Регулятор напряжения генераторного источника питания

 

Использование: изобретение относится к регуляторам напряжения генераторных источников питания для автотракторных генераторов переменного тока и может быть использовано в системах регулирования напряжения генераторов переменного и постоянного токов. Целью изобретения является повышение надежности устройства путем уменьшения рассеивания мощности на силовом транзисторном ключе за счет равномерного распределения ее на двух силовых транзисторных ключах. Цель достигается тем, что в устройство вводится два переключающихся транзистора 31, 32, четвертый коллекторный резистор 33, две RC-цепочки 34, 35 и 36, 37 и шунтирующий резистор 41, которые совместно с третьим коллекторным резистором 25 и вторым шунтирующим резистором 30 представляют собой мультивибратор, который генерирует управляющие импульсные сигналы. Последние управляют первым транзисторным ключом 20 и дополнительно введенным вторым силовым транзисторным ключом 39. Следовательно, рассеивание мощности в предложенном регуляторе происходит равномерно на двух силовых транзисторных ключах 20 и 39, что, соответственно, снижает вероятность отказа из-за перегрева каждого из них и повышает надежность предлагаемого устройства. Кроме того, наряду со снижением потребления питания измерительным и промежуточным каскадами обеспечивается надежное самовозбуждение генераторного источника питания в режиме малого выходного напряжения и работы без аккумуляторной батареи и малом выходном напряжении. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электроснабжения транспортных средств, и может быть использовано в системах регулирования напряжения генераторов переменного и постоянного токов.

Известны регуляторы напряжения генератора, содержащие измерительный орган, транзисторные элементы регулирования и управления тока в цепи обмотки возбуждения генератора [1].

Наиболее близким по совокупности признаков из них является регулятор напряжения генераторного источника питания, содержащий первый и второй транзисторы, коллекторы которых соответственно через первый и второй коллекторные резисторы соединены с выводом регулятора напряжения для подключения вывода первой полярности генераторного источника питания, а эмиттеры соединены с коллектором третьего транзистора, подключенного эмиттером через токозадающий резистор, а базой - через первый источник опорного напряжения, выполненный в виде нелинейного элемента, к выводу регулятора напряжения для подключения вывода второй полярности генераторного источника питания, второй источник опорного напряжения, выполненный в виде стабилитрона, включенный между базами первого и третьего транзисторов, делитель напряжения, крайние выводы которого подсоединены между выводами регулятора напряжения для подключения выводов первой и второй полярности генераторного источника питания, а средний вывод связан с базой второго транзистора, первый токоограничительный резистор, подключенный между выводом регулятора напряжения для подключения к выводу первой полярности генераторного источника питания и базой первого транзистора, силовой транзисторный ключ, один из силовых выводов которого связан с выводом регулятора напряжения для подключения к выводу одной из полярностей генераторного источника питания, а другой - с выводом регулятора напряжения для подключения к обмотке возбуждения генераторного источника питания и с выводом регулятора напряжения для подключения вывода второй полярности генераторного источника питания через обратно включенный гасящий диод, четвертый транзистор, коллектор которого подключен к базе силового транзисторного ключа и через второй токоограничительный резистор - к выводу регулятора напряжения для подключения вывода второй полярности генераторного источника питания, эмиттером - к выводу регулятора напряжения для подключения вывода первой полярности генераторного источника питания, а базой - к коллектору второго транзистора через третий токоограничительный резистор, параллельно базо-эмиттерным переходам четвертого транзистора и силового транзисторного ключа подключены шунтирующие резисторы, а между базами первого и второго транзисторов и параллельно управляющим входам этих транзисторов включены фильтрующие конденсаторы [2].

Недостатком данного регулятора, а также приведенных выше известных устройств, является то, что рассеивание мощности в нем происходит на одном силовом транзисторном ключе, что повышает вероятность отказа его из-за перегрева, что особенно сказывается при малой частоте вращения ротора, так как при этом требуется повышенная величина силы тока в обмотке возбуждения генератора, которая уменьшается с увеличением частоты вращения ротора.

Задачей изобретения является повышение надежности устройства путем уменьшения рассеивания мощности на одном силовом транзисторном ключе за счет равномерного распределения ее на двух силовых транзисторных ключах, при этом учитывается особенность прототипа, а именно наряду со снижением потребления питания измерительным и промежуточным каскадами обеспечивается надежное самовозбуждение генераторного источника питания в режиме малого выходного напряжения и работы без аккумуляторной батареи и малом выходном напряжении.

Указанная задача решается тем, что в регулятор напряжения генераторного источника питания, содержащий первый и второй транзисторы, коллекторы которых соответственно подключены: первого транзистора через первый коллекторный резистор к выводу регулятора напряжения для подключения вывода первой полярности генераторного источника питания и второго - к первому выводу второго коллекторного резистора, а эмиттеры - к коллектору третьего транзистора, подключенного эмиттером через токозадающий резистор, а базой - через первый источник опорного напряжения, выполненный в виде нелинейного элемента, к выводу регулятора напряжения для подключения вывода второй полярности генераторного источника питания, второй источник опорного напряжения, выполненный в виде стабилитрона, включенный между базами первого и третьего транзисторов, делитель напряжения, крайние выводы которого подсоединены между выводами регулятора напряжения для подключения выводов первой и второй полярности генераторного источника питания, а средний вывод связан с базой второго транзистора, первый токоограничительный резистор, подключенный между выводом регулятора напряжения для подключения к выводу первой полярности генераторного источника питания и базой первого транзистора, первый силовой транзисторный ключ, один из силовых выводов которого связан с выводом регулятора напряжения для подключения вывода первой полярности генераторного источника питания, а другой - с выводом регулятора напряжения для подключения к обмотке возбуждения генераторного источника питания и с выводом регулятора напряжения для подключения вывода второй полярности генераторного источника питания через обратно включенный гасящий диод, четвертый транзистор, коллектор которого подключен к базе первого силового транзисторного ключа и к первому выводу третьего коллекторного резистора, эмиттером - к выводу регулятора напряжения для подключения вывода первой полярности генераторного источника питания, а базой - к коллектору второго транзистора через второй токоограничительный резистор, причем параллельно базо-эмиттерным переходам четвертого транзистора и силового транзисторного ключа подключены соответственно первый и второй шунтирующие резисторы, а между базами первого и второго транзисторов и параллельно управляющим входам этих транзисторов включены фильтрующие конденсаторы, согласно изобретению в него введены два переключающихся транзистора, коллекторы которых соответственно подключены: первого переключающего транзистора к второму выводу третьего коллекторного резистора и второго - к первому выводу четвертого коллекторного резистора, базы - к средним выводам соответствующих RC-цепочек, подключенных резисторными выводами к выводу регулятора напряжения для подключения вывода первой полярности генераторного источника питания и емкостными соответственно - к коллекторам других переключающихся транзисторов, а эмиттеры - к выводу регулятора напряжения для подключения вывода второй полярности генераторного источника питания, второй силовой транзисторный ключ, силовые выводы которого соединены с соответствующими силовыми выводами первого силового транзисторного ключа, пятый транзистор, коллектор которого подключен к базе второго силового транзисторного ключа и к второму выводу четвертого коллекторного резистора, эмиттером - к выводу регулятора напряжения для подключения вывода первой полярности генераторного источника питания, а базой - к второму выводу второго коллекторного резистора, причем параллельно базо-эмиттерным переходам пятого транзистора и второго силового транзисторного ключа подключены соответственно третий и четвертый шунтирующие резисторы.

На фиг. 1 представлена функциональная схема регулятора напряжения (РН) генераторного источника питания (ГИП); на фиг. 2 - временная диаграмма его работы.

ГИП включает в себя генератор переменного тока с обмоткой якоря 1, силовые выводы которой подключены к входу выпрямителя 2, выполненного двумя группами диодов 3, 4. К выходу выпрямителя 2 подключены аккумуляторная батарея 5, потребители напряжения 6 и выводы 7, 8 для подключения к выводам первой и второй полярностей ГИП.

РН ГИП содержит первый 9 и второй 10 транзисторы, коллекторы которых соответственно первого 9 через первый коллекторный резистор 11 соединен с выводом 7 для подключения вывода первой полярности ГИП и второго 10 - с первым выводом второго коллекторного резистора 12, а эмиттеры - через стабилизатор тока 13 с выводом 8 для подключения вывода второй полярности ГИП. База первого транзистора 9 подключена к первому выводу второго источника 14 опорного напряжения, выполненного в виде стабилитрона, и к первому выводу первого токоограничительного резистора 15.

РН ГИП включает также делитель напряжения на резисторах 16, 17, крайние выводы которого подключены между выводами 7, 8 РН для подключения к выводам ГИП, а средний связан с базой второго транзистора 10. Четвертый транзистор 18 подключен эмиттером к выводу 7 РН для подключения к выводу первой полярности ГИП, базой связан с коллектором второго транзистора 10 через второй токоограничительный резистор 19, а коллектором - с базой первого силового транзисторного ключа 20, силовые выводы которого предназначены для связи через обмотку возбуждения 21 ГИП с источником питания указанной обмотки возбуждения.

Первый источник опорного напряжения 22 выполнен в виде нелинейного элемента и подключен первым выводом к выводу 8 РН для подключения к выводу второй полярности ГИП, а вторым выводом - к второму выводу второго источника опорного напряжения 14 так, что полярности второго вывода второго источника опорного напряжения 14 и второго вывода первого источника опорного напряжения 22 противоположны по знаку.

Стабилизатор тока 13 выполнен в виде токозадающего резистора 23 и третьего транзистора 24, причем третий транзистор 24 подключен коллектором к эмиттерам транзисторов 9, 10, эмиттером через токозадающий резистор 23 - к выводу 8 РН для подключения второй полярности ГИП, а базой - к второму выводу второго источника 14 опорного напряжения.

Второй вывод первого токоограничительного резистора 15 подключен к выводу 7 РН для подключения к выводу первой полярности ГИП. Эмиттер четвертого транзистора 18 связан с эмиттером первого силового транзисторного ключа 20, база которого подключена к первому выводу третьего коллекторного резистора 25.

Между базами первого 9 и второго 10 транзисторов параллельно управляющим входам этих транзисторов включены фильтрующие конденсаторы 26, 27, 28. Параллельно базо-эмиттерным переходам четвертого транзистора 18 и первого силового транзисторного ключа 20 подключены шунтирующие резисторы 29, 30.

Одновременно в РН ГИП входят два переключающихся транзистора 31, 32, четвертый коллекторный резистор 33, две RC-цепочки 34, 35 и 36, 37, пятый транзистор 38, второй силовой транзисторный ключ 39 и шунтирующие резисторы 40 и 41.

Эмиттеры переключающихся транзисторов 31, 32 подключены к выводу 8 РН для подключения второй полярности ГИП, базы - к средним выводам соответственно первой 34, 35 и второй 36, 37 RC-цепочек, подключенных резисторными выводами к выводу 7 РН для подключения вывода первой полярности ГИП и емкостными соответственно - к коллекторам других переключающихся транзисторов 32, 31, а коллекторы соответственно - первого переключающего транзистора 31 к второму выводу третьего коллекторного резистора 25 и второго 32 - к первому выводу четвертого коллекторного резистора 33, второй вывод которого соединен с коллектором пятого транзистора 38 и с базой второго силового транзисторного ключа 39, силовые выводы которого соединены с соответствующими силовыми выводами первого силового транзисторного ключа 20. Эмиттер пятого транзистора 38 подключен к выводу 7 РН для подключения вывода первой полярности ГИП, а база - к второму выводу второго коллекторного резистора 12.

Параллельно базо-эмиттерным переходам пятого транзистора 38 и второго силового транзисторного ключа 39 подключены соответственно третий и четвертый шунтирующие резисторы 40, 41, а обмотка 21 возбуждения ГИП зашунтирована гасящим диодом 42.

Сумма напряжений установок первого и второго источников опорного напряжения должна составлять 0,4...0,7 от номинального напряжения ГИП, а уставка первого источника опорного напряжения должна быть равна 0,3...1,5 от уставки второго источника опорного напряжения.

ГИП с предложенным РН работает следующим образом.

При вращении генератора переменного тока на выходе его обмотки якоря 1 возникает переменное напряжение, преобразуемое в постоянное напряжение выпрямителем 2 и подаваемое на аккумуляторную батарею 5 и потребители 6.

Выходное напряжение ГИП поддерживается постоянным изменением величины тока возбуждения ГИП посредством РН ГИП.

В процессе работы РН ГИП дифференциальный усилитель, выполненный на первом 9 и втором 10 транзисторах, осуществляется сравнение напряжения уставки - напряжения первого и второго источников опорного напряжения 14, 22, подаваемого на базу первого транзистора 9, с сигналом, пропорциональным выходному напряжению ГИП, снимаемым с резистора 17 и подаваемым на базу второго транзистора 10.

В режиме нормальной работы РН ГИП при выходном напряжении ГИП, меньшем напряжения уставки РН, напряжение на эмиттер-базовом переходе второго транзистора 10 меньше, чем напряжение на эмиттер-базовом переходе первого транзистора 10. Первый транзистор 9 открыт, а второй транзистор 10 закрыт. Цепь управления четвертого 18 и пятого 38 транзисторов разомкнута и последние находятся в состоянии отсечки.

Мультивибратор, выполненный на двух переключающихся транзисторах 31, 32, коллекторы которых соответственно через коллекторные резисторы 25, 33 и шунтирующие резисторы 33, 30, параллельно соединенные с базо-эмиттерными переходами силовых транзисторных ключей 20, 39, подключены к выводу 7 РН для подключения вывода первой полярности ГИП, базы - к средним выводам первой 34, 35 и второй 36, 37 RC-цепочек, подключенных резисторными выводами к выводу 7 РН для подключения вывода первой полярности ГИП и емкостными соответственно - к коллекторам переключающихся транзисторов 32, 31, а эмиттеры - к выводу 8 РН для подключения вывода второй полярности ГИП, генерирует импульсные сигналы (фиг. 2,а,б), которые через коллекторные резисторы 25, 33 подаются на базы силовых транзисторных ключей 20 и 39 (фиг. 2,в,г) для управления их работой. В режиме нормальной работы РН ГИП, когда четвертый 18 и пятый 38 транзисторы находятся в состоянии отсечки (фиг. 2,д), импульсные сигналы включают поочередные силовые транзисторные ключи 20 и 39, поддерживая этим непрерывное протекание тока через обмотку возбуждения ГИП (фиг. 2, е). Непрерывности протекания тока способствует инерционность работы силовых транзисторных ключей 31, 32 в импульсном режиме, так как время выключения транзисторов в несколько раз превышает время включения. Это приводит к перекрытию импульсных выходных токов, что обеспечивает "мягкое" включение силовых транзисторных ключей 31, 32, т.е. открывание каждого из них происходит в моменты времени, когда предыдущий продолжает еще оставаться в открытом состоянии. Поэтому потерь по фронтам не происходит и дополнительного нагревания силовых транзисторных ключей 31, 32 не наблюдается. Таким образом, РН ГИП работает до момента времени t1 (фиг. 2,д), пока четвертый 18 и пятый 38 транзисторы закрыты. С ростом напряжения на выходе ГИП, когда это напряжение достигает напряжения уставки РН, соотношение напряжений на базо-эмиттерных переходах первого 9 и второго 10 транзисторов меняется на обратное. При этом первый транзистор 9 закрывается, а второй транзистор 10 открывается и возникший ток управления через резисторы 12, 19 поступает в базы четвертого 18 и пятого 38 транзисторов и открывает их, шунтируя этим управляющие переходы силовых транзисторных ключей 20 и 39, запирая последние в момент времени t1 (фиг. 2,е). Ток в цепи обмотки 21 возбуждения ГИП, замыкаясь через шунтирующий гасящий диод 42, уменьшается, что вызывает уменьшение выходного напряжения ГИП, которое в момент времени t2 (фиг. 2,д) становится меньше напряжение уставки РН и соотношение напряжений на базо-эмиттерных переходах первого 9 и второго 10 транзисторов меняется на обратное, т.е. первоначальное состояние. Процесс повторяется периодически, в результате чего выходное напряжение ГИП поддерживается на номинальном уровне. Использование двух поочередно работающих силовых транзисторных ключей 20 и 39 в определенных интервалах времени, которые задаются временными параметрами мультивибратора, выполненного на переключающихся транзисторах 31 и 32, позволяет равномерно поровну распределить рассеиваемую мощность на них и этим повысить надежность устройства.

Посредством первого источника опорного напряжения 22 на токозадающем резисторе 23 поддерживается постоянное напряжение, а следовательно, поддерживается постоянный ток через стабилизатор тока 13. Стабилизатор тока 13 обеспечивает быстрое изменение потенциала эмиттеров первого 9 и второго 10 транзисторов, что способствует ускорению перехода РН из одного состояния в другое. Таким образом, уменьшаются динамические потери в РН, уменьшается масса и габариты радиаторов, уменьшается перегрев РН, что обеспечивает высокую надежность его работы.

При работе регулятора в режиме начального возбуждения при отсутствии аккумуляторной батареи 5 и малом выходном напряжении ГИП тока базы третьего транзистора 23 отсутствует, так как напряжение ГИП недостаточно для протекания тока через второй источник опорного напряжения 14. В этом режиме третий транзистор 23 закрыт и дифференциальный усилитель не потребляет тока. Потребление РН в этом случае складывается из тока силовых транзисторных ключей 20, 39 и делителя напряжения на резисторах 16, 17. Ток потребления мал по величине, что облегчает начальное возбуждение ГИП при отсутствии аккумуляторной батареи.

Начальное самовозбуждение ГИП в указанном режиме обеспечивается протеканием тока от ГИП через выпрямитель 2, обмотку возбуждения 21 и открытые силовые транзисторные ключи 20 и 38 при минимальном напряжении ГИП, достаточном для открытия диодов выпрямителя 2. Открытие силовых транзисторных ключей 20 и 39 осуществляется базовыми токами, проходящими через открытые переключающие транзисторы 31, 32 и резисторы 25, 33. При выходном напряжении ГИП, равном порядка 0,6 В, мультивибратор, выполненный на переключающих транзисторах 31 и 32, начинает генерировать импульсные сигналы, которые поочередно включают силовые транзисторные ключи 20, 39 и этим поддерживают непрерывное протекание тока через обмотку возбуждения 21. Такое построение схемы РН позволяет наряду с снижением потребления питания измерительным и промежуточным каскадами обеспечить надежное самовозбуждение ГИП в режиме работы без аккумуляторной батареи.

Использование предлагаемого изобретения дает возможность создавать высоконадежные РН ГИП, которые легко реализуются в микроэлектронном исполнении.

Формула изобретения

Регулятор напряжения генераторного источника питания, содержащий первый и второй транзисторы, коллектор первого из которых через первый коллекторный резистор подключен к выводу для подключения выходного вывода первой полярности генераторного источника питания, а коллектор второго транзистора подключен к первому выводу второго коллекторного резистора, эмиттеры первого и второго транзисторов подключены к коллектору третьего транзистора, подключенного эмиттером через токозадающий резистор, а базой через первый источник опорного напряжения, выполненный в виде нелинейного элемента, к выводу для подключения выходного вывода второй полярности генераторного источника питания, кроме того, второй источник опорного напряжения, выполненный в виде стабилитрона, включенный между базами первого и третьего транзисторов, делитель напряжения, крайние выводы которого подключены между соответствующими выводами для подключения выходных выводов первой и второй полярностей генераторного источника питания, средний вывод делителя напряжения соединен с базой второго транзистора, первый токоограничительный резистор, подключенный между выводом для подключения выходного вывода первой полярности генераторного источника питания и базой первого транзистора, первый силовой транзисторный ключ, один из силовых выводов которого соединен с выводом для подключения выходного вывода первой полярности генераторного источника питания, а другой с выводом для подключения к обмотке возбуждения генераторного источника питания и выводом для подключения выходного вывода второй полярности генераторного источника питания через обратно включенный гасящий диод, четвертый транзистор, коллектор которого подключен к базе первого силового транзисторного ключа и первому выводу третьего коллекторного резистора, эмиттер четвертого транзистора подключен к выводу для подключения выходного вывода первой полярности генераторного источника питания, а база четвертого транзистора подключена к коллектору второго транзистора через второй токоограничительный резистор, причем параллельно базоэмиттерным переходам четвертого транзистора и силового транзисторного ключа подключены соответственно первый и второй шунтирующие резисторы, а между базами первого и второго транзисторов параллельно управляющим входам каждого из транзисторов включены соответственно первый, второй и третий фильтрующие конденсаторы, отличающийся тем, что введены два переключающихся транзистора, коллектор первого из которых подключен к второму выводу третьего коллекторного резистора, а коллектор второго к первому выводу четвертого коллекторного резистора, базы переключающихся транзисторов подключены к средним выводам соответствующих RC-цепочек, подключенных резисторными выводами к выводу для подключения выходного вывода первой полярности генераторного источника питания, емкостной вывод каждой из RC-цепочек соединен с коллектором переключающегося транзистора, база которого соединена со средним выводом другой RC-цепочки, эмиттеры переключающихся транзисторов соединены с выводом для подключения выходного вывода второй полярности генераторного источника питания, кроме того, второй силовой транзисторный ключ, силовые выводы которого соединены с соответствующими силовыми выводами первого силового транзисторного ключа, пятый транзистор, коллектор которого подключен к базе второго силового транзисторного ключа и второму выводу четвертого коллекторного резистора, эмиттер к выводу для подключения выходного вывода первой полярности генераторного источника питания, а база к второму выводу второго коллекторного резистора, причем параллельно базоэмитерным переходам пятого транзистора и второго силового транзисторного ключа подключены соответственно третий и четвертый шунтирующие резисторы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2