陳立東，王寶良，劉榮昌，石 磊

(河北科技師范學院機電工程學院，河北秦皇島，066600)

汽車發(fā)電機電壓調節(jié)器用于調節(jié)汽車發(fā)電機的輸出電壓，使其不受發(fā)動機轉速變化和發(fā)電機負載變化的影響，保證汽車在行駛過程中發(fā)電機的輸出電壓穩(wěn)定，其性能的好壞，直接影響汽車及其用電設備的工作。目前國內生產的車用交流發(fā)電機電壓調節(jié)器多采用晶體管控制交流發(fā)電機勵磁電流的方法來調節(jié)發(fā)電機輸出電壓［1］，其缺點是:(1)現(xiàn)有的集成電路式或晶體式調節(jié)器已經不適應大功率交流發(fā)電機的匹配要求;(2)工作頻率較低，導致交流發(fā)電機磁場建立較慢，發(fā)電機輸出電壓的穩(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)當發(fā)電機工作在低轉速狀態(tài)，電壓調節(jié)器的工作頻率也相應較低，容易使發(fā)電機輸出電壓出現(xiàn)較大波動，致使汽車部分電器不能正常工作;(4)當發(fā)電機工作在高轉速狀態(tài)，調節(jié)器的工作頻率也相應增高，導致調節(jié)器電路中的大功率三極管發(fā)熱，從而使調節(jié)器使用壽命變短［2］。因此，亟需設計與國內汽車用交流發(fā)電機配套的新型調節(jié)器［3～4］。為此，筆者采用低功耗集成電路和CMOS電子開關控制交流發(fā)電機勵磁工作，以解決傳統(tǒng)交流發(fā)電機電壓調節(jié)器在起動發(fā)動機時需他勵，而在發(fā)動機熄火時造成蓄電池放電的缺點。

1 自激磁式電壓調節(jié)器技術指標

新型低功耗自激磁式電壓調節(jié)器主要是利用CMS電子開關和電壓波動傳感器實現(xiàn)發(fā)電機電壓調節(jié)與控制。其技術指標如表1所示。

表1 自激磁式電壓調節(jié)器技術指標

2 自激磁式電壓調節(jié)器基本工作原理

集成電路晶體管電壓調節(jié)器以晶體管電壓調節(jié)為基礎，利用晶體管作為開關管控制交流發(fā)電機勵磁電流的大小，從而調節(jié)交流發(fā)電機的輸出電壓，傳統(tǒng)的電壓調節(jié)器一般用晶體三極管作為開關管控制勵磁電路的通斷［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)電機勵磁繞組W的電路中，通過設置大功率三極管的導通條件就可以控制流經W的勵磁電流，其特點是三極管的開關頻率高，且不產生火花，調節(jié)精度高，還具有質量輕、體積小、壽命長、可靠性高、電波干擾小等優(yōu)點。

3 自激磁控制電路的設計

自激磁式汽車發(fā)電機電壓調節(jié)器由一個三引腳的通用電壓調節(jié)器和一個自激磁控制電路組成(圖2)。通用電壓調節(jié)器的結構原理見文獻［1］。自激磁控制電路由采樣比較電路、過熱保護電路等組成，其功用是利用采樣比較電路監(jiān)測控制場效應管的工作，使場效應管控制通用電壓調節(jié)器的電源端，避免其與外接電源連接或接充電指示燈，使外部電路復雜，采用本電路可以簡化整體線路、提高工作可靠性。自激磁控制電路的具體結構為電阻R1與穩(wěn)壓管D1串聯(lián)后分別接電源正極和電源負極，并提供一個參考電壓點，電壓比較器IC的同相輸入端接參考電壓點;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;電阻R5和R6串聯(lián)后接電源正極和IC的輸出端，分壓點A接場效應管Q1的柵極，電容器C2接在IC輸出端和電源負極之間，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效應管作為開關管，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，噪聲系數(shù)小的優(yōu)點［6］。

圖1 晶體管電壓調節(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

汽車調節(jié)器的功能是調節(jié)發(fā)電機的輸出電壓，將其控制在某一值附近(14 V左右，一般為13．8～14．6 V)，其控制基礎是采樣比較電路。采樣比較電路的功能是將來自基準電壓源的基準電壓和發(fā)電機的取樣電壓進行比較。當發(fā)電機輸出電壓低于14 V時，勵磁電流調整管正常工作，流過發(fā)電機轉子繞組的勵磁電流迅速上升，發(fā)電機輸出電壓也迅速升高。當發(fā)電機輸出電壓高于14 V時，勵磁電流調整管處于截止狀態(tài)，流過發(fā)電機轉子繞組的勵磁電流迅速下降，發(fā)電機輸出電壓也隨之下降。電子調節(jié)器的電壓取樣方式有2種，即取樣發(fā)電機的輸出電壓和取樣蓄電池的電壓，在分離器件調節(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)動機停止工作時，可切斷調節(jié)器與蓄電池之間的電路，減少電能消耗，A為采樣點，為Q1提供電壓信號［7］。

圖3 過載保護電路原理

3．2 過載保護電路

為了防止損壞調整管，本電路可另設過載保護電路(圖3)。當電子電壓調節(jié)器過載或輸出短路時，限流保護機制將輸出電流限定在最大值，此時調整管損失的功耗很大。而截流保護機制在降低輸出電壓的同時也降低了輸出電流，因而減小了系統(tǒng)損失的功耗。使用一個PMOS管M1與調整管M0進行鏡像，當流過M0的電流增大時，M1的電流也增大，流過R2的電流增大，當調整管的電流達到最大電流時，加載到R2的電壓等于基準電壓Vref，當流過調整管的電流繼續(xù)增大時，比較器的輸出反相，M2導通，輸出到調整管的柵極電壓為高電平，使調整管截止，以達到保護調整管的作用［8］。

3．3 過熱保護電路

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

4 試驗結果

新研制的自激磁式電壓調節(jié)器于2011年7月在秦皇島納川電子有限公司進行了臺架試驗。試驗在(23±5)℃，(130±2)℃，(－40±5)℃等3種溫度及發(fā)電機轉速為2 000 r/min，6 000 r/min條件下隨機選取5個調節(jié)器進行了轉速特性試驗和負載特性試驗，其試驗結果如表2所示。

表2 自激磁式電壓調節(jié)器實驗結果 V

由測試結果可以看出，在不同溫度條件和轉速情況下，經調節(jié)器調節(jié)后輸出電壓均在16 V以下變化，且變化幅度較小。其轉速特性ΔU≤0．2 V，負載特性ΔU′≤0．5 V，溫度系數(shù)為－3．5 mV/℃，建壓轉速935 r·min－1，導通壓降為0．30 V，滿足調節(jié)器技術指標要求。

5 結 論

基于自激磁式車用交流發(fā)電機電壓調節(jié)器，輸出電壓精度達到預想的目標，滿足技術指標要求，其穩(wěn)壓性能已經超過了許多同類電壓調節(jié)器。不僅體積小、質量輕、價格低廉而且具有抗干擾能力強，可靠性好、調壓精度高的特點。

［1］麻友良．汽車電器與電子控制系統(tǒng)［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2010．

［2］孟慶浩．汽車電器設備與維修技術［M］．濟南:山東科學技術出版社，2010．

［3］謝在玉．汽車電源系統(tǒng)及其電壓調節(jié)器的工作原理與電路檢測分析［J］．產業(yè)與科技論壇，2008，7(10):140－142．

［4］黃會平，王寶良．內裝式電壓調節(jié)器結構原理及常見故障分析［J］．汽車電器，2012(7):58－62．

［5］朱正涌．半導體集成電路［M］．北京:清華大學出版社，2001．

［6］張緒光，劉在娥．模擬電子技術［M］．北京:北京大學出版社，2010．

［7］王基石，寧江華，丁召．一種單片式CMOS汽車電子調節(jié)器［J］．現(xiàn)代電子技術，2010，33(9):164－167．

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