Радиолюбительские конструкции

Тот, кто имел дело с мощным коллекторным электродвигателем, замечал, как резко пригасали осветительные лампы накаливания в момент пуска двигателя. Однако большой пусковой ток вреден не столько миганием ламп, сколько возможным разрушением коллектора самого двигателя и редуктора электроинструмента из-за теплового и динамического удара. В разделе описано устройство, обеспечивающее плавное увеличение тока в двигателе. Оно, кроме того, "по совместительству" выполняет функцию регулятора мощности нагрузки и электронного предохранителя, исключающего порчу инструмента при большой перегрузке или его заклинивании. Схема предлагаемого автомата приведена на рис. 67. Основой устройства послужил симисторный регулятор с фазоимпульсным управлением, описанный выше. Триггер Шмитта DD2.1 формирует крутые фронт и спад образующегося в момент перехода сетевого напряжения через нуль импульса и через эмиттерный повторитель VT3 заряжает конденсатор С10 практически до напряжения на выводе 14 микросхем. Разряжается конденсатор через резисторы R19 - R21 и открытый транзистор VT4. При снижении напряжения на конденсаторе С10 до порогового значения элемент DD2.4 переключается, фронт импульса с его выхода дифференцируется цепью C11R22 и в виде импульса длительностью около 100 мкс через элементы DD2.2, DD2.3 и транзистор VT5 включает симистор VS1. В исходном состоянии транзистор VT4 закрыт и разрядка конденсатора С10 происходит только через резистор R21. Его сопротивление подобрано так, что симистор включается в конце каждого полупериода, поэтому на выход устройства подается относительно небольшое "дежурное" сетевое напряжение. При включении нагрузки через резистор R5 начинает протекать ток, создающий на нем падение напряжения (в виде импульсов изменяющейся полярности) амплитудой 10...30 мВ. Движок подстроечного резистора R7 устанавливают в такое положение, чтобы напряжение на прямом входе ОУ DA1.1 было несколько меньше, чем на инверсном, и на выходе ОУ был сигнал низкого уровня. Импульсы с полярностью, при которой на правом (по схеме) выводе резистора R5 - плюс, переключают ОУ DA1.1, в результате чего на его выходе формируются импульсы положительной полярности амплитудой, близкой к напряжению источника питания микросхем. С выхода ОУ DA1.1 импульсы поступают на вход узла, состоящего из диода VD6, резистора R15, элементов DD1.1, DD1.2 и конденсатора С7, выполняющего функцию одновибратора с перезапуском. Пока на его входе присутствуют импульсы положительной полярности, на выходе элемента DD1.2 - сигнал высокого уровня. Конденсатор С9 плавно заряжается через резистор R17, транзистор VT4 открывается и ток коллектора увеличивается. Это приводит к более быстрой разрядке конденсатора С10 и более раннему, в пределах полупериода сетевого напряжения, открыванию симистора VSL В результате напряжение на нагрузке плавно повышается и примерно через 3 с достигает максимального. Его значение можно регулировать резистором R19 в пределах 30...98% от напряжения сети. При выключении нагрузки с задержкой в пределах 40... 50 мс напряжение на выходе элемента DD1.2 становится низким, конденсатор С9 быстро разряжается через диод VD7, напряжение на выходе устройства снижается до своего "дежурного" значения. При следующих включениях симистора процесс плавного пуска повторяется. Импульсы "дежурного" запуска симистора протекают и через резистор R5. Но они не вызывают включения ОУ DA1.1, так как их полярность не соответствует необходимой. Если при перегрузке электроинструмента или замыкании в его цепи амплитуда тока, протекающего через резистор R5, превысит 20 А, на выходе ОУ DA1.2 появятся импульсы низкого уровня. Пройдя через помехоподавляющую цепь C6R14, первый же из этих импульсов переключит второй одновибратор, образованный резистором R16, элементами DD1.3, DD1.4 и конденсатором С8. На выходе элемента DD1.4 появляется сигнал низкого уровня, который переключит в исходное состояние первый одновибратор и запретит прохождение импульсов через элементы DD2.2 и DD2.3 на базу транзистора VT5. Напряжение с нагрузки снимается. Примерно через 5...7 с второй одновибратор переключается в исходное состояние - и вновь (если нагрузка не отключена) начинается процесс плавного пуска двигателя электроинструмента. Если причина срабатывания защиты не устранена, она вновь сработает. Такой процесс будет повторяться каждые 5...7 с. Диоды VD4 и VD5 защищают входы ОУ DA1 в аварийных ситуациях. Электродвигатель инструмента, как нагрузка, имеет заметную индуктивную составляющую, в связи с чем ток через него прекращается не в момент перехода напряжения сети через "нуль", а несколько позже. Поэтому импульс, открывающий симистор при максимальной мощности, следует подавать позже, чем в случае чисто активной нагрузки. Для этого сопротивление резистора R2 уменьшено, что привело к расширению импульса низкого уровня на коллекторах транзисторов VT1, VT2 и увеличению задержки появления запускающего импульса относительно момента перехода сетевого напряжения через "нуль". Чтобы за время импульса запуска ток через нагрузку с индуктивной составляющей достиг значения тока удержания симистора, длительность запускающих импульсов увеличена примерно до 100 мкс за счет установки конденсатора С 11 большей емкости. В связи с этим потребовалось защитить транзистор VT5 (резистором R24) от возможной перегрузки. Все элементы устройства, кроме симистора VS1 с его ребристым теплоотводом размерами 60х50х40 мм и выходного разъема XI, смонтированы на печатной плате (рис. 68), выполненной из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Плата рассчитана на установку резисторов МЛТ, конденсаторов К73-17 на номинальное напряжение 250 В (С1, С10), К50-16 (С2), К53-18 (С9), КМ-5 и КМ-6 (остальные). Конденсаторы С1 и С10 могут быть любыми другими, обозначение которых начинается с К73, например К73-16. Номинальное напряжение конденсатора С1 должно быть не менее 250 В, конденсатора С10 - любое. Переменный резистор R19 - СПЗ-4аМ или СПЗ-46М, подстроечный R7 - СПЗ-19а. Диоды VD1, VD2, VD4 - VD7 - любые кремниевые импульсные, стабилитрон VD3 - на напряжение стабилизации 10... 12 В. Микросхема К561ЛА7 (DD1) заменима на К176ЛА7 или
Рис.68
КР1561ЛА7, а К561ТЛ1 (DD2) - на КР1561ТЛ1. Вместо ОУ К140УД20 (DA1) подойдут два ОУ КР140УД7 или КР140УД14. Резисторы R6, R8, R9, R11-R13 - С2-29 с допуском 0,25%, однако их сопротивления могут быть в 1,5 - 2 раза больше указанных на схеме. Важно, чтобы сохранялись соотношения R6==R8, R9=R11, R12=R13, R6=2R12, причем последнее равенство - приблизительно. Сопротивление резистора R10 должно составлять примерно 20% от номинала R12. Здесь существенно не столько сопротивление резисторов, сколько их стабильность. Если не удастся подобрать стабильные резисторы, то, возможно, придется подстраивать резистор R7 в процессе эксплуатации. Резистор R5 изготовлен из восьми отрезков нихромовой проволоки диаметром 0,8 мм, которые соединены параллельно и скручены в жгут. Длина отрезков (несколько сантиметров) подобрана с таким расчетом, чтобы сопротивление каждого из них было 0,40м±10%. Готовый резистор припаян к двум гнездовым контактам диаметром 1 мм от разъема 2РМ. К ним же подпаяны и провода силовой разводки, как это показано на рис. 68. Контакты насажены на штыри такого же диаметра, впаяные в плату в точках подключения внешних цепей. Транзисторы VT1 и VT2 могут быть любыми кремниевыми маломощными структуры р-n-р. Транзистор VT3 должен допускать обратное напряжение на эмиттерном переходе не менее напряжения стабилизации стабилитрона VD3. Пригодны транзисторы серии КТ201 с буквенными индексами А, Б, AM, БМ, а при использовании в источнике питания стабилитрона VD3 на напряжение стабилизации 10 В - с индексами В-Д, ВМ-ДМ. Можно также использовать любой кремниевый маломощный транзистор структуры n-р-n, включив последовательно с его эмиттерным переходом кремниевый маломощный диод. Транзистор VT4 может быть серии КТ3102 или КТ342 с любым буквенным индексом, кроме А. Транзистор VT5 - любой средней или большой мощности структуры n-р-n. Симистор VS1 может быть ТС112-10 или ТС112-16 с любым последующим цифровым индексом, но не менее 4. Этот индекс означает максимальное рабочее напряжение симистора, выраженное в сотнях вольт. В обозначении симистора может быть также еще один цифровой индекс, но его значение не играет роли. С использованием указанных симисторов максимальный ток нагрузки может составлять 10 и 16 А соответственно. С симистором КУ208В или КУ208Г ток нагрузки не превысит 5 А. Корпус резистора R19 соединен с минусовым проводником цепи питания микросхемы, что необходимо для его экранирования. Монтажная плата, теплоотвод с симистором и гнезда разъема XI размещены в пластмассовой коробке размерами 150 х 95 х 70 мм так, чтобы плата была расположена ближе к нижней стенке коробки, а теплоотвод симистора - к верхней (стенки наименьших размеров). В этих стенках просверлено по 24 вентиляционных отверстия диаметром 6 мм с шагом 10 мм. Вал переменного резистора R19 выведен через отверстие в передней стенке коробки и снабжен пластмассовой ручкой. При этом вал резистора и крепежный винт его ручки не должны быть доступны для случайного прикосновения. Налаживают автомат и градуируют его органы управления вначале без симистора и нагрузки. Вместо R5 временно впаивают резистор сопротивлением 100 Ом и его левый (по схеме рис. 67) вывод соединяют с плюсовым проводником источника питания. Параллельно конденсатору С1 подключают резистор сопротивлением 150...200 Ом, после чего на сетевой вход устройства подают от внешнего источника постоянное напряжение 12... 15 В, плюс - к верхнему по схеме проводу. Его выходное напряжение устанавливают таким, чтобы ток, потребляемый устройством, был в пределах 30...35 мА. Затем между плюсовым проводником источника питания и выходом (вывод 11) элемента DD1.1 включают светодиодный индикатор - последовательно соединенные резистор сопротивлением 5,1 кОм и любой светодиод из серии АЛ302 или АЛ307. Перемещая движок подстроечного резистора R7 из одного крайнего положения в другое, убеждаются, что светодиод включается и гаснет. Если это не происходит, параллельно резистору R6 или R8 подключают дополнительный резистор сопротивлением до нескольких мегаом. Движок резистора устанавливают в крайнее положение (до упора), при котором светодиод не горит. Тот же или аналогичный индикатор включают между плюсовым проводником питания и выходом (вывод 4) элемента DD1.4. При кратковременном замыкании выводов резистора R11 светодиод должен включаться на 5...7 с. Точно порог срабатывания системы защиты можно проверить, подключив к резистору, заменяющему проволочный R5, гальванический элемент (плюсовым выводом к его правому по рис. 67 выводу) последовательно с переменным резистором сопротивлением 220 Ом. При плавном уменьшении сопротивления этого резистора, когда напряжение на резисторе, заменяющем R5, приблизится к 1 В, светодиод индикатора должен включиться. Другой порог срабатывания защиты устанавливают соответствующим подбором резистора R10. Затем движок переменного резистора R19 устанавливают в нижнее по схеме положение, а параллельно транзистору VT4 подключают вольтметр постоянного тока. Резистор R18 временно заменяют на переменный резистор сопротивлением 2 МОм и, пользуясь им как реостатом, выводят транзистор VT4 на границу насыщения, т. е. добиваются показания вольтметра 0,4...0,8 В. Измеряют сопротивление введенной части переменного резистора и впаивают резистор R18, номинал которого должен быть примерно вдвое меньшим. Далее дополнительный переменный резистор убирают и окончательно собирают устройство (светодиодный индикатор оставляют подключенным к выходу 11 элемента DD1.1). Особое внимание уделяют прокладке сильноточных цепей - провода к плате и резистор R5 должны подключаться именно так, как показано на рис. 68. К выходному разъему XI подключают лампу накаливания мощностью не менее 60 Вт, устройство включают в сеть и подбором резистора R21 добиваются, чтобы нить накала лампы слабо светилась. При этом переменное напряжение на лампе должно составлять 12... 18 В. Движок резистора R7 устанавливают в такое положение, чтобы при выключенной лампе светодиод гас, при включении - загорался, а яркость свечения самой лампы плавно увеличивалась. Теперь вместо лампы накаливания к разъему XI подключают электроинструмент, потребляющий минимальную мощность, например, электродрель. При его включении светодиод должен загораться, а ротор двигателя плавно разгоняться. Если светодиод светится постоянно или не включается вообще, следует уточнить положение движка резистора R7, после чего проверить работу устройства с наиболее мощным электроинструментом. При любых проверках автомата и работе с ним следует иметь в виду, что сразу после его включения в сеть запускается цепь защиты и в течение 5...7 с нагрузка не включается. Проверить же работу системы защиты можно, предварительно заменив проволочный R5 на резистор сопротивлением 1 Ом. При включении электроинструмента любой мощности защита должна четко срабатывать. В процессе эксплуатации автомата его подвешивают или устанавливают в вертикальном положении так, чтобы вентиляционные отверстия в его корпусе ничем не закрывались.