Регулятор напряжения для синхронной электрической машины

 

Союз Советскик

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ ,ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (11)1 ОО5263 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 28.05.80(21) 2937957/24-07

Р М К з

Н 02 P 9/30 с присоединением заявки Мо(23) Приоритет

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (33) УДК 629. 113. ..064.621.316. .722(088.8) Опубликовано 1503,83. Бюллетень Ио 10

Дата опубликования описания 150 383 (72) Авторы изобретения

Л.П.Домнин, Ю.Т.Федоров, A.Ñ.Гурин, Г.Б.Во и М.И.Карпушин (71) Заявитель (54) РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

МАШИНЫ

Изобретение 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 напряжения, соединенный крайними выводами с выводами для подключения выпрямителя, опорный стабилитрон, включенный между промежуточной точкой резисторного делителя и базой управляющего транзистора, и гасящий диод $1).

Включение рвзисторного делителя в цепь эмиттера составного регулирующего транзистора несколько ограничивает величину нагрузочного тока, однако это ограничение не является регулируемщ 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-эа отсутствия элементов термокомпенсации. В этом регуляторе напряжения использованы технологически. несовместимые элементы: низкоомные резисторы, большие емкости, что не позволяет реализовать его в интегральном исполнении по технологии монолитных интегральных схем.

Известен также регулятор напряжения для транспортного средства, содержащий два резисториых делителя, к средним точкам которых подключены два стабилитрона, противоположные выводы которых соединены с базами двух транзисторов, подключенных эмиттерами к нулевой шине, коллекторами — к нагру-. эочному резистору и базе выходного транзистора, эмиттер которого соединен с нулевой шиной, а.коллекторс обмоткой возбуждения генератора и анодом гасящего диода P2) .

Термостабильность этого регулятора напряжения несколько выше вследствие применения симметричных реэисторных

1005263 делителей и стабилитронов, однако температурный дрейф нагрузочного коллекторного резистора увеличивает дрейф базового тока выходного транзистора, что значительно ухудшает термостабильность всего регулятора напряжения. Кроме того, в этом ре-. гуляторе отсутствует ограничение нагрузочного тока, что не позволяет использовать регулятор при изменении величины регулируемого напряжения и 10 активной составляющей импеданса обмотки возбуждения. Реализация такого регулятора напряжения в интегральном исполнении также весьма затруднительна вследствие недостаточного запаса 15 по параметрам его элементов при их разбросе в интегральном исполнении на 20-30% °

Наиболее близким к изобретению является регулятор напряжения для .р синхронной электрической машины, содержащий измерительный орган напряжения, вход которого соединен с выходом укаэанной машины, а выход — к входам промежуточного усилителя, пер-25 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 шиной питания регулятора напряжения, выходной транзистор и первый усилительный транзистор имеют один и тот же тип проводимости Р 3).

Однако данный регулятор имеет низ-З5 кую надежность по следующим причинам.

Конструктивные элементы регулятора не связаны между собой по тепловому режиму, температурным коэффициентам и надежностным характеристикам. тем- 40 пературные коэффициенты резисторного делителя, ограничительного резистора, спорного стабилитрона и исполнитель- . ного усилителя в рабочем диапазоне температур регулятора различны по 45 величине и знаку, что приводит к неуправляемому дрейфу и выходу напряжения за установленные пределы регулирования. При изменении напряжения регулирования активного сопротивления обмотки возбуждения и вследствие изменения параметров составного транзистора в диапазоне рабочих температур величина нагрузочного тока выходного транзистора значительно изменяется, что неизбежно приводит к перегреву выходного транзистора и по следующему тепловому пробою, опреде-: ляющему катасТрофический отказ регулятора напряжения.

Целью изобретения является повыше-1 ние надежности.

Поставленная цель достигается тем,:, что дополнительно введены управляющий транзистор того же типа проводимости,,65 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 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 термокомпенсирующего 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, зйиттеры 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 измерительный орган, включающий стабилитрон 1 защиты от перенапряжений, подключенный к одному из выводов выпрямителя, и резисторный делитель

2. Исполнительный усилитель 3 одним входом соединен с опорным 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 б и 7 соединены с плюсовой шиной. База ограничительного транзистора 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 возбужде1005263 ния. 13 синхронной электрической машины и аноду гасящего диода. Регулятор напряжения подключен к выходу син«. хронной электрической машины 14 переменного тока с выпрямителем.

При реизаиии по интегрьной 5 технологии необходимо, чтобы периметр эмиттера выходного транзистора 12 не менее, чем на два порядка превышал периметр эмиттера управляющего тран= . зистора 8 для снижения мощности управ-10 ления.

Работа регулятора напряжения заключается в следукщем.

Регулятор напряжения для транспортного средства работает как ключе-35 вая пороговая схема. При напряжении на выводах выпрямителя ниже номинального напряжение на одном из входов исполнительного усилителя 3, подключенном к стабилитрону 4, превышает 20 . напряжение на другом входе, который подключен к средней точке резисторно- . . го делителя 2. В этом случае напряжение иа выходе исполнительного усили.— .теля 3 понижается и отпирает второй 25 усилительный транзистор 7, коллектор.ный ток которого затем отпирает первый усилительный транзистор 11, усиливается им и поступает на базы уп равляющего 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-4О дения 13 °

При необходимости изменения вели,чины регулируемого напряжения, напри. мер при его повышении, а также .при использовании различных электрома- 45 шинных генераторов, определяющих изменение активного сопротивления об мотки возбуждения, нагрузочный ток через выходной транзистор 12 может изменяться в недопустимо больших пре-5Q делах. Это приводит к тепловому пробою транзистора 12 и выходу регулятора напряжения из строя. Изменение рабочей температуры в условиях эксплуатации изменяет параметры выходно-55 го транзистора 12, например его коэффициент усиления, что обусловливает увеличение тока через транзистор, повыаение его выходного напряжения и последующий тепловой пробой. 6О

В практике эксплуатации различных

:электромашинных генераторов перемен. ного тока величина предельно допустимого нагрузочного тока задается техйическим заданием. Поэтому в схеме .65 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 выполняются таким образом, чтобы периметр эмиттера управляющего транзистора 8 был на несколько порядков меньше пе- риметра эмиттера выходного транзистора 12. Например, периметр эмиттера транзистора 12 выполняется больше на два-три порядка, чем периметр эмиттера транзистора 8, т;е. Q/A =

=100-1000, где А, Aä — периметры эмиттеров транзисторов 12 и 8. В этом случае при одинаковых напряжениях база — эмиттер транзисторов 8 и 12,вы-+ полйяеьых в интегральном исполнений, соотношение величин их коллекторных токов строго -определяется соотношением периметров их эмиттеров, поскольку уровни инжекции строго пропдрциональны периметрам змиттерных переходов. Таким образом, коллекторный ток транзистора 8 в заданное число раз меньше коллекторного,тока транзисто-, ра 12.

В коллекторную цепь управляющего транзистора 8 включается токоограни; чивающий резистор 9, величина которого рассчитана таким образом, чтобы при достижении заданного соотношения коллекторных токов транзисторов З и

12 падение напряжения на нем вызывало отлирание ограничительного транзистора б и соответствующее перераспределение тока на выходе исполнительного усилителя 2 между транзисторами б и 7. При дальнейшем возрастании базовых токов транзисторов 8 и 12 увеличение коллекторного тока транзистора 8 вводит в режим насыщения транзистор б, что обусловливает резкое уменьшение @го напряжения коллектор — эмиттер и-запираиие по ба- . зе транзйстора 7. уменьшение коллекторного тока транзистора 7 приводит к уменьшению эмиттерного тока транзистора 11 и к соответствующему уменьшению коллекторного тока траизистора 12. При нагрузочном токе выходного транзистора 12 нике заданного порогового уровня падение напряжения на резисторе 9 является недостаточным для отпирания ограничительного транзистора б. 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 схеьи регулирования, потребляющей незначительную мощность, что . обусловливает эффективность регулиро вания и ограничение мощности рассеяния, а также повышение надежности

1995263

Формула изобретения регулятора, так как схема ограничения тока в предлагаемом регуляторе является быстродействующей, безынерционной.

Следует отметить, что в схеме регулятора ограничивается избыточная степень насыщения выходного транзистора 12, что повышает быстродействие регулятора напряжения.

В процессе интегрального выполне-. ния регулятора напряжения площадь 10 перехода термокомпенсирующего диода

10 выполняется больше (в 2-3 раза) площади эмиттерного перехода транзистора 11, поэтому падение напряжения на диоде 10 определяет величину, на- 15 пряжения на базе транзистора 11. Поскольку температурный дрейф диода

10 имеет отрицательную величину (-2 мВ/ С), то при согласовании в рабочем диапазоне температур харак- теристик крутизны переходов диода

10 и транзистора 12, выполняемых в интегральном исполнении, происходит температурная стабилизация эмиттерного тока транзистора 11, определяю-, 25 щего .базовый ток транзисторов 8 и 12.

Это улучшает термостабильность базового тока транзисторов 8 и 12 и повышаеT термостабильность регулятора напряжения, а также 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 стабили- 40 зация нагрузочного тока, а также по-.. вышение термостабильности предлагаемого регулятора напряжения позволяют значительно повысить его параметри- ческую и функциональную надежность. 45 при этом значительно расширяется область применения регулятора напряже-, ния и его универсальность, что при массовом производстве и интегральном исполнении значительно снижает 50 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 условиях дестабилизирующих факторов окружающей среды.,1. Регулятор напряжения для синхронной электрической машины, содержащий измерительный орган напряжения, вход которого подключен к выходу синхронной электрической .машины, а выходк 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 — c минусовой шиной питания регулятора напряжения, выходной транзистор и первый усилительный транзистор выполнены одного типа проводимости, отличающийся тем, что, с целью повышения надеж-. ности, дополнительно введены управляющий транзистор того же типа,проводимости, 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 усилительного транзисторов, эмиттеры которых соединены с плюсовой шиной,l база ограничительного транзистора подключена к коллектору управляющего транзистора и через резистор — к плюсовой шине, коллектор второго усилифтельного 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

Р 624346, кл. К 02 P 9/30, 1975.

2. Заявка Японий Р 52-24962, кл. Н 02 Р 9/30, 1977.

3. Стабилизатор напряжения для автомобильных генераторов. - "Е.tect,rontcs Engtneering"> М 595, 1977, с 49 °

1005263

Составитель А.Лебедев

Редактор M.Петрова Техред И.Костик КорректорС.Шекмар

Заказ 1922/75 Тираж 685 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб °, д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4