РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК H02J7/14 

Изобретение относится к системам зарядки аккумуляторной батареи от электрических генераторов, вращающихся с переменной скоростью, преимущественно автомобильных.

Известны регуляторы напряжения, регулировочная характеристика которых зависит от температуры аккумулятора. В изобретении N 2-50692 ("Изобретения стран мира" реферативный журнал. Выпуск 107 МКИ H 02 N 18 1991 г.) приведена схема стабилизатора напряжения с подключаемым датчиком температуры аккумулятора. Стабилизатор регулирует напряжение генератора G для зарядки аккумуляторной батареи и отличается тем, что содержит: делитель напряжения, состоящий из двух резисторов R₄, R₅ и измеряющий напряжение генератора с целью его регулирования в результате сравнения с опорным напряжением; ключ T₁; выполненный на транзисторе резистор R₁, подключенный к резистору R₅, через включенный ключ, резисторный элемент R_T с изменяющимся сопротивлением; два штекера T и D+ для параллельного подключения элемента R_T к резистору R₄; делитель напряжения R₂, R₃, включающий ключ только на время подключения элемента R_T к резистору R₄, и диод D₃, соединяющий с делителем R₄, R₅ штекер T и делитель R₂, R₃, подключенный к штекеру T. Полярность диода выбрана так, чтобы поддерживалось отключенное состояние ключа и предотвращалось протекание тока от делителя R₄, R₅ к делителю R₂, R₃, когда штекер T отключен от элемента R_T.

Напряжение на выходе генератора автомобиля регулируется устройством в зависимости от температуры аккумулятора. Недостатком данного решения является появление чрезмерно высокого и низкого напряжения при экстремальных значениях температура.

Известны изобретения с зависимостью выходного напряжения генератора от температуры электролита и с ограничением уровня напряжения (МКИ 6 H 02 J 7/14 патент РФ N 2006130 от 15.01.94 Бюл. N 1).

Регулятор напряжения содержит термодатчик, подключенный к аккумулятору и состоящий из термочувствительного и термонезависимого делителей напряжения, выходы которых через резисторы соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, выход которого через резистор соединен с базой транзистора, коллектор которого подключен через параллельно соединенные обмотку возбуждения генератора и диод к общей шине питания, а эмиттер соединен с положительной шиной питания. Между шинами питания в него введены последовательно соединенные резистор и стабилитрон, параллельно которому подключен делитель напряжения из трех последовательно соединенных резисторов, причем верхний и нижний выводы среднего резистора соединены соответственно с анодом первого и катодом второго диодов, вторые выводы которых соединены с первым входом компаратора.

Устройство, описанное в патенте, обеспечивая оптимальное напряжение на аккумуляторе, в широком диапазоне температур, позволяет повысить долговечность и надежность работы остального электрооборудования за счет исключения чрезмерно высокого и низкого напряжения в бортовой сети при экстремальных значениях температуры. Однако при температуре ниже 0^oC оптимальное напряжение заряда аккумулятора превышает номинальное напряжение обычных потребителей на 1...1,5 B. Известно, что превышение напряжения питания ламп накаливания с 13,5 до 15 В ведет к снижению срока их службы в условиях эксплуатации на подвижном транспортном средстве в 2...2,5 раза как показано в статье авторов Мищенкова В.А., Кириллова В.М., Копнина Г.Н. "Оценка надежности 24-вольтовых автоламп по результатам дорожных и лабораторных испытаний" журнал Автотракторное электрооборудование 1981 г. N 3. Выводы статьи можно распространить и на лампы с напряжением 13,5 B. Ограничение напряжения заряда на уровне 13,9. . .14 B не позволяет оптимально заряжать аккумулятор при низких температурах и ведет к его хроническому недозаряду. Следовательно, данное устройство, увеличивая срок службы аккумуляторной батареи, значительно уменьшает срок службы осветительных приборов подвижного транспортного средства в зимний период. При воздействии же высоких температур в летний период напряжение питания в бортсети автомобиля упадет ниже 13,5 B, что приведет к резкому ослаблению светового потока фар ближнего и дальнего света и снизит безопасность движения подвижного транспортного средства.

Напряжение генератора должно быть не только оптимальным для заряда аккумуляторной батареи, но и зависеть от того, какие потребители подключены в данный момент к бортовой сети. Ставится техническая задача - введение зависимости напряжения в бортовой сети подвижного транспортного средства не только от температуры электролита аккумулятора, но и от подключения приборов, срок службы которых сильно зависит от изменения напряжения в бортовой сети (в основном осветительных приборов).

Решение технической задачи достигается тем, что регулятор напряжения, содержащий делитель напряжения, включенный между шинами питания, выход которого подключен к инвертирующему входу компаратора, выход которого подключен к входу ключевого усилителя, выход которого подключен через обмотку возбуждения генератора к общей шине питания, и термодатчик, измеряющий температуру электролита аккумулятора, введен датчик тока, вход которого соединен с положительной шиной питания, в первый выход датчика тока является выходом регулятора напряжения, формирователь опорного напряжения, первый и второй входы которого соединены с вторым выходом датчика тока и выходом термодатчика соответственно, выход формирователя опорного напряжения подключен к неинвертирующему входу компаратора.

При этом формирователь опорного напряжения содержит усилитель, вход которого является первым входом формирователя опорного напряжения, а выход соединен с регулирующим входом управляемого делителя напряжения, вычитающего усилителя, суммирующий вход которого является вторым входом формирователя опорного напряжения, а выход соединен с входом управляемого делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с вторым выходом формирователя стабильных напряжений, первый выход которого соединен с вычитающим выходом вычитающего усилителя, выход сумматора соединен со входом двустороннего ограничителя напряжения, выход которого является выходом формирователя опорного напряжения.

Предложенное техническое решение удовлетворяет критерию "изобретательский уровень", т.к. предложенные отличительные признаки позволяют получить новое свойство - зависимость напряжения в бортовой сети подвижного транспортного средства не только от температуры (для оптимального заряда аккумулятора), но и от подключения приборов, срок службы которых сильно зависит от изменения напряжения в бортовой сети (в основном осветительных приборов).

На фиг. 1 показана структурная схема регулятора напряжения.

На фиг. 2 показана структурная схема конкретной реализации формирователя опорного напряжения 2.

На фиг. 3 показан график зависимостей напряжения с выхода генератора от температуры аккумуляторной батареи T и тока через осветительные приборы I_н.

Регулятор напряжения содержит датчик тока 1, вход и первый выход которого соединены с положительной шиной питания и клеммой XT подключения осветительных приборов, второй выход датчика тока подключен к первому входу формирователя опорного напряжения 2, к второму входу которого подключен термодатчик 3, измеряющий температуру электролита аккумулятора, выход формирователя опорного напряжения 2 соединен с неинвертирующим входом компаратора 5, делитель напряжения 4, включенный между шинами питания, средний вывод которого подключен к инвертирующему входу компаратора 5, выход которого подключен к входу ключевого усилителя 6, выход которого подключен через обмотку возбуждения 7 генератора к обшей шине питания (фиг. 1).

Формирователь опорного напряжения 2 может содержать усилитель 8, вход которого является первым входом формирователя опорного напряжения 2, а также вычитающий усилитель 9, суммирующий вход которого является вторым входом формирователя опорного напряжения 2, выход вычитающего усилителя 9 подключен к входу управляемого делителя напряжения 10, вход регулирования которого соединен выходом усилителя 8, выход управляемого делителя напряжения 10 подключен к входу сумматора 11, ко второму входу которого подключен второй выход формирователя стабильных напряжений 12, первый выход которого подключен к вычитающему входу вычитающего усилителя 9, а выход которого соединен с входом двустороннего ограничителя напряжения 13, выход которого является выходом формирователя опорного напряжения 2 (фиг. 2).

Датчик тока 1 может быть выполнен в виде низкоомного шунта, снимаемое напряжение с которого пропорционально току, протекающему через него. В качестве термодатчика 3 может быть использована цепочка из термосопротивления, погруженного в электролит аккумулятора, и резистора; сигнал при этом снимается с точки их соединения. Делитель напряжения 4 в простейшем случае может содержать два резистора, включенных последовательно. Компаратор 5 может быть реализован на интегральных микросхемах, например K521CA3, K554CA3 в соответствующем включении с гистерезисом 50...100 мВ. В качестве ключевого усилителя 6 может быть использован стандартный ключевой каскад на мощном транзисторе.

В качестве усилителя 8 и вычитающего усилителя 9 может быть применен вычитатель-усилитель на операционном усилителе в стандартном включении стр. 7 Ю. А. Мячин. 180 аналоговых микросхем (справочник). - Изд-во "Патриот". МП "Символ-Р" и редакция журнала "Радио". 1993. - 152 с., ил., (приложение к журналу "Радио"). При этом первый вход вычитателя-усилителя в случае усилителя 8 подключается к месту подключения шунта, используемого в качестве датчика тока, к положительной шине питания, а второй вывод - к месту подключения шунта к клемме XT. В качестве сумматора может выступать сумматор, неинвертирующий с усилением равным единице стр. 8. Управляемый делитель напряжения 10 может быть реализован в виде электронного аттенюатора стр. 178 Горошков Б. И. Радиоэлектронные устройства: Справочник. - М. Радио и Связь, 1984, - 400 с. - (Массовая радиобиблиотека. Вып. 1076). Формирователь стабильных напряжения 12 может быть выполнен в виде двух схем термостабильного опорного напряжения стр. 357. Двусторонний ограничитель напряжения может быть выполнен по схеме, приведенной в Справочнике по радиоэлектронным устройствам: в 2-х томах Том I /Бурин М.И., Васильев В.П., Каганов В.И. и др.; Под. ред. Д.П.Линде. - М.: Энергия, 1978. - 440 с., ил. - (Радиоэлектроника).

Рассмотрим работу предложенного регулятора напряжения. Предположим, что ни один из соединенных с клеммой ХТ потребителей не включен. При этом через датчик тока 1 не протекает ток и на нем нет падения напряжения. Регулирование выходного напряжения генератора будет зависеть только от температуры электролита и будет оптимальным для аккумуляторной батареи. Напряжение на выходе термодатчика 3, погруженного в электролит, будет пропорционально его температуре. Формирователь опорного напряжения 2 выдаст такое напряжение, чтобы напряжение генератора было оптимальным для заряда аккумуляторной батареи. На выходе делителя напряжения 4 напряжение всегда пропорционально напряжению генератора автомобиля. Компаратор 5 сравнивает это напряжение с опорным напряжением на выходе формирователя опорного напряжения 2. Если опорное напряжение выше напряжения на выходе делителя напряжения 4, то компаратор выдает сигнал на ключевой усилитель 6, через него в обмотку возбуждения 7 генератора потечет ток. Напряжение на выходе генератора начнет возрастать до тех пор, пока напряжение с выхода делителя 4 на превысит опорного. После чего компаратор 5 закроет ключевой усилитель 6 и ток через обмотку возбуждения прекратится. Напряжение на выходе генератора начнет уменьшаться пока не упадет ниже опорного. Дальше процесс повторится.

Предположим теперь, что один или несколько из соединенных с клеммой XT потребителей включены. Через датчик тока 1 теперь протекает ток и на его выходе появится напряжение, пропорциональное току через него. Формирователь опорного напряжения 2 теперь будет выдавать опорное напряжение, зависящее от температуры, но уже не оптимальное для заряда аккумулятора. Чем больше ток протекает через датчик тока 1, тем меньше отклонение опорного напряжения от номинального для осветительных приборов.

Формирование опорного напряжения производится в соответствии со следующей зависимостью:

причем U_мин < U_оп < U_макс,
где U_мин и U_макс - соответственно минимально и максимально допустимое напряжение опорного напряжения;
U₁ = U_ном•k_дел,
U_ном - номинальное напряжение для осветительных приборов;
k_дел - коэффициент деления делителя напряжения 5;
U(T) - напряжение с датчика температуры, пропорциональное температуре аккумулятора;
U₂ - выбирается из условия U(T)=U₂, при T = T_ном, где T_ном - температура, при которой оптимальное зарядное напряжение равняется U_ном (фиг. 3.);

k_T - коэффициент, задающий оптимальную зависимость напряжения от температуры;
k'_T - коэффициент преобразования температуры в термодатчике 3;
U(I) - напряжение с выхода датчика тока;
где k_I - требуемый коэффициент усиления;
k_рег - коэффициент регулирования управляемого делителя напряжения 10;
k'_I - коэффициент преобразования тока в напряжение датчиком тока 1.

Данная зависимость выведена исходя из условия оптимизации сроков жизни аккумуляторной батареи и осветительных приборов. При этом учитывались стоимость оборудования, а также цена его переустановки. Брались в расчет показатели безопасности движения. Верхний предел изменения напряжения в бортовой сети автомобиля выбран из условия верхнего предела для нагрузок бортсети автомобиля, кроме осветительных приборов, и составляет 16...16,5 B. Нижний же предел выбирается из условия близости к э.д.с. аккумуляторной батареи и составляет напряжение порядка 12,5...12,6 B.

Рассмотрим работу реализации формирователя опорного напряжения 2 (фиг. 2) по данной математической зависимости. Сигнал с датчика тока поступает на вход усилителя 8 с коэффициентом усиления K_I. На суммирующий вход вычитающего усилителя 9 поступает напряжение с датчика тока и из него вычитается напряжение U₂, поступающее с первого выхода формирователя стабильных напряжений 12. Коэффициент усиления вычитающего усилителя 9 равен K_T. С выхода вычитающего усилителя 9 сигнал поступает на вход управляемого делителя напряжения и делителя в зависимости от регулирующего напряжения, подаваемого на него с усилителя 8. Выходной сигнал управляемого делителя напряжения 10 подается на сумматор 11, где суммируется с напряжением U₁, подающимся с формирователя стабильных напряжений 12. Выходной сигнал с выхода сумматора 11 подается на вход двустороннего ограничителя напряжения 13, где ограничивается на уровне U_мин в случае понижения минимально допустимого напряжения в бортсети автомобиля или U_макс в случае превышения максимально допустимого напряжения в бортсети автомобиля. Сигнал с выхода двустороннего ограничителя напряжения 13 является опорным сигналом и подается на неинвертирующий вход компаратора 6.

При увеличении тока осветительных приборов соответственно увеличивается сигнал с датчика тока 1. Усиленный усилителем 8 сигнал увеличивает коэффициент деления управляемого делителя напряжения 10. Сигнал, поступающий на него через вычитающий усилитель 9 с термодатчика 3, на выходе уменьшается и при дальнейшем возрастании тока через датчик тока 1 стремится к нулю (фиг. 3). Отклонение на выходе сумматора 11 от номинального напряжения для осветительных приборов так же уменьшается.

При уменьшении сигнала с датчика тока 1 отклонение от номинального напряжения на выходе сумматора 11 увеличится и достигнет при нулевом тока оптимальной величины для заряда аккумуляторной батареи.

Данное устройство не может быть заменено компиляцией двух известных технических решений: термозависимым регулятором напряжения и ограничителем тока в цепи осветительных приборов, т.к. при уменьшении напряжения в бортсети ниже номинального вследствие действия повышенной температуры на термодатчик летом, через осветительные приборы потечет ток также ниже номинального. При этом произойдет дополнительное падение напряжения на регулировочном элементе. Световой поток осветительных приборов резко уменьшится вследствие чего снизится безопасность движения транспортного средства. В случае воздействия низких температур и использовании ограничителя тока мощность, выделяемая на нем, приведет к увеличению габаритов, трудностям технической реализации устройства и, что самое важное, к снижению КПД энергетической установки транспортного средства, что в свою очередь приведет к необходимости увеличения мощности генератора, а значит и его габаритов и т.д.

В результате работы регулятора напряжения осуществляется регулирование напряжения генератора не только в зависимости от температуры аккумуляторной батареи, но и от включения осветительных приборов, что позволяет значительно продлить их сроки службы, а также срок службы аккумуляторной батареи (приблизительно в 1,5...2 раза) при ее надежном заряде. Применение данного устройства повысит надежность узлов бортсети и увеличит безопасность движения подвижного транспортного средства.

Использование: в системах зарядки аккумуляторной батареи от электрических генераторов, вращающихся с переменной скоростью, преимущественно автомобильных. Регулятор напряжения содержит датчик тока 1, вход и первый выход которого соединены с положительной шиной питания и клеммой ХТ подключения осветительных приборов, второй выход датчика тока подключен к первому входу формирователя опорного напряжения 2, к второму входу которого подключен термодатчик 3, измеряющий температуру электролита аккумулятора, выход формирователя опорного напряжения 2 соединен с неинвертирующим входом компаратора 5, делитель напряжения 4, включенный между шинами питания, средний вывод которого подключен к инвертирующему входу компаратора 5, выход которого подключен к входу ключевого усилителя 6, выход которого подключен через обмотку возбуждения 7 генератора к общей шине питания. Технический результат - введение зависимости напряжения в бортовой сети подвижного транспортного средства не только от температуры электролита аккумулятора, но и от подключения приборов, срок службы которых сильно зависит от изменения напряжения в бортовой сети (в основном осветительных приборов). 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Регулятор напряжения, содержащий делитель напряжения, включенный между положительной и общей шинами питания, выход которого подключен к инвертирующему входу компаратора, выход которого подключен ко входу ключевого усилителя, выход которого подключен через обмотку возбуждения генератора к общей шине питания, и термодатчик, измеряющий температуру электролита аккумулятора, отличающийся тем, что введен датчик тока, вход которого соединен с положительной шиной питания, а первый выход датчика тока является выходом регулятора напряжения, формирователь опорного напряжения, формирователь опорного напряжения, первый и второй входы которого соединены со вторым выходом датчика тока и выходом термодатчика соответственно, выход формирователя опорного напряжения подключен к неинвертирующему входу компаратора. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что формирователь опорного напряжения содержит усилитель, вход которого является первым входом формирователя опорного напряжения, а выход соединен с регулирующим входом управляемого делителя напряжения, вычитающего усилителя, суммирующий вход которого является вторым входом формирователя опорного напряжения, а выход соединен со входом управляемого делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен со вторым выходом формирователя стабильных напряжений, первый выход которого соединен с вычитающим выходом вычитающего усилителя, выход сумматора соединен со входом двустороннего ограничителя напряжения, выход которого является выходом формирователя опорного напряжения.