A 60V/20A AliExpress PWM regulator module for DC load control is opened and analyzed, with a focus on motor-speed regulation.
Its circuit uses an NE555 oscillator, 2SK3599 power switches, an MBR20100 diode, and an LM317 supply for the timer.
The PWM carrier frequency is about 20kHz, and duty-cycle adjustment runs from roughly 2.5% to 98%.
The aluminum enclosure is meant to act as a heatsink, but the missing thermopad makes long operation at higher currents doubtful.
AI summary based on the discussion. May contain errors.
Since the early days of the development of electricity and electronics, there has been a need to build regulators to smoothly influence the power dissipated in a load. The first regulators, built as linear regulators, introduced huge losses on the regulating element and, while they worked relatively well for low-power devices (e.g. the speed controller of a tape-shift motor in tape recorders), this was already problematic for medium and high power. This was due to the operation of the power elements in the linear range, much less loss was provided by operation as a key (i.e. open or fully closed with the transient omitted). By controlling the ratio of open to closed time accordingly, it was possible to regulate the power of the load in a smooth manner with minimal losses in the regulator itself. Thus was born the now widely used PWM ( Pulse-Width Modulation ) or Pulse Width Modulation. PWM has found its main application in DC circuits to control the speed (power) of DC motors, heaters or the brightness of light bulbs (traditional as well as LED). The circuit itself, which generates the signal for the actuator, can be implemented in many ways, whether in discrete technology (single transistors) or based on TTL/CMOS digital circuits or even operational amplifiers or specialised PWM controller circuits. It is also easy to implement on probably virtually any microprocessor/microcontroller. One circuit often used as a PWM controller by both amateurs and professionals is the "immortal" NE555.
The described regulator module was given to me by a colleague, who purchased several pieces to regulate the speed of the windscreen wiper motors in his car. The module is packaged in an anti-static foil bag;
.
It gives the impression of being solidly built, the housing made of aluminium profiles with steel end caps also acts as a heat sink (although not really, but more on that later).
.
As it were, "included" we get a potentiometer for adjustment together with a knob, in the photo below I have unscrewed the cap to take a look at the interior.
.
As I mentioned, the enclosure is intended to act as a heatsink and is mechanically adapted for this, however, the thermopad between the power components and the enclosure wall was missing;
.
I rather don't anticipate long operation at higher currents.... The regulator board measures 47x40mm and was made as a double-sided board.
<spanclass="notranslate">
.
.
Basically, the whole regulator consists of a dozen or so components and its main component is.... NE555 precisely! I took a moment and redrew the circuit layout from the board;
.
2SK3599 transistors were used as executive keys although the choice of gate resistors is questionable to me....
The MBR20100 duodiode is used as the pin suppressor diode;
The role of the auxiliary voltage stabiliser for the NE555 is played by an LM317 with somewhat unusually selected resistors fixing the output voltage;
The PWM 'carrier' frequency is ~20kHz which should not produce audible effects when working with inductive loads, the fill is adjustable from about 2.5% to 98%. Below are some photos showing the minimum, average and maximum settings;
.
.
.
In truth, if I were to buy this regulator I would prefer to build it myself .
Errata; .
Gate resistors are not 10k but 300Ω. Sorry for the mistake.
About Author
ArturAVS wrote 26445 posts with
rating 7855 , helped 2303 times.
Live in city Grajewo.
Been with us since 2005 year.
For 2SK3599 in pdf they give Vgs(th) from min. 3V .. max. 5V, so this dividers R1||R3 and R3||R4 on the gates of the mosfets from the supply voltage of 8V will make 4V!!! Maybe someone made a mistake and... [Read more]
ArturAVS
01 Jun 2023 08:01
Probably my mistake unfortunately :-( The gate resistors are marked 301 (300R) and from gate to ground 103 (10k), all elements have the values described on the PCB. Sorry for the confusion. [Read more]
Mateusz_konstruktor
01 Jun 2023 13:57
The LM317 will not give the voltage in the case of a 9V supply voltage, and as it is given in the colleague's diagram.
There's an error here somewhere. [Read more]
ArturAVS
01 Jun 2023 15:57
And where did I say that?
Of course, but committed (or maybe not) by the Chinese designer of the regulator. NE555 works properly from ~4.5V, for this LM317 configuration, the output voltage at 9V power... [Read more]
becalel
06 Jun 2023 13:47
@ArturAVS
Thanks for the insert with the lack of proper pressure on the housing / heat sink, I assemble this regulator to my wife's car because the resistance switch of the airflow force refused to... [Read more]
Przem188
07 Jun 2023 16:48
I am looking for a PWM (24V power supply) that controls the plus and the mass of the engine is the mass of the car. I know that due to other MOSFETs it is more troublesome to design. That's why I haven't... [Read more]
ArturAVS
08 Jun 2023 05:21
Nothing could be more wrong. You just need to reverse the control logic for the P MOSFETs, e.g.;
https://obrazki.elektroda.pl/1939160100_1686193997_bigthumb.jpg
Or use a special driver for... [Read more]
Przem188
08 Jun 2023 06:00
I am looking for a ready-made module with a working voltage of 24V and a load of about 6A.
And apart from one "kit"-in AVT I found nothing. Yes, I designed one myself on two 555 - with adjustable base... [Read more]
Staszek_Staszek
24 Jul 2023 19:13
I wonder why two?
I will make one adjustable for 1/10 - 1/100 Hz because I have not found a ready-made one.
I thought I'd use something like this:
https://obrazki.elektroda.pl/1890338600_1690218708_thumb.jpg... [Read more]
Przem188
24 Jul 2023 20:49
On two 555's to be able to adjust the frequency. [Read more]
FAQ
TL;DR: Regulator PWM 60 V 20 A ma ok. 20 kHz, a kluczowa uwaga brzmi: „brakowało termopada”. Ten FAQ jest dla osób montujących tani moduł z AliExpress do silnika DC, dmuchawy lub grzałki i sprawdzających chłodzenie, MOSFET-y oraz sterowanie NE555. [#20601157]
Dlaczego to ważne: Tani moduł może działać poprawnie, ale bez dobrego docisku elementów TO-220 do obudowy szybko traci zapas termiczny przy większym prądzie.
Rozwiązanie
Element kluczowy
Napięcie / prąd z wątku
Zastosowanie
Ograniczenie
Gotowy regulator AliExpress
NE555, 2SK3599, MBR20100, LM317
deklarowane 60 V / 20 A
silnik DC, grzałka, żarówka
brak termopada w opisanym egzemplarzu
Własny układ na NE555
1× lub 2× NE555
projekt 24 V / ok. 6 A
sterowanie silnikiem z dobieraną częstotliwością
wymaga montażu PCB
High-side z P-MOSFET
P-MOSFET
24 V w aucie
przełączanie plusa
gorsze parametry niż N-MOSFET-y
High-side z N-MOSFET + IR2104
driver IR2104
wyższe napięcia według dyskusji
przełączanie plusa
wymaga specjalnego drivera
Kluczowa obserwacja: Przed montażem trzeba otworzyć moduł i sprawdzić termiczny kontakt tranzystorów oraz diody z obudową. Sama aluminiowa obudowa nie jest radiatorem, jeśli elementy mocy nie mają termopada, pasty lub docisku.
Quick Facts
Płytka regulatora ma 47 × 40 mm, jest dwustronna i zawiera kilkanaście elementów z układem NE555 jako generatorem PWM. [#20601157]
Częstotliwość nośna PWM wynosi ok. 20 kHz, a wypełnienie reguluje się od ok. 2,5% do 98%. [#20601157]
W stopniu mocy pracują tranzystory 2SK3599, a jako dioda tłumiąca zastosowano podwójną diodę Schottky MBR20100. [#20601157]
Rezystory bramkowe mają oznaczenie 301, czyli 300 Ω, a rezystory bramka–masa 103, czyli 10 kΩ. [#20601856]
Przy zasilaniu 9 V stabilizator LM317 daje w tej konfiguracji ok. 5,7 V dla NE555, który działa poprawnie od ok. 4,5 V. [#20602394]
What is PWM and how does pulse-width modulation control the speed of a DC motor or the brightness of a lamp?
PWM steruje mocą przez zmianę stosunku czasu włączenia do wyłączenia klucza. „PWM” jest modulacją szerokości impulsu, która reguluje średnią moc obciążenia, przełączając element wykonawczy między stanem pełnego włączenia i wyłączenia. W praktyce zasila silnik DC, grzałkę lub lampę impulsami. Dłuższy czas włączenia zwiększa prędkość, temperaturę lub jasność. Krótszy czas włączenia zmniejsza moc bez dużych strat regulatora liniowego. [#20601157]
How does an NE555-based PWM regulator from AliExpress generate an adjustable duty cycle?
Regulator z NE555 generuje przebieg PWM, którego wypełnienie zmienia potencjometr. W opisanym module zakres regulacji wynosi od ok. 2,5% do 98%. Częstotliwość nośna ma ok. 20 kHz. Układ NE555 steruje bramkami MOSFET-ów, które kluczują obciążenie. Zasilanie pomocnicze dla NE555 dostarcza LM317, a stopień mocy tworzą tranzystory 2SK3599. [#20601157]
What are the practical limits of a cheap 60 V 20 A PWM regulator module when used with motors or heaters?
Praktyczny limit wyznacza chłodzenie, nie sam napis 60 V 20 A. Autor nie przewidywał długiej pracy przy wyższych prądach, bo brakowało termopada między elementami mocy i obudową. Moduł wygląda solidnie, ale obudowa aluminiowa nie odbiera skutecznie ciepła bez kontaktu termicznego. To jest krytyczne przy silnikach, grzałkach i żarówkach, bo prąd obciążenia nagrzewa MOSFET-y oraz diodę. [#20601157]
Why is a missing thermopad or poor pressure between TO-220 components and an aluminum housing a problem in a PWM controller?
Brak termopada lub docisku zwiększa opór cieplny między TO-220 a obudową. W opisanym module obudowa miała działać jak radiator, ale elementy mocy nie miały właściwego kontaktu z jej ścianką. „TO-220” jest obudową elementu mocy, która odprowadza ciepło przez metalową część, lecz wymaga docisku i izolacji termicznej. Bez tego MOSFET-y i dioda mogą się przegrzać podczas dłuższej pracy. [#20601157]
How can I improve the heat transfer in an AliExpress PWM regulator by adding an aluminum strip, thermal paste, or a thermopad?
Popraw chłodzenie przez zapewnienie stałego docisku elementów TO-220 do obudowy. 1. Otwórz moduł i sprawdź odstęp między elementami mocy a aluminiową ścianką. 2. Wypełnij nadmierny dystans paskiem aluminium, termopadem lub pastą termoprzewodzącą. 3. Dociśnij elementy tak, aby ciepło przechodziło do obudowy. Jeden użytkownik użył listwy aluminiowej i pasty przy montażu regulatora dmuchawy samochodowej. [#20607678]
What do the 2SK3599 MOSFET parameters mean for driving the gates from an NE555 PWM circuit?
Parametry 2SK3599 oznaczają, że napięcie bramki musi wystarczyć do pewnego włączenia MOSFET-a. W dyskusji podano Vgs(th) od minimum 3 V do maksimum 5 V. Przy zasilaniu układu sterującego blisko 5,7 V tranzystory mogą pracować, ale zapas sterowania nie jest duży. Trzeba też uwzględnić spadek napięcia na wyjściowym tranzystorze NE555. [#20601470]
Why are 300 Ω gate resistors and 10 kΩ gate-to-ground resistors used in this PWM regulator instead of 10 kΩ series gate resistors?
Rezystory 300 Ω ograniczają prąd ładowania bramek, a 10 kΩ rozładowują bramki do masy. Początkowo odczytano rezystory bramkowe jako 10 kΩ, co sugerowałoby zbyt wolne lub słabe sterowanie MOSFET-ów. Autor sprostował błąd: elementy szeregowe mają oznaczenie 301, czyli 300 Ω. Rezystory 103, czyli 10 kΩ, są połączone od bramki do masy. [#20601856]
What role does the MBR20100 Schottky diode play as a flyback or suppression diode in a DC motor PWM controller?
MBR20100 tłumi przepięcia powstające przy wyłączaniu obciążenia indukcyjnego. W module działa jako dioda gasząca dla silnika DC lub podobnego obciążenia. „Dioda flyback” jest diodą zabezpieczającą, która przejmuje prąd indukcyjności po wyłączeniu klucza, ograniczając szpilki napięcia. W opisanym regulatorze użyto podwójnej diody Schottky MBR20100 jako elementu tłumiącego. [#20601157]
How does the LM317 supply the NE555 in this regulator, and why might its output be around 5.7 V from a 9 V input?
LM317 stabilizuje napięcie pomocnicze dla NE555 na poziomie około 5,7 V przy wejściu 9 V. Wartość wynika z konkretnej konfiguracji rezystorów w module. NE555 pracuje poprawnie od około 4,5 V, więc taki poziom wystarcza do generowania PWM. Autor zaznaczył też, że trzeba uwzględnić spadek napięcia na wyjściu 555 i próg Ugs(th) tranzystora. [#20602394]
What PWM frequency is best for controlling car blower motors or windshield wiper motors without audible whining?
Częstotliwość około 20 kHz jest właściwa, gdy chcesz ograniczyć słyszalne piszczenie. Opisany regulator pracuje z nośną ok. 20 kHz. Autor wskazał, że taka częstotliwość nie powinna dawać efektów akustycznych przy obciążeniach indukcyjnych. Dotyczy to zastosowań takich jak silniki wycieraczek i dmuchawy samochodowe, które użytkownicy omawiali w wątku. [#20601157]
How can I choose a PWM controller for a 24 V DC motor drawing about 6 A when the motor ground is tied to the car chassis?
Wybierz regulator high-side, który przełącza plus, jeśli masa silnika jest połączona z karoserią. Użytkownik szukał gotowego modułu dla 24 V i obciążenia około 6 A. Zwykły regulator low-side przełącza masę, więc nie pasuje do takiej instalacji. Rozwiązaniem jest P-MOSFET ze zmienioną logiką albo N-MOSFET ze specjalnym driverem high-side. [#20608805]
P-channel MOSFET high-side switching vs N-channel MOSFET with an IR2104 driver — which is better for a 24 V automotive PWM controller?
N-MOSFET z driverem IR2104 daje lepszy kierunek projektowy przy wyższych wymaganiach. W dyskusji wskazano, że tranzystory N-kanałowe zwykle mają lepsze parametry i są tańsze niż P-kanałowe. P-MOSFET upraszcza logikę high-side, ale wymaga jej odwrócenia. Driver IR2104 pozwala sterować N-MOSFET-em po stronie plusa i obsługiwać wyższe napięcia. [#20609237]
How do I design a high-side PWM motor controller that switches the positive supply instead of the ground?
Zaprojektuj układ high-side z P-MOSFET-em albo N-MOSFET-em i driverem. Jeśli używasz P-MOSFET-a, odwróć logikę sterowania względem typowego klucza N-kanałowego. Jeśli wybierasz N-MOSFET, zastosuj specjalny driver, na przykład IR2104. Takie sterowanie przełącza dodatni przewód zasilania, więc masa silnika może pozostać połączona z masą samochodu. [#20609237]
Why would someone build a PWM generator with two NE555 timers instead of one NE555 timer?
Dwa układy NE555 ułatwiają niezależną regulację częstotliwości i wypełnienia. Jeden użytkownik zaprojektował sterownik na dwóch 555 z regulowaną częstotliwością bazową oraz wypełnieniem 0–100%. Inny zapytał, po co stosować dwa układy. Odpowiedź brzmiała krótko: aby móc regulować częstotliwość. To ma sens, gdy jeden generator ustala okres, a drugi formuje impuls. [#20666421]
What is the benefit of adjustable PWM base frequency and 0–100% duty cycle in a custom NE555 motor controller?
Regulowana częstotliwość bazowa i zakres 0–100% dają większą kontrolę nad zachowaniem silnika. Użytkownik opisał własny projekt na dwóch NE555 z regulowaną częstotliwością i pełnym zakresem wypełnienia. Taki układ pozwala dobrać częstotliwość do obciążenia oraz ustawić od pełnego wyłączenia do pełnego zasilania. To przewaga nad prostym modułem z ograniczonym zakresem 2,5–98%. [#20609240]
AI summary based on the discussion. May contain errors.
.
Comments
For 2SK3599 in pdf they give Vgs(th) from min. 3V .. max. 5V, so this dividers R1||R3 and R3||R4 on the gates of the mosfets from the supply voltage of 8V will make 4V!!! Maybe someone made a mistake and... [Read more]
Probably my mistake unfortunately :-( The gate resistors are marked 301 (300R) and from gate to ground 103 (10k), all elements have the values described on the PCB. Sorry for the confusion. [Read more]
The LM317 will not give the voltage in the case of a 9V supply voltage, and as it is given in the colleague's diagram. There's an error here somewhere. [Read more]
And where did I say that? Of course, but committed (or maybe not) by the Chinese designer of the regulator. NE555 works properly from ~4.5V, for this LM317 configuration, the output voltage at 9V power... [Read more]
@ArturAVS Thanks for the insert with the lack of proper pressure on the housing / heat sink, I assemble this regulator to my wife's car because the resistance switch of the airflow force refused to... [Read more]
I am looking for a PWM (24V power supply) that controls the plus and the mass of the engine is the mass of the car. I know that due to other MOSFETs it is more troublesome to design. That's why I haven't... [Read more]
Nothing could be more wrong. You just need to reverse the control logic for the P MOSFETs, e.g.; https://obrazki.elektroda.pl/1939160100_1686193997_bigthumb.jpg Or use a special driver for... [Read more]
I am looking for a ready-made module with a working voltage of 24V and a load of about 6A. And apart from one "kit"-in AVT I found nothing. Yes, I designed one myself on two 555 - with adjustable base... [Read more]
I wonder why two? I will make one adjustable for 1/10 - 1/100 Hz because I have not found a ready-made one. I thought I'd use something like this: https://obrazki.elektroda.pl/1890338600_1690218708_thumb.jpg... [Read more]
On two 555's to be able to adjust the frequency. [Read more]