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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Stabilizzatore di tensione con compensazione termica. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Protettori di sovratensione Lo stabilizzatore di tensione è uno dei componenti più importanti dell'impianto elettrico di un'auto moderna. Per questo motivo, sulle pagine della rivista Radio sono apparsi più volte articoli dedicati alla progettazione e al funzionamento dell'unità. Eppure, a quanto pare, è troppo presto per porre fine a questo argomento... I progetti di stabilizzatori di maggior successo pubblicati su Radio, ad esempio, [1; 2], consentono di mantenere la carica ottimale della batteria a diverse temperature. L'articolo [3] descrive uno stabilizzatore di tensione con controllo dell'ampiezza dell'impulso, che differisce da quelli simili per la sua frequenza operativa costante. Oltre agli ovvi vantaggi di questi dispositivi, presentano anche uno svantaggio significativo: una potenza significativa delle proprie perdite. Nella versione dello stabilizzatore che propongo, le perdite di potenza sono ridotte di tre volte, eliminando il problema della rimozione del calore dagli elementi di uscita del dispositivo. Per garantire la massima compensazione termica, il sensore di temperatura è immerso direttamente nella soluzione elettrolitica della batteria. Lo stabilizzatore ha un design più semplice, ma ha una migliore stabilizzazione della tensione. È noto che nei modelli di auto VAZ “classici”, a causa della distanza relativa dello stabilizzatore 121.3702 dal generatore e dalla batteria, non è possibile monitorare con precisione la tensione ai terminali della batteria a causa di una caduta di tensione sui cavi di collegamento e contatti del connettore. Per questo motivo, la stabilizzazione è molto condizionata. Come hanno dimostrato le misurazioni, l'instabilità anche in un'auto nuova può raggiungere diverse centinaia di millivolt. Lo stabilizzatore portato all'attenzione dei lettori è destinato all'installazione al posto del nodo 121.3702 e presenta le seguenti principali caratteristiche tecniche:
Nello sviluppo dello stabilizzatore sono state prese in considerazione le idee proposte in [1-3], nonché l'esperienza di utilizzo del veicolo in varie condizioni meteorologiche. Lo schema schematico del dispositivo è mostrato in Fig. 1. Funzionalmente, è composto da due parti: misurazione A1 e regolazione A2. La scheda con la parte di misurazione è montata vicino alla batteria e la scheda con la parte di regolazione è montata al posto del precedente stabilizzatore.
Quando i contatti SA1 sono chiusi, l'interruttore elettronico si apre, il cui ruolo è svolto dal transistor ad effetto di campo VT1, e collega i sensori di tensione e temperatura, formando un elemento di misura a ponte, alla batteria GB1. Il sensore di tensione è un partitore resistivo R5R6 e il sensore di temperatura è un circuito in serie di diodi VD1-VD4. Il segnale prelevato dalla diagonale del ponte viene inviato all'ingresso dell'amplificatore differenziale. Il segnale amplificato viene convertito in una sequenza di impulsi con un ciclo di lavoro variabile proporzionale al livello del segnale. La frequenza degli impulsi è determinata da un generatore di tensione a dente di sega ausiliario. Successivamente, il segnale, dopo l'amplificazione corrente, va all'interruttore di uscita. Il collegamento principale dello stabilizzatore è il controller di larghezza di impulso DD1, che comprende l'amplificatore differenziale, il generatore, il convertitore e l'amplificatore di corrente menzionati. L'uso di un interruttore sincrono push-pull, realizzato sui transistor ad effetto di campo VT3-VT5, può ridurre significativamente le perdite di potenza. In un sistema elettrico convenzionale, quando viene inserita l'accensione, la corrente inizia a fluire attraverso l'avvolgimento di eccitazione del generatore e, se l'avvio del motore viene ritardato per un motivo o per l'altro, l'energia viene sprecata per riscaldarlo. Per eliminare questo inconveniente, nello stabilizzatore descritto viene introdotto un dispositivo di bloccaggio, collegato elettricamente al sensore di pressione dell'olio. In altre parole, finché il motore non raggiunge la modalità operativa (e la spia "Assenza pressione olio" è accesa sul quadro strumenti), nessuna corrente fluisce nell'avvolgimento di campo. Nello stato iniziale, i contatti dell'interruttore di accensione SA1 sono aperti e i contatti del sensore di pressione dell'olio SF1 sono chiusi. L'interruttore VT1 è chiuso. Quando l'accensione è inserita, i transistor VT2 e VT1 si aprono, la tensione dalla batteria GB1 viene fornita ai sensori di tensione e temperatura. L'uso di un transistor ad effetto di campo con un canale indotto per un interruttore è dovuto, in primo luogo, alla semplicità del controllo di apertura e chiusura, in secondo luogo, all'assenza di tensione residua caratteristica dei transistor bipolari e, in terzo luogo, alla bassa resistenza di il canale aperto. Contemporaneamente si accende la spia HL1 sul cruscotto del veicolo, indicando la mancanza di pressione dell'olio. La corrente determinata dal resistore R7 non scorre ancora attraverso i diodi VD1-VD4, poiché è chiusa tramite il diodo interno del controller DD1, collegato tra i pin 1 e 2, e i contatti chiusi SF1 al filo comune. Una descrizione del principio di funzionamento del controller K1156EU1 e dei suoi parametri elettrici è stata omessa qui, ma può essere trovata in [4; 5], poiché è un analogo del noto controller uA78S40 di Motorola. Poiché la tensione sull'ingresso non invertente (pin 6) dell'amplificatore operazionale interno del chip DD1, collegato da un amplificatore differenziale, è maggiore che sull'ingresso invertente (pin 7), alla sua uscita è presente un livello alto OAout (pin 4). Una tensione di polarizzazione pari alla metà della tensione di alimentazione viene applicata all'ingresso non invertente del CMR (pin 9) del comparatore dal divisore R12R13 e poiché l'ingresso invertente (pin 10) è alto, la tensione all'uscita di il comparatore è prossimo allo zero. La logica del controller è tale che se l'uscita del comparatore è bassa, è vietata l'accensione del transistor di uscita interno dell'amplificatore di corrente. Questo amplificatore ha un'uscita sbilanciata e per il corretto funzionamento del commutatore sincrono è richiesto il controllo della parafase. A tale scopo, nello stabilizzatore viene introdotto un invertitore di fase basato su un transistor ad effetto di campo VT3. Il partitore di tensione R15-R17 garantisce che l'apertura dei transistor VT3, VT5 e VT4 sia chiusa, poiché la caduta di tensione sul resistore R19 non supera la tensione di interruzione. Il condensatore di aumento di tensione C3 viene caricato con corrente attraverso il diodo VD5 e il transistor VT5 alla tensione di alimentazione. Dopo aver avviato il motore, i contatti SF1 del sensore di pressione dell'olio si aprono e la spia HL1 si spegne. La corrente attraverso il diodo interno del controller DD1 (pin 1 e 2) viene interrotta e inizia a fluire attraverso il sensore di temperatura VD1 - VD4, su di esso viene stabilita una tensione proporzionale alla temperatura dell'elettrolito. Da questo momento, la tensione sulla diagonale del ponte di misura cambia segno, per cui la tensione all'uscita OAout del controller diventa inferiore alla metà della tensione di alimentazione, il comparatore passa allo stato di alto livello e l'amplificatore di corrente viene acceso. Di conseguenza, i transistor VT3 e VT5 si chiudono e la chiusura del transistor VT5 avviene ad un ritmo accelerato grazie al diodo VD6. La tensione dal condensatore carico C3 attraverso il resistore R18 viene fornita al gate del transistor VT4 nella polarità di apertura, che porta alla sua apertura. Infatti, la tensione di gate del transistor VT4 in regime stazionario è circa pari al doppio della tensione di alimentazione. In questo stato il transistor rimane acceso per un tempo t, determinato dalla capacità del condensatore C2 [4; 5]: ton = 25·103 C2, dove ton è in microsecondi, C2 è in microfarad. Per un funzionamento affidabile del transistor VT4, è necessario che la costante di tempo del circuito di scarica tdisp3 del condensatore C3 soddisfi la condizione: tdisp3 = (R18 + R19)-C3 >> ton Va notato che questo condensatore viene ricaricato in modalità operativa attraverso il carico (avvolgimento di eccitazione). Il rapporto tra tempo di apertura e chiusura sull'uscita del controller è limitato internamente a circa 9:1. Pertanto, dopo un certo tempo, l'amplificatore di corrente si chiude e il transistor VT3 si apre. Il transistor VT4 si spegne e VT5 si accende. Questo completa il ciclo di commutazione (periodo). La durata degli stati aperto e chiuso dei transistor VT4 e VT5 è selezionata in modo tale che la corrente passante sia minima. Poiché durante un periodo di commutazione la corrente nell'avvolgimento di eccitazione del generatore non raggiunge il valore richiesto, il controller funziona con il ciclo di lavoro specificato per diversi cicli. La corrente nell'avvolgimento e la tensione ai capi della batteria aumentano. Non appena la tensione nella diagonale di misura del ponte si avvicina allo zero, il controllore, modificando il ciclo di lavoro, manterrà questo stato. In realtà, tenendo conto dell'inerzia del sistema (induttanza dell'avvolgimento di eccitazione, ecc.) e dello sfasamento, la forma della tensione di carica ha forma trapezoidale. Nella fig. 2 vengono presentati per confrontare la famiglia di caratteristiche di autoperdita dello stabilizzatore industriale automobilistico 121.3702 e quelle sopra descritte. I grafici mostrano che per uno stabilizzatore con controllo PSI, la perdita di potenza Ppot è inferiore e costante in tutto l'intervallo di variazioni del carico Pn e della velocità dell'albero motore N. Di conseguenza, la sua efficienza è maggiore. Il guadagno di energia rispetto a [1; 2]. Tutto quanto sopra conferma la fattibilità dell'utilizzo di un interruttore sincrono utilizzando transistor ad effetto di campo.
Il dispositivo utilizza resistori di precisione R5-R11 C2-29V, C2-14, ecc. con un TCR non peggiore di ±200-10-6 °C-1. È consentito utilizzare un resistore di sintonia SP5-6V o simile al posto di R5 e R1; i restanti resistori sono per uso generale. Condensatori C1, C3 - K50-35, C2 - K73-17. Induttanza L1 - DM0.1 induttanza "! 60 μH. Il transistor ad effetto di campo BS250 può essere sostituito da qualsiasi altro transistor a canale P con gate isolato e resistenza a canale aperto non superiore a 10 Ohm. Invece del BSS91, è adatto qualsiasi transistor ad effetto di campo a canale n di media potenza con gate isolato e resistenza del canale non superiore a 20 Ohm. I potenti transistor a canale n VT4, VT5 devono avere una resistenza di canale non superiore a 0,03 Ohm e una tensione operativa gate-source di almeno 20 V. È più conveniente utilizzare transistor in pacchetti DPAK (TO-252) di piccole dimensioni , ad esempio, MTD3302 di Motorola. I diodi KD102A possono essere sostituiti con KD103 con qualsiasi indice di lettere. Al posto del K1156EU1 è adatto il controller KR1156EU1 se non si intende utilizzare l'auto a temperature inferiori a -15 °C. Strutturalmente le parti di misura e controllo sono assemblate su due schede elettroniche, i collegamenti sono realizzati con filo MGTF 0,07. Per i circuiti con corrente elevata, viene utilizzato un cavo di montaggio con una sezione trasversale di almeno 0,75 mm2. Le schede sono collegate tra loro tramite un cavo flessibile a due fili RVSHE1 in treccia schermata; i fili sono attorcigliati in una corda. Lo stesso cavo, ma senza treccia, viene utilizzato per collegare la parte di misurazione alla batteria. Il pannello di misurazione deve essere collocato in un'apposita scatola metallica. La struttura del sensore di temperatura generalmente non differisce da quella descritta in [2]. La lampadina con diodi è costituita da una guaina del cavo in polietilene. I diodi sono immersi nella pasta termoconduttiva KPT-8 per un migliore trasferimento del calore dalle pareti verso l'interno ai diodi. Un tubo di polietilene di diametro inferiore è posizionato saldamente sui conduttori (doppino intrecciato). Utilizzando un saldatore riscaldato alla temperatura di fusione del polietilene, saldare preventivamente il fondo del pallone. Infine saldare la giunzione tra lampadina e tubo del cavo. La tenuta delle cuciture deve essere elevata, poiché durante il funzionamento il pallone verrà immerso nell'elettrolito della batteria. Per configurare uno stabilizzatore di tensione è necessaria una sorgente CC con una tensione di uscita regolabile da 10 a 15 V con una corrente di carico fino a 3 A, un voltmetro CC con una classe di precisione di almeno 0,1 e un resistore di carico con una resistenza di 5 Ohm. In parallelo alla sorgente deve essere collegato un condensatore all'ossido con una capacità di almeno 10000 μF. Temporaneamente, il resistore R6 viene sostituito con uno variabile avente una resistenza di 3 kOhm e il pin 1 del controller è collegato al filo comune. Innanzitutto, dalla fonte di alimentazione viene fornita una tensione di 15 V e viene controllata la corrente consumata dal dispositivo: non deve superare i 50 mA. La connessione temporanea del pin 1 con il filo comune viene aperta e la tensione di alimentazione viene ridotta a 13,6 V. Utilizzando un resistore variabile R6, sulle uscite DC e SC del controller appare una sequenza di impulsi e una sequenza di impulsi invertita con ampiezza all'uscita dello stabilizzatore appare uguale alla tensione di alimentazione. Il transistor VT4 non dovrebbe surriscaldarsi. Lo stabilizzatore viene finalmente regolato dopo averlo installato sull'auto. Il sensore di temperatura è immerso in una soluzione elettrolitica attraverso un foro nel tappo di uno dei contenitori della batteria centrale. Collegare tutti i circuiti secondo lo schema, inserire l'accensione e assicurarsi che non ci sia tensione all'uscita dello stabilizzatore. Avviare il motore e, al minimo, con le utenze spente, impostare la tensione di carica sulla batteria utilizzando il resistore variabile R6 secondo le raccomandazioni [1]. Se l'auto non è stata utilizzata per un lungo periodo, la temperatura dell'aria ambiente e quella dell'elettrolito possono essere considerate uguali. Dopo aver impostato la tensione, il resistore variabile R6 viene sostituito con uno costante. Modificando la velocità del motore e il carico del generatore, viene controllata l'instabilità della tensione di carica; non dovrebbe essere inferiore a ±0,02 V. Quando si guida in condizioni invernali, a volte potrebbe essere necessario chiarire il valore del resistore R7. Va ricordato che dopo aver regolato la resistenza R7 è necessario selezionare nuovamente R6. Per un funzionamento efficace dello stabilizzatore e per prolungare la durata della batteria, è auspicabile, in primo luogo, equalizzare la densità dell'elettrolito in tutti i banchi a ±0,01 g/cm3 e la densità dovrebbe corrispondere alla zona climatica [6] , e in secondo luogo, pulire periodicamente il coperchio della batteria con una soluzione acquosa debole di ammoniaca (10%) per evitare perdite di corrente dovute a contaminanti; in terzo luogo, coprire il perimetro della custodia della batteria, se è nero, con un foglio di alluminio (ad esempio, Quintol o colla Moment) - questo abbasserà la temperatura dell'elettrolito di 5...10 °C, cosa particolarmente importante in estate. Durante i tre anni di funzionamento dello stabilizzatore su un'auto VAZ 2106, non sono stati rilevati commenti sul suo funzionamento, l'elettrolito nella batteria non ha bollito e non è stato necessario aggiungere acqua. Durante l'ispezione annuale della batteria, controllo la densità dell'elettrolito e la tensione di carica. Letteratura
Autore: V. Khromov, Krasnojarsk
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