Схемы генераторов с возбуждением от выхода генератора — Схемы без дополнительных диодов
Схема автомобильного генератора, это схема самого генератора, схема соединенного с ним регулятора напряжения и схема цепи возбуждения генератора. Генератор с регулятором напряжения иногда называют – генераторная установка.
Автомобильный генератор — это трехфазная синхронная машина. Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции. Смысл явления состоит в том, что в обмотке индуктируется электродвижущая сила, если вокруг нее действует изменяющееся магнитное поле. Значит, генератор должен состоять из обмотки и вращающегося магнита. Обмотка наматывается на кольцевой сердечник, а внутри обмотки вращается ротор. Процесс намагничивания ротора, называется возбуждением генератора. Для намагничивания ротора в нем есть своя обмотка, в которую ток попадает через щетки. Ток, намагничивающий ротор, называется ток возбуждения, а обмотка ротора называется обмотка возбуждения.
По принципу действия синхронный генератор, создает переменное напряжение, а для зарядки аккумулятора и для работы всего электрооборудования, нужно постоянное напряжение, поэтому в любой автомобильный генератор, входит выпрямитель — трехфазный диодный мост. Переменный ток генератора выпрямляется диодным мостом и во внешних цепях действует постоянное напряжение и протекает постоянный ток.
Регулятор напряжения – обязательный элемент схемы, он поддерживает необходимый уровень выходного напряжения генератора.
Регулятор напряжения включается в цепь возбуждения. Его задача управлять током возбуждения. Он работает в режиме открыто – закрыто, то есть, он все время включает и выключает ток возбуждения. Напряжение генератора повышается, он отключает ток возбуждения — напряжение снижается, он снова включает ток возбуждения и напряжение повышается. Таким образом, он не дает напряжению вырасти выше заданного значения, которое должно быть 13,8 — 14,2 Вольта. Такое напряжение необходимо поддерживать для нормальной зарядки аккумулятора и нормальной работы всех приборов электрооборудования.
Автомобильный генератор первоначально возбуждается от аккумулятора. Как только включается зажигание, выходной транзистор регулятора открывается, через него идет ток возбуждения и ротор намагничивается. Когда завелся двигатель и генератор заработал, возбуждение происходит уже от самого генератора. ЭДС генератора становится выше, поэтому генератор становится источником, а аккумулятор начинает заряжаться.
Применяются два принципа подачи тока возбуждения от генератора на собственную обмотку возбуждения.
- Схема возбуждения от выхода генератора
Ток возбуждения идет от выхода генератора, через замок зажигания, выход генератора всегда связан с аккумулятором.
- Схема возбуждения через дополнительные диоды
В этом случае, ток возбуждения выпрямляется отдельным выпрямителем, цепь возбуждения отключена от выхода генератора и, значит, от аккумулятора. Ток возбуждения идет только внутри генератора и не использует внешнюю цепь. Аккумулятор используется только для первоначального возбуждения.
Схемы генераторов с возбуждением от выхода генератора
Эти простые схемы применялись для автомобилей 60-х 70-х годов выпуска. «Жигули», «Москвичи», ЗиЛ, Газ, Уаз. Много таких автомобилей до сих пор остается в эксплуатации.
Регулятор напряжения может быть внешним и встроенным. Внешний регулятор это отдельная коробочка, которая соединяется с генератором проводами и стоит в стороне от генератора. Встроенный регулятор, входит в состав генератора, крепится внутри или снаружи корпуса, обычно, встроенный регулятор сделан вместе со щетками.
На выходе регулятора напряжения стоит мощный транзистор, это может быть биполярный, и может быть полевой транзистор. Он работает в ключевом режиме, то есть, открыт — закрыт. Открыт транзистор – ток возбуждения проходит, закрыт транзистор — ток не проходит.
Есть три варианта включения транзистора – с общим Эмиттером, общей Базой и с общим Коллектором. Поэтому ключи на транзисторах бывают с ОЭ, ОБ, ОК. Для каждого варианта транзисторного ключа есть свои особенности применения.
В регуляторах напряжения используются транзисторные ключи с ОЭ и ОК. Если заземлен транзистор, то это ключ с ОЭ, если заземлена щетка. то это ключ с ОК. Регуляторы выполненные по схеме с ОЭ называют A — Circuit , регуляторы выполненные по схеме с ОЭ называют В — Circuit .
В автомобильных схемах генераторов применяются обе схемы – и A — Circuit , и В- Circuit
Схемы с внешним регулятором напряжения
Такая схема применялась на автомобилях Жигули ранних выпусков 2101 — 2106
Такая схема применялась для автомобилей Волга, Газ, Зил, УАЗ. Генераторы Серий 16 3701 и 19.3771.
Эта схема применяется для автомобилей Крайслер и Додж. По этой схеме сделан генератор на двигатели Крайслер для автомобилей Волга и Газель.
Генераторы со встроенными регуляторами напряжения
Регулятор напряжения можно установить снаружи и внутри генератора. Такая конструкция получается более компактной и надежной, она позволяет отказаться то проводов для соединения генератора и регулятора напряжения.
При установке регулятора снаружи корпуса генератора, появляется возможность замены регулятора не снимая генератор.
Генераторы такой конструкции, со встроенным регулятором, установленном на корпусе, широко применяется для автомобилей выпускавшихся в недавнее время и находящиеся в эксплуатации — Валдай, КАМАЗ, МАЗ, УАЗ
Все приведенные схемы используют принцип питания обмотки возбуждения от выхода генератора. Генератор часть своего выпрямленного тока отдает на собственное возбуждение.
Путь тока возбуждения: Плюс генератора, плюс аккумулятора, контакты замка зажигания, вход регулятора напряжения, обмотка (или наоборот), обмотка возбуждения, минус — масса.
Недостаток Схемы с питанием обмотки возбуждения от выхода генератора.
В генераторах с питанием обмотки возбуждения от выхода генератора, весь ток возбуждения проходит через контакты замка зажигания. Этот ток для получения достаточной мощности генератора должен быть быть 3 — 5 Ампер. Такой ток требует качественного зажима всех контактов и достаточно толстого провода, при размыкании контактов дает сильную искру и изнашивает контакты, снижая надежность системы зарядки и системы зажигания, которая питается через эти же контакты.
Аккумулятор в любой схеме всегда подключен к плюсовому выводу генератора, это необходимо для того, чтобы генератор и аккумулятор могли работать как источники заменяя друг друга — двигатель не работает — источник аккумулятор, двигатель заработал — источник генератор. Когда генератор не работает, аккумулятор, прямо подключенный к нему, не может разрядиться через генератор, потому, что диодный мост не пропускает ток в обратном направлении, но, через обмотку возбуждения, аккумулятор может разрядиться.
Если двигатель не завелся, генератор не заработал, а зажигание осталось включено, то через обмотку ротора идет ток от аккумулятора (а это 3 – 5 Ампер). По разным причинам такие ситуации иногда возникают и тогда, через несколько часов, двигатель не заведется. То есть, в схемах, в которых обмотка возбуждения запитана от выхода генератора и, значит, подключена непосредственно к аккумулятору, может неожиданно разрядиться аккумулятор.
Схема с дополнительными диодами несколько сложнее, но она обеспечивает питание обмотки возбуждения, прямо внутри генератора минуя замок зажигания, обмотка возбуждения не имеет прямой связи с аккумулятором, поэтому такая схема исключает случайную разрядку аккумулятора при невыключенном зажигании.
В схемах с дополнительными диодами, первоначальное возбуждение также происходит от аккумулятора, но очень маленьким током чрез ограничительные сопротивления или через специальную лампочку. После запуска генератора ток возбуждения идет уже по отдельной цепи, не связанной с аккумулятором, через дополнительный выпрямитель. (доп диоды)
Принципиальная электрическая схема генератора автомобиля
Требования, предъявляемые к генератору:
- выходные параметры генератора должны быть таковы, чтобы в любых режимах движения автомобиля не происходил прогрессивный разряд аккумуляторной батареи;
- напряжение в бортовой сети автомобиля, питаемой генератором, должно быть стабильно в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок.
Последнее требование вызвано тем, что аккумуляторная батарея весьма чувствительна к степени стабильности напряжения. Слишком низкое напряжение вызывает недозаряд батареи и, как следствие, затруднения с пуском двигателя, слишком высокое напряжение приводит к перезаряду батареи и, ускоренному выходу ее из строя.
Принцип работы генератора и его принципиальное конструктивное устройство одинаковы для всех автомобилей, отличаются только качеством изготовления, габаритами и расположением присоединительных узлов.
Основные части генератора:
- Шкив – служит для передачи механической энергии от двигателя к валу генератора посредством ремня;
- Корпус генератора состоит из двух крышек: передняя (со стороны шкива) и задняя (со стороны контактных колец), предназначены для крепления статора, установки генератора на двигателе и размещения подшипников (опор) ротора. На задней крышке размещаются выпрямитель, щеточный узел, регулятор напряжения (если он встроенный) и внешние выводы для подключения к системе электрооборудования;
- Ротор — стальной вал с расположенными на нем двумя стальными втулками кпювообразной формы. Между ними находится обмотка возбуждения, выводы которой соединены с контактными кольцами. Генераторы оборудованы преимущественно цилиндрическими медными контактными кольцами;
- Статор — пакет, набранный из стальных листов, имеющий форму трубы. В его пазах расположена трехфазная обмотка, в которой вырабатывается мощность генератора;
- Сборка с выпрямительными диодами — объединяет шесть мощных диодов, запрессованных по три в положительный и отрицательный теплоотводы;
- Регулятор напряжения — устройство, поддерживающее напряжение бортовой сети автомобиля в заданных пределах при изменении электрической нагрузки, частоты вращения ротора генератора и температуры окружающей среды;
- Щеточный узел – съемная пластмассовая конструкция. В ней установлены подпружиненные щетки, контактирующие с кольцами ротора;
- Защитная крышка диодного модуля.
Рассмотрим электрическую схему соединения элементов генератора. 
Принципиальная электрическая схема генераторной установки:
1. Включатель зажигания;
2. Помехоподавляющий конденсатор;
3. Аккумуляторная батарея;
4. Лампа-индикатор исправности генератора;
5. Положительные диоды силового выпрямителя;
6. Отрицательные диоды силового выпрямителя;
7. Диоды обмотки возбуждения;
8. Обмотки трех фаз статора;
9. Обмотка возбуждения(ротор);
10. Щеточный узел;
11. Регулятор напряжения;
B+ Выход генератора «+»;
B- «Масса» генератора;
D+ Питание обмотки возбуждения, опорное напряжение для регулятора напряжения.
В основе работы генератора лежит эффект электромагнитной индукции. Если катушку, например, из медного провода, пронизывает магнитный поток, то при его изменении на выводах катушки появляется электрическое напряжение, пропорциональное скорости изменения магнитного потока. И наоборот, для образования магнитного потока достаточно пропустить через катушку электрический ток. Таким образом, для получения переменного электрического тока требуются источник переменного магнитного поля и катушка, с которой непосредственно будет сниматься переменное напряжение.
Обмотка возбуждения с полюсной системой, валом и контактными кольцами образуют ротор, его важнейшую вращающуюся часть, которая и является источником переменного магнитного поля.
Ротор генератора 1. вал ротора;
2. полюса ротора;
3. обмотка возбуждения;
4. контактные кольца.
Полюсная система ротора имеет остаточный магнитный поток, который присутствует даже при отсутствии тока в обмотке возбуждения. Однако его значение невелико и способно обеспечить самовозбуждение генератора только на слишком высоких частотах вращения. Поэтому, для первоначального намагничивания ротора через его обмотку пропускают небольшой ток от аккумуляторной батареи, обычно через лампу контроля работоспособности генератора. Сила этого тока не должна быть слишком большой, чтобы не разряжать аккумуляторную батарею, но и не слишком малой, чтобы генератор мог возбудиться уже на холостых оборотах двигателя. Исходя из этих соображений, мощность контрольной лампы обычно составляет 2…3 Вт. После того, как напряжение на обмотках статора достигает рабочей величины, лампа тухнет, и питание обмотки возбуждения осуществляется от самого генератора. В этом случае генератор работает на самовозбуждении.
Выходное напряжение снимается с обмоток статора. При вращении ротора напротив катушек обмотки статора появляются попеременно «северный» и «южный» полюсы ротора, т. е. направление магнитного потока, пронизывающего катушку статора, меняется, что и вызывает появление в ней переменного напряжения. Частота этого напряжения зависит от частоты вращения ротора генератора и числа его пар полюсов.
Статор генератора
1. обмотка статора;
2. выводы обмоток;
3. магнитопровод.
Обмотка статора трехфазная. Она состоит из трех отдельных обмоток, называемых обмотками фаз или просто фазами, намотанных по определенной технологии на магнитопровод. Напряжение и токи в обмотках смещены друг относительно друга на треть периода, т.е. на 120 электрических градусов, как это показано на рисунке.
Осциллограммы фазовых напряжений обмоток
U1, U2, U3 – напряжения обмоток;
Т – период сигнала (360 градусов);
F – фаза смещения (120 градусов).
Фазовые обмотки могут соединяться в «звезду» или «треугольник». 
Виды соединения обмоток
1. «звездой»;
2. «треугольником».
При соединении в «треугольник» ток в каждой из обмоток в 1,7 раза меньше тока, отдаваемого генератором. Это значит, что при том же отдаваемом генератором токе, ток в обмотках при соединении в «треугольник» значительно меньше, чем у «звезды». Поэтому в генераторах большой мощности довольно часто применяют соединение в «треугольник», т. к. при меньших токах обмотки можно наматывать более тонким проводом, что технологичнее. Более тонкий провод можно применять и при соединении типа «звезда». В этом случае обмотку выполняют из двух параллельных обмоток, каждая из которых соединена в «звезду», т. е. получается «двойная звезда».
Для того, чтобы магнитный поток обмотки возбуждения подводился непосредственно к обмотке статора и не рассеивался в пространстве, катушки помещены в пазы стальной конструкции — магнитопровода. Так как переменное магнитное поле наводится не только в катушках, но и в магнитопроводе статора, то это приводит к возникновению паразитных вихревых токов, которые ведут к потере мощности и нагревают статор. Для уменьшения проявления этого эффекта магнитопровод изготавливают из набора стальных пластин (пакета железа).
Бортовая сеть автомобиля требует подведения к ней постоянного напряжения. Поэтому обмотка статора питает бортовую сеть автомобиля через выпрямитель, встроенный в генератор. Выпрямитель для трехфазной системы содержит шесть силовых полупроводниковых диодов, три из которых соединены с выводом «+» генератора, а другие три с выводом «—» («массой»). Полупроводниковые диоды находятся в открытом состоянии и не оказывают существенного сопротивления прохождению тока при приложении к ним напряжения в прямом направлении и практически не пропускают ток при обратном напряжении. Следует обратить внимание на то, что под термином «выпрямительный диод» не всегда скрывается привычная конструкция, имеющая корпус, выводы и т. д. иногда это просто полупроводниковый кремниевый переход, загерметизированный на теплоотводе.
Сборка с выпрямительными диодами
1. силовые диоды;
2. дополнительные диоды;
3. теплоотвод.
Многие производители в целях защиты электронных узлов автомобиля от всплесков напряжения заменяют диоды силового моста стабилитронами. Отличие стабилитрона от выпрямительного диода состоит в том, что при воздействии на него напряжения в обратном направлении он не пропускает ток лишь до определенной величины этого напряжения, называемого напряжением стабилизации. Обычно в силовых стабилитронах напряжение стабилизации составляет 25. 30 В. При достижении этого напряжения стабилитроны «пробиваются «, т. е. начинают пропускать ток в обратном направлении, причем в определенных пределах изменения силы этого тока напряжение на стабилитроне, а, следовательно, и на выводе «+» генератора остается неизменным, не достигающем опасных для электронных узлов значений. Свойство стабилитрона поддерживать на своих выводах постоянство напряжения после «пробоя» используется и в регуляторах напряжения.
Как было отмечено выше, напряжения на обмотках изменяются по кривым, близким к синусоиде и в одни моменты времени они положительны, в другие отрицательны. Если положительное направление напряжения в фазе принять по стрелке, направленной к нулевой точке обмотки статора, а отрицательное от нее то, например, для момента времени t когда напряжение второй фазы отсутствует, первой фазы — положительно, а третьей — отрицательно. Направление напряжений фаз соответствует стрелкам показанным на рисунке.
Направление токов в обмотках и выпрямителе генератора
Ток через обмотки, диоды и нагрузку будет протекать в направлении этих стрелок. Рассмотрев любые другие моменты времени, легко убедиться, что в трехфазной системе напряжения, возникающего в обмотках фаз генератора, диоды силового выпрямителя переходят из открытого состояния в закрытое и обратно таким образом, что ток в нагрузке имеет только одно направление — от вывода «+» генераторной установки к ее выводу «—» («массе»), т. е. в нагрузке протекает постоянный (выпрямленный) ток.
У значительного количества типов генераторов обмотка возбуждения подключается к собственному выпрямителю, собранному на трех диодах. Такое подключение обмотки возбуждения препятствует протеканию через нее тока разряда аккумуляторной батареи при неработающем двигателе автомобиля. Диоды выпрямителя обмотки возбуждения работают аналогично, питая выпрямленным током эту обмотку. Причем в выпрямитель обмотки возбуждения тоже входят 6 диодов, три из них общие с силовым выпрямителем (отрицательные диоды). Ток возбуждения значительно меньше, чем ток, отдаваемый генератором в нагрузку. Поэтому в качестве диодов обмотки возбуждения применяются малогабаритные слаботочные диоды на ток не более 2 А (для сравнения, диоды силового выпрямителя допускают протекание токов силой до 25. 35 А).
При необходимости увеличения мощности генератора применяется дополнительное плечо выпрямителя. 
Схема генераторной установки с дополнительными диодами
Такая схема выпрямителя может иметь место только при соединении обмоток статора в «звезду», т. к. дополнительное плечо запитывается от «нулевой» точки «звезды». Если бы фазные напряжения изменялись чисто по синусоиде, эти диоды вообще не участвовали бы в процессе преобразования переменного тока в постоянный. Однако в реальных генераторах форма фазных напряжений отличается от синусоиды. Она представляет собой сумму синусоид, которые называются гармоническими составляющими или гармониками — первой, частота которой совпадает с частотой фазного напряжения, и высшими, главным образом, третьей, частота которой в три раза выше, чем первой.
Реальная форма фазного напряжения в виде суммы двух гармоник:
1. фазное напряжение обмотки;
2. первая гармоника;
3. третья гармоника;
Из электротехники известно, что в линейном напряжении, т. е. в том напряжении, которое подводится к выпрямителю и выпрямляется, третья гармоника отсутствует. Это объясняется тем, что третьи гармоники всех фазных напряжений совпадают по фазе, т. е. одновременно достигают одинаковых значений и при этом взаимно уравновешивают и взаимоуничтожают друг друга в линейном напряжении. Таким образом, третья гармоника в фазном напряжении присутствует, а в линейном — нет. Следовательно, мощность, развиваемая третьей гармоникой фазного напряжения не может быть использована потребителями. Чтобы использовать эту мощность, добавлены диоды, подсоединенные к нулевой точке обмоток фаз, т. е. к точке где сказывается действие фазного напряжения. Таким образом, эти диоды выпрямляют только напряжение третьей гармоники фазного напряжения. Применение этих диодов увеличивает мощность генератора на 5. 15% при частоте вращения более 3000 мин -1 .
Напряжение генератора без регулятора сильно зависит от частоты вращения его ротора, магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, а, следовательно, от силы тока в этой обмотке и величины тока, отдаваемого генератором потребителям. Чем больше частота вращения и сила тока возбуждения, тем больше напряжение генератора, чем больше сила тока его нагрузки — тем меньше это напряжение. Функцией регулятора напряжения является стабилизация напряжения при изменении частоты вращения и нагрузки за счет воздействия на ток возбуждения. Ранее применялись вибрационные регуляторы, а затем контактно-транзисторные. Эти два типа регуляторов в настоящее время полностью вытеснены электронными.
Внешний вид электронных регуляторов напряжения
Оформление электронных полупроводниковых регуляторов может быть различным, но принцип работы у всех регуляторов одинаков. Конечно, можно изменять ток в цепи возбуждения введением в эту цепь дополнительного резистора, как это делалось в прежних вибрационных регуляторах напряжения, но этот способ связан с потерей мощности в этом резисторе и в электронных регуляторах не применяется. Электронные регуляторы изменяют ток возбуждения путем включения и отключения обмотки возбуждения от питающей сети, при этом меняется относительная продолжительность времени включения обмотки возбуждения. Если для стабилизации напряжения требуется уменьшить силу тока возбуждения, время включения обмотки возбуждения уменьшается, если нужно увеличить — увеличивается.
Недостатком приведенного варианта подключения регулятора является то, что регулятор поддерживает напряжение на выводе «D+» генератора, а потребители, в том числе, аккумуляторная батарея, включены на вывод «В+». Кроме того, при таком включении регулятор не воспринимает падения напряжения в соединительных проводах между генератором и аккумуляторной батареей и не вносит корректировок в напряжение генератора, чтобы компенсировать это падение. Эти недостатки устранены в следующей схеме, где напряжение на входную цепь регулятора подается от того узла, где его следует стабилизировать, обычно, это вывод «В+» генератора.
Усовершенствованная схема стабилизации напряжения
Некоторые регуляторы напряжения обладают свойством термокомпенсации — изменения напряжения, подводимого к аккумуляторной батарее, в зависимости от температуры воздуха в подкапотном пространстве для оптимального заряда АКБ. Чем ниже температура воздуха, тем большее напряжение должно подводиться к батарее и наоборот. Величина термокомпенсации достигает до 0,01 В на 1°С.
