Простое решение электропитания мини-дрели с двигателем постоянного тока. Используемая схема существенно повысит комфорт ручного сверления отверстий в любительских печатных платах. Те, кто использует миниатюрную ручную дрель для сверления отверстий в печатных платах, знают, насколько сложно использовать высоко оборотистые двигатели, из-за которого невозможно точно попасть в центр точки сверления на печатной плате.
Периодически включать и выключать дрель неудобно и неэффективно. Представленная схема регулятора использует свойство, что ненагруженный двигатель потребляет постоянный ток и что ток увеличивается при увеличении нагрузки ротора. Таким образом, ненагруженный ротор двигателя может вращаться с низкой скоростью, обеспечивая точное попадание в центр сверления (скорость холостого хода), а легкое нажатие его в точки сверления увеличит ток, потребляемый двигателем, что активирует максимальную скорость.
Благодаря ШИМ (широтно-импульсной модуляции) управлению потери в схеме минимальны. Два потенциометра позволяют независимо регулировать обороты холостого хода и порог тока двигателя, при превышении которого регулятор включает рабочую мощность. Потенциометр порога включения рабочей мощности можно установить в положение, позволяющее плавно изменять скорость вращения во всем доступном диапазоне без срабатывания переключения скорости на максимальную. В этом режиме работы устройство представляет собой классический ШИМ-регулятор скорости без петли обратной связи. На рисунке в статье представлена принципиальная схема простое решение электропитания мини-дрели.
Питание подключается к точкам (J3, J4). Диоды D9…D12 образуют выпрямительный мост, необходимый при питании схемы переменным током от сетевого трансформатора. Фильтр выполнен на конденсаторах C5 и C6. Разделение цепей питания обеспечивает диод D2, предотвращающий разряд емкостей С2 и С3, фильтрующих напряжение питания (VC) для операционного усилителя U1, при временном уменьшении напряжения VCC под действием нагрузки. Двигатель дрели, подключенный к точкам (J1, J2), питается от транзистора Т1, работающего как ключ.
Т1 управляется классическим ШИМ-генератором, реализованным на операционном усилителе U1B (LM358). Частота формы сигнала (~4kHz) определяется в основном элементами P1, C1. Делитель на резисторах R4 и R6 устанавливает на половину напряжения питания U1. Потенциометр P1 и диоды D1, D4 определяют коэффициент ШИМ генерируемого сигнала путем поочередной зарядки и разрядки конденсатора C1 с выхода U1B. Время зарядки и разрядки определяется сопротивлениями потенциометра P1, разделенными ползунком вместе с емкостью C1. Когда выход U1B приближается к земле питания, транзистор T1 открывается. Резистор R1, включенный между истоком и затвором, «заботится о закрытии» Т1. Такое решение было принято из-за максимально достижимого напряжения на выходе U1B, которое на ~1,5 В ниже, чем VC (IRF9540 имеет напряжение открытия -2…-4В).
Форма сигнала ШИМ усредняется по индуктивности обмоток двигателя, скорость вращения которого линейно зависит от приложенного напряжения. Описанная выше часть схемы обеспечивает плавное регулирование частоты вращения двигателя. Второй усилитель U1A оснащен «детектором» тока двигателя. Для описания следует предположить, что время открытия транзистора Т1 короче времени его закрытия (холостого хода). Резистор R7 работает как датчик тока, протекающего через двигатель. Падение напряжения, пропорциональное току двигателя, усиливается операционным усилителем U1A. Он работает по схеме неинвертирующего усилителя, коэффициент усиления которого определяется по формуле (K=P2[Ω]/R8[Ω]+1) Таким образом, напряжение на выходе U1A имеет значение: Uwy[V]=Uin[V]*K, где Uin — напряжение на неинвертирующем входе. Изменяя настройку потенциометра P2, мы изменяем порог тока, при котором будет установлено полное напряжение, питающее двигатель. На практике это означает изменение чувствительности к давлению сверла на печатную плату. Пока напряжение на выходе U1A больше, чем напряжение на неинвертирующем входе U1B, выход U1B будет переведен в низкий уровень. Ток, протекающий через диод D3, предотвратит циклическую зарядку и разрядку конденсатора C1.
Генератор остановится и ключ Т1 откроется, т.е. дрель будет работать на максимальной мощности. Для определения нагрузки шпинделя не требуется точный компаратор. Из-за большой токовой «инерционности» двигателя и высокого достижимого коэффициента усиления U1A превышение порога тока, установленного P2, приведет выход U1A в состояние, близкое к VC. Конечно, возможны случаи появления промежуточных напряжений на выходе U1A, но существенного влияния на работу регулятора это не влияет.
Роль конденсатора C7 заключается в введении гистерезиса, обеспечивающем «безопасную зону», в которой отсутствует положительная электронно-механическая обратная связь, проявляющаяся циклическим включением и выключением. На гистерезис влияют емкости фильтров C5, C6. Чем качественно отфильтровано напряжение VCC, тем меньшей может быть емкость C7. Уменьшение нагрузки (тока двигателя) приведет к запуску генератора и переходу дрели в холостой режим. Резистор R2 предотвращает протекание значительного тока между выходами U1A и U1B. Такая ситуация может возникнуть, когда ползунок потенциометра Р1 находится в крайнем положении (в положении к диоду D4).