電子調壓器的設計

1、課程設計范例參考一、設計課題：電子調壓器的設計 二、摘要(略)三、 汽車發(fā)電機調壓器的發(fā)展趨勢、本課題設計的意義、調壓器的作用1、電子調壓器的設計概述汽車發(fā)電機是為車輛提供電能的電器設備，由于交流發(fā)電機的轉子是由發(fā)動機通過皮帶驅動旋轉的，其轉速隨發(fā)動機轉速的變化而變化，而且發(fā)動機和交流發(fā)電機的速比為1.73，因此交流發(fā)電機轉子的轉速變化范圍非常大。而發(fā)電機電動勢的高低與發(fā)電機的轉速及磁極的磁通成正比，因此發(fā)電機的電壓必然隨著轉速的變化而變化，這樣將引起發(fā)電機的輸出電壓發(fā)生較大變化，由于在一定條件下發(fā)電機的輸出功率是定值(P功率I電流U電壓)，當車輛電器負載較小時，發(fā)電機電壓會升高，而車輛電器負

2、載較大時，發(fā)電機電壓會降低。而車用電器設備及蓄電池充電均要求發(fā)電機必須在某一恒定電壓下工作，如12V 系統(tǒng)的工作電壓一般為140.25V，24V系統(tǒng)的工作電壓為280.3V。為了滿足用電設備恒定電壓的要求，使交流發(fā)電機的輸出電壓在發(fā)動機的所有工況下基本保持恒定，交流發(fā)電機必須配用電壓調節(jié)器才能工作，這就產生了調節(jié)和控制電壓的裝置電壓調節(jié)器。2、調壓器的作用電壓調節(jié)器是把發(fā)電機輸出電壓控制在規(guī)定范圍內的裝置，其功用是在發(fā)電機轉速變化時，自動控制發(fā)電機電壓保持恒定，使其不因發(fā)電機轉速高時電壓過高燒壞用電器和導致蓄電池過充電；也不會因發(fā)電機轉速低而電壓不足導致用電器工作失常。電壓調節(jié)器主要是利用改變

3、流過轉子的激磁電流通斷，進而調節(jié)轉子磁場的大小進行工作的。當發(fā)電機產生的電壓低于調節(jié)電壓，調節(jié)器不起作用。當發(fā)電機輸出電壓超過調節(jié)電壓預設值時，勵磁電流被調節(jié)器斷開。這時發(fā)電機電壓下降，當降到下限電壓額定值時，調節(jié)器重新接通勵磁電流，電壓再次逐漸升高，調節(jié)器開始新一輪調節(jié)循環(huán)。3、汽車發(fā)電機調壓器的發(fā)展趨勢汽車發(fā)電機電壓調節(jié)器隨著汽車交流發(fā)電機的廣泛使用，在發(fā)電機中起輸出電壓調節(jié)作用的調節(jié)器也得到不斷發(fā)展，它是發(fā)電機的一個關鍵部件，也是技術含量較高和技術更新?lián)Q代較快的零部件。自上世紀50年代交流發(fā)電機問世以來，隨著技術的進步發(fā)展和車輛使用要求的提高，調節(jié)器大致經歷了以下4個發(fā)展階段。第一階段：

4、電磁式電壓調節(jié)器，即機械式調節(jié)器。這種調節(jié)器有觸點、鐵心、支架、彈簧等機械部分，利用觸點的不斷振動，通過觸點的開閉時間，來控制發(fā)電機的激磁電流，使發(fā)電機的輸出電壓得到穩(wěn)定。但其結構復雜、體積大、質量重、故障多、可靠性差、壽命短；電壓調節(jié)精度低，其控制范圍一般在1V左右，甚至還要更大。而且其觸點振動時會產生火花，造成觸點燒蝕，無線電干擾大，現(xiàn)在基本已被淘汰。第二階段：分立元件調節(jié)器。20世紀60年代以來，隨著半導體技術的發(fā)展，開始采用分立元件的晶體管電壓調節(jié)器。該類調節(jié)器利用串聯(lián)在發(fā)電機激磁電路中的大功率三極管的導通與截止來控制激磁電路的通和斷，調節(jié)激磁電流的大小，使發(fā)電機的輸出電壓穩(wěn)定在規(guī)定值

5、范圍之內。分立元件調節(jié)器將全部的電子元件焊接在印制的電路板上，并固定在調節(jié)器殼體內，然后用硅膠灌封。相對電磁式調節(jié)器而言，其電壓調節(jié)精度高，一般控制在0.30.5V之間；結構簡單，體積小，沒有無線電干擾，成本更低。因此，分立元件調節(jié)器在當時被廣泛應用，目前國內仍有發(fā)電機廠家在采用。但是受專業(yè)焊接、電器件篩選設備的水平、電器件本身穩(wěn)定性的限制，分立元件調節(jié)器一致性差、抗反向電壓能力差、抗振性差、調節(jié)器容易失控，只適合當時車用電器較少且要求不高的狀況。因此隨著性能更加優(yōu)異的集成電路的出現(xiàn)，其正逐漸退出歷史舞臺。第三階段：半導體集成電路調節(jié)器。20世紀70年代以來，隨著半導體技術的進一步發(fā)展，半導體

6、集成電路調節(jié)器得到了廣泛的應用和發(fā)展。該類調節(jié)器也是利用晶體管組成開關電路，以控制激磁電流通斷時間來調節(jié)發(fā)電機的輸出電壓。但是，所有晶體管都不再用外殼，而是把二極管、三極管的管芯集成在一塊硅基片上。這就實現(xiàn)了調節(jié)器的小型化，可以將其裝在發(fā)電機內部，減少了外接線，縮小了整個充電系統(tǒng)的體積。另外其調節(jié)精度高，在轉速和負載變化時，電壓波動范圍一般不大于0.3V；成本較低，抗振性好。但是隨著車輛用電器的增加，客戶希望進一步提高調節(jié)器的可靠性，并能實現(xiàn)更多的功能，如：報警、自保護等，因此出現(xiàn)了混合集成電路調節(jié)器(有人稱之為第四階段)。第四階段：混合集成電路調節(jié)器。這種調節(jié)器是把專用的集成電路芯片與相關的

7、電阻、電容、配線等元件做在絕緣膜上，在其外部采用統(tǒng)一的封裝形式，做成一個模塊化的單元，然后再將此模塊與三極管、二極管等集成在基片上。根據(jù)絕緣膜的厚度，可分為薄膜混合集成電路和厚膜混合集成電路?；旌霞呻娐氛{節(jié)器調節(jié)精度更高、絕緣性能好，減少了外部溫度、濕度對其的影響、壽命更長，更能適應外部環(huán)境的變化。 國內目前市場上主導產品為第三代和第四代調節(jié)器，但因車型不同仍有所差別。國內轎車已全部采用引進技術的發(fā)電機即全部采用第四代調節(jié)器；低檔卡車和農用車為降低成本，大部分采用第二代調節(jié)器；中高檔卡車使用的調節(jié)器參差不齊，第二代、第三代和第四代調節(jié)器均有使用；客車由于用電器較多，其大功率發(fā)電機基本上采用穩(wěn)

8、定性更高的第四代調節(jié)器。而真正的第四代集成電路調節(jié)器制造工藝非常嚴格并且達到規(guī)?；a才能降低成本，只有具備相當專業(yè)技術水平、設備水平和規(guī)?；膶I(yè)廠家才能生產。但基本原理不變,與分立元件調節(jié)器相同。四、調研的資料介紹本人為更好地設計電子調壓器,查找了巳有的電子調壓器如下圖1、2、3、5所示。并了解其原理如下： 圖1五十鈴汽車晶體管調節(jié)器(1)五十鈴汽車工作原理如下： l)當接通點火開關S時，蓄電池電流經R4，進入調節(jié)器，由于R6、Rv、R7組成的分壓器在R6與部分Rv上的分壓不足以使VW擊穿，故V2截止，V1導通，發(fā)電機獲得激磁電流，其回路為: 蓄電池正極點火開關SR4V1發(fā)射極V1集電極激

9、磁繞組搭鐵蓄電池負極此時回路申串人了R4其激磁電流約為0.4A。由于發(fā)電機末工作其中性點N無電壓。繼電器K保持常態(tài),電源經R4、R5加到V3的be結。使V3導通，充電指示燈亮。2)當發(fā)電機電壓低于充電電壓時。中性點N的電壓不足以使繼電器K動作，調節(jié)器的工作狀態(tài)與上述相同。3)當發(fā)電機電壓高于充電電壓。但低于調節(jié)電壓時。發(fā)電機中性點N的電壓大于9V。磁場及充電指示繼電器動作 (常開觸點閉合、常閉觸點打開)。其激磁電路為：蓄電池正極點火開關SV1發(fā)射極V1集電極激磁繞組搭鐵蓄電池負極此時R4被短路。發(fā)電機進入證常激磁狀態(tài)。其激磁電流在2A左右。由于K的常閉觸點打開，V3因無基流而截止，充電指示燈滅

10、。 4）當發(fā)電機因其轉速升高或負荷減少使輸出電壓高于調節(jié)電壓(28v，時，Vw被擊穿，V2獲基流而導通，將V1的基極與發(fā)射極短接，使V2截止，激磁電流被切斷，發(fā)電機電壓迅速下降。當發(fā)電機電壓降到一定值時，Vw又截止，V2隨之截止，V1又導通，發(fā)電機重新獲得激磁電流，輸出電壓再次升高。如此往復，保持發(fā)電機輸出電壓恒定。圖2工作原理如下所示為PI一2型晶體管調節(jié)器原理圖，該調節(jié)器電壓調節(jié)部分主要由V1、V2、V3、V4和Vw組成。該調節(jié)器具有充電指示燈H電路外，還有如下特點:采用了兩只NPN型三極管與穩(wěn)壓管Vw串聯(lián)有二極管V6，用以對Vw進行溫度補償;裝有正反饋電阻R9，以加速晶體管工作狀況的轉換

11、過程；電容器C1用以降低開關的頻率，提高晶體管工作的穩(wěn)定性。由于這些特點，使PH一2的性能大大改進。圖2 PI一2型晶體管調節(jié)器原理圖當發(fā)電機電壓低于調節(jié)電壓時，Vw不被擊穿，V1無基極電流而截止，V2基極處于高電位，V2導通，從而使V3導通，發(fā)電機的激磁回路被接通。同時、由于V3導通，其集電極電壓很高，該電壓通過R10加到V5的基極，使V5導通。V4也通過R13導通，接通指示燈電路，充電指示燈亮。 當發(fā)電機電壓高于調節(jié)電壓時，Vw被擊穿，V1有基流而導通，使V2的基極為低電位而截止，V3也截止。V3截止后其集電極為負電位，從而V5無基流而截止，V4也截止，充電指示燈的電路被切斷，指示燈熄滅。

12、當調節(jié)器進入正常調節(jié)狀態(tài)時，V3的截止與導通不斷轉換，其基極上是幅值約為l4V的矩形交變電壓，該電壓經R11、C4加到由二極管V9、V1組成的整流器上，使正半波通過V9負半波流過V10并使電容器C5充電。來自C5的負電壓經V11 、V12限制在1516V左右，加到V5基極，使V5截止，故V4也截止，充電指示燈滅。因此當發(fā)電機電壓高于調節(jié)電壓后，充電指示燈滅，指示發(fā)電機已在充電。(2) 圖3工作原理如下所示為日本電裝公司有過電壓保護電路的調節(jié)器原理圖。圖中Vw，、R和V2組成過電壓保護電路，這種保護電路很容易與調節(jié)器作成一體，使結構簡化、不需要單獨接線。當電系工作正常時，過電壓檢測穩(wěn)庇管Vw，與

13、過電壓保護三極管 V2均不起作用，故無功耗。當電系產生不過電壓時。Vw，被擊穿導通，從而使V2也導通，使V1、V1截止，激磁電流被切斷，發(fā)電機輸出電壓迅速下降。過電壓消失后，Vw，截止，V2也截止，調節(jié)器恢復五常工作。圖3 日本電裝公司有過電壓保護電路的調節(jié)器原理圖(3) 五十鈴車用集成電路調節(jié)器工作原理如下 該調節(jié)器的工作原理如圖4所示。圖4五十鈴車用集成電路調節(jié)器當接通點火開關時。調節(jié)器激磁回路中串入了R，激磁電流小;L端的電壓是限流電阻R與磁場繞組電阻RL的分壓；充電繼電器不動作，充電指示燈亮。發(fā)電機發(fā)電后。當L端的電壓大于充電器的工作電壓時。繼電器動作，充電指示燈電路被切斷而熄滅，表示

14、發(fā)電饑已向或可向蓄電池充電，同時激磁電流增大。當發(fā)電機輸出電壓高于調節(jié)電壓時，調節(jié)器切斷激磁電流，使輸出電壓降低。在這一調節(jié)過程中，功率管V1總是工作在開關狀態(tài)。該調節(jié)器的B端是充電系統(tǒng)故障報警端。l2V電系的安全充電電壓一般不超過17V，若充電系統(tǒng)發(fā)生故障，發(fā)電機的電壓可能超過安全電壓。當B端檢測到一一個高于l7V的故障電壓后。能迅速切斷激磁回路，使發(fā)電機輸出電壓降低；同時充電繼電器的報警系統(tǒng)發(fā)出報警信號，以便及時發(fā)現(xiàn)故障進行維修。 調節(jié)器的S端是調節(jié)電壓自檢端。S端直接與蓄電池正端相連，以檢測蓄電池端的發(fā)電機輸出電壓。當調節(jié)器L端出現(xiàn)故障時，S端具有與B端一樣的功能。利用S端檢測調節(jié)器是否

15、有故障的功能。(5)匈牙利卻貝爾D一750型卡車晶體管調節(jié)器工作原理如下如圖5所示。該調節(jié)器采用了兩只PNP型管和兩只NPN型管，開關電路由復合管V1、V2組成。C1是濾波電容器，可使調節(jié)器的電壓變得比較平滑。Vs為續(xù)流二極管，用于消除發(fā)電機自感電勢對晶體管的沖擊，以保護V3、V4。調節(jié)器的D接線柱并不直接搭鐵，而是同時與發(fā)電機的激磁二極管V6、V7、V8和充電指示燈相連。 其工作過程如下： 接通開關S時，由于R2與R3并聯(lián)阻值小于R7，V1無基極電流而截止，V2產生基極偏流而導通，V3、V4也隨之導通，為發(fā)電機提供了激磁電流，其回路為： 蓄電池正極開關S電流表A接線柱十激磁繞組V4的集電極V

16、4的發(fā)射極接線柱D充電指示燈搭鐵至蓄電池負極。此時激磁電流流經充電指示燈，指示燈亮，激磁電流較小。當發(fā)電機運轉發(fā)電后，采用星形接法的發(fā)電機定子三相繞組A、B、C總有一相呈現(xiàn)低電位，即負極，調節(jié)器接線柱D由通過充電指示燈搭鐵變?yōu)橥ㄟ^二極管V6、V7、V8到發(fā)電機A、B、C三相繞組形成回路。此時充電指示燈無電流流過而熄滅，激磁電流也因而增大。 當發(fā)電機的電壓達到調節(jié)值時，隱壓管2CW被擊穿通導，使V1發(fā)射極電位高于基極電位而導通。V1導通后又導致V2發(fā)射極電位低于基極電位而截止，V3、V4隨之截止。發(fā)電機激磁電流被切斷,發(fā)電機電壓下降。當發(fā)電機電壓降到低于調節(jié)值時，2CW又截止，V1又截止，V2、

17、V3、V4重新導通，激磁回路再次接通。如此往復，使發(fā)電機輸出電壓穩(wěn)定。 圖5 D一750型卡車晶體管調節(jié)器原理圖 五、電子調壓器的設計設計電子調壓要求：電壓調節(jié)在14V至13.5V、勵磁電流小于等于5A。1、首先選取電路圖,例如本人設計電子調壓器如下圖6所示中心線框圖內部分;圖6的電子調壓器工作原理如下： 圖6 電子調壓器圖 (1)接通點火開關S且發(fā)電機運轉，當其電壓低于蓄電池電壓時，蓄電池電壓加在分壓器R1、R2上，R2上的分壓低于Vs1的擊穿電壓，VT1截止。蓄電池電壓經R5加在VD2、R7上，電阻R7使VT2獲得正向偏壓而導通；VT2導通后。偏流電阻R8使VT3獲得正向偏壓而導通，接通磁

18、場電路。其電流回路為：蓄電池正極一點火開關S一發(fā)電機接線柱F1（磁場繞組）與調節(jié)器“F”接線柱一VT3一調節(jié)器“E”接線柱一蓄電池負極。發(fā)電機電壓隨轉速的升高而升高。 (2)當發(fā)電機電壓達到限額電壓時，電阻R1、R2的分壓加在VD1、Vs1、R6上，使Vs1擊穿導通，VTl隨之導通并飽和，VTl集電極對地的電壓幾乎為零(0.3V)，使VT2失去正向偏壓而截止，VT2的截止，又使VT3截止。磁場電流得不到補充，發(fā)電機電壓下降。當發(fā)電機電壓稍低于限額值時，Vs1截止，VTl截止，VT2、VT3管獲正向偏壓而導通，磁場繞組中又有電流通過，發(fā)電機電壓又上升。VTl三極管與VT2、VT3三極管交替導通、

19、截止，使發(fā)電機電壓限定在調節(jié)電壓范圍內。2輔助元件的作用 輔助元件用來保護調節(jié)器和改善調節(jié)器的性能。(1)電阻R3為調整電阻。通過調整其阻值的大小可以調整調節(jié)器限額電壓的高低。R3的阻值增大，限額電壓升高，反之限額電壓降低。(2)VD3為續(xù)流二極管。在三極管V3截止瞬間，磁場繞組產生的自感電動勢經VD3構成回路放電，保護V3管不被擊穿。VD1為溫度補償二極管。它與穩(wěn)壓管反向串聯(lián)，其溫度系數(shù)為負值，工作溫度升高，管壓降降低，反之管壓降升高。穩(wěn)壓管的溫度系數(shù)為正值，當溫度變化時，起補償作用，使調節(jié)器性能穩(wěn)定。VD2為分壓二極管。當VTl導通時，使VT2、VT3可靠截止，減小VTl溫度變化時對VT2

20、、VT3的影響。VS2為穩(wěn)壓二極管。并聯(lián)在發(fā)電機兩端，起過壓保護作用。(3)R4稱為正反饋電阻。其作用是提高VT3的開關速度，減小三極管的耗散功率，延長調節(jié)器的使用壽命。(4) 電容器C1、C2稱為降頻電容。并聯(lián)在分壓電阻R1兩端利用其兩端電壓不能突變的特性來降低VTl的開關頻率減小VT1的開關次數(shù)從而減小耗散功率，延長調節(jié)器的使用壽命。電子調壓器的各個元器件根據(jù)電路工作原理的分析后進行計算選取。電子調壓要求：電壓調節(jié)小于14V，勵磁電流5A。3、 電路中元件的選取根據(jù)巳知條件,由后往前推。（1）當VT1截止，VT2、VT3導通 ，即。根據(jù)電流大小選擇VT3為3DD65A（低頻大功率）。各參數(shù)

21、為。取，則主要起保護作用，在VT3關斷時為防止過電壓的產生而設置。當VT2、VT3導通時，從VT2的發(fā)射極出來的電流電流主要是經過VT3的基極，再從VT3發(fā)射極流出，因而要求通過的電流非常小，即遠遠小于V3基極的電流，因此。(2802000范圍均可)故可選，則，可見通過的電流非常小，因此符合條件。則。初選VT2為3DG33。參數(shù)為：。取。則。則?？紤]到放大倍數(shù)，由于主要起保護作用，當VT2、VT3導通時，從二極管VD2流出來的電流主要是經過VT2的基極，再從VT2發(fā)射極流出，而通過的電流非常小，遠遠小于V2基極的電流，R7 172.84，(1.717K范圍均可)不妨取R7=3000所以 電流很

22、小，符合電路的要求。故取，型號為：。因為VT1截止，VT2、VT3所以VT1的集電極電壓為2.1V，所以R5=(14-2.1)/(IR7+IB2)=1400 也可選1KR5上電流IR5有:IR5=(14-2.1)/1400=0.0085A 大于35（2） 當VT1導通，VT2、VT3截止時：IR5=(14-0.3)/1400=0.0098A初選 VT1為小功率三極管 3DG6C。其參數(shù)為所以 符合要求因此V1所選的型號符合條件。初定放大倍數(shù)，取 ，則實際中： ，初選VS1為2CW37-7.5A， 取穩(wěn)壓值為7.1伏。R1與R2間節(jié)點電位設為 U2 U2=0.7+0.7+7.1=8.5V。 又

23、U2=14*R2./R2+R13 求解得取R2=1000則R13=650 取R1=800 R3=3500通過的電流非常小，遠遠小于V1基極的電流，R6 1750，不妨取R6=4000所以 電流很小，符合電路的要求。而為正反饋電阻，其作用是提高V3的開關速度，減小三極管的耗散功率，使得晶體管不易過熱燒壞，延長調節(jié)器的使用壽命，其阻值都比較大，一般為幾十千歐，不妨取=50K。根據(jù)電路的性能要求，結合工作電壓和電容器的選用要求，電容器的選用如下： 選用鋁電解電容，型號為：CD11L，額定電壓，標稱容量 0.1F 。 選用鋁電解電容，型號為：CD11L，額定電壓，標稱容量 0.1F 。二極管的選用：因為故VD1選用2CZ52A。其參數(shù)為：最高