Метка: Напряжение

Рис. Полная внутренняя схема генератора переменного тока

Чтобы предохранить батарею транспортного средства от перезарядки, напряжение зарядки должно удерживаться ниже напряжения газообразования свинцово-кислотной батареи. Для всех 12-вольтовых систем зарядки используется значение 14,2 ± 0,2 В. При постоянно расширяющемся использовании электронных систем жизненно важен точный контроль напряжения. Это также позволяет расширить применение герметизированных батарей, поскольку сводит к минимуму возможность перезарядки. Из-за постоянно изменяющейся скорости вращения двигателя и нагрузки на генератор регулирование напряжения на генераторе переменного тока транспортного средства — трудная задача. Выходное напряжение генератора переменного тока без регулирования линейно повышалось бы пропорционально скорости вращения двигателя. Выходное напряжение генератора переменного тока также пропорционально силе магнитного поля, а оно, и свою очередь, пропорционально току возбуждении ротора. Задача регулятора состоит в том, чтобы управлять этим током в ответ на изменение выходного напряжения генератора — классический случай авторегулирования с обратной связью. На рисунке показана блок-схема, на которой представлен принцип действия регулятора. Ток возбуждении выключается, как только увеличивается выходное напряжение, и затем снова включается, как только выходное напряжение падает. Резкое включение тока возбуждения не вызывает резких изменений выходного напряжения вследствие очень высокой индуктивности обмотки возбуждении (ротора). Кроме того, процесс переключения занимает только несколько миллисекунд. Многие регуляторы также содержат цепи определенной температурной компенсации, чтобы увеличить скорость зарядки в холодных условиях и уменьшить эту скорость в более теплых.

Рис. Блок-схема работы регулятора

При работе со схемами регулятора необходимо внимательно относиться к тому, где прерывается цепь возбуждения. Например, в некоторых генераторах переменного тока обмотка возбуждения постоянно подключена к диодам, а регулятор коммутирует «земляной» конец обмотки. В других системах, наоборот, один вывод обмотки возбуждения постоянно заземлен, а регулятор коммутирует цепь со стороны питания. На рисунке показаны оба способа.

Рис. Включение регулятора напряжения в цепь обмотки возбуждения

Генераторы переменного тока не требуют дополнительного регулирования тока возбуждения, так как при регулировке выходного напряжения то напряжение, которое подается на обмотку возбуждения, не может превысить определенный уровень. А это, в свою очередь, позволит течь через сопротивление обмотки только определенному току, следовательно, существует предел для силы магнитного поля. Таким образом, ограничивается максимальный ток, который может создать генератор переменного тока.

Регуляторы могут быть механическими или электронными, и именно последние повсеместно применяются на современных автомобилях. Механический тип использует обмотку, связанную с выходом генератора переменного тока. Магнитное поле, создаваемое в этой обмотке, пропорционально выходному напряжению. Группа нормально замкнутых контактов связана с сердечником, который удерживается в оттянутом положении пружиной. Питание на обмотку возбуждения подается через эти контакты. Когда выходное напряжение поднимается выше заданного уровня, притяжение сердечника к электромагниту регулятора преодолеет натяжение пружины и разомкнет контакты. Это отключает ток возбуждения, и выходное напряжение генератора снижается. Как только выходное напряжение окажется ниже заданного уровня, пружина снова замкнет контакты регулятора и процесс продолжится. На рисунке показана упрошенная схема механического регулятора. Принцип его работы не изменился со времен первого регулятора напряжения динамо-машины.

Рис. Принцип работы механического регулятора

Проблемы механических регуляторов — износ контактов и других движущихся частей. Эти проблемы было преодолены с появлением электронных регуляторов, которые вследствие более точной регулировки напряжения и очень быстрого переключения значительно совершеннее механических и обеспечивают более стабильное выходное напряжение. Благодаря компактности и нечувствительности к вибрации электронные регуляторы теперь практически всегда устанавливаются непосредственно на генератор переменного тока, уменьшая число требуемых кабельных соединений.

Ключевой элемент электронного регулятора напряжения — диод Зенера, или стабилитрон. В этом приборе используется управляемый пробой р-n перехода, и стабилитрон при определенном напряжении проводит ток в обратном направлении. Стабилитрон используется в качестве чувствительного элемента в электронном регуляторе. На рисунке показана упрощенная схема электронного регулятора напряжения.

Рис. Электронный регулятор напряжения

Регулятор работает следующим образом. Когда нагрузка генератора переменного тока возрастет, его выходное напряжение окажется ниже заданного уровня. Тогда транзистор Т1 включается подачей тока на его базу через резистор R3. Это приведет к увеличению тока возбуждения, и, соответственно, увеличится выходное напряжение. Когда будет достигнуто заданное напряжение, диод Зенера откроется. Резисторами R1 и R2 устанавливается соответствующее напряжение питания, например, 14,2 В. Как только стабилитрон откроется (начнет проводить ток), откроется транзистор Т1, что приведет к снижению напряжения на базе Т2 почти до нуля. Падение уровня напряжения приведет к закрытию транзистора T2, ток возбуждения станет равным нулю и выходное напряжение упадет. Стабилитрон вновь закроется, что приведет к закрытию Т1 и открытию Т2, и цикл продолжится. Обычный диод D1 шунтирует противо-э.д.с. обмотки возбуждения и, таким образом, предотвращает повреждение других компонентов схемы.

Электронные регуляторы могут быть выполнены так, чтобы отслеживать либо напряжение батареи, либо напряжение генератора, либо комбинацию этих напряжений. Большинство действующих в настоящее время систем реагируют на напряжение генератора, поскольку это предполагает определенную защиту от перенапряжения в случае отключении батареи.

Рис. Гибридный регулятор с интегральной схемой

На рисунке показана схема гибридного регулятора напряжения с интегральной схемой (ИС). Гибридная схема состоит из дискретных компонентов, размещенных на керамической пластине с применением пленочных технологий. Главная часть регулятора — интегральная схема, содержащая чувствительные элементы и компоненты температурной компенсации. ИС управляет выходным каскадом типа пары Дарлингтона. Этот способ позволяет создать компактное устройство, которое очень надежно работает за счет малого числа компонентов и связей.

Рис. Изменение отклика регулятора в зависимости от температуры среды

На графике показано, как отклик интегрального регулятора меняется с изменением температуры. Это изменение важно, чтобы гарантировать правильную зарядку в «летних» и «зимних» условиях. Когда батарея холодная, сопротивление электролита увеличивается. Это означает, что необходимо более высокое напряжение, чтобы создать правильный ток зарядки.

Чтобы предотвратить повреждение электронных компонентов, в некоторых случаях требуется защита от перенапряжения. Когда электрогенератор связан с системой батарейного питания, напряжение даже в случае отказа регулятора обычно не превышает приблизительно 20 В вследствие низкого сопротивления батареи, а также поглощения батареей тока. Если генератор будет работать с отсоединенной батареей, что не рекомендуется, некоторую защиту обеспечит мощный диод Зенера, подсоединенный к обмотке возбуждения. Если напряжение системы превысит его пороговый уровень, стабилитрон начнет проводить, что ограничит напряжение возбуждения к тем самым сохранит напряжение системы в разумных пределах.