В журнале «Радиомир» была опубликована статья «Устройство снижения шума электродвигателя» постоянного автора этого журнала инженера-электрика В. Коновалова.
По своей тематической направленности эта статья заслуживает внимательного изучения читателями, но в то же время возникли некоторые сомнения в правильности конструктивных решений и самой идеи той конструкции. Материалы экспериментальной проверки авторского варианта схемы должны заинтересовать читателей и показать им очевидную житейскую истину: зная любую проблему, разобравшись в природе ее возникновения, можно найти пути ее устранения.
К сожалению, автор той публикации ограничился лишь отпиской на конкретные вопросы по его статье, поэтому я считаю возможным и необходимым ознакомить читателей с материалами радиолюбительского исследования. Это позволит не только найти истину, но и послужит радиолюбителям хорошим доказательством необходимости и возможности всегда доказывать свою правоту и признавать ошибки, если они имеются.
В статье был обоснован принцип снижения шума электродвигателя компрессора холодильника за счет компрессорного масла bitzer, а также его включения при повышенном напряжении, но дальнейшей работы при пониженном. Для этого через несколько секунд после включения устройства напряжение, подаваемое на электродвигатель, принудительно понижалось до уровня номинального. После отработки пускового цикла электродвигателем напряжение на нем еще раз принудительно понижалось, и дальнейшая работа электродвигателя компрессора холодильника осуществлялась уже при этом пониженном напряжении.
По утверждению автора статьи, такой алгоритм работы электродвигателя обеспечивал его надежный запуск и снижал шум при работе. Далее автор приводил в статье схему устройства, реализующего этот принцип. Допуская возможным предложенный в статье принцип управления электродвигателем компрессионного бытового холодильника, можно теоретически согласиться и со способом построения схемы (рисунок.1). Ее работа основана на подсчете счетчиком DD2 количества импульсов задающего тактового генератора (DD1.1, DD1.2).
К выходам счетчика подключен диодно-резистивный сумматор (R4-R6 – VD1-VD3), который должен обеспечить формирование ступенчато возрастающего напряжения на базе транзистора VT1. Далее в статье автор, к сожалению, не раскрывает заявленный им принцип «плавного управления током выходного симистора VS1», но этого не могло и быть, поскольку автором предполагалось ступенчатое изменение напряжения питания электродвигателя. На фото 1 показан внешний вид устройства по схеме рисунок.1, макетированной на универсальной печатной плате, разработанной специально для этой статьи.
На схеме рисунок. 1 напряжение эмиттера транзистора VT1 обозначено как +12 В. Для удобства читателей эта схема повторена и в настоящей статье под тем же номером. Напряжение базы транзистора VT1 изменяется принудительно ступенчато, хотя скачки напряжения следуют очень медленно в такт с заданными схемой циклами работы. Так же будет изменяться и ток коллектора этого транзистора – ступенчато.
Соответственно изменяется ток излучающего светодиода оптопары VU1. Автор был убежден, что при ступенчатом изменении тока излучающего светодиода симисторной оптопары VU1 будет ступенчато изменяться момент отпирания силового симистора этой оптопары и, соответственно, изменяться момент отпирания силового симистора VS1 схемы. Достать для экспериментов симисторную оптопару VU1 типа АОУ160А не удалось. Пользуясь случаем, выражаю благодарность руководству редакций журналов «Радиоаматор», «Радио», «Радиолюбитель» и «Радиомир» за попытку оказать помощь в поиске этого «динозавра» советской радиоэлектронной промышленности.
В итоге, по рекомендации редакции «Радиомир» была предпринята попытка применить в схеме рисунок.1 аналогичную, но современную оптопару МОС3021-МОС3023. Эти оптопары не являлись дефицитом. До рассмотрения результатов экспериментальной проверки их свойств и поиска «чудесных» возможностей рассмотрим целесообразность авторской реализации узла формирования ступенчатого напряжения. На инверторах DD1.1 и DD1.2 микросхемы К561ЛЕ5 по стандартной схеме выполнен НЧ генератор. Его импульсы подаются на вход «С» двоичного счетчика импульсов DD2 (К561ИЕ16). Выходные потенциальные сигналы с выходов этого счетчика подаются на входы диодно-резистивного сумматора.
Следует обратить внимание читателей на тот факт, что в многоразрядных двоичных счетчиках (DD2) и после появления единичного уровня на выходе старшего разряда счетчика, выходной сигнал младших разрядов многократно изменяется. Если суммарный выходной сигнал двоичного счетчика DD2 с нагрузки сумматора R8 непосредственно подавать на схему управления двигателем компрессора, то это внесет нестабильность в работу электродвигателя холодильника. Для его исключения достаточно «запомнить» единичные состояния выходов счетчика DD2. Для этого можно воспользоваться триггерами памяти микросхемы К561ТР2 (изображение 2). Нумерация рисунков в статье сделана сквозной для удобства читателей.
Напряжение смещения базы транзистора VT1, как и в схеме прототипа, снимается с выхода сумматора. Выходные единичные сигналы счетчика DD2 предварительно запоминаются RS триггерами микросхемы DD3. Триггера DD3.1 -DD3.3 сбрасываются в нуль по сигналу с выхода (вывод 14) счетчика DD2 одновременно с сигналом обнуления счетчика после рабочего цикла. Теперь потенциал базы транзистора VT1 изменяется ступенчато в соответствии с циклами работы устройства. Потенциал эмиттера этого транзистора в схемах изображение 1 и изображение 2 постоянен и равен +12В.
Следовательно, ступенчато будет изменяться ток через этот транзистор и ток через излучающий светодиод оптопары VU1. Автор предполагал, что будет изменяться и угол открытия выходного симистора оптопары. Увы, теоретических подтверждений в теории работы симисторов этому нет. Не подтверждает предположение автора и практика. Схема была макетированная на печатной плате (фото 2) и испытана.
Дополнительно на отдельной макетной плате были испытаны семь экземпляров современных симисторных оптопар типа МОС3021 -3023. Изменялся и контролировался ток через светодиод оптопары. Оказалось, что все исследуемые образцы этих оптопар обеспечивают переключение оптосимисторов при токах через светодиод всего 2,5…3,5 мА, хотя по ТУ номинальный ток светодиода МИС3021 составляет 15 мА, для МОС3022 – 10 мА и лишь для МОС3023 – 5 мА. С помощью тестера и светодиодов HL1, HL2 контролировалось состояние выходного симистора оптопары.
Нет свечения светодиодов и нулевые показания вольтметра переменного тока, значит, выходной симистор оптопары заперт. При его отпирании начинали светиться светодиоды HL1, HL2, а вольтметр показывал подаваемое на этот стенд переменное напряжение. Ток через светодиод оптопары регулировался подстроечным резистором стенда R1 от минимального значения до максимального. Как и следовало ожидать, обещанного автором радиотехнического «чуда» не произошло. До определенного для каждого экземпляра оптопары тока светодиода выходной симистор оптопары оказывался запертым, и тока в его цепи не было.
При конкретном для каждого экземпляра оптопар токе светодиода выходной симистор отпирался. Это фиксировали контрольный вольтметр и светодиоды индикации HL1, HL2. При еще больших токах через светодиод оптосимистор был открыт. Вывод эксперимента, который еще раз лишь подтверждает основы оптоэлектроники. Оптосимистор, как и просто симистор, – ключевой элемент.
Он отпирается при конкретных условиях, например, яркости света излучающего светодиода в симисторной оптопаре или определенном токе управляющего перехода в стандартных симисторах. Изменяет свое состояние симистор в любом приборе (оптопара или отдельный симистор) только скачком (закрыт/открыт) и только при конкретных условиях. В данном случае – «пороговое» значение тока через светодиод симисторной оптопары.
В зависимости от конкретного экземпляра оптосимистора это значение тока светодиода может и будет различным, но оно постоянно для конкретного радиокомпонента. Имеется еще температурная нестабильность значения отпирающего оптосимистор тока светодиода, но в данном случае это лишь сопутствующий второстепенный фактор в работе оптосимистора, так сказать, «паразитное явление», с которым надо бороться путем использования радиатора для прибора.
Древние говорили: «Кто предупрежден, тот вооружен». Зная особенности работы оптосимисторов, вернее, зная, что таких «желанных» автору особенностей у них нет, можно добиваться получения дополнительных положительных качеств устройства схемотехническим способом. Если ввести в схему диоды VD5 и VD6 (рис.4), то получим новый алгоритм работы транзистора VT1. Макет этой схемы показан на фото 3.
Диод VD5 совместно с конденсатором СЗ обеспечивает постоянное напряжение питания микросхем и «калиброванное» ступенчатое напряжение на базе транзистора VT1. При этом напряжение на эмиттере этого транзистора каждые полпериода сетевого напряжения увеличивается от нуля до амплитудного значения выходного напряжения диодного моста VD4.
Транзистор VT1, как и на рис.1 – рис.3, – элемент сравнения напряжений. Если напряжение эмиттера примерно на 0,6В больше потенциала базы этого p-n-p транзистора, то транзистор отпирается и включает светодиоды HL1, VU1. Диод VD6 является защитным для транзистора VT1. До открытия этого транзистора в каждом полупериоде сетевого напряжения потенциал базы относительно его эмиттера положителен. Транзистор закрыт, но это напряжение «пробует на прочность» базовый переход p-n-p транзистора. Включение диода VD6 в схему не изменяет алгоритм ее работы во время включенного состояния транзистора. Защитные свойства диода проявляются при запертом транзисторе.
Практически защитный диод VD6 можно было бы включить не в эмиттерную цепь транзистора VT1, а в цепь его базы анодом к базе. В любом случае он необходим. Управляющая схема, ступенчато изменяя момент отпирания силового симистора, ступенчато будет изменять ток электродвигателя холодильника в зависимости от режима (пуск при повышенном напряжении – продолжение пуска при номинальном напряжении – рабочий режим работы электродвигателя при пониженном напряжении).
Проводя экспериментальную проверку схемы рис.3, закономерно возник вопрос о целесообразности наличия в схеме оперативной регулировки частоты задающего генератора. Для наглядности условно будем считать, что, например, оптимально при пуске двигателя 4 с подавать на него повышенное напряжение, далее 16 с продолжается пусковой режим двигателя при нормальном (пониженном) напряжении. Далее происходит «облегченный» рабочий режим двигателя. Зачем же потенциометром R3 в схеме рис.3 иметь возможность более чем на порядок изменять эти длительности? Значит, оперативная регулировка частоты задающего генератора или даже ее подстройка в схеме при ее отладке не нужна, и схему можно упростить.
В схеме рис.4 в качестве задающего генератора использован «мигающий» светодиод. Частота «миганий» светодиода HL1 в зависимости от типа светодиода колеблется от 0,8 до 1,1 Гц. Подойдет любой. При этом, естественно, надо будет использовать другие выходы счетчика DD1 в отличие от схемы рис.3. К сожалению, не все так просто в этом мире. Уточним особенности работы транзистора VT1 в вышеприведенных схемах. Непременным условием отпирания транзистора является превышение напряжения на его эмиттере над потенциалом базы не позднее чем через 1/4 периода сетевого напряжения.
Если напряжение на базе транзистора, исходя из номиналов радиокомпонентов схемы, приближается к 0,9 величины напряжения источника питания микросхем, то тогда амплитуда выходного напряжения мостового выпрямителя VD4 должна быть примерно в 3-4 раза больше.
Вторым непременным условием работы схемы является максимально допустимое напряжение питания микросхем 15 В. Это взаимно противоречивые условия для вышеприведенных схем. Они могут быть выполнены одновременно лишь при введении в схему стабилизатора-ограничителя напряжения питания микросхем.
Целесообразно будет значительно снизить величины сравниваемых напряжений. Это реализовано в схеме, показанной на рис.5. Внешний вид макета показан на фото 6, рисунок печатной платы и расположение радиокомпонентов на ней соответственно на рис.8 и рис.9. Выходной ток микросхем оперативной памяти DD2 через диоды VD1 и VD2 суммируется на резисторе R5. Напряжение с этого резистора подается на неинвертирующий вход операционного усилителя DA1 типа КР140УД708. Через резистор R7 на его инвертирующий вход подано пульсирующее однополярное напряжение с выхода мостового выпрямителя VD6-VD9.
Резистор R6 является вторым плечом делителя напряжения на инвертирующем входе DA1. Стабилитрон VD3 ограничивает напряжение на входе микросхемы в допустимых пределах. Выход микросхемы DA1 через резистор R8 соединен с базой транзистора VT1.
В данной схеме при нулевых напряжениях на выходах микросхемы счетчика DD1 будет нулевой потенциал и на неинвертирующем входе компаратора DD1. По мере работы задающего генератора (HL1) и счетчика DD1 напряжение на резисторе R5 ступенчато возрастает. Запереть транзистор VT1 можно было бы в том случае, если напряжение на R5 превысит величину напряжения на стабилитроне-ограничителе VD3 (6,8 В). Однако в этом нет необходимости.
В схеме прототипа рис.3 до набора холодильной камерой необходимой температуры циклы «пуск – работа – пауза» двигателя происходят поочередно до срабатывания термовыключателя холодильника, но и в этом нет никакой необходимости. Частые запуски двигателя компрессора вряд ли идут ему «на пользу». Гораздо более целесообразным является стандартный алгоритм работы электродвигателя компрессора холодильника: непрерывная работа компрессора до достижения заданной температуры в камере холодильника.
Именно поэтому останов двигателя производится не таймером, а стандартным термовыключателем холодильника. В схеме электроники управления это позволяет сократить количество триггеров оперативной памяти с трех до двух и использовать более распространенную микросхему К561ТМ2 (по сравнению с К561ТР2). Как показала экспериментальная проверка макета, использование желтых и зеленых мигающих светодиодов HL1 в схемах рис.4, рис.5 в большинстве случаев приводит к сбоям в работе счетчика импульсов. С красными мигающими светодиодами этот эффект не наблюдался.
Введение в схему конденсатора С2 сделало работу схем устойчивой к различным типам мигающих светодиодов. Емкость этого конденсатора совершенно не критична и может быть изменена многократно. Стабилизатор напряжения питания схемы рис.5 может быть использован как малогабаритный 78L12, так и любой другой из серии 7812. Диод VD4 предохраняет эту микросхему от выхода из строя после отключения источника питания, обеспечивая разряд конденсатора фильтра С1 одновременно с разрядом конденсатора С4. Напряжение вторичной обмотки трансформатора Т1 может быть 15 В и более. При этом лишь надо подобрать величину ограничительного резистора R7.
Рассмотрение силовой части схемы рис.3 проще и нагляднее осуществлять по рис.6. Из этого чертежа видно, что если SA1 действительно является лишь выключателем (тумблером), то тогда он практически всегда находится в замкнутом положении.
При этом все это время будет под повышенным напряжением и первичная обмотка трансформатора Т1. Постоянно будет подано напряжение питания схемы управления двигателем холодильника, что явно нерационально. Возможно, что под обозначением SA1 автор предполагал термовыключатель холодильника, но четко это в статье не сформулировал (не обозначил).
Ознакомиться с каталогом поршневых компрессоров можно по ссылке – https://pnevmoservice.com/catalog/porshnevye-kompressory/
Кроме того, целесообразно произвести и перекоммутацию первичной обмотки трансформатора Т1 (рис.7), что понизит напряжение на ней и сделает его более стабильным по сравнению со схемой рис.6. Фотографии фото 1 – фото 6 иллюстрируют все этапы экспериментальной проверки схемы и отработки новой схемы. На фото 1 показан макет схемы изображение 3. На фото 2 – макет с добавлением в схему микросхемы памяти (изображение 2). Макет схемы изображение 3 показан на фото 3.
Использование «мигающего» светодиода HL1 показано на фото 4. Фото 5 дает представление о вспомогательном светодиодном индикаторе для визуального контроля потенциалов в характерных точках схемы. Печатная плата схемы изображение 5 представлена на изображение 8, изображение 9. На фото 6 показан внешний вид собранной печатной платы схемы изображение 5.
