CC BY
67
ЭЛЕКТРОННЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «APRIORI. CЕРИЯ: ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ»
УДК 621.317.2
ДИАГНОСТИКА АВТОМОБИЛЬНЫХ
ШИМ-РЕГУЛЯТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ
Мускатиньев Александр Валентинович
канд. техн. наук Кульков Евгений Александрович
студент
Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, Саранск
Аннотация. В статье рассматриваются два типа автомобильных регуляторов напряжения: релейного типа и ШИМ-регуляторы. Предлагается устройство диагностики ШИМ-регуляторов на основе простой электрической схемы, в которой регулятор выполняет функцию стабилизации напряжения бортовой сети. Контроль работоспособности регулятора осуществляется по величине напряжения сети.
Ключевые слова: регулятор напряжения; генератор; ШИМ-регулятор; ток возбуждения.
THE METHOD OF MEASURING THE BARRIER CAPACITY OF THE POWER SEMICONDUCTOR DEVICES
Muskatinyev Alexander Valentinovich
candidate of technical sciences Kulykov Evgeny Alexandrovich
student
Mordovian state university of N.P. Ogaryov, Saransk
Abstract. This article discusses two types of automotive voltage regulators: relay type and PWM-regulators. An apparatus diagnostic PWM- regulators on the basis of a simple electric circuit, which control the function of stabilizing the voltage on-board network. Control regulator performance is carried out on the value of the supply voltage.
Key words: voltage regulator; generator; PWM controller; excitation current.
Введение
В современных автомобилях, в основном, применяется генератор переменного тока с обмоткой возбуждения, расположенной на роторе. Вращающаяся обмотка возбуждения соединяется с внешней электрической цепью при помощи контактных колец на роторе и графитовых щеток, располагающихся неподвижно на крышке генератора, или интегрированных с регулятором напряжения. Такой тип возбуждения имеет место во всех современных автомобильных генераторах переменного тока, которые работают с параллельной обмоткой возбуждения [1].
Напряжение генератора определяется тремя факторами - частотой вращения ротора п, силой тока !н, отдаваемой генератором в нагрузку, и величиной магнитного потока Ф.
Электродвижущая сила (ЭДС) Ег генератора является функцией двух переменных: частоты вращения ротора и тока в обмотке возбуждения !в. То-есть [2]:
Er = f (П, 1в) = С Ф П, (1)
где С - постоянный конструктивный коэффициент. Магнитный поток Ф в генераторе формируется магнитодвижущей силой, определяемой как:
Fв = W и, (2)
где W - число витков обмотки возбуждения.
При работе генератора без нагрузки его напряжение иг равно электродвижущей силе Ег. Напряжение генератора под нагрузкой током !н меньше ЭДС Ег на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении Rr генератора, т.е. можно записать:
Ег = и + = и (I + Р) (3)
где Р = 1н Rr/ Ег - коэффициент нагрузки. Выражение (3) с учетом (1) примет вид:
иг = п С Ф/ (1 + Р) (4)
Данное уравнение показывает, что при разных частотах п вращения ротора генератора и при изменяющейся нагрузке Р, постоянство напряжения иг генератора может быть получено только соответствующим изменением магнитного потока Ф или, в конечном счете, тока 1в обмотки возбуждения. Все регуляторы напряжения, отечественные и зарубежные, стабилизируют напряжение изменением тока возбуждения. Если напряжение возрастает или уменьшается, регулятор соответственно уменьшает или увеличивает ток возбуждения и вводит напряжение генератора в нужные пределы.
Разновидности регуляторов напряжения Структурная схема регулятора напряжения представлена на рис. 1 [3].
Рис. 1. Структурная схема автомобильного регулятора напряжения
Регулятор 1 содержит измерительный элемент 5, элемент сравнения 3 и регулирующий элемент 4. Измерительный элемент воспринимает выходное напряжение и генератора 2 и преобразует его в сигнал иизм., который в элементе сравнения сравнивается с эталонным значением иэт. Если величина иизм. отличается от эталонной величины иэт, на выходе сравнивающего элемента появляется сигнал и0, который воздействует на регулирующий элемент. Он изменяет ток 1в в обмотке возбуждения так, чтобы напряжение генератора вернулось в заданные пределы.
В генераторах применяются электронные транзисторные регуляторы релейного типа и регуляторы с широтно-импульсной модуляцией, которые вытесняют первые. Принцип работы релейного регулятора напряжения можно рассмотреть на примере упрощенной схемы (рис. 2).
Рис. 2. Принципиальная схема релейного автомобильного регулятора напряжения
К стабилитрону VD1 прикладывается напряжение с выхода генератора (клемма Д) через делитель напряжения на резисторах К1, К2. Пока напряжение генератора мало, стабилитрон закрыт, транзистор VII тоже закрыт. Ток через резистор R6 открывает пару транзисторов УТ2 - УТ3, соединенных по схеме Дарлингтона. При этом обмотка возбуждения генератора через переход эмиттер-коллектор VT3 подключена к цепи питания. В схеме на рис. 2 диод VD2 обеспечивает путь протекания тока возбуждения при разомкнутом состоянии составной пары транзисторов VT2, VT3. Сопротивление R3 обеспечивает положительную обратную связь в регуляторе напряжения, превращая его в триггер Шмита, обла-
дающего гистерезисными свойствами и улучшенными характеристиками переключения транзисторов УТ1 - УТ3.
Если напряжение генератора возросло, например, за счет увеличения частоты вращения ротора или из-за уменьшения нагрузки по току в бортовой сети автомобиля, то стабилитрон VD1 пробивается, транзистор УТ1 открывается, а транзисторы VT2, VТЗ закрываются, разрывая цепь питания обмотки возбуждения. Ток возбуждения снижается, напряжение генератора уменьшается. Стабилитрон VD1 снова закрывается, и процесс повторяется.
Таким образом, регулировка напряжения генератора регулятором осуществляется дискретно за счет относительного изменения времени подключения 1вкл и времени отключения 1выкл. обмотки возбуждения от цепи питания. При этом форма тока в обмотке возбуждения показана на рис. 3. При большей частоте вращения среднее значение тока возбуждения 1В2 и параметр 1вкл уменьшается, а 1выкл увеличивается. При меньшей частоте вращения или большей нагрузки указанные параметры изменяются противоположным образом.
/В
к /ш 1 Л/ 1яык. 1 *2
А (ека 1
/ ' V к Л /
¡в, т, N Г
1Вз г2 г -►
Рис. 3. Форма токов 1В в обмотке возбуждения при различных частотах вращения п (п2 > п1) ротора генератора
В релейном регуляторе период изменения тока возбуждения Т - величина переменная. То-есть частота переключения регулятора зависит от режима работы генератора и изменяется в пределах 25-200 герц.
В регуляторах напряжения с ШИМ частота переключения постоянна и равна примерно 20 кГц. Упрощенная функциональная схема такого регулятора показана на рис. 4. Включение его в бортовую сеть автомобиля с напряжением ис осуществляется через контакты К1-К3. Причем пара контактов К2-К3 представляет собой графитовые щетки, подключаемые к ротору генератора. Нагрузка сети имитируется резистором Кн.
Рис. 4. Функциональная схема регулятора напряжения с ШИМ
Регулятор содержит стандартные для подобных устройств блоки. Генератор формирует тактовые импульсы для управления КБ-триггером по Б входу, устанавливая его в единичное состояние в начале каждого периода работы. В этот момент ключевой транзистор VI включается, и через обмотку возбуждения ОВ генератора начинает протекать нарастающий ток. Напряжение ис в бортовой сети начинает увеличиваться. Усиленная разность между опорным напряжением иоп и напряжением
сети ис сравнивается в компараторе (рис.4) с напряжением пилообразной формы. В момент их равенства компаратор сбрасывает триггер, транзистор VI выключается, и ток возбуждения уменьшается, замыкаясь через диод VD (рис. 4). В следующий период тактовых импульсов процессы в схеме повторяются. Длительность открытого состояния транзистора VI будет тем больше, чем меньше напряжение бортовой сети относительно опорного напряжения.
Решение задачи
В специализированных торговых сетях возникает необходимость осуществления входного контроля регуляторов напряжения разных производителей. В авторемонтных предприятиях подобную задачу решают на дорогостоящих специальных стендах, содержащих генератор с электроприводом. Однако проверку регулятора можно провести проще, используя методы диагностики без применения электрических машин.
Рис. 5. Принципиальная схема для испытания регуляторов
напряжения с ШИМ
На рис. 5 показана одна из принципиальных схем, предназначенная для испытания регуляторов напряжения с ШИМ. Назначение элементов в
схеме следующее. Накопительный конденсатор С выполняет роль аккумулятора цепи, который заряжается от источника Е (ЭДС генератора) через сопротивление КЗ (внутреннее сопротивление генератора). Транзистор УТ2 и резистор К6 имитируют импульсную нагрузку автомобильной сети для конденсатора С. Транзистор УТ2 управляется сигналом с коллектора ключа VII, входящего в состав регулятора, который подключается к испытательной схеме с помощью трех контактов К1-К3. По показаниям вольтметра V можно сделать вывод об исправности регулятора.
В установившемся режиме работа схемы происходит следующим образом. В начале рабочего периода Тр транзистор открывается. Конденсатор начинает заряжаться, так как нагружен резистором К4, величина которого существенно превышает КЗ. Когда напряжение на конденсаторе превысит 14 В, транзистор VII выключается за счет срабатывания компаратора (рис. 5) , а включается. Конденсатор С нагружается более низкоомным, по сравнению с К4, резистором К6. Напряжение на конденсаторе С начинает уменьшаться. В конце рабочего периода (в начале следующего) состояния транзисторов VII и ^2 принудительно меняются установкой триггера, и процессы в схеме повторяются. Таким образом, стабилизация напряжения сети около 14 В выполняется импульсным способом с помощью ШИМ, в отличие, например, от линейного [4,5], где регулирующий элемент работает в активном режиме.
Номиналы элементов схемы следующие: КЗ = 47 Ом, К4 = К5 = 1 кОм, К6 = 100 Ом, С = 3,3 мкФ. Транзистор VT2 - КТ972.
Список использованных источников
1. Принципы построения автомобильных генераторов [Электронный ресурс]. Режим доступа: http:// avto-barmashova.ru/avtotronoe_ oborudovanie/prinzip_postroeni_avto_generatorov/index.html
2. Регуляторы напряжения автомобильных генераторов [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://avto-barmashova.ru/avtotronoe_ oborudovanie/regul_naprag_avto_g eneratorov/i ndex.html
3. Принцип действия регулятора напряжения [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://principact.ru/content/view/156/81
4. Патент на полезную модель 49281 RU, МПК7001 R 31/26. Устройство для измерения токов утечки силовых полупроводниковых приборов / А.А. Мускатиньев (RU), А.В. Мускатиньев (RU). № 2005121204/22; заявлено 06.07.2005; опубл. 10.11.2005, Бюл. № 31. 2 с.
5. Мускатиньев А.В., Мускатиньев А.А. Особенности измерения токов утечки в силовых полупроводниковых приборах в состоянии низкой проводимости // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2014. № 3 (19). С. 157-163.
