Регулятор напряжения для синхронной электрической машины Советский патент 1983 года по МПК H02P9/30 

Изобрегение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования и стабилизации напряжения в системах электропитания преимущественно для автомобильных и автотракторных транспортных средств.

Известен регулятор напряжения для синхронного генератора переменного тока с выпрямителем, содержащий составной регулирующий транзистор, . база которого подключена к коллектору, эмиттер соединен с резисторным делителем, один из выводов которого соединен с нулевой шиной источника питания, а. другой - с эмиттером управляющего транзистора, резисторный делитель напряжений, соединенный крайними выводами с выводами для подключения выпрямителя, опорный стабилитрон, включенный между промежуточной точкой резисторного делителя и базой управляющего транзистора, и гасящий диод ij,

Включение резисторногчэ делителя в Цепь эмиттера составного регулирующего транзистора несколько ограничивает величину нагрузочного тока, однако это ограничение не является регулируекил} и не рассчитано на определенный, заданный предел нагрузочного тока. Резистор в цепи эмиттера выходного каскада приводит к увеличению его выходного напряжения и рассеиваемой мощности. Кроме того, термостабильность известного регулятора напряжения низка из-за отсутствия элементов термоксмипенсации. В этом регуляторе напряжения использованы

10 технологически-несовместимые элементы: низкоомные резисторы, большие емкости, что не позволяет реализовать его в интегральном исполнении по технологии монолитных интегральных схем.

15

Известен также регулятор напряжения для транспортного средства, содержащий два резисторных делителя, к средним точкам которых подключены два стабилитрона, противоположные выводы

20 которых соединены с базами двух транзисторов, подключенных эмиттерами к нулевой шине, коллекторами - к нагрузочному резистору и базе выходного транзистора, эмиттер которого соеди25нен с нулевой шиной, а коллектор с обмоткой возбуждения генератора и анодом гасящего диода ,2,

Термостабильность этого регулятора напряжения несколько выше вследствие

30 применения симметричных резисторных делителей и стабилитронов, однако температурный дрейф нагрузочного кол лекторного резистора увеличивает дрейф базового тока выходного транзистора, что значительно ухудшает термостабильность всего регулятора напряжения. Кроме того, в этом ре-, гуляторе отсутствует ограничение нагрузочного тока, 1то Не позволяет использовать регулятор при изменении величины регулируемого напряжения и активной составляющей импеданса обмотки возбуждения. Реализация такого регулятора напряжения в интегральном исполнении также весьма затруднитель на вследствие недостаточного запаса по параметрам его элементов при их разбросе в интегральном исполнении на 20-30%. . . Наиболее близким к изобретению является регулятор напряжения для синхронной электрической мшиины, содержащий измерительный орган напряжения, вход которого соединен с выходом указанной машины, а ЕЫХОД - к входам промежуточного усилит.еля, пер вый усилительный транзистор, эмиттер которого подключен к базе выходного транзистора, коллектор которого через обмотку возбуждения генератора соединен с плюсовой шиной питания регулятора напряжения, а эмиттер - с минусовой ыиной питания регулятора напряжения, выходной транзистор и первый усилительный транзистор имеют один и тот же тип проводимости 3J. Однако данный регулятор -имеет низ кую надежность по следующим причинб1м Конструктивные элементы регулятора не связаны между собой по тепловому режиму, температурным коэффициентам и надежностным характеристикам. Температурные коэффициенты резисторного делителя, ограничительного резистора опорного стабилитрона и исполнительного усилителя в рабочем диапазоне температур регулятора различны по величине и знаку, что приводит к неуправляемому дрейфу и выходу напряже ния за установленные пределы регулирования. При изменении напряжения ре гулирования активного сопротивления обмотки возбуждения и вследствие изменения параметров составного транзистора в диапазоне рабочих телтератур величина нагрузочного тока выход ного транзистора значительно изменяется, что неизбежно приводит к перегреву выходного транзистора и последующему тепловому пробою, определяющему катаст рофический отказ регулятора напряжения. Целью изобретения. является повыше ние надежности. Поставленная цель достигается тем что дополнительно введены управляющи транзистор того же типа проводимости что и выходной транзистор, ограничительный и второй усилительный транзисторы противоположного типа проводимости , термокомпенсирующий диод и резистор, причем выход промёжуточногхэ усилителя подключен к коллектору ограничительного и базе второго урилительного транзисторов, эмиттеры которых соединены с плюсовой шиной, база ограничительного транзистора подключена к коллектору управляющего транзистора и через резистор - к плюсовой шине, коллектор второго усилитель-:ного транзистора подключен к аноду термокомпенсирукяцего диода и к базе первого усилительного транзистора с противоположным типом проводимости, коллектор которого соединен с плюсо.вой шиной, а катод термокомпенсиру-. ющего диода - с базами выходного и управляющего транзисторов соответственно, зг иттеры которых соединены между собой. Периметр эмиттера выходного транзистора не менее чем на два порядка превышает .периметр эмиттера управляющего транзистора. На чертеже приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого регулятора. Регулятор напряжения содержит из- мерительный орган, включающий стабилитрон 1 защиты от перенапряжений, подключенный к одному из выводов выпрямителя, и резисторный делитель 2. Исполнительный усилитель 3 одним входом соединен с опорныгл стабилитроном 4, подключенным через резистор 5 к плюсовой шине, а другой вход соединен со средней точкой резисторного делителя 2, включенного между выводами выпрямителя. Выход исполнительного усилителя 3 подключен к коллектору ограничительного транзистора б и к базе второго усилительного транзистора 7, имеющих один тип проводимости. Эмиттеры транзисторов 6 и 7 . соединены с плюсовой шиной. База ограничительного транзистбра б подключена к коллектору управляющего транзистора 8 с противоположным типом ; проводимости и через токоограничивающий резистор 9 к плюсовой шине. Коллектор второго усилительного транзистора 7 подключен к аноду термокомпенсирующего диода.10 и к базе первого усилительного транзистора 11 с противоположным типом проводимости. Коллектор транзистора 11 соединен с плюсовой шиной, а его эмиттер и катод диода 10 - с базами выходного транзистора 12 и управляющего транзистора 8 с одинаковым типом проводимости, эмиттеры которых соединены между собой. Эмиттер выходного транзистора 12 подключен также к минусовой шине, а коллектор - к обмотке возбуждения. 13 синхронной электрической маши ны и аноду гасящего диода. Регулятор напряжения подключен к выходу синхронной электрической маилины 14 пере менного тока с выпрямителем. При реализации по интегральной технологии необходимо, чтобы перимет эмиттера выходного транзистора 12 не менее, чем на два порядка превышал периметр эмиттера управляющего тран эистора 8 для снижения мощности упра ления.. Работа регулятора напряжения заключается в следующем. Регулятор напряжения для транспортного средства работает как ключе вая пороговая схема. При напряжении на выводах выпрямителя ниже номиналь ного напряжение на одном из входов исполнительного усилителя 3, подключенном к стабилитрону 4, превышает напряжение на другом входе, котоЕ ай подключен к средней точке резйсторно го делителя 2. В этом случае дапряже ние на выходе исполнительного усилй.теля 3 понижается и отпирает второй усилительный транзистор 7, коллектор . ный ток которого затем отпирает первый усилительный транзистор 11, усиливается им и поступает на базы управляющего транзистора 8 и выходного транзистора 12, которые отпираются. Выходной транзистор 12 входит в режим насыщения, определяя. ток через обмотку возбуждения 13. . При напряжении на выводах выпрямителя выше номинального напряжение на выходе исполнительного усилителя 3 повышается и запирает транзистор 7, который обусловливает запирание выходного транзистора 12 и резкое уменьшение тока через обмотку возбуж дения 13. При необходимости изменения вели.чины регулируемого напряжения, напри мер при его повышении, а также .при использовании различных электромашинных генераторов, определяющих изменение активного сопротивления обмотки возбуждения, нагрузочный ток через выходной транзистор 12может изменяться в недопустимо больших пре делах. Это приводит к тепловому пробою транзистора 12 и выходу регулято ра напряжения из строя. Изменение рабочей температуры в условиях эксплуатации изменяет цараметры выхолно го транзистора 12, например его коэффициент усиления, что обусловливает увеличение тока через транзистор, повышение его выходного напряжения и последующий тепловой пробой. .. В практике эксплуатации различных ; электромашинных генераторов перекюнного тока величина предельно допустимого нагрузочного тока задается техническим заданием. Поэтому в схеме регулятора напряжения должно быть предусмотрено устройство для порогового ограничения величины нагрузочного тока через обмотку возбуждения генератора. Для этого транзисторы 8 и 12 в интегральном ;исполнении илпол-няются таким образом, чтобы периметр эмиттера управляющего транзистора 8 был на несколько порядков меньше периметра эмиттера выходного транзистора 12. НапрИ1Лар, периметр эмиттера транзистора 12 выполняется больше на два-три порядка, чем периметр эмиттера транзистора 8, т;е. i 100-1000, где А , А - периметры эмиттеров транзисторов 12 и 8. В этом случае при одинаковых напряжениях база- эмиттер транзисторов 8 и 12,ил- пблняе1«лх в интегральном исполнении, соотношение величин их коллекторных токов строго определяется соотнсяиением периметров их эмиттеров, посжольку уровни инжекции строго пропбрЦиональны периметрам эмиттерных переходов . Таким .образом, коллекторный ток транзи стора 8 в заданное число раз меньше коллекторного .тока транзисто-, ра 12. В коллекторную цепь управляющего транзистора 8 включается токоограни-t чивакхций резистор 9, величина которого рассчитана таким образом, чтобы при достижении заданного соотношения коллекторных токов транзисторов в и 12 паде(ие напряжения на нем вызывало отлирание ограничительного транзистора б и соответствующее перераспределение тока на выходе истолнительного усилителя 2 между транзис:торсиии б и 7. При дальнейшем возрастании базовых токов транзисторов 8 к 12 увеличение коллекторного тока . транзистора 8 вводит в режим наеялщёния транзистор б, что обусловливает резкое уменьшение эго напряжения коллектор - эмиттер и запирание по ба- зе транзистора 7. Уменьшение коллекторного тока транзистора 7 приводит. .к уменьшению эмиттерного тока транзистора 11 и к соответствукядему уменьшению коллекторного тока трак-, зистора 12. При нагрузочном токе выходного транзистора 12 ниже заданного порогового уровня падение напряжения на резисторе 9 является недостаточным для отпирания ограничительного транзистора 6. Он заперт и не ) влияет на работу регулятора. Таким Образом, ограничение значительного тока выходного транзистора 12 и соответствующей величины мощности регулятора напряжения достигается с помощью схемы оегулирования, потребляющей незначительную мощность, что обусловливает эффективность регулиров-ания и ограничение мощности рассеяния, а также повыыение надежности регулятора, так как схема ограничения тока в предлагаемом регуляторе является быстродействующей, безынер ционной. Следует отметить, что в схекю регулятора ограничивается избыточная степень насыщения выходного транзистора 12, что повышает быстродействие регулятора напряжения. В процессе интегрального выполнения регулятора напряжения площадь перехода термокомпенсирующего диода 10 выполняется больше (в 2-3 раза) площади эмиттерного перехода транзис тора 11, поэтому падение напряжения на диоде 10 определяет величин напряжения на базе транзистора 11. Поскольку температурный дрейф диода 10 имеет отрицательную величину (-2 ), то при согласовании в рабочем диапазоне температур характеристик крутизны переходов диода 10 и транзистора 12, выполняемых в интегральном исполнении, происходит температурная стабилизация эмиттерного тока транзистора 11, определяют щего базовый ток транзисторов 8 и 12 Это улучшает термостабильность базового тока транзисторов 8 и 12 и повышает термостабильность регулятора напряжения, а тйкже точность регулирования, т.е. повышает его надежность. Так как в регуляторе напряжения преобладают активные элементы, а резистор 9 может изготавливаться любой выбранной величины,то регулятор напряжения наилучшие свои характеристики будет иметь в интегральном исполнении по базовой технологии монолитных интегральных схем. Задаваемое ограничение и стабилизация нагрузочного тока, а также пот вышение термостабильности предлагаемого регулятора напряжения позволяют значительно повысить его параметрическую и функциональную надежность. При этом значительно расширяется область применения регулятора напряжения и его универсальность, что при массовом производстве и интегральном исполнении значительно снижает себестоимость регулятора, например в 1,5-2 раза по сравнению с себестоимостью освоенных промышленностью регуляторов Я 112 А. Улучшение и стабилизация характеристик регулятора позволяют повысить его функциональную устойчивость в ус ловиях дестабилизирующих факторов ок ружающей среды. Формула изобретения ,1. Регулятор напряжения для синхронной электрической машины, содержащий измерительный орган напряжения, вход которого подключен к выходу синхронной электрической .машины, а выход к входам промежуточного усилителя, первый усилительный транзистор, эмиттер которого подключен к базе выходного транзистора, коллектор которого через обмотку возбуждения синхронной электрической машины соединен с плюсовой шиной питания регулятора напряжения , а эмиттер - с минусовой шиной питания регулятора напряжения, выходной транзистор и первый усилительный транзистор выполнены одного типа проводимости, отличающий ся тем, что, с целью повышения надеж- ности, дополнительно введены управляющий транзистор того же типа.проводимойти, что и выходной транзистор, ограничительный и второй усилительный транзисторы противоположного типа проводимости, термокомпенсирующий диод и резистор, причем выход промежуточного усилителя подключен к Коллектору ограничительного и базе второго усилит;ельного транзисторов, эмиттеры которых соединены с плюсовой шиной, база 6Граничительного транзистора подключена к коллектору-управляющего транзистора и через резистор - к плюсовой шине, коллектор второго усилительного транзистора подключен к аноду термокомпенсирующего диода и к базе первого усилительного транзистора, коллектор которого соединен с плюсовой шиной, а катод термокомпенсирующего диода соединен с базами выходного и управляющего транзисторов соответственно, эмиттеры которого соединены между собой. 2. Регулятор напряжения по п.1, отличающийся тем, что периметр эмиттера выходного транзистора не менее чем на два порядка превышает периметр эмиттера управляющего транзистора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 624346, кл. И 02 Р 9/30, 1975. 2.Заявка Японии № 52-24962, кл. Н 0,2 Р 9/30, 1977. 3. Стабилизатор напряжения для автомобильных генераторов. - E-Eect.ronlcs Engineering, 595, 1977, с. 49. ,