Регулятор напряжения

СОЮЭ СОВНСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 2 20, 9/04 ПИС ПАТЕНТ И БРЕ ЕНИЯ нергоснабже напряжения ргоснабкенияение надежно- кения, а также ных возможноОСУДАРСТВЕ 1 НОЕ ПАТЕНТ ЗОЕЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР) 1(57) Использование: в электроснабкении, врегуляторах напряжения, используемых в Изобретение относится к нию,в частности к регулятора используемым в системах эне транспортных средств.Цель изобретения - повыш сти работы регулятора напря, расширение его функциональ На фиг. 1 показана с напряжения; на фиг, 2 - в ния регулятора напрякени ма включения регулятора систему энергоснабкения средства; на фиг, 4 - вари блока быстродействующей шего в состав регулятора фиг, 5 - другой вариант ис быстродействующей защи состав регулятора напряжеРегулятор напряжения рительный блок 1(см, фиг. хема регулятора ариант исполнея; на фиг. 3 - схенапряжения в транспортного ант исполнения защиты, входя- напряжения, на полнения блока ты, входящего В ния,содержит изме), управляющий транспортных средствах. Сущность: параллельно питающей сети подключена быстродействующая защита, выход которой, представляющий собой электрический сигнал или тепловую связь элементов защиты с теплопроводящей подложкой, воздействует на инерционную защиту, реагирующую на тепловой сигнал, которая размыкает обмотку возбуждения генератора, предохраняя от длительных перенапряжений как регулятор напряжения, так и другие устройства, имеющие связь с сетью питания, От импульсных перенапряжений защищает быстродействующая защита. 6 з,п. ф-лы, 5 ил. блок 2, блок 3 быстродействующей защиты, инерционный блок 4 защиты, клеммы 5 и 6 Б для подключения питающей сети, клеммы 7 и 8 для подключения обмотки возбуждения генератора. Измерительный блок 1 имеет входы 9 и 10 для подключения питающей сети и выход 11. Управляющий блок 2 имеетакаеЬ выводы 12 и 13 для подключения питающей сети, вход 14 и выход 15,16, (Блок 3 быстродействующей защиты фь имеет выводы 17 и 18 для подключения питающей сети, выход 19, Инерционный блок 4 защиты имеет силовые выводы 20 и 21, управляющий вход 22, дополнительный управляющий вход 23.Вход 9 измерительного блока 1, вывод 12 управляющего блока 2 и вывод 17 блока 3 подключены к клемме 5 регулятора напряжения, Вход 10 измерительного блока 1, вывод 13 управляющего блока 2 и вывод 18 блока 3 подключены к клемме 6 регулятора напряжения,Выход 11 измерительного блока 1 соединен с входом 14 управляющего блока 2, Выход 15 управляющего блока 2 подключен к клемме 7 регулятора напряжения. Выход 16 управляющего блока 2 подключен к силовому выводу 20 блока 4, силовой вывод 21 которого подключен к клемме 8 регулятора напряжения. Выход 19 блока 3 имеет тепловую или электрическую связь с управляющим входом 22 блока 4.Блок 4 может быть включен также между выходом 15 управляющего блока 2 и клеммой 7 регулятора напрякения, В этом варианте выход 15 управляющего блока 2 соединен с силовым выводом 20 блока 4, силовой вывод 21 которого подключается к клемме 7, а выход 16 управляющего блока 2 соединяется с клеммой 8 регулятора напряжения.Дополнительный управляющий вход 23 блока 4 может быть использован для подачи внешнего управляющего сигнала (внешнего воздействия) на блок 4,В варианте исполнения регулятора напряжения согласно фиг,2 он содержит блоки и узлы согласно фиг, 1, но отличается тем, что воэден двухполупериодный выпрямитель 24, который входными выводами 25 и 26 подключен к клеммам 5 и 6 регулятора соответственно, а выходными выводами 27 и 28 подключен к выводам 17 и 18 соответственно блока 3,На фиг.З показана схемюоключения регулятора напряжения в систему энергоснабжения транспортного средства. Схема содержит регулятор напрякения 29, выполненный согласно фиг,1 или фиг.2, генератор 30 напряжения, аккумуляторную батарею 31, ключ зажигания 32, предохранитель 33, резистор 34, сигнальную лампу 35,Генератор 30 имеет выходные клеммы 36 (питание обмотки возбуждения), 37 (плюс бортовой сети). 38,39 обмотка возбуждения), 40 (минус бортовой сети), Конденсатор 41 включен параллельно бортовой сети - между клеммами 5 и 6 регулятора 29.Клемма 36 генератора 30 соединена с клеммой 7 регулятора напряжения 29, клемма 37 генератора 30 соединена с клеммой 5 регулятора 29, клемма 38 генератора ЗО соединена с клеммой 7 регулятора 29, клемма 39 генератора 30 соединена с клеммой 8 регулятора 29 и с корпусом автомобиля.Аккумуляторная батарея 31 включена между клеммой 37 генератора 30 и корпусом - клеммой 40. Ключ зажигания 32 адним выводом подключен к клемме 37 генератора 30, а вторым через последовательно соединенные предохранитель 33 и резистор 34 подключен к клемме 36 генератора 30. Сигнальная ампа 35 подключена параллельнорезистору 34,Измерительный блок 1 и управляющийблок 2 могут быть выполнены по одной из5 стандартных схем, Блок 3 быстродействующей защиты может быть выполнен в простейшем варианте в виде варистора,сопротивление которого нелинейно зависитот приложенного напряжения. В этом вари 100 анте исполнения выводы варистора служатвыводами 17 и 18 блока 3.Другой вариант исполнения блока 3 быстродействующей защиты показан на фиг.4,В этом варианте блок 3 содержит источник"5 опорного напряжения 42, усилитель 43 рассогласования, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 44, управляемый эквивалентнагрузки 45, Шины питания блоков 42, 43,44 и 45 соединены и подключены к выводам20 17 и 18 соответственно блока 3. Выход источника 42 опорного напряжения соединенс входом усилителя 43, выход которогоподключен к входу АЦП 44, Выходы АЦП 44о 1 и(2, 2, 2 ) подключены к входам управляемого эквивалента нагрузки 45. Выход управляемого эквивалента нагрузки 45 служитвыходом 19 блока 3,Источник опорного напряжения,42 может быть выполнен по одной из стандарт 30 ных схем,Усилитель 43 рассогласования содержит операционный усилитель 46 (фиг,4) иделитель напряжения 47. Делитель напряжения 47 подключен к шинам 17 и 18, выход35 делителя напрякения 47 подключен к одному из входов операционного усилителя 46,второй вход которого служит оходом усилителя 43 рассогласования, а выход усилителя46 служит выходом усилителя 43,Управляемый эквивалент нагрузки 45может быть выполнен в виде цифроаналогового преобразователя, содержащеготранзисторные ключи 48 по числу разрядоввыходного кода АЦП (по числу выходов АЦП),в цепь коллектора которых включены резисторы нагрузки 49, Вторые выводы резисторов 49 подключены к шине питания 17,эмиттеры транзисторов 48 подключены к шине питания 18, Базовые цепи транзисторов 4850 служат входами управляемого эквивалентанагрузки 45,Коллектор транзистора 48 последнегои(2 ) разряда может служить электрическимвыходом 19 блока 3.55 Транзисторы 48 и резисторы 49 управляемого эквивалента нагрузки 45 могут бытьустановлены на теплопроводящей подложке 50. В этом варианте тепловой поток, образующийся вследствие нагрева элементов49, 48, передается в теплопроводящую подложку 50 и может быть использован в качество информационного гигнала для тепловой связи блока 3 с блоком 4.Для согласования цепей управлениятранзисторных ключей 48 с сигналами, поступающими на входы управляемого эквивалента нагрузки 45 с выходов АЦП 44,могут быть введены усилители 51, включенные между входом уп равляемого эквивалента нагрузки 45 и соответствующей базойтранзистора 48.Блок 3 быстродействующей защиты мокет быть выполнен также согласно фиг,5, Вэтом варианте исполнения блок 3 содержитпоследовательно включенные источникопорного напряжения 42, усилитель 43 рассогласования, широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 52, управляемый эквивалент. нагрузки 45,Цепи питания блоков 42, 43, 45, 52 обьединены и подключены к выводам 17 и 18соответственно блока 3,Управляемый эквивалент нагрузки 45выполнен в виде транзисторного ключа 48,в цепь коллектора которого ьключен резистор 49, база транзистора 48 служит входомуправляемого эквивалента нагрузки, а коллектор этого транзистора может быть использован в качестве электрическоговыхода блока 3,Транзистор 48 и резистор 49 могут бытьустановлены на теплопроводящей подложке 50, которая используется в качестве выхода 19 блока 3 для тепловой связи блока 3с инерционным блоком 4.Инерционный блок 4 защиты можетбыть выполнен в виде биметаллическогоконтакта, выводы которого служат силовыми выводами 20 и 21 блока 4, Конструктивнобиметаллический контакт устанавливаетсяна теплопроводящей подложке 50 блока 3(см. фиг.4 или 5), При этом обеспечиваетсятепловая связь между выходом блока 3 иуправляющим входом блока 4.Блок 4 может быть выполнен также ввиде позистора - терморезистора с полокительным температурным коэффициентом инел иней ной ха рактеристи кой "температура -сопротивление". Выводы позистора служатсиловыми выводами 20, 21 блока 4, Конструктивно позистор должен иметь тепловую связьс блоком 3.Блок 4 может быть выполнен также ввиде реле, выводы обмотки которого служатуправляющим входом блока 4 для электрической связи с выходом 19 блока 3, а выводыконтакта реле служат силовыми выводами20, 21 блока 4. В качестве реле может бытьиспользовано стандартное реле с задержкой на срабатывание,Регулятор напряжения работает следующим образом, При включении ключа зажигания 32 (см. фиг,1 и 3) напряжение отаккумуляторной батареи 31 поступает через5 ключ 32, предохранитель 33, резистор 34 наконтакт 7 регулятора напряжения.По обмотке возбуждения генератора 30,подключенной к клеммам 38, 39 генератораи к клеммам 7,8 регулятора напряжения 29,10 начинает протекать ток, что обеспечиваетвозбуждение генератора при его раскручивании двигателем транспортного средства,На выводах 36, 37 генератора 30 появляетсянапряжение (относительно вывода 40 "Об.15 щий"), которое поступает на клеммы 7 и 5регулятора напряжения 29,Измерительный блок 1 регулятора (см.фиг,1) сравнивает напрякение, поступающее с клемм 5 и 6 регулятора, с напряжени 20 ем внутреннего опорного источника ивырабатывает на выходе 11 управляющийсигнал, воздействующий на управляющийблок 2 (на вход 14). Управляющий блок 2изменяет ток в обмотке возбуждения гене 25 ратора, подключенной к клеммам 7,8 регулятора, таким образом, чтобы напряжениена клеммах 5,6 (и в бортовой сети транспортного средства) поддерживалось равнымномийальному значению. В этой части рабо 30 та регулятора не отличается от известныхранее. схем.При повышении напряжения на клеммах5,6 регулятора напряжения выше предельнодопустимого уровня (при номинал ьном напря 35 жении 13,5 В предельно допустимое значение равно 16 В), блок 3 ограничиваетнапряжение в бортовой сети на уровне предельно допустимого значения путем включения эквивалента нагрузки, входящего в40 состав блока 3,В том случае; если повышение напряжения в бортовой сети носит характер импульсных кратковременных бросков напряжения,блок 3 ограничивает эти броски и не оказыва 45 ет воздействия на инерционный блок 4 защиты.В том случае, если повышение напряжения в сети питания имеет длительный характер, связанный с отказом какого-либо50 элемента в системе энергоснабжения, блок3 быстродействующей защиты подключаетэквивалент нагрузки к питающей сети надлительное время, ограничивая тем самымнапряжение всети питания, Стечением вре 55 мени элементы, входящие в состав блока 3(варистор, транзисторы, резисторы) начинают нагреваться из-за протекания по нимтока, Вследствие наличия тепловой связивыхода 19 блока 3 с управляющим входом22 блока 4, происходит нагрев блока 4 (наводы 20,21 блока 4 размыкаются, ток вобмотке возбуждения генератора прерыва 10 темы энергоснабжения восстанавливается. При выполнении регулятора напряже 20 грев биметаллического контакта), Через некоторый промежуток времени силовые выется вследствие разрыва в цепи клеммы 8, к которой подключена обмотка возбуждения генератора, Тем самым защищается как сеть питания (вся аппаратура, подключенная к сети питания), так и элементы самого регулятора напряжения, После устранения неисправности биметаллический контакт,входящий в состав блока 4, остывает, силовые выводы 20, 21 замыкаются, работа сисния согласно фиг,2 он работает следующим образом, Так как входы 17 и 18 блока 3 подключены к сети питания - к клеммам 5 и б регулятора напряжения через двухполупериодный выпрямитель 24, то появление импульсных перенапряжений в сети питания положительной или отрицательной полярности вызывает срабатывание блока 3 и происходит ограничение импульсных перенапряжений любой полярности, В остальном работа регулятора не отличается отописанной выше,При выполнении блока 3 согласно фиг.4 регулятор напряжения работает следующим образом.При номинальном напряжении на входах 17, 18 блока 3 делитель напряжения 47 регулируют так, чтобы напряжение на выходе усилителя 46 было равно нулю. При этом на выходах АЦП 44 сигналы равны логическому "0", транзисторы 48 управляемого эквивалента нагрузки закрыты. При повышении напряжения в сети питания выше напряжения опорного источника 42, напряжение на выходе усилителя 43 рассогласования становиться пропорциональным разности напряжений опорного источника и текущего значения напряжения питающей сети. Этот разностный сигнал преобразуется АЦП 44 в цифровой код, который поступает на входы управляемого эквивалента нагрузки 45, В зависимости от значения кода включаются соответствующие транзисторы 48 управляемого эквивалента нагрузки, Эти транзисторы подключают к сети питания резисторы 49, нагружая тем самым сеть питания. Увеличение тока нагрузки генератора приводит к пропорциональному снижению напряжения в сети питания. Если при этом напряжение питания снизится до допустимого значения, то эквивалент нагрузки 45 автоматически отключается вследствие уменьшения разностного сигнала на выходе усилителя 43. Одновременно с этим происходит процесс 30 35 40 45 50 55 уменьшения тока возбуждения генератора блоками 1 и 2 регулятора напряжения (см, фиг,1).В том случае, если напряжение питающей сети по каким-либо причинам длительное время продолжает оставаться выше предельно допустимого значения (эквивалент нагрузки продолжает оставаться включенным), то резисторы 49 и транзисторы 48начинают разогреваться. Теплопроводящая подложка 50 также разогревается и на выходе 19 блока 3 появляется информативный сигнал в виде теплового потока, Вследствие наличия тепловой связи между выходом 19 блока 3 и управляющим входом 22 блока 4, разогревается биметаллический контактблока 4, который разрывает цепь 20, 21, разрывая тем самым цепь обмотки возбуждения генератора 30. Напряжение на выходе генератора 30 становиться равным нулю, а напряжение питания равно напряжениюаккумуляторной батареи 31.После охлаждения управляемого эквивалента нагрузки 45 за счет естественногорассеивания тепла от его элементов в окружающую среду, информативный сигнал навыходе 19 блока 3 исчезает, биметаллический контакт блока 4 замыкается, подключая обмотку возбуждения генератора 30. Далее процесс протекает как описано выше.При выполнении блока 3 согласно фиг.5 регулятор напряжения работает следующим образом. В случае превышения напряжением питающей сети предельнодопустимого значения на выходе усилителя 43 рассогласования появляется сигнал, пропорциональный разности напряжений сети питания и опорного источника 42. Этот разностный сигнал преобразуется ШИМ 52 в широтно-импульсный сигнал, длительностьимпульса которого пропорциональна упомянутой выше разности напряжений, Широтно-импульсный сигнал с выхода блока 52 поступает на вход управляемого эквивалента нагрузки 45, т,е, на базу транзистора 48, Транзистор 48 открывается на время длительности импульса и закрывается на время паузы широтно-импульсного сигнала, Чембольше разностный сигнал на выходе усилителя 43, тем больше среднее значение тока, протекающего через резистор 49 и транзистор 48, тем больше тепловая мощность, выделяемая резистором 49 и транзистором 48 в теплопроводящую подложку 50, которая служит выходом 19 блока 3, Если перенапряжение в сети питания носит кратковременный импульсный характер, то перегрев элементов 48, 49 незначителен и сигнал на выходе 19 отсутствует или весьма мал, Этот гигнал невызывает срабатывания блока 4. При этом сеть питания защищается блоком 3,Если ме перенапряжение в сети питания носит характер длительного процесса, то элементы 48, 49 разогреваются, на выходе 19 появляется сигнал, которой передается на управляющий вход 22 блока 4, Это приводит к срабатыванию блока 4, размыканию цепи 20, 21 обмотки возбуждения генератора,В варианте исполнения блока 4 в виде позистора появление на входе 22 блока 4 сигнала в виде теплового потока приводит к разогреву позистора, При достижении температурой позистора порогового значения сопротивление позистора резко увеличивается (на несколько порядков), то в цепи обмотки возбукдения генератора уменьшается, напряжение генератора падает,В варианте исполнения блока 4 в виде реле с задержкой на срабатывание появление на выходе 19 блока 3 электрического сигнала, имеющего характер длительного процесса, приводит к срабатыванию реле и размыканию цепи обмотки возбуждения генератора,Преимущество предложенного регулятора напряжения состоит в следующем, Напряжение в бортовой сети никогда не превышает предельно допустимого уровня, установленного при настройке регулятора. При наличии импульсных случайных перенапряжений они ограничиваются блоком быстродействующей защиты, а длительные перенапряжения, вызванные отказом любого устройства, входящего в состав системы энергоснабжения, приводят к срабатыванию инерционного блока защиты, Регулятор напрякения защищает не только узлы, входящие в его состав, но и все электрооборудование, подключенное к сети питания.Выполнение регулятора напряжения согласно фиг,1 и 4 (или фиг,5) обеспечивает поддержание напряжения в сети питания в пределах допустимого значения независимо от величины возмущающего воздействия,Вариант выполнения регулятора согласно фиг,2 обеспечивает защиту от выбросов напряжения любой полярности.Выполнение инерционного блока защиты в виде биметаллического контакта или позистора, имеющих тепловую связь с блоком быстродействующей защиты, исключает выход из строя элементов блока быстродействующей защиты, так как температура этих элементов является информативным параметром для срабатывания инерционного блока защиты,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Формула изобретения1. Регулятор напряжения, содержащийизмерительный блок, подключенный входом к шинам питания, управляющий блок,вход которого соединен с выходом измерительного блока, а выход - с клеммами, предназначенными для подключения обмоткивоэбукдения генератора, блок быстродействующей защиты, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения надежности работыи расширения функциональных возможностей, он снабжен инерционным блокомзащиты, включенным силовыми выводами между выходом управляющего блокаи одной из клемм, предназначенных дляподключения обмотки возбуждения генератора, блок быстродействующей защитыподключен входом к шинам питания, а еговыход имеет электрическую или тепловуюсвязь с управляющим входом инерционногоблока защиты.2, Регулятор по и 1, от лича ю щи йсятем, что он снабжен двухполупериоднымвыпрямителем, включенным между шинамипитания и входом блока быстродействующей защиты.3, Регулятор по пп, 1 и 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что блок быстродействующейзащиты выполнен в виде последовательновключенных источника опорного напряжения, усилителя рассогласования, аналогоцифрового преобразователя и управляемогоэквивалента нагрузки, цепи питания которыхобьединены и служат входом блока быстродействующей защиты, а выход управляемого эквивалента нагрузки служит выходомблока быстродействующей защиты,4. Регулятор по пп, 1 и 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что блок быстродействующейзащиты выполнен в виде последовательновключенных источника опорного напряжения, усилителя рассогласования, широтноимпульсного модулятора и управляемогоэквивалента нагрузки, цепи питания которыхобьединены и служат входом блока быстродействующей защиты, а выход управляемогоэквивалента нагрузки служит выходом блокабыстродействующей защиты.5. Регулятор по пп.1 и 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что инерционный блок защитывыполнен в виде биметаллического контакта, выводы которого служат силовыми выводами инерционного блока защиты, элементыбыстродействующего блока защиты установлены на теплопроводящей подложке,имеющей тепловой контакт с биметаллическим контактом и выполняющей функции тепловой связи выхода блока быстродействующей защиты с управляющим входоминерционного блока защиты.6. Регулятор по пп, 1 и 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что инерционный блок защиты выполнен в виде позистора, выводы которого служат силовыми выводами инерционного блока защиты, а элементы быстродействующего блока защиты расположены на тепло- проводящей подложке, имеющей тепловой контакт с позистором и выполняющей функции тепловой связи выхода блока быстродействующей защиты с управляющим входом инерционного блока защиты.7. Регулятор по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что инерционный блок защиты 5 выполнен в виде реле с задержкой на срабатывание, выводы обмотки реле служат управляющим входом инерционного бло:а защиты, выводы контактов реле служат силовыми выводами инерционного блока защиты.,Петров КНТ СССР Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 аказ 1468 ВНИИПИ Гос Составитель Ю, МальцТехред М.Моргентал Тираж Подписноественного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5