Регулятор напряжения

Регулятор напряжения – это устройство, позволяющее поддерживать постоянный вольтаж в цепи потребителя. В зависимости от условий применения и задач конструкции различаются. Выделяется ряд групп: электромеханические, электронные, индукционные, компенсированные трансформаторы.

Регуляторы напряжения электромеханического типа

Рассмотрим, как вырабатывается ток в автомобиле. Здесь электромеханический регулятор напряжения обнаруживает любопытный принцип действия, отличающийся от описанного выше. На борту стоит трёхфазный генератор, напряжение которого выпрямляется по схеме Ларионова (см. обзор про диодный мост). Схема собрана с обмоткой возбуждения, питающейся от упомянутого устройства. Двигатель вращает вал, уже при частоте 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, регулируемого нет. На порядок изменяется потребляемый ток. Понятно, что в описанных условиях приходится обеспечивать стабильность параметров. Чем и занимается регулятор напряжения, изменяя ток питания обмотки возбуждения. Превышение вольтажа над оптимальным лишь на 10 процентов приводит к сокращению срока службы аккумуляторной батареи в 2 – 2,5 раза. В результате работы регулятора отклонение от номинала не превышает трёх процентов и остаётся в норме.

Напряжение подзарядки аккумулятора автомобиля

Напряжение должно быть чуть выше, нежели напряжение аккумулятора. Указанный параметр зависит от температуры окружающей среды. 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 полагается уменьшить напряжения заряда на 0,2 – 0,3 В. Требований немало, невыполнение каждого приводит к неприятным последствиям.

Регулятор напряжения позволяет поддержать параметры на нужном уровне, задать вольтаж посредством реостата. Отдельные автолюбители даже выносят прибор в кабину, чтобы 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. Последовательно в цепь фонарей целесообразно включать резисторы, составляющие 10% от номинала иллюминации. Определить корректность возможно в рабочем режиме по падению напряжения на сопротивлении (1,2 В).

При работе от аккумулятора фары станут светиться чуть тусклее. Автомобильный регулятор напряжения представляет тандем:

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

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

Мощный регулятор для радиолюбителей

Реле беспрестанно включается и выключается, обеспечивая нужные параметры. Работает подобно ключу, выгодно реле заменять электронными ключами для увеличения срока службы. Резкие скачки напряжения сглаживаются обратной ЭДС в катушке возбуждения. Поэтому изменения происходят плавно, что, собственно, требуется. Заметим, если перепад сильно вырастет (ввиду отсутствия резистора в цепи обмотки возбуждения), происходят искрения, вызванные обратной ЭДС.

Рассмотренный тип регуляторов относится к электромеханическим. Несмотря на все ухищрения (увеличение частоты срабатывания, термокомпенсация) подобные приборы неспособны обеспечить отличные параметры. Процесс настройки сложен, вдобавок параметры меняются по крайней мере в силу трёх причин (профилактика требуется через 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 превышает 18 – 20 А, что при напряжении 12 В эквивалентно мощности чуть более 200 Вт. Схема защиты выполняется по электромеханическому шаблону. Это подпружиненное реле, в момент превышения током порога максимума перебрасывающее контакты, втягивая сердечник магнитным полем индуктивности.

В цепь обмотки возбуждения включается резистор, гасящий часть разницы потенциалов на своём сопротивлении. Это вызывает снижение тока. Потом расход закономерно снижается, контакты замыкаются вновь. Реле работает аналогично предыдущему, но настроено по-другому и функционирует реже.

Самодельное устройство

Подобная защита способна отказать при образовании короткого замыкания или резкого повышения оборотов. От указанных недостатков избавлена электронная схема ограничителей тока.

Реле обратного тока блокирует разряд аккумулятора через обмотки генератора. Отключает батарею, когда напряжение генератора слишком низкое (11,8 – 13 В). Все время, пока работает генератор, ток течёт по параллельной обмотке. Когда напряжение превышает порог, подключается аккумулятор для зарядки. Реле устроено хитро, содержит 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, текущего по обеим обмоткам, усиливается поле катушек. В момент достижения порогового значения реле замыкается и начинается зарядка аккумулятора. Если напряжение падает, батарея разряжается. Причём в последовательной обмотке ток теперь направлен к генератору (там потенциал ниже), а в параллельной течёт в том же направлении. Как результат, половинное усилие не способно удержать сердечник, и тот обрывает связь с генератором. Питание бортовой сети идёт от батарей.

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

Негативный эффект отмечается при движении по городу. На размыкание реле требуется ток 6 А, что составляет треть всех затрат. В результате частого срабатывания аккумулятор чрезвычайно быстро разряжается. Это снижает срок службы батарей.

Электронные регуляторы напряжения

Электромеханические регуляторы напряжения бытового назначения чуть отличаются от описанных выше, но суть аналогична: управляемое переключение множества реле. В указанном случае изменяется число витков обмотки трансформатора. Плюсом электромеханических регуляторов становится скорость отработки изменения сигнала и точность. Это единственная причина, по которой сегодня обнаруживаются устройства на рынке. Иногда их называют вибрационными.

Перейдём к рассмотрению электронных моделей. Перечислим кратко составляющие ступени:

1. Реле обратного тока. В простейшем случае это обыкновенный диод, поставленный между плюсами генератора и аккумулятора. Обратный ток в этом случае по определению невозможен. При этом заряде на диоде падёт напряжение 0,5 В, если прибор германиевый, и 1 В, если – кремниевый. Выделяемую мощность возможно посчитать, умножив это значение на потребляемый ток 20 А (итого 10 – 20 Вт). Отдельные диоды приходится охлаждать, как и мост Ларионова. Разумеется, неплохо применить в этом случае типичное для импульсных блоков питания решения: поставить диод Шоттки. Но и без этого отмечается, что на реле падает больше – от 1,5 до 2 В (если контакты чистые).
2. В качестве чувствительного элемента используется делитель из резистора и стабилитрона, задающих режим транзисторного ключа. Это стабилизатор параллельного типа, главным недостатком становится постоянная трата энергии. Через делитель потечёт ток от начала и до конца работы генератора, причём величина не соответствует току отпирания базы транзистора. Зато цепь отличается изумительной простотой. Следует отметить, что падение напряжения на транзисторном ключе немалое, и он потребует принудительного охлаждения, к примеру, радиатора.

Очевидно, что ограничитель максимального тока может работать по схеме регулятора напряжения. Аналогичный делитель задаст режим работы транзисторного ключа, определяющего режим питания обмотки возбуждения. Часто используются простые 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 управляет прочими силовыми ключами, напрямую ограничивающими ток питания обмотки возбуждения генератора. Описанная схема не защищает от короткого замыкания, но положительно отрабатывает увеличение оборотов двигателя.

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

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

Надеемся, что полученная информация по регуляторам напряжения оказалась полезной и интересной. Полагаем также, что перечень приведённых средств далеко не полный. Не рассказали про использование терморезисторов и варисторов, но любое знание ограничено, и лишь незнание безгранично.