В этой статье будет рассмотрена схема простого мостового транзисторного драйвера двигателя с памятью и управлением двумя кнопками для реверса. Для управления данным драйвером не нужны микросхемы и он может быть полезен для автоматизации некоторых процессов. Рассмотрим схему:
Рисунок 1 - Драйвер с памятью для реверса электродвигателя
Такой драйвер может быть получен небольшой переделкой драйвера о котором в статье: Драйвер двигателей своими руками. О том как эту переделку совершить смотрите в видео ниже. О недостатках данной схемы смотрите в предыдущем видео. Данная схема имеет преимущество над рассмотренным ранее устройством реверса на триггере в том что для управления самим двигателем используется мост, потери энергии в котором будут значительно меньше, а для управления этим мостом используется триггер на транзисторах VT1 и VT2 поэтому схема обладает памятью и может использоваться для автоматизации некоторых процессов. Мост состоит из двух эмиттерных повторителей а триггер является простой бистабильной ячейкой из двух инвертирующих усилителей, выход первого усилителя соединён со входом второго а выход второго со входом первого т.о. возникает положительная обратная связь которая приводит к тому что данная ячейка имеет два устойчивых состояния, перевод ячейки из одного состояния в другое осуществляется уменьшением, кнопкой, напряжения на входе на котором высокое напряжение в текущем состоянии. При использовании тех деталей которые указаны на схеме можно применять такой драйвер для двигателей постоянного тока потребляющих ток не более 3А, если поставить более мощные силовые транзисторы (VT2-VT5) то можно использовать более мощный двигатель. Верхние транзисторы, полумостов, обязательно д.б. комплементарны нижним т.е. иметь другой тип проводимости и близкие параметры. Ещё одним немаловажным моментом является то что коэффициент передачи тока силовых транзисторов д.б. достаточно большим для их открытия.
Использование биполярных транзисторов в драйверах двигателей м.б. актуально если необходимо управлять двигателем на низкое напряжение при котором мощные полевые транзисторы не способны достаточно открыться, а микросхемы для таких целей не известны или, по каким то причинам, не доступны. Например можно использовать схему:
Рисунок 1 - Драйвер двигателей
В этой схеме имеется 2 полных моста поэтому её можно использовать для управления шаговым двигателем или управления двумя двигателями постоянного тока. Силовая часть схемы гальванически изолированна от управляющей оптронами. В мостах используется комплементарная пара транзисторов BD435 (n-p-n) и BD436 (p-n-p), напряжение насыщения обоих транзисторов, по документации, не превышает 0.6В. На двух транзисторах будет падать максимум 1.2В и если напряжение питания будет 3.1В то двигателю достанется 3.1-1.2=1.9В что не много. Но тем не менее практика показала то что через этот драйвер, резистор для ограничения тока при питании 3.1В можно "крутить" двигатель 42BYGHW811 с низким сопротивлением обмоток на напряжение 3.1В и ток 2.5А. Транзисторы используемые в мосте рассчитаны на ток до 4А поэтому они подходят для такого двигателя. Максимальный ток транзисторов в оптронах в данной схеме = 50мА что не много. Т.к. для того чтобы транзисторы вошли в насыщение необходим достаточно большой ток то сопротивления резисторов для ограничения тока этих транзисторов подобраны небольшими при которых ток будет почти предельным. Это позволяет обойтись без дополнительных транзисторов для усиления тока что упрощает сборку и снижает потребление энергии. Плату можно изготовить на двухстороннем фольгированном стеклотекстолите и использовать медные площадки на этой плате как радиаторы для транзисторов.
У данной схемы есть недостаток - это необходимость исключения подачи тока одновременно на два светодиода оптронов моста т.к. при этом все 4 транзистора моста открываются и через каждый полумост течёт очень большой ток в результате чего транзисторы перегорают. Поэтому важно организовать правильное управление данным драйвером.
Для того чтобы светодиод светился необходимо чтобы через него проходил достаточный, для этого, ток в прямом направлении, если этот ток будет слишком большим то светодиод перегорит. Для того чтобы светодиод светился от переменного напряжения 220В можно ограничить ток этого светодиода элементами имеющими некоторое сопротивление поставленными в цепь последовательно со светодиодом. Параллельно и встречно этому светодиоду необходимо поставить другой диод (светодиод или обычный диод) т.к. ток переменный, светодиод обладает большим сопротивлением когда к нему приложено напряжение в обратном направлении и почти всё напряжение будет падать на этом диоде -это приведет к перегоранию светодиода т.к. они обычно не рассчитаны на обратное напряжение 310В, если два светодиода поставлены встречно параллельно то в каждый полупериод обратное напряжение на светодиоде к которому оно приложено будет равно падению напряжения на другом диоде в прямом направлении. Элементы ограничивающие ток светодиода могут иметь активное или реактивное сопротивление. Более предпочтительным является использование элементов с реактивным сопротивлением т.к. на них не происходит больших потерь энергии в виде тепла. Реактивным сопротивлением обладают конденсаторы и катушки, в данном случае предпочтительнее использовать конденсаторы т.к. они имеют меньший, чем катушки, размер при одинаковых сопротивлениях. Рассмотрим схему:
Рисунок 1 - Светодиодный светильник
В ней для ограничения переменного тока используется конденсатор C1. Если пренебречь сопротивлением резистора R1, диодов VD1 и VD2, предохранителя и учитывать, при расчёте, амплитудное напряжение сети то ёмкость конденсатора можно рассчитать по формуле на рисунке 1, где I -это ток светодиода (обычно от 0.005 до 0.02 А но м.б. и другим в зависимости от мощности). После расчёта ёмкости к ней подбирается ближайшая меньшая, конденсатор с подобранной ёмкостью ставиться в светильник, напряжение этого конденсатора д.б. больше 310В. Резистор R1 в схеме на рисунке 1 нужен для ограничения броска тока в момент подключения светильника в розетку, его сопротивление подобрано экспериментально но если известно максимальное импульсное напряжение светодиода и максимальная длительность этого импульса то оно м.б. рассчитано. Также возможно применение терморезисторов для ограничения броска тока. Мощность этого резистора небольшая т.к. сопротивление небольшое поэтому он м.б. на 0.125Вт. В схеме имеется предохранитель FU1 на всякий случай. При сборке данного устройства необходимо изолировать все токоведущие части для безопасности. После вынимания светильника из розетки конденсатор желательно разрядить путём замыкания выводов вилки. Вместо конденсатора для ограничения тока можно использовать резистор (или резисторы). Рассмотрим схему:
Рисунок 2 - Светодиодный светильник
Данную схему использовать не рекомендуется т.к. на резисторах происходят большие потери энергии т.е. они сильно нагреваются в процессе работы -это может привести к перегоранию светильника или большей потери денег при оплате электроэнергии потраченной на светильник. Но её всё таки можно использовать если потери не имеют большого значения или помимо светильника нужен ещё и электронагреватель воздуха. Сопротивление резистора(ов) можно рассчитать по закону Ома. Например нужен ток 0.02 А тогда делим 310 (амплитудное напряжение сети) на 0.02 получаем R=15500Ом. Мощность определим умножив ток 0.02А на напряжение 220 (действующее напряжение сети) получим 4.4 Вт. Т.е. для ограничения тока, в данном случае, можно использовать резистор с сопротивлением 16кОм (ближайшее большее) мощностью 5Вт. Если такого резистора нет то его можно заменить последовательным или параллельным соединением резисторов таким чтобы его общее сопротивление было ближайшее большее к 15500Ом и мощность на каждом резисторе не была больше максимальной. Если резисторы с одинаковыми сопротивлениями соединяются последовательно (как на рисунке 2) то на каждом из них мощность будет вдвое меньше чем на обоих т.к. напряжение на каждом из них вдвое меньше чем на обоих. Если резисторы с одинаковыми сопротивлениями будут соединены параллельно то мощность на каждом из них будет вдвое меньше чем на обоих потому что ток каждого из них вдвое меньше чем обоих. Для этого сопротивления д.б. одинаковыми иначе на одном из резистором мощность будет больше чем на другом. Расчёт сопротивления проводился по амплитудному значению а мощности по действующему по тому что светодиод более быстродействующий чем резистор и даже при кратковременных больших напряжениях он может перегореть, резистор же более инерционен и его температура изменяется гораздо медленнее чем напряжение в сети.
Для расчёта элементов можно воспользоваться программой:
Использование микросхем ШИМ контроллеров, со встроенными ключами, фирмы Power Integrations и программы PI expert (этой же фирмы) позволяет значительно упростить процесс создания импульсных источников питания. На рисунке 1 приведена принципиальная электрическая схема импульсного обратноходового источника питания на микросхеме TOP243YN:
Рисунок 1 - Источник питания на TOP243YN
Т.к. силовой ключ встроен в микросхему то большинство (если не все) проблем связанных с управлением ключём уже решены при выборе микросхемы. Микросхема выбирается в зависимости от требуемой мощности источника (в этом поможет программа PI expert). Микросхемы разделены на семейства которые, в свою очередь, входят в линейки.
Линейка продуктов TinySwitch содержит семейства TinySwitch-1 - TinySwitch-4 (TNYxxx) которые представлены микросхемами, на момент написания данной статьи, мощностью до 28.5 Вт (микросхема TNY290K в открытом исполнении). Микросхемы данных семейств хороши тем что при создании источников питания на этих микросхемах нет необходимости в обмотке обратной связи, обратная связь в них происходит через оптрон - это упрощает процесс создания источника питания. Есть линейка TOPSwitch включающая в себя семейства:
TOPSwitch-JX, TOPSwitch-GX и TOPSwitch-HX представленные микросхемами, на момент написания данной статьи, мощностью до 333 ВТ (микросхема TOP262EN в открытом исполнении при постоянном входном напряжении 230В+-15%) (довольно не мало для интегральной микросхемы ШИМ контроллера со встроенным ключём!). Есть линейка LinkSwitch которая содержит много разных семейств в которых много разных микросхем различающихся мощностью, назначением и т.д. Недавно (на момент написания данной статьи) появилась линейка InnoSwitch включающая в себя семейство InnoSwitch-CH микросхем на которых получаются очень простые источники. При использовании микросхем данного семейства отпадает необходимость в оптроне обратной связи а вместо диода на выходе используется полевой транзистор который синхронно открывается с силовым ключём (ключ закрыт а полевой транзистор на выходе открыт (и наоборот) т.к. преобразователь обратноходовый) (это только предположение но скорее всего так и есть). Есть ещё DPA-Switch и много других обо всех можно узнать на странице официального сайта. Изготовить плату для источника, схема которого на рисунке 1, можно подручными инструментами пригодными для вырезания канавок в текстолите но при этом необходимо выполнять рекомендации приведённые в программе.
Одна из рекомендаций -это минимизация цепи рассеяния выброса на первичной обмотке состоящая из элементов: C2, R4, R5, VD2, первичной обмотки, стока силового ключа микросхемы т.е. дорожки и расстояния между элементами этой цепи д.б. как можно меньше. Возможно это связано с тем что "выброс" напряжения на первичной обмотке при недостаточной нагрузке или её отсутствии может создавать большие помехи. Дорожки от вывода D (сток силового ключа (вывод 7)) должны быть как можно дальше от дорожек от выводов L (вывод 2) и X (вывод 3). Резисторы R2 и R3 нужно расположить как можно ближе к выводу L (вывод 2). Также необходимо минимизировать цепь сформированную вторичной обмоткой, выходным диодом и выходными фильтрующими элементами (С7-С9,С11, L1).
Некоторые полезные советы (и др. информацию) при изготовлении таких (фирмы фирмы Power Integrations) источников можно посмотреть на странице импульсный блок питания своими руками где более подробно рассмотрен процесс создания проекта и изготовления источника на микросхеме TNY266. Микросхемы TOP243 в дип корпусе можно недорого заказать небольшой партией. Поштучно выходит не выгодно т.к. цена за одну штуку в партии из одной штуки (особенно на небольшие товары вроде микросхем) почти всегда ниже чем за одну штуку в партии из количества штук более одной, к тому же желательно перестраховаться на всякий случай чтобы не заказывать более одного раза. Чем больше партия тем выгоднее покупать но слишком большие естественно нет смысла заказывать если в этом нет необходимости. Можно например заказать 20шт. TOP243YN. YN -означает уже не DIP корпус и не SMD а большой корпус для для крепления на радиатор -такой вариант на мой взгляд самый лучший т.к. будет лучшее охлаждение чем если бы оно шло через медные площадки на плате как это осуществляется с микросхемами в DIP или SMD корпусах.
