PWM regulátor

Každý určitě doma máme vrtačku, motorek, či jiný aparát, který potřebujeme regulovat, a pokud ne, budeme někdy mít. PWM řízení je účinnější než lineární řízení. Na základě lineárního řízení je postaven ovládací panel pro 4x fan do PC.

Nejprve trochu teorie. Pro řízení otáček máme 2 alternativy, lineární nebo pulzní regulaci. Každá varianta má různou účinnost, efektivnost a kvalitu. Při lineární regulaci je snižováno napětí (omezován proud), kterým je motorek napájen, navíc při nízkých otáčkách dochází k trhavému chodu motorku, rozdílový výkon se ztrácí na výkonovém prvku obvodu(regulátoru). Proto je třeba výkonový prvek náležitě chladit (u malých motorků dosahuje ztrátový výkon jednotky, u větších motorků desítky wattů). Tento fakt zvětšuje regulátor (velké pasivní chladiče), nastává teplotní namáhání součástek v celém obvodu, zvyšuje se energetická náročnost a náklady na provoz(zbytečně protopený výkon). Lineární regulaci provází další negativní jev projevující se při velmi nízkých otáčkách (malém napětí), při kterém se motorky nerozebíhají plynule.

Pulzní regulátory otáček jsou využívány zejména pro naši aplikaci a to řízení stejnosměrných motorků. Princip spočívá v napájení motorku jmenovitým napájecím napětím, které je však připojováno v impulzech po definovaný časový úsek, který je střídán nulovým napájecím napětím. Délka napájecího pulzu potom určuje rychlost otáčení motorku, přičemž se střída může pohybovat od 0 do 100%. Výhodou pulzního řízení oproti lineárnímu je snížení výkonové ztráty regulátoru na minimum a zachování kroutícího(točivého) momentu motorku, což umožňuje provozovat motorek od velmi nízkých otáček.

Nyní už je jasné proč právě PWM a můžeme se pustit do stavby. Zvolil jsem trochu odlišnou variantu než běžnou s obvodem 555 a to s operačními zesilovači. Zapojení není nijak složité, je spíše triviální, tím lépe. Trochu si ho popíšeme.

Řídící obvod je realizován dle katalogového zapojení obvodu LM324N, což je IO se 4mi OZ. IO1A slouží jako referenční zdroj Vcc/2, které použijeme jako virtuální zem pro oscilátor tvořený obvody IO1D a IO1C. IO1C slouží jako generátor obdelníkového průběhu, který generuje ze vstupního pilového napětí, které generuje IO1D. Frekvenci oscilátoru nastavujeme potenciometrem P2. IO1B je zapojen jako komparátor. Na jeho neinvertující vstup je přivedeno pilové napětí z oscilátoru a na invertující přivádíme přes potenciometr P1 napětí 0V-Vcc, čímž nastavujeme komparační úroveň. Je-li napětí na invertujícím vstupu nastaveno na určitou mez Ux, je porovnáváno s pilovým napětím na neinvertujícím vstupu. Na gate tranzistoru T1(N-MOSFET IRF520) je přiveden obdelníkový průběh z komparátoru IO1B, kterým spínáme motorek v drainovém obvodu tranzistoru.

Tranzistor je řízen napětím a nikoli proudem, takže nezatěžuje budící stupeň. Jistou nevýhodou je poměrně vysoká vstupní kapacita, která poněkud deformuje průběh budícího impulzu při použití ochranného odporu vyšší hodnoty. Důsledkem je pak vyšší výkonová ztráta, protože tranzistor nepracuje v čistě spínacím režimu. Námi zvolená hodnota rezistoru R6 1k představuje kompromis. Také by bylo dobré doplnit výkonový spínací tranzistor chladičem, ale pokud se hřeje přiměřeně, nemusíme ho používat. Řízený obvod můžeme také doplnit diodou s kondenzátorem antiparalelně k motoru(také se jí říká damper dioda). Toto zapojení chrání tranzistor před napěťovými špičkami, které produkuje motor při komutaci.

Zde jsou ke stažení podklady v PDF a PS z programu Eagle.

Na následujících obrázcích vidíme důsledek nastavení komparační úrovně, při vysoké hodnotě Ux dochází k dochází k pozdnímu překlopení a výsledkem jsou úzké pulzy(obr. 1), naopak při nízké komparační úrovni máme na výstupu IO1D široký pulz s malou mezerou(obr. 2).

Pro změnu zde, jsou průběhy nastaveného kmitočtu pomocí trimru P2. Na prvním obrázku je nízký kmitočet, který odpovídá vysoké hodnotě odporu trimru P2, na druhém je vysoký kmitočet. Jak vyplývá ze vzorce:

f = (R4+Rc)/(4*C*P2*R4) pokud je splněna podmínka R3 = (R4*R5)/(R4+R5)

Tento PWM regulátor je jednoduchý, levný a dostatečně účinný, je alternativou zapojení s časovačem 555.