Регулятор напряжения для генератора переменного тока Советский патент 1983 года по МПК H02P9/30 H02J7/14 

(54) РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ГЕНЕРАТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования и стабилизации на- пряжения автомобильных и автотракторных генераторов с электромагнитным возбуждением. . Известен регулятсф напряжения для генератора переменного тока, содержащий задающий элемент в виде стабилитрона, управлякадий транзистор, регулирующий составной транзистор, цепочку обратной связи из последовательно соединенных резистора и конденсато ра, причем между средней точкой цепочки обратной связи и базой шлходноjy) составного транзистора включен за,ЕОИТНЫЙ элемент в виде стабилитрона . Однако в этом регуляторе отсутствует защита от перенапряжений, что снижает его- надежность. Такой регулятор выполнен на дискретнЬис элементах - низкоомных резисторах, больших емкостях, ре гулировочных рез исторах, что препятствует его изготовлению в интегральном исполнении. ТехнрлогичеЬкая несовместимость элементов препятствует их взаимному согласованию, что снижает работоспособность схемы. Отсутствие элементов термоком пенсации в регуляторе приводит к уху шению точности регулирования его за счет низкой термостабильности. Кроме того, этот регулятор обладает низким быстродействием. Известен также регулятор напряжения, содержащий входной и выходной транзисторы входной рез ист явный делитель, стабилитрон и цепь защиты выходного транзистора от короткого замыкания обмотки возбуждения, включенную между базой входного транзистора, и одним из выводов обмотки возбуждения. Цепь защиты выполнена в виде последовательно соединенных резистора и гальваномагнитного элемента, который расположен в магнитном поле обмотки возбуждения генератора . Однако этот регулятор напряжения обладает сравнительно низкой точнос.тью регулирования из-за -недостаточной температурной стабилизации, так как в нем используются элементы с температурными коэффициентами, различными по величине и знаку (дискретные резисторы, стабилитрон, транзисторы) . Разброс параметров транзисторов, резисторов и стабилитрона определяет первоначальное отклонение от номинального значения регулируемого напряжения, которое затем увеличивается вследствие температурно-временного дрейфа параметров элементов. Быстродействие данного регулятора определяется в основном временем нарастания напряжения на стабилитроне и базе управляющего транзистора и временем их отпирания, которые в диапазоне рабочих температур имеют значительные колебания. Это приводит не только к увеличению времени срабатывания регулятора напряжения, но и к снижению-точности регулирования. Кроме того, в процессе работы в базе управляющего Транзистора происходит значительное накопление заряда, рассасыванию которого препятствуют запертые переходы стабилитрона, что приводит к неконтролируемому изменению времени.и уровня срабатывания регулятора напряжения-, т.е. к снижению его быстродействия и точности регули рования.

Наиболее близким к изобретению является регулятор напряжения, содержащий опорный стабилитрон, подключенный одним из выводов к нулевой шине, а другим через ограничивающий резисторк потенциальной шине, выходной транзистор подключенный эмиттером к ну. левой шине, а коллектором - к аноду гасящего диода, включенного параллелно, обмотке возбух дения г-енератора пер.еменного тока, первый транзистор, база которого подключена к средней точке резисторного делителя, а кол-:; лектор - к базе второго транзистора, соединенного коллектором с базой третьего транзистора, эмиттер которого подключен к нулевой шине, а коллектор - к базе выходного транзистора СЗ.

Данный регулятор напряжения обладает невысокой точностью регулирования вследствие разброса параметров стабилитрона, транзисторов и резнеторов, а отсутствие элементов термокомпенсации значительно ухудшает его точность в рабочем Диапазоне температур и приводит к выходу за пределы норм необходимой точности регулирования напряжения. Использование усилителя напряжения с пассивными резисторными нагрузками обусловливает набег угла поворота фаз и при большой мощности на выходе приводит к потере устойчивости, а применение частотной коррекции с помощью емкостей приводит к снижению быстродействия и ухуддиению параметров регулирования напряжения генератора. Все это затрудняет реализацию устройства в интегральном исполнении, процент возможного выхода годных рёгуляторов возбуждения недопустимо мал,, а возможность их параметрических и катастрофических отказов весьма высока.

Целью изобретения является повышение точности регулирования и быстродействия регулятора напряжения.

Поставленная цель достигается тем что в устройство дополнительно введены термостабилизированный источник тока, первый и второй термокомпенсирующие диоды и четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой транзисто-. ры, при этом первый и шестой, четвертый и пятый транзисторы образуют плечи дифференциального каскада, база четвертого транзистора подключена к опорному стабилитрону, эмиттер соединен с эмиттером пято.го транзистора с противоположным типомпроводимости база которого соединена с базой шестого транзистора того же типа проводимости и с выходом термостабилизированного источника тока эмиттер шестого транзистора подключен к эмиттеру первого, а коллектор - к базе третьего, коллектор пятого транзистора соединен с базой седьмого транзистора с - противоположным типом проводимости и с анодом первого термокомпенсирующего диода, подключенного катодом к нулевой шине и к эмиттеру седьмого транзистора, соединенного коллектором с коллектором четвертого транзистора и с базой восьмого транзистора с противоположным типом проводимости, подключенного.эмиттером к эмиттеру второго транзистора того же типа проводимости, к потенциальной шине и к аноду второго термокомпенсирующего диода, катодом подключенного к базе второго транзистора.

Кроме того, термостабилизированный источник тока содержит два симметричных транзистора, эмиттеры которых со единены между собой, подключены к нулевой шине и к катоду первого термостабили зирующе го диода, соединенно.го анодом с их базами и с дополнительно введенным токозадающим резистором, коллектор одного из симметричных транзисторов подключен к j aтoдy другого термостабилизирующего диода, соединенного анодом через ограничивающий резистор с потенциальной шиной, и с базой транзистора с противоположным типом проводимости, эмиттер которого через резистор соединен с потенциальной шиной, а коллектор подключен к коллектору другого симметричного транзистора и к базаи пятого и шестого транзисторов дифференциального каскада.. На чертеже приведена эквивалентная принципиальная электрическая схема регулятора напряжения.

Регулятор напряжения содержит транзисторы 1-8, делитель на резисторах 9 и 10, опорный стабилитрон 11, ограничивающий резистор 12, термостабилизированный источник тока 13, термокомпенсирующие диоды 14 и 15, выходной транзистор 16, гасящий диод 17, обмотку возбуждения 18. Tei5MOстабили зированный источник тока 13 содержит симметричные транзисторы 19 и 20, термостабилизирующие диоды 21 и 22, токозадающий резистор 23, ограничивающий резистор 24, транзистор 25, ограничивающий резистор 26, База транзистора 1 исполнительного усилителя подключена к средней точке делителя на резисторах 9 и 10., а коллектор - к базе транзистрра 2, соединенного коллектором с базой транзистора 3, эмиттер которого подключен к нулевой шине. База транзис тора 4 соединена с опорным стабилитроном 11, подключенным одним из выводов к нулевой шине, а другим через . ограничивающий резистор 12 - к потен .циальной .шине. Эмиттер транзистора 4 соедине« с эмиттерО{1 транзистора 5 с противоположным типом проводимости, база которого соединена с базой тран зистора 6 того же типа проводимости и с термостабилизированным источником Тока 13.-. . . Эмиттер транзистора б подключен к эмиттеру транзистора 1 а коллек-, тор - к базе транзистора 2. Транзисторы 1 и 6,4 образуют два плеча дифференциального каскада. Коллектор транзистора 5 соединен с базой транзистора 7 с противоположным типом проводимости и с анодом термокомпенг сирующего диода 14, подключенного ка тодом к нулевой- шине и к эмиттеру транзистора 7, соединенного коллекто ром с коллектором транзистора 4 и с .базой транзистора 8 с противоположны типом проводимости, подключенного .эмиттером к эмиттеру транзистора 2 того же типа проводимости, к потенци альной шине и к аноду термокомпенсирующего диода 15, катодом подключенного к базе транзистора 2. исходной транзистор 16 подключен эмиттером к нулевой.шине, коллектором - к аноду гас.ящего диода 17, включенного параллельно обмотке возбуждения 18, а базой - к коллектору транзистора 3 и коллектору.транзистора 8. Эмиттеры симметричных транзисторо 19 и 20 термостабилизированного источника тока 13 соединены между собо подключены к нулевой шийе и к терг« стабилизирукмцему диоду 21, соединенному анодом с их базами и с токоэада ющим резистором 23.- Коллектор транзистора 19 подключен к катоду термостабилизирующего диода- 22, соединен-: нрго анодом через ограничивающий резистор 24 с потенциальной шиной, и к базе транзистора 25 с противополож ным типом проводимости, эмиттер которого через резистор 26 соединён, -с потенциальной шиной, а коллектор прд ключён к коллектору транзистора 20 и к точке соединения базы транзистора 5 с базой транз.истора 6 дифференциального каскада. Регулятор напряжения работает.следующим образом. При возрастании напряжения на выходе генератора выше номинального потенциал в средней точке резисторного делителя 9 и 10 возрастает и становится выше напряжения опорного стабилитрона 11, ток которого задается ограничивающим резистором 12. В этом случае наступает перекос плеч дифференциального каскада 1 и 6, 4 и 5, в результате чего ток в цепи транзисторов 1 и .6 возрастает, а в транзисTopak 4 и 5 падает. Сигнал перекоса усиливается затем в коллекторных цепях транзисторов 1, 6 и 2 и в фазе поступает на базу транзистора 3 В .этот момент ток в цепи коллекторов транзисторов 4, 5 и 7 резко уменьшается и запирает транзистор 8, что : ; приводит к снижению тока его коллекторной цепи. Таким образом, базовый ток транзистора 3 возрастает, а коллекторный и базовый ток-и транзистора 16 уменьшаются, что вводит транзистор 3 в режим насыщения, коллекторное напряжение транзистора 3 уменьшается, запирая транзистор 16, в результате чего ток через обмотку возбуждения 13 прекращается и напряжение на выходе генератора падает. При напряжении на выходе генератора ниже номинального включаемся противоположное плечо дифференциаль-; ного каскада, т.е. транзисторы 4 и 5, что приводит к резкому возрастанию I тока через транзистор 8. При этом .отпирается выходной транзистор 16 и . ток через обмотку возбуждения 18 ге нератора возрастает. Поскольку регулятор) напряжения работает, в режиме .компарирования, то при достаточном усилении.его входной сигнал не превышает или значительно меньше напряжения смещения между базами транзисторов 1 и 4, которое обычно для интегральной технологии находится в пределах 3-10 мВ. Таким образом, при отпертом опорном стаби-, литр.оне 11 точность срабатывания регулятора определяется соотношением величин резисторов 9 и 10 делителя, которое выдерживается в интегральной технологии с точностью не хуже 1%. Такая точность значительно превышает точность срабатывания известных регу;ляторов напряжения, определяемую величиной приращения напряжения при запертом стабилитроне 11 и его состоянием пробоя, которое устанавливается с определенным запасом. Применение термокомпенсации коллекторных токов транзисторов 7 и 2с помощью термокомпенсирующих диодов 14 и. 15 обеспечивает снижение влияния изменений рабочих температур на точность регулировакия. Таким образом, температурная стабильность коллекторных токов транзисторов 7 и 2 соответствует температурной стабильности коллекторных токов транзисторов 1 и 5, 4 и б, которая, в свою очередь, определяется стабильностью термостабилизированного источника тока 13.Регулятор напряжения обладает повышенной устойчивостью к помехам синфазного типа, что исключает возможность ложныз срабатываний под воздействием наводимых помех,возникающих . в цепях зажигания и обмотки возбуждения генератора.-Вследствие высокой помехоустойчивости по синфазному сигналу точность регулирования напряже. ния не зависит от изменения пределов регулирования и от изменения напряжения опорного стабилитрона 11. Так, при значительных величинах синфазных напряжений на базах транзисторов 1 и 4, например, при изменении напряжения

опорного стабилитрона 11 указанные напряжения ослабляются как синфазные помехи в дифференциальном каскаде за счет применения термостабилизированного источника гока 13, работающего следующим образом.

При подаче напряжения Hd токозадающий резистор 23 задаваемый им уровень тока поступает на базы симметричных транзисторов 19 и 20, определкк их коллекторные токи. При этом ток в цепи коллектора транзистора. 1.9 поступает в цепь термокомпенсации, выполненную на диоде 22 и резисторе 24, И на базу транзистора 25. Ток в цепи коллектора 25 определяется соотношением ограничивающих резисторов 24 и 26. В этом случае коллектор ный ток транзистора 20 оказывается больше коллекторного тока транзистора 25. Разность этих токов определяет уровень тока, необходимого для функционирования транзисторов 5 и б дифференциального каскада. Вследствие изменений температуры окружающей среды в процессе эксплуатации .изменяются параметры транзисторов 19, 20, 25 и, соответственно, диода 21. Поскольку ток диода 21 значительно превосходит базовый ток симметричных транзисторов 19 и 20, то изменение напряжения на его аноде при изменении температуры окружающей среды определяет напряжение на базах симметричных транзисторов 19 и 20, т.е. при повышении температуры напряжения на аноде диода 21 понижается и, соответственно, компенсирует увеличение крутизны симметричных транзисторов 19 и 20, коллекторные токи которых остают ся постоянными, ПРИ понижении температуры терлюкомпенсация осущесталяЪтся аналогичным образом. Так же осуществляется термокомпенсация коллекторного тока транзистора 25.. Необходимо учесть, что площадь перехода диода 21 должна превышать площадь эмиттерных переходов симметричных транзисторов 19 и 20.

При этом температурные коэффициенты ограничивающих резисторов 24 и 26 должны быть согласованы, что достигается наилучшим образом в интегральном исполнении. Таким образом-, в диапазоне рабочих температур соотношение коллекторных токов транзисторов 20 и 25 остается постоянным,, что определяет постоянство тока, поступающего на базы транзисторов 5 и 6 .дифференциальногчэ каскада. Встречное включение коллекторов транзисторов 20 и 25 с различным типом проводимости обусловливает сложение их выходных HMnej aHcoB, что значительно (в 2-3 раза) повышает помехоустойчивость регулятора и способствует универсальности его использования при изменении пределов регулирования. Пр этом повышается экономичность регулятора напряжения.

Оставшийся неподавленным синфазный сигнал с коллекторов транзисторо 4,7 и 6 и 2, поступающий на базы транзисторов 7 и 8, складывается на их коллекторах в противофазе и подавляется. Коэффициент ослабления синфазных сигналов в регуляторе напряжения составляет 80-100 ДБ. При изМенении пределов регулирования, или изменения величины напряжения опорного стабилитрона 11 сигнал на базе транзистора 16 остается неизменным, что способствует увеличению точности регулирования напряжения и улучшает его-надежностные характеристики.

Аналоги.чным образом, при условии .симметрии плеч дифференциального каскада, осуществляется подавление сигнала на выходе транзистора 3 вследствие температурного воздействия и,следовательно, -на базе транзистора 16, что также способствует повышению точности регулирования напряжения.

Схемное построение регулятора напряжения позволяет сохранить симметрию его плеч при асимметрии параметров транзисторов с противоположным типом проводимости/ вследствие перемножения импедансов транзисторов с различным типом проводимости, что значительно улучшает технологичность при производстве регулятора в интегпальном исполнении, а также улучшаэт его помехоустойчивость и термостабильность.

Другим преимущест вом регулятора напряжения является то, что тип проводимости базовых и коллекторных областей транзисторов с противополож- . ной проводимостью в большинстве точек соединения одинаков. Это позволяет изготавливать регулятор на совмещенных транзисторных структурах в интегРсшьном исполнении. При этом из-за отсутствия резисторов значительно сокращается площадь кристалла и повьвиается надежность регулятора вследствие уменыаения числа дефектов на меньшей площади и снижения температурных гра.диентов по кристаллу.

Поскольку работа регулятора напряжения осуществляется в режиме компарирования, то в этом случае достигается его наибольшая устойчивость, и быстродействие определяется только параметрами транзисторов.

Особенностью схемного построения регулятора является как отсутствие пассивных элементов, так и использование транзисторов как усилителей тока, т.е. коэффициент усиления по напряжению не превышает единицы вследствие использования в качестве нагрузок прямосмещенных базо-эмиттерных областей транзисторов. Таким образом, условия для самовозбуждения регулятора отсутствуют, что также опреде-пяет отсутствие элементов частотной коррекции, снижающих общее алстродейдтвие регулятора в полосе усиливаемых частот. При этом усиление по току на коллекторах транзисторов 3 и 8 составляет (10-40) 10, что определяет технологический запас при изготовлении регулятора в интегральном исполнении. Таким образом, рабочая частота регулятора находится в пределах 100-500 кГц с учетом глубокого насьацения транзистора 16. Режим по току задается в регуляторе резистором 23, что позволяет расширить диапазон его применения. При необходимости резистор 23 изготавливается также в интегральном исполнении ..

Применение регулятора напр}1жёния, выполненного по данному изобретению, обусловливает как значительное улучшение его электрических параметров, так и повышение его надежностных характеристик в условиях комплексного воздействия различных эксплуатаци,онных факторов: температуры, влажности, радиации, механических нагрузок и т.д.

Интегральное исполнение регулятора Нсшряжения снижает его стоимость и улучшает качественные, габаритновесовые и другие показатели.

выполнение регулятора напряжения , по технологии монолитных интегральных схем позволяет решить важную народиохозяйствениую задачу улучшения ка« ; чественных показателей и надежност ных характеристик генераторов переменного тока для транспортных средств.

Формула изобретения

щего диода., соединенного анодом с их базами и с дополнительно введенным токозадающим резистором, коллектор одного из симметричных транзисторов подключен к катоду другого термостабилизирующего диода, соединенного анодом через ограничивающий резистор с потенциальной шиной,, и с базой транзистора с противоположным типом проводимости, эмиттер которого через резистор соединен с потенциальной шиной, а коллектор подключен к коллектору другого-симметричного транзистра и к базам пятого и шестого транзисторов дифференциального каскада.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

3. Патент США 4128799, кл. 322-28, 1978.