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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Spannungsstabilisator mit thermischer Kompensation. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Überspannungsschutz Der Spannungsstabilisator ist eine der wichtigsten Komponenten der elektrischen Ausrüstung eines modernen Autos. Aus diesem Grund erschienen auf den Seiten des Radio-Magazins mehr als einmal Artikel, die sich mit der Konstruktion und dem Betrieb des Geräts befassten. Und doch ist es offenbar noch zu früh, um dieses Thema zu beenden ... Die erfolgreichsten im Radio veröffentlichten Stabilisatorentwürfe sind beispielsweise [1; 2] ermöglichen es Ihnen, bei unterschiedlichen Temperaturen eine optimale Batterieladung aufrechtzuerhalten. Artikel [3] beschreibt einen Spannungsstabilisator mit Pulsweitensteuerung, der sich von ähnlichen durch seine konstante Arbeitsfrequenz unterscheidet. Neben den offensichtlichen Vorteilen dieser Geräte haben sie auch einen erheblichen Nachteil – erhebliche Eigenleistungsverluste. In der von mir vorgeschlagenen Version des Stabilisators werden die Leistungsverluste um das Dreifache reduziert, wodurch das Problem der Wärmeabfuhr von den Ausgangselementen des Geräts beseitigt wird. Um eine maximale thermische Kompensation zu gewährleisten, wird der Temperatursensor direkt in die Elektrolytlösung der Batterie eingetaucht. Der Stabilisator ist einfacher aufgebaut, verfügt aber über eine bessere Spannungsstabilisierung. Es ist bekannt, dass es bei „klassischen“ Modellen von VAZ-Fahrzeugen aufgrund des relativen Abstands des Stabilisators 121.3702 vom Generator und der Batterie aufgrund eines Spannungsabfalls an den Anschlussdrähten nicht möglich ist, die Spannung an den Batterieklemmen genau zu überwachen und Steckerkontakte. Aus diesem Grund ist die Stabilisierung sehr bedingt. Wie Messungen gezeigt haben, kann die Instabilität auch bei einem Neuwagen mehrere hundert Millivolt erreichen. Der den Lesern zur Kenntnis gebrachte Stabilisator ist für den Einbau anstelle des Knotens 121.3702 vorgesehen und weist folgende technische Hauptmerkmale auf:
Bei der Entwicklung des Stabilisators wurden die in [1-3] vorgeschlagenen Ideen sowie die Erfahrungen aus dem Betrieb eines Fahrzeugs unter verschiedenen Wetterbedingungen berücksichtigt. Das schematische Diagramm des Geräts ist in Abb. dargestellt. 1. Funktionell besteht es aus zwei Teilen – dem Messen von A1 und dem Regeln von A2. Die Platine mit dem Messteil wird in der Nähe der Batterie montiert und die Platine mit dem Regelteil wird anstelle des vorherigen Stabilisators montiert.
Beim Schließen der Kontakte SA1 öffnet sich der elektronische Schalter, dessen Rolle der Feldeffekttransistor VT1 übernimmt, und verbindet Spannungs- und Temperatursensoren als Brückenmesselement mit der Batterie GB1. Der Spannungssensor ist ein Widerstandsteiler R5R6 und der Temperatursensor ist eine Reihenschaltung der Dioden VD1-VD4. Das von der Brückendiagonale entnommene Signal wird dem Eingang des Differenzverstärkers zugeführt. Das verstärkte Signal wird in eine Impulsfolge mit variablem Tastverhältnis proportional zum Signalpegel umgewandelt. Die Pulsfrequenz wird durch einen Sägezahn-Hilfsspannungsgenerator bestimmt. Anschließend gelangt das Signal nach der Stromverstärkung zum Ausgangsschalter. Das Hauptglied des Stabilisators ist der Pulsweitenregler DD1, der den genannten Differenzverstärker, Generator, Wandler und Stromverstärker umfasst. Durch die Verwendung eines Push-Pull-Synchronschalters, der auf den Feldeffekttransistoren VT3-VT5 basiert, können Leistungsverluste erheblich reduziert werden. In einem herkömmlichen elektrischen System beginnt beim Einschalten der Zündung Strom durch die Erregerwicklung des Generators zu fließen, und wenn sich der Motorstart aus dem einen oder anderen Grund verzögert, wird Energie für die Erwärmung verschwendet. Um diesen Nachteil zu beseitigen, wird in den beschriebenen Stabilisator eine Sperrvorrichtung eingebaut, die elektrisch mit dem Öldrucksensor verbunden ist. Mit anderen Worten: Bis der Motor den Betriebsmodus erreicht (und die Kontrollleuchte „Kein Öldruck“ auf der Instrumententafel leuchtet), fließt kein Strom in die Feldwicklung. Im Ausgangszustand sind die Kontakte des Zündschalters SA1 geöffnet und die Kontakte des Öldrucksensors SF1 geschlossen. Schalter VT1 ist geschlossen. Beim Einschalten der Zündung öffnen die Transistoren VT2 und VT1, Spannung von der Batterie GB1 wird den Spannungs- und Temperatursensoren zugeführt. Die Verwendung eines Feldeffekttransistors mit induziertem Kanal für einen Schalter beruht erstens auf der Einfachheit der Öffnungs- und Schließsteuerung, zweitens auf dem Fehlen einer für Bipolartransistoren charakteristischen Restspannung und drittens auf dem geringen Widerstand von der offene Kanal. Gleichzeitig leuchtet die HL1-Warnleuchte auf dem Armaturenbrett des Fahrzeugs auf und zeigt damit einen Öldruckmangel an. Der vom Widerstand R7 bestimmte Strom fließt noch nicht durch die Dioden VD1-VD4, da er über die interne Diode des Controllers DD1, die zwischen den Pins 1 und 2 angeschlossen ist, und die geschlossenen Kontakte SF1 zum gemeinsamen Draht geschlossen ist. Auf eine Beschreibung des Funktionsprinzips des K1156EU1-Controllers und seiner elektrischen Parameter wird hier verzichtet, sie ist jedoch in [4; 5], da es sich um ein Analogon des bekannten Controllers uA78S40 von Motorola handelt. Da die Spannung am nichtinvertierenden Eingang (Pin 6) des über einen Differenzverstärker angeschlossenen internen Operationsverstärkers des DD1-Chips größer ist als am invertierenden Eingang (Pin 7), liegt an dessen Ausgang ein High-Pegel an OAout (Pin 4). Eine Vorspannung gleich der Hälfte der Versorgungsspannung wird vom Teiler R9R12 an den nichtinvertierenden Eingang des CMR (Pin 13) des Komparators angelegt, und da der invertierende Eingang (Pin 10) hoch ist, ist die Spannung am Ausgang von der Komparator ist nahe Null. Die Logik des Controllers ist so, dass das Einschalten des internen Ausgangstransistors des Stromverstärkers verhindert wird, wenn der Komparatorausgang niedrig ist. Dieser Verstärker hat einen unsymmetrischen Ausgang und für den ordnungsgemäßen Betrieb des Synchronkommutators ist eine Paraphasensteuerung erforderlich. Zu diesem Zweck wird in den Stabilisator ein Phasenwechselrichter auf Basis eines Feldeffekttransistors VT3 eingebracht. Der Spannungsteiler R15-R17 sorgt dafür, dass die Transistoren VT3, VT5 und VT4 geöffnet werden, da der Spannungsabfall am Widerstand R19 die Abschaltspannung nicht überschreitet. Der Spannungserhöhungskondensator C3 wird über die Diode VD5 und den Transistor VT5 mit Strom auf die Versorgungsspannung aufgeladen. Nach dem Starten des Motors öffnen die SF1-Kontakte des Öldrucksensors und die HL1-Lampe erlischt. Der Strom durch die interne Diode des Reglers DD1 (Pins 1 und 2) wird unterbrochen und beginnt durch den Temperatursensor VD1 - VD4 zu fließen, an ihm stellt sich eine der Temperatur des Elektrolyten proportionale Spannung ein. Ab diesem Moment ändert die Spannung an der Diagonale der Messbrücke das Vorzeichen, wodurch die Spannung am Ausgang OAout des Reglers weniger als die Hälfte der Versorgungsspannung wird, der Komparator in einen High-Pegel-Zustand wechselt und der Stromverstärker ausgeschaltet ist eingeschaltet. Infolgedessen schließen die Transistoren VT3 und VT5, und das Schließen des Transistors VT5 erfolgt dank der Diode VD6 beschleunigt. Die Spannung vom geladenen Kondensator C3 über den Widerstand R18 wird dem Gate des Transistors VT4 in der Öffnungspolarität zugeführt, was zu dessen Öffnung führt. Tatsächlich entspricht die Gate-Spannung des Transistors VT4 im eingeschwungenen Zustand ungefähr dem Doppelten der Versorgungsspannung. In diesem Zustand bleibt der Transistor für einige Zeit t eingeschaltet, bestimmt durch die Kapazität des Kondensators C2 [4; 5]: Tonne = 25·103 C2, wobei Tonne in Mikrosekunden und C2 in Mikrofarad angegeben ist. Für einen zuverlässigen Betrieb des Transistors VT4 ist es erforderlich, dass die Zeitkonstante des Entladekreises tdisp3 des Kondensators C3 die Bedingung erfüllt: tdisp3 = (R18 + R19)-C3 >> ton. Es ist zu beachten, dass dieser Kondensator im Betriebsmodus aufgeladen wird durch die Last (Erregerwicklung). Das Verhältnis von Öffnungs- zu Schließzeit am Reglerausgang ist intern auf ca. 9:1 begrenzt. Daher schließt der Stromverstärker nach einer bestimmten Zeit und der Transistor VT3 öffnet. Der Transistor VT4 schaltet aus und VT5 schaltet ein. Damit ist der Kommutierungszyklus (Periode) abgeschlossen. Die Dauer des offenen und geschlossenen Zustands der Transistoren VT4 und VT5 wird so gewählt, dass der Durchgangsstrom minimal ist. Da während einer Schaltperiode der Strom in der Erregerwicklung des Generators nicht den erforderlichen Wert erreicht, arbeitet der Regler mehrere Zyklen lang mit dem vorgegebenen Tastverhältnis. Der Strom in der Wicklung und die Spannung an der Batterie steigen. Sobald die Spannung in der Messdiagonale der Brücke gegen Null geht, hält der Regler durch Änderung des Tastverhältnisses diesen Zustand aufrecht. In Wirklichkeit hat die Form der Ladespannung unter Berücksichtigung der Trägheit des Systems (Induktivität der Erregerwicklung usw.) und der Phasenverschiebung eine Trapezform. In Abb. 2 werden vorgestellt, um die Familie der Selbstverlusteigenschaften des Kfz-Industriestabilisators 121.3702 mit den oben beschriebenen zu vergleichen. Die Diagramme zeigen, dass bei einem Stabilisator mit PSI-Steuerung der Leistungsverlust Ppot geringer ist und über den gesamten Bereich der Laständerungen Pn und der Motorkurbelwellendrehzahl N konstant bleibt. Dementsprechend ist seine Effizienz höher. Der Energiegewinn gegenüber [1; 2]. All dies bestätigt die Machbarkeit der Verwendung eines Synchronschalters mit Feldeffekttransistoren.
Das Gerät verwendet Präzisionswiderstände R5-R11 C2-29V, C2-14 usw. mit einem TCR von nicht schlechter als ±200-10-6 °C-1. Es ist zulässig, anstelle von R5 und R6 einen Abstimmwiderstand SP5-1V oder ähnliches zu verwenden; Die übrigen Widerstände dienen allgemeinen Zwecken. Kondensatoren C1, C3 – K50-35, C2 – K73-17. Drossel L1 - DM0.1 Induktivität "! 60 μH. Der Feldeffekttransistor BS250 kann durch jeden anderen p-Kanal-Transistor mit isoliertem Gate und einem Leerkanalwiderstand von nicht mehr als 10 Ohm ersetzt werden. Anstelle des BSS91 eignet sich jeder n-Kanal-Feldeffekttransistor mittlerer Leistung mit isoliertem Gate und einem Kanalwiderstand von maximal 20 Ohm. Leistungsstarke n-Kanal-Transistoren VT4, VT5 dürfen einen Kanalwiderstand von nicht mehr als 0,03 Ohm und eine Gate-Source-Betriebsspannung von mindestens 20 V haben. Am bequemsten ist es, Transistoren in kleinen DPAK-Gehäusen (TO-252) zu verwenden , zum Beispiel MTD3302 von Motorola. KD102A-Dioden können durch KD103 mit einem beliebigen Buchstabenindex ersetzt werden. Anstelle von K1156EU1 eignet sich das Steuergerät KR1156EU1, wenn Sie das Fahrzeug nicht bei Temperaturen unter -15 °C betreiben möchten. Konstruktiv sind die Mess- und Steuerteile auf zwei Platinen montiert, die Anschlüsse erfolgen mit MGTF 0,07-Draht. Für Stromkreise mit hohem Strom wird ein Montagedraht mit einem Querschnitt von mindestens 0,75 mm2 verwendet. Die Platinen sind durch ein zweiadriges flexibles Kabel RVSHE1 in einem abgeschirmten Geflecht miteinander verbunden; Drähte werden zu einer Schnur verdrillt. Das gleiche Kabel, jedoch ohne Geflecht, dient zum Anschluss des Messteils an die Batterie. Das Messbrett muss in einer geeigneten Metallbox untergebracht werden. Der Aufbau des Temperatursensors unterscheidet sich im Allgemeinen nicht von dem in [2] beschriebenen. Die Glühbirne mit Dioden besteht aus einem Polyethylen-Kabelmantel. Für eine bessere Wärmeübertragung von den Wänden nach innen zu den Dioden sind die Dioden in die Wärmeleitpaste KPT-8 getaucht. Ein Polyethylenschlauch mit kleinerem Durchmesser wird fest auf die Leiter aufgesetzt (Twisted Pair). Mit einem auf die Schmelztemperatur von Polyethylen erhitzten Lötkolben vorab den Boden des Kolbens verschweißen. Zum Schluss verschweißen Sie die Verbindung zwischen Glühbirne und Kabelrohr. Die Dichtheit der Nähte muss hoch sein, da der Kolben während des Betriebs in Batterieelektrolyt eingetaucht wird. Zum Aufbau eines Spannungsstabilisators benötigen Sie eine Gleichstromquelle mit einer von 10 bis 15 V einstellbaren Ausgangsspannung bei einem Laststrom von bis zu 3 A, ein Gleichstromvoltmeter mit einer Genauigkeitsklasse von mindestens 0,1 und einen Lastwiderstand mit einen Widerstand von 5 Ohm. Parallel zur Quelle muss ein Oxidkondensator mit einer Kapazität von mindestens 10000 μF angeschlossen werden. Vorübergehend wird der Widerstand R6 durch einen variablen Widerstand mit einem Widerstand von 3 kOhm ersetzt und Pin 1 des Controllers wird mit der gemeinsamen Leitung verbunden. Zunächst wird von der Stromquelle eine Spannung von 15 V zugeführt und der vom Gerät verbrauchte Strom gesteuert – er sollte 50 mA nicht überschreiten. Die vorübergehende Verbindung von Pin 1 mit dem gemeinsamen Draht wird geöffnet und die Versorgungsspannung auf 13,6 V reduziert. Mit einem variablen Widerstand R6 erscheint an den DC- und SC-Ausgängen des Controllers eine Impulsfolge und eine invertierte Impulsfolge mit einer Amplitude Am Ausgang des Stabilisators erscheint eine Spannung, die der Versorgungsspannung entspricht. Der Transistor VT4 sollte sich nicht erwärmen. Die endgültige Einstellung des Stabilisators erfolgt nach der Montage am Fahrzeug. Der Temperatursensor wird durch ein Loch im Stopfen eines der mittleren Batteriegehäuse in eine Elektrolytlösung eingetaucht. Schließen Sie alle Stromkreise gemäß dem Diagramm an, schalten Sie die Zündung ein und stellen Sie sicher, dass am Ausgang des Stabilisators keine Spannung anliegt. Starten Sie den Motor und stellen Sie im Leerlauf bei ausgeschalteten Verbrauchern die Ladespannung an der Batterie über den Stellwiderstand R6 gemäß den Empfehlungen ein [1]. Wenn das Auto längere Zeit nicht gefahren wurde, können die Umgebungsluft- und Elektrolyttemperaturen als gleich angesehen werden. Nach dem Einstellen der Spannung wird der variable Widerstand R6 durch einen konstanten ersetzt. Durch Änderung der Motordrehzahl und der Generatorlast wird die Instabilität der Ladespannung kontrolliert; er sollte nicht schlechter als ±0,02 V sein. Beim Fahren unter winterlichen Bedingungen kann es manchmal erforderlich sein, den Wert des Widerstands R7 zu klären. Es ist zu beachten, dass nach der Einstellung des Widerstands R7 erneut R6 ausgewählt werden muss. Für eine effektive Funktion des Stabilisators und eine Verlängerung der Lebensdauer der Batterie ist es zunächst wünschenswert, die Dichte des Elektrolyten in allen Bänken auf ±0,01 g/cm3 anzugleichen, und die Dichte sollte der Klimazone entsprechen [6]. , und zweitens wischen Sie die Batterieabdeckung regelmäßig mit einer schwachen wässrigen Ammoniaklösung (10 %) ab, um Stromlecks durch Verunreinigungen zu verhindern; drittens decken Sie den Umfang des Batteriegehäuses, wenn es schwarz ist, mit Aluminiumfolie (z. B. Quintol) ab oder Momentkleber) – dadurch wird die Temperatur des Elektrolyten um 5...10 °C gesenkt, was besonders im Sommer wichtig ist. Während der dreijährigen Betriebsdauer des Stabilisators an einem VAZ 2106-Auto wurden keine Kommentare zu seinem Betrieb festgestellt, der Elektrolyt in der Batterie kochte nicht und es bestand keine Notwendigkeit, Wasser hinzuzufügen. Bei meiner jährlichen Batterieinspektion prüfe ich die Elektrolytdichte und die Ladespannung. Literatur
Autor: V. Chromov, Krasnojarsk
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