РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ГЕНЕРАТОРА Российский патент 2005 года по МПК H02P9/30 H02J7/14 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам, работающим в комплекте с генераторами тока и предназначенными 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, компаратор с верхним и нижними порогами срабатывания, конденсатор, цепи стабилизации частоты переключений регулятора (1, 2).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является 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 и выполненный с двумя выходами, предназначенными для вырабатывания противофазных по переменной составляющей токов управления, 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, два управляемых источника тока, первый из которых подключен входом к первому, а второй - ко второму выходам измерительного органа, причем указанные 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 управляемых источников тока - с входом компаратора и с одним из выводов конденсатора, связанного другим выводом с первой шиной питания.

Известный регулятор напряжения имеет недостаток, состоящий в следующем.

Возникающие в эксплуатации аномальные температурные перегрузки генераторной установки со встроенным регулятором напряжения (тепловые удары) обусловливают кратковременные превышения предельных значений рабочих температур элементов схемы регулятора напряжения и, в частности, повышают вероятность отказа силового транзисторного ключа из-за пробоя или смыкания его полупроводниковых переходов.

Данное обстоятельство существенно снижает надежность как регулятора напряжения, так и генераторной установки в целом.

Заявляемое изобретение направлено на повышение надежности регулятора напряжения в аномальных условиях эксплуатации устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в регулятор напряжения генератора, содержащий силовой транзисторный ключ, включенный между первой шиной питания и выходным выводом устройства, предназначенным для подключения к обмотке возбуждения генератора, гасящий диод, связывающий выходной вывод устройства со второй шиной питания, предназначенной для подключения к выпрямителю генератора, компаратор с верхним и нижним порогами срабатывания, связанный выходом с управляющим входом силового транзисторного ключа, цепь из последовательно соединенных первого и второго управляемых источников тока, связанную одним крайним выводом с первой шиной питания, конденсатор, одним выводом связанный с входом компаратора и с точкой соединения первого и второго управляемых источников тока, измерительный орган, включенный между первой и третьей шинами питания и снабженный двумя выходами, предназначенными для вырабатывания противофазных по переменной составляющей токов управления, к первому из которых подключен сигнальный вход первого, а ко второму - сигнальный вход второго управляемых источников тока, введены датчик температуры, узел защиты, первый и второй управляющие ключи, стабилизированный источник питания, кроме того, каждый из упомянутых управляемых источников тока снабжен параметрическим входом, причем узел защиты подключен входом к выходу датчика температуры, выходом - ко входу первого и ко входу второго управляющих ключей, включенных соответственно между первой шиной питания и параметрическими входами первого и второго управляемых источников тока, стабилизированный источник питания связан общим выводом с первой шиной питания, входным выводом - с третьей шиной питания, выходным выводом - с четвертой шиной питания, с которой другим крайним выводом связана цепь из последовательно соединенных первого и второго управляемых источников тока, при этом конденсатор другим выводом связан с выходным или общим выводом стабилизированного источника питания.

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

На фиг.3, 4, 5 представлены эпюры напряжений и токов, поясняющие принцип действия регулятора напряжения в различных режимах эксплуатации.

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, предназначенным для подключения к обмотке возбуждения генератора. Гасящий диод 4, включенный между выходным выводом 3 устройства и второй шиной 5 питания, предназначенной для подключения к выпрямителю генератора. Компаратор 6 с верхним и нижним порогами срабатывания, подключенный выходом к управляющему входу силового транзисторного ключа 1. Цепь из последовательно соединенных первого 7 и второго 8 управляемых источников тока, связанную одним крайним выводом с первой шиной 2 питания. Измерительный орган 9, включенный между первой 2 и третьей 10 шинами питания и снабженный двумя выходами, предназначенными для вырабатывания противофазных по переменной составляющей токов управления, к первому из которых подключен сигнальный вход первого 7, а ко второму - сигнальный вход второго 8 управляемых источников тока. Узел защиты 11, подключенный входом к выходу датчика температуры 12. Первый 13 и второй 14 управляющие ключи, включенные соответственно между первой шиной 2 питания и параметрическими входами первого 7 и второго 8 управляемых источников тока и подключенные входами к выходу узла защиты 11. Стабилизированный источник питания 15, подключенный общим выводом к первой шине 2 питания, входным выводом - к третьей шине 10 питания, выходным выводом - к четвертой шине 16 питания, с которой другим крайним выводом связана цепь из последовательно соединенных первого 7 и второго 8 управляемых источников тока. Конденсатор 17, одним выводом связанный с входом компаратора 6 и точкой соединения первого 7 и второго 8 управляемых источников тока, другим выводом - с выходным выводом стабилизированного источника питания 15.

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 10 питания устанавливается ниже настроечного уровня регулятора напряжения, измерительный орган 9 по второму выходу вырабатывает ток, который по сигнальному входу второго управляемого источника тока уменьшает его внутреннее сопротивление и ускоряет процесс зарядки конденсатора 17 до напряжения, близкого к выходному напряжению стабилизированного источника питания 15. При этом напряжение на входе компаратора 6 устанавливается несколько меньше уровня нижнего порога срабатывания Uн.п. В таком состоянии, когда напряжение на входе компаратора имеет низкий уровень, а силовой транзисторный ключ 1 открыт, схема регулятора напряжения может находиться сколь угодно долго.

При пуске двигателя и увеличении частоты вращения генератора регулируемое напряжение Uрег., непрерывно увеличиваясь, приближается к значению настроечного уровня регулятора. При вхождении регулируемого напряжения в трубку ошибки и дальнейшем увеличении в ее пределах (фиг.3,а; 0-t₁) ток в цепи сигнального входа первого 7 управляемого источника тока, вырабатываемый измерительным органом 9 по первому выходу, увеличивается, а ток в цепи сигнального входа второго 8 управляемого источника тока, вырабатываемый измерительным органом 9 по второму выходу, уменьшается. Из-за уменьшения внутреннего сопротивления первого 7 управляемого источника тока и увлечения внутреннего сопротивления второго 8 управляемого источника тока ток разрядки конденсатора 17 увеличивается, а ток его зарядки уменьшается. Напряжение на входе компаратора 6 возрастает до значения верхнего порога срабатывания Uв.п. (фиг.3,б; t₁), в результате чего его выходное напряжение уменьшается до значения, близкого к нулю (фиг.3,в; t₁). При этом порог срабатывания компаратора 6 переключается на нижний уровень Uн.п., а силовой транзисторный ключ 1 закрывается (фиг.3,д; t₁).

После закрывания силового транзисторного ключа 1 ток в цепи обмотки возбуждения генератора начинает уменьшаться по экспоненциальному закону, замыкаясь через гасящий диод 4 (фиг.3,д; t₁-t₂), что вызывает соответствующее уменьшение регулируемого напряжения Uрег. (фиг.3,а; t₁-t₂). Уменьшение напряжения между шинами 10, 2 питания приводит к тому, что ток в цепи сигнального входа первого 7 управляемого источника, вырабатываемый измерительным органом 9 по первому выходу, уменьшается, а ток в цепи сигнального входа второго 8 управляемого источника тока, вырабатываемый измерительным органом 9 по второму выходу, увеличивается. Соответственно уменьшается ток разрядки и увеличивается ток зарядки конденсатора 17, в результате чего входное напряжение компаратора 6 уменьшается до уровня нижнего порога срабатывания Uн.п.(фиг.3,б; t₂). Компаратор 6 переключает порог срабатывания с нижнего уровня Uн.п. на верхний уровень Uв.п, повышает выходное напряжение до верхнего значения (фиг.3,в; t₂) и открывает силовой транзисторный ключ 1 (фиг.3,д; t₂). После открывания силового транзисторного ключа 1 ток в цепи обмотки возбуждения начинает возрастать (фиг.3,г; t₂-t₃), что вызывает соответствующее увеличение регулируемого напряжения Uрег. (фиг.3,г; t₂-t₃).

Далее процесс регулирования протекает аналогично вышеописанному, в результате чего выходное напряжение генератора поддерживается на номинальном уровне с высокой точностью. В процессе регулирования частота переключений регулятора напряжения практически не меняется в рабочем диапазоне изменения токов нагрузки и скоростей вращения генератора из-за вырабатывания измерительным органом противофазных по переменной составляющей сигналов, осуществляющих управление токами зарядки и разрядки конденсатора 17.

В аномальном режиме превышения предельно допустимого для регулятора напряжения значения положительной температуры окружающей среды Токр. алгоритм функционирования устройства состоит в следующем.

На интервале времени t₀-t₁ (фиг.4,а), когда положительная температура окружающей среды не превышает предельно допустимого значения, принцип действия устройства аналогичен принципу, описанному выше для нормального температурного режима работы регулятора напряжения. На интервале времени t₁-t₂ (фиг.4, а), когда температура окружающей среды превышает предельно допустимое значение, по сигналу датчика температуры 12 на выходе узла защиты 11 вырабатывается ток, открывающий управляющие ключи 13, 14. Благодаря подключению управляющих ключей 13, 14 соответственно между первой шиной 2 питания и параметрическими входами первого 7 и второго 8 управляемых источников тока последние скачком изменяют свои внутренние сопротивления независимо от значений токов, вырабатываемых по первому и второму выходам измерительного органа 9. При этом внутреннее сопротивление первого 7 управляемого источника тока принимает минимально возможное значение, а внутреннее сопротивление второго 8 управляемого источника тока - максимально возможное. В результате входное напряжение Uвх.комп. компаратора 6 скачком увеличивается до уровня верхнего порога срабатывания Uв.п. (фиг.4,б; t₁), а его выходное напряжение Uвых.комп. уменьшается до нуля (фиг.4,в; t₁). Это вызывает запирание силового транзисторного ключа 1 (фиг.4,г; t₁), и в таком состоянии регулятор может находиться сколь угодно долго до тех пор, пока температура окружающей среды не опустится ниже предельно допустимого значения (фиг.4,a; t₂). В этом случае датчик температуры 12 формирует сигнал, прерывающий выработку тока узлом защиты 11. При этом управляющие ключи 13, 14 закрываются, и с момента времени t₂ начинается зарядка конденсатора 17, вызывающая понижение входного напряжения Uвх.комп. компаратора 6 до значения нижнего порога срабатывания Uн.п. Выходное напряжение Uвых.комп. компаратора 6 скачком повышается до верхнего значения (фиг.4,в), силовой транзисторный ключ 1 открывается (фиг.4,г), и далее процесс регулирования осуществляется аналогично вышеописанному, в результате чего регулируемое напряжение поддерживается на номинальном уровне.

Таким образом, благодаря запиранию силового транзисторного ключа 1 на интервале времени t₁-t₂ (фиг.4,г) аномального превышения температуры окружающей среды предотвращается отказ регулятора напряжения из-за перегрева его радиоэлементов, в частности перегрева силового транзисторного ключа 1.

Функциональная схема регулятора напряжения, представленная на фиг.2, по принципу действия в нормальных режимах эксплуатации аналогична схеме фиг.1 и отличается от последней:

- выполнением узла защиты 11, снабженным вторым входом для подключения к выходному выводу регулятора напряжения и выводом для реализации разрешения на выработку указанным узлом выходного тока;

- выполнением компаратора 6, снабженным вторым выходом для вырабатывания стробирующих импульсов;

- подключением конденсатора 17 между точкой соединения управляемых источников тока 7, 8 и общим выводом стабилизированного источника питания 15.

В нормальных режимах эксплуатации регулятора напряжения, выполненного по схеме фиг.2, элементы 11...14 устройства не оказывают никакого влияния на ее работоспособность.

В режиме токовой перегрузки силового транзисторного ключа 1, например, из-за замыкания обмотки возбуждения генератора схема регулятора (фиг.2) работает следующим образом.

Пусть в момент времени t₁ открытого состояния силового транзисторного ключа 1 (фиг.5,в) произошло короткое замыкание обмотки возбуждения генератора. Силовой транзисторный ключ 1 при этом переходит в линейный режим, благодаря которому напряжение между выходным выводом 3 регулятора и первой 2 шиной питания скачком возрастает до значения, превышающего опорное напряжения Uoп. узла защиты 11. При наличии стробирующего импульса в результате сравнения выходного напряжения регулятора с опорным напряжением Uоп. узел защиты 11 вырабатывает ток, открывающий управляющие ключи 13, 14. Так как управляющие ключи 13, 14 подключены между первой шиной 2 питания и параметрическими входами первого 7 и второго 8 управляемых источников тока, последние изменяют скачком свои внутренние сопротивления независимо от значений токов, вырабатываемых по первому и второму выходам измерительного органа 9. При этом внутреннее сопротивление первого 7 управляемого источника тока принимает минимально возможное значение, а внутреннее сопротивление второго 8 управляемого источника тока - максимально возможное значение. В результате конденсатор 17 полностью заряжается, а входное напряжение компаратора 6 скачком увеличивается до уровня верхнего порога срабатывания Uв.п. (фиг.5,а; t₂). Выходное напряжение Uвых.комп. (фиг.5,б) и напряжение стробирующего импульса, вырабатываемые компаратором 6, уменьшаются до нуля. Силовой транзисторный ключ 1 закрывается, и прекращается вырабатывание тока узлом защиты 11. Управляющие ключи 13, 14 закрываются, а внутренние сопротивления первого 7 и второго 8 управляемых источников тока приходят в соответствие с вырабатываемыми измерительным органом 9 по первому и второму выходам токами для случая, когда регулируемое напряжение меньше настроечного уровня регулятора напряжения. Благодаря тому что на предыдущем этапе конденсатор 17 был принудительно полностью заряжен, процесс его разрядки соответственно удлиняется, а это соответствует увеличению времени закрытого состояния силового транзисторного ключа 1. После того как конденсатор 17 разрядится до значения нижнего порога срабатывания Uн.п.(фиг.5,а; t₃), компаратор 6 переключается на верхний порог срабатывания Uв.п. и на его выходах формируется стробирующий импульс и напряжение, открывающее силовой транзисторный ключ 1 (фиг.5,б; t₃-t₄). В цепи силового транзисторного ключа 1 возникает кратковременный импульс тока Iс.кл., превышающий номинальное значение (фиг.5,в; t₃-t₄), и вновь силовой транзисторный ключ 1 переходит в линейный режим работы, при котором напряжение между выходным выводом устройства и шиной 2 питания превышает опорное напряжение Uoп. узла защиты 11. В результате на выходе узла защиты 11 вырабатывается ток, открывающий управляющие ключи 13, 14. Далее процесс повторяется аналогично вышеописанному, в результате чего регулятор напряжения переходит в режим работы релаксационного генератора с большой скважностью импульсов тока в цепи силового транзисторного ключа 1, например, 100 и более. При такой скважности силовой транзисторный ключ 1 перегревается по отношению к температуре окружающей среды всего лишь на (2-3)°С, что никак не отражается на его работоспособности.

После устранения короткого замыкания обмотки возбуждения генератора (фиг.5; t₅) регулятор напряжения включается в работу автоматически.

Принцип действия схемы регулятора напряжения фиг.2 в аномальном режиме превышения предельно допустимого значения температуры окружающей среды аналогичен вышеописанному принципу действия данной схемы в режиме короткого замыкания обмотки возбуждения генератора и отличается от последнего тем, что амплитуда импульсов тока в цепи силового транзисторного ключа 1 ограничивается полным сопротивлением обмотки возбуждения генератора и имеет существенно меньшее значение, чем в режиме короткого замыкания обмотки возбуждения генератора. В результате в указанном аномальном режиме перегрев силового транзисторного ключа 1 по отношению к температуре окружающей среды практически близок к нулю.

При реализации регулятора напряжения по схемам фиг.1, 2 в интегральном исполнении в нем могут быть использованы, например, следующие известные решения функциональных элементов:

- измерительный орган - в виде дифференциального усилителя с двумя выходами или с применением усилителя Нортона;

- управляемый источник тока - в виде управляемого стабилизатора тока с дополнительным входом для установки фиксированного значения тока;

- компаратор - в виде устройства сравнения с использованием двух триггеров Шмита;

- узел защиты - в виде компаратора с реализацией или без реализации во входной цепи логической функции “ИЛИ”;

- управляющий ключ - с использованием одно- или двухкаскадных ключевых усилителей;

- стабилизированный источник питания - в виде транзисторного параметрического стабилизатора напряжения;

- датчик температуры - в виде нескольких последовательно соединенных р-п переходов.

Таким образом, введение в устройство датчика температуры, узла защиты, первого и второго управляющих ключей, стабилизированного источника питания, выполнение первого и второго управляемых источников тока с сигнальным и параметрическим входами, подключение узла защиты входом к выходу датчика температуры, выходом - ко входу первого и ко входу второго управляемых ключей, включенных соответственно между первой шиной питания и параметрическими входами первого и второго управляемых источников тока, подключение стабилизированного источника питания общим выводом к первой шине питания, входным выводом - к третьей шине питания, выходным выводом - к четвертой шине питания, с которой другим крайним выводом связана цепь из последовательно соединенных первого и второго управляемых источников тока, а также подключение конденсатора другим выводом к общему или выходному выводам стабилизированного источника питания выгодно отличает заявляемое устройство от известного, так как позволяет существенно повысить надежность регулятора напряжения в аномальных условиях эксплуатации.

Лабораторные и эксплуатационные испытания, проведенные ОАО “Автоэлектроника” совместно с ОАО “ЗИТ”, показали высокую надежность регулятора в аномальных условиях эксплуатации в комплекте с генератором 94.3701 и его модификациями.

Источники информации

1. RU Патент №2115220, Кл. H 02 P 9/30, 1988, Бюл. №19.

2. RU Заявка №2001134869/09, МПК 7 H 02 P 9/30, 2001.

Изобретение относится к автотракторному электрооборудованию и может быть использовано для регулирования напряжения генератора. Техническим результатом является повышение надежности регулятора напряжения в аномальных условиях эксплуатации. Регулятор напряжения генератора содержит силовой транзисторный ключ, гасящий диод, компаратор, цепь из последовательно соединенных управляемых источников тока, измерительный орган, вырабатывающий противофазные по переменной составляющей токи управления для управляемых источников тока. В регулятор напряжения введены узел защиты датчика температуры, два управляющих ключа, стабилизированный источник питания, конденсатор, одним выводом связанный со входом компаратора и точкой соединения управляемых источников тока, другим выводом с выходным или общим выводами стабилизированного источника питания. 1 з.п. ф-лы. 5 ил.

1. Регулятор напряжения генератора, содержащий силовой транзисторный ключ, включенный между первой шиной питания и выходным выводом устройства, предназначенным для подключения к обмотке возбуждения генератор, гасящий диод, связывающий выходной вывод устройства со второй шиной питания, предназначенной для подключения к выпрямителю генератора, компаратор с верхним и нижним порогами срабатывания, связанный выходом с управляющим входом силового транзисторного ключа, цепь из последовательно соединенных первого и второго управляемых источников тока, связанную одним крайним выводом с первой шиной питания, конденсатор, одним выводом связанный с входом компаратора и с точкой соединения первого и второго управляемых источников тока, измерительный орган, включенный между первой и третьей шинами питания и снабженный двумя выходами, предназначенными для вырабатывания противофазных по переменной составляющей токов управления, к первому из которых подключен сигнальный вход первого, а ко второму - сигнальный вход второго управляемых источников тока, отличающийся тем, что введены датчик температуры, узел защиты, первый и второй управляющие ключи, стабилизированный источник питания, кроме того, каждый из упомянутых управляемых источников тока снабжен параметрическим входом, узел защиты подключен входом к выходу датчика температуры, выходом - ко входу первого и ко входу второго управляющих ключей, включенных соответственно между первой шиной питания и параметрическими входами первого и второго управляемых источников тока, стабилизированный источник питания, связанный общим выводом с первой шиной питания, входным выводом - с третьей шиной питания, выходным выводом - с четвертой шиной питания, с которой другим крайним выводом связана цепь из последовательно соединенных первого и второго управляемых источников тока, при этом конденсатор другим выводом связан с выходом или общим выводом стабилизированного источника питания.2. Регулятор напряжения по п.1, отличающийся тем, что компаратор снабжен вторым выходом, предназначенным для вырабатывания стробирующих импульсов, а узел защиты снабжен вторым входом, связанным с выходным выводом устройства, и дополнительным выводом, подключенным ко второму выходу компаратора.