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?

Без выяснения значения этого термина продолжать не имеет смысла. Итак, широтно-импульсная модуляция — это процесс управления мощностью, которая подводится к нагрузке, осуществляемая путём видоизменения скважности импульсов, которая делается при постоянной частоте. Существует несколько типов широтно-импульсной модуляции:

1. Аналоговый.

2. Цифровой.

3. Двоичный (двухуровневый).

4. Троичный (трехуровневый).

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.

Схема №1

Эта схема ШИМ-регулятора собиралась на инверторах КМОП-микросхемы. Она является генератором прямоугольных импульсов, который действует на 2-х логических элементах. Благодаря диодам здесь отдельно изменяется постоянная времени разряда и заряда частотозадающего конденсатора. Это позволяет менять скважность, которую имеют выходные импульсы, и как результат - значение эффективного напряжения, которое есть на нагрузке. В данной схеме возможно использование любых инвертирующих КМОП-элементов, а также ИЛИ-НЕ и И. В качестве примеров подойдут К176ПУ2, К561ЛН1, К561ЛА7, К561ЛЕ5. Можно использовать и другие виды, но перед этим придётся хорошо подумать о том, как правильно сгруппировать их входы, чтобы они могли выполнять возложенный функционал. Преимущества схемы - доступность и простота элементов. Недостатки - сложность (практически невозможность) доработки и несовершенство относительно изменения диапазона выходного напряжения.

Схема №2

Обладает лучшими характеристиками, нежели первый образец, но сложнее в выполнении. Может регулировать эффективное напряжение на нагрузке в диапазоне 0-12В, до которого изменяется с начального значения 8-12В. Максимальный ток зависит от типа полевого транзистора и может достигать значительных значений. Учитывая, что выходное напряжение является пропорциональным входному управляющему, данную схему можно использовать как часть системы регулирования (для поддержки уровня температуры).

Причины распространения

Чем привлекает автолюбителей ШИМ-регулятор? Следует отметить стремление к увеличению КПД, когда проводится построение вторичных 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.

Заключение

Что ж, вы теперь знаете, что собой представляет ШИМ-регулятор мощности, как он работает, и даже можете сами собрать подобные устройства. Поэтому, если есть желание поэкспериментировать с возможностями своего автомобиля, можно сказать по этому поводу только одно - делайте. Причем можете не просто воспользоваться представленными здесь схемами, но и существенно доработать их при наличии соответствующих знаний и опыта. Но даже если всё не получится с первого раза, то вы сможете получить очень ценную вещь - опыт. Кто знает, где он может в следующий раз пригодиться и насколько важным будет его наличие.

Регулировать значения уровня напряжение питания можно с помощью регуляторов с широтно-импульсной модуляцией. Преимущество такой настройки состоит в том, что выходной транзистор работает в режиме ключа и может быть только в двух состояниях - открытом или закрытом, что исключает его перегрев, а значит использование большого радиатора и как следствие снижает расходы на электроэнергию.

На VT1 и VT2 построен мультивибратор с регулируемой скважностью импульсов. Частота следования которых около 7кГц. С коллектора второго транзистора импульсы идут на мощный ключевой транзистор MOSFET N302AP, который и управляет подключенной нагрузкой. Скважность изменяется подстроечным сопротивлением R4. При крайнем левом положении этого сопротивления, смотри верхний рисунок импульсы на выходе узкие, что говорит о минимальной выходной мощности. При крайнем правом положении, устройство работает на максимальную мощность.

В качестве нагрузке к регулятору можно подключить лампы накаливания (в том числе и на 12 вольт), электродвигатели постоянного тока и даже регулировать ток в зарядном устройстве.

Конструкция очень простая, и при правильном монтаже сразу начинают работать. В качестве управляющего ключа, также как и в предыдущем случае применен мощный полевой n- канальный транзистор.

Если вдруг необходимо регулировать напряжение на нагрузке, один из контактов которой подключен к «массе» (такое бывает в автомобиле), то используется схема, в которой к плюсу блока питания подключен сток n -канального полевого транзистора, а нагрузка подключается к истоку.

В данной статье приводится описание двух принципиальных схем регулятора основанных на постоянного тока, которые реализованы на базе операционного усилителя К140УД6.

ШИМ регулятор напряжения 12 вольт — описание

Особенностью данных схем является возможность применить фактически любые имеющиеся в наличии операционные усилители, с напряжение питания на уровне 12 вольт, например, или .

Изменяя величину напряжения на неинвертирующем входе операционного усилителя (вывод 3) можно изменять величину выходного напряжения. Таким образом, эти схемы можно использовать как регулятор тока и напряжения, в диммерах, а также в качестве регулятора оборотов двигателя постоянного тока.

Схемы достаточно просты, состоят из простых и доступных радиокомпонентов и при верном монтаже сразу начинают работать. В качестве управляющего ключа применен мощный полевой n- канальный транзистор. Мощность полевого транзистора, а так же площадь радиатора, необходимо подобрать согласно току потребления нагрузки.

Для предупреждения пробоя затвора полевого транзистора, в случае использовании ШИМ регулятора с напряжением питания 24 вольта, необходимо между затвором VT2 и коллектором транзистора VT1 подключить сопротивление величиной в 1 кОм, а параллельно сопротивлению R7 подключить стабилитрон на 15 вольт.

В случае если необходимо изменять напряжение на нагрузке, один из контактов которой подсоединен к «массе» (такое встречается в автомобиле), то применяется схема, в которой к плюсу источника питания подсоединяется сток n -канального полевого транзистора, а нагрузка подключается к его истоку.

Желательно для создания условий, при котором открытие полевого транзистора будет происходить в полной мере, цепь управления затвором должна содержать узел с повышенным напряжением порядка 27…30 вольт. В этом случае напряжение между истоком и затвором будет более 15 В.

Если ток потребления нагрузкой менее 10 ампер, то возможно применить в ШИМ регуляторе мощные полевые p- канальные транзисторы.

Во второй схеме ШИМ регулятор напряжения 12 вольт меняется и вид транзистора VT1, а также меняется направление вращения переменного резистора R1. Так у первого варианта схемы, уменьшение напряжения управления (ручка перемещается к «-» источника питания) вызывает увеличение напряжения на выходе. У второго варианта все на оборот.

Классическая схема широтно-импульсного модуля управления 12-ти вольтовой нагрузкой, схема собрана на основе таймера 555 и полевого транзистора.

Для небольшого настольного станка с 12 В питанием, что купил недавно на Али, понадобился модуль регулятора скорости вращения двигателя. В общем решил сделать свою собственную схему, так как снова заказывать этот блок не хотелось, до и дорого будет готовый брать.

Схема ШИМ контроллера 12В

Поразмыслив пришёл к выводу, что нужна схема для регулятора скорости мотора постоянного тока в виде ШИМ-контроллера. Он может сделать гораздо больше, чем просто изменять скорость двигателя. Данная схема имеет выход 12 вольт с различной скважностью и её можно использовать в качестве многих других целей:

• Регулятор скорости мотора;
• Светодиодный диммер подсветки;
• Регулятор тепла для нагреваемого провода;
• Регулятор напряжения для электролитического травления и т. д.

Все запчасти могут куплены за копейки, или выпаяны со старых плат с деталями. Далее список радиодеталей для сборки схемы:

Детали для регулятора

• 1 х 0,01 мкФ керамический конденсатор
• 1 х 0.1 мкФ керамический конденсатор
• 2 х 1N4001 выпрямительные диоды
• 1 х 1N4004 выпрямительный диод
• 1 х IRF530 100 В 14 А полевой транзистор
• 1 х 100 Ом резистор
• 1 х 1 кОм резистор
• 1 х NE555 таймер
• 1 x 8-контактный разъем под м/с
• 1 х 100 кОм потенциометр
• 1 х 70 х 100 односторонняя ПП

На этой картинке показана печатная монтажная плата для сборки ШИМ регулятора, но вы можете разработать свой вариант. При пайке обратите внимание на расположение таймера 555. Все остальные детали вполне понятны куда чего.

Есть 3 перемычки на плате: от GND к С1, с контакта 7 555 на D1 и GND к IRF530.

Также на плате есть сквозное отверстие под транзистор IRF530 - это на теплоотвод.

При подключении мотора, нужно проверить направление вращения двигателя, прежде чем переходить к окончательной сборке, хотя электромотор будет исправно работать в любом направлении. Ну вот и вся конструкция, проверенная и 100% рабочая - успехов вам в её самостоятельной сборке!

Отличное решение для цифрового управления мощностью!

BTA100

Есть в наличии

Купить оптом

Устройство предназначено, для регулировки мощности нагрузки до 10000 Вт в цепях переменного тока с напряжением 220 В. Устройство построено на базе мощного симистора BTA100 и предназначено для регулирования мощности электронагревательных, осветительных приборов, коллекторных и асинхронных электродвигателей переменного тока и т.п. Применение данного симистора позволяет уменьшить размер радиатора охлаждения. Благодаря широкому диапазону регулировки и большой мощности регулятор найдет широкое применение в быту.

Технические характеристики

Особенности

• Плавная регулировка во всем диапазоне мощности.
• Большая мощность регулировки
• Широкий диапазон рабочего напряжения
• Детектор перехода через ноль
• Кнопочное управление
• Возможность разноса платы управления от силовой части
• Установлен радиатор

Принцип работы

Регулятор мощности использует принцип ШИМ управления с детектором контроля фазы перехода через ноль

Конструкция устройства

Регулятор мощности выполнен в виде встраиваемой панели управления с отдельным силовым модулем.

Статьи

Схемы

Комплект поставки

• Модуль управления - 1 шт.
• Силовой модуль - 1 шт.
• Инструкция - 1 шт.

Что потребуется для сборки

• Для подключения понадобится: провод, отвертка, бокорезы.

Подготовка к эксплуатации

• Подключите к клеммам «OUTPUT» лампу накаливания.
• Подключите сетевой шнур к контактам IN 220V.
• Включите вилку в сеть 220В.
• Нажатием кнопок, на панели управления, проверьте изменение яркости лампы.
• Проверка завершена. Приятной эксплуатации.

Условия эксплуатации

• Температура -30С до +50С. Относительная влажность 20-80% без образования конденсата.

Меры предосторожности

• Модуль и клеммы находятся под опасным напряжением 220В.
• Соблюдайте меры безопасности, не касайтесь контактов печатной платы, пока модуль включен в сеть 220В.

Вопросы и ответы

• Добрый день. Собираюсь приобрести у Вас цифровой ШИМ регулятор мощности 220В / 10кВт (45А) и использовать его в качестве устройства плавного пуска снегоуборщика для с коллекторным двигателем 3 kW. В связи с этим у меня несколько вопросов об этом регуляторе: 1. Будет ли регулятор корректно работать, в том смысле, что регулировка будет плавной и без рывков? 2. Сколько контактов замыкают кнопки управления регулятора? Вопрос продиктован идеей поместить устройство управления в прозрачный герметичный корпус, а продублировать влагозащищённым джойстиком переключателем. 3. Достаточно ли площади радиатора для указанной в характеристиках мощности или потребуется вентилятор охлаждения? 4. Не находится ли радиатор под напряжением? Можно ли его оставить вне влагозащищенного корпуса?С уважением, Сергей.
  • 1. Рывков быть не должно, шаг перестройки составляет 1%. Тем не менее для каждого случая необходимо тестировать индивидуально. 2. Каждая кнопка замыкает два контакта. 3. В характеристиках указана пиковая мощность устройства. Номинальная мощность составляет 7-8 кВт.
• 1. Панель Управления входит в комплект? 2. Можно ли ее настроить на определенный процент и отключить, что бы при этом заданный процент сохранялся и после отключения питания?
  • 1. Панель управления входит в комплект. 2. Отключать панель управления нельзя. 3. при отключения питания настройки не сбиваются.
• Здравствуйте, а можно поточнее узнать куда подключается фаза, а куда ноль, и по выходу тоже. Просто нагреватель, где надо регулировать мощность находится в составе нагревателей и у них общий ноль
  • Шину НОЛЬ необходимо подключать к двум средним контактам.
• Здравствуйте! Скажите, пожалуйста, корпус управляющего симистора имеет гальваническую развязку от электрической сети? Если этот регулятор встраивать в металлический корпус устройства его радиатор нужно изолировать от корпуса?
  • Все верно, радиатор устройства обязательно нужно изолировать от корпуса.
• Добрый день. Каким регулятором можно регулировать первичную обмотку трансформатора? Спасибо.
  • По отзывам регулируют с помощью MK071M. Сами не пробовали.