импульсный регулятор напряжения

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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;

E_g13, E_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 U 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 U.

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 U 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.