S touto DPS, ktorá stojí asi 5 €, môžete ovládať napájanie jednosmerných motorov medzi nulovou a plnou záťažou. Maximálne napätie je 35 V, maximálny výkon 90 W.

PWM regulátor si môžte zakúpiť na tomto odkaze - klikni  (Aliexpress)

Regulácia výkonu jednosmerných záťaží

Na reguláciu výkonu, zariadenia, ktoré napájate jednosmerným napätím, nie je možné použiť triakovú reguláciu, ktorá funguje na princípe fázovéj regulácie. To je logické, pretože neexistujú žiadne "priechody nulou", kde by bol triak znovu vypnutý. Môžete však použiť princíp PWM, skratka modulácie šírky impulzu. Tento spôsob regulácie je ideálny vďaka takmer bezstratovemu riadeniu výkonu, ktorým napájate jednosmerné motory, LED osvetlenie, či LED diódy. Vstupné jednosmerné napätie, sa prevádza pomocou elektronického spínača na obdĺžníkový signál s pevnou frekvenciou. Výstupné napätie je v tomto prípade buď úplne zapnuté alebo úplne vypnuté. Pracovný cyklus (pomer ON / OFF) tohto obdĺžníkového signálu sa potom reguluje medzi 0% a 100%. Ak nastavíte jeho veľkosť na 0%, na výstupe nebude žiadne napätie a dodávaný výkon bude nulový. Ak zväčšíte pracovný cyklus, impulz ON sa bude rozširovať, a preto bude impulz Off užší. Priemerné jednosmerné napätie na výstupe sa zvyšuje a zvyšuje sa aj dodávaný výkon do záťaže. Ak nastavíte pracovný cyklus na 100%, spínač je vždy otvorený a výstupné napätie sa rovná vstupnému napätiu mínus napätie stratené cez elektronický spínač. Dodávaný výkon do záťaže je potom maximálny.

Princíp PWM regulácie.

Výhody PWM

Veľkou výhodou tohto spôsobu regulácie je to, že v riadiacom obvode sa stráca len veľmi málo energie. Medzi vstupom a výstupom je iba elektronický spínač. V súčasnosti môžete na tento účel použiť MOSFET, komponent charakterizovaný extrémne nízkym vnútorným odporom vo vodivom stave. Druhou výhodou PWM je, že je to jediný lacný spôsob, ako tlmiť intenzitu LED žiarovky v širokom rozsahu. LED diódy sa rozsvietia počas fázy ON a počas fázy OFF zhasnú. Ak je rýchlosť prepínania dostatočne vysoká, neuvidíte blikanie, ale vaše oči uvidia priemernú intenzitu.

PWM regulátor ZS-X4B

Veľkosť DPS je iba 30 mm x 25 mm. Vstupné napätie sa pripája na pravý konektor a záťaž na ľavý konektor. Uistite saešte pred privedením napätia na vstup a pripojenia záťaže na výstup, že ste nezamenili "neprepólovali"+ a -. Rovnako sa uistite, že ste nezamenili vstup a výstup! Regulačný potenciometer je vybavený spínačom, ktorý odpojí napájanie od dosky plošných spojov.

Elektronika na DPS

Takáto malá doska plošných spojov má samozrejme komponenty na oboch stranách. Na obrázku nižšie si ukážeme najdôležitejšie časti. Okamžite nás zaujalo to, že výrobca osadil tepelnú poistku s medzným prúdom iba 1,85 A. Keď sa na to pozrieme matematicky tak :  90 W vydelené 35 V dáva prúd 2,57 A ako maximálny prúd, ktorý musí byť schopný výstup PWM. No nejako to nesedí....Druhou vecou je, že šírka impulzu je riadená časovačom IC 555. Tento integrovaný obvod má maximálne napájacie napätie 18 V. Preto je na doske plošných spojov stabilizátor typu 78L09, ktorý udržuje napájanie čipu v bezpečných medziach. Ak pracujete s napájacím napätím nižším ako 15 V, môžete tento stabilizátor "vypnúť" vytvorením  mostíka medzi dvoma kontaktmi na zadnej strane DPS. Na DPS je predpripravené miesto pre ďalší rezistor R2. Funkciu tohto odporu sme však nedokázali zistiť.

Osadenie DPS PWM regulátora.

"Zrekonštruovaná" schéma zapojenia ZS-X4B

Nie je ľahké, dokonca takmer nemožné sledovať všetky spoje bez toho, aby sa nezničili niektoré komponenty. Schéma nižšie je čiastočne interpretáciou toho, aké je použité zapojenie, ale vo všeobecnosti je správna. Kondenzátor C2 je komponent určujúci frekvenciu. Nabíja sa cez R2, R1 a Dl a vybíja sa cez D2, R1 a pin DISCHARGE z NE555. TRIGGGER na pine 2 monitoruje napätie na kondenzátore a riadi cyklus nabíjania a vybíjania. Zo zapojenia je zrejmé, že zmenou hodnoty potenciometra R1 môžete čas nabíjania a vybíjania kondenzátora C2 upraviť. To je základný princíp modulácie šírky impulzu. Pretože záťaž je v mnohých prípadoch veľmi induktívna, napríklad pri regulácii jednosmerných motorov, je potrebné prijať opatrenia na odstránenie vysokého napätia generovaného cievkami, keď je prúd vypnutý. Schottkyho dióda D3 je na výstupe spínaná a tieto napätia skratuje. Ako MOSFET sa používa D60NF od STMicroelectronics. Zvládne 80 A a má odpor pri zapnutí iba 0,008 Ω.

Principiálna schéma PWM regulátora.

Technické špecifikácie

• Výrobca: Excellway
• Vypové číslo: ZS-X4B
• Vstupné napätie bez osadeného prepoja: 5 Vdc ~ 35 Vdc
• Vstupné napätie s osadeným prepojom: 3 Vdc ~ 15 Vdc
• Výstupný výkon: max. 90 W
• Pokojový prúd: max. 15 mA.
• Pracovný cyklus: 1% ~ 100%
• Spínacia frekvencia: typicky 10 kHz
• Rozmery: 30 mm x 25 mm x 20 mm

Prvý test: odporová záťaž

Napájacie napätie 30 Vdc, zaťaženie 10 Ω
K výstupu bol pripojený ako záťaž výkonový odpor 10 Ω, ktorý dokáže vyžiariť až 100 W pri nastavenom vstupnom napätí na 30 V. To by malo viesť k maximálnemu prúdu do záťaže 3,0 A. Obidve veličiny sú limitmi nášho zdroja napájania. Výstupné napätie cez odpor je samozrejme merané osciloskopom. Dodávaný prúd meria starodávny analógový AVO met. Vďaka svojej vlastnej zotrvačnosti je takýto merač vhodnejší na meranie priemernej hodnoty takého pulzného prúdu ako moderné digitálne multimetre.

Schéma testovacieho zapojenia pre odporovú záťaž.

"Vystrelená" poistka!

Najprv bolo všetko v poriadku a regulátor fungoval podľa očakávania dobre. Po asi piatich minútach prevádzky s výstupným výkonom 45 W však začal z tepelnej poistky vychádzať dym a o niečo neskôr s rachotom explodovala. Teplota vo vnútri poistky bola odmeraná a bola 312 °C.

Takže prvý regulátor sa odporúčal, vyberieme druhý.

Druhý a tretí pokus

Našťastie boli objednanané tri dosky tohto regulátora, takže sa dalo ľahko zistiť, či bola táto vada jednorazovým javom alebo či sa vyskytla aj v prípade ostatných dosiek plošných spojov. To našťastie nebol tento prípad. Poistky na týchto PCB sa síce zahriali, ale iba na očakávanú teplotu. Takže prvá bola asi vadná.

Minimálny výkon
S potenciometrom otočeným úplne proti smeru hodinových ručičiek dodáva ZS-X4B výkon 1,65 Wattov do záťaže 10 Ω. Ako ukazuje oscilogram uvedený nižšie, impulz On je široký iba 1,6 μs. Priemerná hodnota dodávaného prúdu je 56 mA. Frekvencia PWM je 13,2 kHz.

Maximálny výkon
Keď je potenciometer otočený úplne v smere hodinových ručičiek, regulátor dodáva odpor 74 Wattov na odpor 10 Ω. Impulz OFF má šírku iba 2,3 μs a frekvencia PWM klesla na 11,89 kHz. AVO met ukazuje priemerný prúd 2,8 A, čo dokazuje, že na MOSFET-e je stále nejaké napätie. Osciloskop meria skutočnú špičkovú hodnotu iba 26,2 V nad zaťažením.

Tepelné správanie DPS

Konštrukia regulátora je nastavená tak, aby poskytovala maximálny výkon po dobu pol hodiny, pri konštantnom napätí 30 V a 10 Ω. Pre meranie teploty bol použitý malý termočlánok na meranie teploty, ktorým bola zmeraná teplota v rôznych častiach dosky plošných spojov. Tepelná poistka má podľa očakávania najvyššiu teplotu 77,6 °C. Všetky ostatné časti majú prijateľnú a neškodnú teplotu.

Tepelná zaťaženosť jednotlivých častí regulátora.

Druhý test: indukčná záťaž

24 V DC motor ako záťaž
Nakoniec sme k ZS-X4B pripojili motor 24 Vdc z akumulátorovej vŕtačky. Regulátor sa správa veľmi dobre. Ako je možné očakávať pri regulácii PWM, rýchlosť motora sa dá plynulo regulovať od minima po maximum.  Oscilogram napätia na motore tiež dokazuje, že ZS-X4B funguje perfektne.

Napätie naprieč motorom s potenciometrom v strednej polohe.

Záver

Bohužiaľ nebolo možné otestovať tento PWM pri špecifikovanom plnom zaťažení 90 W a pri napájaní 35 V. Ale ak extrapolujeme výsledky nášho testu pri 30 V a 75 W, sme presvedčení, že tetnto regulátor bude fungovať aj pri plnom zaťažení. Ak považujem incident s poistkou proti roztrhnutiu za náhodnú chybu spôsobenú komponentom s výrobnou chybou, môžem dospieť k záveru, že tento lacný regulátor výkonu robí to, čo by mal robiť. Ak potrebujete ovládať výkon jednosmerných záťaží do 30 V a 3 A, tak je tento regulátor dobrým riešením.

PWM regulátor si môžte zakúpiť na tomto odkaze - klikni  (Aliexpress)