Regulatory napięcia wyjściowego alternatora

 

Elektroniczne regulatory napięcia

 

Zakładając znajomość działania elektromechanicznych (wibracyjnych) regulatorów napięcia alternatorów, określono członem wykonawczym tę część regulatora, której element bądź elementy biorą udział bezpośrednio w regulacji prądu wzbudzenia alternatora. Elementy te włączone w obwód wzbudzenia muszą mieć właściwości umożliwiające zmianę ich rezystancji w bardzo szerokich granicach, teoretycznie od zera do nieskończoności. W regulatorze wibracyjnym elementami tego członu są styki i rezystancja dodatkowa. Można zastąpić je elementem elektronicznym - tranzystorem.

 

W celu określenia wymaganych parametrów tranzystora członu wykonawczego należy dodatkowo ustalić m.in.:

Wybrany tranzystor członu wykonawczego (rys. 4.27) musi być odpowiednio sterowany, aby spełniał rolę styków regulatora wibracyjnego, tzn. przyjmował dwa stany pracy: nasycenia i odcięcia (przewodzenie i nieprzewodzenie).

 

 

W regulatorze wibracyjnym procesem zwarcia i rozwarcia styków steruje sprężyna (o stałej wartości siły naciągu) i uzwojenie napięciowe elektromagnesu wytwarzające siłę zależną od wartości napięcia na zaciskach alternatora. Siła naciągu sprężyny w stanie beznapięciowym regulatora powoduje zwarcie styków, a kierunek jej działania jest przeciwny do kierunku działania siły wytworzonej przez uzwojenie napięciowe.

 

W regulatorze elektronicznym pracą tranzystora członu wykonawczego sterują elementy elektroniczne wchodzące w skład członu wzmacniającego i członu sterującego regulatora. Członem wzmacniającym nazywa się tę część regulatora (rys. 4.28), która powoduje wzmocnienie sygnału sterującego (prądu otrzymanego z członu pomiarowego) do takiej wartości, która jest konieczna do wysterowania członu wykonawczego, tzn. do spowodowania przepływu odpowiedniego prądu wzbudzenia Wartość minimalna prądu sterującego, na który reaguje regulator (tzn. sygnał wejściowy) jest różnicą między wartością regulowaną i zadaną.

 

 

Wartością regulowaną jest napięcie regulatora, a wartością zadaną jest żądany poziom tego napięcia określony warunkami wstępnymi. Aby sygnał wejściowy spowodował wysterowanie tranzystora członu wykonawczego należy go wzmocnić. W celu spełnienia tego warunku najczęściej stosuje się wzmacniacz w układzie Darlingtona.

 

Układ Darlingtona to taki układ, w którym emiter tranzystora sterującego T3 jest połączony bezpośrednio z bazą tranzystora sterowanego T2 (rys. 4.29), a kolektory obu tranzystorów są połączone i pracują na wspólne obciążenie. Baza tranzystora sterującego T3 stanowi wejście układu wzmacniającego.

 

Członem pomiarowym (rys. 4.29) określono tę część regulatora, która służy do porównania wartości zadanej napięcia z wartością regulowaną. Jako wartość zadaną rozumie się napięcie Zenera, wartością regulowaną jest napięcie na zaciskach alternatora.

 

 

Do nastawienia dowolnej części napięcia regulowanego zastosowano dzielnik napięcia (rezystory R1, R2 i R3). Sygnał wyjściowy z członu pomiarowego jest czynnikiem pobudzającym do działania regulator, przy czym proces współdziałania tego członu z pozostałymi jest następujący. W przypadku zwiększenia prędkości obrotowej alternatora od zera do pewnej wartości, na zaciskach wyjściowych pojawia się napięcie zgodnie z procesem wzbudzenia maszyny. Część tego napięcia - określona położeniem suwaka potencjometru R3 -jest porównywana z napięciem progowym diody Zenera.

 

Prąd wzbudzenia alternatora płynie w obwodzie, w którym znajduje się tranzystor T1 członu wykonawczego, a wartość tego prądu jest określona wartością napięcia regulowanego i rezystancji obwodu. W tym okresie tranzystor T1 znajduje się w stanie nasycenia, natomiast tranzystory T2 i T3 członu wzmacniającego są w stanie odcięcia i prąd przez nie nie płynie. Ten stan pracy regulatora trwa do chwili zrównania się napięcia na potencjometrze R3 z napięciem Zenera. Dalszy wzrost napięcia na zaciskach alternatora powoduje przepływ prądu przez diodę Zenera, a tym samym przejście tranzystorów T2 i T3 członu wzmacniającego w stan nasycenia, a tranzystora T1 w stan odcięcia. Od tej chwili następuje zanik prądu w obwodzie wzbudzenia, a to z kolei spowoduje obniżenie wartości napięcia na zaciskach alternatora. Proces ten będzie trwać do chwili zrównania się napięcia na potencjometrze z napięciem Zenera. Wówczas tranzystory członu wzmacniającego przejdą w stan odcięcia, a tranzystor członu wykonawczego w stan nasycenia. Tak więc napięcie alternatora oscyluje wokół średniej wartości nastawionej za pomocą potencjometru R3.

 

Na rysunku 4.30 przedstawiono schemat niewibracyjnego regulatora napięcia współpracującego z alternatorem. Na schemacie tym zaznaczono również elementy dodatkowe, stanowiące:

 

 

Analizując istniejące konstrukcje regulatorów elektronicznych można stwierdzić, że niemal wszystkie rozwiązania - począwszy od pierwszych z lat pięćdziesiątych aż po najnowsze wykonania - stosują zasadę impulsowej regulacji prądu wzbudzenia. Elementem członu wykonawczego regulującym prąd w obwodzie wzbudzenia jest tranzystor lub para tranzystorów pracujących w układzie Darlingtona. W układzie regulatora można wyróżnić dwa charakterystyczne bloki funkcjonalne: blok wykonawczy oraz blok sterujący (stanowiący opisane w analizowanym regulatorze niewibracyjnym człony - wzmacniający i pomiarowy). Bloki te są połączone dodatkowo ze sobą pętlą sprzężenia zwrotnego z elementami R, C. Zadaniem pętli sprzężenia jest zwiększenie szybkości przełączania, ograniczenie maksymalnej częstotliwości pracy oraz zmniejszenie wrażliwości na zakłócenia.

 

Tak duża liczba cech wspólnych oraz tendencja do stosowania rozwiązań najprostszych w celu zwiększenia niezawodności doprowadziły do tego, że poszczególne rozwiązania regulatorów różnią się tylko nieznacznie.

 

Budowa i działanie wybranego regulatora elektronicznego

 

Opisany poniżej regulator elektroniczny jest w praktyce stosowany do alter­natorów w samochodach firmy Toyota i jest oznaczony symbolem IC. Układ regulatora typu IC - stanowiący obwód scalony - jest zminiaturyzowanym układem elektronicznym zawierającym elementy półprzewodnikowe (tranzy­stor, diody itp.). Elementy są montowane na płytce drukowanej i są zatopione w masie silikonowej. Regulator ten charakteryzuje się dokładniejszą regulaqą napięcia przy krótszych czasach reakcji układu (w porównaniu z regulatorami wibracyjnymi). Schemat elektryczny regulatora przedstawiono na rys. 4.31.

 

Zasada działania regulatora jest następująca:

Jeżeli napięcie na zaciskach alternatora ma wartość mniejszą od napięcia regulowanego, to - zgodnie ze schematem na rys. 4.31a - napięcie akumulatora zasilające poprzez rezystor bazę tranzystora T1 (w odniesieniu do masy) powoduje przepływ prądu w obwodzie bazy tranzystora, włączając tranzystor (stan nasycenia) do pracy. Prąd płynie w obwodzie: zacisk dodatni akumulatora, rezystor R1 złącze baza-emiter tranzystora Tl do masy. Jednocześnie prąd płynie przez uzwojenie wzbudzenia alternatora, złącze kolektor-emiter tranzystora Tl do masy. Wzrasta napięcie na zaciskach alternatora. Jeżeli napięcie to wzrośnie powyżej wartości napięcia regulowanego, to przez diodę Zenera DZ popłynie prąd, powodując jednocześnie przepływ prądu

 

 

w obwodzie bazy tranzystora T2. Jest to równoznaczne z odcięciem tranzystora T1 i wejściem w stan nasycenia (przewodzenia) tranzystora T2. Przepływ prądu przez uzwojenie wzbudzenia alternatora zostaje przerwany, napięcie na zaciskach alternatora maleje (rys. 4.31b).

 

Prąd płynie w obwodzie: zacisk dodatni alternatora (B), dioda Zenera DZ, złącze baza-emiter tranzystora T2 do masy. Jednocześnie prąd płynie w obwodzie: rezystor złącze kolektor-emiter tranzystora T2 do masy.

 

 

Jak wynika z zasady działania regulatora, impulsowa regulaqa napięcia polega na włączaniu i wyłączaniu tranzystorów Tl i T2, co w praktyce sprowadza się do włączania i wyłączania prądu płynącego w obwodzie wzbudzenia alternatora. Na rysunku 4.32 przedstawiono przebiegi napięcia wyjściowego alternatora współpra­cującego z regulatorem elektronicznym typu IC.

 

 

Źródło: Jerzy Ocioszyński, Elektrotechnika i elektronika pojazdów samochodowych, WSiP, Warszawa 1996