Внимание! Данный регулятор предлагается в качестве замены контактно-вибрационного регулятора напряжения РР380 и предназначен для работы совместно с генератором переменного напряжения типа Г221, рассчитанным на включение регулятора в цепь "плюсового" вывода обмотки возбуждения.
Сразу скажу, что сделал и установил я этот регулятор еще в 1990-м году. Сейчас, учитывая обилие и ассортимент разнообразных готовых регуляторов, в том числе и интегральных, эта разработка уже не слишком актуальна. Тем не менее, она обладает рядом неоспоримых достоинств. К числу которых, учитывая тот факт, что она беспроблемно проработала на автомобиле почти 25 лет, можно смело отнести и надежность.
Особенности:
- Ток в обмотке возбуждения генератора регулируется с помощью ШИМ-контроллера, работающего с постоянной несущей частотой около 400 Гц. Это гарантирует высокую стабильность выходного напряжения генератора и отсутствие низкочастотных пульсаций и скачков напряжения, характерных для электронных регуляторов, работающих по релейному принципу;
- Напряжение измеряется именно на плюсовой клемме АКБ, а не на клемме "15" самого регулятора. В результате устраняется нестабильность выходного рапряжения генератора и проблемы с устойчивостью в контуре регулирования, обусловленные падением напряжения на участке цепи от плюсовой клеммы АКБ до клеммы "15" РН;
- Введена температурная зависимость напряжения заряда. При понижении температуры воздуха выходное напряжение генератора автоматически увеличивается, а при повышении температуры - снижается. Благодаря этому, АКБ полностью заряжается в холодную погоду и не кипит в жару, без применения каких-либо дополнительных регулировок и сезонных переключателей "зима-лето";
- Использован корпус штатного РР380 (металлический, прочный, просторный и герметичный). И вид получается совершенно аутентичный: любителям оригинала можно смело устанавливать без опасения "уколхозить" чужеродным предметом подкапотное пространство.
За основу взята разработка Е. Тышкевича, описание которой было опубликовано в журнале "Радио" 6/1984 [1]:
Отличия моей версии регулятора заключаются в следующем:
- схема оптимизирована (уменьшено общее число деталей);
- элементная база позаимствована у тогдашнего ВПК (ИМХО, ракеты в СССР получались все же ощутимо надежнее, чем телевизоры и магнитолы!);
- введен дополнительный измерительный вывод с клеммы "+" АКБ;
- введена температурная зависимость напряжения заряда;
- изменена конструкция регулятора, при этом использован корпус от РР380.
Мой вариант схемы регулятора:
Для чего же понадобилось вводить дополнительный провод с клеммы "+" АКБ?
А все дело в том, что в противном случае при эксплуатации автомобиля нередко возникает масса "непонятных" проблем: это и мерцание (с последующим досрочным перегоранием) лампочек, и мигание контрольной лампы заряда, и перезаряд и кипение АКБ и т.д.
Причина - одна. Ток до клеммы "15" идет по цепи: Клемма "30" генератора - Контакты замка зажигания - Предохранитель №10 - Клемма "15" регулятора напряжения (далее - с клеммы "67" на обмотку возбуждения, а с нее - на "массу"). Суммарное сопротивление всей этой канители (провода, контакты, предохранитель) даже на новой машине вряд ли будет меньше 0,1 Ом). Казалось бы, не много. Вот только по этой цепи проходит ток возбуждения генератора (даже для стокового Г221 это около 3А).
Согласно известному всем из средней школы закону Ома, это приведет к тому, что напряжение на клемме "15" будет на: 3 А х 0,1 Ом = 0,3 В меньше, чем на "плюсовой" клемме АКБ. Т.е., если регулятор "выставлен" на 14,0 В, то на батарее будет уже 14,3 В. При достижении этого напряжения регулятор прервет ток обмотки возбуждения, и напряжение на клемме "15" скачком подпрыгнет до 14,3 В. Ток возбуждения будет выключен до тех пор, пока напряжение в бортсети не упадет ниже 14 В. Затем обмотка возбуждения опять включится (снова просадка на 0,3 В) - и так по циклу. Таким образом, напряжение на АКБ (и практически во всей остальной бортсети) будет непрерывно колебаться примерно на 0,3 В.
Вроде бы, не страшно. Хотя некоторая неопределенность напряжения в бортсети уже сама по себе не совсем приятна. Но после N-го количества лет эксплуатации сопротивление этой цепи может вырасти до 1 Ом, а то и больше. Соответственно, "раскачка" напряжения может достичь целых 3 В! Ну, а если вдобавок еще и генератор ампер эдак на 80 или 105 (обмотка возбуждения наверняка помощнее)... Многие наверняка видели эти магические, завораживающие, волнообразные пульсации накала лампочек. Красиво - хоть на новогоднюю елочку! А если учесть, что они в той же степени прикладываются и к аккумулятору, через который при этом непрерывно - сколько работает двигатель - жестко штыбает туда-сюда в ритме диско десяток-другой ампер...
Радикальное лечение в теории просто, как угол дома. Надо в регуляторе напряжения предусмотреть отдельную измерительную цепь, которая отдельным же проводом подключается прямо к "плюсовой" клемме аккумулятора. Таким образом, выходное напряжение генератора будет в точности таким, как надо для нормального заряда АКБ, а паразитные колебания исчезнут раз и навсегда. Кстати, еще в эпоху коммунизма выпускались промышленные регуляторы напряжения (РН-4, кажется), в которых был реализован именно этот принцип. Возможность и особенности реализации применительно ко всем типам выпускаемых регуляторов излагать не берусь, ибо "никто не обнимет необъятного" (с). Дополнительно колебания напряжения уменьшаются благодаря тому, что данный регулятор по своему принципу не релейный, а широтно-импульсный, т.е. переключается с постоянной частотой около 400 Гц, а среднее значение тока возбуждения определяется коэффициентом заполнения импульсов. При этом ток через ОВ никогда не прерывается!
Теперь отсюда плавно перейдем к температурной зависимости. Известно, что с понижением температуры способность аккумулятора принимать заряд сильно уменьшается. Так, для обеспечения полного заряда при минус 20 градусов С требуется зарядное напряжение около 15,2 ... 15,3 В. Соответственно, в жару, во избежание выкипания электролита, желательно несколько снизить напряжение заряда относительно номинального при комнатной температуре (где-то до 13,5 ... 13,6 В). В моем случае такую зависимость обеспечивает стабистор VD6 типа КС119А (эквивалентен трем последовательно включенным в прямом направлении диодам), и эмиттерным переходом транзистора DA1.1 (в целом получается 4 последовательных p-n перехода с температурным коэффициентом по 2,3 мВ/град каждый): 2,3 мВ/град х 3 = 9,2 мВ/град, а с учетом коэффициента передачи делителя R8R10 - несколько больше, около 11 мВ/град) - другими словами, напряжение регулятора снижается на 0,11 В при увеличении температуры на каждые 10 градусов. Начальная установка - 14,2 В при 20 С.
Конечно, регулятор напряжения и аккумулятор находятся под капотом достаточно далеко друг от друга. Но на практике в процессе поездки их температура (на ощупь) примерно одинакова. Лепить же датчик температуры где-то прямо на АКБ и специально тянуть к нему провода - ИМХО, лениво, непрактично и ненадежно.
Детали
При повторении схемы в качестве ИМС DD1 можно применить любую, состоящую из 4-х элементов 2И-НЕ или 2ИЛИ-НЕ (схема специально разрабатывалась так, чтобы можно было использовать оба типа логических элементов) семейства КМОП (К164/К176/К561/К564/КР1561) ЛА7 или ЛЕ5. У зарубежных производителей эти микросхемы называются сообветственно 4011 и 4001. Можно применить также и инверторы (ЛН2 или 4069). Естественно, трассировку печатной платы в этом случае понадобится изменить. Неиспользуемые входы следует соединить с 14-й или 7-й ножкой ИМС (+ питания или корпус).
Следует иметь в виду, что ИМС в металлокерамическом или металлостеклянном корпусе найти сложно, т.к. на сегодня практически все они пали жертвами охотников за металлом. Но такой корпус будет намного надежнее пластикового. Особенно при работе в условиях подкапотного пространства. Это же в равной степени относится к диодам и транзисторам. Кстати, столь полюбившиеся в свое время советским радиолюбителям транзисторы КТ315 и КТ361 я вообще не рекомендовал бы использовать нигде, кроме детских игрушек: слишком непредсказуемо они ведут себя в сложных климатических условиях.
В качестве VT1 можно использовать любой маломощный кремниевый p-n-p транзистор: КТ326, КТ3107, BC557, 2N3906 и им подобные. С учетом того, что микросборку 1НТ251 в металлокерамическом корпусе сегодня найти проблематично, вместо нее можно применить дискретные транзисторы. Так, в качестве DA1.1 (выводы 2, 13, 14) и DA1.2 (выводы 5, 10, 11) можно использовать любые маломощные кремниевые n-p-n транзисторы: КТ312, КТ342, КТ3102, BC547, 2N3904 и т.п. Параллельно соединенные DA1.3 и DA1.4 (выводы 3, 4, 12 и 6, 7, 9) можно заменить одиночным кремниевым n-p-n транзистором средней мощности: КТ603, КТ608, КТ630, КТ645, КТ3117, 2N2222 и т.п. В качестве силового ключа VT5 я изначально поставил германиевый ГТ806. Но пару лет назад в жаркий день он все-таки умер в пробке от перегрева. При ремонте я поставил кремниевый КТ818ВМ в металлическом корпусе (см. фото в конце статьи).
Стабилитроны VD1 и VD2 типа Д818Е - прецизионные, напряжением 9 В. Замена VD2 нежелательна, т.к. он имеет жестко нормированный практически нулевой ТКН, и при замене обычным стабилитроном выходное напряжение генератора будет изменяться при изменении температуры совсем не так, как нам бы того хотелось. В крайнем случае можно использовать Д818 с другой буквой - чем дальше от Е в сторону А, тем хуже. Лучше (надежнее), если он будет в большом металлическом корпусе, а не в маленьком стеклянном. Импортный аналог советовать не берусь, т.к. неизвестно, насколько дикую китайчатину могут сегодня впарить вам под видом "прецизионного" стабилитрона. Параметры VD1 не критичны, поэтому туда можно смело поставить Д814Б или Д814В (лучше в металле), или импортный на 9,1 или 9,6 В. Стабистор VD6 типа КС119А можно заменить тремя последовательно соединенными диодами КД522, 1N4148 и т.п. - полярность включения катодом к катоду VD2. Такие же диоды (КД522 или 1N4148) можно использовать в качестве VD4 и VD5. В качестве VD3 удобно использовать КД202 с любой буквой: установить его можно прямо на радиатор транзистора VT5 без каких-либо прокладок и изоляторов, а его резьбовую шпильку использовать для крепления радиатора к основанию регулятора.
Керамические конденсаторы типа КМ, которые тогда использовал я, на сегодня вы вряд ли найдете. Ставьте К10-17 или аналогичные импортные (каплевидные):
Не ставьте дешевые китайские дисковые конденсаторы: эта экономия на надежности вылезет вам боком!
Электролитический конденсатор С4 должен быть рассчитан на рабочую температуру 105 градусов. Как вариант, можно поставить конденсатор с полимерным (твердым) электролитом.
Конструкция регулятора позаимствована из другой статьи (журнал "Радио" 4/1986 [2]). Описанный там регулятор показался мне достаточно примитивным (обычная релейная схема со всеми ее недостатками), но вот его конструктивное решение оказалось весьма удачным (см. взятую оттуда иллюстрацию - нумерация элементов там, естественно, не совпадает: она относится к другой схеме). Кстати, из этой же статьи я позаимствовал и принцип температурной компенсации.
Угольник, выполняющий роль радиатора и одновременно несущей конструкции, выполняем из листового дюраля или латуни толщиной 2 мм в соответствии с прилагаемым эскизом. Компоненты регулятора размещаем на двух печатных платах размером 52 х 40 мм, которые крепятся винтами по бокам угольника. Извините, что не привожу их трассировку: она делалась тогда только в бумажном варианте, и оригинал находится у меня в гараже. Если очень надо, то могу при случае взять и отсканировать. Хотя с учетом вероятных замен деталей, ценность этих чертежей будет не очень велика. Платы соединяются между собой отрезками луженого провода.
Транзистор VT5 привинчиваем к радиатору, а диод VD3 устанавливаем в отверстие A. С основания регулятора РР380 удаляем все детали, кроме пластмассового разъема с контактными планками и изолирующей прокладки.
Крепим угольник к основанию, навинчивая гайку на резьбовую шпильку диода VD3. Собранный регулятор без верхней крышки выглядит так:
Налаживание. Правильно собранный из исправных деталей регулятор начинает работать сразу. Единственное, что надо проверить и при необходимости подкорректировать - это напряжение стабилизации. При температуре 20 градусов и работающем двигателе напряжение на плюсовой клемме АКБ должно получиться 14,2 В. Если надо, корректируем подбором R10. В заключение, для защиты от влаги, покрываем монтаж регулятора лаком (можно погружением, вместе с платами и угольником) и высушиваем.
Литература
1. Тышкевич Е. ШИ регулятор напряжения. — Радио, 1984, № 6, с. 27, 28.
2. Коробков А. Автомобильный регулятор напряжения. — Радио, 1986, № 4, с. 44, 45.