基于自激磁式車用交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

陳立東，王寶良，劉榮昌，石 磊

(河北科技師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河北秦皇島，066600)

汽車發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器用于調(diào)節(jié)汽車發(fā)電機(jī)的輸出電壓，使其不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化和發(fā)電機(jī)負(fù)載變化的影響，保證汽車在行駛過程中發(fā)電機(jī)的輸出電壓穩(wěn)定，其性能的好壞，直接影響汽車及其用電設(shè)備的工作。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的車用交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器多采用晶體管控制交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的方法來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓［1］，其缺點(diǎn)是:(1)現(xiàn)有的集成電路式或晶體式調(diào)節(jié)器已經(jīng)不適應(yīng)大功率交流發(fā)電機(jī)的匹配要求;(2)工作頻率較低，導(dǎo)致交流發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)建立較慢，發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)定性變差，給汽車電器造成電沖擊，容易引起汽車電器的損壞;(3)當(dāng)發(fā)電機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，電壓調(diào)節(jié)器的工作頻率也相應(yīng)較低，容易使發(fā)電機(jī)輸出電壓出現(xiàn)較大波動(dòng)，致使汽車部分電器不能正常工作;(4)當(dāng)發(fā)電機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，調(diào)節(jié)器的工作頻率也相應(yīng)增高，導(dǎo)致調(diào)節(jié)器電路中的大功率三極管發(fā)熱，從而使調(diào)節(jié)器使用壽命變短［2］。因此，亟需設(shè)計(jì)與國(guó)內(nèi)汽車用交流發(fā)電機(jī)配套的新型調(diào)節(jié)器［3～4］。為此，筆者采用低功耗集成電路和CMOS電子開關(guān)控制交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁工作，以解決傳統(tǒng)交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器在起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)需他勵(lì)，而在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)造成蓄電池放電的缺點(diǎn)。

1 自激磁式電壓調(diào)節(jié)器技術(shù)指標(biāo)

新型低功耗自激磁式電壓調(diào)節(jié)器主要是利用CMS電子開關(guān)和電壓波動(dòng)傳感器實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)與控制。其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 自激磁式電壓調(diào)節(jié)器技術(shù)指標(biāo)

2 自激磁式電壓調(diào)節(jié)器基本工作原理

集成電路晶體管電壓調(diào)節(jié)器以晶體管電壓調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)，利用晶體管作為開關(guān)管控制交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的大小，從而調(diào)節(jié)交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓，傳統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器一般用晶體三極管作為開關(guān)管控制勵(lì)磁電路的通斷［5］，其基本工作原理如圖1所示。圖中大功率三極管串聯(lián)在交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組W的電路中，通過設(shè)置大功率三極管的導(dǎo)通條件就可以控制流經(jīng)W的勵(lì)磁電流，其特點(diǎn)是三極管的開關(guān)頻率高，且不產(chǎn)生火花，調(diào)節(jié)精度高，還具有質(zhì)量輕、體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高、電波干擾小等優(yōu)點(diǎn)。

3 自激磁控制電路的設(shè)計(jì)

自激磁式汽車發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器由一個(gè)三引腳的通用電壓調(diào)節(jié)器和一個(gè)自激磁控制電路組成(圖2)。通用電壓調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)原理見文獻(xiàn)［1］。自激磁控制電路由采樣比較電路、過熱保護(hù)電路等組成，其功用是利用采樣比較電路監(jiān)測(cè)控制場(chǎng)效應(yīng)管的工作，使場(chǎng)效應(yīng)管控制通用電壓調(diào)節(jié)器的電源端，避免其與外接電源連接或接充電指示燈，使外部電路復(fù)雜，采用本電路可以簡(jiǎn)化整體線路、提高工作可靠性。自激磁控制電路的具體結(jié)構(gòu)為電阻R1與穩(wěn)壓管D1串聯(lián)后分別接電源正極和電源負(fù)極，并提供一個(gè)參考電壓點(diǎn)，電壓比較器IC的同相輸入端接參考電壓點(diǎn);電阻R2和電阻R3串聯(lián)后并接在穩(wěn)壓管D1上，由分壓器的分壓點(diǎn)接在電壓比較器IC的反相輸入端，電阻R4與電容C1串聯(lián)后接電源正極和分壓點(diǎn);電阻R5和R6串聯(lián)后接電源正極和IC的輸出端，分壓點(diǎn)A接場(chǎng)效應(yīng)管Q1的柵極，電容器C2接在IC輸出端和電源負(fù)極之間，Q1的源極接電源正極，漏極串聯(lián)電阻R7后接激磁電源正極。自激磁電路中利用場(chǎng)效應(yīng)管作為開關(guān)管，具有很高的輸入阻抗，較大的功率增益及熱穩(wěn)定性好，抗輻射能力強(qiáng)，噪聲系數(shù)小的優(yōu)點(diǎn)［6］。

圖1 晶體管電壓調(diào)節(jié)器工作原理

圖2 自激磁控制電路原理

3．1 采樣比較電路

汽車調(diào)節(jié)器的功能是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，將其控制在某一值附近(14 V左右，一般為13．8～14．6 V)，其控制基礎(chǔ)是采樣比較電路。采樣比較電路的功能是將來自基準(zhǔn)電壓源的基準(zhǔn)電壓和發(fā)電機(jī)的取樣電壓進(jìn)行比較。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓低于14 V時(shí)，勵(lì)磁電流調(diào)整管正常工作，流過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流迅速上升，發(fā)電機(jī)輸出電壓也迅速升高。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓高于14 V時(shí)，勵(lì)磁電流調(diào)整管處于截止?fàn)顟B(tài)，流過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流迅速下降，發(fā)電機(jī)輸出電壓也隨之下降。電子調(diào)節(jié)器的電壓取樣方式有2種，即取樣發(fā)電機(jī)的輸出電壓和取樣蓄電池的電壓，在分離器件調(diào)節(jié)器中大多采用雙取樣法。電阻R1和R2組成分壓電路，與Q1組成一節(jié)能電路，在發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作時(shí)，可切斷調(diào)節(jié)器與蓄電池之間的電路，減少電能消耗，A為采樣點(diǎn)，為Q1提供電壓信號(hào)［7］。

圖3 過載保護(hù)電路原理

3．2 過載保護(hù)電路

為了防止損壞調(diào)整管，本電路可另設(shè)過載保護(hù)電路(圖3)。當(dāng)電子電壓調(diào)節(jié)器過載或輸出短路時(shí)，限流保護(hù)機(jī)制將輸出電流限定在最大值，此時(shí)調(diào)整管損失的功耗很大。而截流保護(hù)機(jī)制在降低輸出電壓的同時(shí)也降低了輸出電流，因而減小了系統(tǒng)損失的功耗。使用一個(gè)PMOS管M1與調(diào)整管M0進(jìn)行鏡像，當(dāng)流過M0的電流增大時(shí)，M1的電流也增大，流過R2的電流增大，當(dāng)調(diào)整管的電流達(dá)到最大電流時(shí)，加載到R2的電壓等于基準(zhǔn)電壓Vref，當(dāng)流過調(diào)整管的電流繼續(xù)增大時(shí)，比較器的輸出反相，M2導(dǎo)通，輸出到調(diào)整管的柵極電壓為高電平，使調(diào)整管截止，以達(dá)到保護(hù)調(diào)整管的作用［8］。

3．3 過熱保護(hù)電路

調(diào)整管是發(fā)熱元件，當(dāng)電路工作時(shí)，調(diào)整管將因消耗功率而發(fā)熱，使集成電壓調(diào)節(jié)器基片溫度升高，特別是單片型集成電子電壓調(diào)節(jié)器，由于散熱不良且電流過大，溫度會(huì)越升越高，為此過熱保護(hù)電路是必不可少的。

4 試驗(yàn)結(jié)果

新研制的自激磁式電壓調(diào)節(jié)器于2011年7月在秦皇島納川電子有限公司進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)在(23±5)℃，(130±2)℃，(－40±5)℃等3種溫度及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，6 000 r/min條件下隨機(jī)選取5個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行了轉(zhuǎn)速特性試驗(yàn)和負(fù)載特性試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 自激磁式電壓調(diào)節(jié)器實(shí)驗(yàn)結(jié)果 V

由測(cè)試結(jié)果可以看出，在不同溫度條件和轉(zhuǎn)速情況下，經(jīng)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后輸出電壓均在16 V以下變化，且變化幅度較小。其轉(zhuǎn)速特性ΔU≤0．2 V，負(fù)載特性ΔU′≤0．5 V，溫度系數(shù)為－3．5 mV/℃，建壓轉(zhuǎn)速935 r·min－1，導(dǎo)通壓降為0．30 V，滿足調(diào)節(jié)器技術(shù)指標(biāo)要求。

5 結(jié) 論

基于自激磁式車用交流發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器，輸出電壓精度達(dá)到預(yù)想的目標(biāo)，滿足技術(shù)指標(biāo)要求，其穩(wěn)壓性能已經(jīng)超過了許多同類電壓調(diào)節(jié)器。不僅體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格低廉而且具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好、調(diào)壓精度高的特點(diǎn)。

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