Стабилизатор напряжения с термокомпенсацией. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Стабилизаторы напряжения

 Комментарии к статье

Стабилизатор напряжения является одним из важнейших узлов системы электрооборудования современного автомобиля. По этой причине статьи, посвященные устройству и работе узла, появлялись на страницах журнала "Радио" неоднократно. И асе же, судя по всему, точку на этой теме ставить еще рано...

Наиболее удачные конструкции стабилизатора из опубликованных в "Радио", например, [1; 2], позволяют поддерживать оптимальный заряд аккумуляторной батареи при различной температуре. В статье [3] описан стабилизатор напряжения с широтно-импульсным управлением, отличающийся от подобных постоянством рабочей частоты.

Вместе с очевидными достоинствами указанных устройств им присущ и существенный недостаток - значительная мощность собственных потерь. В предлагаемом мною варианте стабилизатора мощность потерь снижена в три раза, что позволило исключить проблему отведения тепла от выходных элементов устройства. Для обеспечения максимальной термокомпенсации температурный датчик погружен непосредственно в раствор электролита батареи. Стабилизатор более прост по схеме, но обладает лучшей стабилизацией напряжения.

Известно, что в "классических" моделях автомобилей ВАЗа из-за относительной удаленности стабилизатора 121.3702 от генератора и батареи точно отслеживать напряжение на зажимах батареи не удается из-за падения напряжения на соединительных проводах, контактах разъемов. Из-за этого стабилизация имеет весьма условный характер. Как показали измерения, нестабильность даже у нового автомобиля может достигать нескольких сотен милливольт.

Предлагаемый вниманию читателей стабилизатор предназначен для установки взамен узла 121.3702 и имеет следующие основные технические характеристики:

• Интервал рабочей температуры,°С......-40...+80
• Ток, потребляемый устройством, мА, не более......50
• Ток, потребляемый измерительным элементом, мА, не более .....6
• Нестабильность напряжения в рабочем интервале изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала двигателя, мВ......±20
• Размах пульсаций зарядного напряжения, мВ......100

При разработке стабилизатора учтены идеи, предложенные в [1-3], а также опыт эксплуатации автомобиля в различных погодных условиях.

Принципиальная схема устройства изображена на рис. 1. Функционально оно состоит из двух частей - измерительной А1 и регулирующей А2. Плату с измерительной частью монтируют вблизи аккумуляторной батареи, а с регулирующей - на месте прежнего стабилизатора.

(нажмите для увеличения)

При замыкании контактов SA1 открывается электронный коммутатор, роль которого исполняет полевой транзистор VT1, и подключает к аккумуляторной батарее GB1 датчики напряжения и температуры, образующие мостовой измерительный элемент. Датчик напряжения представляет собой резистивный делитель R5R6, а датчик температуры - последовательная цепь диодов VD1-VD4.

Сигнал, снимаемый с диагонали моста, поступает на вход дифференциального усилителя. Усиленный сигнал преобразуется в импульсную последовательность с переменной скважностью, пропорциональной уровню сигнала. Частоту импульсов определяет вспомогательный генератор пилообразного напряжения. Далее сигнал после усиления по току поступает на выходной коммутатор.

Основным звеном стабилизатора является широтно-импульсный контроллер DD1, в состав которого входят упомянутые дифференциальный усилитель, генератор, преобразователь и усилитель тока. Применение двухтактного синхронного коммутатора, выполненного на полевых транзисторах VT3-VT5, позволяет значительно уменьшить мощность потерь.

В обычной системе электрооборудования при включении зажигания через обмотку возбуждения генератора начинает протекать ток и, если запуск двигателя по тем или иным причинам отложен, происходит бесполезный расход энергии на ее нагревание. Для устранения этого недостатка в описываемый стабилизатор введено блокирующее устройство, электрически связанное с датчиком давления масла. Иначе говоря, пока двигатель не вышел на рабочий режим (и на щитке приборов включена индикаторная лампа "Нет давления масла"), ток в обмотку возбуждения не поступает.

В исходном состоянии контакты замка зажигания SA1 разомкнуты, а контакты датчика давления масла SF1 замкнуты. Коммутатор VT1 закрыт. При включении зажигания открываются транзисторы VT2 и VT1, напряжение с аккумуляторной батареи GB1 поступает к датчикам напряжения и температуры. Применение для коммутатора полевого транзистора с индуцируемым каналом обусловлено, во-первых, простотой управления открыванием - закрыванием, во-вторых, отсутствием остаточного напряжения, характерного для биполярных транзисторов, и, в-третьих, малым сопротивлением открытого канала.

Одновременно на приборном щитке автомобиля включается контрольная лампа HL1, указывающая на отсутствие давления масла. Ток, определяемый резистором R7, через диоды VD1-VD4 пока не протекает, так как замыкается через внутренний диод контроллера DD1, включенный между выводами 1 и 2, и замкнутые контакты SF1 на общий провод. Описание принципа работы контроллера К1156ЕУ1 и его электрические параметры здесь опущены, но с ними можно ознакомиться в [4; 5], поскольку он является аналогом известного контроллера uA78S40 фирмы Motorola.

Поскольку на неинвертирующем входе (вывод 6) внутреннего ОУ микросхемы DD1, включенного дифференциальным усилителем, напряжение больше, чем на инвертирующем (вывод 7), на его выходе ОАout (вывод 4) присутствует высокий уровень. На неинвертирующий вход СМР (вывод 9) компаратора с делителя R12R13 подано напряжение смещения, равное половине питающего, а поскольку на инвертирующем входе (вывод 10) высокий уровень, на выходе компаратора напряжение близко к нулю.

Логика работы контроллера такова, что, если на выходе компаратора низкий уровень, запрещено включение внутреннего выходного транзистора усилителя тока. Этот усилитель имеет несимметричный выход, а для правильной работы синхронного коммутатора необходимо парафазное управление. С этой целью в стабилизатор введен фазоинвертор на полевом транзисторе VT3.

Делитель напряжения R15-R17 обеспечивает открывание транзисторов VT3, VT5, a VT4 закрыт, поскольку падение напряжения на резисторе R19 не превышает напряжения отсечки. Конденсатор C3 вольтодобавки заряжен током через диод VD5 и транзистор VT5 до питающего напряжения.

После запуска двигателя размыкаются контакты SF1 датчика давления масла и гаснет лампа HL1. Ток через внутренний диод контроллера DD1 (выводы 1 и 2) прерывается и начинает течь через датчик температуры VD1 - VD4, на нем устанавливается напряжение, пропорциональное температуре электролита. С этого момента напряжение на диагонали измерительного моста меняет знак, в связи с чем напряжение на выходе OAout контроллера становится меньшим половины питающего напряжения, компаратор переключается в состояние высокого уровня, включается усилитель тока.

В результате закрываются транзисторы VT3 и VT5, причем закрывание транзистора VT5 происходит ускоренно благодаря диоду VD6. Напряжение с заряженного конденсатора C3 через резистор R18 поступает на затвор транзистора VT4 в открывающей полярности, что приводит к его открыванию.

Фактически напряжение на затворе транзистора VT4 в установившемся режиме приблизительно равно удвоенному напряжению питания. В этом состоянии транзистор остается некоторое время tвкл определяемое емкостью конденсатора С2 [4; 5]: tвкл = 25·103 С2, где tвкл - в микросекундах, С2 - в микрофарадах.

Для надежной работы транзистора VT4 необходимо, чтобы постоянная времени цепи разрядки tразр3 конденсатора C3 удовлетворяла условию: tразр3 = (R18 + R19)-C3 >> tвкл Нужно отметить, что дозаряжается этот конденсатор в рабочем режиме через нагрузку (обмотку возбуждения). Соотношение времени открытого и закрытого состояния на выходе контроллера внутренне ограничено и равно приблизительно 9:1. Поэтому через определенное время усилитель тока закрывается, а транзистор VT3 открывается. Транзистор VT4 выключается и включается VT5. На этом цикл (период) коммутации заканчивается. Длительность открытого и закрытого состояния транзисторов VT4 и VT5 выбрана такой, чтобы сквозной ток был минимальным.

Поскольку за один период коммутации ток в обмотке возбуждения генератора не достигает необходимого значения, то контроллер работает с указанной скважностью несколько тактов. Ток в обмотке и напряжение на батарее увеличиваются. Как только напряжение в измерительной диагонали моста приблизится к нулю, контроллер, изменяя скважность, будет поддерживать это состояние. Реально, учитывая инерционность системы (индуктивность обмотки возбуждения и т. д.) и сдвиг по фазе, форма зарядного напряжения имеет трапецеидальную форму.

На рис. 2 представлены для сравнения семейства характеристик собственных потерь автомобильного промышленного стабилизатора 121.3702 и описанного выше. Графики показывают, что у стабилизатора с ШИ управлением мощность потерь Рпот меньше и постоянна во всем интервале изменения нагрузки Рн и частоты вращения коленчатого вала N двигателя. Соответственно выше и его КПД. Очевиден и выигрыш в энергетике по сравнению с [1; 2]. Все сказанное подтверждает целесообразность применения синхронного коммутатора на полевых транзисторах.

В устройстве применены прецизионные резисторы R5-R11 С2-29В, С2-14 и др. с ТКС не хуже ±200-10-6 °С-1. Допустимо вместо R5 и R6 применить подстроечный резистор СП5-1В или подобный; остальные резисторы - общего назначения. Конденсаторы С1, C3 - К50-35, С2 - К73-17. Дроссель L1 - ДМ0.1 индуктивностью"!60 мкГн.

Полевой транзистор BS250 может быть заменен любым другим р-канальным транзистором с изолированным затвором и сопротивлением открытого канала не более 10 Ом. Вместо BSS91 подойдет любой n-канальный полевой транзистор средней мощности с изолированным затвором и сопротивлением канала не более 20 Ом. Мощные n-канальные транзисторы VT4, VT5 должны иметь сопротивление канала не более 0,03 Ом и рабочее напряжение затвор-исток не менее 20 В. Удобнее всего использовать транзисторы в малогабаритных корпусах DPAK (ТО-252), например, MTD3302 фирмы Motorola. Диоды КД102А можно заменить на КД103 с любым буквенным индексом.

Вместо К1156ЕУ1 подойдет контроллер КР1156ЕУ1, если не предполагается эксплуатировать автомобиль при температуре ниже -15 °С.

Конструктивно измерительная и регулирующая части собраны на двух монтажных платах, соединения выполнены проводом МГТФ 0,07. Для цепей с большим током использован монтажный провод сечением не менее 0,75 мм2. Платы соединены между собой двухпроводным гибким кабелем РВШЭ1 в экранирующей оплетке; провода свиты в шнур. Такой же шнур, но без оплетки, использован для соединения измерительной части с батареей аккумуляторов. Измерительную плату надо поместить в подходящую металлическую коробку.

Конструкция датчика температуры в общем не отличается от описанной в [2]. Колба с диодами изготовлена из полиэтиленовой оболочки кабеля. Диоды погружены в теплопроводящую пасту КПТ-8 для лучшей передачи тепла от стенок внутрь к диодам. На проводники (витая пара) с натягом надета полиэтиленовая трубка меньшего диаметра. Паяльником, прогретым до температуры плавления полиэтилена, заранее заваривают дно колбы. В последнюю очередь заваривают место соединения колбы и трубки кабеля. Герметичность швов должна быть высокой, так как колба в работе будет погружена в электролит батареи.

Для налаживания стабилизатора напряжения потребуются источник постоянного тока с регулируемым от 10 до 15 В выходным напряжением при токе нагрузки до 3 А, вольтметр постоянного тока класса точности не хуже 0,1, нагрузочный резистор сопротивлением 5 Ом. Параллельно источнику необходимо подключить оксидный конденсатор емкостью не менее 10000 мкФ. Временно резистор R6 заменяют переменным, имеющим сопротивление 3 кОм, а вывод 1 контроллера соединяют с общим проводом.

Сначала от источника питания подают напряжение 15 В и контролируют потребляемый устройством ток - он не должен превышать 50 мА. Размыкают временное соединение вывода 1 с общим проводом и уменьшают напряжение питания до 13,6 В. Переменным резистором R6 добиваются появления на выходах DC и SC контроллера импульсной последовательности, а на выходе стабилизатора - инвертированной последовательности импульсов с амплитудой, равной напряжению питания. Транзистор VT4 не должен нагреваться.

Окончательно налаживают стабилизатор после его установки на автомобиль. Датчик температуры через отверстие в пробке одной из средних банок аккумуляторной батареи погружают в раствор электролита. Подключают все цепи согласно схеме, включают зажигание и убеждаются в отсутствии напряжения на выходе стабилизатора.

Запускают двигатель, и на холостом ходу с выключенными потребителями устанавливают переменным резистором R6 зарядное напряжение на батарее в соответствии с рекомендациями [1]. Если автомобиль длительное время не работал, можно считать значения температуры окружающего воздуха и электролита равными. После установки напряжения переменный резистор R6 заменяют постоянным.

Изменяя частоту вращения коленчатого вала двигателя и нагрузку генератора, контролируют нестабильность зарядного напряжения; она должна быть не хуже ±0,02 В. При езде в зимних условиях иногда может потребоваться уточнить номинал резистора R7. Необходимо помнить, что после корректировки резистора R7 необходимо вновь подобрать R6.

Для эффективной работы стабилизатора и продления срока службы аккумуляторной батареи желательно, во-первых, уравнять плотность электролита во всех банках до ±0,01 г/см3, причем плотность должна соответствовать климатической зоне [6], во-вторых, периодически протирать крышку батареи слабым водным раствором нашатыря (10%) для предотвращения утечки тока через загрязнения, в-третьих, оклеить корпус батареи по периметру, если он имеет черный цвет, алюминиевой "фольгой (например, клеем "Квинтол" или "Момент") - это позволит понизить температуру электролита на 5... 10 °С, что особенно актуально летом.

За трехлетний период эксплуатации стабилизатора на автомобиле ВАЗ 2106 замечаний в его работе не отмечено, электролит в батарее не кипел, доливать воду необходимости не было. При ежегодном техническом осмотре батареи я проверяю плотность электролита и зарядное напряжение.

Литература

1. Ломанович В. Термокомпенсированный регулятор напряжения. - Радио, 1985, № 5, с. 24-27.
2. Бирюков С. Простой термокомпенсированный регулятор напряжения. - Радио, 1994, № 6, с. 27, 28.
3. Тышкевич Е. Широтно импульсный регулятор напряжения. - Радио, 1984, № 6, с. 27, 28.
4. CD-ROM. Электронные компоненты фирмы "MOTOROLA", версия 1.0. - "ДОДЭКА". 1998 г.
5. Микросхемы для импульсных источников питания. - "ДОДЭКА", 1998.
6. Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные. Инструкция по эксплуатации. ЖУИЦ.563410.001 ИЭ.

Автор: В.Хромов, г.Красноярск

Смотрите другие статьи раздела Стабилизаторы напряжения.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Экраны влияют на детей неравномерно в разном возрасте 01.08.2026

Планшеты и смартфоны давно стали привычной частью повседневной жизни даже самых маленьких детей. Родители часто используют гаджеты, чтобы успокоить малыша или занять его на время, однако ученые все чаще задаются вопросом, как экранное время сказывается на развитии мозга и будущей способности к обучению. Новое исследование показывает, что значение имеет не только продолжительность просмотра, но и возраст, в котором ребенок проводит время перед экраном. Ученые наблюдали детей от рождения до 8 лет. Оказалось, что больше всего экраны влияют на мозг в два периода - в раннем младенческом возрасте и перед поступлением в школу. У детей, много времени проводивших перед экранами в эти возрастные точки, в 9 лет были несколько хуже успехи в обучении, а в 10,5 лет хуже работала рабочая память - способность удерживать и обрабатывать информацию здесь и сейчас. Исследователи из Франции и Сингапура проанализировали данные 502 детей и выделили два ключевых этапа. У младенцев мозг развивается очень ...>>

Умные жилеты, спасающие от жары 01.08.2026

Летняя жара в больших городах все чаще становится серьезным испытанием для людей, работающих на открытом воздухе. Мусорщики, строители и другие специалисты вынуждены проводить часы под палящим солнцем, рискуя перегревом. Китайские инженеры предложили практичное решение - специальные охлаждающие жилеты, которые помогают снизить ощущаемую температуру примерно на 10 градусов. Пока мир страдает от сильной жары, китайские инженеры разработали "умные" жилеты с климат-контролем. Жилеты с кондиционированием почти не отличаются от обычной рабочей одежды. Главное отличие - в системе охлаждения. В городе Нанкин в жилет вмонтированы два вентилятора, работающих от портативных аккумуляторов. Одного заряда хватает на 3-4 часа непрерывной работы. В Чанчжоу решили разместить в карманах охлаждающие элементы с материалом, который при нагревании переходит из твердого состояния в жидкое, активно поглощая тепло. Это поддерживает комфортную температуру в течение 2,5-4 часов. Такие жилеты выглядят почти ...>>

Летающие ветротурбины 3 МВт вышли в серию 31.07.2026

Традиционные ветряные электростанции зависят от силы и стабильности ветра у поверхности земли, где воздушные потоки часто бывают слабыми и порывистыми. На больших высотах ветер обычно сильнее и постояннее, поэтому инженеры уже давно рассматривают возможность подъема турбин в воздух. Китайская компания сделала важный шаг в этом направлении, перейдя от испытаний к мелкосерийному производству. Компания Beijing Linyi Yunchuan Energy Technology запустила мелкосерийное производство летающей ветротурбины S2000, а в провинции Чжэцзян возводят отдельный завод по производству материалов для оболочки аппарата. У компании уже есть предварительные договоренности с прибрежными городами и горными регионами, которые рассматривают возможность использования этой технологии для удовлетворения собственных энергетических потребностей. Прототип, который полгода назад только что поднялся в небо над Сычуанем, теперь превращается в целую отрасль. Идея S2000 проста: вместо того чтобы устанавливать ветряну ...>>

Случайная новость из Архива Сонные коровы дают снотворное молоко 15.12.2015 Молоко, надоенное ночью, помогает против бессонницы и навязчивой тревоги. Корейские исследователи сравнивали поведение крыс, которых поили дневным молоком, с поведением тех, которых поили ночным молоком. Было обнаружено, что ночное молоко обладает большим успокаивающим, седативным эффектом, что после него животные дольше спят и менее склонны к физической активности. С другой стороны, бодрствуя, они активнее исследуют новые территории, что говорит о сниженной тревожности – грубо говоря, после ночного молока крысы начинали меньше бояться. Эффект был такой же, как после диазепама, широко известного успокоительного и снотворного препарата. (При этом молоко давали после переработки: его сначала превращали в порошковый вид, а потом молочный порошок разбавляли водой.) Дневное молоко тоже может работать как расслабляющее средство, однако в меньше степени, нежели ночное. Например, когда крыс, напоенных дневным или ночным молоком, или раствором диазепама, или просто водой, сажали на вращающийся барабан и наблюдали за активностью и координацией движений грызунов, то после ночного молока крысы падали с барабана в два раза чаще, чем после дневного. (В свою очередь, после диазепама животные сваливались с устройства в два раза чаще, чем после ночного молока.) Сравнительный биохимический анализ показал, что в ночном молоке по сравнению с дневным содержится на 24% больше аминокислоты триптофана, который стимулирует сон, и в 10 раз больше гормона мелатонина, регулирующего суточные ритмы. Очевидно, сонное состояние коров сказывается и на составе молока, которое образуется у них по ночам. С другой стороны, по электроэнцефалографии ничего необычного в ритмах мозга после ночного молока не было, тогда как от диазепама возникали характерные аномалии, отражавшие седативный эффект лекарства.

Другие интересные новости:

▪ 3D-шлем для хирурга

▪ Виртуальная примерка обуви

▪ Магнитная система, превращающая тепло в механическое движение

▪ Фотон из нанотрубы

▪ Натрийионные аккумуляторы

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Должностные инструкции. Подборка статей

▪ статья Плитку выручил утюг. Советы домашнему мастеру

▪ статья Как велика масса молекулы воды? Подробный ответ

▪ статья Ожоги. Медицинская помощь

▪ статья Каскодный усилитель. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Генератор стабильного тока для зарядки аккумуляторов и его применение при ремонте и конструировании радиоэлектронных средств. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026