Принцип действия и электрическая схема электронного транзисторного регулятора напряжения бортовой сети

Регулятор напряжения поддерживает напряжение бортовой сети в заданных пределах во всех режимах работы при изменении частоты вращения ротора ге­нератора, электрической нагрузки, температуры окружающей среды.

Все регуляторы напряжения работают по единому принципу. Напряжение генератора определяется тремя факторами - частотой вращения ротора, силой
тока, отдаваемой генератором в нагрузку, и величиной магнитного потока, соз­-
даваемой током обмотки возбуждения. Чем выше частота вращения ротора и
меньше нагрузка на генератор, тем выше напряжение генератора. Увеличение
силы тока в обмотке возбуждения увеличивает магнитный поток и с ним напря­
жение генератора, снижение тока возбуждения уменьшает напряжение. Все ре-­
гуляторы напряжения, отечественные и зарубежные, стабилизируют напряже-­
ние изменением тока возбуждения. Если напряжение возрастает или уменьша-­
ется, регулятор соответственно уменьшает или увеличивает ток возбуждения и
вводит напряжение в нужные пределы.

Блок-схема регулятора напряжения представлена на рис.1.

 

 

Рис.1 Блок – схема регулятора напряжения:

1 – регулятор; 2 - генератор; 3 - элемент сравнения; 4 - регулирующий элемент; 5 – измерительный элемент.

 

Регулятор 1 содержит измерительный элемент 5, элемент сравнения 3 и ре-гу­лирующий элемент 4. Измерительный элемент воспринимает напряжение ге-не­ратора 2 U_d и преобразует его в сигнал U_изм, который в элементе сравнения сравнивается с эталонным значением U_эт.

Если величина U_изм отличается от эталонной величины U_эт, на выходе изме-рительного элемента появляется сиг­нал U_о, который активизирует регулирую-щий элемент, изменяющий ток в обмотке возбуждения так, чтобы на­пряжение генератора вернулось в за­данные пределы.

Таким образом, к регулятору напря­жения обязательно должно быть под­ве-дено напряжение генератора или на­пряжение из другого места бортовой сети, где необходима его стабилизация, например, от аккумуляторной батареи, а так-же подсоединена обмотка возбу­ждения генератора.

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 про-пускать через се­бя ток, если напряжение на нем превысит напряжение стабили-зации. Напряжение же на стабилитроне остается при этом практически неизмен-ным. 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, контакт­но-транзисторном регуляторе, полу-проводниковая схема, управляемая этими кон­тактами. Особенностью автомо-бильных регуляторов напряжения является то, что они осуществляют дискрет-ное регулирование напряжения путем включения и вы­ключения в цепь питания обмотки возбуждения (в транзисторных регуляторах) или последовательно с обмоткой дополнительного резистора (в вибрационных и кон­тактно-транзис-торных 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, рассмотрим принцип работы регулятора напряжения на примере простейшей схемы, близкой к отечественному регулятору напряжения Я112А1 и регулятору EE14V3 фирмы BOSCH (рис.2.).

Регулятор 2 на схеме работает в комплекте с генератором 1, имеющим до-пол­нительный выпрямитель обмотки возбуждения. Чтобы понять работу схе-мы, следует вспомнить, что, как было показано выше, стабилитрон не пропус-кает через себя ток при напряжениях ниже величины напряжения стабилиза-ции. При достижении напряжением этой величины стабилитрон пробивается, и по нему начинает протекать ток.

Транзисторы же пропускают ток между коллектором и эмиттером, т.е. от-кры­ты, 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.

 

 

Рис.2 Схема электронного транзисторного регулятора напряжения:

1- генератор с встроенным выпрямителем; 2 - регулятор;

 

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 осуществ­-ляется дискретно через изменение относительного времени включения обмот­ки возбуждения цепи питания. При этом ток в обмотке возбуждения и напряжение между коллектором и эмиттером силового транзистора VT3, коммутирующего ток обмотки возбуждения изменяет­ся так, как показано на рис.3. Если частота вращения генератора возросла или нагрузка его уменьшилась, время включения обмотки уменьшается. Если частота вращения уменьшилась или нагрузка возросла - увеличивается.

 

 

Рис. 3 а, б Кривые изменения напряжения на коллекторе транзистора VT3 во времени для двух значений тока возбуждения:

t_вкл и t_выкл – соответственно время включения и выключения обмотки возбужде-ния генератора; T₁ и T₂ – периоды вращения ротора генератора; I_вз1 и I_вз2 – среднее значение тока в обмотке возбуждения

 

В схеме регулятора по рис.2 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.2 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. 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 по-ниже­нием температуры электролита напряжение, подводимое к батарее от генератор­ной установки, несколько повышалось, а с повышением температуры - понижалось.

Для автоматизации процессов изменения уровня поддерживаемого напря-же­ния в некоторых схемах регуляторов 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.

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.

В настоящее время все больше зарубежных фирм переходит на выпуск гене­раторных установок без дополнительного выпрямителя. Для автоматического предотвращения разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигате­ле автомобиля в регулятор такого типа заводится фаза генератора. Регулято­ры, как правило, оборудованы ШИМ, который, например, при неработающем двигателе переводит выходной транзистор в колебательный режим, при кото­ром ток в обмотке возбуждения невелик и составляет доли ампера.

После запуска двигателя сигнал с вывода фазы генератора переводит схему регулятора в нормальный режим работы.

Схема регулятора осуществляет в этом случае и управление лампой контро­ля работоспособного состояния генераторной установки.