Принцип действия регулятора напряжения

1 - регулятор; 2 - генератор; 3 - элемент сравнения; 4 - регулирующий

элемент; 5 - измерительный элемент; 6 - источник эталонного напряжения.

Чувствительным элементом электронных регуляторов напряжения является входной делитель напряжения. С входного делителя напряжение поступает на эле­мент сравнения, где роль эталонной величины играет обычно напряжение стабили­зации стабилитрона. Стабилитрон не пропускает через себя ток при напряжении ниже напряжения стабилизации и пробивается, т.е. начинает пропускать через се­бя ток, если напряжение на нем превысит напряжение стабилизации. Напряжение же на стабилитроне остается при этом практически неизменным. Ток через стаби­литрон включает электронное реле, которое коммутирует цепь возбуждения таким образом, что ток в обмотке возбуждения изменяется в нужную сторону. В вибраци­онных и контактно-транзисторных регуляторах чувствительный элемент представ­лен в виде обмотки электромагнитного реле, напряжение к которой, впрочем, тоже может подводиться через входной делитель, а эталонная величина - это сила на­тяжения пружины, противодействующей силе притяжения электромагнита. Комму­тацию в цепи обмотки возбуждения осуществляют контакты реле или, в контакт­но-транзисторном регуляторе, полупроводниковая схема, управляемая этими контактами. Особенностью автомобильных регуляторов напряжения является то, что они осуществляют дискретное регулирование напряжения путем включения и вы­ключения в цепь питания обмотки возбуждения (в транзисторных регуляторах) или последовательно с обмоткой дополнительного резистора (в вибрационных и кон­тактно-транзисторных регуляторах), при этом меняется относительная продолжи­тельность включения обмотки или дополнительного резистора.

Поскольку вибрационные и контактно-транзисторные регуляторы представ­ляют лишь исторический интерес, а в отечественных и зарубежных генератор­ных установках в настоящее время применяются электронные транзисторные регуляторы, удобно рассмотреть принцип работы регулятора напряжения на примере простейшей схемы, близкой к отечественному регулятору напряжения Я112А1 и регулятору EE14V3 фирмы BOSCH (рис. 1.3.).

Регулятор 2 на схеме работает в комплекте с генератором 1, имеющим допол­нительный выпрямитель обмотки возбуждения. Чтобы понять работу схемы, следует вспомнить, что, как было показано выше, стабилитрон не пропускает через себя ток при напряжениях ниже величины напряжения стабилизации. При достижении напряжением этой величины стабилитрон пробивается, и по нему начинает протекать ток.

Транзисторы же пропускают ток между коллектором и эмиттером, т.е. откры­ты, если в цепи база-эмиттер ток протекает, и не пропускают этого тока, т.е. закрыты, если базовый ток прерывается.

Напряжение к стабилитрону VD1 подводится от выхода генератора Д через делитель напряжения на резисторах R1, R2. Пока напряжение генератора неве­лико, и на стабилитроне оно ниже напряжения стабилизации, стабилитрон за­крыт, ток через него, а, следовательно, и в базовой цепи транзистора VT1 не протекает, транзистор VT1 закрыт. В этом случае ток через резистор R6 от вы­вода Д поступает в базовую цепь транзистора VT2, он открывается, через его пе­реход эмиттер-коллектор начинает протекать ток в базе транзистора VT3, кото­рый открывается тоже. При этом обмотка возбуждения генератора оказывается через переход эмиттер-коллектор VT3 подключена к цепи питания. Соединение транзисторов VT2, VT3, при котором их коллекторные выводы объединены, а питание базовой цепи одного транзистора производится от эмиттера другого, на­зывается схемой Дарлингтона. При таком соединении оба транзистора могут рассматриваться как один составной транзистор с большим коэффициентом уси­ления. Обычно такой транзистор и выполняется на одном кристалле кремния. Если напряжение генератора возросло, например, из-за увеличения частоты вращения его ротора, то возрастает и напряжение на стабилитроне VD1.

При достижении этим напряжением величины напряжения стабилизации ста­билитрон VD1 пробивается, ток через него начинает поступать в базовую цепь транзистора VT1, который открывается и своим переходом эмиттер-коллектор закорачивает вывод базы составного транзистора VT2, VT3 на «массу». Состав­ной транзистор закрывается, разрывая цепь питания обмотки возбуждения. Ток возбуждения спадает, уменьшается напряжение генератора, закрываются ста­билитрон VD2, транзистор VT1, открывается составной транзистор VT2, VT3, обмотка возбуждения вновь включается в цепь питания, напряжение генерато­ра возрастает и т.д., процесс повторяется.

Таким образом регулировка напряжения генератора регулятором осуществляется дискретно через изменение относительного времени включения обмот­ки возбуждения цепи питания. При этом ток в обмотке возбуждения изменяет­ся так, как показано на рис. 1.4. Если частота вращения генератора возросла или нагрузка его уменьшилась, время включения обмотки уменьшается,

если частота вращения уменьшилась или нагрузка возросла - увеличивается.

Рис.1.3. Схема электронного транзисторного регулятора напряжения:

1 - генератор; 2 – регулятор.

В схеме регулятора по рис. 1.3 име­ются элементы, характерные для схем всех применяющихся на автомобилях регуляторов напряжения. Диод VD2 при закрытии составного транзистора VT2, VT3 предотвращает опасные всплески напряжения, возникающие из-за обрыва цепи обмотки возбужде­ния со значительной индуктивностью. В этом случае ток обмотки возбуж­дения может замыкаться через этот диод, и опасных всплесков напряже­ния не происходит. Поэтому диод VD2 называется гасящим. Сопротивление R3 является сопротивлением жесткой обратной связи. При открытии состав­ного транзистора VT2, VT3 оно оказы­вается подключенным параллельно сопротивлению R2 делителя напряже­ния. При этом напряжение на стабили­троне VD2 резко уменьшается, что ускоряет переключение схемы регулятора и повышает частоту этого переключе­ния. Это благотворно сказывается на качестве напряжения генераторной уста­новки. Конденсатор С1 является своеобразным фильтром, защищающим регу­лятор от влияния импульсов напряжения на его входе.

Вообще конденсаторы в схеме регулятора либо предотвращают переход этой схемы в колебательный режим и возможность влияния посторонних высокочас­тотных помех на работу регулятора, либо ускоряют переключения транзисторов. В последнем случае конденсатор, заряжаясь в один момент времени, разря­жается на базовую цепь транзистора в другой момент, ускоряя броском разряд­ного тока переключение транзистора и, следовательно, снижая потери мощно­сти в нем и его нагрев.

Из рис. 1.3 хорошо видна роль лампы контроля работоспособного состояния генераторной установки HL. При неработающем двигателе внутреннего сгорания замыкание контактов выключателя зажигания SA позволяет току от аккумуляторной батареи GA че­рез эту лампу поступать в обмотку возбуждения генератора. Этим обеспечива­ется первоначальное возбуждение генератора. Лампа при этом горит, сигнали­зируя, что в цепи обмотки возбуждения нет обрыва. После запуска двигателя, на выводах генератора Д и «+» появляется практи­чески одинаковое напряжение и лампа гаснет. Если генераторная установка при работающем двигателе автомобиля не развивает напряжения, то лампа HL про­должает гореть и в этом режиме, что является сигналом об отказе генератор­ной установки или обрыве приводного ремня.

Рис. 1.4. Изменение силы тока в обмотке воз­буждения Iв по времени t:

t_вкл и t_выкл - соответственно время включения и выключения обмотки возбуждения генератора; n₁ и n₂ - частоты вращения ротора генератора, причем n₂ > n₁; I_В1 и I_В2 - среднее значе­ние тока в обмотке возбуждения.

Введение резистора R в генераторную установку способствует расширению диагностических способностей лампы HL. При наличии этого резистора, если при работающем двигателе автомобиля произойдет обрыв цепи обмотки возбу­ждения, то лампа HL загорится.

Аккумуляторная батарея для своей надежной работы требует, чтобы с понижением температуры электролита напряжение, подводимое к батарее от генератор­ной установки, несколько повышалось, а с повышением температуры - понижалось.

Для автоматизации процессов изменения уровня поддерживаемого напряже­ния применяется датчик, помещенный в электролит аккумуляторной батареи и включаемый в схему регулятора напряжения. В простейшем случае термоком­пенсация в регуляторе подобрана таким образом, что в зависимости от темпе­ратуры поступающего в генератор охлаждающего воздуха напряжение генера­торной установки изменяется в заданных пределах.

Рис.1.5. Электрическая схема генератора с подсоединением вывода фазы генератора на регулятор напряжения:1 - генератор, 2 - регулятор напряжения,

HL - контрольная лампа, SA - выключатель зажигания, МС – микросхема.

В настоящее время все больше фирм переходит на выпуск генераторов без дополнительного выпрямителя обмотки возбуждения. В этом случае в регулятор заводится вывод фазы генератора. При неработающем двигателе автомобиля напряжение на выводе фазы генератора отсутствует, и регулятор напряжения в этом случае работает в режиме, препятствующем разряду ак­кумуляторной батареи на обмотку возбуждения. Например, при включении выключателя зажигания выходной транзистор схемы регулятора начинает ра­ботать в колебательном режиме, при котором ток в обмотке возбуждения невелик и составляет доли ампера После пуска двигателя сигнал с вывода фазы генератора переводит регулятор в нормальный режим работы. Регуля­тор осуществляет в этом случае и управление контрольной лампой. Напри­мер, на схеме, приведенной на рис 1.5, электронное реле, управляющее кон­трольной лампой HL, состоит из двух транзисторов VT2 и VT3 При неработа­ющем двигателе после включения выключателя зажигания SA транзистор VT2 находится в открытом состоянии, а VT3 - в закрытом, и контрольная лампа HL включается на полное напряжение бортовой сети. После пуска двигателя на выводе Р фазы обмотки статора появляется напряжение, кото­рое заставляет микросхему регулятора открыть транзистор VT3, шунтирующий контрольную лампу, и закрыть транзистор VT2. Контрольная лампа при этом гаснет. Управление кон­трольной лампой с помощью электронного реле может осуществ­ляться и при наличии отдельного выпрямителя обмотки возбуждения. В этом случае сигнал на срабатыва­ние реле поступает с выхода этого выпрямителя.

В рассмотренной схеме регулятора напряжения, как и во всех регуляторах аналогичного типа, частота переключений в цепи обмотки возбуждения изменя­ется по мере изменения режима работы генератора. Нижний предел этой час­тоты составляет 25-50 Гц.

Однако имеется и другая разновидность схем электронных регуляторов, в ко­торых частота переключения строго задана. Регуляторы такого типа оборудованы широтно-импульсным модулятором (ШИМ), который и обеспечивает за­данную частоту переключения. Применение ШИМ снижает влияние на работу регулятора внешних воздействий, например, уровня пульсаций выпрямленного напряжения и т.п.

Способ регулирования с примене­нием ШИМ требует значительного усложнения схемы регулятора (рис. 1.6). Регулятор содержит генератор прямоугольных импульсов постоянной часто­ты, который может быть выполнен в виде интегрирующего усилителя, линейно изменяющееся напряжение на выхо­де которого преобразуется в прямоугольный импульс на триггере Шмидта, или на компараторе, осуществляющих одновременно широтно-импульсную модуля­цию импульсов, т.е. изменение их скважности в зависимости от разности сигна­лов, поступающих с входного делителя напряжения и источника эталонного опорного напряжения, определяющего настройку регулятора напряжения.

Рис. 1.6.Блок-схема регулятора напря­жения с ШИМ: 1 - входной делитель;

2 - генератор импульсов постоянной часто­ты; 3 - широтно-импульсный модулятор; 4 - источник опорного напряжения; 5 - вы­ходной усилитель.

Обычно в точке режима настройки длительность импульсов напряжения составляет половину периода их следования. При повышении напряжения генератора длительность импульсов уменьшается, соответственно транзистор выход­ного усилителя включает обмотку возбуждения в цепь питания на относительно меньший отрезок времени, среднее значение силы тока в обмотке возбуждения уменьшается и напряжение генератора, снижаясь, приближается к стабилизиру­емой величине. При снижении напряжения длительность импульсов увеличива­ется, среднее значение силы тока в обмотке возбуждения растет, напряжение повышается, т.е. в итоге реализуется тот же принцип регулирования напряже­ния, что и в традиционных схемах.

Основная часть схемы современных регуляторов напряжения формируется обычно в виде микросхемы или модуля (чип), содержащего кроме основных функциональных элементов элементы защиты от различных аварийных режи­мов: перенапряжений; опасных величин токов и температур; подключения источников питания обратной полярности и т.п.

2 вопрос. Параллельная работа генератора и аккумуляторной батареи.