Разработка монокристального монофункционального регулятора напряжения для бортовой сети автомобиля (стр. 1 из 10)
Содержание
1. Введение
2. Структурная схема регулятора напряжения для бортовой сети автомобиля
2.1 Методы и способы регулирования напряжения в бортовой сети автомобиля
2.2 Метод регулирования напряжения с помощью широтно–импульсной модуляции
3. Разработка принципиальной электрической схемы регулятора напряжения
3.1 Генератор прямоугольных импульсов
3.2 Формирователь пилообразного напряжения
3.2.1 Т-триггер, построенный на основе интегрально-инжекционной логики
3.2.2 5 – ти разрядный счетчик на основе Т – триггеров
3.2.3 Резистивная матрица, формирующая пилообразное напряжение
3.3 Компаратор напряжения
3.4 Резистивный делитель напряжения
3.5 Блок защиты от перенапряжения в бортовой сети автомобиля
3.6 Датчик температуры
3.7 RS – триггер, управляющий работой выходного транзистора
3.8 Выходной каскад
3.9 Стабилизатор напряжения
4. Типовая схема включения регулятора напряжения в генераторную установку
5. Методика измерения и контроля параметров регулятора напряжения
6. Технологический маршрут изготовления монокристального регулятора напряжения
7. Заключение
Список использованных источников
1. Введение
В связи с бурным развитием в настоящее время автомобильной промышленности наблюдается повсеместное развитие и разработка различных электронных устройств, используемых на борту автомобиля для выполнения определенных полезных функций. Очень важной задачей для используемых на борту автомобиля потребителей электрической энергии, а также для подзарядки аккумуляторной батареи является поддержание на постоянном уровне напряжения бортовой сети автомобиля. Превышение напряжения сверх допустимых пределов служит причиной перезаряда аккумуляторной батареи с последующим выходом ее из строя, пониженное напряжение вызывает недозаряд батареи. Например, увеличение напряжения на 10 % сверх номинального снижает срок службы ламп примерно на 50 %. Функцию поддержания на постоянном уровне напряжения выполняет регулятор напряжения бортовой сети автомобиля, встраиваемый, как правило, в генератор переменного тока, снабженного выпрямителем на обычных или лавинных диодах (стабилитронах). Регулятор напряжения представляет собой интегральную микросхему гибридного или монокристального исполнения, который может включаться в бортовую сеть автомобиля по различным схемам включения.
В настоящее время существует большое разнообразие выпускаемых регуляторов напряжения для автомобильных бортовых электрических сетей с напряжением 14 В и 28 В с различным набором функций, которые можно разделить на два семейства: монофункциональные и мультифункциональные регуляторы напряжения. Данные регуляторы напряжения, изменяя величину тока в обмотке возбуждения генератора, поддерживают в заданных пределах напряжение на выходе генератора или в заданной точке бортовой электрической сети автомобиля, независимо от частоты вращения ротора генератора, тока нагрузки. Для обеспечения благоприятных режимов зарядки аккумуляторной батареи напряжение на ней в момент зарядки должно изменяться в зависимости от температуры электролита. Учитывая высокую техническую сложность контроля температуры электролита, изменения величины напряжения на батарее в момент зарядки добиваются введением зависимости, как правило, с отрицательным температурным коэффициентом напряжения настройки регулятора от температуры его корпуса. Величина температурного коэффициента различна для различных типов регуляторов и ее выбор зависит от типа аккумулятора, условий размещения генератора и аккумуляторной батареи, протяженности электрической сети от генератора до точки подключения аккумуляторной батареи.
Рассмотренный регулятор напряжения должен удовлетворять следующим требованиям:
1.Напряжение настройки должно быть равно 14,1 ± 0,1 В;
2.Остаточное напряжение на выходном транзисторе не должно превышать 0,8 В;
3.Температурный диапазон работы микросхемы должен находиться в интервале температур от - 45 оС до + 100 оС;
4.Температурный коэффициент напряжения настройки должен составлять – 7,0 ± 1,5 мВ/ оС.
2. Структурная схема регулятора напряжения
2.1 Методы и способы регулирования напряжения в бортовой сети автомобиля
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 перегрузки, автоматически включать в бортовую сеть цепь обмотки возбуждения или систему сигнализации аварийной работы генераторной установки.
Все регуляторы напряжения работают по единому принципу. Напряжение генератора определяется тремя факторами - частотой вращения ротора, силой тока, отдаваемой генератором в нагрузку и величиной магнитного потока, создаваемой током обмотки возбуждения. Чем выше частота вращения ротора и меньше нагрузка на генератор, тем выше напряжение генератора. Увеличение силы тока в обмотке возбуждения увеличивает магнитный поток и с ним напряжение генератора, снижение тока возбуждения уменьшает напряжение. Все генераторы напряжения, отечественные и зарубежные, стабилизируют напряжение изменением тока возбуждения.
Если напряжение возрастает или уменьшается регулятор соответственно уменьшает или увеличивает ток возбуждения и вводит напряжение в нужные пределы.
Из рис. 2.1.1. видно, что регулятор 1 содержит измерительный элемент 5, элемент сравнения 3 и регулирующий элемент 4. Измерительный элемент воспринимает напряжение генератора и преобразует его в сигнал Uизм, который в элементе сравнения сравнивается с эталонным значением Uэт. Если величина Uизм отличается от эталонной величины Uэт, то на выходе измерительного элемента появляется сигнал Uo , который активирует регулирующий элемент, изменяющий ток в обмотке возбуждения так, чтобы напряжение генератора вернулось в заданные пределы.
Рис. 2.1.1. Блок-схема регулятора напряжения (1 – регулятор; 2 – генератор; 3 – элемент сравнения; 4 – регулируемый элемент; 5 – измерительный элемент)
Таким образом, к регулятору напряжения обязательно должно быть подведено напряжение генератора или напряжение из другого места бортовой сети, где необходима его стабилизация, например, от аккумуляторной батареи, а также подсоединена обмотка возбуждения генератора. Если функции регулятора расширены, то и число подсоединений его в схему растет. Чувствительным элементом электронных регуляторов напряжения является входной делитель напряжения. С входного делителя напряжение поступает на элемент сравнения, где роль эталонной величины играет обычно напряжение стабилизации стабилитрона.
Особенностью автомобильных регуляторов напряжения является то, что они осуществляют дискретное регулирование напряжения путем включения и выключения в цепь питания обмотки возбуждения (в транзисторных регуляторах) или последовательно с обмоткой дополнительного резистора (в вибрационных и контактно-транзисторных регуляторах), при этом меняется относительная продолжительность включения обмотки или дополнительного резистора.
Аккумуляторная батарея для своей надежной работы требует, чтобы с понижением температуры электролита напряжение, подводимое к батарее от генераторной установки, несколько повышалось, а с повышением температуры - понижалось. Для автоматизации процессов изменения уровня поддерживаемого напряжения применяется датчик, помещенный в электролит аккумуляторной батареи и включаемый в схему регулятор напряжения. В простейшем случае термокомпенсация в регуляторе подобрана таким образом, что в зависимости от температуры поступающего в генератор охлаждающего воздуха напряжение генераторной установки изменяется в заданных пределах.
В рассмотренной схеме регулятора напряжения, как и во всех регуляторах аналогичного типа, частота переключений в цепи обмотки возбуждения изменяется по мере изменения режима работы генератора. Нижний предел этой частоты составляет 25-50 Гц.
Имеется и другая разновидность схем электронных регуляторов, в которых частота переключения строго задана. Регуляторы такого типа оборудованы широтно-импульсным модулятором (ШИМ), который и обеспечивает заданную частоту переключения. Применение ШИМ снижает влияние на работу регулятора внешних воздействий, например, уровня пульсаций выпрямленного напряжения и т.п.
В настоящее время все больше зарубежных фирм переходят на выпуск генераторных установок без дополнительного выпрямителя. Для автоматического предотвращения разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигателе автомобиля в регулятор такого типа заводится фаза генератора. Регуляторы, как правило, оборудованы ШИМ, который, например, при неработающем двигателе переводит выходной транзистор в колебательный режим, при котором ток в обмотке возбуждения невелик и составляет доли ампера. После запуска двигателя сигнал с вывода фазы генератора переводит схему регулятора в нормальный режим работы.
Перспективным является развитие мультифункционального класса регуляторов напряжения. Этот класс обладает следующим набором функций:
1. регулировка напряжения в удаленной от генератора точке бортовой электрической сети автомобиля;
2. диагностика состояния электрической связи генератора с удаленной контролируемой точкой;
3. диагностика отсутствия вращения ротора генератора;
4. диагностика короткого замыкания или разрыва цепи обмотки возбуждения генератора;
5. оценка величины допуска по напряжению в контролируемой точке и индикация ее результатов;
6. пассивная диагностика технического состояния генератора и индикация ее результатов.