Регулятор оборотов двигателя постоянного тока 12в своими руками на 555

Введение

Моторы постоянного тока нельзя подключать напрямую к Arduino. Это обусловлено тем, что пины не способны выдавать ток более 40 мА. Мотору же, в зависимости от нагрузки, необходимо несколько сотен миллиампер. Потому возникает потребность увеличения мощности. Делается это, как-правило, с помощью транзисторов.

В статье «Транзисторы: схема, принцип работы,​ чем отличаются биполярные и полевые» можно ознакомиться с основными типами транзисторов и их принципами работы.

Так же рекомендуется посмотреть: Видеоуроки по Arduino, 5-я серия — Моторы и транзисторы. В данном уроке Джереми Блюм рассказывает о подключении мотора постоянного тока к Arduino через биполярный транзистор.

Практические советы

Транзистор VT1 должен подбираться в зависимости от мощности нагрузки. Например, для изменения яркости одноваттного светодиода достаточно будет биполярного транзистора с максимально допустимым током коллектора 500 мА.

Управление яркостью светодиодной ленты должно осуществляться от источника напряжения +12 В и совпадать с её напряжением питания. В идеале регулятор должен питаться от стабилизированного блока питания, специально предназначенного для ленты.

Нагрузка в виде отдельных мощных светодиодов запитывается иначе. В этом случае источником питания диммера служит стабилизатор тока (его еще называют драйвер для светодиода). Его номинальный выходной ток должен соответствовать току последовательно включенных светодиодов.

Функциональная схема и описание прибора

Функционально таймер состоит из 5 компонентов. Выводов у схемы больше, чем внутренних блоков, что и говорит о возможной гибкости включения в различные схемные решения с участием данной микросхемы.

Функциональная схема таймера NE555

Входной внутренний делитель напряжения задает опорные напряжения для двух компараторов — верхнего и нижнего. RS-триггер принимает их сигналы и формирует выходной сигнал, который отправляет на усилитель мощности. Еще имеется дополнительный транзистор с выведенным наружу коллектором, который используется для подключения внешней времязадающей цепочки.

Выводы схемы расположены одинаково, независимо от исполнения микросхемы

С одной стороны с первого по четвертый (сверху вниз), с другой — с пятого по восьмой (снизу вверх).

Таймер 555 и его выводы

Описание выводов схемы

Приведенный ниже даташит содержит выводы и подаваемые на них сигналы, откуда становится немного понятной работа микросхемы. Хотя очень многое зависит от ее подключения.

Одновибратор

Самая простая схема подключения Емкость С и резистор R задают длительность импульса t, выдаваемого схемой в ответ на сигнал по входу Input (вывод 2). Напряжение питания влияет не на длительность, а на амплитуду выходного сигнала. При выдаче импульса изменение входного сигнала схемой не воспринимается. Через время t схема выдает задний фронт выходного сигнала и возвращается в исходное состояние, после чего готова снова реагировать на входной сигнал. Таким образом, она может выделять информативные всплески (низкого уровня) на фоне помех, так как сигнал на входе в общем случае аналоговый. Может работать как антидребезговая схема.

Генератор импульсов (мультивибратор)

Мультивибратору не нужно подавать на вход никаких сигналов, он начинает работать сразу после включения питания.

Вторая схема подключения

Разряженный в начале конденсатор С задает на вход низкий уровень, отчего таймер срабатывает, выдавая на выход высокий потенциал. Его длительность определяется зарядкой конденсатора C через резисторы R1 и R2. Далее происходит разрядка C через R2 и вход 7, что и определяет длительность паузы на таймере. После этого все повторяется, и на выходе получаются импульсы заданной напряжением питания амплитуды и длительностями t1 и t2, то есть частотой f

Формула

и скважностью S = T/t1. Скважность в данном простейшем подключении более 2 быть не может, так как время импульса t1 всегда > времени паузы t2

• Что такое паяльный флюс?
• Электротехнический инвертор
• Транзистор: описание электронного компонента

Простой ШИМ регулятор 0-100 для светодиодного светильника на 555 таймере, или модернизация торшера

Светодиоды светят на все 14W, оставляя ослепительные впечатления у сетчатки, драйвера греются рассеивая лишние 5W энергии в тепло, а ШИМ… да не было у нас изначально ШИМа.

Для ШИМа я решил взять (в первый раз в своей жизни) универсальную микросхему — NE555. В интернете было найдено достаточно много схем ШИМа, и после сборки одной из них я получил крутилку яркости от 5% до 95%, что не подходило для данной конструкции и методом проб и ошибок, а так-же эмуляции всего этого безумия в Протеусе я достиг результата! Пришлось использовать таймер немножко «наоборот» — выход таймера используется для заряда/разряда конденсатора, а вывод разряда конденсатора использовать как выход.

Переменный резистор — самое критичное место схемы! Для плавной регулировки необходимо использовать резистор с Логарифмической зависимостью на сопротивление 10k — 100k (можно и другие, но частоту придется подобрать конденсатором).

Во время экспериментов были мысли о использовании вместо таймера контроллера — оцифровывать напряжение с переменника, и выдавать соответствующее заполнение ШИМа, но нас «попустило»)

Небольшой фото отчет с будущей электроникой торшера:

Файлы для Proteus — вот (Осторожно! Схема отличается, но это сделано для обеспечения возможности работы в эмуляторе, в реальных условиях схема из статьи — работает)

Применение симисторных регуляторов в быту

Подобные устройства применяются в быту везде, где есть необходимость плавно изменять мощность прибора или инструмента. В целом, работает такая схема по принципу снижения сетевого напряжения 230 В. А если напряжение питания электроприбора уменьшать, то пропорционально будет изменяться и его мощность.

А вот если уменьшить мощность такого паяльника, то перечисленные проблемы исчезнут. Сделать это можно путем снижения напряжения его питания с 230 В до, например, 80 В (почти в три раза). А поскольку мощность (а также температура нагрева жала) снижается пропорционально, то в итоге мы получим паяльник на 25-30 Вт. Симисторные регуляторы применяются для плавного изменения мощности:

• паяльников (именно для паяльника было сделано описанное в статье устройство);
• электрических сушилок для фруктов;
• утюгов;
• обогревателей;
• других нагревательных приборов;
• пылесосов;
• электроинструментов – болгарок, орбитальных шлифовальных машинок, лобзиков;
• другого оборудования с двигателями – точильных станков, сверлильных и прочих;
• ламп накаливания.

Касательно последнего пункта стоит отметить, что именно такая схема симисторного регулятора не очень подходит. Но и об этом подробнее сказано ниже.

Схема 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. 

   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.

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.

•    Форум по широтно-импульсным регуляторам
•    Обсудить статью Схема шим регулятора

Что такое ШИМ-регулятор?

Теперь, когда мы знаем, что такое широтно-импульсная модуляция, можно поговорить и о главной теме статьи. Используется ШИМ-регулятор для того, чтобы регулировать напряжение питания и для недопущения мощных инерционных нагрузок в авто- и мототехнике. Это может звучать слишком сложно и лучше всего пояснить на примере. Допустим, необходимо сделать, чтобы лампы освещения салона меняли свою яркость не сразу, а постепенно. Это же относится к габаритным огням, автомобильным фарам или вентиляторам. Воплотить такое желание можно путём установки транзисторного регулятора напряжения (параметрический или компенсационный). Но при большом токе на нём будет выделяться чрезвычайно большая мощность и потребуется установка дополнительных больших радиаторов или дополнение в виде системы принудительного охлаждения с использованием маленького вентилятора, снятого с компьютерного устройства. Как видите, данный путь влечёт за собой много последствий, которые необходимо будет преодолеть. 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.

Шаг 2: Типы ШИМ

Существует три типа ШИМ:

1. Центр пульсации может быть зафиксирован в середине временного окна, и оба края импульса перемещаются для сжатия или расширения ширины.
2. Передняя кромка пульсации может удерживаться у передней кромки временного окна, а хвостовая кромка будет модулироваться.
3. Хвостовая кромка пульсации может быть зафиксирована, а передняя кромка будет модулироваться.

Три типа сигналов ШИМ (синий): модуляция передней кромки (верхняя строка), модуляция задней кромки (средняя строка) и пульсация в середине (обе кромки модулируются, нижняя строка). Зеленые линии — это пилообразные сигналы, используемые для генерации сигналов ШИМ с использованием метода пересечения.

Простая схема ШИМ-регулятора на таймере NE555

С микросхемой NE555 (аналог КР1006) знаком каждый радиолюбитель. Её универсальность позволяет конструировать самые разнообразные самоделки: от простого одновибратора импульсов с двумя элементами в обвязке до многокомпонентного модулятора. В данной статье будет рассмотрена схема включения таймера в режиме генератора прямоугольных импульсов с широтно-импульсной регулировкой.

Схема и принцип её работы

С развитием мощных светодиодов NE555 снова вышла на арену в роли регулятора яркости (диммера), напомнив о своих неоспоримых преимуществах. Устройства на её основе не требуют глубоких знаний электроники, собираются быстро и работают надёжно. Известно, что управлять яркостью светодиода можно двумя способами: аналоговым и импульсным. Первый способ предполагает изменение амплитудного значения постоянного тока через светодиод. Такой способ имеет один существенный недостаток — низкий КПД

Второй способ подразумевает изменение ширины импульсов (скважности) тока с частотой от 200 Гц до нескольких килогерц. На таких частотах мерцание светодиодов незаметно для человеческого глаза

Схема ШИМ-регулятора с мощным выходным транзистором показана на рисунке. Она способна работать от 4,5 до 18В, что свидетельствует о возможности управления яркостью как одного мощного светодиода, так и целой светодиодной лентой. Диапазон регулировки яркости колеблется от 5 до 95%. Устройство представляет собой доработанную версию генератора прямоугольных импульсов. Частота этих импульсов зависит от ёмкости C1 и сопротивлений R1, R2 и определяется по формуле: f=1/(ln2*(R1+2*R2)*C1), Гц Принцип действия электронного регулятора яркости заключается в следующем. В момент подачи напряжения питания начинает заряжаться конденсатор по цепи: +Uпит – R2 – VD1 –R1 –C1 – -Uпит. Как только напряжение на нём достигнет уровня 2/3Uпит откроется внутренний транзистор таймера и начнется процесс разрядки. Разряд начинается с верхней обкладки C1 и далее по цепи: R1 – VD2 –7 вывод ИМС – -Uпит. Достигнув отметки 1/3Uпит транзистор таймера закроется и C1 вновь начнет набирать ёмкость. В дальнейшем процесс повторяется циклически, формируя на выводе 3 прямоугольные импульсы. Изменение сопротивления подстроечного резистора приводит к уменьшению (увеличению) времени импульса на выходе таймера (вывод 3), и как следствие, уменьшается (увеличивается) среднее значение выходного сигнала. Сформированная последовательность импульсов через токоограничивающий резистор R3 поступает на затвор VT1, который включен по схеме с общим истоком. Нагрузка в виде светодиодной ленты или последовательно включенных мощных светодиодов включается в разрыв цепи стока VT1. В данном случае установлен мощный MOSFET транзистор с максимальным током стока 13А. Это позволяет управлять свечением светодиодной ленты длиной в несколько метров. Но при этом транзистору может потребоваться теплоотвод. Блокирующий конденсатор C2 исключает влияние помех, которые могут возникать по цепи питания в моменты переключения таймера. Величина его ёмкости может быть любой в пределах 0,01-0,1 мкФ.

Плата и детали сборки регулятора яркости

Односторонняя печатная плата имеет размер 22х24 мм. Как видно из рисунка на ней нет ничего лишнего, что могло бы вызвать вопросы.

После сборки схема ШИМ-регулятора яркости не требует наладки, а печатная плата легка в изготовке своими руками. В плате, кроме подстроечного резистора, используются SMD элементы. DA1 – ИМС NE555; VT1 – полевой транзистор IRF7413; VD1,VD2 – 1N4007; R1 – 50 кОм, подстроечный; R2, R3 – 1 кОм; C1 – 0,1 мкФ; C2 – 0,01 мкФ.

Практические советы

Для себя я сделал немного другую обвязку таймера:

Ниже приведена схема из Proteus, а так же верхняя и нижняя сторона платы:

В схему я установил переменный резистор с выключателем, чтобы полностью обесточивать плату от внешнего питания. Добавил клемники для подключения питания и нагрузки. Ну и сама виртуальная модель устройства.

Этот архив содержит файлы в формате Gerber LED_PWM_ne555v2 — CADCAM

Широтно-импульсное регулирование ШИР

В западной литературе практически не различают понятия широтно-импульсного регулирования ШИР и широтно-импульсной модуляции ШИМ. Однако у нас различие между ними все же существует.

Сейчас во многих микросхемах, особенно применяемых в DC-DC преобразователях, реализован принцип ШИР. Но при этом их называют ШИМ контроллерами. Поэтому теперь различие в названии между этими двумя способами практически отсутствует.

В любом случае для формирования определенной длительности импульса, подаваемого на базу транзистора и открывающего последний, применяют источники опорного и задающего напряжения, а также компаратор. Рассмотрим упрощенную схему, в которой аккумуляторная батарея GB питает потребитель Rн импульсным способом посредством транзистора VT. Сразу скажу, что в данной схеме я специально не использовал такие элементы, необходимые для работы схемы: конденсатор, дроссель и диод. Это сделано с целью упрощения понимания работы ШИМ, а не всего преобразователя.

Упрощенно, компаратор имеет три вывода: два входа и один выход. Компаратор работает следующим образом. Если величина напряжения на входном выводе «+» (неинвертирующий вход) выше, чем на входе «-» (инвертирующий вход), то на выходе компаратора будет сигнал высокого уровня. В противном случае – низкого уровня.

В нашем случае, именно сигнал высокого уровня открывает транзистор VT. Рассмотрим, как формируется необходимая длительность времени импульса tи. Для этого воспользуемся следующим графиком.

При ШИР на одни вход компаратора подается сигнал пилообразной формы заданной частоты. Его еще называют опорным. На второй вход подается задающее напряжение, которое сравнивается с опорным. В результате сравнения на выходе компаратора формируется импульс соответствующей длительности.

Если на неинверитирующем входе компаратора опорный сигнал, то сначала будет идти пауза, а затем импульс. Если на неинвертирующий вход подать задающий сигнал, то сначала будет импульс, затем пауза.

Таким образом, изменяя значение задаваемого сигнала, можно изменять коэффициент заполнения, а соответственно и среднее напряжение на нагрузке.

Частоту опорного сигнала стремятся сделать максимальной, чтобы снизить параметры дросселей и конденсаторов (на схеме не показаны). Последнее приводит к снижению массы и габаритов импульсного блока питания.

Необходимые компоненты

Мы рассмотрим вариант взаимодействия с полевым транзистором. Принципы подключения мотора будут разобраны на конкретном железе: DC-мотор, плата Arduino, N-канальный полевой транзистор, резистор на 10 кОм (R1), резистор на 220 Ом (R2).

Вы же в своих экспериментах вольны использовать то, что есть в наличии. Важны лишь 3 условия:

• Максимальный ток потребления мотора (ток при блокировке) не должен превышать максимальный ток стока полевого транзистора.
• Затвор транзистора должен отпираться при напряжении 5 В.
• Транзистор должен обладать встроенным диодом обратной цепи (flyback диод).

Схемы включения ne555

Сама по себе данная микросхема это как бы «незавершенное» изделие с возможностью реализации на нем двух режимов эксплуатации — таймера запуска (моностабильный) и генератора одиночных импульсов (мультивибратора). Чтобы заставить её функционировать в одном из них, необходима небольшая доработка. Для этого межу контактами 1 и 8 добавляется RC-цепочка (она же времязадающая), для которой заранее подбираются резистор и конденсатор. Их значения будут задавать необходимую частоту и периодичность прямоугольных сигналов «включения/выключения» на выходе микросхемы после подачи на неё питания. Для повышения точности в работе и избегания влияния внешних помех 5 пин (контроль) рекомендовано шунтировать ёмкостью, величина которой должна быть не более 0,1 мкФ.

Моностабильный режим

Рассмотрим принцип работы в режиме таймера. Для его реализации необходимы дополнительные элементы — один резистор Rt и пара ёмкостей. После подачи питания, на третьей ножке относительно земли будет около 0В. Времязадающий конденсатор Сt полностью разряжен и в таком состоянии схема может находиться достаточно долго, пока на контакт 2 (запуск) не поступит положительный сигнал. Его величина должна быть в три раза меньшей питающего напряжения (Ucc/3).

После подачи сигнала на контакт 2 (запуск), на выходе микросхемы появляется напряжение аналогичное питающему (высокий уровень). Его длительность зависит от времени заряда Сt до уровня 2/3 от Ucc через резистор Rt. Как только это произойдет, выходное напряжение снизится практически до 0В и Сt разрядится.

Важным моментом в этой схеме является то, что после её включения, любые воздействия на контакт 2 (запуск) больше не будут вилять на высокий уровень на выходе. Но его все же можно сбросить, если подать сигнал на четвертую ножку (сброс). Временной интервал выходного импульса (Т) рассчитывается по формуле T=1.1*Rt*Ct.

Режим мультивибратора

В режиме мультивибратора микросхема ne555 выдает серию прямоугольных сигналов, периодичность которых также определяются значениями времязадающей RC-цепочки. Как видно из рисунка ниже, конструкция немного изменена и в неё добавлено еще одно сопротивление. Контакт 7 (разряд) физически соединен между резисторами Ra и Rb, но логически он отключен внутри универсального таймера.

После подачи питания на микросхему, на 3 пине (выходе) появится высокий уровень относительно земли, а конденсатор Сt начинает заряжается через Ra и Rb. Как только Сt достигнет заряда 2/3 от величины питающего напряжения, схема переключится и на её выходе будет около 0В. При этом включится контакт 7 (разряд) и через резистор Rb будет разряжаться Сt.

После того как конденсатор Ct разрядится на 1/3 схема снова переключится, и на её выходе появится высокий уровень. Разъединится контакт 7 (разряд) и Ct начнет опять заряжаться через Ra и Rb. Результатом такой работы станет серия прямоугольных импульсов, длительность которых будет определяться величинами элементов Ra, Rb и Сt. Промежуток между началом каждого из импульсов называют общим периодом ТП. Его можно увеличивать до 30 секунд путем повышения ёмкости Ct. Частоту колебаний определяют по формуле F = 1/ТП.

Аналоги микросхемы NE555

Микросхема 555, аналог которой в России был назван КР1006ВИ1, представляет интегральное устройство.

Смотреть галерею

Среди рабочих блоков следует выделить RS-триггер (DD1), компараторы (DA1 и DA2), усилительный каскад на выходе, основанный на двухтактной системе и дополняющий транзистор VT3. Назначение последнего заключается в сбросе задающего время конденсатора при использовании агрегата в роли генератора. Сбрасывание триггера происходит при подаче логической единицы (Юпит/2…Юпит) на входы R.

В случае сброса триггера на выходе устройства (вывод 3) будет наблюдаться низкий показатель напряжения (транзистор VT2 открыт).

Похожие записи:

Как выставить зажигание с помощью стробоскопа? Сигнализация действия защиты и автоматики Подключение потолочного светильника со светодиодами Маркировка smd компонентов: кодовые обозначения Как сделать веб-приложение для вашего собственного bluetooth low energy девайса? Как подключить усилитель в машине