Inteligentny sterownik wiertarki

Do czego to służy?
Przed kilkoma miesiącami, znany ze
Szkoły Konstruktorów 16−letni Piotr Wójto−
wicz z Wólki Bodzechowskiej nadesłał pro−
jekt do działu Elektronika−2000. Pomysł
jest znakomity! Układ jest inteligentnym
sterownikiem miniaturowej wiertarki, prze−
znaczonej do wiercenia otworów w płyt−
kach drukowanych. Piotr napisał: “(...) pod
wpływem wysokich obrotów sięgających
18 000obr/min wiertło zaczyna bić i są trud−
ności z precyzyjnym trafieniem w zaplano−
wane miejsce wiercenia. Przed wywierce−
niem otworu trzeba wyłączyć wiertarkę,
ustawić wiertło na płytce dokładnie w za−
planowanym punkcie, a następnie włączyć
wiertarkę. Czynność ta wygląda na prostą,
jest jednak bardzo niewygodna. Aby unik−
nąć niewygody należałoby zautomatyzo−
wać włączanie i wyłączanie wiertarki. Wła−
śnie do tego celu służy opisany układ.”
Inteligentny sterownik
wiertarki
Układ zaproponowany przez Piotra nie
jest jednak wyłącznikiem czasowym. Idea
jest znacznie bardziej interesująca. Oto
dalszy fragment listu: “(...) zasada działa−
nia polega na włączeniu wiertarki na ma−
ksymalne obroty dopiero wtedy, gdy “po−
czuje” ona obciążenie. Aby układ mógł
wykryć narastające obciążenie, wirnik
musi się kręcić z niewielką prędkością −
jest to tryb czuwania, gdy na wiertarkę
podawane jest niewielkie napięcie. Dzięki
małym obrotom możliwe jest precyzyjne
umieszczenie wiertła w pożądanym punk−
cie płytki. Po przyciśnięciu wiertła, zwięk−
szy się obciążenie (wirnik może się nawet
zatrzymać), wzrośnie pobór prądu i ste−
rownik przejdzie do drugiego trybu pracy,
podając na wiertarkę pełne napięcie.
Po wywierceniu otworu obciążenie się
zmniejszy. Gdy układ wykryje zmniejszenie
prądu, automatycznie zmniejszy obroty,
przechodząc do stanu czuwania. (...) W ukła−
dzie wykorzystany jest fakt, że wraz ze wzro−
stem obciążenia wzrasta prąd wirnika.”
Idea jest znakomita, a przyjęte założenia −
prawidłowe. Zaprezentowany dalej układ nie
jest jednak autorstwa Piotra Wójtowicza. Je−
go oryginalny projekt zawiera dość skompliko−
wany układ czujnikowy, a elementem wyko−
nawczym jest przekaźnik. Podaną ideę można
zrealizować znacznie prościej. Fotografia
wstępna pokazuje prosty układ spełniajacy
podane założenia, opracowany w Redakcji
EdW. Natomiast model nadesłany przez Pio−
tra można zobaczyć na fotografii w artykule.
Jak to działa?
Schemat układu opracowanego w Redak−
cji pokazany jest na rysunku 1. Zasada działa−
nia jest następująca. Po włączeniu zasilania,
kondensator C1 stopniowo ładuje się przez
rezystor R5. Tym samym stopniowo wzrasta
napięcie na bazie tranzystora T2 oraz napięcie
zasilające wiertarkę. Spoczynkowe napięcie
na wiertarce jest wyznaczone przez dzielnik
rezystorowy R5, R6 i jest mniejsze niż 1/3
Wykaz elementów
R1 . . . . . . . . . . . . . . .2,2Ω (* patrz tekst)
R2−R4 . . . . . . . . . . . . . . . .nie montować
R5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,2kΩ
R6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .510Ω 0,5W
C1 . . . . . . . . . . . . . . . .100...1000µF/25V
T1 . . .BD244 lub inny PNP większej mocy
T2 . .BD243 lub inny NPN większej mocy
S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .włącznik
pełnego napięcia zasilającego. Przy tak ni−
skim napięciu nieobciążona wiertarka pobiera
prąd na tyle mały, że spadek napięcia na czuj−
niku prądu, czyli na rezystorach R1...R4 jest
mniejszy niż 0,5V, a tym samym tranzystor
T1 nie przewodzi. Na marginesie należy do−
dać, iż zmiany napięcia w zakresie 20...100%
napięcia zasilającego powodują stosunkowo
małe zmiany prądu − można przyjąć, że nieob−
ciążona wiertarka niezależnie od napięcia po−
biera taki sam prąd.
Wartość rezystorów R1...R4 należy dobrać
do konkretnej wiertarki, by w trybie czuwania
tranzystor nie przewodził (wtedy napięcie na
wiertarce będzie niższe niż 1/3 napięcia zasila−
nia). Wiertarka AD−19, dostępna w ofercie
AVT, pobiera w tym stanie czuwania około
0,2A prądu. Próby przeprowadzone w Redak−
cji wykazały, iż optymalna wartość rezystancji
czujnika wynosi dla badanego egzemplarza
takiej wiertarki 2,2Ω. Dla znacznie większej
wiertarki Minicraft o mocy 100W (18V), wy−
magana rezystancja czujnika wyniosła 0,9Ω.
Należy zauważyć , iż w tym spoczynko−
wym trybie pracy, płynący prąd ma znaczną
wartość, i na tranzystorze T2 występuje na−
pięcie większe niż 2/3 napięcia zasilania.
Tym samym w tranzystorze T2 wydziela się
znaczna moc strat. W przypadku wiertarki
AD−19 jest to około 2...2,5W, a w przypad−
ku wiertarki Minicraft − około 5W.
Ciąg dalszy na stronie 64
Rys. 1. Schemat ideowy
62
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/99
Ciąg dalszy ze strony 62
Z tego względu tranzystor T2 musi być wy−
posażony w niewielki radiator z kawałka
blachy.
Jak wykazano, rezystancja czujnika (wy−
padkowa oporność R1...R4) powinna być ta−
ka, by w trybie czuwania tranzystor T1 był
tuż przed progiem otwierania. Zwiększenie
obciążenia przez nawet niezbyt silne przyci−
śniecie wiertarki do płytki spowoduje wzrost
prądu, a tym samym wzrost napięcia na re−
zystancji czujnika i otwarcie tranzystora T1.
Otwarty tranzystor T1 spowoduje podanie
na wiertarkę praktycznie pełnego napięcia
zasilania (pomniejszonego tylko o 0,6...0,8V).
Po wywierceniu otworu obciążenie
i prąd się zmniejszają, tranzystor T1 zo−
staje zamknięty, napięcie na wiertarce
spada i układ wraca do trybu czuwania.
Jak wspomniano wcześniej, nieobcią−
żona wiertarka niezależnie od napięcia
pobiera niemal taki sam prąd. Jest to bar−
dzo ważna cecha, umożliwiająca działanie
prezentowanego układu. Gdyby obciąże−
niem nie był silnik wiertarki, tylko inny
odbiornik, układ nie mógłby funkcjono−
wać w opisany sposób − po włączeniu
tranzystora T1 i podaniu pełnego napięcia
na obciążenie prąd znacznie wzrósłby
i zestaw tranzystorów T1, T2 zatrzasnął−
by się, podobnie jak tyrystor.
W tym miejscu
należy wyjaśnić, iż
takie połączenie
tranzystorów rze−
czywiście ma wła−
ściwości bardzo
podobne do tyry−
stora. Trzeba też
pamiętać,
że
w drugim trybie
pracy, gdy na
wiertarkę poda−
wane jest pełne
napięcie, a prąd
jest
znacznie
większy od prądu
“spoczynkowe−
go”,
większa
część tego prądu
płynie przez ob−
wód emiter−baza
tranzystora
T1.
Właśnie dlatego
także tranzystor
T1 powinien być
tranzystorem mo−
cy, o katalogo−
wym prądzie bazy
większym niż prąd
pracy wiertarki.
Zdecydowana
większość tranzy−
storów mocy ma
prąd bazy rzędu
kilku amperów i takie tranzystory śmiało
można stosować jako T1. Tranzystor T2
w zasadzie mógłby być tranzystorem śre−
dniej mocy, ponieważ w najgorszym przy−
padku (w trybie czuwania) wydziela się na
nim co najwyżej 2...5W mocy. Natomiast
w drugim trybie, gdy oba tranzystory są
otwarte, wydziela się w nich moc strat
mniejsza niż 1W. Dlatego też tranzystor T1
nie potrzebuje radiatora, choć musi to być
tranzystor mocy o prądzie bazy rzędu kilku
amperów.
Kto chce, może sprawdzić, jak zmienia−
ją się właściwości układu przy zmianach
rezystancji R5. Testy praktyczne wykazały,
iż podane wartości (1,2kΩ, 510Ω) są opty−
malne. Przy próbach zmian wartości ele−
mentów R5, R6 należy pamiętać, że część
prądu płynącego przez R5 to prąd bazy T2.
Można wiec usunąć R6 i dobrać R5 dla da−
nej wiertarki i konkretnego egzemplarza
tranzystora T2 (stosownie do jego wzmoc−
nienia prądowego), by w trybie czuwania
napięcie na wiertarce nie przekraczało 1/3
napięcia nominalnego.
Jeśli natomiast rezystor R6 o wartości
510Ω będzie zastosowany, musi to być
rezystor o obciążalności co najmniej
0,5W − przecież na nim w drugim trybie
pracy też będzie występować praktycz−
nie całe napięcie zasilające.
Montaż i uruchomienie
Układ sterownika można zmontować
albo na płytce drukowanej, pokazanej na
rysunku 2, albo w “pająku”. Montaż nie
sprawi trudności. W przypadku wiertarki
AD−19 z oferty AVT zamiast czterech rezy−
storów R1...R4 należy zastosować jeden,
o wartości 2,2Ω (0,25W). W innych przy−
padkach wartość rezystancji czujnika prą−
du należy dobrać samodzielnie.
Układ zmontowany ze sprawnych ele−
mentów powinien od razu pracować po−
prawnie.
Gdyby wiertarka po włączeniu zasila−
nia od razu pracowała na pełnych obro−
Rys. 2. Schemat montażowy
tach, należy zmniejszyć rezystancję czuj−
nika. Wartość rezystancji czujnika nie mo−
że być zbyt duża, bo spadek napięcia na
nim przekraczałby 0,6V i tranzystor T1
byłby stale włączony. Wartość rezystancji
czujnika nie może też być zbyt mała, bo
układ nie będzie działał po niezbyt dużym
zwiększeniu obciążenia. Doświadczenia
redakcyjne wskazują, że ewentualne do−
branie wartości rezystancji czujnika nie
sprawi kłopotów. Należy zaczynać od
większej wartości rezystora R1, gdy wier−
tarka cały czas pracuje na pełnych obro−
tach, a potem zmniejszać wypadkową re−
zystancje wlutowując równolegle kolejne
rezystory R2...R4, aż napięcie się zmniej−
szy i układ przejdzie w tryb czuwania.
Praktyczne próby wiercenia płytek z uży−
ciem opisanego sterownika jak najbardziej
potwierdziły jego przydatność. Wykonanie
takiego układu można więc zalecić wszy−
stkim posiadaczom miniaturowych wierta−
rek zasilanych prądem stałym.
Projekt opracowany w Redakcji EdW
na podstawie pomysłu Piotra Wójtowicza