W układach elektronicznych stosuje się w większości przypadków regulację przez impulsowe włączanie i wyłączanie prądu wzbudzenia (rodzaj zastosowanego rozwiązania zależy od wartości napięcia na wyjściu prądnicy prądu przemiennego). Impulsowe włączanie i wyłączanie prądu wzbudzania nazywane jest regulacją typu PWM (ang. Pulse-Width Modulation). Jest to metoda regulacji sygnału prądowego bądź napięciowego o stałej amplitudzie i częstotliwości polegająca na modyfikacji wypełnienia sygnału. Układ typu PWM zasila urządzenia odbiorcze bezpośrednio lub przez filtr dolnoprzepustowy (wygładzający sygnał napięcia lub prądu). Modulacja szerokości impulsu odbywa się przez przełączanie tranzystorów lub tyrystorów między stanem przewodzenia a stanem zaporowym. W stanie przewodzenia występują nieznaczne spadki napięcia na układzie sterującym; są one jednak na tyle małe w porównaniu z przekazywaną mocą, że sprawność energetyczna układu regulacyjnego pozostaje na wysokim poziomie. W stanie zaporowym, zgodnie z tendencją konstrukcyjną układu, nie płynie prąd, a więc nie występują straty mocy.

Zasilanie za pomocą układu PWM pozwala na dokładne sterowanie urządzeniem. Regulator napięcia generuje opóźnienie do chwili, kiedy modulacja PWM osiągnie maksymalne wypełnienie impulsu wzbudzenia wirnika alternatora. Czas, w jakim to nastąpi, nazywany jest LRC (ang. Load Responce Control). Tym samym układ umożliwia kontrolę odpowiedzi alternatora na zadane obciążenie w wyniku naciśnięcia pedału przyspieszania. W wyniku zadanego obciążenia regulator napięcia obniża próg napięciowy, powodując spadek wydajności alternatora do wymaganego zakresu eksploatacyjnego. Proces ten obniża obciążenie mechaniczne silnika podczas nagłego przyspieszania, co przekłada się na wzrost przyspieszenia pojazdu. Standardowe opóźnienie stosowane w regulatorach napięcia wynosi ok. 12 s. Po tym czasie obciążenie silnika alternatorem ulega wzrostowi – przy wydatku prądowym ok. 140 A. Rozwiązanie LRC w połączeniu z modulacją PWM stanowi podstawę przyszłych elektronicznych regulatorów napięcia. W alternatorach kompaktowych tworzą one integralną całość z elementami trzymającymi (szczotkami).

W regulatorach wibracyjnych elementami członów wykonawczych zmieniającymi wartość prądu wzbudzenia są styki i rezystancja dodatkowa. W elektronicznych regulatorach napięcia rolę tę pełnią tranzystory. Rodzaj oraz parametry tranzystora współzależne są od wartości napięcia regulowanego alternatora, wartości maksymalnej prądu wzbudzenia alternatora, możliwości zastosowania układu tranzystorowego oraz rodzaju regulacji napięciowej i wartości mocy strat podczas procesu regulacyjnego w stanie przewodzenia tranzystora. W elektronicznych regulatorach prądnic prądu przemiennego element członu wykonawczego (tranzystor) musi przez odpowiednie sterowanie zapewnić dwa stany pracy – nasycenia i odcięcia.

Praca tranzystora w elektronicznym regulatorze napięcia nadzorowana jest w wyniku współdziałania dwóch członów – wzmacniającego i regulującego. Człon wzmacniający musi zapewnić wzmocnienie sygnału sterującego do poziomu optymalnego przepływu prądu wzbudzenia. Wymagany poziom prądu sterującego niezbędny do reakcji regulatora stanowi różnicę między wartością regulowaną (wymaganą) a wartością rzeczywistą (zadaną). Wartość regulowaną stanowi wartość napięcia regulatora, a wartość zadaną – żądany poziom napięcia. Poziom zadany zależy od czynników określonych warunkami wstępnymi, a te z kolei są zależne od warunków pracy i parametrów charakterystycznych dla całego układu.

Aby wartość minimalna prądu sterującego została osiągnięta, sygnał umożliwiający wysterowanie członu wykonawczego regulatora napięcia musi zostać odpowiednio wzmocniony, zazwyczaj za pomocą układu Darlingtona.

Ilustracja 1. Układ Darlingtona dwóch połączonych tranzystorów T1 i T2. © Piotr Wróblewski

Podstawową funkcją członu wzmacniającego jest zwiększenie mocy sygnału przy zachowaniu jego niezmienionego kształtu. Odbywa się to kosztem energii doprowadzonej z pomocniczego źródła napięcia stałego. Układ Darlingtona (ilustracja 1) to układ dwóch połączonych ze sobą tranzystorów T1 i T2 charakteryzujący się dużym wzmocnieniem prądowym i dużą rezystancją wejściową. Układ ten jest konstruowany z tranzystorów pojedynczych lub w postaci scalonej. Połączone ze sobą tranzystory T1 i T2 pracują jak pojedynczy tranzystor TD o współczynniku wzmocnienia prądowego równym iloczynowi współczynników wzmocnień prądowych obu tranzystorów. Układ Darlingtona przydatny jest w zastosowaniach wymagających dużych prądów lub w stopniach wejściowych wzmacniaczy o dużej impedancji wejściowej.

W tranzystorze Darlingtona TD spadek napięcia jest dwukrotnie większy niż w normalnym tranzystorze, zaś napięcie nasycenia jest równe co najmniej jednemu spadkowi napięcia na przewodzącej diodzie. Poza tym układ Darlingtona zachowuje się jak normalny tranzystor o dość małej szybkości działania. Ograniczenie tego zjawiska uzyskuje się poprzez dołączenie dodatkowego rezystora między emiter. Włączony w obwód rezystor dodatkowy zapobiega przewodzeniu tranzystora T2 wywołanemu przez prąd upływności tranzystora T1. Wartość rezystancji rezystora dodatkowego musi być tak dopasowana, aby spadek napięcia na nim powodowany przez prąd upływności tranzystora T1 był mniejszy od napięcia przewodzenia złącza B-E tranzystora T2 oraz aby nie pobierał za dużej wartości (części) prądu dla bazy T2. Rezystor B-E zazwyczaj stanowi integralną część tranzystora Darlingtona TD. W celu porównania wartości zadanej napięcia z wartością regulowaną w obwodzie regulatora napięcia wykorzystuje się człony pomiarowe. Do modulacji wartości napięcia regulowanego stosuje się odpowiednie dzielniki napięcia, zazwyczaj złożone z trzech szeregowo połączonych rezystancji. Wartość zadaną stanowi napięcie diody Zenera, a wartość regulowaną – napięcie na zaciskach alternatora.

W momencie zwiększania prędkości obrotowej wirnika alternatora od zera do wartości maksymalnej na zaciskach alternatora powstaje napięcie zgodne ze wzbudzeniem alternatora. Określona część napięcia wynikająca z położenia potencjometru rezystancyjnego porównywana jest z napięciem progowym diody Zenera. W członie wykonawczym zlokalizowany jest tranzystor T1, przez który przepływa prąd wzbudzenia. Jego wartość modulowana jest napięciem regulowanym i oporem obwodu. Podczas przepływu prądu wzbudzenia tranzystor T1 znajduje się w stanie nasycenia, natomiast pozostałe tranzystory T2 i T3 zlokalizowane w członie wzmacniającym są w stanie odcięcia. Przepływ prądu przez tranzystory T2 i T3 jest zablokowany. W wyniku osiągnięcia wymaganej wartości napięcia na potencjometrze rezystancyjnym w stosunku do diody Zenera następuje przepływ prądu przez diodę Zenera, a tym samym zamiana stanów pracy tranzystorów – tranzystory T2 i T3, przechodzą w stan nasycenia, a tranzystor T1 w stan odcięcia. Tranzystory T2 i T3 znajdujące się w stanie nasycenia powodują zanik prądu w obwodzie wzbudzenia, co w efekcie prowadzi do obniżenia wartości napięcia na zaciskach alternatora.

Ilustracja 2. Schemat członu wykonawczego, wzmacniającego i pomiarowego elektronicznego regulatora napięcia w układzie trzech tranzystorów współpracującego z alternatorem. © Piotr Wróblewski

Reasumując: przełączenie stanów pracy tranzystora z członu wykonawczego i tranzystorów z członu wzmacniającego następuje w chwili zrównania napięcia na potencjometrze rezystancyjnym z napięciem Zenera, przy czym stan ten jest zależny od kierunku przejścia (chwili narastania prądu). Rolą elektronicznego regulatora napięcia i jego członów wykonawczych (wzmacniającego i pomiarowego) jest utrzymanie wymaganej wartości napięcia na zaciskach alternatora w granicach średniej wartości zadanej, regulowanej za pomocą potencjometru rezystancyjnego.

Ważnym parametrem decydującym o konsekwencji i sprawności utrzymania zadanej wartości napięcia na zaciskach alternatora jest szybkość przełączania poszczególnych stanów pomiędzy tranzystorami. Jej zwiększenie można uzyskać przez włączenie w obwód (człony) regulatora napięcia pętli sprzężenia zwrotnego z dodatkowymi elementami rezystancyjnymi i pojemnościowymi (ilustracja 2).

Zasada działania regulatorów napięcia jest podobna, niezależnie od modelu alternatora. Zasadnicza różnica wynika z liczby zastosowanych tranzystorów w układzie całościowym, znajdującym się w członie wzmacniającym. Oznacza to, że zamiast układu Darlingtona można zastosować np. pojedynczy tranzystor zastępujący zgodnie z przykładem tranzystory T2 i T3. Wówczas prąd płynący od źródła energii elektrycznej (zacisk dodatni) przez rezystancję R1, bazę i emiter tranzystora T1 do masy oraz przez uzwojenie wzbudzenia i złącze kolektor–emiter tranzystora T1 do masy powoduje wzrost napięcia na zaciskach alternatora. Wraz ze wzrostem napięcia do poziomu przekraczającego wartość napięcia regulowanego (równą napięciu miedzy kolektorem i emiterem tranzystora UCEsat < 0,7 V) następuje przepływ prądu przez diodę Zenera, co powoduje przejście tranzystora T1 w stan odcięcia, a tranzystora T2 – w stan nasycenia. Przepływ prądu przez uzwojenie wzbudzenia zostaje zablokowany, powodując obniżenie wartości napięcia na zaciskach alternatora. W takim stanie pracy obwodu wykonawczego, wzmacniającego i pomiarowego elektronicznego regulatora napięcia prąd płynie z zacisku dodatniego alternatora przez diodę Zenera, złącze baza–emiter tranzystora T2 do masy oraz przez rezystancję włączoną pomiędzy tranzystor R1 i R2 i złącze kolektor–emiter tranzystora T2 do masy.

W rozpatrywanych przypadkach można zauważyć systematykę przebiegu procesu działania impulsowej regulacji napięcia PWM w elektronicznych regulatorach napięcia wynikającą z włączania i wyłączania poszczególnych tranzystorów, co w efekcie doprowadza do włączania i wyłączania prądu płynącego w obwodzie wzbudzenia alternatora. Rozwiązanie to stosowane jest w elektronicznych regulatorach jednofunkcyjnych.

Część druga artykułu dostępna jest po kliknięciu poniższego linku:www.autoexpert.pl/artykuly/elektroniczne-regulatory-napiecia-cz-2