Электронный регулятор напряжения

 

Электронный регулятор напряжения относится к устройствам автоматики, а именно к электронным устройствам, которые могут найти широкое применение как в изделиях ракетно-космической техники, так и в народном хозяйстве. В электронном напряжении, содержащем параметрический стабилизатор напряжения из последовательно включенных стабилитрона и резистора, резистивный делитель, входной усилитель, выходной транзистор, к коллектору которого подключена обмотка возбуждения генератора, входной усилитель выполнен в виде оптоэлектронной транзисторной пары на светодиоде и транзисторе, при этом плюсовой вывод светодиода оптоэлектронной пары подключен к средней точке параметрического стабилизатора напряжения, а минусовой вывод подключен к средней точке резистивного делителя, база выходного транзистора подключена к эммитеру транзистора оптоэлектронной пары и через резистор - к минусу источника питания, коллектор выходного транзистора через резистор обратной связи подключен также к полюсовому выводу светодиода оптоэлектронной пары. Технический результат заключается в обеспечении высокой точности регулирования (1 + 2%) в диапазоне температур от 40 до -40^oC. 2 ил.

Предлагаемый электронный регулятор напряжения относится к устройствам автоматики, а именно к электронным устройствам, которые могут найти широкое применение как в изделиях ракетно-космической техники, так и в народном хозяйстве, например, в автотранспортных средствах, где требуется поддержание стабильного напряжения постоянного тока в сети.

Известно устройство [1] , в котором выходное напряжение генератора с самовозбуждением, используемого для зарядки батареи транспортного средства, регулируют посредством управления выходного транзистора, включенного последовательно с обмоткой возбуждения генератора. Напряжение батареи поступает на делитель и сравнивается с напряжением диода. Ток заряда ограничивает диод и вырабатывает напряжение, зависящее от тока. Это падение напряжения и компенсируется элементом с отрицательным температурным коэффициентом. Избыточный ток пробивает диод, включает транзистор входного усилителя и блокирует выходной транзистор.

Известны транзисторные регуляторы напряжения РР350 [2], состоящие из трех транзисторов, стабилитрона, запирающих диодов, гасящего диода, резистивных делителей, дросселя и восьми резисторов, задающих режим работы транзисторов.

Недостатками указанных устройств являются сложность схем, низкая точность и стабильность регулирования.

Известно устройство, выбранное в качестве прототипа [3], которое состоит из параметрического стабилизатора напряжения, выполненного на стабилитроне и последовательно включенном резисторе, резистивного делителя, выполненного на транзисторе входного усилителя, выходного транзистора, к коллектору которого подключена обмотка возбуждения генератора, управляемая выходным транзистором, который открыт напряжением смещения. Схема работает следующим образом. При увеличении напряжения питания увеличивается напряжение на резистивном делителе, в результате чего пробивается стабилитрон, после этого открывается транзистор входного усилителя. Напряжение на коллекторе транзистора входного усилителя падает и выходные транзисторы закрываются, обмотка возбуждения обесточивается. В результате обесточивания обмотки обороты генератора падают, а значит уменьшается напряжение питания. Уменьшение напряжения питания приводит к закрытию стабилитрона и выключению транзистора входного усилителя. После выключения транзистора входного усилителя включаются выходные транзисторы, обмотка генератора запитывается и т.д. Подача сигнала обратной связи на точку соединения резистивного делителя с опорным диодом, а не на базу транзистора входного усилителя улучшает стабильность схемы и уменьшает пульсацию напряжения обратной связи.

Недостатками устройства прототипа являются сложность схемы, большое количество применяемых электрорадиоизделий (ЭРИ) от 14 до 18 штук, низкая точность регулирования. Следует отметить, что в соответствии с техническими требованиями на стабилитроны типа КС147А, КС156А и др. минимальный ток стабилизации стабилитрона, при котором обеспечиваются необходимые параметры, равен 3-5 мА, а токи базы транзистора входного усилителя лежат в пределах сотых долей мА до 0,5 мА. Эти два требования являются противоречивыми и в конечном счете приводят к низкой точности и стабильности регулирования, особенно при воздействии диапазона рабочих температур.

Задачей изобретения является упрощение конструкции и повышение точности регулирования напряжения.

Поставленная задача достигается тем, что в электронном регуляторе напряжения, содержащем параметрический стабилизатор напряжения из последовательно включенных стабилитрона и резистора, резистивный делитель, входной усилитель, выходной транзистор, к коллектору которого подключена обмотка возбуждения генератора, в отличие от прототипа входной усилитель выполнен в виде оптоэлектронной транзисторной пары на светодиоде и транзисторе, при этом плюсовой вывод светодиода оптоэлектронной пары подключен к средней точке параметрического стабилизатора напряжения, а минусовой вывод подключен к средней точке резистивного делителя, база выходного транзистора подключена к эмиттеру транзистора оптоэлектронной пары и через резистор к минусу источника питания, коллектор выходного транзистора через резистор обратной связи подключен также к плюсовому выводу светодиода оптоэлектронной пары.

Сущность предлагаемого устройства поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где на фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - график зависимости U_пр f(t^oC) для предлагаемого регулятора и график зависимости U_с - f(t^oC) для серийно выпускаемого регулятора Я-112.

На фиг. 1 приведены: 1 - параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне VD1 и резисторе R1: 2 - резистивный делитель на резисторах R2 и R3: 3 - входной усилитель, выполненный в виде оптоэлектронной пары VT1: 4 - выходной транзистор VT2: 5 - обмотка возбуждения генератора "OB": 6-8 - резисторы R4-R6: 9 - резистор обратной связи R7: 10 - диод VD2.

Схема, представленная на фиг. 1, работает следующим образом.

В исходном состоянии транзистор VTI входного усилителя 3 и выходной транзистор VT2 открыты, обмотка возбуждения 5 находится под током. При увеличении оборотов генератора, напряжение питания увеличится, следовательно напряжение на стабилитроне VD1 стабилизатора 1 не изменится, в средней точке делителя 2 возрастет, тогда диод и транзистор оптопары 3 - VTI закроются, а значит закроется выходной транзистор 4 - VT2 и обмотка возбуждения 5 обесточится. В результате обороты генератора упадут, напряжение питания уменьшится, а значит напряжение в средней точке делителя 2 тоже уменьшится. После чего диод оптопары 3 - VT1 откроется, далее откроются транзистор VT1 входного усилителя 3 и выходной транзистор 4 - VT2, обмотка возбуждения 5 будет находится под током, т. е. будут увеличиваться обороты генератора. Далее процесс повторится и схема будет находиться в режиме переключения. 6-8 - резисторы R4-R6 задают режим работы транзисторов, 10 - диод VD2 шунтирует обмотку возбуждения.

Необходимо отметить, что для уменьшения времени переключения транзисторов VT1, VT2 из закрытого состояния в открытое введена положительная обратная связь по току с помощью резистора R7, соединяющего коллектор выходного транзистора 4 - VT2 и плюсовой вывод диода оптопары 3 - VT1. При анализе предлагаемой схемы необходимо отметить, что количество пассивных ЭРИ равно 9-ти и количество активных ЭРИ равно 2-м, что существенно меньше, чем в известных аналогичных устройствах. Простота схемы определяет ее высокую надежность, а также высокую технологичность и простоту конструкции.

Основное преимущество предлагаемой схемы состоит в том, что режим работы стабилитрона, как порогового устройства, не зависит от режима работы входного усилителя, а задается одним резистором R1, при этом заранее обеспечивается условие:
где U_пит - напряжение питания;
U_ст - напряжение стабилизации стабилитрона;
I_ст.мин - минимально допустимый ток через стабилитрон.

В отличие от предлагаемой схемы в аналогичных устройствах это условие не обеспечивается, что приводит к низкой точности и нестабильности работы регулятора напряжения.

Исходя из простоты схемы и малого количества применяемых ЭРИ можно ожидать снижения расходов на одно изделие в пределах 1000-2000 руб. Учитывая количество выпускаемых регуляторов напряжения порядка 100000 в год, годовой экономический эффект от использования предлагаемого решения составит 100-200 млн.руб.

На фиг. 2 приведены график зависимости U_пр = f(t^oC) для предлагаемого регулятора и график зависимости U_с = f(t^oC) для серийно выпускаемого регулятора Я-112. Анализ указанных графиков 1 и 2 показывает, что напряжение сети в предлагаемом регуляторе напряжения при минусовых температурах превышает напряжение сети при 20^oC на величину +ΔU, что необходимо для увеличения напряжения в сети.

Литература
1. Заявка Великобритании N 1573426, МПК H 02 P 9/30, 1981 г.

2. Н. М. Ильин и др. "Электрооборудование автомобилей". М.: Транспорт, 1982 г., с. 65.

3. Заявка Великобритании N 1602977, МПК H 02 P 9/30, 1981 г. - прототип.

Формула изобретения

Электронный регулятор напряжения, содержащий параметрический стабилизатор напряжения из последовательно включенных стабилитрона и резистора, резистивный делитель, входной усилитель, выходной транзистор, к коллектору которого подключена обмотка возбуждения генератора, отличающийся тем, что в нем входной усилитель выполнен в виде оптоэлектронной транзисторной пары на светодиоде и транзисторе, при этом плюсовой вывод светодиода оптоэлектронной пары подключен к средней точке параметрического стабилизатора напряжения, а минусовой вывод подключен к средней точке резистивного делителя, база выходного транзистора подключена к эмиттеру транзистора оптоэлектронной пары и через резистор - к минусу источника питания, коллектор выходного транзистора через резистор обратной связи подключен также к плюсовому выводу светодиода оптоэлектронной пары.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2