Регулятор напряжения для генератора переменного тока

Регулятор напряжения для генератора переменного тока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Соцналнстическнх -Реслублик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (б1) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 15.04.80 (21) 2910542/24-07 (И) М.КН. с присоединением заявки ) 4оН 02 Р 9/30

H 02 J 7/14

Государственный комнтет

СССР по делам нзобретеннй н открытий (23) Приоритет -,.

Опубликовано 1503.83, Бюллетень Йо 10 (33) УДК 621 ° 31б.

° 722 (088. &) Дата опубликования описания 15,03,83

Л.П.Домнин, Ю.T. федоров, A.Ñ. Гурин, Г. Б. Волобуев и М.И.Карпушин (72) Авторы изобретения (71) Заявитель .

° 5.(54) РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ:ГЕНЕРАТОРА

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Изобретение относится к электро.технике и может быть использовано для регулирования и стабилизации напряжения автомобильных и автотракторных генераторов с электромагнитным возбуждением.

Известен регулятор напряжения для генератора переменного тока, содержащий задающий элемент s виде стабили- ® трона, управляющий транзистор, регулирующий составной транзистор, цепочку обратной связи из последовательно соединенных резистора и конденсатора, причем между средней точкой цепочки обратной связи и. базой выходного составного транзистора включен аа-. щитный элемент ввиде стабилитрона (1).

Однако в этом регуляторе отсутствует защита от перенапряжений, что снижает его надежность. Такой регулятор:выполнен на дискретных элементах - низкоомных резисторах, больших емкостях, регулировочных резисторах, . что препятствует его изготовлению в интегральном исполнении. Технологическая несовместимость элементов препятствует их взаимному согласованию, что снижает работоспособность схемы. Отсутствие элементов термокомпенсации в регуляторе приводит к ухуд-З0 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 p2).

Однако этот регулятор напряжения обладает сравнительно низкой точнос-. тью 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 увеличива1 00526 1 ра g3) .

40 ется вследствие температурна-временного дрейфа параметров элементов.

Быстродействие данного регулятора определяется в основном временем нарастания напряжения на стабилитроне и базе управляющего транзистора и

5 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 0 к снижению точности регулирования °

Кроме того, в процессе работы в базе . управляющего транзистора происходит значительное накопление заряда, рас сасыванию которого препятствуют эа- .15 пертые переходы стабилитрона, что приводит к неконтролируемому изменению времени и уровня срабатывания регулятора напряжения; т.е. к снижению

его быстродействия и точности регули->0 рования.

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 нуI . левой шине, а коллекторам — к аноду гасяще го диода, включенного параллельно 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 s устройство дополнительно введены термостабилизированный источник тока, первый и второй термокомпенсирующие диоды и четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой транзисто-. ры, при этом первый и шестой, четвертый и пятый транзисторы образуют плечи дифференциального каскада, база четвертого транзистора подключена к опорному стабилитрону, эмиттер соединен с эмиттером пятого транзистора с противоположным типом проводимости, база которого соединена с базой шестого транзистора того же. типа проводимости и с выходом термостабилизированного источника тока:, эмиттер шестого транзистора подключен к эмиттеру первого, а каплектор — к базе третьего, 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 четвертого транзистора и с базой восьмого транзистора с противоположным типом проводимости, подключенного.эмиттером к эмиттеру второго транзистора того же типа проводимости, к потенциальной шине и к аноду второго термокомпенсирующего диода, катодом подключенного к базе второго транзистора.

Кроме того, термостабилизированный источник тока содержит два симметричных транзистора, эмиттеры которых со единены между собой, подключены к нулевой шине и к катоду первого термостабилизирующега диода, соединенного анодом с их базами и с дополнительно введенным токозадающим резистором, ! коллектор одного иэ симметричных транзисторов 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 и шестого транзисторов дифференциально го 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, термо1005261 компенсирующие 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. Тебмостабили- 5 с базой транзистора 6 дифференциэированный 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 поограничивающий резистор 26. тенциал в средней точке реэисторного

База транзистора 1 исполнительно- делителя 9 и 10 возрастает и станого усилитеЛя подключена к средней 10 витая выше напряжения опорного стабиточке делителя на резисторах 9 и 10., литрона 11, ток которого задается orа 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 транзис4

I 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 20 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- 25 торной цепи. Таким образом, базовый ком тока 13. ток транзистора 3 возрастает, а колЭ „ттер транзистора б подк „чен лекторн и и базовый токи транзистора

t к эмиттеру транзистора 1 а коллек- УменьшаютсЯ что вводит тРанзистоР.

16 тор — к базе транзистора 2. Транзисторы 1 и 6,4 и 5 образуют два плеча 30 Р „Ра зистоРа 3 УменьшаетсЯ дифференци ьного каска. Ко ектор запиРаЯ тРанзистоР 16, в Результате транзистора 5 сое нен с базой тран- чего ток через обмотку возбуждения зистора 7 с противоположным типом проводимости и с анодом термокомпен. де генератора падает. ю его о а 14 3 ПРи напРЯже ии а в де енеРаподключенного ка-35 тора ниже номинального включается транзистора 7 соедин тодом к нулевой-шине и к эмиттеру соединенного коллектопротивоположное плечо дифференциаль-, ного каскада, т.е. транзисторы 4 и 5, ром с коллектором транзистора 4 и с . .базой транзистора 8 с противоположным что приводит к резкому возрастанию типом проводимости подключе н тока через транзистор 8. При этом к н о 40 ..отпирается выходной транзистор 16 и . эмиттером к эмиттеру транзистора 2 ток 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 4 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, вклюненного 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. 50. находится в пределах 3-10 мВ. Таким

Эмиттеры симметричных транзисторов образом, при отпертом опорном стаби-.

19 и 20 термостабилизированного ис- - литроне 11 точность срабатывания реточника 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- 55 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- 60 личиной приращения напряжения при зистор 24 с потенциальной шиной, и запертом стабилитроне 11 и его состок базе транзистора 25 с противополож- янием пробоя, которое устанавливается ным типом проводимости, эмиттер ко- с определенным запасом. Применение торого через резистор 26 соединен с термокомпенсации коллекторных токов потенциальной шиной, а коллектор под-65 транзисторов 7 и 2 с помощью термо7

1005261 компенсирующих диодов 14 и.15 обеспечивает снижение влияния изменений рабочих температур на точность регулиpoBBHHR Таким образом, температурная стабильность коллекторных токов транзисторов 7 и 2 соответствует температурной стабильности коллекторных токов транзисторов 1 и 5, 4 и б, которая, в свою очередь, определяется стабильностью термостабилизированного источника тока 13. 10

Регулятор напряжения обладает повышенной устойчивостью к помехам синфазного типа, что исключает воэможность ложных срабатываний под воздей-. ст вием наводимых помех, воз никающих . 15 в цепях з ажи гания и обмотки воз буждения генератора. Вследствие высокой помехоустойчивости по синфаэному сигналу точность регулирования напряже. ния не зависит от изменения пределов 2О регулирования и от изменения напряжения опорного стабилитрона 11 ° Так, при значитеЛьных величинах синфаэных напряжений на базах транзисторов 1 и

4 например, при изменении напряжения25 опорного стабилитрона 11 указ анные напряжения ослабляются как синфазные помехи в дифференциальном каскаде за счет применения термостабилизированного источника тока 13, работающего следующим образом.

При подаче напряжения н токозадающий резистор 23 задаваемый им уровень тока поступает на базы симметричных транзисторов 19 и 20, опреде- З5 ляE их коллекторные токи. При этом

ra;... в цепи коллектора транзистора. 19 псступает в цепь термокомпенсации, вы::олненную на диоде 22 и резисторе

24,. и на базу транзистора 25. Ток 4О в цепи коллектора 25 определяется

=о....тношением ограничивающих резисторов 24 и 26. В этом случае коллектор . ный ток транзистора 20 оказывается больше коллекторного тока транэисто- 45 ра 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- 5О 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- 60 де диода 21 понижается и, соответственно, компенсирует увеличение крутизны симметричных транзисторов 19 и

20, коллекторные .токи которых остают ся постоянными. При понижении температуры 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, r оступающего 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 при изменении пределов регулирования. При этом повышается экономичность регулятора напряжения.

Оставшийся неподавленным синфазный сигнал с коллекторов транзисторов

4, 7 и б и 2, поступающий на базы транзисторов 7 и 8, складывается на их коллекторах в противофазе и подавляется. Коэффициент ослабления 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 улучшает его помехоустойчивость и термостабильность.

Другим преимуществом регулятора напряжения является то, что тип проводимости базовых и коллекторных об1005261

Форжла изобретения ластей транзисторов с противополож ной проводимостью в большинстве точек: соединения одинаков. Это позволяет изготавливать регулятор на совмещеннйх транзисторных структурах в интегральном исполнении. При этом из-за .отсутствия резисторов значительно сокращается площадь кристалла и повыаается надежность регулятора вследствие уменьшения числа дефектов на меньшей площади и снижения температурных гра- >О

;диентов по кристаллу.

Поскольку работа регулятора напряжения осуществляется в режиме компарирования, то в этом случае достигается его наибольшая устойчивость, и 15 быстродействие определяется только параметрами транзисторов.

Особенностью схемного построения регулятора является как отсутствие пассивных элементов, так и использо- 2{) ванне транзисторов как усилителей тока, т.е. коэффициент усиления по напряжению не превышает единицы вследствие использования в качестве нагрузок прямосмещенных-базо-эмиттер-25 ных областей транзисторов. Таким об.; разом, условия для-самовозбуждення регулятора отсутствуют, что также определяет отсутствие элементов частотной коррекции., снижающих общее gg быстродействие регулятора в полосе усиливаеьках частот. При этом усиление rio току на коллекторах транзисторов 3 и 8.составляет (10-40) 10, что определяет технологический запас при изготовлении регулятора в интегральном исполнении. Таким образом, рабочая частота регулятора находится в пределах 100-500 кГц с учетом глубокого насыщения транзистора

16. Режим по току задается в регуля- 46 торе резистором 23, что позволяет расширить диапазон его применения.

При необходимости резистор 23 изго-. тавливается также в интегральном исполнении. 45

Применение регулятора напряжения, выполненного по данному изобретению, обусловливает как значительное улуч шение его электрических параметров, так и повниение его надежностных ха- Я} рактеристик в условиях комплексного воздействия различных эксплуатаци,онных факторов: температуры, влаж.ности, радиации, механических нагрузок и т.д. . 55

Интегральное исполнение регулятора напряжения снижает вго стоимость и улучшает качественные, габаритно- . весовые и другие показатели.

Выполнение регулятора напряжения, по технологии 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 шине, а коллектором — к аноду гасящего дйода, включенного параллельно обмотке возбуждения генератора переменного тока, первый транзистор, база которого подключена к средней точке рвзисторного делителя, а коллектор — к базе второго транзистора, со» единенного коллектором с базой третьего транзистора, эмиттер которого подключен к нулевой шинев а коллвктор — к базе выходного транзистора, отличающийся тем, что, с целью повнаения точности регулирования и быстродействия, в него дополнительно введены термэстабилизированный источник тока, первый и второй термокомпенсирующйе диоды и четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой тран- зисторы, при этом первый и шестой, четвертый и пятый транзисторы, образуют плечи дифференциального каскада, база четвертого транзистора подключена к опорному стабилитрону, эмиттер соединен с эмиттером пятого транзистора с противоположным типом проводимости, база которого соединена с базой швс того транзистора того же типа проводимости и выходом термостабилиэированного источника тока, эмиттер шест того транзистора подключен к эмиттеру первого, а коллектор — к базе третьего, коллектор пятого транзистора соединен с базой седьмого транзистора с противоположным типом проводи-: мости и с анодом первого термокомпенсирующего диода, подключенного катодом к нулевой шине и к эмиттеру седьмого транзистора, соединенного кол-, лектором с коллектором четвертого транзистора.и с базой восьмого транзистора с противоположным типом провордмости, подключенного эмиттером к эмиттеру второго транзистора того жв типа проводимости, к потенциальной шине и к аноду -второго термокомпенсирующего диода, катодом подключенного к базе второго транзистора.

2. Регулятор напряжения по и 1. o т.л и ч а ю шийся тем, что териэстабилизированный источник токи содержит два симметричных транзистора, эмиттеры которых соединены между собой, подключены к нулевой шине и к катоду первого термостабилизирую- I

1005261

Составитель A,Ëåáåäåâ

Редактор Л.Петрова Техред Т.Маточка. Корректор С.Шекмур

Заказ 1922/75 Тираж 685 Подписное

HHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5 филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 щего диода., соединенного анодом с их базами и с дополнительно введенным токозадающим резистором, коллектор одного иэ симметричных транзисторов подключен к катоду другого термостабилиэирующего диода, соединенного анодом через ограничивающий резистор с потенциальной шиной,,и с базой транзистора с противоположным типом проводимости, змиттер которого через резистор 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. H 02 P 9/30, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР

9 652674, кл. Н 02 P 9/30, 1976. I0 3, Патент CQlA Р 4128799, кл. 322-28, 1978.