交流发电机的电压调节器可分为触点式电压调节器、晶体管调节器和集成电路调节器三者的基本原理都是以转速为基础,通过改变励磁电流,来维持发电机输出电压的稳定。 触点式电压调节器应用较早,我国20世纪90年代以前生产的交流发电机大多配用这种调节器,他利用一对或两对触点的开、闭来工作,调节器触电振动频率小,存在机械惯性和电磁惯性,电压调节精度低,触电易产生火花,对无线电干扰大,可靠性差,寿命短,现已淘汰随着半导体技术的发展,晶体管电压调节器在汽车上得到了广泛的应用。其特点是:晶体管的开关频率高,且不产生火花,电压调节精度高,还有重量轻、体积小、使用寿命长可靠性高、对无线电干扰小等优点。它广泛应用于东风、解放等中低档车型。 集成电路电压调节器除具有晶体管调节器的优点外,还具有超小型的特点,便于安装在发电机内部(又称内装式调节器),减少了外接线,并且冷却效果得到了改善。现广泛应用于桑塔纳、奥迪等中高档车型。近年来,某些高档轿车有装用了计算机控制的调压电路由于交流发电机具有内、外搭铁之分,所以调节器也有内搭铁、外搭铁之分。在使用过程中,对于晶体管调节器,应使用汽车说明书中指定的调节器,如果采用其它型号的调节器代替,除标称电压等规定参数与原调节器相同外,代用调节器必须与原调节器的搭铁形式相同,否则,发电机可能由于励磁电路不通而无法正常工作。对于集成电路调节器,必须是专用的,是不能被代替的。
1.晶体管电压调节器。
晶体管电压调节器是利用晶体三极管的开关作用,控制发电机励磁电路的通、断。在发电机转速变化时,调节励磁电路的电流,使发电机电压保持稳定。现在国内外晶体管调节器的电路设计原理大致相同,结构也基本相同,都是由1~2个稳压管、1~3个二极管、2~3个晶体管、若干个电阻和电容等元件组成。由印刷电路板连成电路,外壳由薄而轻的铝合金制成,表面有散热板,外部有三个接线柱,分别为“+”(或火线)、“-”(或搭铁)接线柱、“F”(或磁场)接线柱,分别与发电机的三个接线柱对应连接。
1.晶体管电压调节器。
如图5-20所示,为内搭铁的晶体管调节器基本电路。VT2是大功率晶体管,起开关作用用来接通与切断发电机的励磁电路;晶体管V1是小功率管,用来放大控制信号。稳压管Vs是感受元件,串联在VT1的基极电路中,并通过VT1的发射结并联于分压电阻R1的两端,以感受发电机的输出电压。电阻R1和R2组成一个分压器,分压器两端的电压UAC为发电机的输出电压,则UAB=UACR1/R+R2,UAB电压反向加在S上,通常把B点称为检测点。R1的阻值是这样确定的:当发电机输出电压UAc达到规定的调整值时(如桑塔纳为13.5~14.5V)UAB电压正好等于VS的反向击穿电压,R3为VT1的集电极负载电阻。
晶体管调节器的工作原理如下:点火开关S闭合后,蓄电池的电压就加到分压器的A、C端,由于蓄电池电压小于发电机输出电压的调整值,故UAB电压值也小于Vs的反向击穿电压,VS处于截止状态,VT1基极电流b等于零,VT1截止,而VT2由于发射结处于较高的正向电压下而导通饱和,产生励磁电流(他励)。
励磁电路为:蓄电池→点火开关S→调节器“+”接线柱→VT2→调节器“F”接线柱→发电机“F”接线柱→励磁绕组→蓄电池(搭铁)。
发动机起动后,发电机的输出电压高于蓄电池的电压,发电机的励磁电流由他励转变为自励。
励磁电路为:发电机正极→点火开关S→调节器“+”接线柱→VT2→调节器“F”接线柱发电机“F”接线柱→励磁绕组→蓄电池负极(搭铁)。
随着转速的升高,当发电机输出电压稍高于调整值时,UAB电压达到了VS的反向击穿电压,VS导通,使VT产生基极电流而导通,同时把VT2的发射结短路,使其由导通状态转化为截止状态,切断发电机的励磁电路,使发电机的输出电压急剧下降,当发电机的输出电压下降到稍低于调整值时,VS又由击穿状态恢复到截止状态。随之,VT1也由导通状态转化为截止状态,使VT2导通。如此反复,就使发电机的端电压维持在规定的调整值上。
以上分析的基本电路与实际应用的晶体管调节器工作电路相比存在很大缺点,如VT2导通变为截止的瞬间,由于励磁电流的突变,在励磁绕组中产生很大的自感电动势,这个瞬间高压电动势将会损坏调节器的其他电子元件。这样在实际应用的调节器电路中,将对上面的基本电路作必要的补充和完善。
2.JFT106型晶体管电压调节器。
JFT06型晶体管电压调节器为14V外搭铁式电压调节器,可以配用14V、750W的九管交流发电机,也适用于14V、功率小于1000V的负极外搭铁式六管交流发电机。调节电压为13.8~14.6V,CA1092型汽车用JFT106型晶体管电压调节器电路如图5-21所示,该调节器共有三个接线柱,其中“+”接线柱与发电机的“F1”接线柱连接后经熔断器连接至点火开关,“F”接线柱与发电机的“F2”接线柱连接,“-”接线柱搭铁。
JFT106型晶体管电压调节器工作过程如下:
(1)接通点火开关S,蓄电池经点火开关S、R5、二极管VD2和R向晶体管VT2、晶体管VT3提供偏流,VT3导通,他励励磁电路为:蓄电池正极→点火开关S→发电机励磁绕组(F1、F2、F)→VT3→蓄电池负极(接铁)。
(2)发动机起动后,励磁电路由他励变为自励,其励磁电路为:发电机正极→点火开关发电机励磁绕组→VT3→蓄电池负极(接铁)。
(3)当发电机的输出电压达到调整值时,R2的端电压将反向击穿稳压管VS2使晶体管VT1导通,VT2和VT3截止,使励磁电流迅速下降,发电机的输出电压随之下降。
(4)当发电机输出电压降至VS2的反向击穿电压以下时,VT1截止,VT2、VT3再导通发电机输出电压随之上升。发电机输出电压达到调节值时,VS2再被反向击穿,VT1又导通,VT2和VT3又截止,发电机的输出电压又下降。如此反复,使发动机的输出电压控制在规定范围。
其它元件的作用:R3为调节电阻,其阻止在1.3~13k之间。合理选择R3,可提高调节电压的稳定性。
C1、C2为滤波电容,可使VS1两端的电压平稳过渡,减少对发动机输出电压的脉动影响,降低晶体管开关的频率,减少功率消耗。
VD1、VD2为温度补偿二极管,用来减少温度对调节器调压值的影响。
VD3为续流二极管,可以将VT3由导通变为截止时,在励磁绕组中产生的瞬时过电压短路,以保护VT3R4为限制VS1的击穿电流,保护VS1,同时又是VT1的偏置电阻。
R6为正反馈电阻,用以提高晶体管的转换速度,减少损耗。
2.集成电路电压调节器。
集成电路电压调节器又称IC调节器,根据使用要求,它把电路中的若干元件集成到同基片上,制成一个独立的电子芯片。集成电路电压调节器装于发电机内部,称为整体式发电机发电机外部有两个或三个接线端子。桑塔纳轿车采用了混合电路加集成电路发电机调节器,集成电路和保护电阻共同贴在一块陶瓷基片上,封装在一个金属盒里,并与电刷连成一体,便于安装和维修。
集成电路电压调节器的工作原理与晶体管电压调节器的工作原理完全一样,都是根据发电机输出电压的变化,利用晶体管的开关特性控制发电机励磁电流,达到稳定发电机输出电压的目的。也有内、外搭铁之分,而且以外搭铁使用较多根据检测电源电压方式不同,集成电路电压调节器可分为发电机电压检测法和蓄电池电压检测法两种,对于大功率硅整流发电机多采用后者。
1.发电机电压检测法。
发电机电压检测法的电路如图5-22(a)所示。加在分压器R1、R2上的电压是磁场二极管输出端L的电压U,而硅整流发电机输出端B的电压为UB。因此U=Ug,所以调节器检测点P加在稳压管VD1两端的反向电压UP与发电机的端电压UB成正比,所以该电路称为发电机电压检测法。其工作原理同晶体管调节器不再重述2.蓄电池电压检测法。
蓄电池电压检测法的线路图如图5-22(b)所示。加在分压器R1、R2上的电压为蓄电池端电压,由于通过检测点P加到稳压管VD1上的反向电压与蓄电池的端电压成正比,所以该线路称为蓄电池电压检测法。
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上述两种基本电路中,如果采用发电机电压检测法线路,发电机的引出线可以少一根。
不足之处在于,当图中B点到蓄电池正极之间的电压降较大时,蓄电池的充电电压将会偏低,使蓄电池充电不足。因此,一般大功率发电机多采用蓄电池电压检测法线路的电压调节器。
在采用蓄电池电压检测法线路时,当B点与蓄电池正极之间或S点与蓄电池正极之间断线时,由于不能检测出发电机的端电压,发电机电压将会失控。为了克服这一不足之处,线路上应采取一定的措施。图5-23为实际采用的蓄电池电压检测法线路,在这个线路中,在调节器的分压器与发电机B之间增加了一个电阻R6和一个二极管D2,这样,当B点与蓄电池正极之间出现断路时,由于R6的存在,仍然能检测出发电机的端电压U,使调节器正常工作,可以防止发电机电压过高的现象。
3.计算机控制的调压电路。
在一些高档车辆上,交流发电机的电压调节器已经消失,其输出电压由计算机进行控制,如图5-24所示。下面对计算机控制交流发电机充电系统作简要介绍。
为了保证发电机输出电压在规定范围内,计算机根据检测点的电压和发动机转速,通过大功率三极管控制发电机励磁电路的搭铁回路。
励磁电路为:蓄电池或发电机正极→点火开关→发电机磁场接柱→激磁绕组→发电机磁场接柱→计算机→搭铁→蓄电池或发电机负极。
当点火开关处于“接通”或“起动”位置并且发动机正常运转时,如果计算机检测到蓄电池电压低于规定值,就使大功率三极管导通,接通激磁电路,增大激磁电流,提高发电机输出电压。
如果计算机检测到蓄电池电压高于规定值,就使大功率三极管截止,发电机激磁电路断开,减小激磁电流,降低发电机输出电压,使发电机的输出电压不超过规定值。
根据检测点电压的高低,计算机以每秒400个脉冲的固定频率向磁场提供电流脉冲,通过改变占空比,得到正确的励磁电流平均值,使发电机的输出电压保持在规定值,起到调节器的作用;在发动机怠速运行时,计算机根据该信号电压的高低,通过控制发动机的怠速转速,调节充电率,以免怠速时蓄电池放电,这时调节器无法实现。
