ЭЛЕКТРОННЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H02P9/30 

Изобретение относится к области электронных устройств автоматики и может найти широкое применение как в изделиях ракетно-космической техники, так и в народном хозяйстве, в частности в автотранспортных средствах, где требуется поддержание стабильного напряжения постоянного тока в сети.

Известно устройство Великобритании по заявке N 1573426 (МПК H 02 P 9/30), в котором выходное напряжение генератора посредством управления выходного транзистора, в коллектор которого включена обмотка возбуждения генератора. Напряжение питания поступает на резистивный делитель и сравнивается с напряжением стабилитрона. При увеличении напряжения питания стабилитрон пробивается, после чего включается входной транзистор и выключается выходной транзистор, в результате чего обесточивается обмотка регулятора.

Известны транзисторные регуляторы напряжения типа PP350, PP356 по книге авторов Н.М. Ильина и др. "Электрооборудование автомобилей". М., "Транспорт", 1982, с. 47-91. Регулятор одного из указанных типов состоит из входного и выходного транзисторов, резисторов, стабилитрона, запирающих диодов. Принцип работы этих регуляторов аналогичен принципу работы регулятора по заявке Великобритании N 1573426.

Прототипом предлагаемого изобретения является "Регулятор напряжения". Великобритания, МКИ H 02 P 9/30 заявка N 1602977. Структура и схема прототипа близки к предлагаемому устройству. Схема прототипа состоит из последовательно включенных стабилитрона и резистора (параметрического стабилизатора напряжения), входного транзистора, коллектор которого через ограничительный резистор подключен к плюсовой клемме источника питания, выходного транзистора, в коллектор которого включена обмотка возбуждения, зашунтированная диодом, а эмиттер выходного транзистора подключен к минусовой клемме источника питания.

Схема прототипа работает следующим образом. При увеличении напряжения питания увеличивается напряжение на резисторах, в результате чего пробивается стабилитрон, после этого открывается входной транзистор. Напряжение на коллекторе входного транзистора падает, и выходной транзистор закрывается, обмотка возбуждения генератора обесточивается. В результате обесточивания обмотки обороты генератора падают, а значит, уменьшается напряжение питания. Уменьшение напряжения питания приводит к закрытию стабилитрона, выключению входного транзистора и включению выходного транзистора и т.д.

Недостатками устройства прототипа, как и приведенных выше устройств, является следующее:
1. Сложность схемы и большое количество применяемых электрорадиоизделий (ЭРИ) - от 14 до 18 штук.

2. Режим работы стабилитрона, входящего в состав стабилизатора напряжения, зависит от тока базы входного транзистора, что приводит к низкой точности регулирования. При этом необходимо отметить, что в соответствии с ТУ на стабилитроны типа КС147А, КС156А и др. минимальный ток стабилизации стабилитрона, при котором обеспечиваются необходимые параметры, равен 3-5 мА, а токи базы входного транзистора лежат в пределах сотых долей мА до 0,5 мА. Эти два требования являются противоречивыми и в конечном счете приводят к низкой точности и стабильности регулирования, особенно при воздействиях рабочих температур.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение точности регулирования напряжения.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый электронный регулятор напряжения, содержащий стабилизатор напряжения, выполненный на последовательно включенных стабилитроне и резисторе, входной транзистор, коллектор которого через ограничительный резистор подключен к плюсовой клемме источника питания, выходной транзистор, в коллектор которого включена обмотка возбуждения, зашунтированная диодом, эмиттер выходного транзистора подключен к минусовой клемме источника питания, в отличие от прототипа в него введен дополнительный стабилизатор напряжения, выполненный на последовательно включенных дополнительном стабилитроне и двух резисторах, при этом эмиттер входного транзистора подключен к средней точке соединения резистора и стабилитрона стабилизатора напряжения, плюсовой вывод этого стабилитрона подключен к минусовой клемме источника питания, база входного транзистора подключена к средней точке соединения двух резисторов дополнительного стабилизатора напряжения, минусовой вывод этого стабилитрона подключен к плюсовой клемме источника питания, коллектор входного транзистора через резистор соединен с базой выходного транзистора, которая через резистор смещения подключена к минусовой клемме источника питания.

Схема предлагаемого регулятора напряжения приведена на чертеже.

Регулятор напряжения содержит стабилизатор напряжения 1, дополнительный стабилизатор напряжения 2; стабилизатор напряжения 1 выполнен на последовательно соединенных резисторе 3 и стабилитроне 4; дополнительный стабилизатор напряжения 2 выполнен на последовательно включенных дополнительном стабилитроне 5 и резисторах 6,7. Регулятор напряжения содержит также входной транзистор 8, эмиттер которого подключен к средней точке соединения стабилитрона 4 резистора 3; резистор 9, включенный в коллектор входного транзистора 8; резистор 10, подключенный к коллектору входного транзистора 8, резистор 11; выходной транзистор 12, между базой и эмиттером которого подключен резистор 11, в коллектор выходного транзистора 12 включена обмотка возбуждения, зашунтированная диодом 13, а база через резистор 10 - к коллектору входного транзистора 8; диод 13; обмотка возбуждения 14 генератора, включенная в коллектор выходного транзистора 12 и зашунтированная диодом 13.

Схема, представленная на чертеже, работает следующим образом. В исходном состоянии при номинальном напряжении 14 В транзистор 8 закрыт, т.к. U₇≤U₄, а выходной транзистор 12 открыт и обмотка возбуждения 14 находится под напряжением. При увеличении напряжения питания на величину ΔU_пит., напряжение на стабилитроне 4 остается постоянным, а на резисторе 7 возрастает. При этом, учитывая, что величина резистора 7 выбирается значительно большей, чем величина резистора 6 (R₇>>R₆), практически ΔU_пит. выделяется на резисторе 7. В связи с этим входной транзистор 8 открывается, напряжение на коллекторе входного транзистора 8 резко уменьшается и выходной транзистор 12 выключается. Поэтому обмотка возбуждения 14 обесточивается, обороты генератора уменьшаются, и напряжение питания начинает уменьшаться. При достижении величины напряжения питания U_пит. - ΔU_пит. напряжение на эмиттере входного транзистора 8 остается постоянным, а на резисторе 7 уменьшается практически на величину ΔU_пит., что вызовет отключение транзистора 8, при этом напряжение на коллекторе транзистора 8 увеличится, что приведет к открытию выходного транзистора 12, и, следовательно, обмотка возбуждения 14 снова окажется под напряжением. Далее процесс повторяется.

Анализ схемы предлагаемого электронного регулятора показывает, что количество пассивных электрорадиоизделий (ЭРИ) равно девяти, и количество активных ЭРИ равно двум, что, конечно, меньше, чем в известных аналогичных устройствах. Простота схемы определяет ее высокую надежность, а также высокую технологичность и простоту конструкции.

Основное преимущество предлагаемой схемы состоит в том, что режим работы стабилитронов 4 и 5, которые и определяют точность регулирования напряжения, не зависит от режима работы входного транзистора 8, а задается резисторами 6,7 и 3. При этом обеспечивается условие

где U_пит. - напряжение питания;
U_ст.5 - напряжение стабилизации стабилитрона 5;
I_ст.min - минимально допустимый ток стабилитрона 5 по ТУ;
R₆ - величина резистора 6;
R₇ - величина резистора 7.

В аналогичных устройствах это условие зачастую не обеспечивается, что приводит к низкой точности и нестабильности работы регулятора.

Кроме того, введение дополнительного стабилизатора напряжения на резисторах 6, 7 и дополнительном стабилитроне 5 позволяет значительно увеличить точность регулирования напряжения, т.к. изменение напряжение питания на величину ±ΔU_пит. отслеживается на резисторе 7 и затем фиксируется стабилитроном 4 и входным транзистором 8. Таким образом, точность регулирования напряжения в предлагаемой схеме значительно выше, чем в аналогичных схемах.

Исходя из простоты схемы и малого количества применяемых ЭРИ можно ожидать снижения расходов на одно изделие в пределах 10-20 рублей. Учитывая количество выпускаемых регуляторов напряжения порядка 100000 шт. в год, годовой экономический эффект от внедрения предлагаемого изобретения составит 1,0-2,0 млн. рублей.

Электронный регулятор напряжения может найти широкое применение в автотранспортных средствах, где требуется поддержание стабильного напряжения постоянного тока в сети. Технический результат - упрощение конструкции и повышение точности регулирования напряжения. Предлагаемый электронный регулятор напряжения, содержащий стабилизатор напряжения, выполненный на последовательно включенных стабилитроне и резисторе, входной транзистор, коллектор которого через ограничительный резистор подключен к плюсовой клемме источника питания, выходной транзистор, в коллектор которого включена обмотка возбуждения, зашунтированная диодом, эмиттер выходного транзистора, подключен к минусовой клемме источника питания, в отличие от прототипа в него введен дополнительный стабилизатор напряжения, выполненный на последовательно включенных дополнительном стабилитроне и двух резисторах, при этом эмиттер входного транзистора подключен к средней точке соединения резистора и стабилитрона стабилизатора напряжения, плюсовой вывод этого стабилитрона подключен к минусовой клемме источника питания, база входного транзистора подключена к средней точке соединения двух резисторов дополнительного стабилизатора напряжения, минусовой вывод этого стабилитрона подключен к плюсовой клемме источника питания, коллектор входного транзистора через резистор соединен с базой выходного транзистора, которая через резистор смещения подключена к минусовой клемме источника питания. 1 ил.

Электронный регулятор напряжения, содержащий стабилизатор напряжения, выполненный на последовательно включенных стабилитроне и резисторе, входной транзистор, коллектор которого через ограничительный резистор подключен к плюсовой клемме источника питания, выходной транзистор, в коллектор которого включена обмотка возбуждения, зашунтированная диодом, а эмиттер выходного транзистора подключен к минусовой клемме источника питания, отличающийся тем, что в него введен дополнительный стабилизатор напряжения, выполненный на последовательно включенных дополнительном стабилитроне и двух резисторах, при этом эмиттер входного транзистора подключен к средней точке соединения резистора и стабилитрона стабилизатора напряжения, плюсовой вывод этого стабилитрона подключен к минусовой клемме источника питания, база входного транзистора подключена к средней точке соединения двух резисторов дополнительного стабилизатора напряжения, минусовой вывод дополнительного стабилитрона подключен к плюсовой клемме источника питания, коллектор входного транзистора через резистор соединен с базой выходного транзистора, которая через резистор смещения подключена к минусовой клемме источника питания.