От работы регулятора напряжения (реле-регулятора) зависит состояние аккумуляторной батареи, правильная работа генератора и системы зажигания, состояние и нормальная работа приборов и устройств автомобиля. Ниже рассматриваются принципы работы различных схем автомобильных регуляторов напряжения и генераторных установок.

РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ

Принцип работы

Электрические схемы

Принцип работы регуляторов напряжения

Регулятор напряжения поддерживает напряжение бортовой сети в заданных пределах во всех режимах работы при изменении частоты вращения ротора генератора, электрической нагрузки, температуры окружающей среды. Кроме того, он может выполнять дополнительные функции — защищать элементы генераторной установки от аварийных режимов и перегрузок, автоматически включать в бортовую сеть силовую цепь генераторной установки или обмотку возбуждения.

По своей конструкции регуляторы делятся на бесконтактные транзисторные, контактно-транзисторные и вибрационные (реле-регуляторы). Разновидностью бесконтактных транзисторных регуляторов являются интегральные регуляторы, выполняемые по специальной гибридной технологии, или монолитные на монокристалле кремния. Несмотря на столь разнообразное конструктивное исполнение, все регуляторы работают по единому принципу.

Напряжение генератора зависит от трех факторов — частоты вращения его ротора, силы тока нагрузки и величины магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, который зависит от силы тока в этой обмотке. Любой регулятор напряжения содержит чувствительный элемент, воспринимающий напряжение генератора (обычно это делитель напряжения на входе регулятора), элемент сравнения, в котором напряжение генератора сравнивается с эталонной величиной, и регулирующий орган, изменяющий силу тока в обмотке возбуждения, если напряжение генератора отличается от эталонной величины.

В реальных регуляторах эталонной величиной может быть не обязательно электрическое напряжение, но и любая физическая величина, достаточно стабильно сохраняющая свое значение, например, сила натяжения пружины в вибрационных и контактно-транзисторных регуляторах.

В транзисторных регуляторах эталонной величиной является напряжение стабилизации стабилитрона, к которому напряжение генератора подводится через делитель напряжения. Управление током в обмотке возбуждения осуществляется электронным или электромагнитным реле. Частота вращения ротора и нагрузка генератора изменяются в соответствии с режимом работы автомобиля, а регулятор напряжения любого типа компенсирует влияние, этого изменения на напряжение генератора воздействием на ток в обмотке возбуждения. При этом вибрационный или контактно-транзисторный регулятор включает в цепь и выключает из цепи обмотки возбуждения последовательно резистор (в двухступенчатых вибрационных регуляторах при работе на второй ступени закорачивает эту обмотку на массу), а бесконтактный транзисторный регулятор напряжения периодически подключает и отключает обмотку возбуждения от цепи питания. В обоих вариантах изменение тока возбуждения достигается за счет перераспределения времени нахождения переключающего элемента регулятора во включенном и выключенном состояниях.

Если сила тока возбуждения должна быть, например, для стабилизации напряжения, увеличена, то в вибрационном и контактно-транзисторном регуляторах время включения резистора уменьшается по сравнению с временем его отключения, а в транзисторном регуляторе время включения обмотки возбуждения в цепь питания увеличивается по отношению к времени ее отключения.

На рис. 1 показано влияние работы регулятора на силу тока в обмотке возбуждения для двух частот вращения ротора генератора n1 и п2, причем частота вращения п2 больше, чем п1. При большей частоте вращения относительное время включения обмотки возбуждения в цепь питания транзисторным регулятором напряжения уменьшается, среднее значение силы тока возбуждения уменьшается, чем и достигается стабилизация напряжения.

С ростом нагрузки напряжение уменьшается, относительное время включения обмотки увеличивается, среднее значение силы тока возрастает таким образом, что напряжение генераторной установки остается практически неизменным.

На рис. 2 представлены типичные регулировочные характеристики генераторной установки, показывающие, как изменяется сила тока в обмотке возбуждения при неизменном напряжении и изменении частоты вращения или силы тока нагрузки. Нижний предел частоты переключения регулятора составляет 25—30 Гц.

Электрические схемы

Генераторные установки с вентильными генераторами не используют каких-либо включающих устройств в силовой цепи. Для нормального функционирования их регулятора напряжения к нему должны быть подведены напряжение бортовой сети (напряжение генератора) и выводы цепи обмотки возбуждения генератора. Напряжение генератора действует между выводами "+" и "М" ("масса") генератора (у генераторов автомобилей ВАЗ соответственно "30" и "31"). Выводы обмотки возбуждения обозначены индексом "Ш" ("б7" у генераторов ВАЗ).

На рис. 3 изображены принципиальные схемы генераторных установок. В скобках даны обозначения выводов генераторных установок автомобилей ВАЗ. На рисунках цифрами обозначены: 1 - генератор; 2 - обмотка возбуждения; 3 - обмотка статора; 4 - выпрямитель с вентильным генератором; 5 - выключатель; 6 - реле контрольной лампы; 7 - регулятор напряжения; 8 - контрольная лампа; 9 - помехоподавляющий конденсатор; 10 - трансформаторно-выпрямительный блок,; 11 - аккумуляторная батарея; 12 - размагничивающая обмотка у генераторов смешанного магнитно-электромагнитного возбуждения; 13 - резистор подпитки обмотки возбуждения от аккумулятора.

Различают два типа не взаимозаменяемых регуляторов напряжения. В одном типе (рис. 3, а, з) выходной коммутирующий элемент регулятора напряжения соединяет вывод обмотки возбуждения генератора с "+" бортовой сети, в другом типе (рис. 3, б, в) — с "—" бортовой сети. Транзисторные регуляторы напряжения второго типа являются более распространенными.

Чтобы на стоянке аккумуляторная батарея не разряжалась, цепь обмотки возбуждения генератора (см. рис. 3, а, б) замыкается через выключатель зажигания. Однако, при этом контакты выключателя коммутируют силу тока до 5 А, что неблагоприятно сказывается на их сроке службы. Поэтому через выключатель зажигания замыкается лишь цепь управления регулятора напряжения (см. рис. 3, в), потребляющая ток в доли ампера. Прерывание тока в цепи управления переводит электронное реле регулятора в выключенное состояние, что не позволяет току протекать в обмотку возбуждения. Однако, применение выключателя зажигания в цепи генераторной установки снижает ее надежность и усложняет монтаж на автомобиле.

Кроме того, падение напряжения в выключателе зажигания и других коммутирующих или защитных элементах, включенных в цепь регулятора (штекерные соединения, предохранители), влияет на уровень поддерживаемого регулятором напряжения и частоту переключения его выходного транзистора (см. рис. 3, а—в), что может сопровождаться миганием ламп осветительной и светосигнальной аппаратуры, колебанием стрелок вольтметра и амперметра.

Поэтому более перспективной является схема рис. 3, д. В этой схеме обмотка возбуждения имеет свой дополнительный выпрямитель, состоящий из трех диодов (в пятифазной системе генератора — из пяти диодов). К выводу "+" этого выпрямителя, который обозначен индексом "Д", и подсоединяется обмотка возбуждения генератора. Схема допускает разряд аккумуляторной батареи малыми токами по цепи регулятора напряжения. При длительной стоянке рекомендуется снимать наконечник провода с клеммы "+" батареи.

Подвозбуждение генератора от аккумуляторной батареи вводится через контрольную лампу 8. Небольшая сила тока, поступающая в обмотку возбуждения через эту лампу от аккумуляторной батареи, достаточна для возбуждения генератора и в то же время не может существенно влиять на разряд аккумуляторной батареи. Обычно параллельно контрольной лампе включают резистор 13, чтобы даже в случае перегорания контрольной лампы генератор мог возбудиться. Контрольная лампа (см. рис. 3, д) является одновременно и элементом контроля работоспособности генераторной установки. На стоянке при включении замка зажигания контрольная лампа загорается, так как в нее поступает ток аккумуляторной батареи через обмотку возбуждения генератора и регулятор напряжения.
После пуска двигателя генератор на клемме "Д" развивает напряжение, близкое по величине напряжению аккумуляторной батареи, и контрольная лампа погасает. Если этого при работающем двигателе не происходит, значит генераторная установка напряжения не развивает, т. е. неисправна.

С целью контроля работоспособности (см. рис. 3, а) введены реле с нормально замкнутыми контактами, через которые получает питание контрольная лампа 8. Эта лампа загорается после включения замка зажигания и погасает после пуска двигателя, так как под действием напряжения генератора, к средней точке обмотки статора которого подключено реле, оно разрывает свои нормально замкнутые контакты и отключает контрольную лампу 8 от цепи питания. Если лампа при работающем двигателе горит, значит генераторная установка неисправна. В некоторых случаях обмотка реле контрольной лампы подключается к выводу фазы генератора. Обмотка возбуждения (рис. 3, е) включена на среднюю точку обмотки статора генератора, т. е. питается напряжением, вдвое меньшим, чем напряжение генератора.

При этом приблизительно вдвое снижаются и величины импульсов напряжения, возникающих при работе генераторной установки, что благоприятно сказывается на надежности работы полупроводниковых элементов регулятора напряжения. Резистор 13 (см. рис. 3, е) служит тем же целям, что и контрольная лампа, т.е. обеспечивает уверенное возбуждение генератора.

На автомобилях с дизельными двигателями может применяться генераторная установка на два уровня напряжения 14/28 В. Второй уровень 28 В используется для зарядки аккумуляторной батареи, работающей при пуске ДВС. Для получения второго уровня используется электронный удвоитель напряжения или траисформаторно-выпрямительный блок (ТВБ) (рис. 3, г). В системе на два уровня напряжения регулятор стабилизирует только первый уровень напряжения — 14 В. Второй уровень возникает посредством трансформации и последующего выпрямления ТВБ переменного напряжения генератора. Коэффициент .трансформации трансформатора ТВБ близок к 1.

В некоторых генераторных установках зарубежного и отечественного производства регулятор напряжения поддерживает напряжение не на силовом выводе генератора "+", а на выводе его дополнительного выпрямителя (рис. 3, ж). Схема является модификацией схемы рис. 3, д с устранением ее недостатка — разряда аккумуляторной батареи через схему регулятора при длительной стоянке. Такое исполнение схемы возможно, потому что разница напряжения на выводе "+" и "Д" невелика. На рис. 3, ж показана схема пятифазного генератора с размагничивающей обмоткой в системе возбуждения. Эта обмотка действует встречно с обмоткой возбуждения и расширяет рабочий диапазон генераторных установок со смешанным магнито-электромагнитным возбуждением по частоте вращения. По этой схеме выполняются и вентильные генераторы с электромагнитным возбуждением в трехфазном исполнении. В этом случае схема содержит 9 диодов (6 силовых и 3 дополнительных) и не содержит размагничивающей обмотки.

В схеме рис. 3, з лампа контроля работоспособности генераторной установки включена на реле, питающееся от генератора со стороны переменного тока. Реле является одновременно реле блокировки стартера, содержит встроенный внутрь выпрямитель и срабатывает, если генератор развивает переменное напряжение. Выводы переменного тока генератора подключаются и на выводы тахометра. Реле-регуляторы, работающие в комплекте с генераторами постоянного тока, кроме стабилизации напряжения, осуществляют автоматическое включение генератора, когда напряжение генератора больше напряжения батареи, и отключение его, когда напряжение генератора меньше напряжения батареи, а также защиту генератора от перегрузки. Следовательно, ток генератора должен поступать потребителям через схему реле-регулятора — обмотку ограничителя тока и реле обратного тока (рис. 4).

В настоящее время на комплектацию автомобилей поступают, в основном, генераторные установки с бесконтактными транзисторными регуляторами, количество вибрационных и контактно-транзисторных регуляторов, находящихся в эксплуатации, сокращается.

Выполнение генераторных установок в соответствии с рис. 3 и их применяемость сведены в табл. 1.