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Alternadores y reguladores de tensión


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Reguladores de tensión

La función del regulador de tensión es mantener constante la tensión del alternador, y con ella la del sistema eléctrico del vehículo, en todo el margen de revoluciones del motor de este e independientemente de la carga y de la velocidad de giro.
La tensión del alternador depende en gran medida de la velocidad de giro y de la carga a que este sometido. A pesar de estas condiciones de servicio, continuamente variables, es necesario asegurar que la tensión se regula al valor predeterminado. Esta limitación protege a los consumidores contra sobretensiones e impide que se sobrecargue la batería.

La tensión generada en el alternador es tanto mas alta cuanto mayores son su velocidad de giro y la corriente de excitación.
En un alternador con excitación total, pero sin carga y sin batería, la tensión no regulada aumente linealmente con la velocidad y alcanza, p. ejemplo a 10.000 r.p.m., un valor de 140 V aproximadamente.
El regulador de tensión regula el valor de la corriente de excitación, y con ello, la magnitud del campo magnético del rotor, en función de la tensión generada en el alternador. De esta forma se mantiene constante la tensión en bornes del alternador, con velocidad de giro y cargas variables, hasta el máximo valor de corriente.
Los sistemas eléctricos de los automóviles con 12 V. de tensión de batería se regulan dentro de un margen de tolerancia de 14 V. y los de los vehículos industriales con 24 V. de tensión de batería se regulan a 28 V. Siempre que la tensión generada por el alternador se mantenga inferior a la de regulación el regulador de tensión no desconecta.
Si la tensión sobrepasa el valor teórico superior prescrito, dentro del marco de la tolerancia de regulación, el regulador interrumpe la corriente de excitación. La excitación disminuye, es decir, desciende la tensión que suministra el alternador.
Si a consecuencia de ello dicha tensión llega a ser menor que el valor teórica inferior, el regulador conecta de nuevo la corriente de excitación. La excitación aumenta y con ella la tensión del alternador. Cuando la tensión sobrepasa otra vez el valor limite superior, comienza nuevamente el ciclo de regulación.
Como los ciclos de regulación son del orden de milisegundos, se regula el valor medio de la tensión del alternador en correspondencia con la curva característica preestablecida.
La relación de los tiempos de conexión y desconexión de la corriente de excitación a través del regulador, determinan la corriente excitación media. A bajo régimen, el tiempo de conexión es alto y el de desconexión bajo, a altas revoluciones del motor sucede lo contrario tiempo de conexión bajo y de desconexión alto.

Versiones de reguladores
El regulador de contactos electromagnéticos (regulador mecánico) y el regulador electrónico son las dos versiones fundamentales.
El regulador electromagnético prácticamente ya solo se utiliza como recambio en coches antiguos (anteriores al año 1980). El regulador electrónico en técnica híbrida o monolítica forma parte del equipamiento de serie en todos los alternadores trifasicos que se montan hoy en día en los automóviles.

Como ejemplo de evolución vamos a describir los reguladores de tensión de la marca Valeo:

Reguladores de tensión electromagnéticos
Mediante la apertura y cierre de un contacto móvil en el circuito de corriente de excitación se interrumpe la corriente produciendose así una modificación de la misma. El contacto móvil es presionado por la fuerza de un muelle contra un contacto fijo y es separado de este por un electroimán al sobrepasarse la tensión teórica.


Los reguladores de contactos apropiados para alternadores trifasicos son de un solo elemento, es decir, reguladores con un elemento regulador de tensión compuesto de electroimán, inducido y contacto de regulación. Cuando la tensión del alternador sobrepasa el valor teórico, el electroimán abre el contacto (posición b), conectando una resistencia (R) en el circuito de excitación que origina un descenso de esta corriente y por lo tanto un descenso en la tensión del alternador. Si la tensión del alternador disminuye tanto que desciende por debajo del valor mínimo teórico entonces el contacto vuelve a conectarse aumentando por ello la corriente de excitación y, por tanto, la tensión del alternador.

Una variación del regulador anteriormente descrito es el que tiene un elemento y dos contactos, que posibilita tres posiciones de conexión. En la posición de conexión "a" la resistencia de regulación se encuentra en cortocircuito, por lo que circula una elevada corriente de excitación. En la posición de conexión "b" están conectadas en serie la resistencia de regulación y el devanado de excitación, lo que reduce la corriente de excitación. En la posición de conexión "c" se cortocircuita el devanado de excitación, con lo que la corriente de excitación es casi nula. El tamaño constructivo de estos reguladores solo permiten instalarlos sobre la carrocería es decir no integrados o adosados al alternador.

Los reguladores electromagnéticos o mecánicos se montan separados del alternador, atornillados a la carrocería y separados de las zonas de temperatura elevada del vano motor

Hasta ahora hemos visto reguladores de un solo elemento (relé electromagnético) pero también existen reguladores de dos elementos o reles. El segundo elemento se utiliza para controlar la lampara de señalización que indica al conductor que el alternador esta generando tensión. En los reguladores de un solo elemento en los que no se utiliza lampara de control como hemos explicado anteriormente, esta es sustituida por un voltimetro o amperímetro.

Dado que la tensión en bornes de la batería depende de la densidad del electrolito y esta, a su vez, disminuye con la temperatura, es necesario que la tensión regulada se adapte a las variaciones térmicas para evitar cargas insuficientes o sobrecargas del acumulador. Ello se consigue mediante la implantación de una resistencia de compensación como ya se ha dicho, complementada por una lamina bimetal ubicada en la fijación del contacto móvil a la armadura. Esta lamina bimetal adquiere una determinada curvatura, que es función de la temperatura ambiente, que ayuda o contrarresta la acción del muelle antagonista, con lo cual, se modifica la fuerza de este en función de la temperatura ambiente.

 

Reguladores electromagnéticos con ayuda electrónica
Antes de la llegada de los reguladores totalmente electrónicos se utilizaron los mecánicos con ayuda electrónica, los cuales sustituían los contactos móviles del electroimán por el uso de transistores. La corriente de excitación es gobernada por el transistor y no por los contactos del electroimán (relé) que se limita en este caso a controlar el transistor.
Tiene la ventaja de una mejor estabilidad en la tensión del alternador, debido a la sensibilidad conductora del transistor, que aunque se auxilia para su funcionamiento de un electroimán (relé), la corriente principal no esta sometida a las variaciones producidas por efecto de inercia de los contactos para abrir y cerrar el circuito, con la ventaja de una duración mucho mayor, ya que la corriente de paso por los contactos del relé es muy pequeña, haciendo que el desgaste en los mismos sea prácticamente nula.


Descripción
Estos reguladores están formados generalmente por una tarjeta de circuito impreso, en la que van montados un transistor de potencia, un relé que controla la corriente de paro y un diodo Zenner acoplado a la salida del transistor, para protegerlo de cualquier sobretensión que pudiera dañarle.
El conjunto ya viene ajustado de fabrica para cada tipo de alternador con sus conexiones dispuestas para ir incorporando en el alternador para su conexionado en el exterior del mismo como elemento independiente y alojado en una caja protectora, que va cerrada de forma que no permite el acceso a su interior, imposibilitando cualquier separación o ajuste.

Funcionamiento
Cuando el alternador gira a bajas revoluciones o la tensión en bornes que genera no llega a la máxima establecida, la corriente que circula por la bobina del relé no es capaz de excitar el núcleo, permaneciendo cerrados sus contactos. En estas condiciones, se establece una corriente de paso a través del transistor, determinada por la resistencia intercalada en serie con el circuito de base del mismo que se cierra a masa a través de los contactos del relé. Esta corriente de base en el transistor establece la corriente de excitación entre emisor-colector pasando a través de la bobina del relé, para alimentar el devanado inductor del rotor del alternador.
Cuando la tensión en bornes del alternador alcanza la tensión máxima de regulación, la corriente que pasa por la bobina del relé es suficiente para excitar su núcleo y abrir los contactos, con lo cual, al interrumpirse el circuito de base en el transistor, anula la corriente de excitación en el rotor y por lo tanto disminuye la tensión en bornes del alternador.
Al disminuir la tensión en bornes del alternador se vuelven a cerrar los contactos del relé por lo que se establece otra vez la corriente de excitación y se repite el ciclo de regulación.

 

Reguladores de tensión electrónicos
Este regulador esta formado por un circuito totalmente integrado a base de componentes electrónicos. Los componentes van dispuestos en una tarjeta de circuito impreso y alojados en una caja plastificada, la cual va sellada y cerrada de forma que no es posible su manipulación, saliendo al exterior perfectamente aislados los cables o terminales para la conexión al alternador.
Tienen larga vida y duración, si no se les conecta indebidamente en el circuito; para ello ya vienen dispuestos y preparados de fabrica para un determinado tipo de alternador y con sus conexiones adaptadas según la forma de montaje en el mismo, sea para montaje exterior sea incorporado al alternador.


Las ventajas del regulador electrónico son las siguientes:
- tiempos de conexión mas breves, que posibilitan menores tolerancias de regulación.
- ausencia de desgaste (no requieren mantenimiento).
- elevadas corrientes de conmutación. Conmutación sin chispa lo que evita interferencias redioelectricas.
- resistente a los choques, vibraciones e influencias climáticas.
- compensación electrónica de la temperatura, lo que también permite reducir las tolerancias de regulación.
- pequeño tamaño, lo que posibilita el montaje adosado al alternador, incluso en alternadores de alta potencia.

Ejemplo: regulador electrónico separado del alternador
Descripción
La corriente de excitación es controlada por un tiristor (Dc) en el esquema del regulador situado en la parte inferior (b), cuyo terminal de disparo recibe la corriente a través del transistor (T1), que controla al mismo tiempo la tensión de regulación con ayuda del diodo Dz (Zenner) y un divisor de tensión formado por las resistencias (R1, R2 y Tm), esta ultima con resistencia variable con la temperatura.
En el esquema en la parte superior (a) se disponen de los transistores (T2) y (T3) para el funcionamiento de la lampara de control (L).

Funcionamiento
Al cerrar el interruptor (
I ) con el alternador parado, se establece la corriente de excitación desde la batería a través de la lampara de control, borne (L), resistencias (G) y (H), circuito base-emisor del transistor (T2) y posteriormente circuito emisor-colector, diodo (P), tiristor (Dc) y borne (Exc) llegando hasta el rotor. La lampara de control se enciende.
Para que se establezca la corriente de excitación, es necesario que conduzca el tiristor (Dc). lo cual se logra aplicando corriente a su terminal de disparo. Esta corriente llega hasta aquí desde la batería, a través del borne (+), resistencia (k), circuito emisor-colector, diodo (Q) y terminal de disparo del tiristor (Dc), desviandose esta corriente, ademas, a través de la resistencia (M), a la excitación.

Cuando el alternador gira, se genera tensión en el borne (C), suficiente para establecer el circuito base-emisor del transistor (T3), a través del diodo (S) y la resistencia (N), con lo cual, circula corriente por el circuito colector-emisor de este transistor, haciendo que se derive a masa la corriente de base del transistor (T2), que le llegaba desde la lampara de control a través de la resistencia (G). En estas condiciones la lampara se apaga.
Al mismo tiempo, la corriente de excitación se establece desde el borne (C), a través del tiristor (Dc), el cual, sigue recibiendo corriente en su terminal de disparo desde el borne (+), por el camino detallado anteriormente. Esta corriente procede ahora del borne (+) del alternador (con mas tensión que la batería).
Para conseguir la regulación de tensión, se dispone el diodo Zenner (Dz), que mantiene constante la tensión del emisor de (T1) (punto A), mientras que la tensión de base (punto B), aumenta proporcionalmente a medida que lo hace la tensión en bornes del alternador. Cuando alcanza un valor igual o superior a la del punto (A) (que no puede subir por encima del valor de corte del Zenner Dz), se anula la corriente de base de (T1), bloqueando el circuito emisor-colector de este transistor, con lo cual, cesa la corriente en el terminal de disparo del tiristor (Dc) y, en el momento que la tensión generada en el borne (C) pase por el valor cero, dicho tiristor deja de conducir interrumpiendose la corriente de excitación, hasta tanto llegue una próxima señal al terminal de disparo que le haga conducir de nuevo.

Para que exista regulación, es necesario que la tensión entre ánodo y cátodo del tiristor (Dc) sea cero en algún momento de su funcionamiento, ya que de otro modo, el tiristor conduciría continuamente. Este es el motivo por el cual se toma la tensión de ánodo de una fase del alternador (borne C), la cual, aumenta y disminuye periódicamente desde cero hasta un valor máximo, quedando bloqueado el tiristor cuando el valor de la tensión en ánodo es cero, en espera de que una próxima señal en el terminal de disparo le haga conducir de nuevo.
El diodo (D) situado en paralelo con la bobina del rotor, evita la sobretension provocada por la ruptura de la corriente de excitación, como consecuencia de la autoinducción de la bobina del rotor. Los demás diodos protegen a los transistores respectivos contra sobretensiones.
El dispositivo de compensación térmica de este regulador lo constituye la resistencia variable (termistor) (Tm), cuyo valor ohmico es función de la temperatura, por lo cual, cuando esta aumenta o disminuye, la resistencia de este elemento varia y, en consecuencia, queda modificada la tensión en el punto (B), con lo cual, la regulación se produce en el valor conveniente, corregido en función de la temperatura.

Ejemplo de: funcionamiento de un regulador electrónico transistorizado tipo EE de Bosch incorporado al alternador.. .
Se diferencian dos estados de funcionamiento "conectado" y "desconectado", queda claro si se observan los procesos que tienen lugar al aumentar y diminuye la tensión en bornes del alternador. El valor real de la tensión del alternador entre los terminales D+ y D- es registrado por un "divisor de tensión" (resistencias R1, R2 y R3). En paralelo con R3 esta conectado, como transmisor del valor nominal del regulador, un diodo zenner (ZD) que se encuentra sometido constantemente a una tensión parcial proporcional a la tensión del alternador.
Mientras el valor real de la tensión del alternador sea inferior al valor teórico, existe el estado de regulación "conectado". No se ha alcanzado aun la tensión de corte del diodo zenner (ZD), es decir no pasa corriente por la rama del circuito del diodo zenner en dirección a la base del transistor T1, T1 esta cortado. Con el transistor T1 en corte, circula corriente desde los diodos de excitación, a través el terminal D+ y de la resistencia R6 hacia la base del transistor T2, que se hace así conductor. Al entrar en conducción, el transistor T2 establece conexión entre el terminal DF y la base de T3. Con ello el transistor T3 es también conductor, igual que T2. Los transistores T2 y T3 están realizados como etapa Darlington y constituyen la etapa de potencia del regulador. A través de T3 y del devanado de excitación fluye la corriente de excitación Iexc, que aumenta durante el tiempo de conexión y provoca a su vez un aumento de la tensión del alternador. Al mismo tiempo aumenta también la tensión en el transistor de valor teórico. Si el valor real de la tensión del alternador sobrepasa el valor teórico existe el estado de regulación "desconectado".
El diodo zenner se vuelve conductor al alcalnzarse la tensión de corte.

Desde D+ circula una corriente a través de las resistencias R1, R2 por la rama donde se encuentra el diodo zenner hacia la base del transistor T1, que se vuelve también conductor. A consecuencia de ello, la tensión en la base T2 cae prácticamente a cero con respecto al emisor y ambos transistores T2 y T3 quedan cortados como etapa de potencia. El circuito de corriente de excitación queda interrumpido, se corta la excitación y disminuye la tensión del alternador. En cuanto dicha tensión cae por debajo del valor nominal y el diodo zenner vuelve al estado de corte, la etapa de potencia conecta de nuevo la corriente de excitación.
Al interrumpirse la corriente de excitación debido a la autoinducción en el devanado de excitación (energía magnética acumulada), se producirá un pico de tensión que podría destruir los transistores T2 y T3 si no se impidiese conectando en paralelo el devanado de excitación el "diodo extintor" D3.
El diodo extintor se hace cargo de la corriente de excitación en el momento de la interrupción e impide que se produzca el pico de tensión.
El ciclo de regulación de conexión y desconexión del flujo de corriente, en el cual el devanado de excitación es sometido alternativamente a la tensión del alternador o cortocircuitando a través del diodo extintor, se repite periódicamente. La cadencia depende esencialmente de la velocidad de rotación del alternador y de la carga. El condensador C rectifica la tensión continua ondulada del alternador. La resistencia R7 asegura una conmutación rápida y exacta de los transistores T2 y T3, a la vez que reduce las perdidas de conmutación.

Mientras que en los reguladores transistorizados estaban formados por componentes discretos, actualmente solo se utilizan reguladores construidos en técnica"híbrida" y "monolítica" (circuitos integrados). Sus pequeñas dimensiones, reducido peso e insensibilidad a las sacudidas, permiten integrarlo directamente en el alternador.


Reguladores en técnica híbrida

Este regulador contiene, en un encapsulado hermético, una placa cerámica con resistencias de protección en técnica de capa gruesa y un circuito conmutador integrado, que reúne todas las funciones de control y regulación.
Los componentes de potencia de la etapa final (transistores Darlington y diodo extintor) están soldados directamente a la base metálica, con el fin de garantizar una buena disposición de calor. Las conexiones eléctricas pasan al exterior a través de clavijas metálicas aisladas con vidrio. Tiene una caída de tensión en la dirección de flujo de la corriente de 1.5 V.
El regulador esta montado sobre un portaescobillas especialmente diseñado y va fijado directamente al alternador, sin ningún cable.
Sus propiedades características son: ejecución compacta, reducido peso, pocos componentes y puntos de unión y gran fiabilidad de funcionamiento.
El regulador con técnica híbrida con diodos normales se emplea principalmente en alternadores "monobloc" de la marca Bosch.

 

Regulador en técnica monolítica
Es una versión perfeccionada del regulador híbrido. Las funciones del circuito integrado de la etapa de potencia y del diodo extintor del regulador híbrido, están integradas en un chip. El regulador monolítico esta realizado en técnica bipolar. Se ha aumentado su fidelidad mediante una ejecución compacta, es decir, con menor numero de componentes y de uniones. La etapa final esta realizada como etapa de potencia sencilla, por lo que la caída de tensión en la dirección de flujo es de solo 0.5 V.
Los reguladores monolíticos, en combinación con rectificadores (diodos zenner) se utilizan en alternadores "compactos" de la marca Bosch.

Regulador de tensión multifuncional
Este regulador puede estar equipado, ademas de la regulación de tensión, por ejemplo con un indicador LED en lugar de la lampara de control del alternador y con un indicador de fallos de tensión insuficiente y sobretensión, rotura de la correa de transmisión o interrupción de la excitación.
En este caso el diodo ya no requiere de diodos de excitación (D+). La señal de "motor en marcha" puede interrogarse a través de la conexión (L). La conexión (W) suministra una señal proporcional a la velocidad de giro. La toma de valor real de la tensión se realiza en el terminal (B+) del alternador.
La versión utilizada para alternadores "compactos" de la "serie B" ofrece funciones adicionales:

La excitación del alternador se adapta en rampa a las conexiones de cargas que se producen en el sistema eléctrico del vehículo. De este modo se evitan los saltos de par en la transmisión por correa los cuales por ejemplo afectarían a la uniformidad del ralentí del motor.
La relación de impulsos del regulador puede interrogarse a través de la conexión DFM. Esta relación caracteriza el grado de carga que soporta el alternador y puede aplicarse para circuitos preferentes (por ejemplo para desconectar consumidores de baja prioridad en caso de saturación de la capacidad del alternador).

 

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