2.1 Методы и способы регулирования напряжения в бортовой сети автомобиля

Регулятор напряжения поддерживает напряжение бортовой сети в заданных пределах во всех режимах работы при изменении частоты вращения ротора генератора, электрической нагрузки, температуры окружающей среды. Кроме того, он может выполнять дополнительные функции - защищать элементы генераторной установки от аварийных режимов и перегрузки, автоматически включать в бортовую сеть цепь обмотки возбуждения или систему сигнализации аварийной работы генераторной установки.

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, создаваемой 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 напряжение генератора, снижение тока возбуждения уменьшает напряжение. Все генераторы напряжения, отечественные и зарубежные, стабилизируют напряжение изменением тока возбуждения.

Если напряжение возрастает или уменьшается регулятор соответственно уменьшает или увеличивает ток возбуждения и вводит напряжение в нужные пределы.

Из рис. 2.1.1. видно, что регулятор 1 содержит измерительный элемент 5, элемент сравнения 3 и регулирующий элемент 4. Измерительный элемент воспринимает напряжение генератора 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, то на выходе измерительного элемента появляется сигнал U_o , который активирует регулирующий элемент, изменяющий ток в обмотке возбуждения так, чтобы напряжение генератора вернулось в заданные пределы.

Рис. 2.1.1. Блок-схема регулятора напряжения (1 - регулятор; 2 - генератор; 3 - элемент сравнения; 4 - регулируемый элемент; 5 - измерительный элемент)

Таким образом, к регулятору напряжения обязательно должно быть подведено напряжение генератора или напряжение из другого места бортовой сети, где необходима его стабилизация, например, от аккумуляторной батареи, а также подсоединена обмотка возбуждения генератора. Если функции регулятора расширены, то и число подсоединений его в схему растет. 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.

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.

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 регулятор 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.

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 переходят 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.

Перспективным является развитие мультифункционального класса регуляторов напряжения. Этот класс обладает следующим набором функций:

регулировка напряжения в удаленной от генератора точке бортовой электрической сети автомобиля;

диагностика состояния электрической связи генератора с удаленной контролируемой точкой;

диагностика отсутствия вращения ротора генератора;

диагностика короткого замыкания или разрыва цепи обмотки возбуждения генератора;

оценка величины допуска по напряжению в контролируемой точке и индикация ее результатов;

пассивная диагностика технического состояния генератора и индикация ее результатов.

Эти регуляторы имеют защиту от импульсных перенапряжений в бортовой сети и от обратного включения аккумуляторной батареи. Типовой мультифункциональный регулятор выполнен по гибридной толстопленочной технологии.

Широкое распространение также могут найти так называемые СР-регуляторы, которые представляют собой приборы высокой степени интеграции, имеющие вышеперечисленный набор функциональных возможностей, а также таймер и выключатель нагрузки. Также они характеризуются удвоенной величиной коэффициента температурной зависимости напряжения настройки и наличием режима плавного возбуждения. В данных регуляторах в случае увеличения падения напряжения в цепи связи выхода генератора и удаленной контролируемой точки бортовой сети выше допустимой величины или разрыва цепи, регулятор переходит на управление генератором путем регулирования напряжения на его выходе (местное регулирование). Режим плавного возбуждения генератора служит для стабилизации работы двигателя, особенно на оборотах до выхода на режим холостого хода (этап запуска двигателя). Процесс возбуждения генератора является лавинообразным и занимает достаточно короткий (по сравнению с запуском двигателя) промежуток времени, и заканчивается до того как двигатель выйдет на обороты холостого хода. В этом случае генератор, включенный в бортовую электрическую сеть, выполняет роль дополнительной нагрузки для двигателя, что затрудняет его запуск. СР - регуляторы после окончания работы таймера обеспечивают плавное нарастание среднего значения тока в обмотке возбуждения генератора от 0 до 100%. На этом этапе генератор вырабатывает и отдает в бортовую сеть меньше электрической энергии, чем требует подключенные потребители. Недостающую энергию в бортовую сеть отдает аккумулятор. Максимальная продолжительность промежутка плавного возбуждения генератора составляет порядка 10 с. На этапе плавного возбуждения генератора СР - регулятор следит за увеличением частоты вращения ротора; при достижении ротором частоты, равной 1800 об/мин процесс плавного возбуждения заканчивается.

При запуске двигателя стартер одновременно с коленчатым валом двигателя раскручивает и ротор генератора. Поскольку обмотка возбуждения подключена к источнику питания (аккумуляторной батарее и/или выводу генератора), то одновременно с запуском двигателя начинается процесс возбуждения генератора. Генератор в этот момент является дополнительной нагрузкой для стартера, требующей от него дополнительной мощности, а от аккумуляторной батареи - дополнительного запаса электрической энергии. Таймер, введенный в состав СР-регуляторов, задерживает момент подключения обмотки возбуждения к источнику питания, соответственно, задерживая момент возбуждения генератора, и облегчая тем самым запуск двигателя. При наличии таймера требуется меньшая мощность стартера и меньшая емкость аккумуляторной батареи.

СР-регуляторы напряжения и другие специальные мультифункциональные регуляторы носят возможность управлять выключателем нагрузки.

Назначение выключателя нагрузки состоит в том, чтобы подключать или отключать от бортовой сети второстепенные электрические нагрузки.

2.2 Описание метода регулирования напряжения с помощью широтно-импульсной модуляции

Данный метод основан на управлении транзистора импульсами с переменной скважностью при постоянной частоте этих импульсов. В зависимости от скважности импульсов производится регулирование протекающего через транзистор тока. То есть чем больше скважность (Q = Т_пер/Т_и), тем более закрыт транзистор и тем меньший протекает через него ток и, наоборот, чем меньше скважность импульсов, тем более открыт транзистор и тем больший ток протекает через него. На данном принципе и основано регулирование напряжения в бортовой сети автомобиля. С помощью широтно-импульсной модуляции производится управление работой выходного транзистора, который производит регулирование тока, протекающего через обмотку возбуждения генератора, который в свою очередь определяет напряжение на фазовых обмотках генератора. Структурная схема регулятора напряжения, использующего данный метод, представлена на рис.2.2.1. Применение широтно-импульсной модуляции в данной схеме снижает влияние на работу регулятора внешних воздействий, например, уровня пульсаций выпрямленного напряжения и т.п.

Сравнивая рис.2.2.1. с рис.2.1.1., можно провести аналогию: к измерительному элементу относится делитель напряжения 4, который формирует в зависимости от напряжения на входе микросхемы (на выходе генератора) определенный сигнал u_изм. К элементу сравнения относятся следующие блоки: компаратор напряжения 5, цифровой счетчик 2 с резистивной матрицей 3, которые вместе формируют эталонное пилообразное напряжение. И, наконец, к регулирующему элементу относятся: триггерное устройство 8, выходной каскад 9, выходной транзистор 13, которые предназначены для изменения определенным образом тока, протекающего через обмотку возбуждения 14. Остальные блоки, расположенные на рис. 2.2.1., имеют какое-либо другое специальное или вспомогательное значение.

Рис. 2.2.1. Структурная схема регулятора напряжения на основе ШИМ (1 - генератор прямоугольных импульсов; 2 - 5 - ти разрядный счетчик на Т-триггерах; 3 - резистивная матрица; 4 - резистивный делитель напряжения; 5 - компаратор напряжения; 6 - блок защиты 1; 7 - датчик температуры; 8 - триггерное устройство; 9 - выходной каскад; 10 - блок защиты 2; 11 - стабилизатор напряжения; 12 - гасящий диод; 13 - выходной n-p-n- транзистор; 14 - обмотка возбуждения генератора; 15 - интегральная микросхема регулятора напряжения)

Регулятор напряжения, принцип действия которого основан на широтно-импульсной модуляции, работает следующим образом.

Так как напряжение на выходе генератора сильно зависит от частоты вращения ротора генератора, величины тока через нагрузку, тока через обмотку возбуждения, то для регулирования и нормирования данного напряжения необходимо иметь эталонное напряжение, мало зависящее ото всех возможных факторов: питающего напряжения, тока нагрузки, величины магнитного потока в обмотке возбуждения и т.д. В рассматриваемом регуляторе напряжения роль такого устройства выполняют 5-ти разрядный счетчик цифровых импульсов на основе Т-триггеров 2, управление работой которых производится с помощью генератора прямоугольных импульсов 1 и резистивной матрицы 3, которые в совокупности формируют спадающее пилообразное напряжение. Данное пилообразное напряжение "насаживается" на постоянную составляющую, которая снимается с датчика температуры для согласования работы с компаратором напряжения 4. Так как перечисленные блоки питаются от стабилизатора напряжения 11, напряжение на выходе которого практически не зависит от внешних воздействий на регулятор, то пилообразное напряжение, формируемое данными блоками можно считать эталонным. Период "пилы" равен:

Т_пилы = Т_ген * 2⁵_,

где Т_пилы - период спадающего пилообразного напряжения; Т_ген - период импульсов тактового генератора 1.

Далее, для того чтобы произвести приведение в норму напряжения в бортовой сети автомобиля (в случае отклонения от номинального в ту или иную сторону) необходимо произвести сравнение напряжения в бортовой сети с эталонным напряжением u_эт. для этой цели может быть служить компаратор напряжения 5, на один вход которого подается эталонное напряжение с формирователя пилообразного напряжения, а на другой - напряжение с резистивного делителя напряжения 4, предназначенного для формирования измерительного сигнала u_изм, удобного для работы компаратора напряжения 5 и согласованного с постоянной составляющей эталонного пилообразного напряжения.

После сравнения эталонного напряжения с напряжением в сети автомобиля необходимо осуществить управление регулирующим элементом. Для управления регулирующим элементом - выходным транзистором предназначены триггерное устройство 8 и выходной каскад 9. В зависимости от результата сравнения компаратором напряжения 5 могут быть следующие результаты:

Если напряжение на входе микросхемы больше номинального напряжения, то делитель напряжения 4 формирует такой сигнал на входе компаратора, при котором на его выходе возникает уровень, закрывающий выходной транзистор 13, но для проверки работоспособности выходного транзистора цифровым счетчиком 2 образуется короткий импульс, равный времени в 1,5 раза большее, чем период тактовой частоты (благодаря управляющему RS-триггеру).

Если пренебречь этим коротким импульсом, то можно считать, что выходной транзистор будет полностью закрыт. В результате этого тока через обмотку возбуждения протекать не будет и напряжение в бортовой сети будет падать до тех пор пока не достигнет нормы.

Если напряжение на входе микросхемы будет меньше номинального, то делитель напряжения 4 сформирует сигнал на входе компаратора, при котором на его выходе возникает уровень, полностью открывающий выходной транзистор 13. В результате того, что выходной транзистор будет полностью открыт, через него, а, следовательно, и через обмотку возбуждения потечет ток, практически определяемый параметрами обмотки возбуждения. Из-за протекания этого тока по обмотке возбуждения напряжение на выходе генератора начнет повышаться.

Если напряжение на входе микросхемы будет соответствовать номинальному, то компаратор напряжения 5 сработает посередине периода пилообразного напряжения и на выходе компаратора будет наблюдаться сигнал частотой 1/Т_пилы и со скважностью 2. Такой же сигнал будет и на выходном транзисторе 13. Напряжение, соответствующее данному режиму, называется напряжением настройки.

Для данного регулятора напряжения настройки должно быть равно u_настр = 14, 1 В ± 0,1 В.

Соотношение эталонного пилообразного напряжения, напряжения на выходе резистивного делителя напряжения и напряжения на базе выходного транзистора приведены на рис. 2.2.2.

Если напряжение на входе микросхемы будет незначительно отличаться от номинального в ту или иную сторону, то компаратор сработает по "пиле" ранее или позднее ее середины, что будет соответствовать частоте на выходе компаратора 5 и на базе выходного транзистора 13 со скважностью меньшей 2 и большей 2, соответственно. В случае Q < 2 длительность импульса будет больше длительности паузы, то есть выходной транзистор будет больше открыт, чем в случае, соответствующем напряжению настройки на входе микросхемы. Таким образом, ток через обмотку возбуждения будет увеличен и напряжение в сети также увеличено. В случае Q > 2, наоборот, длительность паузы больше длительности импульса, то есть выходной транзистор будет больше закрыт, чем в случае, соответствующем напряжению настройки (Q = 2). Таким образом, ток через обмотку возбуждения будет уменьшен и напряжение в сети также уменьшено.

Рис. 2.2.2. Диаграмма, соответствующая напряжению настройки

Для повышения надежности и долговечности работы аккумуляторной батареи необходимо предусмотреть температурную зависимость изменения напряжения настройки (чаще всего отрицательного). Для этих целей в данном регуляторе напряжения предусмотрен датчик температуры 7, который определяет температурный коэффициент напряжения настройки (ТКН). Работа этого узла основана на изменении под влиянием температуры окружающей среды напряжения постоянной составляющей пилообразного напряжения, то есть уровня эталонного напряжения. Благодаря этому напряжение настройки будет изменяться при изменении температуры окружающей среды. При отрицательном ТКН при увеличении температуры будет наблюдаться уменьшение значения напряжения настройки и, наоборот.

Рис. 2.2.3. Диаграммы, поясняющие работу регулятора напряжения при незначительном отклонении напряжения в сети от напряжения настройки

В рассматриваемом регуляторе напряжения также предусмотрен ряд защит: от перенапряжения в сети, от высоковольтных коротких по времени импульсов, "проскакивающих" по бортовой сети автомобиля, от опасных всплесков напряжения в бортовой сети, возникающих из-за обрыва цепи обмотки возбуждения, которая имеет значительную индуктивность.

Функцию защиты от перенапряжений в сети выполняет блок защиты 1 - 6. При повышении напряжения в сети выше определенного уровня компаратор 5 на блок защиты 1 подает соответствующий сигнал, который блокирует работу триггерного устройства и выходной транзистор 13 полностью закрывается, в результате чего ток через обмотку возбуждения прекращается и напряжение на выходе генератора будет падать.

2-ую защиту выполняет блок защиты 2, который реагирует на высоковольтные импульсы, защищая выходной транзистор от выхода из строя.

И, наконец, 3-ю защиту выполняет мощный диод 12. Этот диод при закрытии выходного транзистора 13 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 этот диод носит название гасящего. Стабилизатор напряжения 11 предназначен для питания всех блоков кроме выходного каскада 9.

3. Разработка принципиальной электрической схемы и особенности структуры элементов монокристального регулятора напряжения