التحكم في سرعة محرك تيار مستمر باستخدام إشارة PWM مولدة من الدارة المتكاملة 555

سنتطرّق في هذا المقال لكيفيّة استعمال الدّارة المتكاملة 555 لتوليد إشارة تعديل عرض النبضة PWM للتحكّم في سرعة محرّكات التيّار المستمرّ،  سنلقي أوّلاً نظرة عامّة على طريقة عمل المتكاملة 555 وكيفيّة توليد النبضات المعدّلة من خلالها ، ثمّ سنستخدم لإيجاد طريقة تمكّننا من التحكّم في سرعة محرّكات التيّار المستمرّ،  وبعد ذلك سنتعلّم كيفيّة تحويل التصميم إلى لوحة مطبوعة للاستعمال الاحترافي.

تمهيد

تتغيّر سرعة المحرّكات الكهربائيّة بتغيّر الجهد الكهربائيّ المؤثّر عليها، ومن هنا جاءت فكرة استعمال إشارة تعديل عرض النبضة PWM للتحكّم في سرعة المحرّكات.

التحكّم في سرعة المحرّكات من خلال النبضات المعدّلة

تتكوّن إشارة ال PWM  من موجات تتذبذب بين الجهد العالي والمنخفض بسرعة عالية، فينتج عن ذلك جهد أشبه بالجهد المستمرّ  وتسمّى الموجة في هذه الحالة بالمعدّلة ؛ لأنّنا نستطيع أن نعدّل الجهد المستمرّ الناتج بالتحكّم في زمن دورة العمل (duty cycle) وهي الفترة الزمنيّة التي تكون عندها النبضة الكهربيّة ذات جهد مرتفع مقارنة بزمن جهدها المنخفض.

توليد النبضات المعدّلة بالمتكاملة 555

يمكننا توليد النبضات المعدّلة خلال حالة عدم الاستقرار astable للمؤقّت 555 كما هو موضّح في الدائرة الآتية،  ونلاحظ أن ارتفاع قيمة الخَرْج أثناء  شحن المكثّف C1  في كلٍّ من المقاومتَين R1 R2

وتنخفض قيمة الخَرْج عندما يُفرِغ المكثّف شحنته في المقاومة R2 ، ونستنتج ممّا سبق أنّنا إذا أردنا التحكّم بزمن دورة العمل فإنّنا نغيّر قيمة كلّ من المكثّف والمقاومتَين، أسهل طريقة لتحقيق ذلك هو استبدال المقاومة R2   بمقاومة متغيّرة مع وضع دايودَين D1 D2 كما في الشكل الآتي:

وهنا نلاحظ  اعتماد زمن الجهد المرتفع على قيمة المقاومة R1 والجانب الأيسر من المقاومة المتغيّرة والمكثّف C1 ، بينما يعتمد زمن الجهد المنخفض على الجزء الأيمن من المقاومة المتغيّرة والمكثّف C1 فقط، ونلاحظ أيضا ثبات قيمة الزّمن الدّوري والتردّد للموجة الناتجة؛ ويعود ذلك إلى ثبات قيمة المقاومة الكليّة في دورتي شحن وتفريغ المكثّف.

وتُعدّ المقاومة المتغيّرة هي العنصر الأساسيّ المسؤول عن عمليَتي الشّحن والتّفريغ ؛ نظراً لكِبَر قيمتها مقارنة بقيمة المقاومة R1،  ويمكننا إزالة التشويش في الموجة الناتجة بتوصيل الطّرف 5 للمتكاملة بمكثّف سعته 110 نانو فاراد ثم توصيله بالأرضيّ، ولتجنب إعادة ضبط الدائرة بصورة عشوائية نوصل الطّرف 4 بالجهد vcc .

هناك عامل مهمّ يجب أخذه في الاعتبار عند استعمال هذه الدائرة وهو أنّ أقصى تيّار خرج لا يتعدّى 200 مللي أمبير ،  وهو تيّار صغير جدا ًمقارنة بالتيّار اللازم لتشغيل معظم المحرّكات ، فلذلك يجب استعمال ترانزستور ثنائي القطبية BJT أو ترانزستور   MOSFET، وفي هذا المثال سنسنتعمل ترانزستور  TIP122  MOSFET في توصيلة دارلينجتون حتى نتمكّن من تزويد المحرّك بتيّار يصل إلى 5 أمبير.

وكما نلاحظ في الشّكل السّابق فقد وُصِل خرْج المتكاملة بمقاومة 1K ثم وصلت بقاعدة الترانزستور، ويلعب الدايود  D3  أساسيّاً هنا فهو يحمي من أيّ زيادة مفاجئة بالجهد عند تشغيل أو إيقاف المحرّك.

تصميم اللّوحة المطبوعة لدائرة التحكّم في المحرّك

بعد أن أنهينا تصميم الدائرة نأتي لمرحلة صناعة اللّوحة المطبوعة، وسنستعمل لهذا الغرض الأداة المجانيّة EasyEDA التي تتميّز باحتوائها على العديد من المكوّنات الإلكترونيّة. نبدأ أوّلاً بالبحث عن العناصر الإلكترونيّة المطلوبة ووضعها في الإطار الفارغ كما في الشكل المقابل

بعد ذلك نصمّم إطار اللّوحة ونضع العناصر بداخلها بصورة مناسبة مع مراعاة ضرورة وضع المكثّفات بالقرب من المتكاملة 555 تجنُّبا ًلتشوّه الموجة الإلكترونيّة الناتجة .

الآن تأتي مرحلة توصيل العناصر الإلكترونيّة ببعضها، ولحسن حظّنا يحتوي برنامج EasyEDA على أداة صنع المسارات التي تتميّز بكفاءتها وسهولة استعمالها،  ويمكننا استغلال كلٍّ من الطبقة العليا والسفلى لتجنّب التقاطع السيء للمسارات .

ومن تبويب الخصائص نضبط العناصر الموصولة بالأرضيّ كما في الشّكل السابق عن طريق تحديد العنصر ثم من خانة NET نختار GND، ويمكننا إضافة أسماء العناصر الإلكترونيّة إلى اللّوحة في الطبقة الحريريّة silkscreen، بل يمكننا أيضا إضافة أيّة صورة نريد، وبعد ذلك  نضيف منطقة الأرضيّ باستعمال أداة  copper area

بعد أن أنهينا التصميم نضغط على زر Gerper output للحصول على ملفّات Gerper file، ثم نقوم بطباعتها وصناعة اللّوحة بأنفسنا ، أو نرسلها لأحد مراكز صناعة اللّوحات المطبوعة للحصول على جودة عالية.

تجميع العناصر الإلكترونيّة على اللّوحة المطبوعة

بعد أن صنعنا اللّوحة المطبوعة بنجاح نأتي لمرحلة تجميع ولحام العناصر الإلكترونيّة

وهذه قائمة بالعناصر الإلكترونيّة المستعملة:

ونبدأ أوّلاً بإدخال العناصر الصّغيرة مع مراعاة ثني أطرافها حتى نضمن ثباتها أثناء عمليّة اللّحام

ولتثبيت العناصر كبيرة الحجم يمكننا الاستعانة بشريط لاصق.

وهذا هو شكل اللّوحة بعد الانتهاء من عملية اللّحام، ما علينا الآن إلّا توصيلها بالمحرّك وتزويدها بالقدرة اللازمة لتشغيلها

ولقد استعملنا لهذه التجربة محرّك تيّار مستمرّ ذي سرعة عالية يعمل عند جهد 12 فولتاً، ويستمدّ قدرته من مجموعة من بطاريات الليثيوم ذات 3.7 فولت موصولة على التوالى.

وأخيراً نشغّل الدائرة، ويمكننا استعمال المقاومة المتغيّرة للتحكّم في سرعة المحرّك من خلال التّلاعب بالنبضات المعدّلة الناتجة من المتكاملة 555.

---

المصدر:هنا

ترجمة: عبدالرحمن صابر, مراجعة: علي العلي, تدقيق لغوي: رنيم العلي, تصميم: علي العلي, تحرير: قحطان غانم