1.3. Регуляторы напряжения современных автомобилей

Основные тенденции развития конст­рукций и схем регуляторов напряжения заключается в следующем: минимизация размеров для удобства встраивания его непосредственно в генератор; увеличения числа выполняемых им функций (например, передавать информацию на панель приборов или ЭБУ о режиме работы генераторной установки, предотвращать разряд аккумуляторной батареи при неработающем двигателе); повышение ка­чество выходного напряжения.

Контактные и контактно-транзисторные регуляторы в на­стоящее время полностью вытеснены электронными регуляторами напряжения. С развитием электроники, появлением новых технологий наметились существенные изменения в схемных решениях и конструктивных исполнениях электронных регуляторов напряжения генераторов. Сейчас их можно разделить на две группы:

• регуляторы традиционного схемного исполнения с час­тотой переключения, меняющейся с изменением режима работы генератора;

• ре­гуляторы со стабилизированной частотой переключения, работающие по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

По конструкции регуляторы традицион­ного схемного исполнения выполняются либо на навесных элементах, расположенных на печатной плате, либо в виде гибридных схем. Регуляторы с ШИМ могут быть гибридного исполнения или полностью выполненными на монокристалле кремния. Число транзисторов в традиционных схемах невелико, обычно значи­тельно меньше десятка, в регуляторах с ШИМ это число составляет несколько де­сятков. Последнее стало возможно с развитием электроники, так как в микросхе­мах, выполненных на монокристалле кремния, стоимость схемы мало зависит от числа транзисторов. Применение же ШИМ позволяет повысить качество стабили­зации напряжения и предотвратить влияние на регулятор внешних воздействий.

Современные регуляторы выполняются в основном встроенными в генератор. Тем не менее, автоэлектронная промышленность выпускает целую серию малога­баритных регуляторов напряжения для размещения вне генератора. В качестве примера таких регуляторов можно привести регу­лятор напряжения 13.3702-01 автомобилей «Волга» ГАЗ-31029 и «Газель» ГАЗ-33021 (Россия), схе­ма которого представлена на рис. 1.7. Измерительным элементом этого регу­лятора является делитель напряжения на резисторах R1, R3, R4, причем рези­стор R1 подбирается при настройке. Элементом сравнения представлен стаби­литрон VD1, причем стабилитрон, в отличие от традиционных схем включен в эмиттерную цепь транзистора VT1, что увеличивает величину тока через стаби­литрон и, следовательно, точность поддержания стабильности напряжения.

Ч асть схемы на транзисторах VT1, VT2 является регулирующим органом. Транзисторы VT3- VT4 - включены по схеме составного транзистора (схема Дарлингтона).

Схема работает следующим образом: когда напряжение генератора ниже регулируемого значения то стабилитрон VD1 закрыт, следовательно закрыт и входной транзистор VT1 (так как отсутствует ток цепи базы). В этом случае также закрыт управляющий транзистор VT2 из-за отсутствия тока базы. В то же время составной транзистор VT3-VT4 открыт, так как здесь имеется ток базы который протекает через следующую цепь: клемма «+» источника→ резистор R10→переход «база-эмиттер» транзистора VT3→ переход «база-эмиттер» транзистора VT4→ клемма «-»→«масса». Через открытый транзистор VT3, VT4 протекает ток возбуждения, и напряжение генератора возрастает.

При достижении регулируемого напряжения генератора стабилитрон VD1 пробивается, транзисторы VT1 и VT2 открываются так как в них появляется ток базы. Открытый транзистор VT2 своим переходом «коллектор-эмиттер» шунтирует переход «база-эмиттер» составного транзистора VT3-VT4 и последний закрывается. Это приводит к прерыванию цепи тока возбуждения, а следовательно к уменьшению напряжения генератора. При снижении напряжения генератора ниже регулируемого значения стабилитрон VD1 запирается, транзисторы VT1 и VT2 также закрываются, а транзисторы VT3-VT4 открываются. При этом напряжение генератора вновь начинает возрастать. Этот процесс повторяется с периодичностью до 300 Гц и таким образом напряжение генератора поддерживается на установленном уровне.

В схеме регулятора имеется резистор жесткой обратной связи R2. Переход составного транзистора VT3-VT4 в открытое состояние подключает резистор R2 параллельно резистору R4 входного делителя напряжения, что приводит к скачкообразному повышению напряжения на стабилитроне VD1, ускоренному отпиранию транзисторов VT1, VT2 и запиранию транзисторов VT3-VT4. Запира­ние этих транзисторов отключает резистор R2 от резистора R4, что способству­ет скачкообразному уменьшению напряжения на стабилитроне VD1 и его уско­ренному запиранию. Таким образом, резистор R2 повышает частоту переключе­ния регулятора напряжения.

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

Транзистор VT5 выполняет в схеме две функции. При нормальном режиме ра­боты он обеспечивает форсированный переход транзисторов VT2 - VT4 регуля­тора из закрытого состояния в открытое и обратно, чем снижает потери в них при переключении, т.е. вместе с конденсатором С2 и резистором R12 осущест­вляет гибкую обратную связь в регуляторе. Запирание составного транзистора VT3-VT4 вызывает резкое понижение по­тенциала его коллектора. При этом по цепи: переход эмиттер-база транзистора VT5 резистор R12, конденсатор С2 начинает протекать ток, что приводит к от­пиранию транзистора VT5 и обеспечивает в результате форсированное отпира­ние транзистора VT2 и ускорение запирания составного транзистора VT3, VT4. При отпирании транзистора VT3-VT4 транзистор VT5 находится в закрытом со­стоянии и конденсатор С2, разряжаясь, форсирует запирание VT2 и сокращает время отпирания составного транзистора VT3-VT4.

В аварийном режиме схема на транзисторе VT5 осуществляет защиту выход­ного транзистора регулятора VT3-VT4 от перегрузки. Замыкание в цепи обмот­ки возбуждения генератора вызывает изменение потенциала коллектора транзистора VT4. Зарядный ток конденсатора С2 открывает VT5 и, следовательно, транзистор VT2. При этом транзистор VT3-VT4 запирается. После заряда конденсатора ток в его цепи пропадает. Транзисторы VT5 и VT2 закрываются, а составной транзистор VT3-VT4 открывается. Процесс повторяется, а выходной транзистор переходит в автоколебательный режим. При этом среднее значение си­лы тока через транзистор невелико и не может вывести его из строя. Диод VD3 является в схеме регулятора гасящим диодом. Диод VD4 защищает регулятор от импульсов напряжения обратной полярности. Остальные элементы схемы обеспечивают нужный режим работы полупроводниковых элементов схемы.

И нтегральные регуляторы напряжения встраиваются в генератор, они неразборны и ремонту не подлежат. Они выполнены по гибридной технологии на керами­ческой подложке с нанесением на нее толстопленочных резисторов, распайкой переходов выходного транзистора, гасящего диода и навеской микросхемы, со­стоящей из стабилитрона и входного транзистора.

Примером регулятора напряжения с ШИМ является регулятор Я212А11Е. Ре­гулятор аналогичен регулятору FL14U4C фирмы Bosch. Он изготавливается по гибридной технологии в металлостеклянном корпусе. Схема регулятора представлена на рис.1.8.

Основу регулятора составляет микросхема, выполненная на кристалле крем­ния. Схема содержит входной делитель А1, параметрический стабилизатор на­пряжения А2, усилитель-интегратор A3, источник опорного напряжения А5, бистабильный триггер А6 и выходной усилитель А7. Вне микросхемы в регуляторе располагаются балластное сопротивление параметрического стабилизатора источника питания микросхемы и токоограничивающее сопротивление R2, а также выходной транзистор VT1 и гасящий диод VD1. Питание элементов микросхемы стабилизируется, а эталонное опорное на­пряжение создается источником А5.

Регулятор работает следующим образом : напряжение генератора через входной делитель А1 подается на неинвертирующий вход усилителя-интегра­тора A3, где сравнивается с опорным напряжением. Если напряжение генера­тора равно номинальному уровню, то схема выдает через бистабильный триг­гер А6 и выходной усилитель А7 сигнал на переключения выходного транзисто­ра с равенством времен нахождения его в открытом и закрытом состояниях. Чем больше отклонение напряжения генератора от номинального уровня в ту или другую сторону, тем больше или меньше время заряда-разряда конденса­тора интегратора. Напряжение на конденсаторе фиксируется бистабильным триггером А6, заставляющим через выходной усилитель А7 выходной транзистор VT1 длительнее находиться в открытом или закрытом состояниях. Через компаратор обратной связи А4 на инвертирующий вход A3 подается добавоч­ное напряжение.

Таким образом, регулятор осуществляет коммутацию в цепи обмотки возбуж­дения с фиксированной частотой, лежащей в пределах 460 Гц - 2,5 кГц (в зави­симости от настройки регулятора). Стабилизация же напряжения, как и в тра­диционной схеме регулятора, происходит за счет изменения относительного времени включения обмотки возбуждения в цепь питания с соответствующим изменением средней величины тока в ней. Применение регуляторов с ШИМ не­прерывно расширяется. Некоторые зарубежные фирмы, особенно японские и американские, подводят в такие регуляторы сигнал от вывода фазы генерато­ра, заставляющий при неработающем генераторе сократить относительное вре­мя включения транзистора и, следовательно, доводить ток возбуждения до ве­личины, не опасной для разряда батареи. Регулятор, кроме того, управляет и лампой контроля работоспособности генераторной установки. В настоящее вре­мя многие Российские фирмы выпускают аналоги перечисленных выше ре­гуляторов. Например, аналогом Я212А11Е является регулятор 36.3702; регуляторы 412.3702, 444.3702 - это аналоги Я120М1И; 41.3702, 44.3702, 4302.3702 - аналоги Я112А1; 411.3702, 4322.3702 - аналоги Я112В1.