Трехуровневый регулятор напряжения (функции, установка, достоинства)

Автор Павел Александрович Белоусов На чтение 5 мин Просмотров 1.1к.
Обновлено 07.11.2018

Содержание

1. Проблема выходного напряжения автомобильного генератора
2. Режимы работы трехуровневого реле — регулятора
3. Преимущества применения трехуровневого реле и особенности его установки
4. Заключение

Современный автомобиль плотно насыщен многочисленными приборами и устройствами, работоспособность которых определяется получением питания от бортовой сети постоянного тока. При заведенном двигателе источником тока служит электрический генератор, ротор которого вращается за счет наличия механической связи с валом. Частота вращения вала двигателя меняется в широких пределах, в результате чего выходное напряжение генератора испытывает колебания. Для уменьшения вариаций напряжения до требуемого значения на выходе выпрямителя устанавливается стабилизатор, который  выполнен в виде реле-регулятора.

Проблема выходного напряжения автомобильного генератора

В перечень функций генератора обязательно входит подзаряд бортовой аккумуляторной батареи, который для обеспечения длительного срока службы осуществляется определенным током. Наиболее простым способом задания его значения является некоторое превышение напряжения, снимаемого с выхода реле-регулятора, над текущим значением напряжения аккумулятора. При этом немедленно возникает серьезная проблема, которая обусловлена тем, что в зависимости от температуры окружающей среды значение этого превышения должно быть различным.

Очевидное и достаточно просто реализуемое решение по получению заданного выходного напряжения применением температурной коррекции порога срабатывания регулятора за счет установки соответствующего датчика обладает малой эффективностью. Причина этого заключается в том, что температура в подкапотном пространстве из-за соседства с нагретым двигателем  отличается от температуры воздуха, причем определить степень этого отличия простыми средствами не получается.

Еще одна проблема определения заданного значения зарядного тока обусловлена тем, что даже при постоянной температуре окружающей среды нагрузка на бортовую сеть меняется в широких пределах. Это приводит к “провалу” уровня зарядки аккумулятора и сложностям запуска остывшего двигателя после стоянки.

Хорошее средство решения обозначенных задач — переход на реле-регулятор, которое выполняет нужные регулировки дискретным изменением  напряжения, которое создаёт генератор. Заданное значение порога срабатывания этого устройства устанавливается водителем самостоятельно с помощью трехпозиционного тумблера. Некоторые регуляторы подключаются автоматически и содержат внутренний датчик, который контролирует величину мгновенного значения напряжения бортовой сети. В обоих случаях выбор порога отсечки осуществляется с учетом внешних факторов, в первую очередь текущей температуры и условий эксплуатации автомобиля.

Режимы работы трехуровневого реле — регулятора

Уровень или режим “Минимум”, который соответствует выходному напряжению генератора 13,6 В, используется для работы при температуре воздуха свыше 20°С и применяется при высокой нагрузке на двигатель (пробки, горная местность).

Уровень “Норма” предполагает выходное напряжение 14,2 В, соответствует средней нагрузке на двигатель, используется весной и осенью при окружающих температурах 0– 20 °С.

В режим “Максимум” регулятор рекомендуется переводить при отрицательных температурах воздуха. В теплое время года он активизируется на короткое время для зарядки аккумулятора, сильно “посаженного” после длительной стоянки, например, акустической системой или по иным причинам.

Потребительские качества некоторых моделей трехуровневых реле улучшаются введением в состав схемы дополнительного полупроводникового ключа, который обеспечивает безопасный запуск двигателя. Данный узел блокирует подачу тока на обмотки генератора, если отсутствует у него стабильное выходное напряжение.

Ещё кое-что полезное для Вас:

• Втягивающее реле стартера: устройство, неисправности, проверка
• Машина завелась и заглохла — в чём причины?
• Как самостоятельно проверить генератор на работоспособность

Преимущества применения трехуровневого реле и особенности его установки

На практике распространение получили трехуровневые регуляторы, предназначенные для 9-й и более старшей моделей ВАЗ. Это обусловлено тем, что замена штатного реле на трехуровневое даёт такие преимущества:

• стабилизацию работы сигнализации при сильных морозах;
• увеличение яркости свечения фар и ламп салонного освещения;
• резкое наращивание эффективности функционирования обогревателя;
• увеличение скорости работы стеклоподъемников.

Довольно распространены комплекты для вазовских “десяток” и 14-й модели, встречаются и устройства для “Волг” и “Газелей”. Их применение на этих автомашинах дает аналогичный эффект.

Трехуровневый реле-регулятор приобретается в форме готового к установке комплекта, в состав которого включена подробная иллюстрированная инструкция. Основные элементы комплекта — контактная группа, собственно реле с переключателем движкового типа для выбора напряжения стабилизации и соединительные провода.

Перед началом работ по замене целесообразно зарядить аккумулятор и затем отключить его минусовую клемму.

Контактная группа нового устройства монтируется непосредственно на посадочные места предварительно демонтированной старой, установка не требует применения переходников и прочих вспомогательных элементов. Соединительный провод протягивается через крышку генератора (может потребоваться пропилить в ней отверстие требуемого размера), а само реле крепится на свободную крепежную шпильку с ориентацией клеммами вниз. При установке дополнительно проконтролируйте наличие надежного контакта на массу. После монтажа и сборки генератора проверяем его.

Заключение

Переход на трехуровневое реле-регулятор автомобильного генератора улучшает функционирование электрооборудования автомобиля и увеличивает срок службы аккумулятора. Положительный эффект от его установки проявляется во время сильных морозов. Рекомендуется заменять штатное реле трехпозиционным на машинах производства ВАЗ моделей 9 и старше.

Необходимые компоненты предлагаются в виде сравнительно дешевого готового к монтажу и удобного в работе комплекта. Замена старого реле с последующей проверкой качества монтажа не составляет проблем и выполняется автолюбителем даже с начальным уровнем квалификации в области электротехники. Регулятор отличается высокой эксплуатационной надежностью и оправдывает установку.

Печать

Для чего нужен контактный регулятор (реле-регулятор)? Виды контактных регуляторов

Главная » Руководства по ремонту » Основы диагностики электрооборудования автомобиля » Системы заряда аккумулятора » Раздел А: Генератор переменного тока

Автор admin На чтение 3 мин Просмотров 637 Опубликовано 30.01.2012

1. Несмотря на то, что в последнее время для регулирования напряжения генераторов все шире используются бесконтактные электронные регуляторы, все еще большое число регуляторов контактного типа (реле-регуляторов) находятся в эксплуатации на автомобилях старых моделей.

Регуляторы этого типа делятся на два вида: одноконтактные и двухконтактные.

2. В регуляторах первого вида обмотка ротора подключена к выходу генератора через одну пару контактов реле. При разомкнутых контактах реле ток на обмотку возбуждения проходит через резистор и ток возбуждения уменьшается, отчего понижается и выходное напряжение генератора. При достижении нижнего порога напряжения реле выключается, контакты замыкаются и шунтируют резистор (см. рис. 3.23).

Рис. 3.23. Регулятор напряжения с одним контактом.

3. Независимо от используемого метода регулирования, существенным фактором является самоиндукция роторной обмотки.

Индукция – это свойство обмотки, состоящее в том, что ток в ней не может измениться мгновенно, а скорость его уменьшения или возрастания определяется параметрами электрической цепи. Катушка с железным сердечником обладает во много раз большей индуктивностью, чем катушка без сердечника. Чем больше индуктивность, тем ниже скорость изменения тока в катушке.

4. На рис. 3.24 изображена электрическая цепь, состоящая из катушки с железным сердечником и пары контактов, которые размыкаются при достижении током верхнего предела или замыкаются при достижении нижнего предела L,. Заметьте, что

Рис. 3.24. Управление током обмотки с помощью подвижного контакта.

при размыкании контактов ток уменьшается в связи с тем, что последовательно с катушкой включен резистор R. Существенной характеристикой цепи является время нарастания t1 и время уменьшения t2 тока. Если контакты переключать с высокой частотой, то ток будет колебаться в узком диапазоне около среднего значения.

5. Регулятор с двумя парами контактов имеет ряд преимуществ по сравнению с одноконтактным вариантом. Для улучшения характеристик регулятора резистор, установленный параллельно его контактам, должен иметь небольшое сопротивление, чтобы ток, прерываемый контактами был не слишком велик – это повысило бы надежность контактов. Однако, при высокой скорости вращения ротора сопротивление резистора должно быть достаточно большим, чтобы ток в обмотке ротора быстро уменьшался. Для устранения этого противоречия в схему регулятора введена еще одна пара контактов, которая при достижении верхнего предела напряжения генератора замыкает обмотку роторе на массу.

6. Преимущество двухконтактного регулирования состоит в том, что выходное напряжение генератора быстро падает, а сопротивление резистора можно сделать небольшим. Прямым следствием этого является возможность пропускать через контакты большой ток, что является положительным качеством конструкции генератора.

7. На рис. 3.25 показана схема двухконтактного регулятора напряжения. При малых скоростях регулятор работает так же, как и одноконтактный. При высоких скоростях средний контакт реле начинает притягиваться к заземленному неподвижному контакту, закорачивая обмотку ротора и тем самым резко снижая ток возбуждения и напряжение генератора. После снижения напряжения до заданного уровня пружина снова замыкает подвижный контакт с контактом D, т. е. с выходом генератора и напряжение снова начинает расти.

Рис. 3.25. Схема регулятора напряжения с двумя контактами.

8. При разъединении контактов в обмотке ротора генерируется напряжение самоиндукции. В случае одноконтактного регулятора для пропускания этого тока можно параллельно ротору включить диод. В случае двухконтактного регулятора для этой же цели можно использовать резистор.

Похожие статьи

генератор диагностика диод катушка контакт проверка пружина реле ремонт ротор система сопротивление схема цепь электро электроника электросхема

5 распространенных признаков неисправности регулятора напряжения (с исправлениями)

Связаться с нами

Получить предложение

Признаки неисправного регулятора напряжения легко обнаружить если знать, что искать.

Но почему ваш регулятор напряжения выходит из строя?
И что делать, если вы заметили признаки неисправности регулятора напряжения?

В этой статье мы сначала рассмотрим пять симптомов, обычно связанных с неисправными регуляторами напряжения. Затем мы расскажем вам, как решить эти проблемы.

Наконец, мы дадим вам более четкое представление об этом компоненте в разделе часто задаваемых вопросов регулятора напряжения .

Эта статья содержит:

• 5 Признаки неисправности регулятора напряжения, на которые следует обратить внимание
  • Симптом A: Разряженный аккумулятор B: Нестабильная работа двигателя
  • Признак C: Мерцание или затемнение индикаторов
  • Признак D: Активация индикатора аккумулятора или индикатора «Проверьте двигатель»
  • Симптом E: Неисправность комбинации приборов
• Как устранять симптомы неисправного регулятора напряжения?
• 6 Часто задаваемые вопросы о регуляторе напряжения

Давайте сразу приступим.

5 Признаков неисправного регулятора напряжения, на которые следует обратить внимание вы столкнетесь с одним или несколькими из следующих пяти симптомов:

Симптом A: Разряженный аккумулятор

Неисправный регулятор напряжения может серьезно повредить автомобильный аккумулятор, в результате чего он перестанет работать.

Но почему?
Регулятор напряжения обеспечивает постоянную подачу зарядного напряжения и мощности на аккумулятор автомобиля и другие электронные компоненты.

Если у вас сгорел регулятор напряжения, ваша батарея может:

• Не получить достаточный заряд
• Перезарядиться
• Подвергнуться чрезмерному зарядному напряжению

Если батарея не получает достаточного заряда, зарядная мощность вашей батареи расходуется на работу электрических систем автомобиля. В конечном итоге, когда весь заряд разрядится, аккумулятор вашего автомобиля разрядится, и вы больше не сможете завести свой автомобиль.

С другой стороны, если аккумулятор перезаряжается или подвергается воздействию высокого зарядного напряжения, аккумулятор может разрядиться, или электролиты внутри могут начать кипеть, что приведет к протечке автомобильного аккумулятора и опухоль.

Помимо неисправного регулятора напряжения, аккумулятор вашего автомобиля также может разрядиться, если:

• У вас неисправный генератор который не может зарядить аккумулятор
• Вы оставили электрические компоненты, такие как фары, включенными слишком долго при выключенном двигателе
• Ваш автомобиль не использовался в течение длительного времени

В любом случае можно быстро зарядить неисправный аккумулятор (или разряженный аккумулятор ) с помощью соединительных кабелей и другого автомобиля с заряженным аккумулятором. Однако это лишь временное решение, потому что любая мощность, передаваемая по кабелям, быстро истощается, когда ваш автомобиль начинает работать.

В результате ездить с неисправной или разряженной батареей — плохая идея, так как ваш автомобиль может заглохнуть в любой момент.

Вот почему, когда у вас села или разряжена батарея, обратитесь к механику как можно скорее . Пусть они диагностируют, неисправен ли ваш регулятор напряжения или какой-то другой электрический компонент. Кроме того, механик сообщит вам, нужна ли вам новая батарея.

Признак B: неустойчивая работа двигателя

Нестабильная работа двигателя является распространенным признаком неисправности регулятора напряжения.

Но что означает неустойчивая работа двигателя?
Здесь вы можете заметить, что двигатель:

1. Брызгает — двигатель как бы борется (как будто задыхается)
2. Глохнет — двигатель может резко остановиться на короткое время
3. 9 0005 Ускорение с перерывами — ускорение двигателя не является плавным и ощущается прерывистым

Другими словами, ваш двигатель будет работать непредсказуемо или непостоянно и в целом будет вызывать неприятные ощущения от вождения. Неустойчивая работа двигателя обычно происходит, когда у вас есть неисправный регулятор, который не может контролировать уровень выходного напряжения, генерируемого генератор .

Если вы заметили, что работа вашего двигателя странная или непредсказуемая, скорее всего, у вас неисправный регулятор. В этом случае лучше всего поручить электрические системы вашего автомобиля проверить профессиональному механику .

Симптом C: мерцание или приглушение света

Вероятно, наиболее частым признаком неисправности регулятора является мерцание, затемнение или пульсация света.

Чтобы быть более конкретным, вы можете заметить, что транспортное средство:

• Свет фар колеблется между ярким и тусклым без каких-либо действий
• Дальний свет не работает должным образом
• Внутреннее освещение начинает мерцать

Эти признаки обычно указывают на неисправный регулятор напряжения, который не может регулировать выходное напряжение. И если вы столкнетесь с этими признаками, , проверьте свой автомобиль у профессионального механика в ближайшее время, чтобы решить проблему с регулятором напряжения, прежде чем ситуация ухудшится.

Симптом D: активация индикатора аккумулятора или индикатора проверки двигателя

Иногда, когда ваш регулятор напряжения не работает должным образом, может загореться индикатор двигателя или аккумулятора на приборной панели.

Но почему горят эти индикаторы приборной панели?
Индикатор батареи загорается , потому что ваша электрическая система может выйти из строя из-за неисправного регулятора. В качестве альтернативы, индикатор батареи может активироваться из-за неисправного диода генератора (или негерметичного диода) или проблем со статором генератора.

С другой стороны, загорание индикатора проверки двигателя может быть следствием непредсказуемой работы двигателя. Кроме того, это может быть связано с проблемами, связанными с вашей системой трансмиссии, выхлопным оборудованием, системой зажигания и многим другим.

Определить, вызывает ли регулятор напряжения загорание индикатора аккумулятора или индикатора проверки двигателя, непросто. В игре может быть масса других причин. Вот почему вам следует проверить свой автомобиль у сертифицированного автомобильного техника , который может поставить вам точный диагноз.

Симптом E: Неисправность комбинации приборов

Другим легко наблюдаемым признаком неисправности регулятора является неисправность комбинации приборов в вашем автомобиле.

Что такое комбинация приборов?
Комбинация приборов состоит из различных датчиков и сигнальных ламп на приборной панели.

Комбинация приборов включает:

• Спидометр
• Тахометр
• Указатель уровня топлива
• Индикаторы указателей поворота
• Сигнальные лампы, такие как стояночный тормоз индикатор, индикатор проверки двигателя и т. д. 9 0035

Для точной работы комбинации приборов приборной панели требуется определенное количество входного напряжения. А когда регулятор напряжения поврежден, комбинация приборов может не получать нужное количество входного напряжения.

В результате вы можете заметить мерцание датчиков на комбинации приборов или, что еще хуже, она может полностью перестать работать.

Кроме того, комбинация приборов может работать хаотично, если регулятор напряжения прибора также неисправен.

В любом случае, хотя мигающие датчики на комбинации приборов не обязательно мешают вам управлять автомобилем, вам не следует садиться за руль, когда комбинация приборов не работает. Поскольку датчики на комбинации приборов позволяют следить за состоянием автомобиля, вождение с мерцающими датчиками рискованно.

Теперь, когда вы знаете наиболее распространенные симптомы неисправного регулятора напряжения, давайте рассмотрим, что вы можете сделать для устранения этих симптомов:

Как устранить симптомы неисправного регулятора напряжения?

Хотя заманчиво протестировать регулятор напряжения и попытаться заменить его самостоятельно, мы не рекомендуем.

Почему?
Регулятор напряжения может влиять на работу двигателя, комбинацию приборов и многое другое. И если замена регулятора напряжения генератора произведена неправильно, вы можете столкнуться с потенциальной угрозой безопасности.

Если вы заметили какие-либо признаки неисправности регулятора напряжения , обратитесь к профессиональному механику.

Просто убедитесь, что механик, которого вы нанимаете:

• Имеет сертификат ASE
• Предлагает вам гарантию на обслуживание
• Использует только высококачественные запасные части

Это подводит нас к вопросу: где найти такую ​​механику?

Просто позвоните по номеру RepairSmith — удобный, простой и надежный мобильное решение для ремонта автомобилей !

Вот лишь некоторые из фантастических преимуществ, которые предлагает RepairSmith :

• Бронируйте все ремонтные работы в режиме онлайн по конкурентоспособным ценам
• Наши сертифицированные специалисты ASE выезжают к вам на подъезд для ремонта и технического обслуживания миля | Гарантия 12 месяцев
• Для обслуживания вашего автомобиля используется только качественное оборудование и запасные части
• Ремонтные услуги доступны без выходных

Далее мы рассмотрим некоторые часто задаваемые вопросы, связанные с регулятором напряжения:

6 часто задаваемых вопросов о регуляторе напряжения

Вот шесть вопросов, которые владельцы автомобилей обычно задают о регуляторе напряжения:

1.

Какую роль выполняет A Игра регулятора напряжения?

Основное назначение регулятора напряжения (также известного как регулятор напряжения генератора) — обеспечить стабильное и надежное напряжение аккумулятора автомобиля и других электрических компонентов.

Но как регулятор напряжения обеспечивает стабильность подаваемого напряжения?
Во время движения автомобиля генератор переменного тока преобразует механическую энергию, вырабатываемую двигателем, в электрическую энергию. И чем быстрее вращается генератор вашего автомобиля, тем выше вырабатываемая электрическая мощность.

Однако, если подача электроэнергии или генерируемое напряжение становятся чрезмерными, это может привести к повреждению автомобильного аккумулятора и других компонентов электрической системы.

Вот тут-то и пригодится регулятор напряжения генератора.

Когда генерируемое напряжение или мощность являются чрезмерными, регулятор напряжения дает сигнал генератору прекратить вращение, а затем перенаправляет выходное избыточное напряжение (или избыточную мощность) на заземляющий провод.

Таким образом, регулятор напряжения генератора защищает соединение автомобильного аккумулятора и другие электрические компоненты от повреждения из-за чрезмерного выходного напряжения.

Примечание: В мотоцикле вы можете не встретить автономный регулятор напряжения генератора. Вместо этого у вас, вероятно, будет выпрямитель-регулятор (например, выпрямитель-регулятор напряжения Harley).

Выпрямитель-регулятор служит здесь двум целям:

1. Он регулирует уровень выходного напряжения.
2. Он преобразует напряжение переменного тока (AC), создаваемое статором генератора, в напряжение постоянного тока (DC).

2. Где находится регулятор напряжения?

Расположение регулятора напряжения может различаться в зависимости от модели и марки вашего автомобиля.

В более старых моделях используется внешний регулятор напряжения, который можно найти в моторном отсеке рядом с корпусом генератора. Напротив, в некоторых более новых моделях регулятор напряжения встроен в ECM автомобиля (электронный модуль управления).

3. Что вызывает отказ регулятора напряжения?

Может быть много разных причин, по которым ваш регулятор напряжения начинает барахлить или выходит из строя.

Вот несколько распространенных причин отказа регулятора напряжения:

• Поврежденный заземляющий провод
• Коррозия или износ клеммы аккумулятора
• Плохое соединение аккумулятора
• Перегрев некоторых электрических компонентов

4. Как долго работает регулятор напряжения?

Трудно предсказать точный срок службы регулятора напряжения вашего генератора.

Однако при разумных условиях окружающей среды ваш регулятор напряжения потенциально может пережить срок службы вашего автомобиля. Чтобы быть более точным, многие механики согласятся, что регулятор напряжения вашего автомобиля может прослужить вам до 100 000 миль .

Но если ваш автомобиль постоянно подвергается воздействию экстремальных зимних или жарких климатических условий, этот показатель может снизиться.

5. Сколько стоит замена регулятора напряжения генератора?

Стоимость замены регулятора напряжения генератора может сильно различаться в зависимости от:

• Марка и модель вашего автомобиля
• Кто изготовил регулятор напряжения
• Ваше местоположение

В среднем замена регулятора напряжения генератора может стоить вам от до 330-450 долларов .

6. Как проверить регулятор напряжения?

Когда симптомы неисправного регулятора напряжения становятся очевидными, некоторые автовладельцы могут попытаться самостоятельно проверить свои регуляторы напряжения с помощью вольтметра или мультиметра.

Но настоятельно рекомендуется пусть профессиональный механик возьмет на себя контрольную часть . И это потому, что механик будет иметь надлежащую подготовку и опыт, чтобы точно диагностировать, что не так с вашим автомобилем.

Механик:

1. Убедитесь, что стартер вашего автомобиля или ключ зажигания не активированы, а двигатель выключен.

2. С помощью мультиметра или вольтметра измерьте уровень напряжения на положительной и отрицательной клеммах аккумуляторной батареи автомобиля.

3. Проверьте, не превышает ли напряжение батареи, измеренное вольтметром или мультиметром, чуть более 12 вольт.

4. Запустите двигатель с помощью замка зажигания автомобиля (или кнопки зажигания).

5. Снова измерьте напряжение аккумуляторной батареи с помощью мультиметра или вольтметра, когда двигатель работает на холостом ходу. Измеренное напряжение батареи должно быть около 14 вольт.

6. Увеличьте обороты двигателя и проверьте показания выходного напряжения на вольтметре или мультиметре. Выход зарядки обычно остается ниже 14,2 вольт.

Если показания выходного напряжения вольтметра или мультиметра выходят за пределы ожидаемых диапазонов, возможно, в вашем автомобиле возникла проблема с регулятором напряжения.

Кроме того, механик может провести испытание на падение напряжения. Здесь механик подключал отрицательный щуп (подключенный к черному проводу) мультиметра к отрицательной клемме аккумулятора, а положительный щуп (подключенный к красному проводу) к чередующемуся кронштейну.

Если показания мультиметра превышают 0,1 В, возможно, у вас проблема с генератором или регулятором напряжения.

Заключительные мысли

Неисправный регулятор может вывести вас из равновесия: вы можете заметить мерцающие датчики на комбинации приборов, один или два электрических компонента могут выйти из строя и многое другое.

Если вы заметили какой-либо из симптомов неисправности регулятора напряжения , которые мы рассмотрели, обратитесь к механику как можно скорее. Помните, что вождение автомобиля с неисправностью регулятора напряжения может поставить под угрозу вашу безопасность на дороге.
Если вы ищете простой и удобный сервис по ремонту автомобилей, всего связаться с ремонтным мастером . Наши профессиональные механики приедут к вам и позаботятся о проверке, техническом обслуживании и ремонте вашего автомобиля прямо на подъездной дорожке!

Поделитесь этой историей:

Мастер по ремонту

RepairSmith — это самый простой способ отремонтировать ваш автомобиль. Наши специалисты, сертифицированные ASE, доставят качественный ремонт и техническое обслуживание автомобиля прямо к вашему подъезду. Мы предлагаем предварительную цену, онлайн-бронирование и 12-месячную гарантию на 12 000 миль.

Подпишитесь, чтобы получать советы по техническому обслуживанию, новости и рекламные акции, которые помогут поддерживать ваш автомобиль в отличной форме.

Продолжая, вы соглашаетесь с Условиями обслуживания RepairSmith.
и подтвердите, что ознакомились с Политикой конфиденциальности.
Вы также соглашаетесь с тем, что RepairSmith может общаться с вами по электронной почте, SMS или телефону.

Как правильно выбрать регулятор(ы) напряжения для вашей конструкции

Как правильно выбрать регулятор(ы) напряжения для вашей конструкции

В этой статье показано, как выбрать наилучший тип регулятора напряжения для вашего конкретного электронного продукта.

Вероятно, более чем для 90% продуктов требуется какой-либо регулятор напряжения, что делает их одним из наиболее часто используемых электрических компонентов.

Если вы не можете работать напрямую от аккумулятора или от внешнего адаптера переменного/постоянного тока, вам потребуется регулятор напряжения. Скорее всего, потребуется несколько регуляторов напряжения.

Эта статья поможет вам правильно выбрать стабилизатор(ы) напряжения для вашей конструкции. Мы рассмотрим все, от определения типа регулятора напряжения, который вам нужен, до выбора того, который соответствует вашим конкретным требованиям.

Получите БЕСПЛАТНОЕ полное руководство по разработке нового электронного оборудования

Содержание

Выбор типа стабилизатора, который необходимо использовать

Первым шагом в выборе правильного регулятора напряжения является определение входного напряжения, выходного напряжения и максимального тока нагрузки.

Несмотря на то, что существует множество других спецификаций, эти три помогут вам начать работу и сузить выбор типа регулятора, который вам нужен.

Регуляторы напряжения можно разделить на две широкие категории:

• Понижающие : Выходное напряжение ниже входного
• Повышение : Выходное напряжение больше, чем входное напряжение

Знание входного и выходного напряжения поможет вам легко решить, к какой группе относится ваш регулятор.

Регуляторы напряжения, для которых выходное напряжение меньше входного, являются наиболее распространенным типом регуляторов напряжения. Например, вы вводите 5 В, а на выходе 3,3 В, или вводите 12 В, а на выходе 5 В.

Необходимо рассмотреть два типа регуляторов:

• Линейные регуляторы : Простые, дешевые и бесшумные, но могут иметь низкую энергоэффективность. Линейные регуляторы способны только понижать напряжение.
• Импульсные регуляторы : Высокая энергоэффективность, но более сложные и дорогие, с большим шумом на выходе. Импульсные стабилизаторы могут использоваться как для понижения, так и для повышения напряжения.

Если вам требуется выходное напряжение, которое меньше входного напряжения, начните с выбора линейного стабилизатора, а не импульсного стабилизатора.

Рисунок 1. Линейный регулятор использует транзистор и контур управления с обратной связью для регулирования выходного напряжения. Линейный регулятор может только производить выходное напряжение ниже, чем входное напряжение.

Линейные стабилизаторы намного дешевле и проще в использовании, чем импульсные стабилизаторы, поэтому они обычно должны быть вашим первым выбором.

Единственные случаи, когда вы не хотите использовать линейный стабилизатор, это если рассеиваемая мощность слишком велика или вам нужно повысить напряжение.

Определение рассеиваемой мощности

Несмотря на то, что линейные регуляторы дешевы и просты в использовании, их основным недостатком является то, что они могут тратить много энергии. Это может привести к чрезмерному разряду батареи, перегреву или повреждению устройства.

Если у вас есть аккумуляторный продукт, в котором энергия расходуется в виде тепла, батарея будет разряжаться быстрее. Если это не аккумуляторный продукт, но он по-прежнему выделяет значительное количество тепла, это все равно может вызвать другие проблемы с вашей конструкцией.

На самом деле, при определенных условиях линейный регулятор может выделять столько тепла, что фактически разрушает сам себя. Очевидно, это не то, чем вы хотите заниматься.

При использовании линейного стабилизатора начните с определения того, какая мощность будет рассеиваться регулятором.

Для линейных регуляторов используйте уравнение:

Мощность = (входное напряжение – выходное напряжение) x ток          (уравнение 1)

Можно предположить, что выходной ток (также называемый током нагрузки) примерно такой же, как входной ток для линейного регулятора с.

На самом деле входной ток равен сумме выходного тока и тока покоя, потребляемого линейным регулятором для выполнения функции регулирования.

Однако для большинства стабилизаторов ток покоя чрезвычайно мал по сравнению с током нагрузки, поэтому достаточно предположить, что выходной ток равен входному току.

Как видно из уравнения 1, если у вас большой перепад напряжения (Vin – Vout) на стабилизаторе и/или высокий ток нагрузки, то ваш стабилизатор будет рассеивать большое количество энергии.

Например, если на входе 12 В, а на выходе 3,3 В, разность напряжений будет рассчитываться как 12 В – 3,3 В = 8,7 В.

Если ток нагрузки равен 1 А, это означает, что регулятор должен рассеивать 8,7 Вт мощности. Это огромное количество энергии, которое тратится впустую, и это больше, чем может выдержать любой линейный регулятор.

Если, с другой стороны, у вас высокая разность напряжений, но ток нагрузки составляет всего несколько миллиампер, то мощность будет небольшой.

Например, в приведенном выше случае, если ток нагрузки составляет всего 100 мА, то рассеиваемая мощность падает до 0,87 Вт, что намного удобнее для большинства линейных регуляторов.

При выборе линейного стабилизатора недостаточно просто убедиться, что входное напряжение, выходное напряжение и ток нагрузки соответствуют спецификациям регулятора.

Например, у вас есть линейный стабилизатор, рассчитанный на 15 В и ток 1 А. Вы думаете: «Хорошо, если это так, я могу подать 12 В на вход, получить 3,3 В на выходе и запустить его на 1 А, верно?»

Неправильно! Вы должны убедиться, что линейный регулятор может справиться даже с такой мощностью. Способ сделать это состоит в том, чтобы определить, насколько регулятор будет нагреваться в зависимости от мощности, которую он должен рассеять.

Для этого сначала рассчитайте, сколько мощности будет рассеивать линейный регулятор, используя уравнение 1 выше.

Во-вторых, посмотрите в таблице данных регулятора в разделе «Тепловые характеристики» параметр под названием «Theta-JA», выраженный в единицах °C/Вт (°C на ватт).

Theta-JA указывает, на сколько градусов чип будет нагреваться выше температуры окружающего воздуха, на каждый ватт мощности, который он должен рассеять.

Просто умножьте расчетную рассеиваемую мощность на Theta-JA, и это покажет вам, насколько линейный регулятор будет нагреваться при такой мощности:

Мощность x Theta-JA = температура выше температуры окружающей среды          (уравнение 2)

Скажем, ваш регулятор имеет спецификацию Theta-JA 50°C на ватт. Это означает, что если ваш продукт рассеивается:

• 1 Вт, нагреется до 50°C.
• 2 Вт нагреется до 100°C.
• ½ ватта нагреется до 25°C.

Важно отметить, что температура, рассчитанная выше, представляет собой разницу температур выше температуры окружающего воздуха.

Допустим, вы подсчитали, что при ваших условиях питания регулятор будет рассеивать 2 Вт мощности. Вы умножаете это на Theta-JA и определяете, что он нагреется до 100°C.

Здесь важно не забыть добавить температуру окружающего воздуха. Комнатная температура обычно составляет 25°C. Следовательно, вы должны добавить 25°C к 100°C. Теперь у вас до 125°C.

125°C — это максимальная температура, на которую рассчитано большинство электронных компонентов, поэтому никогда не следует намеренно превышать 125°C.

Как правило, вы не повредите свой продукт, пока не достигнете температуры примерно от 170°C до 200°C. К счастью, большинство регуляторов также имеют функцию отключения при перегреве, которая срабатывает при температуре около 150°C, поэтому они просто отключаются, прежде чем причинят какой-либо ущерб.

Однако некоторые регуляторы не имеют защиты от перегрева, поэтому вы можете повредить их, если они будут рассеивать слишком много энергии.

Получите БЕСПЛАТНОЕ полное руководство по разработке нового электронного оборудования

В любом случае, вы не хотите проектировать свой продукт таким образом, чтобы он постоянно перегревался и должен был выключаться для охлаждения.

Следует также учитывать, что температура воздуха не всегда может быть 25°C.

Допустим, ваш регулятор по-прежнему нагревается до 100°C под нагрузкой, но теперь температура окружающей среды составляет 50°C (например, в закрытом автомобиле в жаркий летний день).

Теперь у вас есть 50°C плюс 100°C и до 150°C при нагрузке. Вы превысили указанную максимальную температуру и находитесь на грани срабатывания теплового отключения.

Очевидно, этого следует избегать. Эксплуатация регулятора, при котором он регулярно превышает указанную температуру 125°C, может не привести к немедленному повреждению, но может сократить срок службы компонента.

Регуляторы с малым падением напряжения (LDO)

В некоторых случаях линейные стабилизаторы могут быть очень эффективными, потребляя очень мало энергии. Это происходит, когда они работают с очень низким перепадом входного напряжения и выходного напряжения.

Например, если Vin – Vout составляет всего 300 мВ, то даже при токе нагрузки 3 А рассеиваемая мощность составляет всего 0,9 Вт, что является достаточно низкой мощностью для большинства регуляторов.

Минимальный дифференциал Vin-Vout, с которым может работать линейный регулятор, называется падением напряжения. Если разница между Vin и Vout падает ниже напряжения отключения, то регулятор находится в режиме отключения.

Регулятор в режиме отключения выглядит просто как небольшой резистор от входа до выхода. Это означает, что выход, по сути, просто отслеживает входное питание, и на самом деле никакое регулирование не выполняется.

В большинстве случаев вы хотите избежать работы линейного регулятора в режиме отключения. Ни в коем случае это ничего не повредит, но вы потеряете многие преимущества наличия регулятора.

Например, если на вашем входном источнике есть много шума сигнала, он обычно отфильтровывается линейным регулятором. Однако эта фильтрация не будет выполняться в режиме отключения, поэтому весь шум входного питания напрямую передается выходному напряжению.

Причина, по которой стабилизаторы с малым падением напряжения так полезны, заключается в том, что они позволяют управлять регулятором с очень небольшой рассеиваемой мощностью. Это связано с тем, что линейный регулятор наиболее эффективен, когда разница между Vin и Vout мала.

Многие старые линейные стабилизаторы имели очень высокое падение напряжения. Например, популярная серия стабилизаторов 7800 имеет спецификацию падения напряжения 2 В. Это означает, что входное напряжение должно быть как минимум на 2 В выше, чем выходное напряжение.

Рисунок 2. Старые 3-выводные линейные стабилизаторы требуют большего перепада напряжения Vin-Vout и, следовательно, потребляют больше энергии, чем более новые стабилизаторы LDO.

Хотя 2 В не очень много, если вы пропускаете 1 ампер тока через этот регулятор и у вас есть разница в 2 В, то 2 ватта мощности тратятся впустую.

Более новые стабилизаторы LDO могут иметь очень низкое падение напряжения менее 200 мВ при полной нагрузке.

LDO, работающий с перепадом напряжения всего 200 мВ, может пропускать в 10 раз больший ток при той же рассеиваемой мощности, что и линейный регулятор, работающий с перепадом напряжения 2 В. Таким образом, 1 ампер тока с дифференциалом Vin-Vout 200 мВ соответствует рассеиваемой мощности всего 0,2 Вт.

Краткий обзор линейных регуляторов

Линейные регуляторы полезны, если:

• Разница между входным и выходным напряжением мала
• У вас низкий ток нагрузки
• Вам требуется очень чистое выходное напряжение
• Дизайн должен быть максимально простым и дешевым

Как мы обсудим далее, импульсные стабилизаторы производят много шума на выходе и могут создавать неряшливое выходное напряжение.

Это может быть приемлемо для некоторых приложений, но во многих случаях требуется очень чистое напряжение питания. Например, при формировании напряжения питания для аналого-цифрового преобразователя или какой-либо аудиосхемы.

Таким образом, линейные стабилизаторы не только проще в использовании, но и обеспечивают гораздо более чистое выходное напряжение по сравнению с импульсными стабилизаторами, без пульсаций, пиков или шума любого типа.

Таким образом, если рассеиваемая мощность не слишком велика или вам не требуется повышающий регулятор, линейный регулятор будет лучшим вариантом.

Импульсные регуляторы

Импульсные регуляторы гораздо сложнее понять, чем линейные регуляторы. Линейный регулятор основан на силовом транзисторе, который управляет величиной тока, подаваемого на выход.

Если система управления линейного регулятора определяет, что выходное напряжение ниже, чем должно быть, то от входа к выходу может течь больший ток. И наоборот, если обнаружено, что выходное напряжение выше, чем должно быть, регулятор позволит меньшему току течь от входа к выходу, тем самым снижая выходное напряжение.

С другой стороны, импульсные стабилизаторы используют катушки индуктивности и конденсаторы для временного накопления энергии перед передачей ее на выход.

В этом уроке я разрабатываю печатную плату с использованием простого линейного стабилизатора, а в этом более подробном курсе я разрабатываю пользовательскую плату с использованием более сложного импульсного стабилизатора.

Существует два основных типа импульсных регуляторов: повышающий и понижающий.

Понижающий импульсный стабилизатор также называется понижающим стабилизатором, и, как и линейный стабилизатор, выходное напряжение ниже входного.

Рисунок 3. В импульсном понижающем регуляторе используется индуктор в качестве элемента временного накопления энергии для эффективного создания выходного напряжения ниже входного.

Если вы изначально планировали использовать линейный регулятор (понижающий), но определили, что рассеиваемая мощность слишком велика, тогда вам следует использовать понижающий импульсный стабилизатор.

Принимая во внимание, что повышающий импульсный регулятор создает выходное напряжение выше, чем входное напряжение, и называется повышающим стабилизатором.

Импульсные регуляторы очень эффективны даже при очень больших перепадах между входом и выходом.

Эффективность равна выходной мощности, деленной на входную мощность. Это отношение того, сколько мощности от входа переходит к выходу.

КПД = Pвых / Pin = (Vвых x Iвых) / (Vin x Iвх)          (Уравнение 3)

Уравнение эффективности такое же, как и для линейного регулятора. Однако, поскольку выходной ток равен входному току для линейного регулятора, уравнение 3 упрощается до простого:

Эффективность (линейный регулятор) = Vout / Vin          (уравнение 4)

Например, допустим, у вас есть 24 В на входе и нужно выводить 3 В при 1 А тока нагрузки. Если бы это был линейный регулятор, он работал бы с чрезвычайно низкой эффективностью, и почти вся мощность рассеивалась бы в виде тепла.

Эффективность линейного регулятора будет только 3 В / 24 В = 12,5%. Это означает, что только 12,5% мощности от входа доходит до выхода. Остальные 87,5% передаваемой мощности теряются в виде тепла!

Получите БЕСПЛАТНОЕ полное руководство по разработке нового электронного оборудования

С другой стороны, импульсные стабилизаторы обычно имеют КПД 90% или выше, независимо от разницы между входным и выходным напряжениями. Для импульсного регулятора около 9На выходе передается 0% мощности и только 10% тратится впустую.

Только когда Vin и Vout близки друг к другу, эффективность линейного регулятора можно сравнить с импульсным регулятором.

Например, если входное напряжение 3,6 В (напряжение литий-полимерной батареи), а выходное 3,3 В, то линейный стабилизатор будет иметь энергоэффективность 3,3 В / 3,6 В = 91,7%.

Повышающие регуляторы напряжения

В большинстве случаев выходное напряжение будет ниже входного. В этом случае следует использовать линейный стабилизатор или понижающий импульсный регулятор, как обсуждалось выше.

Однако есть и другие случаи, когда вам может потребоваться более высокое выходное напряжение, чем входное. Например, если у вас есть батарея на 3,6 В, а вам нужен источник питания на 5 В.

Рисунок 4. Импульсный импульсный стабилизатор использует катушку индуктивности в качестве временного накопительного элемента для эффективного создания выходного напряжения, превышающего входное напряжение.

Многие новички в электронике с удивлением узнают, что можно получить более высокое напряжение из более низкого напряжения. Для выполнения этой функции необходим импульсный регулятор, называемый повышающим регулятором.

В отличие от линейных стабилизаторов, выходной ток импульсного стабилизатора не равен входному току. Вместо этого вы должны смотреть на входную мощность, выходную мощность и эффективность.

Рассчитаем входной ток для повышающего регулятора. Предположим, что входное напряжение равно 3 В, выходное напряжение равно 5 В, выходной ток равен 1 А, а энергоэффективность составляет 90 % (как указано в техническом описании).

Чтобы понять это, нам нужно использовать немного базовой алгебры в уравнении 3, чтобы найти входную мощность:

Pin = Pout / Efficiency          (уравнение 5)

Мы знаем, что эффективность составляет 90% (или 0,90), и мы знаем, что выходная мощность составляет 5 В x 1 A = 5 Вт. Мы можем рассчитать, что входная мощность составляет 5 Вт / 0 .9 = 5,56 Вт.

Поскольку входная мощность составляет 5,56 Вт, а выходная мощность — 5 Вт, это означает, что регулятор рассеивает только 0,56 Вт.

Далее, поскольку мы знаем, что мощность равна произведению напряжения на ток, это означает, что входной ток равен:

Входной ток = 5,56 Вт / Vin = 5,56 Вт / 3 В = 1,85 A          (уравнение 6)

Для повышающего стабилизатора входной ток всегда будет выше, чем выходной ток. С другой стороны, входной ток понижающего стабилизатора всегда будет меньше выходного тока.

Понижающе-повышающие регуляторы

Предположим, вы питаете свой продукт от двух последовательно соединенных батареек типа АА. При полной зарядке две батареи AA могут выдавать около 3,2 В, но когда они близки к разрядке, они выдают только 2,4 В.

В этом случае ваше напряжение питания может варьироваться от 2,4 В до 3,2 В.

Теперь предположим, что вам нужно выходное напряжение ровно 3 В независимо от состояния батарей. Когда батареи полностью заряжены (выходное напряжение 3,2 В), необходимо понизить напряжение батарей с 3,2 В до 3 В.

Однако, когда батареи близки к разрядке (выходное напряжение 2,4 В), необходимо повысить напряжение батарей с 2,4 В до 3 В. комбинация повышающего и понижающего регулятора.

Для решения этой проблемы потенциально можно использовать отдельный понижающий регулятор, за которым следует повышающий регулятор (или наоборот). Но обычно лучше использовать один повышающе-понижающий регулятор.

Импульсный регулятор + Линейные регуляторы

Помните о трех преимуществах линейных регуляторов: дешевизна, простота и чистое выходное напряжение.

Может быть много случаев, когда вы хотите использовать линейный стабилизатор, потому что вам нужно чистое выходное напряжение, но вы не можете, потому что они тратят слишком много энергии.

В этой ситуации вы можете использовать импульсный регулятор, а затем линейный регулятор.

Допустим, у вас есть входное напряжение от литий-полимерной батареи 3,6 В, но вам нужен источник питания clean 5 В.

Для этого вы должны использовать повышающий стабилизатор, чтобы повысить напряжение до значения, чуть превышающего целевое выходное напряжение. Например, вы можете использовать повышающий стабилизатор для повышения напряжения с 3,6 В до 5,5 В.

Затем вы используете линейный стабилизатор, который берет 5,5 В и понижает его до 5 В, а также очищает шум и пульсации для получения чистого сигнала.

Это очень распространенный метод получения эффективности импульсного стабилизатора и бесшумного выходного напряжения линейного стабилизатора.

Если вы выбрали этот вариант и хотите специально отфильтровать помехи переключения, обязательно обратите внимание на коэффициент ослабления питания (PSRR) линейного регулятора.

PSSR заданного линейного регулятора зависит от частоты. Поэтому PSSR обычно представляют в виде графика, показывающего, как линейный регулятор подавляет любые пульсации на входе на различных частотах.

Рис. 5. Коэффициент ослабления источника питания (PSRR) в зависимости от частоты для TPS799 от Texas Instruments.