Регулятор частоты вращения вала мини дрели «HAMMER» MD050B с эффектом стабилизации механического момента на валу

Регулятор частоты вращения вала мини дрели «HAMMER» MD050B с эффектом стабилизации механического момента на валу

Полировка блесен занятие – утомительное, но очень увлекательное. Для механизации процесса предполагалось использовать мини дрели «HAMMER» MD050B с набором приспособлений, штатным источником питания 12 В/0.4 А и порошок для полировки. Но при первой же попытке порошок разлетелся. Фетровая насадка при 15000 оборотов в минуту вала дрели все разбросала. Регулировка скорости вращения за счет уменьшение напряжения питания дрели нужного результата не дала. Вал просто останавливался при соприкосновении насадки с блесной.

Стало ясно, что для продолжения необходимо устройство, позволяющее регулировать частоту вращения вала, но обязательно с эффектом стабилизации механического момента.

Просмотр просторов Интернета обнаружил некоторые предложения (см., например, [1], [2]). В основном эти решения базируются на модели двигателя постоянного тока. Эта модель представляет собой последовательное соединение резистора, величина которого равна омическому сопротивлению ротора двигателя (измеряется обычным тестером), и источника ЭДС, E = f(ω). Величина ЭДС пропорциональна частоте вращения и имеет полярность, противоположную источнику питания. На схеме ЭДС обозначена буквой E, а модель двигателя постоянного тока нарисована справа от изображения двигателя. Понятно, что если удастся поддерживать ЭДС постоянной, то и скорость вращения вала меняться не будет.

Для решения проблемы необходимо выделить ЭДС в «чистом виде» и научиться использовать ее для стабилизации момента на валу. Возможны разные способы выделения ЭДС из полного падения напряжения на двигателе. Например, включение последовательно с двигателем резистора, по величине равного омическому сопротивлению якоря [1]. Такой вариант ведет к дополнительным потерям мощности на этом резисторе, сравнимым с мощностью на двигателе. Ну и сама схема дальнейшей обработки, выполненная на операционном усилителе, не очень доступна для понимания.

Существует простой способ получения тока, равного заданному, с использованием токового зеркала. На схеме Рисунок 1 токовое зеркало выполнено на транзисторах VT3 и VT4. В случае, если сопротивление резистора в цепи эмиттера VT3 равно нулю, токи VT3 и VT4 равны. И, если теперь из напряжения на двигателе Ua вычесть произведение тока двигателя на величину резистора R2, равную сопротивлению якоря (которое для двигателя мини дрели составляет около 3 Ом), то получим величину напряжения, равного ЭДС. Все это верно. Но в этом случае мощность, выделяемая на R2, соизмерима с мощностью, выделяемой на двигателе.

Однако пропорциональная зависимость токов коллекторов VT3 и VT4 сохранится и при уменьшении тока VT3 за счет установленного в эмиттерную цепь VT3 резистора R5 [3]. Опытным путем установлено, что при R5 = 6.0 Ом отношение тока VT4 к току VT3 равно примерно 10. И, следовательно, для получения падения напряжения на R2, равного падению на якоре двигателя, необходимо увеличить R2 в 10 раз, то есть выбрать 30 Ом.

Приравнивая правые части и решая при условии

U_a – напряжение в точке «a» на схеме, то есть, напряжение питания двигателя;
R_Я – омическое сопротивление якоря,
I_K4 – коллекторный ток транзистора VT4,
I_K3 – коллекторный ток транзистора VT3,

То есть, напряжение U_в равно (или менее строго – пропорционально) ЕДС двигателя. То, что равенство не строгое, для стабилизации момента и частоты вращения ротора двигателя значения не имеет.

Таким образом, напряжение в точке «в» повторяет ЭДС двигателя дрели, и эту величину далее используем для поддержания момента на валу.

Это происходит так. При увеличении нагрузки на вале двигателя (вал с фетровой насадкой прижимается к блесне) частота вращения падает и уменьшается величина ЭДС и, следовательно, напряжение в точке «в». Это приведет к уменьшению напряжения снимаемого с движка резистора R3 ниже напряжения опоры в DA1, TL431. Микросхема начнет закрываться, напряжение на катоде возрастет, транзисторы VT2 и VT1 приоткроются. Это приведет к увеличению напряжения в точке «а», то есть на двигателе, и частота вращении повысится. Таким образом, увеличение нагрузки на валу не приведет к уменьшению частоты, схема отработает увеличение нагрузки и восстановит прежнюю частоту вращения.

Конденсаторы С2 и С3 служат для предотвращения возбуждения на низкой скорости вращения.

В схеме можно использовать любые транзисторы, проходящие по допустимому току и напряжению. Транзисторы VT3 и VT4 должны быть одного типа и желательно из одной партии или хотя бы одновременно приобретенными. При кратковременно-повторном режиме работы дрели транзистор VT1 достаточно установить на радиатор, способный рассеивать мощность около 5 Вт. Конденсатор С1 фильтрующий. Достаточно несколько десятков микрофарад. Желательно параллельно установить еще один, не электролитический, например, 10 нФ. Диод VD1 защищает от переполюсовки и должен выдерживать ток 5 А, VD2 убирает помехи двигателя.

Штатный источник питания дрели рассчитан на ток 0.4 А. Этого достаточно только для раскрутки на холостом ходу. Для ощутимого эффекта стабилизации механического момента на валу необходим источник питания 14 В/2.5 А.

ВНИМАНИЕ!

Использование регулятора может привести к сокращению ресурса дрели.

Макет регулятора инструментальными методами не проверялся. Все проверки выполнялись на «слух и на ощупь». Пределы регулировки скорости вращения и стабилизация момента оказались достаточными для использования.

Стабилизированный регулятор оборотов электродрели

Для качественного сверления отверстий плат необходимо использовать электродрель со стабилизатором крутящего момента и оборотов. Транзисторный стабилизированный блок имеет большие потери мощности на регулируемом транзисторе. Большой вес и габариты трансформатора и радиаторов не позволяют выполнить переносной вариант прибора.

Тиристорные регуляторы напряжения выгодно отличаются малым весом и техническими возможностями стабилизации оборотов и крутящего момента электродвигателя. Падение напряжения на силовом тиристоре в импульсном режиме незначительно и при небольшой мощности отпадает потребность в радиаторе.

Характеристики:
Напряжение сети 220Вольт
Мощность 300 Ватт
Ток нагрузки 10 Ампер
Стабилизация 86,7%

Схема регулятора оборотов электродрели стабилизирует крутящий момент введением положительной обратной связи с электродвигателя М1 через RC цепь R12C2 VD2R6R1C1 на эмиттер однопереходного двухбазового транзистора VT1
Диод VD2 позволяет подавать на эмиттер транзистора VT1 только импульсы положительной полярности со щёток электродвигателя дрели М1. Переменный резистор R6 работает как регулятор оборотов, и в тоже время стабилизирует их при изменении нагрузки:
Без Обратной связи 0,6А 22,2 В 13ватт 260 об. мин
С Обратной связью 2,8 А 21 В 58,8 ватт 520 об.мин
С обратной связью обороты падают незначительно, при холостом ходе в 600 оборотов.

Характеристики двухбазовых транзисторов:

Тип

Iэ max, мA

UБ1Б2 max, B

UБ2Э max, B

Pmax, мВт

RБ1Б2, кOm

η

fmax, кГц

Входная вольт-амперная характеристика транзистора К117:

Однопереходные двухбазовые транзисторы предназначены для работы в генераторах периодических и однократных импульсов Сопротивление между выводами транзисторов зависят от тока управляющего эмиттерного перехода. На входной вольтамперной характеристике однопереходных транзисторов имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При некотором напряжении на эмиттере происходит отпирание транзистора и быстрое нарастание тока через базу. Процесс происходит лавинообразно.
Однопереходный транзистор относится к семейству тиристоров. Однопереходный транзистор входит в транзисторно – тиристорную сборку КУ106А-Г и представляет собой гибридный прибор, состоящий из однопереходного транзистора и триодного тиристора.

Схема:
Отпирающий импульс с однопереходного транзистора VT1 поступает на управляющий электрод тиристора VS1,который переходит в проводящее состояние и остаётся в нём пока текущий через тиристор VS1 прямой ток больше тока удержания.
Напряжение с резистора R3 цепи катода VS1 через резисторы R7R9 поступает на управляющий электрод мощного тиристора VS2 и приводит его в открытое состояние.

Порог включения тиристора VS2 устанавливается резистором R9. ввиду большого разброса входных характеристик.Анод силового тиристора непосредственно связан с электромотором электродрели М1.
Импульсы отрицательной полярности возникшие при вращении электродвигателя устраняютCя диодом VD3.
Часть напряжения с коллектора двигателя поступает на стабилизацию вращения – в эммитер двухбазового транзистора VT1.
Светодиод HL1 индицирует напряжение на электродвигателе элекродрели и снижает импульсные помехи напряжением более 300 Вольт.

Диод VD3 обеспечивает протекание обратного тока якоря электродвигателя в то время, когда тиристор заперт. В начале каждого полупериода напряжение выпрямителя через диод VD2 и резисторы R1,R6 поступает на зарядку конденсатора С1, противо –э.д.с в этот момент еще отсутствует. Далее напряжение на аноде тиристора VS2 будет равно разнице напряжения диодного моста VD4-VD7 и противо- э.д.с якоря, то есть от скорости вращения.

Уменьшение скорости при увеличении момента нагрузки на валу снижает противо-э.д.с и ускоряет зарядку конденсатора С1, уменьшает угол задержки отпирания тиристора -снижение скорости почти полностью компенсируется.
Импульсы напряжения с резистора R3 поступают на управляющий электрод маломощного тиристора VS1 для предварительного усиления, далее через резисторы установки порога включения R7,R9
на управляющий электрод мощного силового тиристора VS2.Цепь VD1,R9 снижает влияние сетевого напряжения и нагрузки на работу релаксационного генератора на транзисторе VT1.
Ток тиристора VS1 ограничен номиналом резистора R4,снижать его значение не рекомендуется, так как будет нарушено восстановление управляемости, то есть снизится интервал между переходом тока и напряжения тиристора через ноль в отрицательную полярность и обратно в положительную.

Время восстановления зависит от многих факторов: прямого и обратного тока, амплитуды запираемого напряжения и напряжения на управляющем электроде.
Кстати, радиопомехи создает обратный ток, который почти мгновенно спадает на этапе запирания тиристора с очень большой скоростью и может вызвать перенапряжения.
Принудительная коммутация создаётся установкой диода VD3 и позволяет прервать ток в тиристоре VS2 на время достаточное для запирания.

Практические испытания регулятора оборотов электродрели в разных режимах с изменением номиналов радиокомпонентов подтвердили теоретические обоснования в использовании положительной обратной связи для стабилизации скорости и оборотов электродвигателя:
Обороты холостого хода не превышали 600 об/мин,
нагрузка на вал электродвигателя в обоих случаях была около 4 кг силы, электродвигатель типа ДПР 72-Ф6-06 постоянного тока, длина корпуса 80мм, диаметр 40 мм.
Крутящий момент возрос при наличии обратной связи, обороты упали незначительно.

Радиодетали в схеме не дефицитные:
резисторы на мощность 0,25 ватт типа МЛТ, двухбазовый транзистор VT1 и тиристор VS1 можно заменить сборкой КУ106В-Г, тип силового тиристора и трансформатора зависит от напряжения и мощности используемого электродвигателя. Хорошо работают в схеме трансформаторы типа ТН-54 с четырьмя обмотками по 6,3 вольта и ток более трех ампер, соединённых в последовательную цепь.
Кремневая диодная сборка типа PBL405 имеет небольшое падение напряжения и не требует радиатора.
На плоский тиристор VS2 установить небольшой радиатор 60*40*50.

Регулировка схемы регулятора оборотов электродрели заключается в следующем: при минимальном значении сопротивления резистора R6 (обороты) установить порог включения тиристора VS2 изменением номинала резистора R9, далее увеличением сопротивления резистора R6 установить требуемые обороты электродвигателя.
На рисунке печатного монтажа расположены почти все радиодетали кроме цепей коммутации, силового трансформатора и диодного моста, регулятор оборотов и светодиодный индикатор HL1 установлены на верхней крышке корпуса, на боковой стороне закреплены предохранитель FU1, выключатель SA1 и вывод силового шнура.

Литература:
1. Тиристоры. Технический справочник 1971г. Перевод с английского. Издательство «Энергия».
2.Регулятор оборотов электродрели. В.Новиков. « Радиомир» №5 2006 г. стр.19
3.Резисторы,конденсаторы,трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник. Минск « Беларусь» 1994 г.

ДРЕЛЬ УДАРНАЯ 80085

Дрель – это тот инструмент, без которого не обходится даже самый маленький ремонт. Повесить картину, закрепить на стене полку, подкрутить дверцы шкафов и даже перемешать какой-нибудь раствор – с помощью дрели все эти операции проделываются легко и быстро.
Но, в первую очередь, дрель – это инструмент, необходимый для сверления отверстий. В соответствии с выполняемыми функциями электродрели бывают обычные и ударные, угловые, дрели-миксеры и дрели-шуруповёрты.

Основные характеристики дрелей, на которые стоит обратить внимание при выборе инструмента – это мощность, максимальная частота вращения, функциональность и адекватность тому или иному режиму эксплуатации.

От мощности зависит производительность инструмента. В зависимости от сложности работ можно выбрать дрель в диапазоне от 400 до 1050 Вт. Наиболее универсальны дрели средней мощности.
Для универсальных дрелей стандартная частота вращения – 2800-3000 оборотов в минуту. Максимальная частота вращения инструмента в зависимости от его назначения может составлять от 350 до 4000 оборотов в минуту. Чем больше количество оборотов, тем больше возможностей – даже при небольшой мощности это обеспечивает инструменту хорошую производительность.

Не стоит забывать и о том, что электродрель, как и любой другой инструмент, нуждается в бережном обращении. Её нельзя ронять, особенно на твердые поверхности. Периодически инструмент нуждается в сервисном обслуживании – в чистке контактов и механизма, в смазке.

Среди разнообразного ассортимента дрелей FIT вы найдёте именно то, что нужно конкретно вам. Уникальное соотношение цены и качества инструмента вас не разочарует.

Удар позволяет сверлить отверстия в бетоне и камне.
Удар позволяет сверлить отверстия в бетоне и камне. При переходе в режим сверления мастер отключает эту функцию. Таким образом, не скалываются кромки, обеспечивается точность работ. Дрели с ударом ориентированы на аккуратное сверление материалов разной плотности. Поэтому, есть система регулировки скорости. Иногда присутствует деталь, которая гарантирует заданную глубину отверстия.

Например, дрель ударная 80050 (марка ID-501). Кроме строгого выполнения задания, для образца характерно следующее:

Вращение рабочего сверла в обе стороны;
Надёжная фиксация оснастки;
Анти-скользящая рукоятка.
В регулировке вращения задействованы тиристоры, которые изменяют мощность. На практике, обороты падают быстрее, чем ощущается снижение мощи. Длина сетевого провода – 1,8 метра.

Дрель ударная_80050.jpg
Дрель ударная 80053 (марка ID-500). Модель наделена схожими техническими характеристиками. Отличительная особенность – это длина электрического шнура около 2 метров. Мощности достаточно для производства бытовых работ, малой интенсивности. Для смешивания растворов, плотных красок требуются более сильные двигатели.
Например, дрель ударная 80068 (марка ID-713). Мощность свыше 700 Вт значительно расширяет область применение агрегата. От миксера до закручивания гаек. Имеется ограничитель скорости вращения двигателя.
Металлический корпус редуктора
Редуктор представленных образцов помещён в пластиковый корпус. Если инструмент работает в повышенных эксплуатационных нагрузках, способных перегреть вал, то лучше взять инструмент в металле. Материал отводит тепло, что препятствует износу ударного механизма. Например, дрель ударная 80085 (марка ID-850). Инструмент наделён высоким ресурсом, устойчив к механическим нагрузкам. Вес – 3,2 килограмма.
Дрель ударная 80076 (марка ID-750). Редуктор также защищён металлическим корпусом. Модель наделена меньшей мощностью. Следовательно, снижен вес инструмента до 2,4 кг. Диаметры сверления, в различных материалах, практически не отличаются от предыдущего варианта.
дрель ударная_80076.jpg
Все модели на ключевом патроне, он хорошо воспринимает динамическую нагрузку, хорошо держит сверла, прочный, очень надёжный. Кроме того, рассмотренные модели укомплектованы вспомогательной ручкой. Устойчивая конструкция защищает от потери управления, гарантирует точность сверления и безопасную эксплуатацию. Резиновые накладки снижают вибрационную нагрузку на руки.

РЕГУЛЯТОР СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ МИНИ-ДРЕЛИ

Мало обладать выдающимися качествами, надо еще уметь ими пользоваться.

Скорость вращения вала электродвигателя, а значит, и сверла вы­бирают, принимая во внимание ряд факторов. Это и толщина просвер­ливаемой заготовки, и материал, из которого она изготовлена, и даже количество отверстий, которое необходимо получить.

В качестве еще одного технологического ограничения можно при­вести простой пример рассверливания заранее накерненных на плате от­верстий. Чтобы исключить смещение сверла из канавки, которое обычно I сопровождается значительными царапинами и повреждениями провод- уников, в начале процесса сверловки выбирают минимальную скорость, не позволяющую сверлу выскочить из накерненной канавки.

Наверное, после приведенных выше доводов понятно, для чего не- I обходимо иметь возможность оперативной регулировки скорости вра­щения сверла. Именно с этой задачей блестяще справится простое и [надежное устройство, собрать которое из набора NK050 под силу даже начинающему радиолюбителю.

Напряжение двигателя постоянного тока [В] 12—24

Максимальная мощность [Вт] 70

Описание работы регулятора скорости вращения для мини-дрели

Внешний вид платы регулятора скорости вращения с установлен­ными на ней элементами и электрическая схема регулятора скорости вращения показаны на Рис. 1 и Рис. 2.

Схема регулятора построена на основе ключевого элемента, выпол­ненного на тиристоре VS1 и частотозадающей цепочке R2R4C1.

Основная идея работы подобной схемы состоит в следующем. Извест­но, что тиристор может работать только в двух устойчивых состояниях: открытом и закрытом. Плавное открывание этого полупроводникового прибора управляющим напряжением принципиально невозможно, как,

Рис. 2. Электрическая схема регулятора скорости вращения для мини-дрели

к примеру, в случае с электронной вакуумной лампой или транзистором, поскольку его вольтамперная характеристика имеет неустойчивый учас­ток отрицательного дифференциального сопротивления, где практиче­ское использование тиристора оказывается невозможным.

Однако инженерная мысль не стоит на месте. Заставить тиристор плавно отпираться оказалось возможным изменением длительности импульсов напряжения между управляющим электродом тиристора и его катодом. В двух словах этот принцип можно объяснить так: любая ЙС-цепочка характеризуется некоторой временной постоянной, возни­кающей из-за наличия инерционной реактивности в цепи, которой не­обходимо зарядиться. Поскольку заряд происходит через сопротивле­ние, включенное последовательно с емкостью, постоянная времени бу­дет определяться обоими параметрами, а именно, сопротивлением и емкостью.

Теперь настало время пояснить, как стало возможным плавно от­крывать тиристор VS1.

Пусть ползунок переменного резистора R2 находится в крайнем верхнем по схеме положении. В этом случае постоянная времени R2-R4-C1 минимальна, следовательно, и время заряда конденсатора С1 невелико. В то же время он не успевает полностью разрядиться. В результате длительность импульсов отпирающего напряжения между управляющим электродом и катодом тиристора VS1 оказывается мак­симальной, поэтому практически вся мощность отдается в нагрузку. Скорость вращения электродвигателя максимальна.

Рис. 3. Расположение элементов на плате регулятора скорости вращения и схема ее подключения к дрели

В том случае, если вы пожелаете изготовить на основе набора NK050 конструктивно законченное устройство, в каталоге, приведен­ном в этой книге, или на сайте www.masterkit.ru вы сможете выбрать радиатор для тиристора, подходящий корпус для регулятора скорости

вращения (например, BOX G027) и понижающий трансформатор. Конструкция платы предусматривает ее установку в корпус: для этого имеются монтажные отверстия под винты 03 мм. Правильно собран­ный регулятор дополнительной настройки для работы не требует. Воз­никающие во время сборки проблемы можно обсудить на конферен­ции сайта http: //www.masterkit.ru, а вопросы можно задать по адресу: infomk@masterkit.ru.

Наборы NK050 а также и другие наборы из каталога МАСТЕР КИТ можно приобрести в магазинах радиодеталей или на радиорынках.