Регулятор напряжения для генератора переменного тока

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоцналнстическнхРеслублнк(22) Заявлено 15.04. 80 (21) 2910542/24.-07 с присоединением заявки МоН 02 Р 9/30 Н 02 3 7/14 Государственный комнтет СССР по делам нзобретеннй н открытийДата опубликования описания 150383Л.П.Домнин, Ю.Т.федоров, А.С,Гурин, Г.Б.Волобуев и И.И.Карпушин(54) РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ:ГЕНЕРАТОРА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Изобретение относится к электро.технике и может быть использованодля регулирования и стабилизации напряжения автомобильных и автотракторных генераторов с электромагнитнымвозбуждением,Известен регулятор напряжения длягенератора переменного тока, содержащий задающий элемент в виде стабили-трона, управляющий транзистор, регулирующий составной транзистор, цепочку обратной связи из последовательносоединенных резистора и конденсатора, причем между средней точкой цепочки обратной связи и. базой выходного составного транзистора включен .за-.щитный элемент в виде стабилитрона ( 11.Однако в этом регуляторе отсутствует защита от перенапряжений, чтоснижает его надежность. Такой регулятор .выполнен на дискретных элементах - низкоомных резисторах, большихемкостях, регулировочных резисторах,что препятствует его изготовлению винтегральном исполнении. Технологическая несовместимость элементовпрепятствует их взаимному согласованию, что снижает работоспособностьсхемы. Отсутствие элементов термокомпенсации в регуляторе приводит к ухуд ЗО шению точности регулирования его за счет низкой термостабильносты. Кроме того, этот регулятор обладает низким быстродействием.Известен также регулятор напряжения, содержащий входной и выходной трайзисторы, входной резистивный делитель, стабилитрон и цепь защиты выходного транзистора от короткого замыкания обмотки возбуждения, включенную между базой входного транзистора и одним из выводов обмотки возбуждения, Цепь защиты выполнена в виде последовательно соединенных резистора и гальваномагнитного элемента, который расположен в магнитном поле обмотки возбуждения генератора 2.Однако этот регулятор напряжения обладает сравнительно низкой точностью регулирования из-за недостаточной температурной стабилизации, так как в нем используются элементы с температурными коэффициентами, различными по величине и знаку (дискретные резисторы, стабилитрон, транзисторы). Разброс параметров транзисторов, резисторов и стабилитрона определяет первоначальное отклонение от номинального значения регулируемого напряжения, которое затем увеличива 1005261ра 13. 40 ется вследствие температурна-временного дрейфа параметров элементов.Быстродействие данного регулятора определяется в основном временем нарастания напряжения на стабилитроне и базе управляющего транзистора и5 временем их отпирания, которые в диа пазоне рабочих температур имеют значительные колебания, Это приводит не только к увеличению времени сраба- тывания регулятора напряжения, но и 10 к снижению точности регулированияКроме того, в процессе работы в базе, управляющего транзистора происходит значительное накопление заряда, рассасыванию которого препятствуют за пертые переходы стабилитрона, что приводит к неконтролируемому изменению времени и уровня срабатывания регулятора напряжения; т,е, к снижению ега быстродействия и точности регулирования. Наиболее близким к изобретению является регулятор напряжения, содержащий опорный стабилитрон, подключенный 25 одним из выводов к нулевой шине, а другим через ограничивающий. резисторк потенциальной шине, выходной транзистор подключенный эмиттером к ну 7.левой шине, а коллекторам - к аноду гасящего диода, включенного параллель. но обмотке возбуждения генератора переменного така, первый транзистор, база которого подключена к средней точке резисторного делителя, а кол-: лектор - к базе второго транзистора, соединенного коллектором с базой третьего транзистора, эмиттер которого подключен к нулевой шине, а коллектор - к базе выходного транзистоДайный регулятор напряжения обладает невыеокок точностью регулирования вследствие разброса параметров стабилитрона, транзисторов и резисторов, а отсутствие элементов термокомпенсации значительна ухудшает его точность в рабочем диапазоне температур и приводит к выходу за пределы норм необходимой точности регулирования напряжения. Использование усилителя напряжения с пассивными резисторными нагрузками обусловливает набег угла поворота фаз и при большой мощности на выходе приводит к потере устойчивости, а применение частотной коррекции с помощью емкостей приводит к. снижению быстродействия и ухудшению параметров регулирования напряжения генератора. Все это затрудняет реализацию устройства в интегральном 60 исполнении, процент возможного выхода годных регуляторов возбуждения недопустимо мал, а возможность их параметрических и катастрофических отказов весьма высока, 65 Целью изобретения является повышение точности регулирования и быстродействия регулятора напряжения.Поставленная цель достигается тем,что в устройство дополнительно введе.ны термостабилизированный источниктока, первый и второй термокомпенсирующие диоды и четвертый, пятый,шестой, седьмой и восьмой транзисто-.ры, при этом первый и шестой, четвертый и пятый транзисторы образуютплечи дифференциального каскада, база четвертого транзистора подключенак опорному стабилитрону, эмиттер соединен с эмиттером пятого транзисторас противоположным типом проводимости,база которого соединена с базой шестого транзистора того же типа проводимости и с выходом термостабилизированного источника тока., эмиттершестого транзистора подключен к эмиттеру первого, а каплектор - к базетретьего, коллектор пятого транзистора соединен с базой седьмого транзистора с противоположным типом проводимости и с анодом первого термокомпенсирующего диода, подключенного катодом к нулевой шине и к эмиттеру седьмого транзистора, соединенного коллектором с коллектором четвертоготранзистора и с базой восьмого транзистора с противоположным типом проводимости, подключенного.эмиттером кэмиттеру второго транзистора того жетипа проводимости, к потенциальнойшине и к аноду второго термокомпенсирующего диода, катодом подключенногок базе второго транзистора,Кроме того, термостабилизированныйисточник тока содержит два симметричных транзистора, эмиттеры которых соединены между собой, подключены к нулевой шине и к катоду первого термостабилизирующега диода, соединенногоанодом с их базами и с дополнительновведенным токозадающим резистором,коллектор одного иэ симметричныхтранзисторов подключен к Катоду другого термостабилизирующега диода, соединенного анодом через ограничивающий резистор с потенциальной шиной,и с базой транзистора с противоположным типом проводимости, эмиттер которого через резистор соединен .с потенциальной шиной, а коллектор подключен к коллектору другого симметричного транзистора и к базам пятого ишестого транзисторов дифференциального каскада. На чертеже приведена эквивалентная принципиальная электрическая схема регулятора напряжения,Регулятор напряжения содержит тран зисторы 1-8, делитель на резисторах 9 и 10; опорный стабилитрон 11, ограничивающий резистор 12, термостабилиэированный источник тока 13, термокомпенсирующие диоды 14 и 15, выход- ключен к коллектору транзистора 20 и ной транзистор 16., гасящий диод 17, к точке соединения базы транзистора обмотку возбуждения 18, Термостабили с базой транзистора 6 дифференци" эированный источник тока 13 содержит ального каскада.симметричные транзисторы 19 и 20, . Регулятор напряжения работает.слетермостабилизирующие диоды 21 и 22, 5 дующим образом.токозадающий резистор 23, ограничи- При возрастании напряжения на вывающий резистор 24, транзистор 25, ходе генератора выше номинального по- ограничивающий резистор 26. тенциал в средней точке реэисторногоБаза транзистора 1 исполнительно- делителя 9 и 10 возрастает и станого усилитеЛя подключена к средней 10 витая выше напряжения опорного стйбиточке делителя на резисторах 9 и 10., литрона 11, ток которого задается ога коллектор - к .базе транзистора 2, раничивающим резистором 12. В этом соединенного коллектором с базой случае наступает перекос плеч диффетранзистора 3, эмнттер которого под- ренциального каскада 1 и 6, 4 и 5 ключен к нулевой шине, База транзис-. 5 в результате чего ток в цепи транзис 4Ф Р тора 4 соединена с опорным стабили- торов 1 и .6 возрастает, а в транзистроном 11, подключенным одним из вы- торах 4 и 5 падает. сигнал перекоса водов к нулевой шине, а другим через усиливается затем в коллекторных це .ограничивающий резистор 12 - к потен- пях транзисторов 1, 6 и.2 и в фазе циальной,шине Эмиттер транзистора 4 2 О поступает на базу транзистора 3; В соединен с эмиттером транзистора 5 с этот момент ток в цепи коллекторов противоположным типом проводимости, транзисторов 4, 5 и 7 резко уменьша- база которого соединена с базой тран- ется и запирает транзистор 8, что :, зистора.6 того же типа проводимости приводит к снижению тока его коллеки с термостабилизированным источни торной цепи. Таким образом, базовый ком тока 13. ток транзистора 3 возрастает, а колЭмиттер транзистора 6 подключен лекторный и базовый токи транзистораэмнттеру транзистора 1 а коллек . Уменьшаются что вводит транзистор16тор - к базе транзистора 2, Транзис в Режим насыщення, коллекторное наторы 1 и 6,4 и 5 образуют два плеч ЗО пряжение тРанзистора 3 уменьшается, .фференциального каскада, Коллект . запирая ранр 16 в Резул транзистора 5 соединен с базой тран- чего ток чеРез обмотку возбуждения зистора 7 с противоположным типо 18 прекращается и напряжение на выхопроводимости и с анодом термокомпенде генератора падает. сирующего д ода 14 3- При напряжении на в оде генераподключенного ка тора ниже номинального включается транзистора 7 соединтодом к нулевой-шине и к эмиттерусоединенного коллектопротивоположное плечо дифференциаль-,ного каскада, т.е. транзисторы 4 и 5, ром с коллектором транзистора 4 и сбазой транзистора 8 с противоположнымчто приводит к резкому возрастанию типом проводимости подключе н тока через транзистор 8. При этомно 49 .отпирается выходной транзистор 16 и . эмиттером к эмиттеру транзистора 2ток через обмотку возбуждения 18 ге- того же типа проводимости, к потенциальной шине и к аноду термокомпенси-рующего диода 15, катодом подключен-Поскольку регулятор напряжения раного к базе транзистора 2. Выходной ботает. в режиме .компарирования, то транзистор 16 подключен эмиттером к . при достаточном усилении его входной нулевой;шине, коллектором - к аноду , сигнал не превышает или значительио гасящего диода 17, включенного па-меньше напряжения смещения между ба-раллельио обмотке возбуждения 18, а зами транзисторов 1 и 4, которое базой - к коллектору транзистора 3 и обычно для интегральной технологии коллектору транзистора 8, 5 О. находится в пределах 3-10 мВ. ТакимЭмиттеры симметричных транзисторов образом, при отпертом опорном стаби-.19 и 20 термостабилизированного ис- литроне 11 точность срабатывания ре точника тока 13 соединены между собой гулятора определяется соотношением подключены к нулевой шийе и к термо- величин резисторов 9 и 10 делителя, стабилизирующему диоду 21, соединен которое выдерживается в интегральной ному анодом с их базами и с токозада- технологии с точностью не хуже 1. ющим резистором 23; Коллектор тран- Такая точность значительно превышает зистора 19 подключен к катоду термо- точность срабатывания известных регустабилизирующего диода 22, соединен-, ляторов напряжения, определяемую веного анодом через ограничивающий ре личиной приращения напряжения при зистор 24 с потенциальной шиной, и запертом стабилитроне 11 и его состок базе транзистора 25 с противополож- янием пробоя, которое устанавливаетсяным типом проводимости, эмиттер ко- с определенным запасом, Применениеторого через резистор 26 соединен с термокомпенсации коллекторных токовпотенциальной шиной, а коллектор подтранзисторов 7 и 2 с помощью термо 7 1005261компенсирующих диодов 14 и.15 обеспечивает снижение влияния изменений рабочих температур на точность регулирования. Таким образом, температурнаястабильность коллекторных токов транзисторов 7 и 2 соответствует темпера. турной стабильности коллекторных токов транзисторов 1 и 5, 4 и б, которая, в свою очередь, определяетсястабильностью термостабилизированного источника тока 13. 10Регулятор напряжения обладает повышенной устойчивостью к помехам синфазного типа, что исключает воэможность ложных срабатываний под воздействием наводимых помех, возникающих . 15 в цепях зажигания и обмотки возбуждения генератора. Вследствие высокой помехоустойчивости по синфаэному сигналу точность регулирования напряже. ния не зависит от изменения пределов 2 О регулирования и от изменения напряжения опорного стабилитрона 11Так, при значитеЛьных величинах синфаэных напряжений на базах транзисторов 1 и 4- например, при изменении напряжения 25 опорного стабилитрона 11 указанные напряжения ослабляются как синфазные помехи в дифференциальном каскаде за счет применения термостабилизированного источника тока 13, работающего следующим образом.При подаче напряжения нд токозадающий резистор 23 задаваемый им уровень тока поступает на базы симметричных транзисторов 19 и 20, опреде ляя их коллекторные токи. При этом ток в цепи коллектора транзистора. 19 поступает в цепь термокомпенсации, вы:олненную на диоде 22 и резисторе 24,. и на базу транзистора 25. Ток 4 О в цепи коллектора 25 определяется :отношением ограничивающих резисторе:-: 24 и 26, В этом случае коллектор . ный ток транзистора 20 оказывается больше коллекторного тока транзистора 25. Разность этих токов определяет уровень тока, необходимого для функционирования транзисторов 5 и б дифференциального каскада. Вследствие изменений температуры окружающей среды в процессе эксплуатации изме О няются параметры транзисторов 19, 20, 25 и, соответственно, диода 21. Поскольку ток диода 21 значительно превосходит базовый ток симметричных транзисторов 19 и 20, то изменение 55 напряжения на его аноде при изменении температуры окружающей среды определяет напряжение на базах симметричных транзисторов 19 и 20, т.е. при повышении температуры напряжения на ано де диода 21 понижается и, соответственно, компенсирует увеличение крутизны симметричных транзисторов 19 и 20, коллекторные .токи которых остают ся постоянными. При понижении темпе ратуры термокомпенсация осуществляется аналогичным образом. Так же осуществляется термокомпенсация коллекторного тока транзистора 25. Необходимо учесть, что площадь перехода диода 21 должна превышать площадь эмиттерных переходов симметричных транзисторов 19 и 20.При этом температурные коэффициенты ограничивающих резисторов 24 и 26 должны быть согласованы, что достигается наилучшим образом в интегральном исполнении. Таким образом, в диапазоне рабочих температур соотношение коллекторных токов транзисторов 20 и 25 остается постоянным,. что определяет постоянство тока, поступающего на базы транзисторов 5 и б.дифференциального каскада. Встречное включение коллекторов транзисторов 20 и 25 с различным типом проводимости обусловливает сложение их выходных импедансов, что значительно (в 2-3 раза) повышает помехоустойчивость регулятора и способствует универсальности его использования приизменении пределов регулирования. Приэтом повышается экономичность регулятора напряжения.Оставшийся неподавленным синфазный сигнал с коллекторов транзисторов4, 7 и б и 2, поступающий на базытранзисторов 7 и 8, складывается наих коллекторах в противофазе и подавляется. КоэФфициент ожабления синфаэных сигналов в регуляторе напряжения составляет 80-100 дБ. При изменении пределов регулирования или изменения величины напряжения опорного стабилитрона 11 сигнал на базе тран- . зистора 16 остается неизменным, что способствует увеличению точности регулирования напряжения и улучшает его надежностные характеристики.Аналогичным образом, при условии симметрии плеч дифференциального каскада, осуществляется подавление сигнала на выходе транзистора 3 вследст вие температурного воздействия и,следовательно, на базе транзистора 16, что также способствует повышению точности регулирования напряжения.Схемное построение регулятора напряжения позволяет сохранить симметрию его плеч при асимметрии параметров транзисторов с противоположным типом проводимости, вследствие перемножения импедансов транзисторов с различным типом проводимости, что значительно улучшает технологичность при производстве регулятора в интегральном исполнении, а также улучшаат его помехоустойчивость и термостабильность.другим преимуществом регулятора напряжения является то, что тип проводимости базовых и коллекторных обФоржла изобретения ластей транзисторов с противоположной проводимостью в большинстве точексоединения одинаков. Это позволяетизготавливать регулятор на совмещеннйх транзисторных структурах в интегральном исполнении. При этом из-за.отсутствия резисторов значительно сокращается площадь кристалла и повыаается надежность регулятора вследствиеуменьшения числа дефектов на меньшейплощади и снижения температурных гра;диентов по кристаллу.Поскольку работа регулятора напряжения осуществляется в режиме компарирования, то в этом случае достигается его наибольшая устойчивость, и 15быстродействие определяется толькопараметрами транзисторов.Особенностью схемного построениярегулятора является как отсутствиепассивных элементов, так и использованне транзисторов как усилителейтока, т.е. коэффициент усиления понапряжению не превышает единицывследствие использования в качественагрузок прямосмещенных базо-эмиттер ных областей транзисторов. Таким об.; разом, условия для самовозбужденнярегулятора отсутствуют, что такжеопределяет отсутствие элементов частотной коррекции., снижающих общее З 0быстродействие регулятора в полосеусиливаеиах частот. При этом усиление по току на коллекторах транзисторов 3 и 8.составляет (10-40) 10 З,что определяет технологический запас при изготовлении регулятора винтегральном исполнении. Таким образом, рабочая частота регулятора находится в пределах 100-500 кГц с учетом глубокого насыщения транзистора16. Режим по току задается в регуля Оторе резистором 23, что позволяетрасширить диапазон его применения.При необходимости резистор 23 изго-.тавливается также в интегральном исполнении. 45Применение регулятора напряжения,выполненного по данному изобретению,обусловливает как значительное улучшение его электрических параметров,так и повниение его надежностных характеристик в условиях комплексноговоздействия различных эксплуатаци,онных факторов: температуры, влаж-.ности, радиации, механических нагрузок и т,д . 55Интегральное исполнение регулятора напряжения снижает егостоимостьи улучшает качественные, габаритно-весовые и другие показатели,60Выполнение регулятора напряжения, потехнологии монолитных интегральных ,схем позволяет решить важную народнохозяйственную задачу улучшения ка". чественных показателей и надежност-ных характеристик генераторов переменного тока для транспортных средств. 1. Регулятор напряжения для гене-. ратора переменного тока, содержащий . опорный стабилитрон, подключенный одним из выводов к нулевой шине, а другим через ограничивающий резистор - к потенциальной шине, выходной транзистор, подключенный эмиттером к нулевой шиве, а коллектором - к аноду гасящего дйода, включенного параллельно обмотке возбуждения генератора переменного тока, первый транзистор,база которого подключена к среднейточке резисторного делителя, а коллектор - к базе второго транзистора, со единенного коллектором с базой третьего транзистора, эмиттер которого подключен к нулевой шинев а коллектор - к базе выходного транзистора,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повнаения точности регулирования и быстродействия, в него дополнительно введены термэстабилизированный источник тока, первый и второйтермокомпенсирующйе диоды и четвертый,пятый, шестой, седьмой и восьмой тран-зисторы, при этом первый и шестой,четвертый и пятый транзисторы, образуютплечи дифференциального каскада, базачетвертого транзистораподключена к опорному стабилитрону, эмиттер соединен с эмиттером пятого транзистора спротивоположным типом проводимости,база которого соединена с базой шес того транзистора того же типа проводимости и выходом термостабилиэированного источника тока, эмиттер шесттого. транзистора подключен к эмиттеру первого, а коллектор - к базе третьего, коллектор пятого транзисторасоединен с базой седьмого транзистора с противоположным типом проводимости и с анодом первого термокомпенсирующего диода, подключенного катодом к нулевой шине и к эмиттеру седьмого транзистора, соединенного кол-,лектором с коллектором четвертоготранзистора.и с базой восьмого транзистора с противоположным типом проворжмости, подключенного эмиттером кэмиттеру второго транзистора того жвтипа проводимости, к потенциальной шине и к аноду второго термокомпенсирующего диода, катодом подключенного к базе второго транзистора.2. Регулятор напряжения по п,1, о т.л и ч а ю щ и й ся тем, что терьостабилизированный источник тока содержит два симметричных транзистора, эмиттеры которых соединены между собой, подключены к нулевой шине и к катоду первого термостабилизирую-1005261 12 Составитель А,ЛебедевЛ.Петрова Техред Т.Маточка. Корректор С,Шекмур еда Подписноенного комитета СССРений иоткрытий .35, Раушская наб., д.4/5/75 Тираж 68 ВНИИПИ Государств по делам изобре 113035, Москва, Жказ 19 г.ужгород, ул.Проектная лиал ППП "Пате щего диода., соединенного анодом с ихбазами и с дополнительно введеннымтокозадающим резистором, коллектородного иэ симметричных транзисторовподключен к катоду другого термостабилиэирующего диода, соединенногоанодом через ограничивающий резисторс потенциальной шинойи с базойтранзистора с противоположным типомпроводимости, змиттер которого черезрезистор соединен с потенциальной шиной, а коллектор подключен к коллек-,1 тору другого. симметричного транзистора и к базам пятого и шестого тран-зисторов дифференциального каскада. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 9 595840, кл. Н 02 Р 9/30, 1975. 2 . Авторское свидетельство СССР 9 652674, кл, Н 02 Р 9/30, 1976. 10 3, Патент СШЬ Р 4128799,кл. 322-28, 1978.