Регулятор напряжения для электромашинного генератора

ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскнкСфцналнстнческнхРеслублнк и 1005264)М К з с присоединением заявки М -Н 02 Р 9/30 Н,02 Н 9/04 Государственный комитет СССР йо делам изобретений и открытий(54 РЯЖЕ ЛЯТ Изобретение относится к электро= технике и может быть использовано в системах электропитания автомо- бильных и автотракторных транспортных средств.Известен бесконтактный регулятор напряжения для генераторов постоянного и переменного тока, содержащий измерительный элемент на стабилитроне и транзисторе и регулирующий элемент в виде силового транзистора, в цепь нагру ки которого включено сопротивление,пр чем. параллельно сопротивлению в цепи регулирующего элемента через регулировочное сопротивление включен туннельный диод,.параллельно которому включена цепь управления тиристора, - анод которого через ограничительное сопротивление соединен с базой транзистора измерительного устройства 111.В этом регуляторе напряжения обес печивается защита регулирующего элемента от токов коротких заьыканий; (КЗ) обмотки возбуждения, однако пос ле устранения КЗ регулятор остается заблокированным и для его повторноговключения требуется остановка генератора. Наличие регулировочных резисторов с величиной сопротивления до сотых долей ома н разброс электри ИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОИАШИННОАТОРА ческих параметров активных и пассивных элементов защиты определяют высокую критичность устройства .к изменениям условий эксплуатации и процесса сборки, что обусловливает малую функциональную надежность всегоустройства. Технологическая несовместимость применяемых элементов-транзисторов, туннельных диодов, тиристоров, резисторов с малыми номиналами - не позволяет реализовать известный регулятор напряжения по технологии монолитных интегральных схем.Известен также регулятор напряжения, содержащий входной транзистор,выходной транзистор, коллектор которого связан с выводом для подключения обмотки возбуждения генератора;20 узел защиты от короткого замыканияобмотки возбуждения, выполненныйв виде последовательной цепи из резистора и тиристора, включенный между выводом для подключения обмоткивозбуждения и базой входного транзистора, коллектор которого через дополнительный резистор подключен .к управлякхцбму электроду тиристора, причем последовательно с узлом защитыот короткого замыкания включен стабилитрон ,2.Известный регулятор напряженияпозволяет обеспечить автоматическоеповторное включение после устранениякороткого замыкания обмотки возбуждения, однако его недостатком является малая функциональная надежность,обусловленная критичностью параметровэлементов защиты к изменениям условийэксплуатации (температуре, времении т.д,), а также к отклонениям в про-цессе изготовления, предусматривающем подбор и,регулйровку элементов.технологическая несовместимость элементов известного регулятора напряжения также не позволяет реализоватьего в интегральном исполнении. 15Наиболее близким техническим решением к изобретению является регулятор напряжения для электромашинного генератора, содержащий измерительный орган напряжения, вход которого предназначен для подключения квыходу генератора, гасящий диод свыводами для включения параллельнообмотке возбуждения.,генератора, ограничительный и усилительный транзисторы .одного типа проводимости и выходной транзистор противоположноготипа проводимости, эмиттер которогоподключен к "минусовой" шине, коллектор - к аноду гасящего диода, абаза - к коллектору усилительноготранзистора, подключенного базой квыходу измерительного органа напряжения и к коллектору ограничительного транзистора, подключенного базой через шунтирующий резистор к 35плюсОвой" шине соединенной с эмиттерами усилительного и ограничительного тр ан з исторов 3 ,В рабочем режиме в известном регуляторе напряжения обеспечивается 40ограничение тока выходного транзистора на определенном заданном уровне.При наличии тока короткого замыканияв обмотке возбуждения генератора напряжение на коллекторе выходного 45транзистора повышается, что приводитк соответствующему повышению мощности рассеяния. Поскольку рабочий токвыходного транзистора в известномрегуляторе не превышает заданного ,50уровня, а повышение мощности рассеяния приводит к повышению температурывыходного транзистора, то это приводит к увеличению коллекторного напряжения и теплового сопротивления межлу кристаллом и окружающей средой и,как следствие, к резкому снижениюнадежности регулятора напряжения,Цель изобретения - повышение надежности регулятора напряжения. 60Поставленная цель достигается тем, что дополнительно введены первый и второй инверторы, логический блок ИЛИ, пороговый узел, источник опорного напряжения, интегрирующий блок, огра,ничительный резистор и блок задержки, при этом вход первого инвертора подключен к базе выходного транзистора, а выход - через блок задержки к первому входу логического блока ИЛИ, выход которой соединен с базой ограничительного транзистора через ограничительный резистор и с базой усилительного транзистора через интегрирующее блок, а второй вход - с выходом второго инвертора, подключенного входом к выходу порогового узла, первый вход которого соединен с коллектором выходного транзистора, а второй - с выходом источника опорного напряжения, включенного между "плюсовой" и "минусовой" шинами.На фиг.1 приведена структурная схема регулятора напряжения, его соединение с генератором; на фиг.2- временные потенциальные диаграммы работы элементов регулятора напряжения:Регулятор напряжения для электро- машинного генератора 1 с выпрямите-. лем содержит измерительный орган 2 напряжения, состоящий иэ исполнительного усилителя 3, один из входов которого соединен со средней точкой делителя напряжения на резисторах 4 и 5, включенного между "плюсовой" и "минусовой" шинами, а другой - с опорным стабилитроном 6, подключенным через резистор 7 к "плюсовой" шине. Между"плюсовой" и "минусовой" шинами включен стабилитрон 8 защиты от перенапряжений. Параллельно обмотке 9 возбуждения генератора включен гасящий диод 10. Регулятор напряжения содержит, кроме того, ограничительный транзистор 11 и усилительный транзистор 12 одного типа проводимости, а также выходной транзистор 13 противоположного типа проводимости, Эмиттер выходного тран,зистора 13 подключен к "минусовой" шине, коллектор - к аноду гасящего диода 10, а база - к коллектору усилительного транзистора 12, подключенного базой к выходу измерительного органа 2 напряжения, которым является выход исполнительного усилителя 3, и к коллектору ограничительного транзистора 11, подключенного базой через резистор 14 к "плюсовой" шине, к которой подсоединены эмиттеры усилительного 12 и ограничительного 11 транзисторовБаза выходного транзистора 13 соединена со входом первого инвертора 15, выход которого через блок 16 задержки подключен к первому входу логического блока 17 ИЛИ, выход которой соединен с базой ограничительного транзистора 11 через ограничительный резистор 18 и с базой усилительного транзистора 12 через интегрирующий блок 19,а торой вход - с выходом второговертора 20, подключенного входом к выходу порогового узла 21, первый вход которого соединен с коллектором выходного транзистора 13, а второй - с выходом источника 22 опорного на-пряжения, вклюненного между "плюсовойф и "минусовой" шинами.Регулятор напряжения работает следующим образом.В рабочем режиме Напряжение с вы- О хода генератора 1 питает бортовую сеть и регулятор напряжения, подключенный к выходу генератора 1 "плюсовой" и "минусовой" шинами, между которыми включен стабилитрон 8 защиты 15 от перенапряжений, При напряжении на выходе генератора 1 выше заданного порогового уровня напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход исполнительного усилителя 3 измерительного органа 2 напряжения со средней точки резисторного делителя 4 и 5, превышает напряжение на выходе цепочки, образованной опорным стабилитроном б и резистором 7 и соединен ной с инвертирующим входом исполнительного усилителя 3. В этом случае с выхода измерительного органа 2 напряжения на базу усилительного транзистора 12 подается высокий потенциал запирающий усилительный транзистор 12. При этом выходной транзистор, 13 заперт, на его базе определяется низкий потенциал (см. Фиг.2 а, "момент времени), а на коллекторе - высокий .потенциал (фиг.2 б, с ). В момент .времени с на .входе второго инвертора 20 имеется высокий потенциал (фиг,2 д, Со), на его выходе - низкий потенциал (Фиг,2 е, сд). Высокий потенциал имеется на выходе первого ин вертора 15 (Фиг;2 г, й), на выходе блока 16 задержки (Фиг.2 в, с) и на выходе логического блока 17 ИЛИ (фиг.2 ж, й). В этом состоянии происходит падение тока обмотки 9 воз буждения, а также падение напряжения бортовой сети, которое к моменту времени й становится ниже порога срабатывайия измерительного органа 2 напряжения. Потенциал на выходе ис р полнительного усилителя 3 понижается, усилительный транзистор 12 отпирается, потенциал его коллектора возрастает (фиг.2, с ).При напряжении на выходе генератора 1 ниже заданного порогового уровня напряжение на неинвертирующем входе исполнительного усилителя 3 оказывается ниже, чем на его инвертирующем входе, вследствие чего с вы хода измерительного органа 2 напряжейия на базу усилительного транзистора 12 поступает отпирающий потенци- аЛ. Это приводит к отпиранию выходного транзистора 13 (фиг.2 а, с ) и 65 определяет высокий потенциал на входе первого инвертора 15, что вызывает понижение потенциала на его выходе (фиг.2 г, с,). При этом заряд,накопленный на емкости блока 16 задержки, начинает медленно рассасываться, поддерживая высокий потенциал на первом входе логического блока 17 ИЛИ (фиг.2 в, с -с 2) и препятствуя изменению потенциала на ее выходе (фиг,2 ж,с,).Понижение потенциала на коллекторе выходного транзистора 13 (Фиг.2 б,с) с задержкой, определяемой величиной индуктивности обмотки 9 возбуждения, паразитными емкостями и барьерной емкостью запертого р-в перехода гасящего диода 10, вызывает понижение потенциала на входе второго инвертора 20 (Фиг.2 д, с ), что определяет повышение потенциала на втором входе логического блока 17 ИЛИ (Фиг.2 е, й). При этом потенциал на первом входе логического блока 17 ИЛИ все еще будет. оставаться выше порога ее срабатывания (фиг.2 в,с ) поскольку время заряда емкостиблока 16 задержки (фиг.2 в,с -йэ),представляющего собой, например, Т-.образный фильтр нижних частот, допорогового уровня срабатывания (ПС).второго входа логического блока 17ИЛИ (фиг.2 е,й ) больше времени нарастания тока в цепи обмотки 9 возбуждения при включении транзистора 13. Высокие уровни напряжений на обоих входах логического блока 17, ИЛИ 17 (фиг.2 в, е,г ), а затем понижение напряжения на ее .первом входе (фиг,2 в, й 9 ) не.изменяет высокий потенциал на выходе (фиг.2 ж, с). Вследствие резкого уменьшения тока через резисторы 14, 18 ограничительный транзистор 11 будет заперт и не окажет влияния на рабочие, режимы усилительного 12 и выходного 13 транзисторов.При повышении напряжения на выходе генератора 1 выше порога срабатывания измерительного органа 2 напряжение на базе выходного транзистора 13 падает (Фиг.2 а, .с, ) и вызывает повышение потенциала на его коллекторе (фиг,2 б, с ) с задержкой, определяемой величиной индуктивности обмотки возбуждения 9, ее паразитными емкостями и диффузионной емкостью гася- щего диода,10. Потенциал с коллектора транзистора 13 поступает на первый вход порогового узла 21, с выхода которого высокий потенциал поступает на вход второго инвертора 20 (Фиг.2 д, с), что вызывает понижение потенциала на его выходе (фиг.2 е, сб) и, соответственно, на втором входе логического блока 17 ИЛИ. Потенциал на выходе первого инвертора15 повышается (Фиг,2.в, с ), При этом происходит быстрый заряд емкости блока 1 б задержки, причем время заряда емкости до порогового уровня срабатывания первого входа логического блока 17 ИЛИ (Фиг.2 в, с 4 -й) не должно превышать время уменьшения тока в цепи обмотки 9 возбуждения при включении выходного транзистора 13. Таким образом, понижение потенциала на выходе второго инверто ра 20 (фиг.2 е, с) не изменяет потенциал на выходе логического блока 17 ИЛИ (фиг.2 ж, ), так как на первом входе присутствует высокий потенциал (Фиг.2 в, с ). На второй вход 15 порогового узла 21 с источника 22 опорного напряжения постоянно подается заданный потенциал, величина которого меньше потенциала на коллекторе выходного транзистора 13, нахо О дящегося в запертом состоянии. Когда транзистор 13 отперт, потенциал с источника 22 опорного напряжения значительно больше потЕнциала на коллекторе транзистора 13, что предотвращает .ложные срабатывания порогового узла 21, Таким образом, блок 16 задержки препятствует ложному срабаты-, ванию логического блока 17 ИЛИ и, соответственно, ложному. запуску ограни ,3 О чительного транзистора 11 при задержке изменения величины тока на коллекторе выходного транзистора 13.В аварийном режиме, при возникновении короткого замыкания, шунтирую- З 5 щего обмотку 9 возбуждения, потенциал коллектора выходного транзистора 13 повышается и становится близким к потенциалу фплюсовой" шины (Фиг.2 б,4 ОЭто приводит к повышению потенциала на входе первого инвертора 15 (Фиг.2 а, с ) вызывает понижение по тенциала на его выходе (Фиг.2 г, Ф ) и последующее понижение потенциала 45 на первом входе логического .блока 17 ИЛИ (Фиг.2 в, с 8 ). Повышение потенциала на коллекторе выходного транзистора 13 также вызывает повышение потенциала на входе порогового узла 21 и далее - на входе второго инвертора 20 (Фиг.2 д, й 6), что определяет понижение потенциала на втором входе логического блока 17 ИЛИ (фиг.2 е, с) . Низкие потенциалы на обоих входах логического блока 17 ИЛИ (фиг.2 в, е, й) определяют резкое понижение потенциала на выходе (фиг.2 ж, с) и соответствующее уве личение тока через шунтирующий резистор 14, что приводит к отпиранию 60 ограничительного транзистора 11, потенциал коллектора которого повышается. Это определяет повышение потенциала на базе .усилительного транзистора 12 и последующее его запира ние. При этом коллекторный ток транзистора 12 резко уменьшается, снижая базовый ток выходного транзистора 13, что определяет его эапирание (фиг.2 а, й 9), Время, в течение которого усилительный 12 и выходной 13 транзисторы находятся в запертом состоянии (Фиг,2 ж, 9-), увеличиваетая интегрирующим устройством 19, накопление заряда на емкости которого проис-ходит за период отпирания ограничительного транзистора 11, в течение которого потенциал на выходе логического блока 17 ИЛИ остается низким.Время заряда емкости интегрирующего блока 19 определяется еа величиной и значением сопротивлений переходов насыщенных транзисторов 11 и логического блока 17 ИЛИ.При запирании выходного транзистора 13 понижение потенциал на входе первого инвертора 15 (фиг,2 а, й) определяет. повышение потенциала на первом входе логического блока 17 ИЛИ (фиг.2 в, с 9), соответствующее уменьшение тока и повйение по- тенциала на выходе (фиг.2 ж, о). В этом случае емкость интегрирующего блока 19 начинает разряжаться через выходной каскад измерительного органа 2 напряжения, обратно смещенный ,переход "база-коллектор" усилительного транзистора 12.и резисторы 14 и 18. При этом ток разряда интегрирующего блока 19 через резистор 14 под,держивает ограничительный транзистор 11 в отпертом состоянии, что определяет увеличение тока через выходной каскад измерительного органа 2 напряжения за счет сложения тока разряда емкости интегрирующего блока 19 с коллекторным током транзистора 11, Это обусловливает повьыение потенциала на базе усилительного транзистора 12, препятствующее его отпиранию и, соответственно, отпиранию выходного транзистора 13. Включение интегрирующего блока 19 в цепь отрицательной обратной связи по напряжению транзистора 11 значительно увеличивает время разряда емкости интегрирующего блока 19, при котором происходит запирание ограничительного транзистора 11. При разряде емкости интегрирующего блока 19 происходит запирание транзистора 11, понижение потенциала на базе усилительного транзистора 12, что приводит к его отпиранию и последующему отпиранию выходного транзистора 13. При этом регулятор напряжения вновь приводится в рабочее состояние. Если короткое замыкание в цепи обмотки 9 возбуждения 9 не устранено и сохраняется аварийный режим (фиг.2 б, ,), то повторяется описанный процесс защиты выходного транзистора 13.Таким образом, в течение аварийного режима выходной транзистор 13 периодически отпирается и регулятор напряжения приводится в рабочее состояние, При этом время запирания транзистора 13, определяемое интегрирующим блоком 19, значительно превосходит время его отпирания, что препятствует перегреву транзисторов 12 и 13.Устранение короткого замыкания в 10 цепи обмотки возбуждения 9 определяет рабочий режим выходного транзистора 13, высокий потенциал на выходе логического блока 17 ИЛИ и запирание ограничительного транзистора 11. При 15 этом интегрирующий блок 19 не влияет на работу транзисторов 12. и 13 в рабочем режиме, поскольку перезаряд емкости интегрирующего блока 19 отсутствует. 20Выполнение регулятора по изобретению позволяет повысить надежность работы за счет предотвращения возможности резкого возрастания мощности, выделяемой на выходном транзис торе при коротком замыкании в цепи обмотки возбуждения генератора. Регулятор напряжения обладает высоким быстродействием и практически мгновенным возвратом в рабочее состояние при устранении аварийного режима. Устройство может быть успешно реали зовано как в дискретном исполнении, так и по технологии монолитных интегральных схем. В интегральном исполнении устройство имеет наибольшую функциональную надежность, а схемное построение позволяет реализовать его в различных технологических вариантах. В практическом исполнении размеры кристалла защиты не превыша ют 11 ммф; Термостабилиэация и некритичность к параметрам элементов позволяют обеспечить функциональную надежность ретулятора напряжения в экстремальных условиях при комплекс ном воздействии дестабилизируницих факторов окружающей среды резких перепадов температуры, давления, радиа-. ции и т,д., что позволяет расширить область применения регулятора и его универсальность. Себестоимость регу-лятора при массовом производстве в интегральном исполнении значительно снижается.Формула изобретенияРегулятор напряжения для электро- машинного генератора, содержащий измерительный орган напряжения, вход которого предназначен для подключения к выходу генератора, гасящий диод, с выводами для включения параллельно обмотке возбуждения генератора, ограничительный и усилительный транзисторы одного типа проводимости и выходной транзистор противоположного типа проводимости, змиттер которого подключен к "минусовойф шине, коллектор - к аноду гасящего диода, а база - к коллектору усилительного транзистора, подключенного базой к выходу измерительного органа напряжения и к коллектору ограничительного транзистора, подключенного базой через шунтирунюций резистор к "плюсовой"шине,. соединенной с змиттерами усилительного и ограничительного транзисторов, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения надежности,в него дополнительно введены первый и второй инверторы, логический блок ИЛИ, пороговый узел, источник опорного напряжения, интегрирующий. блок,ограничительный резистор и блок задержки, причем вход первого инвертора подключен к базе выходного транзистора, а выход через блок задерж- . ки - к первому входу логического блока ИЛИ, выход которого соединен с базой ограничительного транзистора через ограничительный резистор и с базой усилительного транзистора черезинтегрирующий блок, а второй вход - с выходом второго инвертора, подключенного входом к выходу пороговогоузла, первый вход которого соединен с коллектором выходного транзистора а второй . - с выходом источника опорного напряжения, включенного между "плюсовойп и фминусовой" шинами.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРР 318136, кл. Н .02 Р 9/30, 1967.2. Авторское свидетельство СССРР 628598, кл, Н. 02 Р 9/30, 1977.3. Авторское свидетельство СССР.шекмар А.Дол дакт 4 ППП "Патентф, г.ужгород, ул.Проек 1922/75 Тираж 685 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, РПодписноеомитета СССРоткрытийушская наб д.