CS253063B1 - Regulátor napětí zvláště pro alternátory - Google Patents

Abstract

Řešení se týká regulátoru napětí zvláště pro alternátory, skládajícího se z výkonového spínacího stupně, připojeného svým výstupem na svorku budicího vinutí, na jehož řídicí vstup je připojen snímací napětový člen. Podstata regulátoru spočívá v tom, že k snímacímu napěťovému členu je na jeho druhou řídicí svorku připojen blokovací stupeň, jehož řídicí svorka je spojena s kontrolní svorkou alternátoru, a že budicí vinutí je přes obvod předbuzení připojeno k výstupní svorce alternátoru.

Description

Vynález se týká regulátoru napětí pro alternátory, především pak pro alternátory, používané v motorových vozidlech.

Dosud používané polovodičové regulátory napětí pro alternátory motorových vozidel se skládají z výkonového spínacího členu (převážně spínací tranzistor v sérii s budicím vinutím) a snímacího členu (napětím řízený klopný obvod, příp. s hysterezí), přičemž existuje několik variant připojení podle typu alternátoru. V současné době se používají dva způsoby zapojení alternátoru - bud se zvláštním usměrňovačem (devítidiodový), připojeným na statorové vinutí, nebo s vyvedeným středem statorových vinutí (šestidiodový).

Zapojení regulátoru je možno ročlenit do následujících skupin podle způsobu připojení snímacího členu a výkonového spínacího členu:

1. Snímací i výkonový spínací člen jsou připojeny na svorku + alternátoru. Tento způsob připojeni má výhodu v tom, že snímáme přímo regulovanou veličinu (napětí alternátoru), ale zároveň také závažnou nevýhodu - zařízení má velký klidový odběr a přetěžuje v klidu budicí vinutí alternátoru, protože jím teče max. budicí proud a alternátor není chlazen, protože se neotáčí. Tento stav vede k rychlé destrukci budicího vinutí, proto je nutné jej odstranit, částečně se to řeší např. zvláštním spínacím kontaktem, který je spojen se spínací skříňkou. Je-li spínací skříňka v poloze 0, je snímací člen odpojen a budicím vinutím neteče proud (Francie 2 439 504, GB 1 432 404, GB 1 467 634, GB 1 444 723, GB 1 464 120, GB 1 527 756, GB 1 573 521, GB 1 602 977). Další možností, jak částečně odstranit tuto nevýhodu, je zapojení snímacího odporu v sérii s budicím vinutím (ČSSR 209 694). Oba tyto způsoby ovšem neřeší případ (častý především u vozidel se vznětovými motory), kdy je spínací skříňka v poloze 1, ale motor vozidla stojí. V této situaci je opět přetěžováno budicí vinutí alternátoru.

2. Snímací i výkonový spínací člen jsou připojeny na svorku R alternátoru. Toto zapojeni má jedinou výhodu - budicí proud je odebírán ze statorového vinutí a zařízení má v klidu odběr 0,3-0,5 A (při spínací skříňce v poloze 1). Pro tuto výhodu je to jedno z nejpoužívanějších zapojení regulátoru. Kromě této jediné výhody má však i několik zásadních nevýhod:

a) Nesnímáme regulovanou veličinu (napětí alternátoru), ale veličinu odvozenou (napětí alternátoru - úbytky na usměrňovačích diodách). Vzhledem k tomu, že úbytek napětí na usměrňovačích diodách není konstantní, projevuje se zde vyšší kolísání napětí vlivem změny zátěže.

b) Alternátor potřebuje k nabuzení vyšší otáčky.

c) K počátečnímu nabuzení a zároveň k indikaci dobíjení a zmenšení vlivů úbytků na usměrňovačích diodách se používá žárovky nebo odporu, zapojených ze svorky + na svorku R a ze svorky R na svorku M. Bez těchto odporů by nebylo možno alternátor nabudit při dostatečně nízkých otáčkách. Hodnota odporu mezi svorkou R a M je 33 - 66 Λ dle typu alternátoru. Protože na svorku R je připojena přes odpor + svorka alternátoru, při odpojení akumulátoru je alternátor buzen přes tento odpor tak vysokým proudem, že při vyšších otáčkách dochází k proražení usměrňovačích diod a izolace statorového vinuti alternátoru. K tomuto stavu dochází často u vozidel se vznětovým motorem, proto jsou také opatřena varovným nápisem který nařizuje nejprve vypnout motor a potom teprve elektrickou instalaci. U vozidel se zážehovým motorem může k tomuto stavu dojít např. při nedokonalém připojeni svorek akumulátoru.

3. Snímací člen je připojen na svorku + alternátoru, výkonový spínací člen je připojen na svorku R. Toto zapojení je obdobou předešlého, odstraňuje však vliv napětového úbytku na usměrňovačích diodách na kolísání napětí vlivem zátěže.

Výše popsané nevýhody se snaží odstranit patent SSSR 498 705, který používá předbuzení k tomu, aby porovnal napětí baterie a vývodu R alternátoru. V okamžiku, kdy je napětí na vývodu R větší než napětí baterie, zapíná obvod regulace buzení. Toto zapojení má však zásadní, nevýhodu v tom, že odpor předbuzení musí být tak malý, že proud tekoucí budicím vinutím i při rozepnutém výkonovém spínacím stupni stačí k nabuzení alternátoru na napětí, které prorazí usměrňovači diody a statorovou izolaci (při odpojení akumulátoru).

Další patent SSSR 873 371 vyžaduje zvláštní spínací kontakt na startéru k překlopení klopného obvodu, který je v tomto stavu udržován napětím na svorce R. Jakmile se alternátor přestane otáčet, klopný obvod se vrátí do základního stavu a zablokuje výkonový spínač. Nevýhodou je nutnost zvláštního spínacího kontaktu na startéru, což komplikuje jak konstrukci startéru, tak vlastní elektroinstalaci vozidla a vede k nižší spolehlivosti zařízení. Mimoto se regulátor neuvede do chodu při roztečení nebo roztlačení vozidla.

Dále se tímto problémem zabývá patent GB 1 321 326, který používá napětí na vývodu R alternátoru k blokování výkonového spínače, ale nepoužívá předbuzení.

K zajímavým řešením patří i patent GB 1 424 589, který řeší ochranu proti přepětí na sekundárním vinutí zvláštním komparátorem, který v případě zvýšení napětí nad určitou mez zablokuje výkonový spínací stupeň. Zařízení má zásadní nevýhodu v tom, že neřeší otázku odběru v klidu a vyžaduje alternátor s neuzemněným buzením.

Cílem vynálezu je odstranit výše popsané nedostatky předchozích řešení, tzn. zvýšit přesnost regulace, možnost odpojit akumulátor za běhu motoru při zachování funkce a bez poškození ostatních částí elektroinstalace, univerzální použitelnost bez podstatných zásahů do elektroinstalace, vyřešení způsobu indikace dobíjení, ochrana proti destrukci budicího vinutí při stojícím motoru a spínací skříňce v poloze 1 a minimální proudový odběr a použitelnost pro šestidiodové i devítidiodové zapojení.

Podstata regulátoru napětí pro alternátory podle vynálezu spočívá v tom, že na vstup výkonového spínacího stupně zapojeného mezi kladnou svorku alternátoru a budicí vinutí je připojen výstup snímacího napěťového členu, zapojeného mezi kladnou svorku alternátoru a zemnicí pól, přičemž blokovací vstup snímacího napěťového členu je připojen na výstup obvodu blokování, zapojeného mezi kontrolní svorku alternátoru a zemnicí pól.

Rozvinutí vynálezu spočívá v tom, že na kontrolní svorku alternátoru je připojen vstup obvodu indikace, přičemž výstup obvodu indikace je připojen přes svorku a sériovou kombinaci spínače a žárovky na kladný pól alternátoru.

Rozvinutí vynálezu spočívá dále v tom, že mezi kladnou svorku alternátoru a svorku budicího vinutí alternátoru paralelně k výkonovému spínacímu členu je zařazen obvod předbuzení, jehož vstup je připojen na svorku spínače a kontrolky dobíjení.

Ve srovnání s dosavadním provedením regulátoru má výše popsaný tyto výhody:

- vyšší přesnost regulace, díky tomu, že snímá přímo regulovanou veličinu a díky zapojení napětím řízeného klopného obvodu?

- oproti regulátorům, které mají výkonový spínací stupeň připojen na svorku R, se dříve nabudí (spolehlivě dodává proud při volnoběžných otáčkách);

- je schopen udržovat konstantní napětí palubní sítě i při odpojení akumulátoru;

- dokonale chrání alternátor proti poškození zvýšeným napětím i při odpojení akumulátoru a maximálních otáčkách;

- je univerzálně použitelný pro velkou většinu alternátorů, přizpůsobení se děje změnou dvou součástek?

- řeší způsob indikace dobíjení, což je částečně opomíjeno, ponechává dosavadní způsob likvidace žárovkou, takže nevyžaduje zásad do palubních přístrojů?

- je možné zapojit jej do stávající elektroinstalace vozidel bez úprav nebo s minimálními úpravami ?

- dokonale chrání alternátor před destrukcí budicího vinutí maximálním budicím proudem při stojícím motoru a spínací skříňce v poloze 1?

- minimální proudový odběr v klidu (při stojícím motoru a skříňce v poloze O);

- minimální odběr při spínací skříňce v poloze 1 (asi 1/2 dosavadního).

Blokové schéma regulátoru napětí je na obr. 1 a elektrické na obr. 2.

Regulátor se skládá z pěti základních bloků - napětového snímacího členu výkonového spínacího stupně 2, obvodu 2 blokování, obvodu 4_ předbuzení a obvodu 5 indikace. Výkonový spínací stupeň 2 a obvod 4 předbuzení jsou zapojeny paralelně mezi kladnou svorku 2 alternátoru a svorku 11 budicího vinutí 22· Vstup obvodu 2 předbuzení je připojen na svorku 2 kontrolky 13 dobíjení a spínače, vstup výkonového spínacího stupně 2 je připojen na výstup napětového snímacího členu 2· Na blokovací vstup napětového snímacího členu je připojen výstup obvodu 2 blokování, jehož vstup je připojen na kontrolní svorku 10 alternátoru 12. Na svorku 2 kontrolky dobíjení je připojen výstup obvodu 2 indikace, jehož vstup je připojen na kontrolní svorku 10 alternátoru 12.

Jak výkonový spínací člen, tak snímací člen jsou připojeny na svorku plus alternátoru. Aby byla odstraněna základní nevýhoda tohoto zapojení, tj. max. budicí proud při nulových otáčkách, má regulátor dvojí blokování. První blokování působí tehdy, když je spínací skříňka vozidla v poloze 0. Aby nebylo nutné uskutečňovat změny v elektrické instalaci vozidla, je k této funkci využit kontakt 2 spínací skříňky, označovaný 15/54, který spíná u stávajícího provedení regulátoru kontrolku dobíjení.

Zachována zůstává i funkce kontrolky 7_ dobíjení. Kontrolka T_ dobíjení je spínána (po sepnutí kontaktu 2) obvodem 5 indikace dobíjení, který je v klidu sepnut a rozpíná po dosažení jmenovitého napětí alternátoru na kontrolní svorce 22.· Zároveň napětí na svorce 2 ovládá obvod předbuzení. Sepne-li kontakt 2» začne fungovat druhé blokování, protože kontrolkou T_ dobíjení začne protékat přes obvod 2 indikace proud a na svorce 9 se objeví napětí, které otevře obvod 4 přebuzení. Začne-li se alternátor otáčet, na kontrolní svorce se objeví napětí 0,6-1 V při volnoběžných otáčkách, které přes obvod 2 blokování a snímací napětový člen 2 otevře výkonový spínací stupeň 2 a alternátor se plně nabudí.

Proud předbuzení je omezen odporem, jehož hodnota se v praxi pohybovala mezi 100-220ÍÍ.. Je volen s určitou rezervou tak, aby ani při nejvyššíoh otáčkách alternátoru nebylo na kladné svorce alternátoru napětí vyšší než jmenovité (v nezatíženém stavu). Tak je zaručeno, že ani při nejvyššíoh otáčkách nedojde k poškození usměrňovačích diod a izolace statorového vinutí. Současně takto zvolený odpor zajišfuje, že při volnoběžných otáčkách je na kontrolní svorce alternátoru napětí 0,6-1 V podle provedení a stavu alternátoru. Tímto napětím je ovládán obvod 2 blokování s prahovou úrovni cca 0,6 V, který po zvýšení napětí na kontrolní svorce nad tuto mez odblokuje regulátor. Jakmile otáčky poklesnou na cca 1/2 volnoběžných, napětí na kontrolní svorce poklesne pod tuto mez a blokovací obvod zablokuje regulátor.

Při vypnuti spínací skříňky se odepne obvod £ předbuzení a kontrolka dobíjení. V klidovém stavu (spínací skříňka v poloze 0) je odběr 1-5 mA podle kvality použitých tranzistorů. Ve stavu čekání (tj. spínací skříňka v poloze .1, ale alternátor v klidu) je odběr dán součtem klidového odběru (1-5 mA), odběru kontrolky (0,08-0,12 A) a proudem předbuzení odporem v obvodu 2 (0,05-0,15 A), tj. celkově 0,12-0,27 A. Proud předbuzení tekoucí budicím vinutím přes obvod 4 nemůže ani dlouhodobě způsobit destrukci budicího vinutí.

Kontrolka dobíjení je využívána jako porovnávací odpor v jedné větvi děliče a může být tvořena bud rezistorem (bez indikace dobíjení), žárovkou 12 V/l-5 W, nebo světloemitujíci diodou (LED).

V případě, že použijeme rotor alternátoru s velkou koercitivní silou, případně i permanentním magnetem, je možné vypustit obvod 2 předbuzení a zjednodušit obvod 2 indikace dobíjení .

Na obr. 2 je elektrické schéma regulátoru, realizovaného z dostupných polovodičových součástek podle výše popsaného principu. Jednotlivé funkce podle blokového schématu jsou realizovány takto: snímací člen £ je realizován odporovým děličem R5, R6, R7, tranzistorem T2 a Zenerovou diodou D3. Zvětší-li se napětí báze z odporového děliče o více než 0,7 V nad napětí emitoru, určené Zenerovou diodou D3, tranzistor T2 se otevře a přes odporový dělič R2, R3 v kolektoru ovládá výkonový spínací stupeň 2, realizovaný tranzistorem T3.

Kondenzátor Cl slouží k urychlení překlápění, C2 k filtraci případných poruch. Obvod 2 blokování je realizován tranzistorem TI. Blokovací tranzistor TI pracuje jako spínač připojující emitor tranzistoru T2 na zemní potenciál. Je ovládán přímo napětím z kontrolní svorky R alternátoru, odpor R8 a diody Dl, D2 slouží k ochraně přechodu B-E tranzistoru TI.

Obvod i předbuzení - tranzistor T5 je ovládán přes odpor R9 napětím na sériové kombinaci snímací odpor Rll - spínač ji kontrolky dobíjení. Dioda D4 chrání tranzistor T5 v případě sepnutí tranzistoru T3. Obvod 5 indikace dobíjení je realizován tranzistorem T6, ovládaným napětím ze svorky R alternátoru přes odporový dělič, nastavený tak, aby tranzistor sepnul při jmenovitém napětí alternátoru. Napětím na kolektoru T6 se řídí tranzistor T4. U šestidiodového zapojení alternátoru je práh sepnutí indikace nastaven na 1/3 U jmenovitě, při devítidiodovém zapojení je práh nastaven na D jmenovité.

Regulátor byl postaven na desce plošných spojů, opatřené automobilovými konektory, na krytu z pozinkovaného ocelového plechu byl izolovaně upevněn tranzistor T3. Při zkouškách (cca 50 h na zkušební stolici a 1 měsíc provozu v automobilu v nejtěžších podmínkách) bylo dosaženo všech uvedených parametrů a regulátor pracoval bez závad.

Výše popsaný regulátor napětí pro alternátory je určen především pro motorová vozidla.

Je možné použít jej u alternátorů pro 6, 12 i 24 V do výkonů, omezených max. budicím proudem ^Icemax ^tranzi^storu £3. Bude-li třeba rozšířit použití.regulátoru pro oblast vyšších výkonů, je možné řadit spínací tranzistory paralelně. Regulátor je vhodný jak pro zážehové, tak pro vznětové motory, tj. je možno jej použít i u traktorů, stacionárních motorů, stavebních strojů apod.

Při použití u vznětových motorů vynikne především to, že regulátor je schopen regulovat napětí i při odpojení akumulátoru, což odstraňuje nebezpečí poškození alternátoru přepětím při nesprávné manipulaci se spínací skříňkou. Vzhledem k tomu, že regulátor má malý proudový odběr, je-li alternátor v klidu, bylo by vhodné použít jej u větrných a vodních elektráren malého výkonu. Ke zmenšení proudového odběru by bylo mpžné nahradit žárovku kontrolky dobíjeni svítivkou.

Claims (3)

PŘEDMĚT VYNÁLEZU

1. Regulátor napětí zvláště pro alternátory, vyznačující se tím, že na vstup výkonového spínacího stupně (2), zapojeného mezi kladnou svorku (6) alternátoru (12) a budicí vinutí (13) alternátoru (12) , je připojen výstup snímacího napěťového členu (1), zapojeného mezi kladnou svorku alternátoru a zemnicí pól, přičemž blokovací vstup snímacího napěťového členu (1) je připojen na výstup obvodu (3) blokování, zapojeného na kontrolní svorku (10) alternátoru (12) .

2. Regulátor napět! podle bodu 1, vyznačený tím, že na kontrolní svorku (10) alternátoru (12) je připojen vstup obvodů (5) indikace, přičemž výstup obvodu (5) indikace je připojen přes svorku (9) a sériovou kombinaci kontaktu (8) a kontrolky (7) dobíjení na kladnou svorku (6) alternátoru (12).

3. Regulátor napětí podle bodu 1 a 2, vyznačený tím, že mezi kladnou svorku (6) alternátoru (12) a svorku (11) budicího vinutí (13) alternátoru paralelně k výkonovému spínacímu stupni (2) je zařazen obvod (4) předbuzeni, jehož výstup je připojen na svorku (9) kontaktu (8) a kontrolky (7) dobíjení.