基于自激磁式车用交流发电机电压调节器的设计

陈立东，王宝良，刘荣昌，石 磊

(河北科技师范学院机电工程学院，河北秦皇岛，066600)

汽车发电机电压调节器用于调节汽车发电机的输出电压，使其不受发动机转速变化和发电机负载变化的影响，保证汽车在行驶过程中发电机的输出电压稳定，其性能的好坏，直接影响汽车及其用电设备的工作。目前国内生产的车用交流发电机电压调节器多采用晶体管控制交流发电机励磁电流的方法来调节发电机输出电压［1］，其缺点是:(1)现有的集成电路式或晶体式调节器已经不适应大功率交流发电机的匹配要求;(2)工作频率较低，导致交流发电机磁场建立较慢，发电机输出电压的稳定性变差，给汽车电器造成电冲击，容易引起汽车电器的损坏;(3)当发电机工作在低转速状态，电压调节器的工作频率也相应较低，容易使发电机输出电压出现较大波动，致使汽车部分电器不能正常工作;(4)当发电机工作在高转速状态，调节器的工作频率也相应增高，导致调节器电路中的大功率三极管发热，从而使调节器使用寿命变短［2］。因此，亟需设计与国内汽车用交流发电机配套的新型调节器［3～4］。为此，笔者采用低功耗集成电路和CMOS电子开关控制交流发电机励磁工作，以解决传统交流发电机电压调节器在起动发动机时需他励，而在发动机熄火时造成蓄电池放电的缺点。

1 自激磁式电压调节器技术指标

新型低功耗自激磁式电压调节器主要是利用CMS电子开关和电压波动传感器实现发电机电压调节与控制。其技术指标如表1所示。

表1 自激磁式电压调节器技术指标

2 自激磁式电压调节器基本工作原理

集成电路晶体管电压调节器以晶体管电压调节为基础，利用晶体管作为开关管控制交流发电机励磁电流的大小，从而调节交流发电机的输出电压，传统的电压调节器一般用晶体三极管作为开关管控制励磁电路的通断［5］，其基本工作原理如图1所示。图中大功率三极管串联在交流发电机励磁绕组W的电路中，通过设置大功率三极管的导通条件就可以控制流经W的励磁电流，其特点是三极管的开关频率高，且不产生火花，调节精度高，还具有质量轻、体积小、寿命长、可靠性高、电波干扰小等优点。

3 自激磁控制电路的设计

自激磁式汽车发电机电压调节器由一个三引脚的通用电压调节器和一个自激磁控制电路组成(图2)。通用电压调节器的结构原理见文献［1］。自激磁控制电路由采样比较电路、过热保护电路等组成，其功用是利用采样比较电路监测控制场效应管的工作，使场效应管控制通用电压调节器的电源端，避免其与外接电源连接或接充电指示灯，使外部电路复杂，采用本电路可以简化整体线路、提高工作可靠性。自激磁控制电路的具体结构为电阻R1与稳压管D1串联后分别接电源正极和电源负极，并提供一个参考电压点，电压比较器IC的同相输入端接参考电压点;电阻R2和电阻R3串联后并接在稳压管D1上，由分压器的分压点接在电压比较器IC的反相输入端，电阻R4与电容C1串联后接电源正极和分压点;电阻R5和R6串联后接电源正极和IC的输出端，分压点A接场效应管Q1的栅极，电容器C2接在IC输出端和电源负极之间，Q1的源极接电源正极，漏极串联电阻R7后接激磁电源正极。自激磁电路中利用场效应管作为开关管，具有很高的输入阻抗，较大的功率增益及热稳定性好，抗辐射能力强，噪声系数小的优点［6］。

图1 晶体管电压调节器工作原理

图2 自激磁控制电路原理

3．1 采样比较电路

汽车调节器的功能是调节发电机的输出电压，将其控制在某一值附近(14 V左右，一般为13．8～14．6 V)，其控制基础是采样比较电路。采样比较电路的功能是将来自基准电压源的基准电压和发电机的取样电压进行比较。当发电机输出电压低于14 V时，励磁电流调整管正常工作，流过发电机转子绕组的励磁电流迅速上升，发电机输出电压也迅速升高。当发电机输出电压高于14 V时，励磁电流调整管处于截止状态，流过发电机转子绕组的励磁电流迅速下降，发电机输出电压也随之下降。电子调节器的电压取样方式有2种，即取样发电机的输出电压和取样蓄电池的电压，在分离器件调节器中大多采用双取样法。电阻R1和R2组成分压电路，与Q1组成一节能电路，在发动机停止工作时，可切断调节器与蓄电池之间的电路，减少电能消耗，A为采样点，为Q1提供电压信号［7］。

图3 过载保护电路原理

3．2 过载保护电路

为了防止损坏调整管，本电路可另设过载保护电路(图3)。当电子电压调节器过载或输出短路时，限流保护机制将输出电流限定在最大值，此时调整管损失的功耗很大。而截流保护机制在降低输出电压的同时也降低了输出电流，因而减小了系统损失的功耗。使用一个PMOS管M1与调整管M0进行镜像，当流过M0的电流增大时，M1的电流也增大，流过R2的电流增大，当调整管的电流达到最大电流时，加载到R2的电压等于基准电压Vref，当流过调整管的电流继续增大时，比较器的输出反相，M2导通，输出到调整管的栅极电压为高电平，使调整管截止，以达到保护调整管的作用［8］。

3．3 过热保护电路

调整管是发热元件，当电路工作时，调整管将因消耗功率而发热，使集成电压调节器基片温度升高，特别是单片型集成电子电压调节器，由于散热不良且电流过大，温度会越升越高，为此过热保护电路是必不可少的。

4 试验结果

新研制的自激磁式电压调节器于2011年7月在秦皇岛纳川电子有限公司进行了台架试验。试验在(23±5)℃，(130±2)℃，(－40±5)℃等3种温度及发电机转速为2 000 r/min，6 000 r/min条件下随机选取5个调节器进行了转速特性试验和负载特性试验，其试验结果如表2所示。

表2 自激磁式电压调节器实验结果 V

由测试结果可以看出，在不同温度条件和转速情况下，经调节器调节后输出电压均在16 V以下变化，且变化幅度较小。其转速特性ΔU≤0．2 V，负载特性ΔU′≤0．5 V，温度系数为－3．5 mV/℃，建压转速935 r·min－1，导通压降为0．30 V，满足调节器技术指标要求。

5 结 论

基于自激磁式车用交流发电机电压调节器，输出电压精度达到预想的目标，满足技术指标要求，其稳压性能已经超过了许多同类电压调节器。不仅体积小、质量轻、价格低廉而且具有抗干扰能力强，可靠性好、调压精度高的特点。

［1］麻友良．汽车电器与电子控制系统［M］．北京:机械工业出版社，2010．

［2］孟庆浩．汽车电器设备与维修技术［M］．济南:山东科学技术出版社，2010．

［3］谢在玉．汽车电源系统及其电压调节器的工作原理与电路检测分析［J］．产业与科技论坛，2008，7(10):140－142．

［4］黄会平，王宝良．内装式电压调节器结构原理及常见故障分析［J］．汽车电器，2012(7):58－62．

［5］朱正涌．半导体集成电路［M］．北京:清华大学出版社，2001．

［6］张绪光，刘在娥．模拟电子技术［M］．北京:北京大学出版社，2010．

［7］王基石，宁江华，丁召．一种单片式CMOS汽车电子调节器［J］．现代电子技术，2010，33(9):164－167．

［8］罗展清．CMOS汽车电子电压调节器［D］．贵阳:贵州大学，2008．