Электронные регуляторы напряжения

 Электронные регуляторы напряжения

Не секрет, что выход из строя реле регулятора напряжения нагоняет тоску на многих владельцев мотоциклов. Времена электромагнитных вибрационных регуляторов прошли. Купить новый блок БПВ-14-10 для «ИЖа» или электронный регулятор напряжения 33.4702 от «Урала» не всегда просто. Про запчасти от «Явы» - лучше не вспоминать...

Самый легкий выход из этой ситуации заключается в установке на мотоцикл электронного регулятора от автомобиля ВАЗ. Эти приборы недороги и не дефицитны на территории СНГ. Журнал «Мото» несколько раз писал об этом, но, поскольку не все мотоциклисты хорошо разбираются в электрике, давайте попробуем еще раз предельно ясно и просто разобраться с устройством и применением бесконтактных полупроводниковых регуляторов напряжения.
Различают два типа невзаимозаменяемых (без соответствующего переключения цепи возбуждения генератора) регуляторов напряжения.
В одном типе регулятор соединяет вывод обмотки возбуждения генератора с «+» бортовой сети (соответственно второй, вывод обмотки возбуждения накоротко соединен с массой «-» бортовой сети). Эти регуляторы, как правило, предназначены для непосредственной замены своих электромагнитных предшественников. Например, выпускаемые сейчас автомобили ВАЗ-2121 «Нива» комплектуют генераторами Г221-А-006 и регулятором напряжения 121.3702, который пришел на смену РР380.
Принципиальная схема геренаторной установки с полупроводниковым регулятором напряжения 121.3702:

VT1 - KT3107
VT2 - KT837X
VT3 - KT805AM
VD1 - D818AT
VD2 - KD208AT
VD3 - KD209A
C1 - 0,1 мкф
С2 - 0,1 мкф

R1* - подборочный
R2 - 100 Ом
R3 - 470 Ом
R4 - 3,3 кОм
R5 - 43 Ом
R6 - 100 Ом
F - предохранитель 8А
АБ - аккумуляторная батарея
VD4-VD9 - трехфазный силовой выпрямитель
При ремонте можно использовать резисторы типа МЛТ-0,5

В другом типе регулятор соединяет вывод обмотки возбуждения с массой «-» бортовой сети (соответственно второй вывод обмотки возбуждения накоротко соединен с «+» бортовой сети). Примером такой конструкции может служить регулятор напряжения интегральной конструкции Я112-В1, встроенный в генератор Г222. которым комплектуется ВАЗ-2105. Я112-В1 - современный прибор, который кроме повышенной технологичности в производстве отличается тем, что имеет специальный управляющий вывод «Б», присоединяемый к замку зажигания. Благодаря этому замок зажигания отключает лишь цепь управления регулятора напряжения, потребляющую доли ампера. При отключении же генераторной установки с РР380 или регулятором 121.3702 приходится разрывать цепь, в которой протекает ток до 5А, что плохо сказывается на долговечности контактной группы замка зажигания.
Давайте сначала разберемся, как работает генераторная установка с регулятором 121.3702. До начала режима регулирования, когда напряжение генератора не достигло еще заданного значения, падение напряжения на нижнем (по схеме) плече В2 входного делителя не достигает уровня, при котором стабилитрон VD1 сможет перейти в проводящее (открытое) состояние. Транзистор VT1 заперт, так как ток в его цепи «база-эмиттер» не протекает. Транзистор VT2 открыт, поскольку по цепи «плюс» - переход «эмиттер-база» VT2-R5 - «минус» протекает базовый ток. Транзистор VT3 открыт, так как на его базу подается положительное напряжение через переход «эмиттер-коллектор» транзистора VT2.
В результате ток протекает по цепи «плюс» - переход «эмиттер-коллектор VT3 - предохранитель Г - обмотка возбуждения генератора - «минус», и напряжение генератора возрастает.
Когда оно превысит 14В, падение напряжения на R2 достигает уровня, при котором стабилитрон VD1 переходит в открытое состояние. В цепи «плюс» - переход «эмиттер-база» VT1-R2 - «минус» начинает протекать ток. Транзистор VT1 открывается и закорачивает переход «база-эмиттер» VT2. Транзистор VT2 закрывается отключает базовую цепь VT3 от «плюса».
В результате транзистор VT3 закрывается и отключает «плюс» от обмотки возбуждения генератора. Напряжение генератора уменьшается, стабилитрон VD1 вновь закрывается, и процесс повторяется.
Таким образом, напряжение стабилизируется около некоторого среднего значения за счет изменения средней величины тока в обмотке возбуждения.
Цепочка обратной связи R4-С1 стабилизирует частоту переключении. Конденсатор С2 предотвращает самовозбуждение схемы. Диод VD2 (гасящий) предотвращает опасные для полупроводников всплески напряжения обратной полярности, возникающие в обмотке возбуждения при отключении цепи питания. Диод VD3, тоже гасящий, защищает схему от импульсов обратной полярности, приходящих из бортовой сети, в результате работы катушки зажигания или иных индукционных нагрузок. Резистор R6 обеспечивает токи, необходимые для работы VT2 и VT3. Сопротивление R1* - подборочное, его номинал (R1 больше R3) подбирается опытным путем и от этого зависит напряжение в бортовой сети.
Регулятор 121.3702 обладает достаточной надежностью, а в случае отказа - ремонтопригодностью. Выходной транзистор защищен от короткого замыкания предохранителем Г. Последний представляв собой оголенную проволочку на той стороне платы прибора, на которой располагаются детали, напротив вывода «67». Снять пластмассовую крышку на защелке с корпуса прибора и заменить перегоревшую проволочку новой - доступно любом хоть раз державшему в руках паяльник. Более сложный ремонт, типа замены вышедшего из строя транзистора VT3, доступен мотолюбителю с навыками на уровне пары месяцев занятий в школьном радиокружке.
Электронный регулятор 121.3702 подходит для прямой замены реле регулятора мотоцикла «Ява-638», а также регулятора напряжения 33.3702, которым комплектуют современные «Днепры»и «Уралы»вместо РРЗЗО.
Разобраться с маркировкой поможет Таблица 1.

Маркировка клемм регуляторов напряжения.



В случае необходимости вместо реле включения контрольной лампы мотоцикла «Ява» можно установить реле с нормально замкнутыми контактами PC 702 от автомобиля ВАЗ-2121, -2106, -1111. На принципиальной схеме генераторной установки цвет проводов соответствует стандартам, принятым для мотоцикла «Ява». Реле PC 702 (PC 702А) показано в виде врезки монтажной схемы. Нормальное положение этого реле при установке на мотоцикле - вертикальное, с выводами, направленными вниз.
Маркировка клемм и функциональное назначение отходящих проводов реле включения контрольной лампы приведены в таблице 2.

Маркировка клемм реле РС 702

Следует сказать несколько слов об ижевских мотоциклах, имеющих электросистему с бортовым напряжением 12 Вольт. На «ИЖах» применена более современная схема возбуждения генератора, при которой блок БПВ-14-10 коммутирует ток, протекающий между выводом обмотки возбуждения генератора и массой. Соответственно второй вывод обмотки возбуждения накоротко присоединен к «+» бортовой сети. К сожалению, часто возникающие проблемы из-за поломок БПВ-14-10 вынуждают искать ему замену. В БПВ объединены два прибора - силовой трехфазный выпрямитель, состоящий из шести кремниевых диодов ВА-10, установленных на радиаторах, и непосредственно регулятора. К регулятору относятся плата с деталями, а также два диода и два тиристора КУ202, установленные на отдельных радиаторах.
В случае выхода регулятора из строя его ремонт очень часто нецелесообразен по причине весьма капризной и в целом неудачной конструкции. Из начинки БПВ-14-10 имеет смысл использовать в дальнейшем только трехфазный выпрямительный мост, осторожно удалив все лишнее при помощи кусачек и плоскогубцев.
Для того чтобы обеспечить возможность использования на ижевском мотоцикле регулятора 121.3702 и привести схему генераторной установки к показанному виду, следует изменить полярность подключения цепи возбуждения генератора.
С этой целью нужно провод от ближней к прерывателю щетки (фото 1) снять с клеммы «И1+» и, расточив круглым надфилем отверстие в наконечнике провода, установить провод под головку болта крепления клеммной колодки (фото 2), тем самым соединив его с массой.


Фото 1. Стандартное включение генератора переменного тока 281.3701


И1+ (к Х8 БПВ 14-10) на плюс бортовой сети
И2 - (к - Х1 БПВ 14-10) на выход регулятора

3 фазы на вход выпрямителя:
С1~ (к Х5 БПВ 14-10)
С2~ (к Х4 БПВ 14-10)
С3~ (к Х7 БПВ 14-10)


Фото 2. Включение генератора переменного тока 281.3701 с изменонной полярностью цепи возбеждения для совместной работы с регулятором 121.3702:

П1 (к катушке зажигания № 2) прерыватель
И1+ на плюс бортовой сети (не используется) провод подключенный на массу
И2 - (к "67" регулятора 121.3702) на выход регулятора

3 фазы на вход выпрямителя:
С1~ (к Х5 БПВ 14-10)
С2~ (к Х4 БПВ 14-10)
С3~ (к Х7 БПВ 14-10)
П2 (к катушке зажигания № 1) прерыватель

Красный провод (плюсовой) на клемме «И1+» отныне остается без дела, а черный провод с клеммы «И2-» генератора теперь можно подключить к клемме «67» регулятора 121.3702.
В заключение напомним читателям, что в случае выхода из строя или утери силового трехфазного выпрямителя (V04...V09), на любом мотоцикле можно использовать выпрямитель «подкову» от генератора любой легковой машины (например, БПВ 4-45 от «Москвича» или БПВ 6-50 от «Жигулей»), снабдив их подходящим корпусом, из текстолита или иной прочной пластмассы и разместив вместе с остальными приборами электрооборудования под седлом или в боковых ящиках мотоцикла.
Рис. 1. Полумонтажная схема генераторной установки мотоцикла «ИЖ-П5» с применением регулятора Я112-В1:



АБ - аккумуляторная батарея 6МТС-9;
Р - предохранитель 10А;
51 - замок зажигания;
52 - выключатель массы (например, тумблер ТВ-1);
VD8...VD13 - силовой трехфазный выпрямитель;
VD5... VD7 - дополнительный выпрямитель
Номиналы деталей регулятора не указаны, так как раздельных деталей в нем нет. По сути - это единый неразборный модуль


Рис. 2. Выпрямительный блок БПВ 11 -60 от ВАЗ-2108,-09:
1 -дополнительный выпрямитель;
2 - силовой выпрямитель


Рис, 3, Схема размещения диодов (VD 5...VD7) самодельного дополнительного выпрямителя на плате трехфазного силового выпрямительного моста от БПВ-14-10

Более современные генераторные установки мотоциклов и автомобилей разработки конца восьмидесятых - начала девяностых годов принципиально отличаются от вышеупомянутых тем, что у них оба вывода обмотки возбуждения изолированы от корпуса: один соединяется через выключатель зажигания с положительной клеммой аккумуляторной батареи и «плюсом» бортовой сети, а другой - через коммутирующий элемент регулятора напряжения с минусом бортовой сети (массой) и, соответственно, отрицательной клеммой аккумулятора. Такая система является более перспективной, так как создает предпосылки для уменьшения длины соединительных проводов и сокращения количества разъемов в цепи возбуждения генератора, а также для применения встроенных в него интегральных регуляторов напряжения.
По этому принципу построена электросхема всех ижевских мотоциклов, имеющих блок БПВ-14-10, на низкую надежность которого жалуются очень многие. В первой статье была рассмотрена возможность замены этого блока на полупроводниковый регулятор 121.3702 от ВАЗ-2121. Теперь опишем замену платы регулятора напряжения, находящейся внутри БПВ-14-10, на интегральный регулятор Я112-В1, применяемый на автомобилях ВАЗ-2104, -2105, -1111 («Ока»). Этот прибор обладает целым рядом достоинств, таких как исключительно малые габариты, полная герметизация радиокомпонентов путем заливки схемы компаундом и широчайшая распространенность на территории СНГ. Единственный недостаток заключается в невозможности его ремонта, поскольку прибор неразборный. Учитывая, что ремонт электронных конструкций доступен далеко не всем и не в любых условиях, этот до вод не может служить причиной для отказа от использования блока Я112-В1 При его применении заметно уменьшается износ контактов замка зажигания. Дело в том, что при отключении напряжения в стандартной системе электрооборудования мотоцикла приходится каждый раз размыкать электрическую цепь ротора генератора, где течет ток величиной в несколько ампер. Происходящее при этом искрение способно очень скоро испортить контакты в замке.
В приборе Я112-В1 имеется специальный управляющий вывод «Б», подключаемый через замок зажигания. Цепь управления потребляет ничтожно малый ток (на два порядка меньше, чем в цепи возбуждения). Благодаря этому значительно увеличивается ресурс безотказной работы контактной группы замка зажигания, искрение исключено.
Принципиальная схема Я112-В1 представлена на рис. 1??? в виде врезки в полумонтажную схему мотоцикла «ИЖ-П5», содержащую самые минимальные доработки.
Разберем принцип действия схемы. Допустим, что выключатель зажигания S1 включен, мотор работает, но напряжение генератора еще не достигло величины 14±0,2В. С находящейся под напряжением клеммы управления «Б» через разделительный диод VD3 положительный потенциал поступает на измерительный орган регулятора - делитель напряжения на резисторах R1, R2, R3. При этом стабилитрон VD1 закрыт, так как приходящее на него с делителя напряжение слишком мало.
Следовательно, транзистор VT также будет закрыт, так как ток в его цепи «база-эмиттер» не протекает. Транзистор VT2 открыт, так как по цепи «+АБ» - предохранитель F -замок зажигания - клемма «Б» - резистор R5 - переход «база-эмиттер» VT2 - масса («-») протекает базовый ток. В результате ток протекает по цепи «+АБ» - предохранитель Р - клемма «+Х8» - клемма «И1+» - обмотка возбуждения генератора - клеммы «И 2-», «-XI», «LU - открытый переход «коллектор - эмиттер» VT2 - масса («-» бортовой сети) и напряжение генератора возрастает.
При возрастании напряжения генератора до 1403 В напряжение на стабилитроне VD1 тоже возрастает и наступает «пробой» стабилитрона. Это значит, что стабилитрон переходит в открытое состояние и ток начинает протекать по цепочке «+АБ» - Р - замок зажигания - «Б» - VD3 - R1 - стабилитрон VD1 - переход «база-эмиттер» транзистора VT - масса. Транзистор VT1 тоже открывается и закорачивает переход «база-эмиттер» транзистора VT2 на массу. Вследствие этого транзистор VT2 немедленно закрывается и отключает обмотку возбуждения генератора от массы («минуса»). Напряжение генератора уменьшается, стабилитрон VD1 вновь закрывается и процесс повторяется.
Таким образом, регулирование напряжения генератора производится ступенчато. Электронное реле регулятора напряжения переходит от включенного к выключенному состоянию и обратно, то подключая обмотку возбуждения к источнику питания, то ее отключая. В зависимости от режима работы генератора меняется относительное время нахождения реле во включенном или выключенном состоянии, чем и обеспечивается автоматическое поддержание напряжения генератора на заданном уровне.
В регуляторе имеется еще несколько характерных элементов - диод VD2 (гасящий) предотвращает опасные для полупроводников всплески напряжения обратной полярности (ЭДС самоиндукции) при отключении обмотки возбуждения от цепи питания. Гибкие обратные связи, содержащие конденсаторы (С1, цепочка С2-R4-Кб), ликвидируют влияние электромагнитных помех и возможность самовозбуждения схемы на высокой частоте, а также уменьшают потери мощности в транзисторах при их переключении. Резисторы R5 и R8 обеспечивают токовый режим транзисторов. Резистор R7 ограничивает ток в цепи «+» бортовой сети - клемма «В» - делитель напряжения. Диоды VD3 и VD4 - разделительные, предотвращают вредное взаимное влияние цепей управления (клемма «Б») и питания (клемма «В»).
Представляет интерес вопрос, как поведет себя данная схема при отключении замка зажигания?
В этом случае пропадает «плюс» на клемме управления «Б», резисторе R5 и, соответственно, в базовой цепи транзистора VT2. При отсутствии положительного потенциала на базе транзистор VT2 закрывается и обесточивает обмотку возбуждения генератора, вследствие чего предотвращается возможность быстрого разряда аккумуляторной батареи на обмотку возбуждения. При этом сохраняется возможность протекания крайне малых токов по цепи «+АБ» - предохранитель Р - клеммы «+Х8» и «В» - разделительный диод VD4- ограничительный резистор R7 - делитель напряжения R1-R2-R3-масса («-»). При этом сила тока может составлять около 0,025А и потребляемая мощность будет порядка 0,3 Вт.
Несложный расчет показывает, что мотоциклетная аккумуляторная батарея 6МТС-9 может из-за этого наполовину разрядиться за 180 часов.
Следовательно, мотоцикл, оставленный без движения на срок более суток, рационально хранить с отключенным аккумулятором. Для того, чтобы постоянно не крутить клеммы, удобно установить на мотоцикле выключатель массы 52.

Схему электрооборудования любого ижевского мотоцикла, на котором изначально был использован блок БПВ-14-10, можно с минимальными переделками привести к виду, показанному на рис. 1. При этом следует учитывать следующие особенности:

*
Требуется провести два новых провода - фиолетовый и красный (последний отмаркирован на схеме тонкой черной каймой по всей длине).
*
В схеме имеется новая распаечная клемма «+Х15», которая может быть выполнена на базе болта М5, установленного на изоляционной колодке или иным подобным способом.
*
В качестве выпрямителя можно использовать как трехфазный мост от блока БПВ-14-10 (осторожно удалив все лишнее), так и автомобильный выпрямитель «подкову»
*
Так как ижевские генераторы не имеют вывода средней точки обмотки статора, целесообразно применить выпрямитель БПВ 11-60 от автомобиля ВАЗ-2109. Этот прибор (рис. 2) содержит дополнительный встроенный выпрямитель, имеющий отдельный вывод «Д» (61). На этом выводе при исправной работе генератора появляется напряжение +12В. Следовательно, если его подключить к выводу «86» «жигулевского» реле контроля заряда PC 702 (А) и подать «-» («массу») на вывод «85» означенного реле, будет получена возможность задействовать контрольную лампочку заряда батареи.
*
При отсутствии БПВ 11-60 можно припаять на обратной стороне платы с выпрямителем от БПВ-14-10 три дополнительных диода КД 223А (или подобных, на ток не менее 1,5 А). Эта добавочная часть схемы показана на рис. 1 зеленым цветом. Схема размещения диодов на плате ясна из рис. 3. Для вывода «Д» (61) целесообразно использовать пустующую клемму «ХЗ», которая теперь будет действовать точно так же, как клемма «86» генератора мотоцикла «Ява-638»
*
При необходимости проверки работоспособности электронных регуляторов Я112-В1 и описанного в предыдущей части 121.3702 следует собрать схему (рис. 4).


Таблица для определения неисправностей полупроводниковых регуляторов



Рис. 4. Схемы для проверки электронных регуляторов напрядения:
А - проверка регулятора Я112-В1, Б - проверка регулятора 121.3702

В качестве имитатора нагрузки используется лампочка 12В, 6-8 Вт. Чтобы обеспечить нужные для проверки электронных регуляторов значения напряжений, как правило, используют два хорошо заряженных автомобильных аккумулятора с открытыми перемычками. Напряжение 16 В можно получить, подключив последовательно с обычным аккумулятором на 12В, состоящим из шести банок, еще две банки другого аккумулятора.
- При включении питания 12 В и исправном регуляторе лампа должна гореть, при повышении напряжения источника питания до 16 В лампа должна гаснуть. Напряжение при проверке следует контролировать соответствующим вольтметром (тестером). - Порог срабатывания описанных регуляторов, по стандарту, должен быть в пределах 13,8-14,4 В.
В заключение следует напомнить, что наличие в системе электрооборудования мотоцикла электронных регуляторов требует соблюдения следующих условий:

* эксплуатация генераторной установки с полупроводниковыми приборами, без аккумуляторной батареи, настоятельно не рекомендуется;

* даже кратковременное замыкание выводов регулятора между собой
* неверное подключение проводов
* проверка проводки с помощью мегомметра
* проведение сварочных работ при не отключенном регуляторе

Нарушение любого из этих условий ведет к выходу регулятора из строя

Регулирование напряжения генератора осуществляется следующим образом.
При включении аккумуляторных батарей ток проходит через вывод "Б" реле-регулятора, эмиттерные переходы транзисторов VT6,VT5 и резистор R10. Составной транзистор VT5 - VT6 открывается и через реле К2 подключает обмотку возбуждения генератора. Ток, питающий обмотку возбуждения генератора, ограничивается ее активным сопротивлением и падением напряжения на эммитер-коллекторном переходе транзистора VT6.
Выходной делитель, состоящий из резисторов R1 - R5, рассчитан таким образом, что при подключении аккумуляторных батарей их напряжения недостаточно для пробоя стабилитронов VD2 и VD3.При увеличении частоты вращения генератора его напряжение увеличивается. Когда напряжение генератора будет достаточным для пробоя стабилитронов VD2 и VD3, транзисторы VT1 и VT2 открываются, а VT5 - VT6 закрывается. Ток в цепи возбуждения генератора прерывается, его напряжение уменьшается, стабилитроны VD2, VD3 и транзисторы VT1 и VT2 закрываются, а составной транзистор VT5 - VT6 открывается. Далее процесс регулирования повторяется - напряжение в системе поддерживается автоматически.
Для уменьшения влияния пульсации напряжения генератора на уровень регулируемого напряжения между точкой соединения резисторов R3,R4 и плюсовой шиной реле-регулятора включен конденсатор С1.
Защита выходного транзистора VT6 от перегрузок по мощности при коротком замыкании вывода "Ш" обеспечивается за счет автоматического снижения тока в шунтовой цепи реле-регулятора до 0,05-0,1А по следующему принципу.При открытом выходном транзисторе VT6 и замкнутой обмотке возбуждения генератора в первоначальный момент времени ток в цепи транзистора VT6 ограничивается индуктивным сопротивлением присоединительных проводов. В дальнейшем транзистор VT6 переходит в линейный режим усиления, напряжение на его переходах "эмиттер-коллектор" увеличивается, а в цепи: конденсатор С2-резистор R11-переход "база-эмиттер" транзистора VT4 - протекает ток, открывающий транзистор VT4. Транзисторы VT5 - VT6 при этом закрываются. В таком состоянии схема находится в течение времени, обусловленного постоянной времени цепи, состоящей из конденсатора С2 и резистора R11. После завершения процесса зарядки конденсатора транзистор VT4 закрывается, а транзисторы VT5 - VT6 открываются. При этом конденсатор С2 быстро разряжается через диод VD5 и открытый транзистор VT5. Далее процесс протекает аналогично описанному выше, в результате чего в системе происходят устойчивые автоколебания. Так как постоянная времени цепи заряда конденсатора С2 выбрана значительно больше, чем постоянная времени его разряда, то через выходной транзистор VT6 протекает импульсный ток, среднее значение которого не превышает 0,1А.После устранения короткого замыкания реле-регулятор включается в работу автоматически.

Защита от превышения напряжения при отказе элементов реле-регулятора происходит следующим образом.
При пробое перехода коллектор-эмиттер выходного транзистора VT6 в цепи обмотки возбуждения генератора возрастает ток, соответственно возрастает напряжение, приложенное к выходному делителю R1 - R5. При напряжении, достаточном для пробоя стабилитронов VD2 и VD3, транзисторы VT1 и VT2 открываются. Через эмиттерный переход транзистора VT3 протекает ток, что приводит к открыванию транзистора и срабатыванию реле К2 - контакты реле размыкаются, ток в обмотке возбуждения генератора прерывается, напряжение на выводах реле-регулятора уменьшается. Транзисторы VT1, VT2, VT3 закрываются, обмотка реле К2 обесточивается и его контакты в цепи обмотки возбуждения генератора замыкаются.Далее процесс повторяется и в сети поддерживается напряжение, не превышающее предельно допустимое. При срабатывании реле К2 контакты его замыкаются и включают лампу - сигнал о неисправности реле-регулятора. Лампа горит мигающим светом.Ограничитель тока нагрузки представляет собой электромагнитное реле К1, контакты которого включены между базой составного транзистора VT5 - VT6 и плюсовой шиной реле-регулятора. Один конец обмотки через положительный вывод реле-регулятора подключен к положительному выводу генератора, а другой конец обмотки подсоединен к отрицательному выводу реле-регулятора, к которому подключены аккумуляторные батареи и другие потребители. При увеличении тока нагрузки, протекающего по обмотке, до определенного уровня 110 -135 А контакты реле К1 замыкаются и закрывают составной транзистор VT5 - VT6. Ток возбуждения генератора уменьшается и соответственно уменьшается ток его нагрузки. При уменьшении тока нагрузки генератора контакты реле К1 размыкаются и составной транзистор VT5 - VT6 открывается. Процесс повторяется и таким образом ограничивается ток нагрузки генератора.

Предлагаемые усовершенствования регулятора обеспечивают повышенную стабильность выходного напряжения автомобильного генератора при изменении тока его нагрузки и режима работы двигателя. Современные автомобили имеют сложное и многофункциональное электрооборудование,

надёжная работа которого обеспечивает работоспособность транспортного средства и безопасность его эксплуатации. Надёжность электрооборудования во многом зависит от стабильности напряжения в бортовой сети. Обеспечение неизменности этого напряжения - сложная задача, особенно на переходных режимах, когда частота вращения генератора и ток его нагрузки резко изменяются.

Вместе с регулятором напряжения, поддерживающим его постоянство, генератор образует систему автоматического регулирования. При определённых условиях такая система может терять устойчивость, что проявляется в виде резких колебаний выходного напряжения генератора и зарядного тока аккумуляторной батареи. Поэтому очень важно обеспечить устойчивость системы регулирования во всех условиях эксплуатации.

Наиболее широкое распространение сегодня получили электронные регуляторы, работающие в релейном автоколебательном режиме Такой регулятор при превышении выходным напряжением генератора заданного верхнего порога отключает его обмотку возбуждения от бортсети.

Ток в обмотке начинает спадать, что приводит к уменьшению генерируемого напряжения. Как только оно становится меньше нижнего порога, обмотка возбуждения вновь подключается к бортсети и ток в ней, а с ним и выходное напряжение генератора нарастают Таким образом, напряжение генератора всё время колеблется, но его среднее значение поддерживается стабильным.


Регуляторы с «принудительной» ШИМ более совершенны. За счёт повышенной частоты коммутации обмотки возбуждения напряжение генератора в установившемся режиме практически неизменно, хотя в переходных режимах колебания всё же могут возникать.

Такие регуляторы (один из них описан в статье Е. Тышкевича «ШИ регулятор напряжения». - Радио, 1984, № 6, с. 27, 28) не получили широкого распространения, вероятно, из-за того, что их параметры не намного лучше, чем обычных автоколебательных. Хотя они и выпускаются серийно, в магазинах их найти трудно. Продавцы либо вообще ничего не знают о таких регуляторах, либо утверждают, что они не пользуются спросом.

При эксплуатации автомобиля важную роль имеет такой параметр, как нагрузочная способность генератора при малых оборотах двигателя. От неё зависит минимальная частота вращения вала двигателя, при которой обеспечивается зарядка батареи. Электронные регуляторы напряжения чаще всего теряют устойчивость именно в ситуациях, когда частота вращения мала, а ток нагрузки велик.

Эта их особенность хорошо известна автомобилистам, некоторые из которых заменяют электронные регуляторы устаревшими контактно-вибрационными, которые в этом отношении более надёжны. Но вместе с повышенной устойчивостью они получают недостатки, свойственные этому типу регуляторов. Многие автомобилисты заменяют штатную аккумуляторную батарею другой, имеющей повышенную ёмкость, так как считают, что это улучшает устойчивость работы электронных регуляторов.

К сожалению, колебания выходного напряжения генератора не берутся устранять в автосервисах. При этом их работники утверждают, что никакой неисправности нет, поскольку аккумуляторная батарея всё-таки заряжается, хотя и зарядный ток, и напряжение генератора пульсируют.

Учитывая всё сказанное, автор попытался повысить устойчивость работы стандартного электронного регулятора напряжения 59.3702-01. На рис. 1 изображена его схема после первого варианта доработки, которая свелась к установке дополнительной цепи из резистоpa R8 и конденсатора С2, выделенной на рисунке цветом. Импортный диод S1М можно заменить отечественным из серии КД202 или КД209.

Принцип работы регулятора остался прежним. По мере увеличения напряжения в бортсети, поданного на вывод «15» регулятора, потенциал базы транзистора VT1 относительно его эмиттера становится более отрицательным и при некотором значении этого напряжения (заданном перемычками S1- S3) транзистор открывается.

В результате закрываются транзисторы VT2 и VT3 разрывающие цепь питания обмотки возбуждения генератора, подключённой между выводом «67» регулятора и общим проводом. Но ток в обладающей значительной индуктивностью обмотке не может прекратиться мгновенно. Он продолжает течь через открывшийся диод VD2, постепенно спадая.

Вместе с током возбуждения спадает и напряжение, отдаваемое генератором в бортсеть. Через некоторое время транзистор VT1 закрывается, a VT2 и VT3 открываются, что приводит к нарастанию тока в обмотке возбуждения генератора и увеличению напряжения. Описанный процесс периодически повторяется, и среднее значение напряжения генератора поддерживается неизменным. Цепь R7C3 ускоряет процесс переключения транзисторов VT1-VT3.

При увеличении напряжения в бортсети, вызванном, например, отключением мощной нагрузки или увеличением частоты вращения двигателя, вновь установленный конденсатор С2 заряжается, причём зарядный ток, часть которого протекает через базовую цепь транзистора VT1, пропорционален скорости нарастания напряжения.

В результате VT1 открывается, а транзисторы VT2 и VT3 закрываются раньше, чем это было без конденсатора. Спад тока в обмотке возбуждения также начинается раньше, что в значительной мере замедляет или вовсе устраняет увеличение напряжения, вызванное внешним фактором. Подобный процесс происходит и при быстром снижении напряжения.

Возникающие колебания демпфируются, и их размах значительно уменьшается. При медленных изменениях напряжения ток через конденсатор С2 мал и практически не влияет на работу регулятора в установившемся режиме, а также на точность стабилизации среднего значения напряжения.

Для проверки устойчивости системы стабилизации напряжения можно при работающем двигателе и генераторе включать и выключать мощный потребитель, например фары, контролируя амперметром ток аккумуляторной батареи.

При этом стрелка амперметра после первичного максимального отклонения от установившегося положения (оно связано с инерционностью генератора и неизбежно даже при идеальном регуляторе) должна возвращаться к старому или приходить к новому установившемуся положению монотонно без каких-либо колебаний.

Можно в некоторых пределах регулировать динамические характеристики системы, подбирая ёмкость конденсатора С2 и сопротивление включенного с ним последовательно резистора R8. Минимальная длительность переходного процесса обычно достигается при емкости конденсатора С2, немного большей той, при которой возникают колебания. Дальнейшее увеличение ёмкости приводит к сильному замедлению реакции системы на изменяющиеся внешние условия.

Следует обратить внимание, что для регулятора с описанной доработкой очень опасен момент его первичного подключения к бортсети. Конденсатор С2 в это время полностью разряжен Его зарядный ток вполне может достичь опасного для транзистора VT1 значения и вывести его из строя. Поэтому не следует значительно уменьшать номинал резистора R8 или вовсе исключать его.


Рис. 2

Хотя в практике автора отказов доработанного регулятора по описанной причине не случалось, рекомендуется принять меры по ограничению тока, текущего через базу транзистора VT1, например, включить дополнительный резистор в разрыв цепи, связывающей базу с точкой соединения резисторов R6-R8, конденсатора С1 и стабилитрона VD1. Номинал его следует выбирать максимальным, не ухудшающим заметно работу регулятора без конденсатора С2.

Известно, что для увеличения срока службы аккумуляторной батареи напряжение в бортсети должно возрастать с понижением температуры. Поэтому на практике производят сезонную регулировку напряжения В регуляторе 59.3702-01 перемычками S1-S3, замыкающими резисторы R1-R3, среднее напряжение генератора можно изменять в пределах 13,8… 14,6 В. При удалении перемычек оно уменьшается. Резисторы R1-R3 можно заменить одним под-строечным, что позволит регулировать напряжение генератора плавно.

Назначение светодиодов HL1 и HL2 после доработки не изменилось. Они позволяют оценить работоспособность системы регулирования. При включённом зажигании и неработающем двигателе должен светиться только светодиод HL2, показывая, что напряжение на обмотку возбуждения генератора подано. Свечение светодиода HL1 при неработающем двигателе означает, что регулятор неисправен. Когда двигатель работает, светятся оба светодиода.

Уменьшение частоты его вращения или увеличение нагрузки на бортсеть приводит к тому, что яркость светодиода HL2 растёт, a HL1 - падает. С увеличением частоты вращения или снижением нагрузки яркость изменяется в обратном направлении.

Регулятор до и после описанной доработки был испытан на старом автомобиле со старым аккумулятором. Было замечено, что на этом автомобиле из-за окисления контактов заметно увеличилось сопротивление электропроводки, а у аккумулятора возросло внутреннее сопротивление. Оба этих фактора приводят к снижению устойчивости системы регулирования напряжения.

С недоработанным регулятором 59.3702-01 стрелка амперметра, включённого в разрыв провода, соединяющего плюсовой вывод аккумуляторной батареи с бортсетью автомобиля, обычно колебалась с размахом 5… 10 А. Непосредственно после запуска двигателя размах колебаний нередко превышал 10 А начинали мигать фары. При длительной езде с большой скоростью размах иногда становился меньше 5 А, но это происходило нечасто.

После рассмотренной выше доработки регулятора стрелка амперметра никогда не колебалась с размахом более 0,5… 1 А. После запуска двигателя включённые фары никогда не мигали При длительной езде на большой скорости размах колебаний стрелки обычно уменьшался настолько, что их трудно было заметить.

При дальнейшей доработке из рассматриваемого регулятора были удалены резистор R7 и конденсатор СЗ, а между базой транзистора VT2 и точкой соединения коллектора транзистора VT1 с конденсатором С1 и резистором R9 вставлен узел, схема которого приведена на рис. 2. На схеме, изображённой на рис. 1, места разрывов цепей показаны крестами. Нумерация элементов на рис. 2 продолжает начатую на рис. 1.

В регулятор добавлены генератор импульсов экспоненциальной формы на логических элементах DD1.1 и DD1.3 и пороговое устройство на элементе DD1 2 с усилителем импульсов на транзисторе VT4. Микросхема DD1 питается напряжением 5 В от интегрального стабилизатора DA1.

После доработки транзистор VT1 служит усилителем сигнала рассогласования. Напряжение на его нагрузке - резисторе R9 - линейно зависит от разности текущего и номинального значений напряжения в бортсети. Это напряжение с помощью резисторов R13 и R14 суммируется с импульсами генератора. Сумма поступает на вход порогового устройства.

В результате на его выходе формируются импульсы, длительность которых зависит от отклонения напряжения в бортсети от номинала, а частота следования постоянна (около 2 кГц). Через усилитель на транзисторе VT4 они поступают на базу транзистора VT2 и управляют напряжением на обмотке возбуждения генератора.

Вид доработанного регулятора со снятой крышкой показан на рис. 3.


Дополнительные детали добавлены в него навесным монтажом. После установки этого регулятора на автомобиль стрелка амперметра никогда не колебалась с размахом более 0,5 А. Можно предположить, что при малом переходном сопротивлении контактов электропроводки и с новой аккумуляторной батареей колебания тока будут ещё меньше.

Бесконтактный транзисторный регулятор напряжения 121.3702 (см.рис.) применяется с генератором Г221А взамен вибрационного регулятора напряжения РР380. Схема регулятора достаточно проста и типична, что позволяет использовать ее для иллюстрации принципа работы транзисторных регуляторов.
Эталонной величиной в регуляторе является напряжение стабилизации стабилитрона VD1. Характерной особенностью стабилитрона является то, что если напряжение между его катодом и анодом по величине меньше напряжения стабилизации, ток через него практически не протекает. Если напряжение между катодом и анодом достигает величины напряжения стабилизации, ток через стабилитрон резко возрастает, происходит "пробой" стабилитрона. При этом напряжение между его катодом и анодом остается практически неизменным.

Измерительным органом в регуляторе является делитель напряжения, состоящий из резистора R2 и двух параллельно включенных резисторов R1 и R3. К стабилитрону VD1 через переход эмиттер-база транзистора VT1 подводится та часть напряжения генератора, которая выделяется на параллельно включенных резисторах R1, R3. Стабилитрон является органом сравнения в регуляторе напряжения. Регулирующим органом в схеме является электронное реле на трех транзисторах VT1-VT3. Эти транзисторы при работе регулятора напряжения могут находиться в одном из двух состояний - открытом (ток в цепи эмиттер-коллектор транзистора протекает) и закрытом - ток в цепи эмиттер-коллектор отсутствует. Цепь между эмиттером и коллектором в этом смысле аналогична контактам реле. Для перехода транзистора из закрытого в открытое состояние в цепи эмиттер-база должен появиться ток, для чего к переходу эмиттер-база следует приложить напряжение соответствующей полярности, т. е. переход эмиттер-база должен быть смещен в прямом направлении. Ток, открывающий транзисторы типа P-N-P, протекает от эмиттера к базе (эмиттер имеет более высокий потенциал, чем база), а типа N-Р-N - от базы к эмиттеру (положительный потенциал на базе относительно эмиттера).
Если переход эмиттер-база смещен в обратном направлении, то транзистор закрыт.

  • Регулирование напряжения транзисторным регулятором происходит следующим образом. До пуска двигателя при включении выключателя зажигания 5 (см. рис.3а ) напряжение аккумуляторной батареи подводится к делителю напряжения R1-R3. При этом к стабилитрону VD1 поступает та часть этого напряжения, которая выделяется на плече делителя, образованном параллельно включенными резисторами R1, R3. Резистор R1 настройки регулятора подбирается таким образом, чтобы напряжение на резисторах R1, R3 при включении только аккумуляторной батареи было меньше, чем напряжение стабилизации стабилитрона VD1, т. е недостаточно для его пробоя. При этом стабилитрон препятствует протеканию тока в цепи базы транзистора VT1, который находится, следовательно, в закрытом состоянии. Транзисторы VT2 и VT3 открыты, так как в цепях их баз протекают токи - у транзистора VT2 через резистор R5, а у транзистора VT3 - через переход эмиттер-коллектор транзистора VT2.
  • Транзисторы VT1 и VT2 имеют тип P-N-P, а транзисторы VT3 - N-P-N. Следовательно, при включении аккумуляторной батареи электронное реле регулятора напряжения находится во включенном состоянии, его выходной транзистор VT3 открыт и ток от аккумуляторной батареи поступает в обмотку возбуждения, обеспечивая возбуждение генератора.
  • После пуска двигателя генератор вступает в работу, его напряжение возрастает до тех пор, пока напряжение на плече делителя R1, R3 не станет равным напряжению стабилизации стабилитрона VD1. При этом стабилитрон пробивается, возникает ток в базе транзистора VT1 и он открывается. Поскольку сопротивление перехода эмиттер-коллектор открытого транзистора мало, то этот переход транзистора VT1 практически накоротко соединяет базу с эмиттером транзистора VT2, шунтирует этот его переход, ток в базе транзистора VT2 прекращается и он закрывается.
  • Если закрыт транзистор VT2, то закрывается и транзистор VT3, так как ток в его базовой цепи прерывается. Электронное реле регулятора переходит в выключенное состояние, ток в обмотке возбуждения уменьшается, соответственно уменьшается и напряжение генератора. При этом уменьшается напряжение на резисторах R1, R3. Как только оно становится меньше напряжения стабилизации стабилитрона VD1, транзистор VT1 закрывается, VT2 и VT3 открываются, напряжение генератора возрастает, т. е. процесс повторяется.

Транзистор VT2 играет в схеме роль усилителя. Применение в схемах нескольких транзисторов связано с тем, что на входе регулятора обычно коммутируется ток в десятки миллиампер в то время, как на выходе ток современных регуляторов напряжения достигает 5 А. При этом коэффициент усиления схемы регулятора по току лежит в пределах 300-800. Такого усиления на одном транзисторе достичь невозможно.
Таким образом, регулирование напряжения генератора производится ступенчато. Электронное реле регулятора напряжения переходит от включенного к выключенному состоянию и обратно, то подключая обмотку возбуждения к источнику питания, то ее отключая. В зависимости от режима работы генератора меняется относительное время нахождения реле во включенном или выключенном состоянии, чем и обеспечивается автоматическое поддержание напряжения генератора на заданном уровне. Гасящий диод VD2 предотвращает появление опасных импульсов напряжения при запирании транзистора VT3 и прерывании тока в обмотке возбуждения.

  • Появление импульса высокого напряжения предотвращается тем, что при запирании транзистора VT3 ток обмотки возбуждения имеет возможность протекать через гасящий диод, обмотка возбуждения этим диодом оказывается замкнута практически накоротко и опасных последствий прерывания тока не происходит.
  • Обратные связи в схеме регулятора повышают качественные показатели его работы, увеличивают частоту переключения его электронного реле, снижают потери в транзисторах при переключении, обеспечивают разницу между напряжениями включения и выключения электронного реле регулятора и т. д.
  • Через обратные связи осуществляется воздействие сигнала на выходе элемента на вход этого же или другого элемента. В этом смысле измерительный элемент регулятора, его входной делитель напряжения, является главной обратной связью в системе автоматического регулирования напряжения генератора - он подает выходное напряжение генератора на вход регулятора напряжения.
  • Через резисторы в регуляторе осуществляется жесткая обратная связь, через цепи с конденсатором - гибкая. Жесткая обратная связь отличается от гибкой тем, что передает сигнал без задержки по времени.

В изображенной на рисунке схеме имеются два элемента обратной связи - цепь, состоящая из конденсатора С1 и резистора R4, а также конденсатор С2. Цепь R4, С1 связывает коллектор транзистора VT2 с базой транзистора VT1, т. е. выход транзистора VT2 с входом VT1. Эта цепь снижает потери в транзисторах VT1-VT3 при их переключении. До пробоя стабилитрона VD1 конденсатор С1 разряжается через переходэмиттер-коллектор транзистора VT2 и резисторы R4,R7.
С переходом транзистора VT1 в открытое состояние, а VT2 и VT3 в закрытое конденсатор С1 заряжается через эмиттер базовый переход транзистора VT1, резисторы R4R6, предохранитель. При этом переход база-эмиттер VT1 получает по цепи R4С1 дополнительный импульс тока, сокращающий время перехода транзистора VT1 в открытое состояние, а транзисторов VT2 и VT3 в закрытое состояние и, следовательно, снижающий потери мощности в транзисторах при их переключении. Конденсатор С2 связывает вход и выход транзистора VT1, что делает этот транзистор интегрирующим звеном, основной особенностью которого является подавление высокочастотных колебаний при их прохождении. Наличие интегрирующего звена исключает самовозбуждение схемы, влияние на регулятор посторонних электромагнитных помех. Резисторы R5-R7 обеспечивают нужный режим работы транзисторов в открытом и закрытом состояниях. Так, резистор R5 ограничивает на требуемом уровне ток базы транзистора VT2, резистор R6 позволяет транзистору VT3 закрыться полностью.

  • Схема имеет два элемента защиты - предохранитель FU, который разрывает цепь при токовой перегрузке выходного транзистора, и диод VD3, защищающий регулятор от импульсов напряжения обратной полярности.


top