РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА Российский патент 2003 года по МПК H02P9/30 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам, работающим в комплекте с генераторами тока и предназначенным для поддержания постоянства напряжения в сети электропитания автомобилей, тракторов и других автономных объектов.

Известны устройства для регулирования напряжения вентильного генератора, содержащие измерительный орган, силовой транзисторный ключ, транзисторный переключающий узел и цепи стабилизации частоты переключении регулятора [1, 2].

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является регулятор напряжения генератора [2], содержащий силовой транзисторный ключ, включенный между "минусовой" шиной питания и выходным выводом устройства, связанным с первой "плюсовой" шиной питания через обратно включенный диод, управляющий транзистор, подключенный эмиттер-коллекторным переходом параллельно управляющему входу силового транзисторного ключа, эмиттером к "минусовой" шине питания, коллектором через ограничительный резистор к "плюсовой" шине питания, измерительный орган, включенный между "минусовой" и "плюсовой" шинами питания и связанный выходом с базой управляющего транзистора, транзисторный переключающий узел, выход которого связан с управляющим входом силового транзисторного ключа, конденсатор, подключенный одним выводом к "минусовой" шине питания, другим выводом связанный с выходом измерительного органа.

Известный регулятор напряжения имеет недостаток, состоящий в следующем.

Транзисторный переключающий узел, выполненный по схеме мультивибратоора, осуществляет коммутацию транзисторов силового ключа на интервале регулирования, когда U_рег.<U_{рег.ном.}, где U_рег. - выходное (регулируемое) напряжение генераторной установки; U_{рег.ном.} - номинальное значение регулируемого напряжения, устанавливаемое для каждого образца регулятора напряжения путем настройки в процессе производства.

Осуществляя перераспределение рассеиваемой мощности между транзисторами силового ключа, переключающий узел фактически никак не влияет на частоту переключении регулятора напряжения, а соответственно не стабилизирует частоту автоколебаний в системе электропитания автомобиля или трактора.

Данное обстоятельство не позволяет улучшить качество напряжения в бортсети в рабочем диапазоне скоростей и нагрузок генераторной установки и получить высокую точность регулирования, например, при использовании прототипа в комплекте с генератором 94.3701 и его модификациями.

Заявляемое изобретение направлено на стабилизацию частоты переключении регулятора напряжения, повышение качества и уменьшение ошибки регулирования выходного напряжения генераторной установки.

Указанный технический результат достигается тем, что в регулятор напряжения генератора, содержащий силовой транзисторный ключ, включенный между первой шиной питания и выходным выводом устройства, измерительный орган, включенный между первой и второй шинами питания, транзисторный переключающий узел, связанный выходом с управляющим входом силового транзисторного ключа, обратно включенный гасящий диод, связывающий выходной вывод устройства с третьей шиной питания, конденсатор, одним выводом связанный с первой шиной питания, дополнительно введены первый и второй управляемые источники тока, а измерительный орган выполнен с двумя выходами, подключенными соответственно ко входу первого и второго управляемых источников тока, причем первый и второй управляемые источники тока соединены последовательно и образуют цепь, связанную одним крайним выводом с первой шиной питания, другим крайним выводом со второй шиной питания, точкой соединения первого и второго управляемых источников тока с другим выводом конденсатора и со входом транзисторного переключающего узла, подключенного общим выводом к первой шине питания, выводом питания ко второй шине питания.

На фиг.1, фиг.2 представлена функциональная схема заявляемого устройства.

На фиг. 3, фиг. 4 представлены эпюры напряжений и токов, поясняющие принцип действия регулятора напряжения при больших (фиг.3) и малых (фиг.4) токах нагрузки генератора.

На фиг. 5, фиг.6, фиг.7 представлены примеры конкретного схемотехнического выполнения функциональных узлов регулятора напряжения.

В состав регулятора напряжения (фиг.1) входят следующие элементы: силовой транзисторный ключ 1 в виде транзистора n-p-n проводимости, включенный между первой шиной 2 питания и выходным выводом 3 устройства, измерительный орган 4, включенный между первой 2 и второй 5 шинами питания и выполненный с двумя выходами, транзисторный переключающий узел 6, связанный выходом с управляющим входом силового транзисторного ключа 1, общим выводом с первой шиной 2 питания, выводом питания со второй шиной питания 5, обратно включенный гасящий диод 7, связывающий выходной вывод 3 устройства с третьей шиной 8 питания, конденсатор 9, подключенный между первой шиной 2 питания и входом транзисторного переключающего узла 6, первый 10 и второй 11 управляемые источники тока, соединенные последовательно и подключенные одним крайним выводом к первой шине 2 питания, другим крайним выводом ко второй шине 5 питания, точкой соединения первого 10 и второго 11 управляемых источников тока к выводу конденсатора 9, подключенному ко входу транзисторного переключающего узла 6. Входы первого 10 и второго 11 управляемых источников тока подключены соответственно к первому и второму выходам измерительного органа 4.

Устройство работает следующим образом.

При включенном замке зажигания и остановленном генераторе силовой транзисторный ключ 1 открывается и подключает коммутируемый вывод обмотки возбуждения генератора к первой шине 2 питания. Так как напряжение между шинами 2 и 5 питания устанавливается ниже настроечного уровня регулятора напряжения, измерительный орган 4 по второму выходу вырабатывает ток, являющийся входным током i" второго управляемого источника 11 тока, предназначенного для осуществления процесса разрядки конденсатора 9. Напряжение на конденсаторе 9 устанавливается несколько меньше уровня нижнего порога срабатывания транзисторного переключающего узла, и в таком состоянии схема регулятора напряжения может находится сколь угодно долго.

При пуске двигателя и увеличении частоты вращения генератора регулируемое напряжение U_рег. повышается (фиг.3а, интервал времени 0 - t₁) и достигает значения, несколько превышающего настроечный уровень регулятора напряжения. При этом входной ток i' первого управляемого источника 10 тока, вырабатываемый измерительным органом 4 по первому выходу, увеличивается (фиг. 3б, интервал времени 0 - t₁), а входной ток i" второго управляемого источника 10 тока, вырабатываемый измерительным органом 4 по второму выходу, уменьшается (фиг. 3в, интервал времени 0 - t₁). Соответственно возрастает ток зарядки и уменьшается ток разрядки конденсатора 9.

В результате напряжение U_c (фиг.3г, интервал времени 0 - t₁) на конденсаторе 9 возрастает до уровня верхнего порога срабатывания U_в.п. переключающего транзисторного узла 6. Указанный узел 6 переключает порог срабатывания с верхнего уровня U_в.п. на нижний U_н.п. (фиг.3г, момент времени t₁) и закрывает силовой транзисторный ключ 1 (фиг.3д, момент t₁).

После закрывания силового транзисторного ключа 1 ток в цепи обмотки возбуждения начинает уменьшаться по экспоненциальному закону (фиг.3е, интервал времени t₁ - t₂), замыкаясь через гасящий диод 7, что в свою очередь вызывает соответствующее уменьшение регулируемого напряжения U_рег. (фиг.3а, интервал времени t₁ - t₂). Уменьшение напряжения между шинами 5, 2 питания приводит к тому, что входной ток i' первого управляемого источника 10 тока, вырабатываемый измерительным органом 4 по первому выходу, уменьшается (фиг. 3б, интервал времени t₁ - t₂), а входной ток i" второго управляемого источника 11 тока, вырабатываемый измерительным органом 4 по второму выходу, увеличивается (фиг.3в, интервал времени t₁ - t₂). Соответственно уменьшается ток зарядки и возрастает ток разрядки конденсатора 9, в результате чего напряжение U_c на нем быстро уменьшается до уровня нижнего порога срабатывания U_н.п. переключающего транзисторного узла 6 (фиг.3г, интервал времени t₁ - t₂). Узел 6 переключает порог срабатывания с нижнего уровня U_н.п. на верхний U_в.п. (фиг. 3г, момент времени t₂) и открывает силовой транзисторный ключ 1 (фиг.3д, момент времени t₂).

После открывания силового транзисторного ключа 1 ток в цепи обмотки возбуждения начинает возрастать (фиг.3е, интервал времени t₂ - t₃), что вызывает соответствующее увеличение регулируемого напряжения U_рег. (фиг.3а, интервал времени t₂ - t₃). Далее процесс регулирования протекает аналогично вышеописанному, в результате чего выходное напряжение генератора поддерживается на номинальном уровне.

В процессе регулирования частота переключении регулятора напряжения определяется суммарным временем процессов зарядки и разрядки конденсатора 9 и она практически не меняется в рабочем диапазоне изменения токов нагрузки и скоростей вращения генератора (фиг.3г, фиг.4г), так как управление токами зарядки и разрядки конденсатора 9 организовано таким образом, что если, например, процесс зарядки конденсатора 9 затягивается из-за большого тока нагрузки генератора, то обязательно становится короче процесс его разрядки (фиг. 3г), и наоборот, если затягивается процесс разрядки конденсатора 9 при малой нагрузке генератора, то обязательно становится короче процесс его зарядки (фиг.4г).

Стабилизация частоты переключений регулятора напряжения существенно улучшает качество выходного напряжения генератора и повышает точность поддержания постоянства напряжения в сети электропитания.

Кроме отмеченного достоинства заявленное устройство обладает способностью осуществлять автоматическую коррекцию уровня регулируемого напряжения в зависимости от тока нагрузки генератора.

Эпюры регулируемого напряжения, изображенные на фиг.3а и фиг.4а, характеризуют режим большого (фиг.3, а) и малого (фиг.4а) токов нагрузки регулятора. Сопоставляя указанные эпюры, можно отметить, что на этапах открытого и закрытого состояния силового транзисторного ключа режим работы генератора характеризуется:
- для больших токов нагрузки малой скоростью нарастания и большой скоростью спада регулируемого напряжения;
- для малых токов нагрузки большой скоростью нарастания и малой скоростью спада регулируемого напряжения.

Благодаря тому, что измерительный орган 4 выполнен с двумя выходами, вырабатывающими противофазные по переменной составляющей токи управления i' и i'', обеспечивается возможность автоматического управления процессами формирования напряжения на конденсаторе 9 (фиг.3г; фиг.4г), а соответственно и уровнем регулируемого напряжения по фактическому значению тока нагрузки генератора. Например, коэффициенты передачи первого 10 и второго 11 управляемых источников тока можно выбрать такими, что при увеличении тока нагрузки генератора уровень регулируемого напряжения будет возрастать по отношению к номинальному на 0,1...0,3 В.

На фиг. 2 представлена функциональная схема регулятора напряжения, предназначенного для работы в комплекте с генератором, у которого отсутствует дополнительная тройка диодов.

По принципу действия данная схема аналогична вышеописанной и отличается от последней применением в качестве силового транзистора ключа 1 транзисторов p-n-p проводимости в связи с тем, что обмотка возбуждения генератора подключена к "минусовому" выводу питания.

На фиг.5 представлен пример конкретного выполнения измерительного органа 4 в виде дифференциального каскада с двумя выходами.

На фиг.6 представлен пример конкретного выполнения первого 10 и второго 11 управляемых источников тока, подключаемых к конденсатору 9.

На фиг.7 представлен пример конкретного выполнения транзисторного переключающего узла 6 с использованием двух триггеров Шмитта.

Представленные на фиг.5, фиг.6, фиг.7 примеры конкретного выполнения не являются единственными и могут быть реализованы с применением других известных схемотехнических решений. Например:
измерительный орган - с применением усилителя Нортона;
управляемый источник тока - в виде управляемого стабилизатора тока;
транзисторный переключающий узел - в виде компаратора с фиксированными порогами срабатывания.

Таким образом, введение в устройство первого и второго управляемых источников тока, выполнение измерительного органа с двумя выходами, подключенными соответственно ко входу первого и второго управляемых источников тока, соединенных последовательно и образующих цепь, связанную одним крайним выводом с первой шиной питания, другим крайним выводом со второй шиной питания, точкой соединения первого и второго управляемых источников тока с другим выводом конденсатора и со входом транзисторного переключающего узла, подключенного общим выводом к первой шине питания, выводом питания ко второй шине питания, выгодно отличают заявляемое устройство от известного, так как позволяют стабилизировать частоту переключении регулятора напряжения, повысить качество и уменьшить ошибку регулирования выходного напряжения генератора путем совмещения параметрического способа управления со способом управления по отклонению.

Лабораторные и эксплуатационные испытания, проведенные ОАО "Автоэлектроника" совместно с ОАО "ЗИТ", показали улучшенные эксплуатационные свойства регулятора напряжения, а также возможность его применения как на легковых, так и на грузовых автомобилях.

Источники информации
1. US Патент 4250444, кл. Н 02 Р 9/30, 1981.

2. RU Патент 2115220, кл. Н 02 Р 9/30, 1988, Бюл. 19.

Изобретение относится к автотракторному электрооборудованию, в частности к устройствам, предназначенным для регулирования напряжения генератора. Технический результат, достигаемый от использования изобретения, состоит в стабилизации частоты переключений регулятора напряжения повышения, повышении качества и уменьшении ошибки регулирования выходного напряжения генераторной установки автомобиля или трактора. Регулятор напряжения генератора содержит силовой транзисторный ключ (1), включенный между первой (2) и второй (5) шинами питания, измерительный орган (4), включенный между первой (2) и второй (5) шинами питания и выполненный с двумя выходами, транзисторный переключающий узел (6), связанный выходом с управляющим входом силового транзисторного ключа (1), общим выводом с первой (2) шиной питания, выводом питания со второй шиной (5) питания, обратно включенный гасящий диод (7), связывающий выходной вывод (3) устройства с третьей шиной (8) питания, конденсатор (9), подключенный между первой шиной (2) питания и входом транзисторного переключающего узла (6), первый (10) и второй (11) управляемые источники тока, соединенные последовательно и подключенные одним крайним выводом к первой шине (2) питания, другим крайним выводом ко второй шине (5) питания, точкой соединения первого (10) и второго (11) управляемых источников тока к выводу конденсатора (9), подключенному ко входу транзисторного переключающего узла 6. Входы первого (10) и второго (11) управляемых источников тока подключены соответственно к первому и второму выходам измерительного органа (4). 7 ил.

Регулятор напряжения генератора, содержащий силовой транзисторный ключ, включенный между первой шиной питания и выходным выводом устройства, измерительный орган, включенный между первой и второй шинами питания, компаратор с верхним и нижним порогами срабатывания, связанный выходом с управляющим входом силового транзисторного ключа, гасящий диод, связывающий выходной вывод устройства с третьей шиной питания, конденсатор, одним выводом связанный с первой шиной питания, отличающийся тем, что введены первый и второй управляемые источники тока, а измерительный орган выполнен с двумя выходами, предназначенными для вырабатывания противофазных по переменной составляющей токов управления, к первому из которых подключен вход первого, а ко второму - вход второго управляемых источников тока, причем первый и второй управляемые источники тока соединены последовательно и образуют цепь, связанную одним крайним выводом с первой шиной питания, другим крайним выводом - со второй шиной питания, при этом точка соединения первого и второго управляемых источников тока соединена с другим выводом конденсатора и со входом упомянутого компаратора, подключенного общим выводом к первой шине питания, а выводом питания - ко второй шине питания.