汽车发电机电压调节器及实际案例分析

交流发电机电压调节器是把交流发电机输出电压控制在一定范围内的调节装置。电压调节器的种类很多，按元器件的性质来分可分为电磁振动式和电子式两大类。其中电子式又可分为晶体管式和集成电路式。晶体管式电压调节器按搭铁形式可分为内搭铁式（与内搭铁式交流发电机配套使用）和外搭铁式（与外搭铁式交流发电机配套使用）。

图2-19 不同安装形式的电刷架

a）外装式 b）内装式

图2-20 交流发电机的搭铁形式

a）内搭铁型交流发电机 b）外搭铁型交流发电机

1.电压调节器的功用

交流发电机在汽车上是由发动机按照固定传动比驱动旋转的，其转速n随发动机转速变化而发生变化。根据电磁感应原理，交流发电机输出的电压随发电机转速和负载（电流输出）而变化。在汽车行驶过程中，发动机的转速是不断发生变化的，所以交流发电机转速很难保持稳定，因此，为了使发电机能够输出稳定的电压，必须采用调节器来调节电压。

电压调节器的功用：当发电机转速和发电机上的负载发生变化时，自动调节发电机电压并使电压保持稳定，防止输出电压过高而损坏用电设备和导致蓄电池过量充电。

2.电压调节原理

交流发电机空载时输出电压U与感应电动势相等，而感应电动势Eϕ与发电机转速n和每极磁通Φ成正比，即：

U=Eϕ=C₁nΦ

当发电机转速n变化时，如果要保持发电机电压的恒定，就必须改变磁极磁通Φ。由于磁极磁通Φ的多少取决于磁场电流的大小，因此在发电机转速变化时，只要自动调节磁场电流，就能使发电机电压保持恒定。因此调节器的调节原理就是：通过调节磁场电流使磁极磁通Φ改变来使发电机输出电压保持恒定。

在—个电路中调节电流的方法一般有三种：一是通过更改电路中的电压；二是更改电路中的电阻值；三是控制电路的通与断。

电压调节器采用的是后两种方法。电磁振动式电压调节器调节磁场电流的方法是通过触点开闭，使磁场电路的电阻改变来调节磁场电流；电子式电压调节器调节磁场电流的方法是利用功率管的开关特性，使磁场电流接通与切断来调节磁场电流。

3.电磁振动式电压调节器

电磁振动式电压调节器又称触点式电压调节器，包括双触点式和单触点式，其基本原理都是通过改变触点闭合和断开来改变励磁电流大小的，如图2-21所示。

当闭合点火开关起动发动机时，发电机转速较低，使得端电压低于蓄电池电压，蓄电池向各用电设备供电。此时，调节器线圈中的电流过小处于不工作状态，导致触点闭合，发电机励磁绕组电流由蓄电池供给。其供给路线：蓄电池（U）正极→触点→发电机励磁绕组（F）→搭铁→蓄电池负极。增大励磁绕组电流，从而使发电机端电压升高。

当发动机转速升高时，发电机转速随之升高，使得端电压高于蓄电池电压，此时，由端电压向各用电设备供电，并向蓄电池进行充电。调节器线圈中的电流增大产生铁心电磁力克服弹簧拉力，使触点断开，使电流从电阻（R）中进行回路，这样导致励磁绕组电流减少，发电机端电压下降。其励磁绕组电流线路：发电机正极→电阻（R）→励磁绕组→搭铁→发电机负极。

当发动机转速减低时，发电机端电压下降，调节器线圈电流过小使得铁心电磁力变小，触点闭合，又增大励磁绕组电流，升高发电机的端电压。如此反复，使发电机电压处于一个稳定值。

图2-21 电磁振动式电压调节器原理图

1—用电设备 2—触点 3—拉簧 4—线圈 5—发电机

触点式电压调节器在触点开闭过程中存在着机械惯性和电磁惯性，使得触点振动频率较低，当发电机高速满载突然失去负载时，有可能因触点动作迟缓而导致发电机产生过电压，损坏晶体管元件。除此之外，当触点分开时，磁场电流的迅速下降使触点间产生火花，导致触点氧化、烧蚀，缩短使用寿命，还会造成无线电干扰。这种调节器结构复杂，体积和质量大，维修、保养、调整不便，所以目前电磁振动式调节器已被淘汰。

4.晶体管电压调节器

晶体管电压调节器也叫电子调节器，以稳压管提供基准电压，控制晶体管的开关特性来调节励磁电流，使发电机电压保持稳定。这种调节器没有触点，所以在使用过程中无须维护，其结构简单、体积小、质量轻。目前，国内外生产的晶体管调节器一般由2～4个晶体管，1～2个稳压管和一些电阻、电容及二极管等组成，其晶体管和稳压管的符号如图2-22所示。

稳压管是一种特殊的二极管，是一种电压正向导通，反向截止二极管，其稳压主要表现在当反向电压达到一定值时，稳压管便会反向击穿，在这种状态下，击穿电流的变化范围可以很大，但击穿电压基本保持不变———稳压。

图2-22 晶体管和稳压管

晶体管在调节器中起电子开关的作用，它利用发射极e、基极b、集电极c三者之间的关系，即基极b作为控制极，发射极e和集电极c作为开关，来控制励磁电流的大小。

晶体管式电压调节器分为内搭铁式和外搭铁式，其内搭铁式晶体管调节器安装在发电机与点火开关之间，发电机励磁绕组一端搭铁，如图2-23a所示。外搭铁式晶体管调节器安装在发电机励磁绕组与搭铁之间，发电机励磁绕组经调节器控制后搭铁，如图2-23b所示，但它们的工作原理基本相似。

图2-23 发电机和调节器的两种连接方式

a）内搭铁式 b）外搭铁式

在内搭铁式调节器工作原理图中，调节器的“+”接线柱接点火开关，F接线柱接发电机中的励磁绕组，“+”和F之间为晶体管的集电极与发射极之间形成的开关电路，“+”与“-”之间有二个电阻组成的分压器，其O点电压正比于发电机电压，O点与放大器之间接有稳压管D_W，用来感受电压，其工作过程为：当发电机电压较低时，分压器中间O点电压也较低，此时电路正向低压使稳压管处于截止状态，此状态经放大器放大，给晶体管的基极一个高电位信号，使晶体管导通，励磁电流可以通过晶体管流入发电机励磁绕组，使发电机端电压上升；当电压上升高到一定值时，O点电压达到击穿稳压管电压，使稳压管被击穿，此信号经放大器放大后给晶体管一个低电位信号，使晶体管截止，关闭励磁电流，使得发电机端电压下降，又使调节器回到原始工作状态。调节器如此循环工作，保证了发电机电压处在一个稳定状态。

下面以JFT105型和JFT106型晶体管电压调节器为例，介绍内搭铁式和外搭铁式电压调节器的实际使用工作情况。

JFT105型是一种内搭铁式晶体管电压调节器，在东风EQ1090系列汽车上装有此型号电压调节器，图2-24所示为JFT105型晶体管电压调节器电路原理图，在其电路图中，VD是续流二极管，它与发电机励磁绕组并联，用来保护大功率晶体管VT₂，R₂既是晶体管VT₁的集电极负载电阻，也是晶体管VT₂的基极偏流电阻。电容器C的作用是利用电容器两端电压不能突变的特点，推迟稳压管导通与截止时间，从而降低晶体管的开关频率，以减小管子的发热量。当闭合点火开关K时，磁场继电器工作触点闭合，此时晶体管电压调节器工作过程如下：

当发电机转速较低时，蓄电池电压高于发电机端电压，此时各用电设备电源和励磁电流由蓄电池供给，由于加在电阻R₃上的分压较低不足以反向击穿稳压管VS，因此晶体管VT₁处于截止状态，而晶体管VT₂得到正向偏置电压，处于导通状态，提供励磁电流，增大发电机端电压。此时的励磁电路为：蓄电池正极→磁场继电器触点→晶体管调节器正极接柱→VT₂→晶体管调节器F接柱→励磁绕组→搭铁→蓄电池负极，构成回路。

当发电机转速继续升高，发电机端电压达到某一值时，发电机端电压高于蓄电池电压，各用电设备电源和励磁电流由发电机供给。加在R₃上的电压使稳压管VS反向击穿而导通，晶体管VT₁得到正向偏置电压，处于导通状态。由于VT₁导通，使得VT₂的基极与发射极短路，所以VT₂截止，从而切断了励磁电路，此时发电机因没有励磁电流而使输出电压迅速下降。此时的调节器电路为：交流发电机→磁场继电器→晶体管正接线柱→VT₁→搭铁→发电机负极。

晶体管电压调节器是以稳压管VS作为感受元件的，利用感受电压的变化来控制晶体管的导通与截止，并接通与切断发电机励磁电流，改变发电机的输出电压，使发电机电压得到稳定的调节。

图2-24 JFT105型晶体管电压调节器电路原理图

1—磁场继电器 2—用电设备 3—交流发电机 4—晶体管调节器

JFT106型晶体管电压调节器属于外搭铁式电压调节器，在CA1091型汽车上装有此种电压调节器，这种调节器可以配用14V、750W的九管交流发电机，也可使用于14V、功率小于1000W的六管交流发电机。图2-25所示为JFT106型晶体管电压调节器电路原理图。

图2-25 JFT106型晶体管电压调节器

由图2-25知，调节器共有“B”、“F”和“-”三个接线柱，“B”接柱经熔断器接至点火开关与发电机的“B”接柱连接，“F”接柱与发电机的“F”接柱连接，“-”接柱搭铁。电阻R₁、R₂和R₃构成分压器，与稳压管VD₅构成电压敏感电路，晶体管VT₁与复合连接的晶体管VT₂、VT₃构成两个开关电路，VT₁作为开关控制，R₄、R₅、R₆和R₇是晶体管的偏置电阻，保证晶体管正常工作。

JFT106型调节器的工作原理如下：闭合点火开关，当发电机转速较低，发电机电压低于蓄电池电压时，蓄电池为电路电源，其电压经点火开关作用在分压器两端，稳压管VD₅承受反向电压。由于反向电压低于VD₅的反向击穿电压，因此VD₅截止，晶体管VT₁也截止。b点电位近似于电源电位，二极管VD₂承受正向电压而导通，于是晶体管VT₂、VT₃也导通，接通了发电机励磁绕组的电路。其通路为：蓄电池正极→点火开关→发电机F₁接线柱→发电机励磁绕组→发电机F₂接线柱一调节器F接线柱→VT₃→调节器搭铁→蓄电池负极。

发电机转速继续上升，当发电机电压升高到规定的调压值时，发电机端电压大于蓄电池电压，发电机作为电路的电源，作用在分压器a点的电压，即稳压管VD₅承受的反向电压超过它的反向击穿电压，使稳压管被击穿导通，晶体管VT₁也导通。VT₁的导通使b点电位降低，二极管VD₂承受反向电压而截止，导致VT₂、VT₃截止，切断了发电机的励磁电流，使发电机电压下降。当电压下降到限压值以下时，稳压管VD₅又截止，于是VT₁也截止，使得电路又回到原来的状态。这样反复循环，控制励磁电路的通断，使发电机在转速变化时，能保证发电机电压保持恒定。

在晶体管调节器中其他一些电子元件的作用如下：

1）稳压管VD₄接在发电机的输出端，利用稳压管的稳压特性，可对发电机所产生的瞬间过电压起保护作用。

2）二极管VD₁接在稳压管VD₄之前，以保证稳压管安全可靠工作。当发电机输出电压很高时，它能限制稳压管VS₁电流不致过大而烧坏。

3）二极管VD₃反向并联于发电机励磁绕组两端，起续流作用。当VT₃截止时，磁场绕组可能产生较高的自感电动，VD₃是为防止击穿晶体管VT₃而设，起到保护晶体管VT₃作用。

4）二极管VD₄为分压二极管，其作用是保证晶体管VT₂、VT₃处于截止状态时可靠截止。

5）反馈电阻R₈具有提高灵敏度、改善调压质量的作用。

6）电容C₁、C₂能适当降低晶体管的开关频率。

5.集成电路（IC）电压调节器

世界各国汽车大部分采用集成电路电压调节器。集成电路电压调节器又称为IC电压调节器，可分为全集成电路电压调节器和混合集成电路电压调节器。全集成电路电压调节器是将二极管、晶体管、电阻和电容等电子元件同时制在一块硅基片上。混合集成电路调节器由混合电路加集成电路组成，用厚膜或薄膜电阻与集成的单片芯片或分立元件组装而成，目前各国生产的集成电路电压调节器大多为混合集成电路电压调节器。

集成电路电压调节器和分立元件的晶体管电压调节器有共同的优点且工作原理相同，其工作原理也是利用晶体管组成开关电路，以控制励磁电流来调节发电机的输出电压，除此之外，集成电路还具有以下特点：

1）体积小、质量轻，因此可以直接装在发电机内部或壳体上成为整体式交流发电机的一个零件，这样可以省去调节器和发电机之间的导线，减少了线路损失和线路故障，使调节器的精度可达±0.3V，工作更为可靠。

2）耐高温性能好，可在130℃高温下正常工作。

3）更加耐振，使用寿命长。

（1）集成电路电压调节器电压检测方法 集成电路电压调节器直接在发电机上检测发电机的输出电压称为发电机电压检测方法，用连接导线检测蓄电池的端电压来调节蓄电池电压称为蓄电池电压检测法。

1）发电机电压检测法。发电机电压检测法的线路如图2-26所示，加在分压器R₁和R₂上的电压为励磁输出端L的电压U_L，而发电机输出电压U_B与U_L相等。则P点的电压为：

因此，加在稳压管VD₁上的检测点P的反向电压U_p与发电机的端电压U_B成正比。所以该线路称为发电机电压检测法线路。

2）蓄电池电压检测法。蓄电池电压检测法的线路如图2-27所示，加在分压器R₁、R₂上的电压为蓄电池端电压，由于通过检测点P加到稳压管VD₁上的反向电压与蓄电池端电压成正比，所以该线路称为蓄电池电压检测法线路。

图2-26 发电机电压检测法线路图

图2-27 蓄电池电压检测法线路图

在这两种基本线路中，发电机电压检测线路的发电机引出线可以少一根，但是发电机B到蓄电池BAT接线柱之间的电压降较大时，蓄电池的充电电压将会降低，使蓄电池充电不足，因此一般大功率发电机宜采用蓄电池电压检测法。

采用蓄电池电压检测法，若B到BAT之间或S到BAT之间断线时，调节器便不能检测出发电机的端电压，发电机便会失控。为了克服这一缺点，有些内装集成电路电压调节器的发电机采取了一定的控制措施。

（2）集成电路电压调节器实例

1）日产蓝鸟轿车交流发电机的集成电路电压调节器。图2-28所示为日产蓝鸟轿车交流发电机的集成电路电压调节器的电路图，在发电机外部有3个接线端子，分别是发电机输出端子B、充电指示灯接线端子L和蓄电池接线端子S。

①励磁电流的控制。在图2-28中，R₁和R₂组成分压器，直接从蓄电池上检测发电机电压信号，控制调节器的大功率晶体管VT₂的通、断，从而控制励磁电流的通、断，使发电机电压得到控制。当接线端子S到蓄电池之间或发电机的输出端B到蓄电池之间的电线断线时，发电机电压信号可以经电阻R₄加在分压器R₁和R₂上，使发电机电压仍能得到控制。

②充电指示灯电路。闭合点火开关，使继电器触点闭合，此时，如果发电机电压低于蓄电池电压，励磁电流经继电器→充电指示灯→接线端子L→发电机内部D→励磁绕组→大功率晶体管VT₂，供给发电机磁场电流，充电指示灯亮。若发电机发电，发电机输出电压高于蓄电池电压时，充电指示灯两端电压相等，充电指示灯熄灭。

图2-28 日产蓝鸟轿车交流发电机集成电路电压调节器电路图

1—继电器 2—充电指示灯 3—发电机 4—调节器

2）夏利轿车发电机集成电路电压调节器。夏利轿车属于我国典型的国产车，其电压调节器属于混合集成电路电压调节器，为内装式外搭铁型，图2-29所示为夏利轿车电压调节器的电路图，该发电机电压调节器是由一块单片集成电路和晶体管等元件组成。

图2-29 夏利轿车混合集成电路电压调节器电路图

①接通点火开关且发电机未转动时，蓄电池端电压经接线柱IG输入到单片集成电路，使晶体管VT₁和VT₂的基极均有电流流过，于是VT₁和VT₂同时导通。VT₁导通，蓄电池向励磁绕组提供电流，励磁电路为：蓄电池正极→接线柱B→励磁绕组→接柱F→VT₁→搭铁→蓄电池负极。VT₂导通时，充电指示灯亮，表示发电机不发电。

②当发电机转速较低时，发电机端电压高于蓄电池端电压而小于调节电压，此时VT₁仍导通，但电路由发电机提供电源。同时，由于P点电压输入单片集成电路使VT₂截止，故充电指示灯会熄灭，表示发电机在向蓄电池充电。

③当发电机转速较高，其输出电压升高到调节电压时，单片集成电路检测出该电压，于是VT₁由导通变为截止，切断励磁绕组电流，发电机电压下降。当电压下降到略低于调节电压时，单片集成电路又使VT₁导通，如此反复，发电机输出电压被稳定在调节电压范围内。

当磁场电路和发电机的输出端B断线时，经单片集成电路检测后，使VT₂导通，点亮充电指示灯，以示异常。