Основы процесса автоматического регулирования напряжения

 

Независимо от типа генератора в системе электроснабжения необходим регулирующий элемент. Поддержание постоянного напряжения при увеличении частоты вращения ротора генератора возможно лишь при уменьшении магнитного потока. Уменьшить ток возбуждения, а следовательно, и магнитный поток можно замыканием обмотки возбуждения, прерыванием цепи возбуждения или включением последовательно с обмоткой возбуждения добавочного резистора.

С увеличением частоты вращения ротора возрастает ЭДС и напряжение генератора превышает регулируемое значение. При этом регулятор напряжения одним из указанных способов уменьшает ток возбуждения, что приводит к уменьшению магнитного потока, ЭДС и напряжения генератора. Снижение напряжения приводит к необходимости увеличения тока возбуждения. Этот процесс повторяется периодически, благодаря чему напряжение генератора колеблется около регулируемого значения.

В систему автоматического регулирования напряжения (рис. 1.20) входит объект регулирования - генератор и регулятор напряжения, состоящий из чувствительного элемента, регулирующего органа и задающего элемента. Обратная связь в системе регулирования осуществляется через чувствительный элемент.

 

 

Рис. 1.20. Функциональная схема системы автоматического регулирования напряжения в бортовой сети автомобиля

 

Рассмотрим рабочий процесс автоматического регулирования напряжения на примере включения последовательно с обмоткой возбуждения добавочного резистора Rr. Скорость нарастания напряжения при отсутствии в цепи возбуждения добавочного резистора, а также скорость убывания напряжения при подключении добавочного резистора зависят от частоты вращения ротора генератора. Чем больше частота вращения ротора генератора, тем выше скоростью нарастания напряжения при отсутствии добавочного резистора

(рис. 1.21).

 

 

Рис. 1.21. Характер изменения регулируемого напряжения UT при включении добавочного резист

 

 

При подключении добавочного резистора наблюдается противоположная зависимость - с увеличением частоты вращения понижается скорость спада напряжения.

При выключенном резисторе сопротивление цепи возбуждения равно сопротивлению обмотки возбуждения R_в, а при включенном резисторе сопротивление цепи возбуждения равно сумме сопротивлений добавочного резистора и обмотки возбуждения.

Изобразим изменение пульсирующего напряжения и соответствующее ему изменение сопротивления цепи возбуждения для различных частот вращения n1< n2< n3 (рис. 1.22).

Из рис. 1.22 видно, что время t0l в течение которого резистор выключен, с ростом частоты вращения уменьшается, а время f_B, в течение которого он включен, увеличивается. При этом сопротивление цепи возбуждения изменяется скачкообразно от Rв, до R_B + R_д.

Тогда ток возбуждения /в = U/R_эф= U/(R_B + т_вR_д). Рассмотрим скоростную характеристику генератора при работе с регулятором напряжения (рис. 1.23).

 

При увеличении частоты вращения от 0 до n_s, т. е. пока регулятор напряжения не работает (т_в = 0) ток возбужде­ния

/_в = U/R_B, возрастает до максимального значения.

При дальнейшем возрастании частоты вращения регулятор напряжения начинает работать, поддерживая заданное напряжение. При этом т_в, возрастает от 0 до 1, а ток возбуждения уменьшается до значения, соответствующего постоянно включенному резистору:

/_в = U/{R_B + R_д).

При дальнейшем увеличении частоты вращения напряжение и ток возбуждения начнут возрастать. Таким образом, сопротивление доба­вочного резистора определяет максимальную частоту вращения рото­ра генератора, при которой возможно регулирование напряжения.

Регуляторы напряжения

Описанный в подразделе 1.4.1 принцип регулирования может быть реализован устройствами различного типа. На автомобилях нашли широкое применение регуляторы напряжения электромагнитного, электронного и смешанного типов. С переходом на систе­мы электроснабжения с генератором переменного тока регуляторы электронного и смешанного типов практически вытеснили электро­магнитные регуляторы, которые широко применялись в основном с генераторами постоянного тока. Причиной этому явились следую­щие обстоятельства:

ток возбуждения генераторов переменного тока в 1,5... 2,0 раза выше, чем генераторов постоянного тока. Контакты электромагнит­ного регулятора напряжения при таких токах имеют низкую надеж­ность и небольшой срок службы;

 

Рис. 1.24. Принципиальная схема регулирования напряжения генератора электромагнитным регулятором

 

 

Электронный регулятор имеет ресурс до 200... 250 тыс. км пробега, в то время как средний срок службы электромагнитного регулятора 120... 150 тыс. км пробега;

- электронный регулятор не содержит подвижных частей, подгорающих контактных поверхностей и пружин и поэтому не подвержен разрегулировкам в процессе эксплуатации, что характерно для электромагнитного регулятора.

Однако на некоторых моделях автомобилей еще устанавливают электромагнитные регуляторы, учитывая их невысокую стоимость.

На рис. 1.24 представлена принципиальная схема регулирования напряжения электромагнитным регулятором. Последовательно с обмоткой возбуждения 6 включен добавочный резистор 2, сопротивление которого обеспечивает регулирование на номинальное напряжение при достижении максимальной частоты вращения. Параллельно добавочному резистору включены контакты 3. При неработающем генераторе под действием пружины 4 контакты замкнуты, тем самым добавочный резистор выключается из цепи возбуждения.

Обмотка электромагнита 5 включена параллельно генератору 1. Сила притяжения электромагнита зависит от тока

/г= WR₀,

где R₀ - сопротивление обмотки электромагнита.

При постоянном сопротивлении ток пропорционален напряжению, т.е. сила притяжения зависит от напряжения генератора. Притяжению электромагнита противодействует усилие пружины.

С увеличением частоты вращения возрастает ЭДС, и напряжение генератора превышает регулируемое значение. При этом ток в обмотке электромагнита возрастает, усилие притяжения увеличивается и контакты размыкаются. В цепь возбуждения включается сопротивление добавочного резистора, что приводит к уменьшению тока возбуждения, магнитного потока, ЭДС и напряжения генератора. Снижение напряжения приводит к ослаблению усилия притяжения электромагнита и пружина замыкает контакты. Добавочный резистор выключается и напря­жение опять возрастает, пока контакты вновь не разомкнутся.

Для контактов электромагнитного регулятора напряжения харак­терно искрение, которое оказывает на них разрушающее воздейст­вие. Степень этого воздействия характеризуется разрывной мощно­стью Р_к> равной произведению напряжения на контактах на ток воз­буждения. Напряжение на контактах в свою очередь равно произве­дению тока возбуждения на сопротивление добавочного резистора, поэтому разрывная мощность

Р_К= I_в ² /Rд.

Для надежной работы контактов разрывная мощность должна находится в пределах 150...200 В-А.

В рассмотренных регуляторах напряжения сопротивление доба­вочного резистора нельзя уменьшить, так как оно определяет макси­мальную частоту вращения, при которой возможно регулирование на­пряжения. Уменьшение тока возбуждения ведет к увеличению габари­тов и массы генератора. С возрастанием мощности генератора искус­ственное ограничение тока возбуждения становится все более затруд­нительным, поэтому либо применяют двухступенчатый регулятор, либо разделяют обмотку генератора на две параллельные ветви.

В качестве примера двухступенчатого регулятора напряжения электромагнитного типа может быть представлен реле-регулятор РР380 (рис. 1.25).

Этот реле-регулятор устанавливался совместно с генератором Г221 на автомобилях семейства ВАЗ. Контактная группа РР380 содержит нормально разомкнутую и нормально замкнутую пары, при-чем перекидывающий контакт расположен на якорьке. Первая ступень контактной группы - нормально замкнутые контакты РН1 - включены между «плюсом» и клеммой «Ш». Вторая ступень контактной группы - нормально разомкнутые контакты РН2 - включены между клеммой «Ш» и «минусом».

Электромагнитный регулятор напряжения содержит одну обмотку PH, включенную через резистор температурной компенсации Rт непосредственно на напряжение генератора. Параллельно контактам первой ступени включены добавочный рези стор Rд и дроссель L Дроссель служит для замедления скорости нарастания тока через контакты второй ступени РН2, облегчая их работу.

До момента достижения регулируемого напряжения якорек реле находится в исходном положении, т. е. контакты РН1 замкнуты, и ток возбуждения определяется лишь напряжением генератора и сопротивлением обмотки возбуждения. При достижении регулируемого напряжения электромагнитное усилие, созданное обмоткой PH, преодолевает усилие пружины и контакты размыкаются. При этом ток возбуждения пройдет по добавочному резистору, сила его уменьшится, следовательно, уменьшится и напряжение. Таким образом, работа первой ступени аналогична работе обыкновенного электромагнитного регулятора.

Отличительная особенность схемы двухступенчатого регулятора состоит в том, что параллельно контактам РН1 включается резистор, сопротивление которого в 10...15 раз меньше, чем у одноступенчатых регуляторов.

Сопротивление добавочного резистора вместе с незначительным сопротивлением дросселя рассчитано таким образом, чтобы при частоте вращения, равной половине максимальной, контакты первой ступени перестали замыкаться, т. е. регулирование напряжения прекратилось. При этом ток возбуждения уменьшается до 1,2... 1,3 А.

При дальнейшем увеличении частоты вращения генератора напряжение будет возрастать до того момента, пока не замкнутся контакты РН2.

При их замыкании обмотка возбуждения шунтируется (т. е. замыкается накоротко). Токи возбуждения и напряжения упадут, при этом контакты РН2 снова разомкнутся. Этот процесс будет повторяться с достаточно большой частотой. Регулировочная характеристика регулятора напряжения РР380 представлена на рис. 1.26.

 

 

Рис. 1.26. Регулировочная характеристика реле-регулятора РР380

 

Уменьшение сопротивления добавочного резистора оказывает двоякое действие. С одной стороны, сужается диапазон частот вращения, при которых контакты первой группы обеспечивают стабильность напряжения, с другой - резко снижается напряжение на этих контактах, при этом уменьшается разрывная мощность, что позволяет повысить максимальный ток возбуждения до 2,7 А.

Повышение регулируемого напряжения при переходе с первой ступени на вторую обусловлено перебросом якорька реле. Этот скачок находится в пределах 0,2...0,7 В.

Для увеличения тока возбуждения и срока службы регулятора напряжения были разработаны регуляторы смешанного типа - контактно-транзисторные (рис. 1.27), в которых основной ток-ток возбуждения - проходит через силовой транзистор, а роль контактов сводится к коммутированию небольшого тока управления транзистором. Транзистор VT1 работает в режиме ключа. Управляющим органом являются контакты, включенные в цепь базы. Чувствительный элемент - обмотка электромагнита, включенная на напряжение генератора.

Рис. 1.27. Принципиальная схема регулятора напряжения смешанного типа

При напряжении генератора, меньшем регулируемого, транзи­стор VT1 открыт, так как имеется его ток базы. Сопротивление цепи возбуждения определяется лишь сопротивлением обмотки и с уве­личением частоты вращения ротора напряжение генератора воз­растает. При напряжении генератора выше регулируемого усилие электромагнита преодолевает сопротивление пружины и контакты замыкаются. В результате этого шунтируется переход «эмиттер - база», транзистор закрывается и сопротивление цепи возбуждения увеличивается, так как ток возбуждения проходит по добавочному резистору R. Уменьшение тока возбуждения вызывает уменьше­ние магнитного потока, ЭДС напряжения, что в свою очередь при­водит к ослаблению усилия электромагнита, и контакты разомкнут­ся. Этот процесс повторяется периодически и напряжение генера­тора колеблется около регулируемого значения.

Примером регулятора напряжения смешанного типа может слу­жить реле-регулятор РР362 (рис. 1.28), который применяется на автомобилях ГАЗ-5ЭА, ГАЗ-52-04 и на некоторых моделях автомобилей «Москвич». Этот реле- регулятор имеет регулятор напряжения PH с германиевым транзистором VT1 и реле защиты РЗ. Регулятор напряжения имеет две пары контактов: нормально разомкнутую PH2 и нормально замкнутую PH1. Реле защиты имеет одну обмотку РЗ.

Рис. 1.28. Реле-регулятор РР362

Транзистор VT1, эмиттерно- коллекторная цепь которого включена последовательно с обмоткой возбуждения генератора, управляется по базовой цепи управляющим органом, имеющим нормально разомкнутые контакты PH2. Чувствительным элементом является обмотка PH, которая включена по схеме с ускоряющим резистором R1. Эмиттерная цепь включает диод VD2. Этот диод служит для обеспечения необходимого закрывающего напряжения на входе транзистора.

После включения замка зажигания ВЗ до момента срабатывания регулятора напряжения, т. е. до достижения генератором регулируемого напряжения, ток проходит по следующим цепям:

цепь базы: клемма «ВЗ» —> диод VD2 —» «эмиттер - база» VT1 —> резистор ЯЗ-> клемма «/И» -» «масса»;

цепь тока возбуждения: клемма «ВЗ» -» диод VD2 -» «эмиттер - коллектор» VT1 —> клемма «Ш» —> обмотка возбуждения —> «масса».

Сопротивления VD2 и эмиттерно-коллекторного перехода VT1 невелики, поэтому ток возбуждения определяется в основном со-противлением обмотки возбуждения.

Помимо указанных цепей, ток идет по обмотке PH: клемма «ВЗ» —» диод VD2 —> ускоряющий резистор R1 —> обмотка HP —> термокомпенсационный резистор RT —» клемма «М» -» «масса».

При достижении регулируемого напряжения контакты РН2 замкнутся. При этом на базу транзистора будет подан потенциал батареи (положительный). Потенциал эмиттера становится несколько ниже потенциала базы за счет падения напряжения на диоде VD2. Транзистор закрывается. В этом случае ток возбуждения, протекая по последовательно соединенным резисторам R1 и Rд, уменьшает-ся, что приводит к уменьшению магнитного потока обмотки возбуждения и напряжения генератора. При этом контакты РН2 размыка-ются, транзистор открывается и описанный процесс повторяется, обеспечивая постоянство регулируемого напряжения. При изменении тока в обмотке возбуждения индуцируется ЭДС самоиндукции, достигающая нескольких сотен вольт. Для устранения перенапряжения применяется гасящий диод VD3. Ток самоиндукции замыкается по цепи: «-» обмотки возбуждения —> гасящий диод VD3 —> клемма «М» -» «+» обмотки возбуждения.

При малой частоте вращения ротора генератора потенциал точки а выше потенциала точки б и ток идет от а к б по обмотке реле защиты РЗ и резистору обратной связи R2. С увеличением частоты вращения разность потенциалов между точками а и б уменьшается, а затем меняется на противоположную. Однако сила тока, протекающего по РЗ как в прямом, так и в обратном направлении, незначительна, поэтому контакты РЗ остаются разомкнутыми. При коротком замыкании обмотки возбуждения на «массу» напряжение генератора падает и замыкаются контакты РН1. При этом обмотка РЗ попадает под полное напряжение батареи, что приводит к замыканию контактов РЗ. В этом случае на базу транзистора подается «+» батареи и транзистор закрывается, что предохраняет его от перегрузки током.

Преимущество контактно-транзисторных регуляторов заключается в том, что контакты, будучи нагружены малым током, работают в гораздо более легких условиях - не подгорают и не изнашиваются. Кроме того, сила тока возбуждения определяется лишь характеристиками транзистора и не влияет на работоспособность контактов.

Недостатком регулятора смешанного типа является нестабильность регулируемого напряжения, так как вследствие старения изменяются характеристики возвратной пружины регулятора. Поэтому в эксплуатации данный регулятор, так же как и электромагнитный, должен периодически проверяться. Эти недостатки полностью исключены в электронных регуляторах напряжения (рис. 1.29), где в цепь возбуждения также включен транзистор, работающий в режиме ключа. Функцию чувствительного элемента выполняет стабилитрон VD3. Задающими элементами являются резисторы R1 и R3.

При напряжении генератора ниже регулируемого стабилитрон VD3 закрыт, закрыт транзистор VT2, а транзистор VT1 открыт. Сопротивление цепи возбуждения минимально и с увеличением частоты вращения ротора напряжение генератора увеличивается.

Рис. 1.29. Принципиальная схема регулятора напряжения электронного (бесконтактного) типа

При напряжении генератора выше регулируемого стабилитрон пробивается, транзистор VT2 открывается, что приводит к закрытию транзистора VT1, так как на его базу подается положительный потенциал. В цепь возбуждения включается добавочный резистор и напряжение генератора падает. Уменьшение напряжения вызывает закрывание стабилитрона, закрытие транзистора VT2 и открытие транзистора VT1. Этот процесс повторяется с большой частотой, в результате напряжение генератора колеблется около регулируемого значения.

Электронные регуляторы обладают более высокой надежностью и стабильностью регулируемого напряжения, чем электромагнитные и смешанные. Недостатком таких устройств является сложность изменения регулируемого напряжения в условиях эксплуатации.

К типичным электронным регуляторам напряжения можно отнести регулятор 201.3702, работающий в комплекте с генераторами Г250 или 32.3701 на автомобилях ЗИЛ-431410, УАЗ-3962 и др. Он содержит пять транзисторов и стабилитрон в качестве чувствительного элемента (рис. 1.30). Отличительной особенностью схемы регулятора 201.3702 является то, что стабилитрон VD1 расположен не в базовой, а в эмиттерной цепи входного транзистора VT1. Поскольку ток в эмиттерной цепи транзистора больше, чем в базовой, такое схематическое решение способствует более стабильной работе регулятора по уровню поддерживаемого им напряжения. С целью снижения рассеиваемой мощности в регуляторе, а следовательно, уменьшения его габаритов в выходной цепи регулятора транзисторы VT4 и VT5 включены по схеме составного транзистора (схема Дарлингтона).

При напряжении на зажимах регулятора ниже регулируемого напряжение на стабилитроне VD1 не достигает величины пробоя. Стабилитрон закрыт, значит закрыт входной транзистор (так как отсутствует ток цепи базы). Управляющий транзистор VT3 также закрыт из-за отсутствия тока базы. Составной транзистор VT4 - VT5 открыт, так как имеет место ток базы, протекающий по цепи: клемма «+» —> переход «эмиттер - база» транзистора VT5 ~ > переход «эмиттер - база» транзистора VT4 —> резисторы R14, R13, R12 —> клемма «-» ~ > «масса». Через открытый транзистор VT5 протекает ток возбуждения, и напряжение генератора возрастает.

 

 

Рис. 1.30. Схема генераторной установки с генератором Г250 (32.3701) и регулятором напряжения 201.3702

 

При достижении регулируемого напряжения генератора напряжение ни стабилитроне VD1 становится равным напряжению стабилизации. Стабилитрон пробивается, при этом возникает цепь тока базы входного транзистора VT1: клемма «+» —> резисторы R4,

R3 —> переход «база-эмиттер» транзистора VT1 —> стабилитрон VD1 —> клемма «-» —>

«масса». Транзистор VT1 открывается, а следовательно, будет открыт транзистор VT3, так как его ток базы протекает через переход «коллектор - эмиттер» транзистора VT1: клемма «+» -» переход «эмиттер-база» транзистора VT3 —> клемма «-» -» «масса». Открытый транзистор VT3 своим переходом «эмиттер-коллектор» шунтирует переход «эмиттер- база» составного транзистора VT4 - VT5 и последний закрывается. Закрытое состояние транзисторов VT4, VT5 приводит к прерыванию тока возбуждения, а следовательно, к уменьшению напряжения генератора. Как только оно становится ниже регулируемого, стабилитрон VD1 переходит в непроводящее состояние, транзисторы VT1 и VT3 закрываются, а транзисторы VT4, VT5 открываются. При этом напряжение генератора вновь возрастает, т.е. процесс периодически повторяется.

Назначение отдельных элементов регулятора напряжения 201.3702 следующее.

Транзистор VT2 выполняет в схеме регулятора две функции. При периодических переключениях схемы регулятора в нормальных условиях эксплуатации транзистор VT2 вместе с конденсатором С2 и резистором R9 выполняет функцию элемента, форсирующего процесс перехода транзисторов VT3, VT4, VT5 регулятора из закрытого состояния в открытое и обратно, вследствие чего снижаются потери мощности в них при переключении. При закрытии составного транзистора в цепи конденсатора С2 протекает зарядный ток, открывающий транзистор VT2, благодаря чему существенно ускоряется процесс открывания транзистора VT3 и закрывания составного транзистора VT4 - VT5. Когда составной транзистор VT4 - VT5 открывается, ранее заряженный конденсатор С2 начинает разряжаться по цепи: диод VD2 —> резистор R11 -» переход «эмиттер-коллектор» транзистора VT5. При этом к базе транзистора VT3 через резистор R10 прикладывается закрывающее напряжение. В результате этого ускоряется закрывание транзистора VT3 и сокращается время открывания составного транзистора VT4 - VT5.

В режиме короткого замыкания клемм «Ш» и «-» схема на транзисторе VT2 защищает транзистор VT4 - VT5 регулятора от перегрузки. При замыкании клеммы «Ш» на «массу» в момент времени, когда транзистор VT3 закрыт, а составной транзистор VT4 - VT5 открыт, потенциал коллектора транзистора VT5 уменьшается. При этом конденсатор С2 заряжается по цепи: переход «эмиттер - база» транзистора VT2 резистор R9 -> конденсатор С2. Транзистор VT2 открывается, следовательно, открывается транзистор VT3 и закрывается транзистор VT4 - VT5. В таком состоянии схема находится в течение времени, определяемого в основном постоянной времени R9C2. После заряда конденсатора С2 ток в его цепи пропадает, транзисторы VT2, VT3 закрываются, а составной транзистор VT4 - VT5 открывается. Конденсатор С2, быстро разрядившись по цепи: диод VD2 резистор R11 -> переход «эмиттер- коллектор» транзистора VT5, вновь начинает заряжаться через базовую цепь транзистора VT2, который при этом открывается. Процесс повторяется, а выходной транзистор переходит в автоколебательный режим. В данном режиме через силовой транзистор VT5 протекает импульсивный ток, среднее значение которого 0,05—0,07 А, а активная мощность, рассеиваемая на переходе «эмиттер- коллектор» транзистора VT5, не превышает 0,5 Вт. Так как теплоотвод регулятора напряжения 201.3702 позволяет рассеивать активную мощность 5 Вт, то при коротком замыкании клеммы «Ш» на «массу» силовой транзистор VT5 по мощности не перегружается. После устранения замыкания клемм «Ш» и «-» регулятор напряжения включается в работу автоматически. Объясняется это тем, что после заряда конденсатора С2 силовой транзистор VT5 остается в режиме насыщения, поэтому в цепи возбуждения генератора протекает ток. Напряжение на зажимах генератора повышается до тех

пор, пока не откроется входной транзистор VT1. Далее протекает процесс регулирования напряжения в сети автомобиля в нормативных условиях эксплуатации регулятора.

Резистор R6 является элементом цепи общей отрицательной обратной связи, а резистор R8 - элементом цепи местной положительной обратной связи. Введение в схему регулятора резистора R6, включенного между клеммой «111» и точкой соединения резисторов R3, R4 входного делителя, позволяет установить зависимость коэффициента передачи делителя от состояния составного транзистора. Так, в процессе работы регулятора при открытом составном транзисторе VT4 - VT5 из-за шунтирования резистором R6 резистора R4 коэффициент передачи входного делителя увеличивается, что приводит к скачкообразному повышению напряжения на стабилитроне VD1, его ускоренному открыванию и соответственно ускоренному открыванию VT1, VT3 и закрыванию транзисторов VT4, VT5. И, наоборот, при закрытом составном транзисторе VT4 - VT5 резистор R6 отключается от резистора R4, что обусловливает уменьшение коэффициента передачи входного делителя, а следовательно, способствует скачкообразному уменьшению напряжения на стабилитроне VD1, его ускоренному закрыванию, а соответственно уменьшает время нахождения транзисторов VT1, VT3 в открытом, а составного транзистора VT4 - VT5 в закрытом состоянии. Таким образом, за счет введения резистора R6 повышается частота переключения регулятора напряжения, а следовательно, качество электрической энергии в системе электроснабжения автомобиля.

Конденсатор С1 осуществляет фильтрацию пульсаций входного напряжения и исключает их влияние на работу регулятора напряжения.

Диод VD3 является в схеме регулятора гасящим диодом.

Диод VD4 защищает транзисторы VT3, VT4, VT5 от импульсов напряжения обратной полярности. Наиболее мощные импульсы напряжения обратной полярности возникают при включении контактно-транзисторной системы зажигания. Исходя из этого выбран соответствующий тип диода VD4 (KD209A), благодаря шунтирующему действию которого к схеме регулятора прикладывается безопасное для транзисторов инверсное напряжение 1,0...1,5 В.

В регуляторе напряжения 201.3702 защита маломощных транзисторов VT1, VT2, VT3 от импульсов перенапряжения осуществляется схематически, а защита выходного составного транзистора VT4- VT5 - применением транзистора КТ 837Х с постоянным напряжением перехода «коллектор-эмиттер» 80 В. Так, при отключенной от бортовой сети автомобиля аккумуляторной батареи элементы регулятора подвергаются воздействиям импульсивных перенапряжений. На интервале действия импульса перенапряжения входной транзистор VT1 и управляющий транзистор VT3 открываются, а составной транзистор VT4 - VT5 закрывается. При этом транзистор защиты VT2 сначала открывается током заряда конденсатора С2, а затем при формировании вершины и заднего фронта импульса перенапряжения закрывается. Однако напряжение на его коллекторе в этот момент не превышает 7,5 В, так как коэффициент деления резистивного делителя R12, R13 равен 1:10.

Для защиты от выхода из строя элементов регулятора при неправильном присоединении клемм «Ш» и «+» приняты следующие схемотехнические решения:

в коллекторные цепи транзисторов l/Пи VT2 включены ограничительные резисторы R7 и R12 с достаточно большим сопротивлением;

между коллектором транзистора VT3 и базой транзистора VT4 включен резистор R14, ограничивающий ток в коллекторной цепи управляющего транзистора до 0,1 А;

в качестве транзисторов VT5, VT4 использован транзистор КТ 837Х с постоянным обратным напряжением перехода «база - эмиттер» 15 В.

В любых режимах генераторной установки ток возбуждения генератора при неправильно соединенных выводах «+» и «III» не превышает 0,2 А, а напряжение в бортсети автомобиля не превышает напряжения аккумуляторной батареи.

Конструкция регулятора напряжения 201.3702 обеспечивает его взаимозаменяемость с ранее выпускаемым реле-регулятором РР350.

Дальнейшим совершенствованием электронных регуляторов явилось создание интегральных регуляторов - первых изделий на автомобиле, в которых использовались элементы микроэлектроники. В нашей стране эти регуляторы стали внедряться с середины 1970-х годов и заняли прочное место среди изделий электрооборудования благодаря значительно меньшим габаритным размерам и массе, чем у их предшественников. Интегральные регуляторы имеют повышенные допустимые рабочие температуры, что позволило встраивать их в генератор и, следовательно, упростить схему электропроводки автомобиля и повысить надежность генераторной установки за счет выполнения соединений между генератором и регулятором напряжения внутри генератора. Интегральные регуляторы обеспечивают высокую стабильность и точность регулирования напряжения в бортовой сети. Немаловажно и то обстоятельство, что переход на интегральные регуляторы дает значительную экономию металлов, в том числе дефицитных цветных.

В настоящее время выпускаются интегральные регуляторы напряжения: R112, R212 и др. на номинальное напряжение 14 В и R120 - на 28 В. Их габаритные размеры и масса в 9...24 раза меньше по сравнению с рассмотренными регуляторами РР362 и 201.3702, а наибольшая допустимая рабочая температура в 1,6 раза больше.

Регулятор напряжения R112-А (рис. 131) устанавливается на автомобилях «Москвич», автобусах ПАЗ, ЛАЗ, ЛиАЗ и др. Конструктивно он выполнен следующим образом. На металлической пластине - основании регулятора - смонтированы все элементы схемы. Активные элементы выполнены в виде защищенных блоков, пассивные - по толстопленочной технологии на керамической подложке с двусторонним исполнением схемы.

 

 

 

Рис. 1.31. Регулятор напряжения Я112-А

 

При изготовлении схему настраивают на требуемый уровень напряжения методом лазерной подгонки. Схема заливается специальным герметиком и закрывается пластмассовой крышкой. Регулятор имеет два ввода: «Б» и «Ш», «минус» на корпусе. Конструкция щеткодержателя генератора изменена, обе щетки изолированы от «массы».

Выходная цепь регулятора состоит из транзистора VT5, переключающегося с помощью управляющего транзистора VT2 и промежуточного транзистора VT4. Роль чувствительного элемента выполняет стабилитрон VQ1, подключенный к входному высокоомному делителю напряжения R1, R2.

Схема содержит цепочку обратной связи R4, С1 для повышения четкости переключения транзисторов и уменьшения времени перехода схемы из одного состояния в другое. Конденсатор С2 служит для фильтрации входного напряжения, поступающего на транзистор VT2.

При напряжении в бортовой сети ниже регулируемого транзисторы VT5 и VT4 открыты, так как имеется ток их баз, протекающий по следующей цепи: клемма «6» —> резистор R5 —> диод VD3 —> база-эмиттер транзистора VT4 —> база-эмиттер транзистора VT5 -» клемма «-» —> «масса». При этом ток возбуждения преходит по следующей цепи: клемма «6» —» клемма «В’» -» обмотка возбуждения генератора -» клемма «Ш» -» коллекторно-эмиттерный переход транзистора VT5 —» клемма «-» —> «масса».

Как только напряжение достигает заданного уровня, стабилитрон VD1 пробивается и транзистор VT2 открывается. Сопротивление этого транзистора становится минимальным и шунтирует эмит- терно-базовый переход транзисторов VT5 и VT4, что приводит к их закрыванию. Схема регулятора напряжения переключается в состояние, при котором транзистор VT2 открыт, a VT5 и VT4 заперты. Ток возбуждения генератора и выпрямленное напряжение начинают падать. При этом стабилитрон и транзистор VT2 закрываются, транзисторы VT5 и VT4 открываются и процесс повторяется.

Диод VD3 служит для улучшения закрывания основного транзистора при открытом транзисторе VT2 благодаря дополнительному падению напряжения на этом диоде.

Диод VD6 служит для гашения ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения генератора и защиты транзистора от перенапряжения в момент его закрывания.

Опыт массового использования микроэлектронных интегральных регуляторов свидетельствует, что для обеспечения надежной работы подобного устройства в сложных условиях эксплуатации необходимо выполнение ряда требований. В частности, все элементы схемы должны допускать воздействие наибольших перенапряжений и токовых перегрузок, возможных в системе электроснабжения не только в нормальных режимах, но и в так называемых аномальных режимах (отключение батареи, длительная работа без батареи и т. п.); число контактов, выполненных путем термокомпрессии или ультразвуковой сварки, должно быть минимальным, для повышения надежности соединений их следует дублировать. Регуляторы должны быть герметичны, но изменение объема герметика при температурных воздействиях, в том числе при термоударах, допустимо в пределах, при которых не нарушаются элементы схемы и не ухудшается герметичность изделия. При выпускных испытаниях каждое изделие, помимо работы (тренировки) в предельном режиме, необходимо подвергать более длительному, чем в случае «традиционных» регуляторов, воздействию положительной температуры, чередованию положительной и отрицательной температур (термоциклов) и т. д.

Дальнейшее развитие интегральных регуляторов направлено на полное удовлетворение перечисленных требований. Например, надежность регуляторов будет обеспечена за счет выходных транзисторов, допускающих импульсные перенапряжения до 150...200 В, специальной твердотельной схемы управляющей цепи и улучшенного теплового контакта между элементами схемы и корпусом- теплоотводом. В некоторых регуляторах перспективных типов предусматриваются тонкопленочные резисторы, обладающие более высокой, чем толстопленочные, стабильностью, небольшим разбросом номиналов сопротивлений и практически не изменяющие своих параметров при воздействии влаги, напряжения и других факторов; в генераторах - совмещение регуляторов со щеткодержателями, что упрощает конструкцию узла, делает более надежным соединение регулятора с цепью обмотки возбуждения. Такими генераторами будут комплектоваться практически все новые грузовые и легковые автомобили. Что касается замены на автомобилях действующего парка дискретных регуляторов напряжения на интегральные, то это весьма сложно и экономически нецелесообразно.

АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

Общие сведения

Аккумуляторные батареи, применяемые в системе электрооборудования, являются источниками электрической энергии, обеспечивающими питание потребителей при неработающем ДВС или при недостаточной мощности, развиваемой генератором. Тип и конструкция аккумуляторной батареи определяются условиями ее разряда в стартерном режиме при пуске двигателя. Поскольку эти режимы наиболее тяжелые (максимальный ток и мощность), автомобильные аккумуляторные батареи называются стартерными.

Стартерный аккумулятор представляет собой химический источник тока, т. е. устройство, в котором происходит непосредственное преобразование энергии химической реакции двух реагентов (окислителя и восстановителя) в электрическую энергию. Причем он яв-ляется так называемым вторичным химическим источником тока, допускающим многоразовое использование. После разряда производится его повторный заряд путем пропускания тока от внешней зарядной цепи в обратном направлении. При этом из продуктов ре-акции разряженного аккумулятора регенерируются исходные активные материалы. Таким образом, при заряде в аккумуляторе с некоторым КПД, зависящим от физико-химических процессов, аккумулируется энергия от внешнего источника. В отличие от аккумуляторов первичные химические источники тока (гальванические элементы) допускают лишь однократный разряд и в дальнейшем не восстанавливаются.

К стартерным аккумуляторным батареям предъявляются следующие основные требования:

- максимальное рабочее напряжение, которое определяется ЭДС одного аккумулятора батареи и их количеством в последовательном соединении;

- минимальная общая масса;

- минимальное внутреннее сопротивление (особенно при пониженных температурах);

- малое изменение напряжения в процессе разряда;

- максимальное количество энергии, отдаваемой с единицы массы;

- быстрое восстановление емкости в процессе заряда;

- малые габаритные размеры и большая механическая прочность;

- надежность и простота обслуживания в эксплуатации;