PWM DC voltage and current regulators

This article describes different ways to build AC/DC converters with stabilization of output voltage or current output designed to work on both the active and inductive load.

Широтно-импульсная модуляция (PWM, Pulse-Width Modu­lation) – это распространенный способ управления мощнос­тью, подводимой к нагрузке, методом изменения ширины (дли­тельности) импульсов или паузы между импульсами при по­стоянной или изменяющейся частоте. ШИМ широко приме­няется в промышленности и в быту для регулировки и ста­билизации напряжения или тока преобразователей, блоков питания, зарядных устройств, сварочных аппаратов и т.п.

На рис.1 отображены различные варианты ШИМ. Отно­шение периода следования электрических импульсов к их длительности называется скважностью, а для ШИМ-регуляторов – это величина обратная мощности выделяемой в нагрузке. Так для уменьшения тока нагрузки мы должны уве­личивать скважность регулируемого тока и наоборот.

Вниманию читателей предлагается схема устройства, на основе таймера NE555 (отечественный аналог 1006ВИ1) Это – источник регулируемого стабильного напряжения или тока для изолированных от земли мощных потребителей посто­янного тока, таких как, например, роторы мощных синхрон­ных машин или двигатели постоянного тока (ДПТ). На рис.2 показан стабилизатор напряжения, на рис.3 – стабилиза­тор тока. Максимальная величина тока нагрузки (в десят­ки или даже сотни ампер) определяется способностью се­тевого выпрямительного моста VD1, силового ключа VТ1 и габаритами радиатора охлаждения, на котором они установ­лены. а при индуктивной нагрузке – еще и параметрами диода VD7, ток через который, в этом случае, соизмерим с током нагрузки.

Stabilizer works as follows: when the achievement status of the parameter in the appropriate voltage or current sensor (R14 in Fig. 3), the resistor RV1 and investigator but, and optrone 1998 formed feedback signal, which can block sets DA1 and generator, the Kim way, locks power key VT1. An output parameter, as a result of discharge capacity and/or inductance, starts to decline and then resumes operation of the generator.

Due to the high performance chips, frequency PL mutation rate regimes work-lock is obtained significant and may even exceed the frequency generating PWM (fig. 4) and, as a consequence, the rate of stabilization schemes will be quite high.

Automatic method described above the NE555 timer control on input e (p. 4) is not the only one but possible. Control signal via optocoupler (or Ka Kim or any other method), you can claim input R (p. 6), i.e., chastotozadajushhij capacitor C11, you can adjust the duty cycle in a fairly wide range, or U_n (p. 5). this regulation limits will be somewhat less, but it is possible to achieve so-called EF effect stroke. In this case, when you reduce the network voltage or CE when increasing the load current, the output voltage does not Noe decreases and increases and vice versa.

Converter details

In the role (fig. 2 and Fig. 3) it is best to use a powerful MOSFEET transistor IGBT or nominal then com not below the maximum load current.

For example, to build a powerful engine of th soundbite Activator you can use IGBT transistor, Che razhennyj in Fig. 5-MG300Q1US11 (nominal current 300 a and voltage exceeding 1000 v). In practice, equipment repair electricians sometimes have the min exit with failure of power IGBT modules, such as SKM150GB128D (fig. 6) M150DSA120 or CM200DY-24NF (fig. 7). Usually, one of two transistors module IP remains fledged. For us it's "Salvation" and valuable DETA, and defense budget from considerable acquisition cost Research Institute very expensive components.

Цепочка R15, С15 (рис.2 и рис.3) – это снаббер, т.е. дем­пфирующее устройство, не допускающее опасного перенапря­жения при закрывании ключа. На схемах рис.8 и рис.9 снаб­бер дополнен диодом VD11, заметно уменьшающим тепловые потери на резисторе снаббера.

Диод VD7 (рис.2, рис.3) необходим для работы с индук­тивной нагрузкой. Для токов в десятки и сотни ампер можно применить быстрый спаренный диод MURP20040CT фирмы Motorola (200 А, 400 В). Для меньших токов можно использо­вать менее мощные диоды, но они должны быть «быстрыми» – серии SF, UF. HER, FR (в порядке ухудшения быстродействия). Если нагрузка не индуктивная: нагреватели, гальванические ванны и др., то этот диод можно не устанавливать.

The company produces Semikron, as would be the case especially for sheha, a very interesting IGBT module SKM400GAL128D (fig. 10), which includes, besides the usual parallel lelnogo transistor diode, another power diode, "RO" "upper" transistor. Use this module you can according to the diagram in Fig. 11. By the way, this diagram to demonstrate that the feed device can not only live on the prjazheniem network, but linear, allowing you to receive one hundred question adjustable DC voltage on the output of up to 550 in and more.

Get high voltage can and from odnofaz Noi network using voltage doubler. For this purpose (see fig. 11) to replace one polumost (VD4) two oxide capacitors included follower but instead of diode bridge (similar to C2, C3 are included on the same figure). In this case, the rectified voltage will be in 640, but the power of the entire installation will limit the capacity of these capacitors Chen.

В роли R1, ограничителя зарядного тока конденсаторов сетевого фильтра, должен быть резистор, способ­ный кратковременно выдержать сетевое напряже­ние без разрушения. Следует только заметить, что чем больше сопротивление этого резистора, тем меньше может быть его мощность, но тем доль­ше будут заряжаться конденсаторы С2, С3 до го­товности к работе. Ограничителем зарядного то­ка может быть лампа накаливания на напряже­ние 230 В, а лучше – две (рис.3). Конденсаторы С21, С22 вместе с диодным мостом VD12 на рис.12 служат для замены «энергоемкого» резистора в цепи питания схемы управления (R2 на рис.2), они должны быть рассчитаны на напряжение не ниже 350 В. Их емкость определяет ток через стабилитрон VD2 и, следовательно, степень его нагрева и каче­ства стабилизации. При большем токе стабильность напря­жения питания микросхемы улучшается, но возникает необ­ходимость использования радиатора для стабилитрона.

Improve stabilization settings without installing RA Torah and protect from disturbances originate scheme will help WTO paradise stage stabilization at stabilitrone VD3 (fig. 11). Would be much better if you use the integrated stabilizer DA1 (fig. 12).

Но самым радикальным способом улучшения стабильно­сти работы устройства будет питание схемы управления от отдельного источника питания (AC/DC преобразователь на рис.3). В качестве последнего можно использовать заряд­ное устройство от старой «мобилки» с выходным напряже­нием 8.. 12 В. Автор встречал китайские «зарядки» с напря­жением более 16 В – такие тоже подходят. Гальваническую развязку обеспечивает трансформатор в зарядном устрой­стве. Дополнительная стабилизация напряжения источника, в этом случае, тоже не помешает. Важным условием пра­вильной работы схемы является последовательность вклю­чения источника питания микросхемы – только после заряда накопительных конденсаторов С2, С3, что обеспечивает дополнительная контакт­ная группа К1.2 контактора К1 (рис.2).

Назначение стабилитронов VD9, VD10 в измерительной цепи – ограничить «сни­зу» регулировку выходного напряжения. Дело в том, что трудно представить себе прикладное назначение подобного устрой­ства с регулировкой от нуля до 300 В. да­же лабораторные источники питания с та­кими возможностями вряд ли имеют смысл. Минимальное выходное напряжение источ­ника примерно соответствует напряжению стабилизации VD9 (VD10). Так если, на­пример, требуется напряжение в пределах 200…300 В, то в роли VD11 необходима сборка из трех стабилитронов на 65…70 В каждый, напри­мер BZX55C68. Д817Б или двух на 100В (BZX55C100, Д817Г). С высоковольтными стабилитронами нужно быть осторож­ным – при большом токе через них стабилитроны сильно гре­ются, а малого тока через них может не хватить для нор­мальной работы светодиода оптрона.

Limit from above output voltage will help us towards additional resistors R16 measuring CE PI (fig. 11).

Для индуктивной нагрузки (обмотка возбуждения элект­рической машины, электромагнит металлообрабатывающего станка и т.п.) конденсатор С16 не нужен. Индуктивность дрос­селя L2 должна быть не меньше 10 мГн для минимальной частоты преобразования в десятки герц (определяется пара­метрами элементов R8, R12, С11) и может быть уменьшена для более высоких частот. Кстати, «сложность» частотозада­ющей цепи (R8, R12. С11, VD13) определяется необходимо­стью сформировать «естественную» (без обратной связи) фор­му сигнала, отличающуюся от «меандра» (это – когда скважность равна двум, см. рис.1,а, Nom.), а сделать ее с боль­шим заполнением, близким к единице (рис.1,а, Мах).

Inductor L1 is not a necessary part of the schema, and only serves to improve the power factor (cosφ treatment took away) that require a power-generating company.

На потребительские свойства этот элемент не вли­яет (кроме ухудшения массо-габаритных показате­лей). Конструкция обоих дросселей (L1, L2) не име­ет особого значения, лишь бы они не насыщались при максимальном токе (они должны быть или очень большого геометрического размера, или с немагнит­ным зазором в магнитопроводе), сечение провода должно быть рассчитано на максимальный ток, а изоляция – на максимальное напряжение.

Конденсатор С14 имеет принципиальное значе­ние – он уменьшает наводимые помехи и замедляет процессы в цепях обратной связи а, следовательно, уменьшает частоту коммутации при стабилизации вы­ходного параметра. Дело в том, что IGBT ключи не «любят» работать на частотах в десятки килогерц – им «комфортнее» если частота переключения не вы­ше 10… 15 кГц (MOSFEET транзисторы могут работать на частотах в десятки раз больших). Качество стабилизации от этого немного ухудшается, но если «надеж­ность» не пустой звук для разработчика, то это того стоит.

First enable and configure the device

Very important! Discussed devices do not have galvanic isolation from the mains 230 v/50 Hz, i.e. all elements of cops are under dangerous voltage for a human being.

Before serving, line voltage it is advisable to convince in the health regulator. To do this from an external source of voltage 8 .. 15 in the need to power the chip SI defines the part of the regulator and the RV1 scheme fig. 13. The role of loading Ki can play car light with power, to which can provide temporary power source. After Assembly the interim scheme and the filing of the tension, the lamp should light up with maximum tension when you move the slider up and RV1 must prituhat to a minimum when you move engine RV1 down. If it is possible (after the restoration of the original schema) to some high voltage.

Improve consumer properties of the converter

It goes without saying that feed schema can but not only directly from the network 230 v/50 Hz, and through power isolating transformer with the secondary winding to the desired voltage (from 30 to 400), which is not shown on the diagrams.

На практике часто возникает необходимость в защите от экстремальных условий работы источника питания – перегрузки, короткого замыкания в нагрузке, перенапряжения и т.п. Предлагаемая разработка имеет неограниченные возможнос­ти модернизации. На рис.12 изображена схема с защитой от короткого замыкания в нагрузке – в случае превышения тока через датчик тока К3, срабатывает геркон (К3.1) и, свои­ми контактами, дает отпирающий импульс на управляющий электрод тиристора VS1, который, в свою очередь, блокирует таймер DA1 и зажигает лампу HL3. В таком положении схе­ма будет находиться до отключения питания и устранения не­исправности. Датчик тока К3 представляет собой провод или шину, свитые в спираль, вдоль оси которой и на­ходится геркон К3.1. Ре­гулировка чувствительно­сти датчика производит­ся продвижением геркона вдоль оси спирали. Для токов в единицы ам­пер эта спираль содержит десятки витков, для десятков ампер – единицы витков, а для тока в сотни ампер геркон располагается поперек токо­ведущей шины и регулируется поворотом на некоторый угол от перпендикуляра – самого чувствительного его положения.

Короткие замыкания в плюсовой шине нагрузки, как и питающих шинах, представляют собой особый вид замыка­ний, с которым трудно бороться. В этом случае (рис.11) дат­чик тока К3 в плюсовой шине питания защищает не столько нагрузку, сколько источник питания, диодный мост и контак­ты К1. От перегрузок спасет подобная защита в цепи отри­цательной шины нагрузки (рис.14), рассчитанная на отклю­чающий ток, незначительно превышающий номинальный (при­мерно на 15…20%). Тогда реле Кб заблокирует только тай­мер DA1 (перегруз), а реле К3, при коротком замыкании на землю, отключает контактор К2 и, следовательно, К1 (как на рис.11). Если неисправность не устранена, разряжаются на­копительные конденсаторы и загорается «сигнальная» лам­па HL2, которую можно сопроводить надписью «Авария» или «Неготовность».

Protect the device from short circuit in loading and other current violations can also install induk efficiency L4 in the chain of the emitter power key (fig. 12). For the granting of the rated current of the installation of the number of turns of the coil L4 can be from units to tens (similar to dates current K3 on Chiku fig. 11) with cross-section known pain shim necessary (fig. 15). Normally this ele ment (due to its low resistance) have no significant impact on the mode of operation and in the case of tea "force majeure" generates a control signal for blo kirujushhego transistor VT2.

На рис.3 изображен способ реверсирования двигателя при помощи дополнительных контакторов К4 и К5 и комму­тационных элементов SB1… SB3, но делать это желательно после остановки двигателя или на малых оборотах.

Дополнительные дроссели L5, L6 на рис.14 кроме традици­онной функции сглаживания пульсаций обладают дополнитель­ными функциями – это дифференциальные датчики тока и тем­пературно-зависимые датчики тока. При коротком замыкании в нагрузке, скорость нарастания тока (di/dt) колоссальна и ЭДС наводимая в индуктивности возрастает раньше, чем ток до­стигнет опасных значений. Быстродействующая защита тоже сработает раньше и разрушений не будет – это дифференциаль­ная защита по току. А температурная защита основана на ис­пользовании высокого температурного коэффициента сопротив­ления меди. При увеличении температуры, сопротивление об­мотки увеличивается и это воспринимается датчиком тока, как увеличение тока, что приводит к его автоматическому сниже­нию и защите от перегрева других элементов схемы. От пере­напряжения в нагрузке (например, при пробое силового клю­ча VT1) может защитить реле высокого напряжения К7 (рис.8). После втягивания это реле остается под напряжением, даже если напряжение само нормализовалось – для выявления и устранения неисправности оперативным персоналом.

In Fig.9 shows another method of locking the timer during an accident, using magnetic reed switch similar to that shown in Fig.12. The scheme is slightly more complicated, but has more speed.

Author: Alexander Shufotinskij, Krivoy Rog
Source: Electric log # 9/2017