Плавный пуск и регулировка оборотов электродвигателя с помощью таймера NE555
ШИМ — регуляторы оборотов двигателей на таймере 555
Широкое применение таймер 555 находит в устройствах регулирования, например, в ШИМ — регуляторах оборотов двигателей постоянного тока.
Все, кто когда – либо пользовался аккумуляторным шуруповертом, наверняка слышали писк, исходящий изнутри. Это свистят обмотки двигателя под воздействием импульсного напряжения, порождаемого системой ШИМ.
Другим способом регулировать обороты двигателя, подключенного к аккумулятору, просто неприлично, хотя вполне возможно. Например, просто последовательно с двигателем подключить мощный реостат, или использовать регулируемый линейный стабилизатор напряжения с большим радиатором.
Вариант ШИМ — регулятора на основе таймера 555 показан на рисунке 1.
Схема достаточно проста и базируется все на мультивибраторе, правда переделанном в генератор импульсов с регулируемой скважностью, которая зависит от соотношения скорости заряда и разряда конденсатора C1.
Заряд конденсатора происходит по цепи: +12V, R1, D1, левая часть резистора P1, C1, GND. А разряжается конденсатор по цепи: верхняя обкладка C1, правая часть резистора P1, диод D2, вывод 7 таймера, нижняя обкладка C1. Вращением движка резистора P1 можно изменять соотношение сопротивлений его левой и правой части, а следовательно время заряда и разряда конденсатора C1, и как следствие скважность импульсов.
Рисунок 1. Схема ШИМ — регулятора на таймере 555
Схема эта настолько популярна, что выпускается уже в виде набора, что и показано на последующих рисунках.
Рисунок 2. Принципиальная схема набора ШИМ — регулятора.
Здесь же показаны временные диаграммы, но, к сожалению, не показаны номиналы деталей. Их можно подсмотреть на рисунке 1, для чего он, собственно, здесь и показан. Вместо биполярного транзистора TR1 без переделки схемы можно применить мощный полевой, что позволит увеличить мощность нагрузки.
Кстати, на этой схеме появился еще один элемент – диод D4. Его назначение в том, чтобы предотвратить разряд времязадающего конденсатора C1 через источник питания и нагрузку — двигатель. Тем самым достигается стабилизация работы частоты ШИМ.
Кстати, с помощью подобных схем можно управлять не только оборотами двигателя постоянного тока, но и просто активной нагрузкой – лампой накаливания или каким-либо нагревательным элементом.
Рисунок 3. Печатная плата набора ШИМ — регулятора.
Если приложить немного труда, то вполне возможно такую воссоздать, используя одну из программ для рисования печатных плат. Хотя, учитывая немногочисленность деталей, один экземпляр будет проще собрать навесным монтажом.
Рисунок 4. Внешний вид набора ШИМ — регулятора.
Правда, уже собранный фирменный набор, смотрится достаточно симпатично.
Вот тут, возможно, кто-то задаст вопрос: «Нагрузка в этих регуляторах подключена между +12В и коллектором выходного транзистора. А как быть, например, в автомобиле, ведь там все уже подключено к массе, корпусу, автомобиля?»
Да, против массы не попрешь, тут можно только рекомендовать переместить транзисторный ключ в разрыв «плюсового» провода. Возможный вариант подобной схемы показан на рисунке 5.
На рисунке 6 показан отдельно выходной каскад на транзисторе MOSFET. Сток транзистора подключен к +12В аккумулятора, затвор просто «висит» в воздухе (что не рекомендуется), в цепь истока включена нагрузка, в нашем случае лампочка. Такой рисунок показан просто для объяснения, как работает MOSFET транзистор.
Для того, чтобы MOSFET транзистор открыть, достаточно относительно истока подать на затвор положительное напряжение. В этом случае лампочка зажжется в полный накал и будет светить до тех пор, пока транзистор не будет закрыт.
На этом рисунке проще всего закрыть транзистор, замкнув накоротко затвор с истоком. И такое вот замыкание вручную для проверки транзистора вполне пригодно, но в реальной схеме, тем более импульсной придется добавить еще несколько деталей, как показано на рисунке 5.
Как было сказано выше, для открывания MOSFET транзистора необходим дополнительный источник напряжения. В нашей схеме его роль выполняет конденсатор C1, который заряжается по цепи +12В, R2, VD1, C1, LA1, GND.
Чтобы открыть транзистор VT1, на его затвор необходимо подать положительное напряжение от заряженного конденсатора C2. Совершенно очевидно, что это произойдет только при открытом транзисторе VT2. А это возможно лишь в том случае, если закрыт транзистор оптрона OP1. Тогда положительное напряжение с плюсовой обкладки конденсатора C2 через резисторы R4 и R1 откроет транзистор VT2.
В этот момент входной сигнал ШИМ должен иметь низкий уровень и шунтировать светодиод оптрона (такое включение светодиодов часто называют инверсным), следовательно, светодиод оптрона погашен, а транзистор закрыт.
Чтобы закрыть выходной транзистор, надо соединить его затвор с истоком. В нашей схеме это произойдет, когда откроется транзистор VT3, а для этого требуется, чтобы был открыт выходной транзистор оптрона OP1.
Сигнал ШИМ в это время имеет высокий уровень, поэтому светодиод не шунтируется и излучает положенные ему инфракрасные лучи, транзистор оптрона OP1 открыт, что в результате приводит к отключению нагрузки – лампочки.
Как один из вариантов применения подобной схемы в автомобиле, это дневные ходовые огни. В этом случае автомобилисты претендуют на пользование лампами дальнего свете, включенными вполнакала. Чаще всего эти конструкции на микроконтроллере, в интернете их полно, но проще сделать на таймере NE555.
Плавный пуск и регулировка оборотов электродвигателя с помощью таймера NE555
PWM регулятор от 0% до 100% на NE555. Новое схемное решение.
Автор: Simurg, ghjdflf@mail.ru
Опубликовано 05.09.2017
Создано при помощи КотоРед.
Очень удобно регулировать мощность в нагрузке и ее включать/отключать только одним элементом управления. В представленном варианте регулятора можно полностью выключить, полностью включить и плавно регулировать мощность одним переменным резистором.
Также схема позволяет регулировать мощность внешним напряжением с плавающим максимальным уровнем, который можно задать в пределах от 5 вольт до 12 вольт стабилитроном (его нужно исключить из схемы, если предполагается регулировать только переменным резистором, а не напряжением извне).
Частоту можно задать в широких пределах от 1 Гц до 300 кГц с помощью RC цепи. Метод регулирования мощности комбинированный: ШИМ/ЧИМ. Частота не фиксирована. С повышением мощности частота снижается логарифмически со значительным снижением частоты в почти максимуме.
Плата получается очень компактной:
Схема выполнена на самых дешевых и распространенных компонентах и функционально состоит из двух частей: сам регулятор и драйвер полевых транзисторов.
И сокращенная схема если регулировать переменным резистором:
Регулятор: Особенность схемного решения регулятора заключается в понижении питания таймера на 1,2-1,7 вольт относительно его максимального напряжения задания на выводе 4 и 5. Когда необходимо включить нагрузку полностью, то подают напряжение выше на 1, 2 вольта относительно питания. При этом на выходе 3 устанавливается постоянно высокий уровень. И если надо нагрузку выключить, то подают 0…0,7 вольта на вывод 4 и 5, через 4 вывод на вход сброса подается низкий уровень и таймер на выходе 3 устанавливает постоянно низкий уровень.
Для подавления дребезга (многократного включения/выключения выхода на максимально возможной частоте таймера), который возникает при регулировании около «0» на коротком участке, используется небольшая ПОС резистором «антидребезг» от 4,7к до 20к в зависимости от степени подавления.
Драйвер: Состоит из таймера и повторителя. Управление таймером через вывод 4 сброса. При таком включении используется только выходной каскад, отключая всю остальную часть. Этим обеспечивается максимальна частота переключения, которая может достигать 500 кГц.
Снабберная цепь в стоке-истоке выходных транзисторов, примерно подбирается в зависимости от частоты. Ток ограничен максимально допустимым током выходных транзисторов.
Плавный пуск и регулировка оборотов электродвигателя с помощью таймера NE555
Притащил недавно зять, отец некоторых моих внуков, в гараж к себе довольно побитый детский электромобильчик (далее — машинка), что бы самые младшие ПДД осваивали. Мужик он рукастый, механику и электрику сам запустил, ко мне обратился вот почему — при трогании с места резкий рывок, у дитенка аж башка дергается. Он знал, что несколько лет назад я устанавливал устройства плавного пуска в машинки, которые в парках в выходные (и не только, возле каждого крупного магазина) сдавались в прокат, детям покататься, и припахал меня. Ну, наработки остались, почему бы и нет.
Машинка такого класса имеет:
— «газ», педаль, включатель без намека на регулирование;
— «коробка», переключатель быстро-медленно, включает оба двигателя либо параллельно (быстро), либо последовательно (медленно);
— «реверс», переключает полярность напряжения, подаваемого на двигатели. И все. Даже машинки, управляемые через блютуз, имеют такую же структурную схему. Есть варианты с использованием реле для ШИМ, но, как сказано в одном фильме: «Это несерьезно!» Итак, сильно упрощенная схема выглядит так. Рядом — включение нашего модуля.
Частотозадающая цепь состоит из С1 и R1, а соотношение лог. 1 и 0 – скважность – от положения ползунка R1, точнее, от соотношения сопротивлений верхней и нижней частей резистора. Эти части управляют скорость заряда или разряда конденсатора, зависит от диода. Когда они равны, длительность свечения и «несвечения» светодиода будут равны. В одном из крайних положений ползунка будет длительное свечение при коротком времени погасания, в другом – короткие вспышки.
Но изображенная схема хорошо работает при ручной регулировке, для нашей цели – плавного пуска – лучше использовать таймер NE555 (далее просто таймер), «заточенный» именно под такие режимы. Отечественный аналог КР1006ВИ1, другие аналоги: Philips — EGG955M, Maxim — ICM755, Motorola — MC1455/MC1555, National — LM1455/KM555C, NTE Silvania — NTE955M, Raytheon — RM555/RC555, RCA — CA555/CA555C, Sanyo — LC7555, Texas instruments — SN52555/SN72555. Полное описание приводить смысла нет, есть справочники, но суть в том, что у него есть вход «Контроль» (CTRL), 5 ножка микросхемы. Вот описание с «Радиокота»:
…5. Контроль. Этот вывод позволяет получить доступ к опорному напряжению компаратора №1, которое равно 2/3Vпит. Обычно, этот вывод не используется. Однако его использование может весьма существенно расширить возможности управления таймером. Все дело в том, что подачей напряжения на этот вывод можно управлять длительностью выходных импульсов таймера и, таким образом, забить на RC времязадающую цепочку. Подаваемое напряжение на этот вход в режиме моностабильного мультивибратора может составлять от 45% до 90% напряжения питания. А в режиме мультивибратора от 1,7в до напряжения питания. При этом мы получаем ШИМ сигнал на выходе. Если же этот вывод не используется, то его рекомендуется подключить к общему проводу через конденсатор 0,01мкФ (10нФ) для уменьшения уровня помех и всяких других неприятностей….
От себя добавлю, что если напряжение на 5 ноге равно или больше напряжения питания, генерация срывается, на выходе единица, ключ полностью открыт (что нам и надо).
Рассмотрим реальные схемы.
Самая первая серийная схема, разработанная и изготовленная на биполярных транзисторах. (Под словом «серийная» подразумевается, что их я изготовил более 10 штук).
Особенности этой схемы:
— куча мощных транзисторов (КТ819, потом КТ863) — плохо, занимают много места, нагрев;
— куча выравнивающих резисторов – очень плохо, занимают место, сильный нагрев;
— реле времени на тиристоре – большой конденсатор, занимает место;
— наушник, звуковой иммитатор разгона – хорошо, но занимает место.
Далее основная серийная схема. Эту рассмотрим подробнее.
Обеспечивает плавное трогание вперед, задний ход включается рывком. Для экономии заказчик с этим согласился. От звукового иммитатора отказались. Полевые транзисторы 55N06, выписанные из Китая, на 20% ушли в брак, но оставшиеся работали настолько хорошо (малые потери и нагрев), что от РВ не сразу, но отказались (детали K1, VD4, VT2, C5 и R5 не устанавливались). Интенсивность разгона определяется конденсатором С3 (от 1000,0 до 4700,0 мкФ) и резистором R1, номинал подобран экспериментально. Получить ограничение или возможность регулировки оборотов несложно, надо подключить параллельно С3 переменный или подстроечный резистор номиналом около 10…20 кОм, ползунок которого соединить с 5 ножкой таймера.
При движении назад плюс и минус меняются местами, питание 555 отсекается диодом VD2. Ток двигателя проходит через встроенный в полевик VT1 диод, у которого допустимый ток такой же, как и у основной структуры. Включенный последовательно с демпферным диодом VD3 резистор R8 мало влияет на его демпфирующие свойства, но защищает его от перегрузки при реверсе. Таймер здесь включен по нетиповой схеме, деталей меньше, функции те же. Питание на таймер подается через резистор R3 не только для улучшения фильтрации питания, а в основном для создания превышения напряжения на 5 ноге над напряжением питания таймера для «затыкания» его в нужном нам положении. Номинал его при использовании аналогов таймера может сильно отличаться из-за разного тока потребления. Резистор R6 и диоды VD2 и VD4 – для разрядки времязадающих конденсаторов С3 и С5 при отключении питания. Для устранения паузы в начале трогания между минусом С3 и минусом питания может устанавливаться не указанный на схеме подстроечный резистор порядка 1 кОм, настройка индивидуальная. Используется в описываемом изделии. Частота генерации определяется С2 и R2, при этих номиналах примерно 300…500 Гц, звуковой иммитатор дает приличную иммитацию разгона. Для более плавного разгона C3 можно увеличить до 4700,0 мкФ.
И схема с плавным пуском в обе стороны. Основные особенности:
— два транзисторных ключа 55N06;
— включение таймера через диодный мост, при любом подключении питание на него приходит в правильной полярности;
— т.к. падение напряжения на встроенном диоде неработающего полевика ощутимо, обязательно применение РВ, так же включенного через мост и имеющего две группы замыкающихся контактов;
— демпфер – конденсатор вместо диода.
Можно подавать напряжение в любой полярности – двигатель будет плавно разгоняться в нужную сторону.
По этой схеме и будем собирать наше изделие.
Немного о напряжении питания. Приходилось сталкиваться с 6, 12, 18 и 24 вольтовыми системами. 6В – маломощные устаревшие, приходилось ставить дефицитные 5-вольтовые реле. 12-вольтовые типовые, на 18 и 24 В надо ставить стабилитрон на таймер (как в самой первой схеме, либо микросхему типа 7812). На 24 вольтовых, самых быстрых, иногда, при большом накате, для ускоренной остановки нужен тормоз, это несложно.
При отключении питания реле закорачивает двигатель (динамическое торможение) через проволочный подстроечный резистор R1 номиналом несколько десятков Ом, которым подбирается интенсивность торможения.
Переходим к изготовлению.
Корпус есть. Небольшая доработка по выламыванию ненужных внутренностей.
Заготовки печатной платы сохранились, травить не надо.
Естественно, сразу не все пошло, но с помощью сами знаете чего изделие все-таки собрано.
Сейчас снимем ролик и вставим.
Показаны пуски двигателей напрямую и через наше изделие, всего 50 сек.
И еще о вариантах этих схем. Если будет интересно, обсудим.
Высоковольтный регулятор, есть хитрая функция.
Простая схема ШИМ-регулятора на таймере NE555
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
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 +12В 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.
Источник: http://ledjournal.info/shemy/shim-regulyator-yarkosti-svetodiodov.html
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
