Реле-регулятори напруги.

1. Призначення та типи реле-регуляторів напруги.

2. Контактно-вібраційні регулятори напруги.

3. Контактно-транзиcторні регулятори напруги.

4. Безконтактно-транзиcторні регулятори напруги.

5. Інтегральні регулятори напруги.

6. Несправності регуляторів напруги.

1. Призначення та типи реле-регуляторів.

Автомобільний генератор працює в специфічних умовах. Частота обертання двигуна безперервно змінюється. Навантаження дуже коливається залежно від кількості увімкнених споживачів. Ступінь зарядженості акумуляторної батареї змінюється в широких межах, але напруга на затискачах генератора має бути практично постій­ною (відхилятися від розрахункової не більш як на 3 %), а акумуляторна батарея повинна заряджатися струмом, який відповідає її станові. Виконати перелічені попереду умови й забезпечити нормальну роботу генератора можна, тільки застосувавши реле-регулятор. З формули для напруги генератора

Ur = Е_ф = С_eпФ

бачимо, що, аби забезпечити постійну напругу генератора, коли часто­та обертання ротора змінюється, магнітний потік потрібно змінювати обернено пропорційно до частоти. Оскільки магнітний потік визначає сила струму збудження, то напругу регулюють, закорочуючи обмотку збудження, тобто перери­ваючи коло збудження або вмикаючи послідовно з об­моткою збудження додатко­вий опір. Отож принцип роботи будь-якого РН базується на зміні величини опору кола обмотки збудження обернено пропорційно обертам ротора генератора.

Цей принцип регулюван­ня можна реалізувати за до­помогою пристроїв різних типів. У сучасних автомобі­лях застосовують регулято­ри напруги, які поділяють на контактно-вібраційні (одно- та двосту­пінчасті), контактно-транзисторні, безконтактні транзисторні та інтегральні.

Контактно-вібраційні регулятори, маючи термін служби 120... ...150 тис. км пробігу автомобіля, поступаються місцем інтегральним і безконтактним, в яких цей показник становить 200...300 тис. км. Безконтактні транзисторні та інтегральні регулятори не містять рухо­мих частин, підгоряльних контактних поверхонь і пружин, а тому не розрегульовутоться в процесі експлуатації. Проте на деяких автомо­білях ставлять контактно-вібраційні регулятори, враховуючи їх не­високу вартість і просту будову (ВАЗ, ЗАЗ та ін.).

2. Контактно-вібраційні регулятори напруги.

Контактно-вібраційні регулятори напруги. Регулятор напруги (рис.4.1.) складається із ярма 7, осердя 6 з обмоткою 5, якірця 4, кон­тактів 2 та пружини 3. Якірець притискається вгору пружиною З, утримуючи в замкнутому стані контакти 2, котрі увімкнені послідов­но з обмоткою збудження генератора 03. Паралельно контактам і послідовно з 03 увімкнений додатковий опір R_д.

Розглянемо принцип дії вібраційного регулятора напруги. Послідовно з обмоткою збудження вмикається постійний додатковий опір R_д, при­значений для зниження напруги генератора до нормальної при підвищенні обертів двигуна. Електромагнітна обмотка вімкнена на повну напругу генератора. Контакти розімкнуться, якщо сила натягу пру­жини F та електромагнітна сила реле рівновеликі F_пр=F_ем

Як бачимо, напруга спрацьовування реле залежить від натягу пру­жини F_пр, величини повітряного зазору σ та параметрів обмотки реле (r₀ та W₀). Якщо напруга генератора менша за напругу спрацьову­вання реле U_р, то контакти замкнуті і обмотка збудження генератора ввімкнена до затискувачів генератора. Опір кола збудження визна­чається опором обмотки збудження R_з. Якщо напруга генератора дорівнюватиме напрузі спрацьовування реле U, то контакти розімкнуться і в коло збудження увімкнеться додатковий резистор R_д. Тоді опір кола збудження дорівнюватиме сумі опорів R_з +R_д. При цьому сила струму в обмотці збудження і напруга генератора зменшаться. Як тільки напруга генератора зменшиться до напруги повернення (відпускання), контакти знову замкнуться, струм збудження і напру­га підвищаться. Отже, контакти вібруватимуть, вмикаючи (вимикаю­чи) додатковий резистор R. При цьому опір кола збудження зміню­ватиметься стрибкоподібне від R_з до R_з +R_д.

Основним недоліком вібраційних регуляторів напруги є присутність вібруючих контактів, які обмежують максимально допустимий струм збудження генератора, знижують надійність регулятора. Методи, що застосовуються для зменшення розривної потужності контактів, пов­ністю не ліквідують згаданих недоліків, а лише дають змогу дещо зменшити їх.

Рис.4.2.Схема контактно-транзисторного регулятора напруги РР-362.

Реле захисту КА охороняє транзистор VT1 від коротких замикань у колі обмотки збудження. Замикальні контакти КА1 увімкнуті пара­лельно контактам регулятора напруги KV2.

Діод VD3 шунтує обмотку збудження, щоб запобігти пробиванню транзистора VT1 від ЕРС самоіндукції, що виникає в обмотці збуджен­ня генератора під час розмикання контактів регулятора напруги.

Після ввімкнення замка запалювання S і до моменту спрацьову­вання регулятора напруги, тобто до досягнення генератором регу­льованої напруги, транзистор VT1 відкривається, оскільки має місце струм бази: позитивний вивід акумуляторної батареї чи генерато­ра — замок запалювання S — затискач ВЗ — діод VD2 — емітер-ба­за транзистора VT1 — резистор бази R3 — затискач М — корпус автомобіля.

Тому через обмотку збудження генератора протікає струм по колу: позитивний вивід акумуляторної батареї чи генератора — замок за­палювання S — затискач В3 — діод VD2 — емітер-колектор транзисто­ра VT1 — затискачі Ш регулятора та генератора — обмотка збуджен­ня генератора — корпус автомобі­ля — негативний вивід акумулятор­ної батареї чи генератора.

Опір VD2 та емітерно-колекторний перехід транзистора незначний, а тому струм збудження генератора максимальний і визначається лише опором самої обмотки збудження.

Крім названих кіл, струм одночас­но протікає через обмотку регулятоpa напруги KV, по колу; затискач ВЗ — діод VD2 — прискорювальний резистор Rl — обмотка KV— термокомпенсаційний резистор R^ — затискач М — маса. В цей же час через замкнуті контакти KV1 струм протікає і через обмотку реле захисту: затискач ВЗ — замкнуті контак­ти KV1 — обмотка реле захисту КА — затискачі Ш регулятора та генератора — обмотка збудження — маса. Проте внаслідок незначної сили струму в цьому колі намагнічення осердя реле захисту також мале, що не дає змоги притягнути якірець та замкнути контакти КА1.

Якщо оберти двигуна збільшаться і напруга генератора досягне регульованого значення, то струм в обмотці KV зросте до значення, за якого ЕМС долає зусилля пружини і контакти KV1 розімкнуться, а контакти KV2 замкнуться. Тоді на базу транзистора подаватиметься позитивний потенціал генератора. Потенціал емітера стане трохи менший за потенціал бази внаслідок спаду напруги на діоді VD2 і транзистор VT1 закриється.

У цьому разі струм збудження протікає по колу: позитивний вивід генератора — замок запалювання 5 — затискач ВЗ — діод VD2 — послідовно з'єднані опори R1 та Rд — затискачі Ш регулятора та генератора — обмотка збудження генератора — маса.

Протікання струму через великий опір Rд зменшить його в обмот­ці збудження, що призведе до зменшення магнітного потоку в об­мотці збудження та напруги генератора,

Зменшення напруги в обмотці KV спричинить розмикання кон­тактів KV2, замикання контактів KV1, відкриття транзистора VT1, описаний процес повторюється, забезпечуючи сталість регульованої напруги.

Недоліком регуляторів мішаного типу є нестабільність регулю­вальної напруги, оскільки внаслідок старіння змінюються характе­ристики пружини регулятора. Тому в експлуатації такі регулятори як і вібраційні мають періодично перевірятись. Цього недоліку не­має в електронних безконтактних регуляторах напруги. В практиці можливо зустріти безліч конструкцій цих регуляторів.

4. Безконтактні транзисторні регулятори напруги.

На­ведемо принципову схему простого безконтактного регулятора фірми “Бош”.

Рис.4.3. Принципова схема простого безконтактного

регулятора фірми “Бош”.

Під час запуску двигуна до емітера силового транзистора VT2 прикла­дається “+”, а до бази — “—” напруги генератора. Оскільки між емітером та базою є різниця потенціалів, то транзистор відкриваєть­ся і в колі обмотки збудження протікає струм від затискача “+” через відкритий емітерно-колекторний перехід до обмотки збудження і через неї на масу. Величина струму визначається опором відкритого транзистора VT2 (тисячні долі Ома) та опором обмотки збудження. Під дією максимального струму збудження напруга генератора швидко зростає, при цьому одночасно зростає напруга в спільній точці поділь­ника напруги, складеного із резисторів RI та R2. Тут подільник напруги виконує функцію датчика, в той же час як еталонній напрузі відпові­дає так звана пробивна напруга стабілітрона VD1. Якщо напруга в подільній точці збігається з пробивною напругою, то стабілітрон VD1 стає провідним. Співвідношення величин опорів R1 та R2 вибираєть­ся так, щоб при потрібній напрузі на затискачах генератора напруга в подільній точці збігалася з пробивною напругою стабілітрона. Коли через стабілітрон протікає струм, транзистор VT1 відкривається, ос­кільки починає проходити струм керування транзистором: “+” — емі­тер транзистора VT1 — база — стабі­літрон VD1 — резистор R2 — маса. При відкритті транзистора VT1 робо­чий струм через нього протікає від затискача “ + ” — перехід емітер-ко­лектор-резистор R3 — маса. При цьо­му база силового транзистора VT2 через транзистор VT1 вмикається до позитивного виводу генератора, зав­дяки чому різниця потенціалів між емітером та базою транзистора VT2 зникає. Транзистор VT2 закривається. Закритий транзистор VT2 розриває струм в обмотці збудження, внаслідок чого в обмотці збудження індукується ЕРС самоіндукції, полярність якої збігається з вихідною напругою. При цьому вже закритий тран­зистор VT2 зазнає запірної дії і може вийти з ладу. Виникнення ЕРС самоіндукції обов'язкове, тому слід вжити спеціальних заходів, щоб запобігти виникненню шкідливих пікових напруг. Так, у схемі при закритому VT2 діод VD2, що встановлений між колектором і масою, зазнає дії відпірної напруги і стає провідним. При цьому обмотка збудження практично замикається накоротко і створюється положен­ня, аналогічне другому ступеню в двоступінчастому вібраційному регуляторі напруги. Діод VD2, що закритий в період протікання струму збудження, називається захисним діодом.

Якщо напруга між крайніми точками подільника напруги стає меншою, ніж задане значення, то стабілітрон VD1 закривається, при цьому транзистор VT1 також переходить у закритий стан, а на базу силового транзистора VT2 подається негативний потенціал і транзис­тор VT2 відкривається, а отже, відкривається і шлях струму до обмотки збудження.

Розглянута вище схема безконтактного регулятора напруги прос­та, проте вона повністю не задовольняє вимогам, що стоять перед регуляторами напруги і була розглянута лише для пояснення прин­ципу дії. Так, в реальних регулято­рах напруги застосовуються термо-резистори для запобігання впливу температури на рівень регулюваль­ної напруги; для швидкого та пов­ного закриття силового транзистора використовується позитивна напру­га і т. д. Типовим прикладом реального регулятора напруги є регу­лятор 201.3702, що змінив реле-ре­гулятори РР-350(14В,рис.4.4)а регулятор РР-356(28В,рис.4.5) який промисловість випускала тривалий час замінив інтегральний регулятор Я120 .

Ці регулятори призначені для ро­боти з генераторами Г250, Г286, і 32.3701(12В),Г237,Г272(28В) а генераторні установкі — для бортових мереж із номіналь­ною напругою 12 та 24 В відповідно.

Рис.4.4. Схема транзисторного безконтактного регулятора напруги РР350:

а- загальний вигляд, б – вид панелі регулятора без корпуса, в – вид панелі регулятора знизу, г – електрична схема регулятора

5. Інтегральні регулятори напруги.

Хоча безконтактні електронні комутатори досконаліші, ніж вібраційні чи контактно-вібраційні, проте вони металомісткі, недовговічні, малонадійні та чутливі до зміни тем­ператури. Тому останнім часом велике значення набули розробка та впровадження регуляторів напруги із застосуванням інтегральних схем. Це стало можливим завдяки значному розвитку мікроелектроніки з інтегральними схемами. Перші інтегральні регулятори поча­ли випускати фірми “Лукас”, “Сименс”, “Моторола”. Інтегральна схема — це пристрій, створений одним технологічним циклом і скла­дений із електричних з'єднаних між собою елементів, що виконують функції транзисторів, резисторів, конденсаторів, діодів і вміщені у спільний корпус.

Інтегральні регулятори напруги мають у 14...24 рази менші габа­ритні розміри і масу, ніж регулятори РР362 , РР350 чи РР356, і в 1,6 раза вищу припустиму робочу температуру. Інтегральний регулятор напру­ги Я112 тривалий час працює на автомобілях ГАЗ, РАФ, ЛАЗ, ЗІЛ, ВАЗ, Я 120, надійно працює на автомобілях КамАЗ, МАЗ від напруги 24В.

Схема регулятора Я112 (рис.4.5) — гібридно-інтегральна. В ній пасивні (резистори, конденсатори) та активні елементи (транзисто­ри, діоди, стабілітрони) нерозривно з'єднані і виготовлені на ке­рамічній підкладці. На схемі змонтовані безкорпусні активні еле­менти.

Схема містить чутливий елемент VD1, проміжний підсилювач, створений на одному VT1 і вихідний каскад, що являє собою складе­ний транзистор VT2 та VT3, що послідовно ввімкнений із обмоткою збудження генератора. Коло зворотного зв'язку (С1 та R4) приско­рює перемикання транзисторів. Конструкція виконана у вигляді гер­метично закритого блоку з габаритними розмірами 58 х 38 х 10 мм, масою 60 г.

Працює схема так. При напрузі генератора нижче регулювальної транзистор VT1 закритий, оскільки база має нульовий потенціал. Транзистори VT2 та VT3 відкриті, оскільки струм керування про­тікає по колу: “+” акумулятора — вимикач запалювання S — опір R5 — діод VD2 — база-емітер транзистора VT2 — база-емітер тран­зистора VT3 — опір R7 — маса. Струм збудження генератора про тікає по колу: “+” акумулятора — вимикач запалювання S— обмот­ка збудження 03 — колектор-емітер VT3 — резистор R7 — маса. Зі збільшенням частоти обертання ротора генератора його напруга збільшується. При досягненні нею заданого рівня (14 В) стабілітрон VD1 пробивається і через нього протікає струм, що створює на базі VT1 позитивний потенціал. Транзистор VT1 відкривається. Відкри­тий транзистор VT1 шунтує (замикає практично накоротко) вхідне коло складеного транзистора VT2 та VT3 і закриває його, перерива­ючи коло обмотки збудження. Струм збудження та напруга генера­тора знижуються, при цьому спадає і напруга на вхідному подільни­ку. Коли напруга на R2 стане нижча за рівень стабілізації, стабіліт­рон VD1 закриється, що призведе до закриття транзистора VT1 і відкриття вихідного транзистора VT2—VT3. Цей процес повторюєть­ся і середнє значення напруги генератора підтримується при цьому на заданому рівні. Майже аналогічно працює і регулятор Я120, тільки його чутєвий елемент складений із двох послідовно з’єднаних стабілітронів VD1 та VD2.

Рис.4.5. Схема інтегрального регулятора напруги Я112.