Импульсный регулятор напряжения

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к автомобильной технике. Технический результат заключается в стабилизации напряжения бортовой сети автомобиля. Для этого устройство содержит измерительное звено, источник опорного напряжения, схему сравнения, силовой транзистор, управляемый мультивибратор, элемент "И", диод, катушку индуктивности, конденсатор, частотный компаратор, датчик частоты искрообразования и импульсный понижающий стабилизатор напряжения. 2 ил.

 

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, в частности к автомобильной технике.

Известны регуляторы напряжения [1, 2, 3], содержащие измерительное звено, источник опорного напряжения, включенные между плюсовым и минусовым проводами регулятора, схему сравнения, входы которой подсоединены к выходам источника опорного напряжения и измерительного звена, силовой ключ, вход управления которого связан с выходом схемы сравнения, а силовые выводы ключа соединены последовательно с обмоткой возбуждения синхронного генератора и подключены между плюсовым и минусовым проводами регулятора.

Недостатками подобных регуляторов напряжения являются низкая точность поддержания напряжения синхронного генератора и отсутствие регулировки напряжения синхронного генератора при изменении температуры окружающей среды.

Наиболее близким к предлагаемому является импульсный регулятор напряжения [4], содержащий измерительное звено, источник опорного напряжения, подключенные между плюсовым и минусовым проводами регулятора, схему сравнения, входы которой подсоединены к выходам источника опорного напряжения и измерительного звена, силовой транзистор, эмиттер которого подключен к плюсовому проводу, управляемый мультивибратор, элемент И, выход которого соединен со входом управления мультивибратора, выход которого соединен с базой силового транзистора, диод, катушку индуктивности и конденсатор, причем коллектор силового транзистора подключен к аноду диода и катушке индуктивности, анод диода соединен с конденсатором и клеммой Ш синхронного генератора, вторые выводы катушки индуктивности и конденсатора подключены к минусовому проводу, частотный компаратор, датчик частоты искрообразования, причем его выход подключен к входу частотного компаратора, выход которого связан с первым входом схемы И, а выход схемы сравнения связан со вторым входом схемы И, диод на основе широкозонного полупроводника, диод на основе узкозонного полупроводника, два сопротивления, подстроечное сопротивление и усилитель постоянного тока, причем первое сопротивление подключено к аноду диода на основе широкозонного полупроводника и неинвертирующему входу усилителя постоянного тока, подстроечное сопротивление подключено к аноду диода на основе узкозонного полупроводника и инвертирующему входу усилителя постоянного тока, второй вывод подстроечного сопротивления соединен с третьим и с выводом второго сопротивления, вторые выводы первого и второго сопротивлений связаны с плюсовым проводом регулятора, а катоды диода на основе широкозонного полупроводника и диода на основе узкозонного полупроводника соединены с минусовым проводом регулятора напряжения, выход усилителя постоянного тока соединен с первым входом схемы сравнения.

Недостатком такого регулятора напряжения является изменение напряжения бортовой сети автомобиля с температурой окружающей среды, что приводит к снижению срока службы электротехнических и электронных элементов этой сети, работающих при изменяющемся напряжении.

Техническая задача направлена на стабилизацию напряжения бортовой сети автомобиля.

Технический результат достигается тем, что в импульсный регулятор, содержащий измерительное звено, источник опорного напряжения, подключенные между плюсовым и минусовым проводами регулятора, схему сравнения, входы которой подсоединены к выходам источника опорного напряжения и измерительного звена, силовой транзистор, эмиттер которого подключен к плюсовому проводу, управляемый мультивибратор, элемент И, выход которого соединен со входом управления мультивибратора, выход которого соединен с базой силового транзистора, диод, катушку индуктивности и конденсатор, причем коллектор силового транзистора подключен к аноду диода и катушке индуктивности, анод диода соединен с конденсатором и клеммой Ш синхронного генератора, вторые выводы катушки индуктивности и конденсатора подключены к минусовому проводу, частотный компаратор, датчик частоты искрообразования, причем его выход подключен к входу частотного компаратора, выход которого связан с первым входом схемы И, а выход схемы сравнения связан со вторым входом схемы И, диод на основе широкозонного полупроводника, диод на основе узкозонного полупроводника, два сопротивления, подстроечное сопротивление и усилитель постоянного тока, причем первое сопротивление подключено к аноду диода на основе широкозонного полупроводника и неинвертирующему входу усилителя постоянного тока, подстроечное сопротивление подключено к аноду диода на основе узкозонного полупроводника и инвертирующему входу усилителя постоянного тока, второй вывод подстроечного сопротивления соединен с третьим и с выводом второго сопротивления, вторые выводы первого и второго сопротивлений связаны с плюсовым проводом регулятора, а катоды диода на основе широкозонного полупроводника и диода на основе узкозонного полупроводника соединены с минусовым проводом регулятора напряжения, выход усилителя постоянного тока соединен с первым входом схемы сравнения, дополнительно введены второй диод на основе узкозонного полупроводника, третье сопротивление, второе подстроечное сопротивление, второй усилитель постоянного тока и импульсный понижающий стабилизатор напряжения, первый вход которого подключен к плюсовому проводу регулятора, а первый выход к плюсовому проводу бортовой сети автомобиля, второй вход импульсного понижающего стабилизатора напряжения связан с минусовым проводом регулятора и минусовым проводом бортовой сети автомобиля, анод диода на основе широкозонного полупроводника подключен к неинвертирующему входу второго усилителя постоянного тока, второе подстроенное сопротивление подключено к аноду диода на основе узкозонного полупроводника и инвертирующему входу второго усилителя постоянного тока, второй вывод второго подстроечного сопротивления соединен с третьим и с выводом третьего сопротивления, второй вывод третьего сопротивления связан с плюсовым проводом регулятора, а катод второго диода на основе узкозонного полупроводника соединен с минусовым проводом регулятора напряжения, выход усилителя постоянного тока соединен с входом опорного напряжения импульсного понижающего стабилизатора напряжения.

Отличительными признаками от прототипа является то, что в регулятор дополнительно введены второй диод на основе узкозонного полупроводника, третье сопротивление, второе подстроечное сопротивление, второй усилитель постоянного тока и импульсный понижающий стабилизатор напряжения, а также наличие новых связей между вновь введенными и ранее применявшимися узлами системы.

Сопоставительный анализ заявляемого импульсного регулятора напряжения с имеющимися техническими решениями показывает, что заявляемый регулятор обладает рядом существенных отличий: точной регулировкой напряжения на аккумуляторной батарее с учетом необходимой температурной зависимости для продления срока службы аккумуляторных батарей и облегчения условий пуска двигателей внутреннего сгорания и стабильным напряжением бортовой сети автомобиля.

На фиг.1 представлена электрическая функциональная схема предлагаемого устройства, а на фиг.2 - схема источника опорного напряжения.

Регулятор напряжения для синхронного генератора, содержащий измерительное звено 1, источник опорного напряжения 6, подключенные между плюсовым и минусовым проводами регулятора, схему сравнения 2, входы которой подсоединены к выходам источника опорного напряжения 6 и измерительного звена 1, силовой транзистор 8, эмиттер которого подключен к плюсовому проводу, управляемый мультивибратор 4, элемент И 3, выход которого соединен со входом управления мультивибратора 4, выход которого соединен с базой силового транзистора 8, диод 10, катушку 9 индуктивности и конденсатор 11, причем коллектор силового транзистора 8 подключен к катоду диода 10 и катушке 9 индуктивности, анод диода 9 соединен с конденсатором 11 и клеммой Ш синхронного генератора, вторые выводы катушки 9 индуктивности и конденсатора 11 подключены к минусовому проводу, частотный компаратор 7, датчик 5 частоты искрообразования, причем его выход подключен к входу частотного компаратора 7, выход которого связан с первым входом схемы И 3, а выход схемы 2 сравнения связан со вторым входом схемы И 3, диод 13 на основе широкозонного полупроводника, диод 20 на основе узкозонного полупроводника, два сопротивления 14 и 16, подстроечное сопротивление и усилитель 18 постоянного тока, причем первое сопротивление 14 подключено к аноду диода на основе широкозонного полупроводника и неинвертирующему входу усилителя 18 постоянного тока, подстроечное сопротивление подключено к аноду диода 20 на основе узкозонного полупроводника и инвертирующему входу усилителя 18 постоянного тока, второй вывод подстроечного сопротивления соединен с третьим и с выводом второго сопротивления 16, вторые выводы первого и второго сопротивлений 14 и 16 связаны с плюсовым проводом регулятора, а катоды диода 13 на основе широкозонного полупроводника и диода 20 на основе узкозонного полупроводника соединены с минусовым проводом регулятора напряжения, выход усилителя 18 постоянного тока соединен с первым входом схемы 2 сравнения, в регулятор дополнительно введены второй диод 19 на основе узкозонного полупроводника, третье сопротивление 15, второе подстроечное сопротивление 21, второй усилитель 17 постоянного тока и импульсный понижающий стабилизатор 12 напряжения, первый вход которого подключен к плюсовому проводу регулятора, а первый выход к плюсовому проводу бортовой сети автомобиля, второй вход импульсного понижающего стабилизатора напряжения связан с минусовым проводом регулятора и минусовым проводом бортовой сети автомобиля, анод диода 13 на основе широкозонного полупроводника подключен к неинвертирующему входу второго усилителя 17 постоянного тока, второе подстроечное сопротивление 21 подключено к аноду диода 19 на основе узкозонного полупроводника и инвертирующему входу второго усилителя 17 постоянного тока, второй вывод второго подстроечного сопротивления 21 соединен с третьим и с выводом третьего сопротивления 15, второй вывод третьего сопротивления 15 связан с плюсовым проводом регулятора, а катод второго диода 19 на основе узкозонного полупроводника соединен с минусовым проводом регулятора напряжения, выход усилителя 17 постоянного тока соединен с входом опорного напряжения импульсного понижающего стабилизатора 12 напряжения.

Устройство работает следующим образом.

Известно, что напряжение на прямосмещенных диодах может быть найдено из соотношения [5]:

где U₁₃ и U₂₀ - напряжения на прямосмещенных диодах на основе широкозонного и узкозонного полупроводников соответственно;

ΔE_g13, ΔE_g20 - ширина запрещенной зоны широкозонного и узкозонного полупроводников;

е - заряд электрона;

k - постоянная Больцмана;

A₁, А₂ - величины, практически не зависящие от температуры;

Т - температура, К;

S₁₃, S₂₀ - крутизна температурной зависимости р-п переходов на основе широкозонного и узкозонного полупроводников;

I_о13, I_о20 - токи прямосмещенных р-п переходов на основе широкозонного и узкозонного полупроводников.

Как следует из (1) и (2) разность напряжений между прямосмещенными диодами ΔU 13 и 20 определяется из уравнения:

Как следует из (3), меняя ток прямосмещенного р-п перехода подстроечным сопротивлением 16, можно регулировать крутизну температурной зависимости S₂₀ и соответственно возможно получить небольшой положительный температурный коэффициент напряжения для разностного напряжения ΔU.

Как следует из литературы [6], ЭДС заряженной аккумуляторной батареи обладает небольшим температурным коэффициентом напряжения. Для получения 100% заряженности аккумуляторной батареи во всем рабочем диапазоне температур необходимо выполнить два условия: первое - напряжение синхронного генератора должно соответствовать ЭДС полностью заряженной аккумуляторной батареи при некоторой температуре Т_о, и второе - должно наблюдаться равенство температурных коэффициентов напряжения синхронного генератора и ЭДС аккумуляторной батареи.

Разностное напряжение ΔU усиливается усилителем 18 постоянного тока до величины , где К_д - коэффициент деления измерительного звена 1, a E_б - ЭДС полностью заряженной аккумуляторной батареи при некоторой температуре Т_о, которое рассчитывается по формулам, приведенным в [6].

Такое построение схемы регулятора позволяет продлить срок службы аккумуляторных батарей и облегчить условия пуска двигателя внутреннего сгорания, однако при этом появляется заметная температурная зависимость напряжения бортовой сети автомобиля, что приводит к снижению срока службы электротехнических и электронных элементов этой сети, работающих при изменяющемся напряжении.

С целью устранения этой зависимости в устройство дополнительно введены импульсный стабилизатор напряжения 12, второе подстроечное сопротивление 15 и второй диод 19 на основе узкозонного полупроводника.

Как следует из соотношений (1-3) разностное напряжение между диодами 13 на основе широкозонного полупроводника и 19 на основе узкозонного полупроводника:

может быть получено термонезависимым с помощью регулировки тока через прямосмещенный диод 19 на основе узкозонного полупроводника с помощью второго подстроечного сопротивления 15. Это напряжение и используется в качестве опорного в импульсном стабилизаторе для получения термонезависимого напряжения бортовой сети.

В остальном работа устройства ничем не отличается от работы прототипа [4].

Источники информации

1. Данов Б.А., Рогачев В.Д.Электронные приборы автомобилей. - М.: Транспорт, 1996, с.7-13.

2. Патент РФ №2006176, МПК Н 02 Р 9/30, БИ №1, 1994 г.

3. Патент РФ №2136105, МПК Н 02 Р 9/30, БИ №24, 1999 г.

4. Патент РФ №2188497, МПК Н 02 Р 9/30, Н 02 J 7/14, БИ №24, 2002 г.

5. Шалимова К.В. Физика полупроводников. - М.: Энергия, 1976 г.

6. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. - М.: Транспорт, 1989, с.45-47.

Импульсный регулятор напряжения, содержащий измерительное звено, источник опорного напряжения, подключенные к плюсовому и минусовому проводам регулятора, схему сравнения, входы которой подсоединены к выходам источника опорного напряжения и измерительного звена, силовой транзистор, эмиттер которого подключен к плюсовому проводу, управляемый мультивибратор, элемент И, выход которого соединен со входом управления мультивибратора, выход которого соединен с базой силового транзистора, диод, катушку индуктивности и конденсатор, причем коллектор силового транзистора подключен к катоду диода и катушке индуктивности, анод диода соединен с конденсатором и клеммой Ш синхронного генератора, вторые выводы катушки индуктивности и конденсатора подключены к минусовому проводу, частотный компаратор, датчик частоты искрообразования, причем его выход подключен к входу частотного компаратора, выход которого связан с первым входом схемы И, а выход схемы сравнения связан со вторым входом схемы И, диод на основе широкозонного полупроводника, диод на основе узкозонного полупроводника, два сопротивления, подстроечное сопротивление и усилитель постоянного тока, причем первое сопротивление подключено к аноду диода на основе широкозонного полупроводника и неинвертирующему входу усилителя постоянного тока, подстроечное сопротивление подключено к аноду диода на основе узкозонного полупроводника и инвертирующему входу усилителя постоянного тока, второй вывод подстроечного сопротивления соединен с третьим и с выводом второго сопротивления, вторые выводы первого и второго сопротивлений связаны с плюсовым проводом регулятора, а катоды диода на основе широкозонного полупроводника и диода на основе узкозонного полупроводника соединены с минусовым проводом регулятора напряжения, выход усилителя постоянного тока соединен с первым входом схемы сравнения, отличающийся тем, что в источник опорного напряжения регулятора дополнительно введены второй диод на основе узкозонного полупроводника, третье сопротивление, второе подстроечное сопротивление, второй усилитель постоянного тока, а также импульсный понижающий стабилизатор напряжения, первый вход которого подключен к плюсовому проводу регулятора, а первый выход к плюсовому проводу бортовой сети автомобиля, второй вход импульсного понижающего стабилизатора напряжения связан с минусовым проводом регулятора и минусовым проводом бортовой сети автомобиля, анод диода на основе широкозонного полупроводника подключен к неинвертирующему входу второго усилителя постоянного тока, второе подстроечное сопротивление подключено к аноду второго диода на основе узкозонного полупроводника и инвертирующему входу второго усилителя постоянного тока, второй вывод второго подстроечного сопротивления соединен с третьим и с выводом третьего сопротивления, второй вывод третьего сопротивления связан с плюсовым проводом регулятора, а катод второго диода на основе узкозонного полупроводника соединен с минусовым проводом регулятора напряжения, выход второго усилителя постоянного тока соединен с входом опорного напряжения импульсного понижающего стабилизатора напряжения.