ИМПУЛЬСНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H02P9/30 H02J7/14 

Изобретение относится к электрооборудованию автомобилей, в частности к устройствам регулирования напряжения в генераторных установках транспортных средств.

Известны электронные регулятора напряжения (Данов Б.А., Рогачев В.Д. Электронные приборы автомобилей. - М.: Транспорт, 1996, с. 7-13), содержащие измерительное звено, обычно выполненный на стабилитроне источник опорного напряжения и транзистор, включенный последовательно с обмоткой возбуждения генератора. Погрешность регулирования напряжения в таких схемах около ± 0,8 В. Следовательно, основным недостатком подобных устройств является неточная установка напряжения, что приводит к преждевременному выходу из строя аккумуляторной батареи.

Известен аналоговый регулятор напряжения (Патент РФ 2006176, МПК Н 02 Р 9/30, БИ 1, 1994), состоящий из измерительного звена, регулирующего и силового транзисторов, источника опорного напряжения на стабилитроне, цепочки частотно-зависимой обратной связи. Источник опорного напряжения подключен к базе регулирующего транзистора, а регулирующее звено - к его эмиттеру, что позволило изменить режим работы регулятора на аналоговый и, как следствие, повысить точность регулирования. Недостатками данного технического решения являются: большая рассеиваемая мощность, низкий коэффициент полезного действия, а также затрудненный пуск двигателя внутреннего сгорания из-за большого тормозящего момента генератора, возникающего из-за наличия тока в цепи его возбуждения.

Наиболее близким к предлагаемому является импульсный регулятор напряжения (Патент РФ 2136105, МПК Н 02 Р 9/30, БИ 24, 1999), содержащий измерительное звено, источник опорного напряжения, подключенные между плюсовым и минусовым проводами регулятора, схему сравнения, входы которой подсоединены к выходам источника опорного напряжения и измерительного звена, силовой транзистор, эмиттер которого подключен к плюсовому проводу, управляемый мультивибратор, элемент "И", выход которого соединен со входом управления мультивибратора, выход которого соединен с базой силового транзистора, диод, катушку индуктивности и конденсатор, причем коллектор силового транзистора подключен к катоду диода и катушке индуктивности, анод диода соединен с конденсатором и клеммой "Ш" синхронного генератора, вторые выводы катушки индуктивности и конденсатора подключена к минусовому проводу, частотный компаратор, датчик частоты искрообразования, причем его выход подключен к входу частотного компаратора, выход которого связан с первым входом схемы "И", а выход схемы сравнения связан со вторым входом схемы "И".

Недостатками данного устройства являются: несоответствие температурного коэффициента напряжения (ТКН) аккумуляторной батареи и ТКН регулятора напряжения, что приводит к несоответствию выходного напряжения регулятора и ЭДС полностью заряженной батареи у границ температурного диапазона и, как следствие, снижению срока службы аккумуляторных батарей, находящихся на автотранспортных средствах, и ухудшению условий пуска двигателей внутреннего сгорания особенно у границ температурного диапазона.

Изобретение направлено на продление срока службы аккумуляторных батарей и облегчение условий пуска двигателей внутреннего сгорания.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в схему регулятора дополнительно введены диод на основе широкозонного полупроводника, диод на основе узкозонного полупроводника, два сопротивления, подстроечное сопротивление и усилитель постоянного тока, причем первое сопротивление подключено к аноду диода на основе широкозонного полупроводника и неинвертирующему входу усилителя постоянного тока, подстроенное сопротивление подключено к аноду диода на основе узкозонного полупроводника и инвертирующему входу усилителя постоянного тока, второй вывод подстроечного сопротивления соединен с третьим и с выводом второго сопротивления, вторые выводы первого и второго сопротивлений связаны с плюсовым проводом регулятора, а катоды диода на основе широкозонного полупроводника и диода на основе узкозонного полупроводника соединены с минусовом проводом регулятора напряжения, выход усилителя постоянного тока соединен с первым входом схемы сравнения.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом позволяет обнаружить новые элементы и связи между ранее использованными в схеме и вновь введенными элементами. Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения с другими техническими решениями позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия", поскольку за счет более точного соответствия ЭДС полностью заряженной аккумуляторной батареи выходному напряжению регулятора во всем рабочем диапазоне температур удается продлить срок службы аккумуляторных батарей. Пуск двигателя внутреннего сгорания при этом облегчается за счет более высокой степени заряженности аккумуляторной батареи.

Функциональная схема устройства представлена на чертеже.

Регулятор напряжения содержит измерительное звено 1, источник 6 опорного напряжения, подключенное между плюсовым и минусовым проводами регулятора, схему 2 сравнения, входы которой подсоединены к выходам источника 6 опорного напряжения и измерительного звена 1, силовой транзистор 8, эмиттер которого подключен к плюсовому проводу, управляемый мультивибратор 4, элемент "И" 3, выход которого соединен со входом управления мультивибратора 4, выход которого соединен с базой силового транзистора 8, диод 10, катушку 9 индуктивности и конденсатор 11, причем коллектор силового транзистора 8 подключен к катоду диода 10 и катушке 9 индуктивности, анод диода 10 соединен с конденсатором 11 и клеммой "Ш" синхронного генератора, вторые выводы катушки 9 индуктивности и конденсатора 11 подключены к минусовому проводу, частотный компаратор 7, датчик 5 частоты искрообразования, причем его выход подключен к входу частотного компараторе 7, выход которого связан с первым входом схемы "И" 3, а выход схемы 2 сравнения связан со вторым входом схемы "И" 3, кроме того, в регулятор введены диод 12 на основе широкозонного полупроводника, диод 13 на основе узкозонного полупроводника, два сопротивления 14 и 15, подстроечное сопротивление 16 и усилитель 17 постоянного тока, причем первое сопротивление 14 подключено к аноду диода 12 на основе широкозонного полупроводника и неинвертирующему входу усилителя 17 постоянного тока, подстроечное сопротивление 16 подключено к аноду диода 13 на основе узкозонного полупроводника и инвертирующему входу усилителя 17 постоянного тока, второй вывод подстроечного сопротивления 16 соединен с третьим и с выводом второго сопротивления 15, вторые выводы первого и второго сопротивлений 14 и 15 связаны с плюсовым проводом регулятора, а катоды диода 12 на основе широкозонного полупроводника и диода 13 на основе узкозонного полупроводника соединены с минусовым проводом регулятора напряжения, выход усилителя 17 постоянного тока соединен с первым входом схемы сравнения.

Работает устройство следующим образом.

Известно, что напряжение на прямосмещенных диодах может быть найдено из соотношения (Шалимова К.В. Физика полупроводников. - М.: Энергия, 1976):


где U₁₂ и U₁₃ - напряжение на прямосмещенном диоде на основе широкозонного и узкозонного полупроводников соответственно;
ΔE_g12, ΔE_g13 - ширина запрещенной зоны широкозонного и узкозонного полупроводников;
е - заряд электрона;
K - постоянная Больцмана;
A₁, A₂ - величина, практические не зависящие от температуры;
T - температура, К;
I₀₁₂, I₀₁₃ - токи прямосмещенных р-n переходов на основе широкозонного и узкозонного полупроводников;
S₁₂, S₁₃ - крутизна температурной зависимости р-n переходов на основе широкозонного и узкозонного полупроводников.

Как следует из (1) и (2), разность напряжений можно определить следующим образом:

где ΔЕ_g - разность в ширине запрещенной зоны, как следует из уравнения (3), меняя ток прямосмещенного р-n перехода диода 13 подстроечным сопротивлением 16, можно регулировать крутизну температурной зависимости S₁₃ и, соответственно, возможно получить небольшой положительной температурный коэффициент напряжения для разностного напряжения ΔU.

Как следует из литераторы (Ютт В.Е. Электрооборудования автомобилей. -М. : Транспорт, 1989, с. 45-47), ЭДС заряженной аккумуляторной батареи обладает небольшим положительным температурным коэффициентом напряжения.

Для получения 100% заряженности аккумуляторной батареи во всем рабочем диапазоне температур необходимо выполнить два условия. Первое - напряжение синхронного генератора должно соответствовать ЭДС полностью заряженной аккумуляторной батареи при некоторой температуре Т₀ и второе - должно наблюдаться равенство температурных коэффициентов напряжения синхронного генератора и ЭДС аккумуляторной батареи.

Разностное напряжение ΔU усиливается усилителем 17 постоянного тока до величины E_б K_g, где K_g - коэффициент деления измерительного звена I, a E_б - ЭДС полностью заряженной аккумуляторной батареи при некоторой температуре Т₀, которое рассчитывается по формулам, приведенным в (Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. - М.: Транспорт, 1989, с.45-47).

В остальном работа устройства ничем не отличается от работы прототипа (Патент РФ 2136105, МПК Н 02 Р 9/30, БИ 24, 1999).

Изобретение относится к электрооборудованию автомобилей, в частности к устройствам регулирования напряжения в генераторных установках транспортных средств. Техническим результатом является продление срока службы аккумуляторных батарей и облегчение условий пуска двигателей внутреннего сгорания. В импульсный регулятор напряжения введены диод на основе широкозонного полупроводника, диод на основе узкозонного полупроводника, два сопротивления, подстроечное сопротивление и усилитель постоянного тока, причем первое сопротивление подключено к аноду диода на основе широкозонного полупроводника и неинвертирующему входу усилителя постоянного тока, подстроечное сопротивление подключено к аноду диода на основе узкозонного полупроводника и инвертирующему входу усилителя постоянного тока, второй вывод подстроечного сопротивления соединен с третьим и с выводом второго сопротивления, вторые выводы первого и второго сопротивлений связаны с плюсовым проводом регулятора, а катоды диода на основе широкозонного полупроводника и диода на основе узкозонного полупроводника соединены с минусовым проводом регулятора напряжения, выход усилителя постоянного тока соединен с первым входом схемы сравнения. 1 ил.

Регулятор напряжения для синхронного генератора, содержащий измерительное звено, источник опорного напряжения, подключенные между плюсовым и минусовым проводами регулятора, схему сравнения, входы которой подсоединены к выходам источника опорного напряжения и измерительного звена, силовой транзистор, эмиттер которого подключен к плюсовому проводу, управляемый мультивибратор, элемент И, выход которого соединен со входом управления мультивибратора, выход которого соединен с базой силового транзистора, диод, катушку индуктивности и конденсатор, причем коллектор силового транзистора подключен к катоду диода и катушке индуктивности, анод диода соединен с конденсатором и клеммой Ш синхронного генератора, вторые выводы катушки индуктивности и конденсатора подключены к минусовому проводу, частотный компаратор, датчик частоты искрообразования, причем его выход подключен к входу частотного компаратора, выход которого связан с первым входом схемы И, а выход схемы сравнения связан со вторым входом схемы И, отличающийся тем, что в регулятор введены диод на основе широкозонного полупроводника, диод на основе узкозонного полупроводника, два сопротивления, подстрочное сопротивление и усилитель постоянного тока, причем первое сопротивление подключено к аноду диода на основе широкозонного полупроводника и неинвертирующему входу усилителя постоянного тока, подстрочное сопротивление подключено к аноду диода на основе узкозонного полупроводника и инвертирующему входу усилителя постоянного тока, второй вывод подстрочного сопротивления соединен с третьим и с выводом второго сопротивления, вторые выводы первого и второго сопротивлений связаны с плюсовым проводом регулятора, а катоды диода на основе широкозонного полупроводника и диода на основе узкозонного полупроводника соединены с минусовым проводом регулятора напряжения, выход усилителя постоянного тока соединен с первым входом схемы сравнения.