Регулятор напряжения

Регулятор напряжения – это устройство, позволяющее поддерживать постоянный вольтаж в цепи потребителя. В зависимости от условий применения и задач конструкции бывают самыми разными, но, в общем и целом, выделяются всего несколько групп: электромеханические, электронные, индукционные, компенсированные трансформаторы.

Регуляторы напряжения электромеханического типа

Мы начнём с того, как вырабатывается ток в автомобиле. Здесь электромеханический регулятор напряжения имеет весьма любопытный принцип действия, который отличается от всего, описанного выше. На борту обычно стоит трёхфазный генератор, напряжение которого выпрямляется по схеме Ларионова (см. наш обзор про диодный мост). Схема собрана с обмоткой возбуждения, которая и сама питается от этого же устройства. Двигатель вращает вал, и уже при частоте порядка 800 – 1000 оборотов в минуту достигается превышение напряжения над номиналом. Амплитуда ЭДС зависит от:

  1. Тока питания обмотки возбуждения.
  2. Частоты вращения якоря.
  3. Тока потребления бортовой сети.

Скорость постоянно варьируется, а редуктора, как правило, не имеется регулируемого. В то же время на порядок может изменяться потребляемый ток. Понятно, что в таких условиях приходится как-то обеспечивать стабильность параметров. Именно этим и занимается регулятор напряжения, изменяя ток питания обмотки возбуждения. Превышение вольтажа над оптимальным всего лишь на 10 процентов приводит к сокращению срока службы аккумуляторной батареи на в 2 – 2,5 раза. А в результате работы регулятора отклонение от номинала не превышает трёх процентов и остаётся в норме. Как это возможно?

Напряжение подзарядки аккумулятора автомобиля

Напряжение подзарядки аккумулятора автомобиля

Нужно сказать, что напряжение должно быть все-таки чуть выше, нежели то, на которое рассчитан аккумулятор. Ещё этот параметр зависит от температуры окружающей среды. Оно и понятно – меняется плотность электролита. Дополнительно напряжение нужно повысить на 0,2 – 0,5 В для старых батарей, где из-за сульфатации разрушен активный слой пластин. Вносит свою лепту и уровень электролита: с понижением следует уменьшить напряжения заряда на 0,2 – 0,3 В. Вы видите, что требования достаточно много, и невыполнение каждого приводит к неприятным последствиям.

Регулятор напряжения позволяет не только поддержать параметры на нужном уровне, но и задать вольтаж посредством реостата. Отдельные автолюбители даже выносят его в кабину, чтобы было можно подстроить прибор, не выходя из салона. Однако при оптимальных условиях для зарядки аккумулятора создаются невыгодные режимы эксплуатации осветительных приборов, срок службы сокращается в 2 – 3 раза. В этом смысле последовательно в цепь фонарей целесообразно включать резисторы, составляющие 10% от номинала иллюминации. Определить корректность можно в рабочем режиме по падению напряжения на сопротивлении (порядка 1,2 В).

При работе от аккумулятора фары будут светиться немного менее ярко. Автомобильный регулятор напряжения представляет собой тандем:

  1. Исполнительный механизм в виде реле с ограничителем максимального и обратного тока.
  2. Отслеживающая цепь.

Принцип действия автомобильного регулятора напряжения достаточно прост. В исходном состоянии через устройство на обмотку возбуждения генератора проходит дополнительный ток, контакт удерживается пружиной. Как только вольтаж превышает некое пороговое значение, заданное потенциометром (реостатом), индукция катушки перетягивает усилие натяга, и реле переключается. Ток в цепь обмотки возбуждения начинает подаваться через резистор, за счёт чего система выходит снова на режим.

Мощный регулятор для радиолюбителей

Мощный регулятор для радиолюбителей

Реле беспрестанно включается и выключается, обеспечивая нужные параметры. Оно работает подобно ключу, поэтому выгодно реле заменять электронными ключами для увеличения срока службы. Резкие скачки напряжения сглаживаются обратной ЭДС в катушке возбуждения. Поэтому изменения происходят плавно, что, собственно, и хорошо. Заметим, что если перепад будет сильно большим (ввиду отсутствия резистора в цепи обмотки возбуждения), то станет наблюдаться искрения, вызванное все той же обратной ЭДС.

Рассмотренный тип регуляторов относится к электромеханическим. И несмотря на все ухищрения (увеличение частоты срабатывания, термокомпенсация) такие приборы неспособны обеспечить отличные параметры. Мало того, что процесс настройки достаточно сложен, так ещё и параметры меняются по крайней мере в силу трёх причин (профилактика требуется каждый 10 – 15 тысяч км пробега):

  • тряска постепенно изменяет настройки потенциометра;
  • контакты реле обгорают от искрения, что увеличивает сопротивление, изменяя ток обмотки возбуждения генератора;
  • растягивается пружина стабилизатора.

Ограничители максимального и обратного тока

При заполнении сильно разряженного аккумулятора или одновременном включении всех потребителей автомобиля возможно разрушение обмотки возбуждения или якоря. В обычном случае ток не должен превышать 18 – 20 А, что при напряжении 12 В эквивалентно мощности чуть более 200 Вт. Схема защиты также выполняется по электромеханическому шаблону. Это подпружиненное реле, которое в момент превышения током порога максимума перебрасывает контакты, втягивая сердечник магнитным полем индуктивности.

В цепь обмотки возбуждения включается резистор, который гасит часть разницы потенциалов на своём сопротивлении. Это вызывает снижение тока. Затем расход закономерно снижается, и контакты замыкаются вновь. Справедливости ради, скажем, что это реле работает тем же образом, что и предыдущее, но настроено по-другому и функционирует все-таки реже.

Самодельное устройство

Самодельное устройство

Обратите внимание, что это такая защита может отказать в случае короткого замыкания или резкого повышения оборотов. От этих недостатков избавлена электронная схема ограничителей тока.

Реле обратного тока блокирует разряд аккумулятора через обмотки генератора. Кроме того, оно отключает батарею, когда напряжение генератора слишком низкое (порядка 11,8 – 13 В). Все время, пока работает генератор, ток течёт по параллельной обмотке. Как только его напряжение превышает порог, подключается аккумулятор для зарядки. Реле устроено очень хитро, оно имеет две обмотки:

  1. Последовательная включена по цепи между генератором и ответвлением проводки к аккумулятору.
  2. Параллельная обмотка включена после ответвления, но перед нагрузкой.

В результате при включении генератора аккумулятор от него отделен разомкнутым контактом. По мере роста тока, который течёт по обеим обмоткам усиливается поле катушек. В момент достижения порогового значения реле замыкается и начинается зарядка аккумулятора. Если напряжение падает, то батарея начинает разряжаться. Причём в последовательной обмотке ток теперь направлен к генератору (потому что там потенциал ниже), а в параллельной течёт в том же направлении. Как результат половинное усилие не может удержать сердечник, и тот обрывает связь с генератором. При этом питание бортовой сети идёт от батарей.

По мере набора оборотов ситуация повторяется заново. В какой-то момент потенциал генератора превышает напряжение аккумулятора, и вся сеть начинает питаться отсюда. Через обе обмотки протекает полный прямой ток нагрузки, контакты замыкаются, батарея начинает заряжаться. И так далее. Помимо перечисленных выше минусов, присущих электромеханическим реле, на этот регулятор ещё действует и непостоянство напряжения аккумулятора. Вольтаж резко проседает при запуске стартера ввиду очевидных причин.

Но самый негативный эффект наблюдается при движении по городу. На размыкание реле требуется ток порядка 6 А, что составляет треть всех затрат. В результате частого срабатывания аккумулятор очень быстро разряжается. Это также снижает и срок службы батарей.

Электронные регуляторы напряжения

Нужно сказать, что электромеханические регуляторы напряжения бытового назначения немного отличаются от описанных выше, но суть сводится к тому же: управляемое переключение множества реле. Только в этом случае изменяется число витков обмотки трансформатора. Плюсом электромеханических регуляторов является не только скорость отработки изменения сигнала, но, как ни странно, и точность. Это единственная причина, по которой сегодня все ещё можно найти эти устройства на рынке. Иногда их называют ещё вибрационными.

А теперь перейдём к рассмотрению электронных моделей. Перечислим кратко все составляющие его ступени:

  1. Реле обратного тока. В простейшем случае это обыкновенный диод, который включается между плюсами генератора и аккумулятора. Обратный ток в этом случае по определению невозможен. При этом заряде на диоде падёт напряжение порядка 0,5 В, если прибор германиевый, и 1 В, если – кремниевый. Выделяемую мощность можно посчитать, умножив это значение на потребляемый ток 20 А (итого 10 – 20 Вт). Некоторые диоды приходится охлаждать, как и мост Ларионова. Разумеется, неплохо бы применить в этом случае типичное для импульсных блоков питания решения: поставить диод Шоттки. Но даже без этого можно отметить, что на реле падает и того больше – от 1,5 до 2 В (если контакты чистые).
  2. В качестве чувствительного элемента обычно используется делитель из резистора и стабилитрона, которые задают режим транзисторного ключа. Это стабилизатор параллельного типа, главным недостатком которого является постоянная трата энергии. Через делитель будет течь ток от начала и до конца работы генератора, причём его величина должна быть в несколько раз тока отпирания базы транзитора. Зато цепь отличается изумительной простотой. Следует отметить, что падение напряжения на транзисторном ключе тоже немалое, и он наверняка потребует принудительного охлаждения, например, радиатора.

Очевидно, что ограничитель максимального тока может работать по той же схеме, что и регулятор напряжения. В точности такой же делитель задаст режим работы транзисторного ключа, определяющего режим питания обмотки возбуждения. Часто используются обычные диоды, через которые пропускают ток нагрузки. Рабочая точка транзистора выбирается так, что при превышении током значения 18 – 20 А и увеличении падения напряжения на диодах до 1,5 – 2 В (вдоль вольт-амперной характеристики) соответствующий резистивный делитель. Транзистор в свою очередь управляет другими силовыми ключами, которые напрямую ограничивают ток питания обмотки возбуждения генератора. Эта схема тоже не защищает от короткого замыкания, но хорошо отрабатывает увеличение оборотов двигателя.

При параллельном соединении двух и более диодов ток через каждый из них в отдельности уменьшается, снижая и падение напряжения. В некоторых случаях это бывает выгодно. И не все так плохо с дифференциальным сопротивлением диодов. В некоторых случаях значительное падение на кремниевых диодах удаётся использовать одновременно для ограничения максимального тока (вместо сопротивлений). За применение именно этого материала говорит более высокая допустимая температура. Кремний выдерживает нагрев до 150 градусов Цельсия. Кстати, с повышением температуры падает и сопротивление диодов.

Для термокомпенсации стабилизатора допускается использовать последовательное встречное включение двух стабилитронов. В этом случае температурные коэффициенты противоположны по знаку и равны. В довершение хотелось бы отметить, что часто щелкающие реле применяются в автомобильной сети не случайно. Это нужно для того, что глаз не замечал мерцания от переключения. Следовательно, частота не должна быть ниже 25 Гц. А учитывая сглаживание за счёт наличия индукции обмотки эффект бабочки становится незначительным.

Мы надеемся, что полученная информация по регуляторам напряжения была полезной и интересной. Мы полагаем также, что перечень приведённых средств далеко не полный. Мы не рассказали про использование терморезисторов и варисторов, но всякое знание ограничено, и лишь незнание не имеет границ.