: Простой ШИМ регулятор

Шим регулятор на транзисторах

Что такое широтно-импульсная модуляция?

Что такое ШИМ-регулятор?

Схема №1

Схема №2

Причины распространения

Мощный шим регулятор своими руками

Шим регулятор напряжения и тока своими руками

PWM | Электроника для всех

Шим стабилизатор напряжения на полевом транзисторе

Мощный стабилизатор на полевике

ШИМ-регулятор 220 В ( IGBT )

Мощный ШИМ регулятор своими руками

Какой транзистор мне следует использовать для ШИМ переключения питания 12 В в машине с 5 В на Arduino?

Основы широтно-импульсной модуляции (ШИМ): как работает ШИМ

Определение широтно-импульсной модуляции

Зачем нужен ШИМ?

Как работает ШИМ?

Сигнал ШИМ

Дополнительная литература

(PDF) Анализ производительности инвертора с тремя транзисторными источниками напряжения с использованием различных методов ШИМ

4 объяснения схем эффективных ШИМ-усилителей

Почему усилители ШИМ такие эффективные

Преимущества цифрового усилителя по сравнению с линейным усилителем

Широтно-импульсная модуляция

Электронные переключатели как усилители

Высокий уровень звука при скромном дизайне

ШИМ-усилитель для мегафонов

Другой хороший усилитель ШИМ

Модель

Технические характеристики

Простая схема усилителя класса D с 3 транзисторами

Цифровой операционный усилитель

Приложения

Усилитель с ШИМ мощностью 30 Вт

ШИМ-усилитель с автоколебательной концепцией

Адам Мейер | Arduino + tip120

Как это работает

Подключение / Для чего нужен диод?

Ограничения

Fade it!

Как работает широтно-импульсная модуляция в VFD

Искажение мертвого времени – Granite Devices Knowledge Wiki

Искажение мертвого времени [править | править источник]

Устранение искажений [править | править источник]

Больше новостей

Добавить комментарий Отменить ответ