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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Estabilizador de tensão com compensação térmica. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Protetores contra surtos O estabilizador de tensão é um dos componentes mais importantes do sistema de equipamento elétrico de um carro moderno. Por isso, artigos dedicados ao projeto e operação da unidade apareceram mais de uma vez nas páginas da revista Rádio. E, no entanto, aparentemente, é muito cedo para pôr fim a este tópico... Os projetos de estabilizadores de maior sucesso publicados na Rádio, por exemplo, [1; 2], permitem manter a carga ideal da bateria em diferentes temperaturas. O artigo [3] descreve um estabilizador de tensão com controle de largura de pulso, que difere de outros similares por sua frequência operacional constante. Junto com as vantagens óbvias desses dispositivos, eles também apresentam uma desvantagem significativa - uma potência significativa de suas próprias perdas. Na versão do estabilizador que proponho, as perdas de potência são reduzidas em três vezes, o que elimina o problema de remoção de calor dos elementos de saída do dispositivo. Para garantir a compensação térmica máxima, o sensor de temperatura é imerso diretamente na solução eletrolítica da bateria. O estabilizador tem um design mais simples, mas possui melhor estabilização de tensão. Sabe-se que nos modelos “clássicos” de carros VAZ, devido à distância relativa do estabilizador 121.3702 do gerador e da bateria, não é possível monitorar com precisão a tensão nos terminais da bateria devido a uma queda de tensão nos fios de conexão e contatos do conector. Por causa disso, a estabilização é muito condicional. Como as medições mostraram, a instabilidade mesmo em um carro novo pode atingir várias centenas de milivolts. O estabilizador levado ao conhecimento dos leitores destina-se à instalação no lugar do nó 121.3702 e possui as seguintes características técnicas principais:
No desenvolvimento do estabilizador, foram levadas em consideração as ideias propostas em [1-3], bem como a experiência de operação de um veículo em diversas condições climáticas. O diagrama esquemático do dispositivo é mostrado na Fig. 1. Funcionalmente, consiste em duas partes - medição A1 e regulação A2. A placa com a peça de medição é montada próxima à bateria, e a placa com a peça reguladora é montada no lugar do estabilizador anterior.
Quando os contatos SA1 são fechados, abre-se uma chave eletrônica, cujo papel é desempenhado pelo transistor de efeito de campo VT1, e conecta sensores de tensão e temperatura, formando um elemento de medição em ponte, à bateria GB1. O sensor de tensão é um divisor resistivo R5R6 e o sensor de temperatura é um circuito em série de diodos VD1-VD4. O sinal retirado da diagonal da ponte é alimentado na entrada do amplificador diferencial. O sinal amplificado é convertido em uma sequência de pulsos com ciclo de trabalho variável proporcional ao nível do sinal. A frequência do pulso é determinada por um gerador auxiliar de tensão em dente de serra. Em seguida, o sinal, após amplificação da corrente, vai para a chave de saída. O principal elo do estabilizador é o controlador de largura de pulso DD1, que inclui o mencionado amplificador diferencial, gerador, conversor e amplificador de corrente. O uso de uma chave síncrona push-pull, feita nos transistores de efeito de campo VT3-VT5, pode reduzir significativamente as perdas de potência. Em um sistema elétrico convencional, quando a ignição é ligada, a corrente começa a fluir pelo enrolamento de excitação do gerador e, se a partida do motor for atrasada por um motivo ou outro, há desperdício de energia para aquecê-lo. Para eliminar esta desvantagem, um dispositivo de bloqueio é introduzido no estabilizador descrito, conectado eletricamente ao sensor de pressão do óleo. Em outras palavras, até que o motor atinja o modo de operação (e a luz indicadora “Sem pressão de óleo” esteja acesa no painel de instrumentos), nenhuma corrente flui para o enrolamento de campo. No estado inicial, os contatos da chave de ignição SA1 estão abertos e os contatos do sensor de pressão do óleo SF1 estão fechados. A chave VT1 está fechada. Quando a ignição é ligada, os transistores VT2 e VT1 abrem, a tensão da bateria GB1 é fornecida aos sensores de tensão e temperatura. A utilização de um transistor de efeito de campo com canal induzido para chave se deve, em primeiro lugar, à simplicidade de controle de abertura e fechamento, em segundo lugar, à ausência de tensão residual característica dos transistores bipolares e, em terceiro lugar, à baixa resistência de o canal aberto. Ao mesmo tempo, a luz avisadora HL1 no painel do veículo acende, indicando falta de pressão do óleo. A corrente determinada pelo resistor R7 ainda não flui pelos diodos VD1-VD4, pois é fechada através do diodo interno do controlador DD1, conectado entre os pinos 1 e 2, e dos contatos fechados SF1 ao fio comum. A descrição do princípio de funcionamento do controlador K1156EU1 e seus parâmetros elétricos são omitidos aqui, mas podem ser encontrados em [4; 5], por ser um análogo do conhecido controlador uA78S40 da Motorola. Como a tensão na entrada não inversora (pino 6) do amplificador operacional interno do chip DD1, conectado por um amplificador diferencial, é maior do que na entrada inversora (pino 7), um alto nível está presente em sua saída OAout (pino 4). Uma tensão de polarização igual à metade da tensão de alimentação é aplicada à entrada não inversora do CMR (pino 9) do comparador do divisor R12R13, e como a entrada inversora (pino 10) é alta, a tensão na saída do o comparador está próximo de zero. A lógica do controlador é tal que se a saída do comparador estiver baixa, é proibido ligar o transistor de saída interno do amplificador de corrente. Este amplificador possui uma saída desbalanceada e para o correto funcionamento do comutador síncrono é necessário o controle de paráfase. Para tanto, um inversor de fase baseado em um transistor de efeito de campo VT3 é introduzido no estabilizador. O divisor de tensão R15-R17 garante que a abertura dos transistores VT3, VT5 e VT4 seja fechada, uma vez que a queda de tensão no resistor R19 não excede a tensão de corte. O capacitor de reforço de tensão C3 é carregado com corrente através do diodo VD5 e do transistor VT5 para a tensão de alimentação. Após a partida do motor, os contatos SF1 do sensor de pressão do óleo abrem e a lâmpada HL1 apaga. A corrente através do diodo interno do controlador DD1 (pinos 1 e 2) é interrompida e começa a fluir através do sensor de temperatura VD1 - VD4, nele é estabelecida uma tensão proporcional à temperatura do eletrólito. A partir deste momento, a tensão na diagonal da ponte de medição muda de sinal, devido ao qual a tensão na saída OAout do controlador torna-se inferior à metade da tensão de alimentação, o comparador muda para um estado de alto nível e o amplificador de corrente é ligadas. Como resultado, os transistores VT3 e VT5 fecham, e o fechamento do transistor VT5 ocorre de forma acelerada graças ao diodo VD6. A tensão do capacitor carregado C3 através do resistor R18 é aplicada à porta do transistor VT4 na polaridade de abertura, o que leva à sua abertura. Na verdade, a tensão de porta do transistor VT4 em estado estacionário é aproximadamente igual ao dobro da tensão de alimentação. Neste estado, o transistor permanece ligado por algum tempo t, determinado pela capacitância do capacitor C2 [4; 5]: ton = 25·103 C2, onde ton está em microssegundos, C2 está em microfarads. Para uma operação confiável do transistor VT4, é necessário que a constante de tempo do circuito de descarga tdisp3 do capacitor C3 satisfaça a condição: tdisp3 = (R18 + R19)-C3 >> ton. Deve-se observar que este capacitor é recarregado no modo de operação através da carga (enrolamento de excitação). A relação entre tempo aberto e fechado na saída do controlador é limitada internamente a aproximadamente 9:1. Portanto, após um certo tempo, o amplificador de corrente fecha e o transistor VT3 abre. O transistor VT4 desliga e o VT5 liga. Isso completa o ciclo de comutação (período). A duração dos estados aberto e fechado dos transistores VT4 e VT5 é escolhida de forma que a corrente de passagem seja mínima. Como durante um período de comutação a corrente no enrolamento de excitação do gerador não atinge o valor requerido, o controlador opera com o ciclo de trabalho especificado por vários ciclos. A corrente no enrolamento e a tensão na bateria aumentam. Assim que a tensão na diagonal de medição da ponte se aproximar de zero, o controlador, ao alterar o ciclo de trabalho, manterá este estado. Na realidade, tendo em conta a inércia do sistema (indutância do enrolamento de excitação, etc.) e a mudança de fase, a forma da tensão de carga tem uma forma trapezoidal. Na Fig. 2 são apresentados para comparar a família de características de autoperda do estabilizador industrial automotivo 121.3702 e aquelas descritas acima. Os gráficos mostram que para um estabilizador com controle PSI, a perda de potência Ppot é menor e constante em toda a faixa de variação da carga Pn e da rotação do virabrequim do motor N. Conseqüentemente, sua eficiência é maior. O ganho de energia comparado a [1; 2]. Todos os itens acima confirmam a viabilidade de usar uma chave síncrona usando transistores de efeito de campo.
O dispositivo usa resistores de precisão R5-R11 C2-29V, C2-14, etc. com um TCR não pior que ±200-10-6 °C-1. É permitido usar um resistor de sintonia SP5-6V ou similar em vez de R5 e R1; os resistores restantes são de uso geral. Capacitores C1, C3 - K50-35, C2 - K73-17. Choke L1 - indutância DM0.1 "! 60 μH. O transistor de efeito de campo BS250 pode ser substituído por qualquer outro transistor de canal p com uma porta isolada e uma resistência de canal aberto não superior a 10 Ohms. Em vez do BSS91, qualquer transistor de efeito de campo de canal n de potência média com uma porta isolada e uma resistência de canal não superior a 20 Ohms é adequado. Potentes transistores de canal n VT4, VT5 devem ter uma resistência de canal não superior a 0,03 Ohm e uma tensão operacional de porta-fonte de pelo menos 20 V. É mais conveniente usar transistores em pacotes DPAK (TO-252) de tamanho pequeno , por exemplo, MTD3302 da Motorola. Os diodos KD102A podem ser substituídos por KD103 com qualquer índice de letras. Em vez do K1156EU1, o controlador KR1156EU1 é adequado se você não pretende operar o carro em temperaturas abaixo de -15 °C. Estruturalmente, as peças de medição e controle são montadas em duas placas de circuito, as conexões são feitas com fio MGTF 0,07. Para circuitos com alta corrente, é utilizado um fio de montagem com seção transversal de pelo menos 0,75 mm2. As placas são conectadas entre si por um cabo flexível de dois fios RVSHE1 em trança blindada; os fios são torcidos em um cordão. O mesmo cabo, mas sem trança, é usado para conectar a peça de medição à bateria. A placa de medição deve ser colocada em uma caixa metálica adequada. O design do sensor de temperatura geralmente não difere daquele descrito em [2]. A lâmpada com diodos é feita de bainha de cabo de polietileno. Os diodos são imersos em pasta condutora de calor KPT-8 para melhor transferência de calor das paredes para o interior dos diodos. Um tubo de polietileno de menor diâmetro é colocado firmemente nos condutores (par trançado). Usando um ferro de solda aquecido à temperatura de fusão do polietileno, solde previamente o fundo do frasco. Por último, solde a junção do bulbo e do tubo do cabo. A estanqueidade das costuras deve ser alta, pois o frasco ficará imerso no eletrólito da bateria durante a operação. Para configurar um estabilizador de tensão, você precisará de uma fonte DC com tensão de saída ajustável de 10 a 15 V em uma corrente de carga de até 3 A, um voltímetro DC com classe de precisão de pelo menos 0,1 e um resistor de carga com uma resistência de 5 Ohms. Um capacitor de óxido com capacidade de pelo menos 10000 μF deve ser conectado em paralelo à fonte. Temporariamente, o resistor R6 é substituído por um variável com resistência de 3 kOhm, e o pino 1 do controlador é conectado ao fio comum. Primeiramente, uma tensão de 15 V é fornecida da fonte de alimentação e a corrente consumida pelo dispositivo é controlada - não deve ultrapassar 50 mA. A conexão temporária do pino 1 com o fio comum é aberta e a tensão de alimentação é reduzida para 13,6 V. Usando um resistor variável R6, uma sequência de pulsos aparece nas saídas DC e SC do controlador, e uma sequência de pulsos invertida com amplitude igual à tensão de alimentação aparece na saída do estabilizador. O transistor VT4 não deve aquecer. O estabilizador é finalmente ajustado após ser instalado no carro. O sensor de temperatura é imerso em uma solução eletrolítica através de um orifício no plugue de uma das latas intermediárias da bateria. Conecte todos os circuitos conforme diagrama, ligue a ignição e certifique-se de que não há tensão na saída do estabilizador. Dê partida no motor e, em marcha lenta com os consumidores desligados, ajuste a tensão de carga da bateria através do resistor variável R6 de acordo com as recomendações [1]. Se o carro não estiver funcionando há muito tempo, as temperaturas do ar ambiente e do eletrólito podem ser consideradas iguais. Depois de definir a tensão, o resistor variável R6 é substituído por um constante. Ao alterar a rotação do motor e a carga do gerador, a instabilidade da tensão de carga é controlada; não deve ser pior que ±0,02 V. Ao dirigir em condições de inverno, às vezes pode ser necessário esclarecer o valor do resistor R7. Deve-se lembrar que após ajustar o resistor R7 é necessário selecionar novamente R6. Para o funcionamento eficaz do estabilizador e prolongamento da vida útil da bateria, é desejável, em primeiro lugar, equalizar a densidade do eletrólito em todos os bancos para ±0,01 g/cm3, sendo que a densidade deve corresponder à zona climática [6] , e em segundo lugar, limpe periodicamente a tampa da bateria com uma solução aquosa fraca de amônia (10%) para evitar vazamento de corrente através de contaminantes; em terceiro lugar, cubra o perímetro da caixa da bateria, se for preta, com papel alumínio (por exemplo, Quintol ou cola Moment) - isso reduzirá a temperatura do eletrólito em 5...10 °C, o que é especialmente importante no verão. Durante o período de três anos de operação do estabilizador em um carro VAZ 2106, nenhum comentário foi observado em sua operação, o eletrólito da bateria não ferveu e não houve necessidade de adicionar água. Durante minha inspeção anual da bateria, verifico a densidade do eletrólito e a tensão de carga. Literatura
Autor: V. Khromov, Krasnoyarsk
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