Regulovatelný zdroj pro měření regulátorů dobíjení

Pro měření regulátoru dobíjení motocyklu je vhodný regulovatelný laboratorní zdroj s přesným nastavením napětí, proudovým omezením a žárovkou pro bezpečné omezení proudu a indikaci sepnutí tyristoru. U běžného třífázového regulátoru lze nejprve zkontrolovat diodový můstek a potom pomocí regulovaného zdroje ověřit, při jakém napětí sepnou jednotlivé tyristory.

Praktická zkouška vyžaduje přesně regulovatelný laboratorní zdroj napětí a žárovku pro omezení proudu a indikaci sepnutí tyristoru, stačí 12V/5W. Samotné měření regulátoru bez zátěže je pouze informativní, protože v tomto režimu dynamo normálně nepracuje a vždy je zatíženo nějakým odběrem, byť třeba jen pro zapalování.

Proč se regulátor dobíjení měří

Velmi často se u motorek stává, že shoří regulátor dobíjení nebo vinutí alternátoru. Pro objasnění příčiny je třeba se nejdříve seznámit s principem elektrické sítě motocyklu.

U moderních motorek je nejčastější zdroj energie 3 fázový alternátor s permanentními magnety. Konstrukčně se jedná o stacionární vinutí (stator) kolem kterého obíhá kolo s nalepenými magnety (rotor). Jelikož při běhu motoru je magnetické pole nestacionární (magnety rotují), dochází k elektromagnetické indukci, tzn. že se na vinutí indukuje napětí, resp. proud.

A čím větší je změna magnetického pole (motor se točí rychleji), tím je i větší naindukované napětí. Bohužel toto napětí je zaprvé střídavé a zadruhé je zcela závislé na otáčkách motoru.

Je tedy potřeba jej usměrnit a stabilizovat - toto dělá zařízení, kterému se běžně říká regulátor dobíjení. Většina regulátorů funguje tak, že obsahují 3 fázový diodový usměrňovač a poté 3 tyristory pro regulaci napětí (SCR shunt type).

Princip běžného tyristorového regulátoru

Regulace funguje tak, že když je napětí příliš vysoké (většinou dosáhne hranice 14,4 V), tak řídící logika regulátoru pomocí těchto tyristorů zkratuje všechny 3 vinutí alternátoru a krátkodobě tak přeruší dodávanou energii z alternátoru do elektrické sítě motorky.

Takový regulátor se nazývá zkratový, neboli shunt type. Má to jednu velkou nevýhodu - protože během zkratu dochází k toku poměrně velkého proudu v celém obvodu, tak všechny části na dané trase neuvěřitelně disipují teplo (prostě hřejí a to moc).

Nejvíce topí regulátor samotný a pak alternátor, což při nedostatečném chlazení má za následek překročení kritické teploty komponenty (buď křemíkového polovodiče nebo izolace vinutí) a ta se prostě spálí, shoří a přestane fungovat.

U alternátoru se vinutí může přerušit, zkratovat o kostru nebo jenom tak mezi vlastními závity. Regulátor se zase natrvalo zkratuje a zanedlouho s sebou vezme i alternátor (protože mu bude neustále držet vinutí ve zkratu).

Další problém tyristorového regulátoru je ten, že tyristor ve chvíli kdy je sepnut do zkratu, tak jej nelze jen tak rozepnout - musí se počkat dokud jím nepřestane protékat proud, což se děje každou půlperiodu (výstup alternátoru je střídavé napětí - sinusovka).

Je to vlastnost této součástky, resp. její polovodičové struktury, která ve chvíli kdy se ionizuje tak „není cesty zpět“. Tyristorová regulace je tedy poměrně hodně hovězí a neumožňuje precizní regulaci.

Výhody MOSFET regulátoru

Poslední dobou se na trhu objevily tzv. mosfetové regulátory, které fungují sice úplně stejně jako tyristorové, jsou prostě zkratové, ale mají dvě velké výhody - regulace je preciznější (mosfetový tranzistor lze rozepnout v jakékoliv době) a tento regulační tranzistor zároveň slouží jako řízená dioda pro 3 fázový usměrňovač.

Regulátor má v sobě logiku, která monitoruje velikost napětí na každé fázi a dle toho otevře příslušný tranzistor do vodivého stavu. Protože úbytek na obyčejné usměrňovací diodě je asi 0,7 V, při větších proudech se samozřejmě zvětšuje a tím i disipovaný tepelný výkon.

Na rozdíl od otevřeného tranzistoru, který má pouze odpor v sepnutém stavu, tento odpor bývá velmi malý - řádově desítky miliohmů. Prakticky je to skvělý spínač s minimálními ztrátami.

A při regulaci je stejná situace - krátkodobý zkrat, malé disipované teplo. Regulátor by se dal ještě vylepšit na variantu s kompletním řízeným usměrňovačem, tj. 6 řízených mosfetů a jeho tepelná ztráta by byla minimální a účinnost největší.

Regulátor je z výroby nastaven na napětí 14,5V. Výkonové ztráty jsou ve všech režimech proti tyristorovým regulátorům menší o více než 50%. Díky výše uvedeným výhodám najde tento nový typ regulátoru uplatnění především ve všech motocyklech s velkým výkonem alternátorů a nebo u motocyklů s vysokými otáčkami motorů.

Porovnání tepelných ztrát

Celkově byly odsimulovány 4 varianty regulátorů (mosfet full active, mosfet half active, SCR+normal D, SCR+Schottky D) při 3 proudových zatížení - 1, 21 a 35 A.

Simulace jsou pro otáčky motoru 5000 RPM, tedy kdy alternátor dodává největší výkon do regulátoru a zároveň to jsou střední otáčky provozu motoru při jízdě.

Z tabulky vyplývá, že tyristorové regulátory jsou hezké topení a nezachrání to ani „custom“ verze se schottky diodami, které mají menší úbytek.

Plně aktivní mosfetový usměrňovač (full active) je naopak téměř bez ztráty v porovnání s „klasikou“. Při použití mosfetového regulátoru je největší využití energie z alternátoru do sítě - protože se ho co nejméně propálí v teplo.

Teplota polovodičů

Tyristorový regulátor při proudovém odběru 21 A a pasivním chlazení prostě shoří! Maximální provozní teplota křemíku je ~175 °C.

Z tabulky teplot čipů uvnitř součástek je zřejmé, že i half active mosfet regulátor se bez problému uchladí. Ty brutální teploty u tyristorového regulátoru vysvětlují to, proč byly měděné chladicí plošky polovodičového modulu tak zbarvené.

Rozhodnutí záleží prakticky pouze na možnostech chlazení regulátoru. Jelikož regulátory nejsou moc dobře chlazeny, jinde je zase umístěn v blízkosti tepelného sálání motoru apod.

Poslední dobou však výrobci umisťují regulátory poměrně chytře ve směru jízdy a tím se snaží o náporové chlazení. Ono totiž už nepatrný pohyb vzduchu výrazně zvýší součinitel konvekce, tj. jak rychle daný povrch předává teplo.

Kontrola diodového můstku multimetrem

Samotný řídicí obvod pro spouštění tyristorů se může mírně lišit, ale to zde není podstatné, důležitý je třífázový můstek.

Tedy zapnout měřák na diodový test a nejprve provést test „kladných“ diod (D1, D2, D3). Černý „fous“ se připojí na červený drát od regleru, tedy na kladný výstup, a červený postupně na všechny tři přívody od alternátoru, žluté, někdy bílé dráty.

Měřák musí vždy ukázat oněch cca 0.7V. Potom se fousy měřáku prohodí, měření opakuje a měřák musí ukázat nekonečný odpor.

Bude-li někde ukazovat v obou směrech přerušený obvod, je dioda v dané fázi přerušená, bude-li v některé fázi pískat, dioda je tam proražená.

Následuje test „záporných“ diod (D4, D5, D6). Červený fous se připojí na černý drát regleru, tedy na záporný výstup, černý postupně na přívody fází a opět musí měřák ukázat všude 0.7V.

Ukáže-li někde přerušený obvod, je v dané fázi přerušená, bude-li v některé fázi pískat, je v ní proražená buď dioda, nebo tyristor. Následně se fousy měřáku prohodí a opět ve všech třech případech musí ukázat nekonečný odpor, jinak je opět vadná dioda, nebo tyristor.

Regulovatelný zdroj pro zkoušku tyristorů

Ukáží-li se předchozími testy můstek a tyristory v pořádku, následuje test regulovaného napětí, to ovšem vyžaduje přesně regulovatelný laboratorní zdroj napětí a žárovku pro omezení proudu a indikaci sepnutí tyristoru, stačí 12V/5W.

(-) pól zdroje se napojí na (-) vývod regleru a na kladný (+) pól zdroje se napojí žárovka a ze žárovky drát na jednu z fází regleru.

Pomalu se zvyšuje napětí zdroje a měří se napětí na výstupu regleru, mezi červeným a černým drátem, měřák zapnutý na „20V DC“.

V momentě, kdy se žárovka rozsvítí a měřák spadne na téměř nulu, naposled nastavené napětí jest napětím, při kterém tyristor sepnul.

Toto se musí pohybovat mezi 15 - 16V. Regulované napětí za provozu, měřené na baterce, je vždy trochu nižší vzhledem k efektivní hodnotě.

Tyristor následně musí držet sepnutý i při snížení napětí zdroje téměř k nule. Pak se drát od žárovky přepojí na další fázi vstupu regleru a zkouška se opakuje, totéž s třetí fází.

Ve všech třech fázích musí tyristor sepnout při stejném napětí, tolerance je +- pár desetin V.

Vyhodnocení výsledků měření

Pokud se v některé fázi žárovka rozsvítí hned po připojení, je daný tyristor proražený. Nerozsvítí-li se vůbec, ani při napětí přes 20V, je daný tyristor přerušený.

Nesepne-li tyristor v žádné z fází, jsou buď všechny vadné, nebo spíš je vadný řídicí obvod. V takovém případě regler není zcela na vyhození.

Má-li v pořádku diodový můstek, je možné jej použít coby usměrňovač u vozidel s buzeným alternátorem, která mají oddělený usměrňovač a regler.

Jaký regulovatelný zdroj zvolit

Pro testování regulátoru dobíjení je nejvhodnější zdroj, u kterého lze přesně nastavovat napětí, který má dostatečný proudový limit a umožňuje bezpečné připojení zátěže.

Lineární zdroje jsou jednodušší, ale méně účinné. Spínané měniče jsou efektivnější a kompaktnější. Výhodou jsou zdroje s pojistkou, tepelnou ochranou nebo ochranou proti zkratu.

Podle požadovaného zatížení vyberte odpovídající rozsah výstupních parametrů. Způsob sestavení může být různý, některé stavebnice vyžadují pájení, jiné jsou připravené jako moduly k okamžitému použití.

Zdroj s modulem LM2596S-ADJ

Jde o hotový modul, jehož základem je integrovaný obvod LM2596S-ADJ. Součástí je i zobrazovací LED displej, který umožňuje měřit jak vstupní, tak výstupní napětí.

Volba měřeného napětí se volí přepínačem a signalizuje ji červená nebo zelená LED dioda. Spínací frekvence je 150 kHz.

Modul regulátoru se dá koupit ve dvou variantách: jedna má výstupní regulované napětí od 4 do 40 V, druhá od 1,25 do 37 V.

Voltmetr má udávaný rozsah 0. 45 V a přesnost ±0,1 V. Výstupní napětí se nastavuje víceotáčkovým potenciometrem.

Napájecí zdroj pro popisovaný regulátor dává výstupní napětí 24 V, dá se nastavit vyšší, a proud 2,5 A. Zdroj má vlastní pojistku, takže není nutné osazovat další.

Je možné použít i jiný zdroj, který má výstupní napětí v dovoleném rozsahu vstupního napětí použitého regulátoru.

Na modulu regulátoru je nutná výměna víceotáčkového trimru, kterým se nastavuje výstupní napětí, za vodiče pro potenciometr.

Dalším krokem bylo přepnutí měření napětí na výstupní hodnotu pomocí přepínače na DPS. U zdroje bylo trimrem nastaveno výstupní napětí na vyšší hodnotu, aby napětí na výstupu zdroje bylo naprázdno 24,3±0,1 V.

Hotová sestava je umístěna v plastové krabičce. Výstupní napětí se nastavuje potenciometrem a výstupní svorky umožňují připojit měřený regulátor i žárovku.

USB-C regulovatelné zdroje

Regulovatelný zdroj může být napájený z USB-C vstupu, kde o vyjednání vyššího napětí se stará USB-PD trigger. Výhodou takového řešení je malý rozměr a snadná přenositelnost.

Výstup zdroje může být s konstantním napětím nebo proudem. Maximální výstupní napětí je až 20V s krokem 20mV, minimální je 3.3V. Maximální proud až 5A s krokem 50mA.

USB PPS je pokročilý protokol rychlého nabíjení v rámci USB Power Delivery (PD), který umožňuje nabíječce dynamicky upravovat napětí a proud v reálném čase, v malých krocích, místo pevných úrovní 5/9/12/15/20V.

Nabíječky podporující USB PPS tak mohou být přímo regulovatelných zdrojem a není nutně třeba, aby za zdrojem byl ještě snižující regulátor.

Krok napětí je 20mV, krok proudu je 50mA. Minimální výstupní napětí je 3.3V, maximální pak 21V, při připojení nabíjecího adaptéru podporující USB PPS.

Pokud adaptér umí jen USB PD, pak je minimální napětí 5V. Maximální proud v režimu USB PD je 5A, v USB PPS pak 3A.

Zdroj s buck-boost regulací

Regulovatelný zdroj napájený z USB-C může mít vstupní napájecí napětí až 35V a výstupní 1,2 - 36V. Navíc může být buck-boost, tedy umět snižovat i zvyšovat napětí.

Maximální výstupní proud je 3A. Výstupní napětí se řídí pomocí potenciometru.

Zdroj s USB-C a souosým konektorem

Regulovatelný zdroj může mít možnost napájení jak z USB-C, které podporuje PD, tak i z souosého konektoru.

Maximální vstupní napětí může být až 32V s výstupním napětím od 0-30V/5A. Aktuální hodnoty mohou být zobrazeny na velkém 2.4″ displeji.

Zdroj RIDEN s USB-C triggerem

Zdroje RIDEN nemají možnost napájení přímo z USB-C, ale pokud vám stačí maximální napětí blízké 20V, možností je použít USB-C trigger.

Ten si vyžádá 20V, což je poté i vstupní napětí pro zdroje RIDEN. Možností je využít USB-C trigger, přepínače napětí, například jako samostatnou desku nebo v kombinaci se souosým konektorem.

Bezpečné zapojení při měření

Při měření je nutné sledovat polaritu zdroje, správné připojení záporného a kladného vývodu, zapojení žárovky a nastavený proudový limit.

Žárovka slouží pro omezení proudu a indikaci sepnutí tyristoru. Její rozsvícení současně ukazuje, že se v dané fázi změnil stav regulátoru.

Napětí a proud je vhodné nastavovat postupně. Pomalu se zvyšuje napětí zdroje a současně se sleduje napětí na výstupu regleru i stav žárovky.

Samostatná kontrola naprázdno nemůže nahradit měření se zátěží. Důležité je, aby byly všechny tři fáze vyzkoušeny za stejných podmínek a aby tyristory sepnuly při přibližně stejném napětí.

Seřízení regulace u starších dynam

U starších systémů s dynamem funguje regulace na principu odbuzování dynama. Aby regulace mohla správně fungovat, musí být připojena zátěž a tou je ideálně akumulátor, který má schopnost vykrývat výkyvy dynama.

Budící vinutí je pevně připojeno na výstup z dynama a regulátor. Regulátorem je budící vinutí buď připojeno ke kostře, což znamená maximální budící proud, nebo připojeno k předřadnému odporu, což znamená menší budící proud, nebo odpojeno od kostry, což znamená žádný budící proud.

Vlastní regulace probíhá dle výstupního napětí dynama, tedy podle napěťové cívky regulátoru, a zároveň dle odebíraného proudu, tedy podle proudové cívky regulátoru.

Proudová cívka působí proti napěťové, čímž je zajištěna rychlá odezva dynama na změnu zátěže. Regulátor musí být seřízen tak, aby přechody mezi jednotlivými regulačními stupni byly plynulé za každých okolností.

Součástí regulátoru je i kontakt, který připojuje dynamo k elektrické soustavě. To je proto, aby k připojení elektrické soustavy s akumulátorem bylo provedeno až ve chvíli, kdy napětí dynama je větší jak 6V.

Jinak by se akumulátor přes dynamo vybíjel. Odpojování akumulátoru je řešeno pouze napěťovou cívkou.

Regulační odpor

Regulátor má dva stupně, při prvním je k budícímu vinutí seriově zařazen přídavný regulační odpor. Čím bude větší, tím větší na něm bude úbytek napětí, zmenší se proud a kotvička se tím rychleji přepne zpátky.

Čím vyšší tedy bude odpor, tím rychleji bude regulátor cvakat. Při druhém stupni je odpor mimo hru, je vyřazen a vinutí je zapojeno nakrátko, prakticky zkrat, což má za následek prudké zmenšení napětí a přepnutí na 1. stupeň.

Protože jde o kombinaci mechanické a elektrické podstaty věci, do regulace vstupuje tuhost pružiny, indukčnost cívky a další parametry.

Pro toho, kdo regulaci seřizuje, je důležité nastavit mezní hodnoty. Přechodové stavy by měly být vyřešeny konstrukcí regulátoru.

Kontrola zátěže při seřizování

Seřizovat doporučuji podle správného dílenského postupu. Kontrola regulátoru naprázdno se samozřejmě dělá, ale nejde při ní seřizovat přechod.

Důležité je nejprve přesné mechanické nastavení. Elektrické seřízení se provádí se zátěží, protože při odpojené zátěži proudovým vinutím regulátoru neprochází proud.

Jako zátěž lze použít žárovku. Měření regulátoru bez zátěže je opravdu jen informativní.

Stavebnice a modulární zdroje

Elektronické stavebnice zdrojů a nabíječek umožňují sestavení vlastního napájecího obvodu nebo nabíječky pro akumulátory. Obsahují klíčové prvky pro stabilizaci, regulaci a ochranu napájecího napětí.

Vhodné jsou jak pro začínající bastlíře, kteří se chtějí naučit pracovat s napájením, tak pro zkušenější uživatele, kteří si chtějí vyrobit laboratorní zdroj nebo inteligentní nabíječku.

Součástí bývá dokumentace a schéma zapojení. Pro měření regulátorů dobíjení je důležité, aby výsledná sestava měla dostatečný napěťový rozsah, proudovou rezervu, ochranu proti zkratu a přehledné měření výstupních hodnot.

• Stabilizované napájecí zdroje umožňují regulaci výstupního napětí, často ve variantách s potenciometrem nebo přednastavenými úrovněmi.
• Spínané měniče jsou efektivní DC/DC převodníky pro step-up, step-down nebo kombinované režimy.
• Lineární regulátory jsou jednoduché obvody založené například na LM317, vhodné pro nižší proudové odběry.
• Laboratorní zdroje jsou pokročilé stavebnice s displejem a možností nastavení napětí a proudu.

Pro servisní účely lze sestavit pomocný napájecí zdroj pro testování a opravy zařízení. Modulové zdroje jsou vhodné i pro integraci do přenosných zařízení.

Výběr zdroje podle účelu měření

Pro základní kontrolu diodového můstku postačí multimetr s funkcí diodového testu. Pro ověření sepnutí tyristorů je nutný regulovatelný zdroj s napětím přesahujícím očekávanou spínací hodnotu.

Pro praktické měření je vhodný zdroj s napětím alespoň do 20-24 V, proudovým omezením a možností připojit žárovku. Pro rozsáhlejší servisní práci je výhodnější zdroj s displejem, přesným nastavením a ochranou proti zkratu.

Pro zkoušky MOSFET regulátorů je vhodné počítat s tím, že jejich princip se od běžného tyristorového regulátoru liší. MOSFET lze rozepnout v jakékoliv době a jeho regulační tranzistor zároveň slouží jako řízená dioda pro 3 fázový usměrňovač.

Regulovatelný zdroj proto musí být používán jako kontrolní napájecí zařízení, nikoli jako náhrada alternátoru v celém jeho provozním režimu. Simulace regulátorů byly provedeny pro konkrétní podmínky a skutečné parametry alternátoru se mohou lišit.

Nejdříve se ověří diodový můstek, potom se jednotlivé fáze zkoušejí přes žárovku při postupně zvyšovaném napětí. Tak lze rozlišit přerušenou diodu, proraženou diodu, vadný tyristor nebo problém v řídicím obvodu.

Správně zvolený regulovatelný zdroj umožní provést měření opakovatelně a bezpečněji než přímé zkoušení neznámého regulátoru na motocyklu. Současně pomůže odlišit závadu regulátoru od závady alternátoru, vinutí nebo kabeláže.

tags: #regulovatelny #zdroj #na #mereni #regulatoru #dobijeni