Схемы реле регулятора для генератора автомобиля

Микроконтролерный реле регулятор.

Автор: Митько Виталий Сергеевич
Опубликовано 11.02.2016
Создано при помощи КотоРед.

Предлагаемое устройство предназначено для замены штатного реле-регулятора напряжения в бортсети автомобиля и отличается тем, что поддерживаемое им напряжение зависит от температуры аккумуляторной батареи. Оно не требует налаживания и с помощью сигнальной лампы на приборной панели сигнализирует о некоторых неисправностях системы электропитания автомобиля. Недостатком можно считать необходимость вмешательства в электропроводку автомобиля, так как схема подключения нового реле-регулятора отличается от стандартной. Устройство не предназначено для использования в автомобилях с генераторами, управляемыми по K-Line (Mercedes, BMW и некоторые автомобили концерна VAG).Схема реле-регулятора изображена на рис. 1. Его основа — микроконтроллер ATtiny85-20SU (DD1), который без изменения схемы прибора, его печатной платы и программы микроконтроллера можно заменить на ATtiny25-20SU или ATtiny45-20SU. С микроконтроллерами других типов приложенные к статье программы работать не будут.

Рис. 1. Схема реле-регулятора

Линия PB0 (вывод 5) микроконтроллера настроена как выход. На ней программа формирует сигнал управления лампой, имеющейся на приборной панели автомобиля. Через эту же лампу на линию PB1 (вывод 6) микроконтроллера поступает сигнал о том, что зажигание включено. Этот вход защищён от выбросов напряжения стабилитроном VD2. Кроме указанного на схеме, здесь пригоден любой стабилитрон на 3,3. 4,9 В в подходящем корпусе. Конденсатор C6 подавляет шум стабилитрона. Упомянутая выше сигнальная лампа 12 В, 1,2. 1,4 Вт включена в коллекторную цепь транзистора VT1, усиливающего сигнал микроконтроллера.

Номинал резистора R11, указанный не схеме, можно уменьшить до 1 кОм, но нельзя увеличивать. Это связано с тем, что вместе с конденсатором C6 он образует интегрирующую цепь, задерживающую на некоторое время после закрывания транзистора VT1 достижение напряжением на входе PB1 микроконтроллера высокого логического уровня. Для безошибочного определения включённого и выключенного состояния замка зажигания автомобиля это время не должно быть больше имеющейся в программе задержки. Максимально допустимое сопротивление резистора R11 2,2 кОм определено экспериментально.

Линия PB2 (вывод 7) микроконтроллера через усилитель на транзисторах VT2-VT4 управляет обмоткой возбуждения генератора автомобиля. Обратите внимание, что транзисторы VT2 и VT3 питаются напряжением не 5 В, а 9 В от стабилизатора напряжения на стабилитроне VD3. Это необходимо, чтобы подать на затвор транзистора VT4 напряжение, достаточное для его полного открывания, при котором сопротивление открытого канала этого транзистора и рассеиваемая на нём мощность минимальны. Стабилитрон 1N5239B можно заменить любым другим с напряжением стабилизации 9. 10 В.

К линии PB3 (выводу 2) микроконтроллера подключают датчик температуры аккумуляторной батареи автомобиля. Если в качестве этого датчика применён терморезистор RK1 (я использовал приобретённый на сайте https:// www.ebay.com герметизированный, с длинными выводами «NTC Thermistor temperature sensor 10K 1 % 3950»), то вместе с резистором R10 он образует измерительный делитель напряжения. Если датчик — LM335 (BK1), который подключают вместо терморезистора, то через тот же резистор на него поступает напряжение питания. Конденсатор С4 — сглаживающий.

Обратите внимание, зависимости выходного напряжения от температуры у терморезистора и интегрального датчика температуры неодинаковы, поэтому программы микроконтроллера при использовании этих датчиков должны быть разными. В первом случае — это ATTINY85_HTC_10K, во втором — ATTI-NY85_LM335. Конфигурация микроконтроллера в обоих случаях должна соответствовать табл. 1. Она совпадает с первоначально установленной заводом-изготовителем.

Линия PB4 (вывод 3) микроконтроллера использована как аналоговый вход для контроля напряжения в бортсети. Резисторы R1, R6, R7, R9 образуют делитель этого напряжения для подачи на АЦП микроконтроллера. C1R8C3 — фильтр, сглаживающий пульсации измеряемого напряжения.

Резисторы R2-R5 образуют с конденсатором С2 фильтр питания, а с резистором R17 — балластное сопротивление для стабилизатора напряжения на стабилитроне VD3. Интегральный стабилизатор LM1117-5.0 (DA1) обеспечивает напряжением 5 В микроконтроллер.

Устройство собрано на печатной плате, изображённой на рис. 2. Она рассчитана на установку резисторов типоразмера 1206 для поверхностного монтажа и таких же конденсаторов (за исключением оксидных C2, C7 и C8). К транзисторам VT2 и VT3 особых требований не предъявляется. Те, типы которых указаны на схеме, можно заменить другими маломощными соответствующей структуры с напряжением коллектор-эмиттер не менее 30 В и в корпусе SOT95. Вместо BCX56 подойдёт любой n-p-n транзистор средней мощности в корпусе SOT-89 с допустимыми током коллектора не менее 1 А, напряжением коллектор-эмиттер 30 В и более. При соответствующей доработке платы можно применить подходящие транзисторы и в других корпусах. Например, VT1 — серии КТ815, VT2 — серии КТ315, VT3 — серии КТ361.

Полевой транзистор IRLR2905 имеет сопротивление открытого канала 0,027 Ом, максимальный ток стока — 30 А и корпус TO-252AA. На его месте сможет работать, например, транзистор IRLR2705 (0,04 Ом, 20 А), но он будет выделять заметно больше тепла и потребует более эффективного теплоотвода. Другая возможная замена — полевой транзистор RFP50N06 (0,022 Ом, 50 А). Он довольно популярен в автомобильных УМЗЧ, но имеет корпус TO-220AB.

В качестве замены микросхемы LM1117-5.0 подходят по параметрам многие интегральные стабилизаторы напряжения +5 В. Но все они несовместимы с ней по назначению выводов. Поэтому при замене потребуется вносить коррективы в печатную плату.

Диод 10A7 (VD1, устанавливаемый вне печатной платы) можно заменить любым другим диодом с допустимыми прямым током 10 А и обратным напряжением не менее 100 В.

Печатная плата изготовлена из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита, но печатные проводники вытравлены только на одной её стороне. Фольга на противоположной стороне платы сохранена и соединена с общим проводом устройства. После травления в плате сверлят отверстия. Затем вырезают из алюминиевого, медного или латунного листа толщиной 1,5. 2 мм пластину-теплоотвод размерами 72×42 мм — немного больше, чем сама плата. Используя плату в качестве шаблона, сверлят в пластине четыре крепёжных отверстия (на рис. 2 эти отверстия большего, чем другие, диаметра).

Предназначенные для не соединяемых с общим проводом выводов деталей отверстия в плате зенкуют со стороны сплошной фольги сверлом большого диаметра, чтобы удалить фольгу вокруг них. Два нижних (по рис. 2) крепёжных отверстия необходимо раззен-ковать со стороны печатных проводников. Выводы деталей, соединяемые с общим проводом, при монтаже следует пропаивать с обеих сторон платы.

Закончив монтаж всех деталей и проверив его, положите на плату со стороны печатных проводников пластину-теплоотвод. Она должна опереться на корпус транзистора VT4 и на две шайбы толщиной 2,3 мм, наложенные на верхние (по рис. 2) крепёжные отверстия. Место соприкосновения теплоотвода с корпусом транзистора желательно смазать теплопроводной пастой. Плату и теплоотвод скрепляют четырьмя винтами с гайками.

После проверки готового изделия в работе его разбирают, покрывают плату несколькими слоями влагозащитного лака (обязательно!), при этом защитив от лака соприкасающуюся с теплоотводом поверхность транзистора VT4 и контакты XT1-XT6, и вновь собирают. Зазор между платой и теплоотводом можно залить термоклеем.

В автомобилях, оборудованных электрогенератором, обмотки статора которого соединены по схеме «звезда» с трёхфазным выпрямительным мостом на шести диодах, новый реле-регулятор подключают по схеме, изображённой на рис. 3. Но предварительно нужно удалить штатные реле-регулятор и реле контроля зарядки аккумуляторной батареи. Места разрыва цепей обозначены на схеме крестами. Отключив от корпуса автомобиля правый (по схеме) вывод сигнальной лампы, соединяют его, как показано на схеме утолщённой линией, с выводом замка зажигания. Диод VD1 (см. рис. 1) в рассматриваемом случае не требуется.

Рис. 3. Схема подключения нового реле-регулятора

Если обмотки статора генератора соединены «треугольником», а выпрямитель состоит из девяти диодов, то новый реле-регулятор подключают к нему по схеме, изображённой на рис. 4. Здесь, кроме проводов, шедших к старому реле-регулятору, нужно разрезать ещё один, присоединённый к левому (по схеме) выводу сигнальной лампы.

Рис. 4. Схема подключения нового реле-регулятора

Через диод VD1 (см. рис. 1) обмотка возбуждения генератора питается при включённом зажигании, но остановленном или работающем на малых оборотах двигателе автомобиля. В отсутствие диода VD1 генератор при запуске двигателя работать не начнёт.

Непосредственно от замка зажигания (без диода) напряжение на обмотку возбуждения подавать нельзя, так как в этом случае запущенный двигатель продолжит работать и после выключения зажигания.

Датчик температуры крепят к аккумуляторной батарее липкой с двух сторон лентой, не забыв предварительно обезжирить место крепления. На противоположную датчику и батарее сторону ленты наклеивают небольшую поролоновую пластину. Она предохранит датчик от нагревания горячим воздухом подкапотного пространства.

Пока зажигание выключено, программа микроконтроллера «спит». «Проснувшись» при его включении, она подаёт сигнал «напряжение ниже заданного» — сигнальная лампа часто мигает. Как только после запуска двигателя напряжение генератора достигнет нижнего порогового значения, лампа погаснет, а программа перейдёт в режим стабилизации напряжения. При превышении его верхнего порогового значения программа установит низкий уровень на линии PB2 микроконтроллера, чем закроет транзистор VT4 и отключит обмотку возбуждения генератора. При снижении напряжения ниже нижнего порога программа установит на линии PB2 высокий уровень, открывая транзистор, замыкающий цепь питания обмотки возбуждения. Значения напряжения верхнего и нижнего порогов (включения и выключения обмотки возбуждения) зависят от температуры аккумуляторной батареи жёстко заданы в программе. Они указаны в табл. 2.

По поводу значения напряжения, которое нужно поддерживать, идёт много споров. Теоретически при температуре аккумуляторной батареи -30 оС напряжение должно быть равным 15,9 В. Но как показывает практика, это слишком много для бортовой электроники. А напряжение 12,5 В при прогретой до +50 оС батарее, конечно же, слишком мало. Особенно летом при работающих кондиционере, вентиляторах радиатора и других потребителях тока. Такое напряжение приводит к временному отказу системы ABS. По указанным причинам решено было остановиться на интервале изменения напряжения 12,8. 15 В.

Если напряжение остаётся меньшим нижнего порога более 10 с, сигнальная лампа начинает мигать с частотой около 2 Гц. Предусмотрена также индикация неисправности (замыкания или обрыва) в цепи датчика температуры — мигание сигнальной лампы с частотой 0,5 Гц. В этом случае программа удерживает напряжение в пределах 13,8. 14 В. Устройство выключается при полном отключении питания либо при снятии питания с сигнальной лампы (выключении зажигания).

Файлы программ(AtmelStudio) и печатной платы (Sprint-Layout 6). В архиве.

Регулятор напряжения генератора: схема, проверка

Многие знают о таком устройстве, как регулятор напряжения генератора, но не каждый способен сказать, какие принципы лежат в основе его работы и как можно осуществить диагностику. Стоит отметить, что этот прибор крайне важен, ведь с его помощью происходит стабилизация напряжения на выходе генератора. Представьте, как работает двигатель в процессе движения. Обороты его постоянно изменяются, причем в широком диапазоне, начиная от 700-900 об/мин, а заканчивая пятью, семью либо даже десятью тысячами. Как следствие – частота вращения ротора генератора также изменяется в широком диапазоне. И при любом значении оборотов должно поддерживаться стабильное напряжение, которого будет достаточно для зарядки аккумуляторной батареи. Если имеются какие-либо дефекты, то требуется тщательная проверка регулятора напряжения генератора.

Механические регуляторы напряжения

История автомобилестроения насчитывает уже более сотни лет, за это время было изобретено и внедрено множество конструкций, которые улучшают показатели всех агрегатов. Среди них и реле-регулятор, так как современная машина не сможет без него нормально работать. Изначально использовались механические устройства, в основе которых лежало электромагнитное реле. Например, регулятор напряжения генератора ВАЗ первых моделей был именно таким.

У него, как оказалось позднее, нет никаких плюсов, сплошь и рядом недостатки. Причем основной минус – это низкая надежность вследствие того, что присутствуют подвижные контакты. Они со временем стираются, так как прибор работает постоянно, без остановок. Кроме того, иногда требуется проводить регулировочные работы, что не очень хорошо сказывается на эксплуатации автомобиля. Современность диктует правило, по которому машина должна проходить техобслуживание своевременно в сервисных центрах. И водитель не должен уметь проводить сложный ремонт, от него требуется только умение управлять автомобилем и менять колесо (это максимум).

Электронные реле-регуляторы

По причинам, указанным выше, широкое распространение получили регуляторы напряжения электронного типа. Прогресс не стоит на одном месте, поэтому на смену электромагнитным реле пришли ключевые транзисторы, симисторы, тиристоры. У них очень высокая надежность, так как отсутствуют механические контакты, вместо которых имеется кристалл полупроводника. Конечно, технология производства таких устройств должна быть продумана. В противном случае возможен выход из строя полупроводника. Осуществляется проверка регулятора напряжения генератора такого типа достаточно просто, нужно только учесть его особенности.

Если сравнивать с предыдущим, механическим типом реле-регуляторов, можно увидеть одну особенность – электронные выпускаются в одном корпусе с щетками. Это позволяет сэкономить место, а самое главное – облегчить процедуру замены и диагностики. Особая черта электронных типов – это точность регулирования напряжения. Свойства полупроводника не изменяются в процессе работы. Поэтому напряжение на выходе генератора всегда будет одинаковым. Но стоит поговорить и о способе регулирования, о том, как происходит весь процесс. А он достаточно интересный, придется рассмотреть в общих чертах конструкцию генератора.

Из каких элементов состоит автомобильный генератор

Основа – это корпус, иначе он называется статором. Это неподвижная часть любой электрической машины. В статоре имеется обмотка. В автомобильных генераторах она состоит из трех частей. Все дело в том, что на выходе генерируется трехфазное переменное напряжение, значение его — около 30 Вольт. Причина использования такой конструкции – уменьшение пульсаций, так как фазы перекрывают друг друга, в результате появляется после выпрямителя постоянный ток. Для преобразования напряжения используются шесть полупроводниковых диодов. Они имеют одностороннюю проводимость. Если произойдет пробой, то определить это при помощи тестера достаточно просто.

Но не будет на выходе статорной обмотки напряжения, если не учесть одно условие – необходимо магнитное поле, причем движущееся. Сделать его несложно, достаточно на металлическом якоре намотать обмотку и подать на нее питание. Но теперь возникает вопрос о стабилизации напряжения. Делать это на выходе нет смысла, так как элементы потребуются очень мощные, ведь токи большие. Но тут приходит на помощь конструкторам одна особенность электрических машин – если на роторную обмотку подать стабилизированное напряжение, то магнитное поле не будет изменяться. Следовательно, на выходе генератора также стабилизируется напряжение. Так же работает и генератор ВАЗ 2107, регулятор напряжения которого функционирует на тех же принципах, что и у «десяток».

Компоненты регулятора напряжения

Современные автомобили оснащаются довольно простыми конструкциями. Они неразборные, совмещены в одном корпусе два элемента – непосредственно регулятор и графитовые щетки, передающие напряжение питания на роторную обмотку генератора. Причем электронные типы устройств могут быть двух видов. Например, регулятор напряжения генератора ВАЗ-2110 выпуска конца 90-х годов был изготовлен на монтажной плате небольшого размера. Современные же устройства делаются с использованием одного кристалла полупроводника, в котором находятся все элементы. Можно даже сказать, что это небольшая микросхема.

Графитовые щетки подключаются к выводам монтажной платы или полупроводникового элемента. Напряжение к ним подается от аккумуляторной батареи через лампу, которая необходима для диагностики генератора. Обратите внимание на то, что нельзя ставить вместо нее светодиодные элементы, так как у них нет внутреннего сопротивления. Грубо говоря, лампа накаливания работает и в качестве предохранителя. Если нить перегорает, то прекращается подача напряжения на роторную обмотку, генератор перестает работать. Если же загорается лампа, то имеется поломка. Либо щетки стерлись, либо ремень порвался, но иногда случается и так, что выходят из строя полупроводниковые диоды в выпрямителе. В таком случае необходима замена регулятора напряжения генератора на новый.

Как снять регулятор

Если неисправность только лишь в регуляторе напряжения, то работ по его замене немного. Инструмента тоже особого потребуется – хватит одной отвертки. Полностью разбирать генератор не нужно, так как щетки с регулятором напряжения находятся на задней его крышке.

Не потребуется даже ослаблять ремень. Снимать регулятор напряжения генератора 2110 нужно в двух случаях:

1. Стерлись полностью щетки.
2. В полупроводнике произошел пробой.

Варианты проверки прибора будут представлены ниже. Для начала отключите аккумуляторную батарею. Дело в том, что от нее идет к генератору силовой провод, на нем нет никакой защиты, потому как с его помощью происходит зарядка АКБ. А ток потребления этой цепи очень высокий. На корпусе регулятора имеется один разъем, от него отсоедините провод. Теперь можно выкрутить два болта крепления. После этого регулятор напряжения генератора без труда извлекается из задней крышки. Настало время проверить его.

Диагностика регулятора напряжения

Первым делом обратите внимание на состояние щеток – если их длина меньше 0,5 см, то необходимо менять узел в сборе. Не стоит заниматься изобретением велосипеда. Припаивать новые щетки нет смысла, так как надежность от этого только пострадает. Так как проверить регулятор напряжения генератора можно несколькими способами, начать стоит с самого сложного – со снятием прибора. Для диагностики вам потребуется блок питания, на выходе которого напряжение можно изменять в пределах 10-18 Вольт.

Также вам необходима лампа накаливания. Ее электрические параметры следующие: напряжение питания — 12 Вольт, мощность — 2-3 Ватта. Подаете питание следующим образом:

1. Плюсовой вывод на разъем в корпусе регулятора (он на новых образцах единственный).
2. Минус на общую пластину.

Лампа накаливания включается между двумя щетками. Порядок действий следующий:

1. При подаче напряжения 12-12,5 Вольт лампа накаливания должна гореть.
2. При напряжении свыше 15 Вольт она должна гаснуть.

Если она горит при любом напряжении питания, либо не горит ни в одном из этих случаев, то имеется поломка регулятора и его требуется заменить.

Как сделать диагностику без снятия?

Не рекомендуется проводить такую проверку, так как нет возможности оценить состояние щеточного узла. Но случаи бывают разные, поэтому даже такая диагностика может дать свои плоды. Для работы вам потребуется мультиметр или, если такового нет, лампа накаливания. Для вас главное – это провести замер напряжения в бортовой сети автомобиля, определить, нет ли скачков. Но их можно заметить и при езде. Например, мигание света при изменении оборотов коленчатого вала двигателя.

Но точнее окажутся измерения, проведенные с использованием мультиметра или вольтметра с растянутой шкалой. Заведите двигатель и включите ближний свет. Подключите мультиметр к клеммам аккумуляторной батареи. Напряжение не должно превышать 14,8 Вольт. Но и нельзя, чтобы оно опускалось ниже 12. Если оно находится не в дозволенном интервале, то имеется поломка регулятора напряжения. Не исключено, что нарушены контакты в местах соединения прибора с генератором, либо окислены контакты проводов.

Модернизация схемы регулятора

То, насколько полной будет зарядка аккумулятора, напрямую зависит от регулятора напряжения. К сожалению, простые конструкции, описанные выше, имеют большой разброс параметров. Поэтому, купив в одном магазине три экземпляра одинаковых устройств, вы получите различное напряжение на выходе. И это факт, никто и спорить не будет. Если не хватает аккумулятору зарядки, то он будет за короткое время терять свою емкость. И завести двигатель не сможет. Потребуется его восстанавливать только стационарным зарядным устройством.

Но ведь можно установить регулятор напряжения генератора трехуровневый, который позволяет изменять характеристики простым переключением тумблера. В его схеме находятся два полупроводника, у которых характеристики немного отличаются. За счет этого появляется возможность регулировки выходного напряжения. При включении одного полупроводника на выходе появляется 14,5 Вольт, а если другой пустить в цепь, то будет несколько выше. Использование такого устройства актуально в зимний период времени, когда емкость АКБ снижается и требуется дополнительная зарядка.

Как установить трехуровневый регулятор?

Для этой процедуры вам потребуется небольшой набор инструментов. Нужна отвертка, термоусадочная изоляция, саморезы, возможно, что необходима будет дрель со сверлом 2-4 мм. Итак, все по порядку. Первым делом нужно выкрутить два болта, которыми крепится щеточный узел и регулятор. На его место нужно поставить новый, который идет в комплекте. Отличие его от простого в том, что там только стоят щетки, полупроводники расположены в отдельном блоке. Второй узел вам нужно расположить недалеко от генератора, на кузове автомобиля.

Для этого сделайте небольшие отверстия для крепления. Стоит заметить, что блок с полупроводниками нуждается в дополнительном охлаждении. Поэтому потребуется его устанавливать на радиатор из алюминия, только после этого производить крепеж к элементам кузова. Если не обеспечить достаточное охлаждение, то возможен выход из строя прибора, а также нарушение его работы – регулирование будет происходить неправильно. После окончания крепежных работ соединяете два узла проводами, проводите изоляцию. Желательно соединительные провода крепить с помощью хомутов-стяжек к имеющимся жгутам.

Можно ли самостоятельно изготовить трехуровневый регулятор?

Если вы знакомы с радиотехникой, можете найти на диоде катод и анод, то для вас не составит труда самому сделать такое устройство. Вопрос в том, есть ли в этом смысл. Вам потребуется для изготовления два диода Шоттки. Если они у вас имеются, то цена конструкции окажется мизерной. Но если же их придется покупать (причем неизвестно, по какой цене), то можно сравнить затраты со стоимостью готового трехуровневого регулятора. Схема регулятора напряжения генератора трехуровневого типа несложная, повторить ее сможет любой человек, который умеет обращаться с паяльником.

Для реализации вашей задумки потребуется еще пластиковый корпус. Можно использовать и алюминий, это даже будет лучше, так как охлаждение будет происходить эффективнее. Только желательно покрыть все поверхности слоем изоляции, чтобы при езде не произошло замыкание контактов на корпус. Также вам потребуется установить переключатель, который будет коммутировать полупроводниковые элементы. Работы по установке прибора на автомобиль аналогичны тем, что были описаны в прошлом пункте. Стоит также заметить, что вам необходимо все равно приобретать щеточный узел.

Выводы

Не нужно пренебрегать таким прибором, как регулятор напряжения автомобильного генератора. От его качества и состояния зависит срок службы аккумуляторной батареи. И если имеются какие-либо дефекты в приборе, то его необходимо заменить. Следите за состоянием этого элемента, при необходимости зачищайте контакты, чтобы не появлялись сбои. Генератор находится в нижней части моторного отсека, а если нет грязезащитного щитка, то на него попадает очень много воды и грязи в плохую погоду. А это приводит к появлению дефектов, причем не только в регуляторе напряжения, но даже в обмотках статора и ротора. Поэтому для нормального функционирования всех систем необходим уход за автомобилем. И перед тем как проверить регулятор напряжения генератора, проведите тщательный осмотр и очистите от загрязнений все элементы конструкции.