Регулятор напряжения генератора

 

Изобретение относится к устройствам, работающим в комплекте с генераторами тока и предназначенными для поддержания постоянства напряжения в сети электропитания автомобилей, тракторов и других автономных объектов и для изготовления в интегральном исполнении. Целью изобретения является повышение надежности путем снабжения их узлом защиты силовых транзисторных ключей от короткого замыкания обмотки возбуждения генератора. В регулятор напряжения введен узел защиты, содержащий транзистор защиты, гасящий диод защиты, резистор защиты, стабилитрон, защитный резистивный делитель напряжения, конденсатор защиты, токозадающий резистивный делитель напряжения, управляющий транзистор, управляющий резистивный делитель напряжения и управляющие диоды. Использование предлагаемого изобретения позволяет создавать высоконадежные регуляторы напряжения генератора, а введенные в схему элементы легко реализуются в микроэлектронном исполнении. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам, работающим в комплекте с генераторами тока и предназначенными для поддержания постоянства напряжения в сети электропитания автомобилей, тракторов и других автономных объектов и для изготовления в интегральном исполнении.

Известны регуляторы напряжения генератора, содержащие измерительный орган, транзисторные элементы регулирования и управления тока в цепи обмотки возбуждения генератора (см. Акимов С. В. и др. Электрическое и электронное оборудование автомобилей. М., Машиностроение, 1988, стр. 40 и 41 рис. 20 и 21 и авт. св. СССР N 1836806, кл. H 02 P 9/30, 1993).

Наиболее близким по совокупности признаков из них является регулятор напряжения генератора, содержащий измерительный орган, включенный между первым и вторым выводами питания, предназначенными для подключения к выходным выводам генератора, силовой транзисторный ключ, включенный между вторым выводом питания и выходным выводом регулятора, связанным с первым выводом питания через обратно включенный гасящий диод, промежуточный транзистор, подключенный эмиттер-коллекторным переходом параллельно управляющему входу силового транзисторного ключа, базой - к выходу измерительного органа, эмиттером - к второму выводу питания, коллектором через первый резистор - к первому выводу питания, транзистор сигнализации, подключенный коллектором к выводу регулятора, предназначенному для подключения к индикатору зарядки аккумуляторной батареи, эмиттером - к выходному выводу регулятора через второй резистор, базой - к среднему выводу резистивного делителя напряжения, подключенного первым крайним выводом к выходному выводу регулятора через конденсатор сигнализации и к второму выводу питания через прямо включенный диод, а вторым крайним выводом к первому выводу питания (см. авт. св. СССР N 1836806, кл. H 02 P 9/30, 1993).

Недостатком данных регуляторов является то, что в них отсутствует защита силовых транзисторных ключей от короткого замыкания обмотки возбуждения генератора.

Задачей изобретения является повышение надежности путем снабжения их узлом защиты силовых транзисторных ключей от короткого замыкания обмотки возбуждения генератора.

Указанная задача решается тем, что в первый регулятор напряжения генератора, выполненный на двух силовых транзисторных ключах, содержащий измерительный орган, включенный между первым и вторым выводами питания, предназначенными для подключения к выходным выводам генератора, два силовых транзисторных ключа, включенные между вторым выводом питания и выходным выводом регулятора, связанным с первым выводом питания через обратно включенный гасящий диод, промежуточный транзистор, подключенный базой к выходу измерительного органа, эмиттером - к второму выводу питания, коллектором через первый резистор - к первому выводу питания, транзистор сигнализации, подключенный коллектором к выводу регулятора, предназначенному для подключения к индикатору зарядки аккумуляторной батареи, эмиттером - к выходному выводу регулятора через второй резистор, базой - к среднему выводу резистивного делителя напряжения, подключенного первым крайним выводом к второму выводу питания через прямо включенный диод и к выходному выводу регулятора через последовательно соединенные конденсатор сигнализации и зарядоограничительный резистор, а вторым крайним выводом к первому выводу питания, мультивибратор, выполненный на двух переключающихся транзисторах, коллекторы которых через соответствующие коллекторные резисторы и параллельно соединенные шунтирующие резисторы и базоэмиттерные переходы соответствующих токозадающих транзисторов подключены к первому выводу питания, базы - к средним выводам соответствующих RC-цепочек, подключенных резисторными выводами к первому выводу питания и емкостными соответственно - к коллекторам других переключающихся транзисторов, а эмиттеры - к второму выводу питания, два транзисторных ключа, силовые выводы которых включены параллельно базоэмиттерным переходам токозадающих транзисторов, а выводы управления соответственно подсоединены к одним выводам соответствующих ограничительных резисторов, подключенных другими выводами - к коллектору промежуточного транзистора, два дополнительных резистивных делителя напряжения, первые крайние выводы которых подсоединены к второму выводу питания, вторые крайние выводы - к коллекторам соответствующих токозадающих транзисторов, а средние выводы - к выводам управления соответствующих силовых транзисторных ключей согласно изобретению в него введен узел защиты силовых транзисторных ключей от короткого замыкания обмотки возбуждения генератора, выполненный на транзисторе защиты, эмиттер которого непосредственно подключен к выходному выводу регулятора и через гасящий диод защиты с направлением проводимости, соответствующим направлению проводимости последовательно подключенного эмиттер-коллекторного перехода транзистора защиты, - к второму выводу питания, коллектор через последовательно соединенные резистор защиты и стабилитрон и параллельно соединенные защитный резистивный делитель напряжения, связанный средним выводом с базой промежуточного транзистора, и конденсатор защиты - к второму выводу питания, а база - к среднему выводу токозадающего резистивного делителя напряжения, подключенного крайними выводами между эмиттером транзистора защиты и коллектором управляющего транзистора, эмиттер которого соединен с вторым выводом питания, а база - со средним выводом управляющего резистивного делителя напряжения, подключенного одним крайним выводом к эмиттеру управляющего транзистора, а другим - к объединенным одноименным выводам управляющих диодов с направлением проводимости, соответствующим направлению проводимости последовательно подключенного базоэмиттерного перехода управляющего транзистора, другие выводы управляющих диодов подключены отдельно к коллекторам токозадающих транзисторов.

Указанная задача решается тем, что во второй регулятор напряжения генератора, выполненный на четырех силовых транзисторных ключах, содержащий измерительный орган, включенный между первым и вторым выводами питания, предназначенными для подключения к выходным выводам генератора, четыре силовых транзисторных ключа, включенные между вторым выводом питания и выходным выводом регулятора, связанным с первым выводом питания через обратно включенный гасящий диод, промежуточный транзистор, подключенный базой к выходу измерительного органа, эмиттером - к второму выводу питания, коллектором через первый резистор - к первому выводу питания, транзистор сигнализации, подключенный коллектором к выводу регулятора, предназначенному для подключения к индикатору зарядки аккумуляторной батареи, эмиттером - к выходному выводу регулятора через второй резистор, базой - к среднему выводу резистивного делителя напряжения, подключенного первым крайним выводом к второму выводу питания через прямо включенный диод и к выходному выводу регулятора через последовательно соединенные конденсатор сигнализации и зарядоограничительный резистор, а вторым крайним выводом к первому выводу питания, два мультивибратора, причем первый из них мультивибратор выполнен на переключающихся транзисторах первой пары, коллекторы которых через соответствующие коллекторные резисторы и параллельно соединенные шунтирующие резисторы и базоэмиттерные переходы соответствующих токозадающих транзисторов подключены к первому выводу питания, базы - к средним выводам соответствующих RC-цепочек первой пары, резисторные выводы которых соединены с первым выводом питания, а емкостные соответственно - с коллекторами других переключающихся транзисторов первой пары, а эмиттеры - к второму выводу питания, второй мультивибратор выполнен на переключающихся транзисторах второй пары, коллекторы которых через коллекторные резистивные делители напряжения подключены к первому выводу питания, базы - к средним выводам соответствующих RC-цепочек второй пары, резисторные выводы которых соединены с первым выводом питания, а емкостные соответственно - с коллекторами других переключающихся транзисторов второй пары, а эмиттеры - к второму выводу питания, синхронизирующий элемент, состоящий из двух диодов и двух дифференцирующих RC-цепочек, емкостные выводы которых подключены к коллектору одного из переключающихся транзисторов первой пары, средние выводы через обратно включенные диоды - к базам, а резистивные выводы - к коллекторам соответствующих переключающихся транзисторов второй пары, четыре транзисторных ключа, первые силовые выводы которых попарно объединены соответственно первый с третьим и второй с четвертым и соответственно подключены к коллекторам токозадающих транзисторов, выводы управления соответственно первого и второго - к среднему выводу первого коллекторного резистивного делителя напряжения, а третьего и четвертого - к среднему выводу второго коллекторного резистивного делителя напряжения, четыре дополнительных резисторных делителя напряжения, первые крайние выводы которых подключены к второму выводу питания, вторые крайние выводы - к вторым силовым выводам соответствующих транзисторных ключей, а средние выводы - к выводам управления соответствующих силовых транзисторных ключей, два управляющих ключа, силовые выводы которых подключены параллельно базоэмиттерным переходам токозадающих транзисторов, а выводы управления - к одним выводам ограничительных резисторов, подключенных другими выводами к коллектору промежуточного транзистора, согласно изобретению в него введен узел защиты силовых транзисторных ключей от короткого замыкания обмотки возбуждения генератора, выполненный на транзисторе защиты, эмиттер которого непосредственно подключен к выходному выводу регулятора и через гасящий диод защиты с направлением проводимости, соответствующим направлению проводимости последовательно подключенного эмиттер - коллекторного перехода транзистора защиты, - к второму выводу питания, коллектор через последовательно соединенные резистор защиты и стабилитрон и параллельно соединенные защитный резистивный делитель напряжения, связанный средним выводом с базой промежуточного транзистора, и конденсатор защиты - к второму выводу питания, а база - к среднему выводу токозадающего резистивного делителя напряжения, подключенного крайними выводами между эмиттером транзистора защиты и коллектором управляющего транзистора, эмиттер которого соединен с вторым выводом питания, а база - со средним выводом управляющего резистивного делителя напряжения, подключенного одним крайним выводом к эмиттеру управляющего транзистора, а другим - к объединенным одноименным выводам управляющих диодов с направлением проводимости, соответствующим направлению проводимости последовательно подключенного базоэмиттерного перехода управляющего транзистора, другие выводы управляющих диодов подключены отдельно к коллекторам токозадающих транзисторов.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 и 2 представлены функциональная схема регулятора напряжения генератора с двумя силовыми транзисторными ключами и временная диаграмма его работы; на фиг. 3 и 4 - функциональная схема регулятора напряжения генератора с четырьмя силовыми транзисторными ключами и временная диаграмма его работы.

Регулятор напряжения генератора, приведенный на фиг.1, содержит измерительный орган 1, включенный между первым 2 и вторым 3 выводами питания, первый силовой транзисторный ключ 4, включенный между вторым выводом 3 питания и выходным выводом 5 регулятора, связанным с первым выводом 2 питания через обратно включенный гасящий диод 6, промежуточный транзистор 7, подключенный базой к выходу измерительного органа 1, эмиттером - к второму выводу 3 питания, коллектором через первый резистор 8 - к первому выводу 2 питания, транзистор 9 сигнализации, подключенный коллектором к индикаторному выводу 10 регулятора, эмиттером - к выходному выводу 5 регулятора через второй резистор 11, базой - к среднему выводу резистивного делителя 12 и 13 напряжения, подключенного первым крайним выводом к второму выводу 3 питания через прямо включенный диод 14 и к выходному выводу 5 регулятора через последовательно соединенные конденсатор 15 сигнализации и зарядоограничительный резистор 16, а вторым крайним выводом к первому выводу 2 питания, первый ограничительный резистор 17, подключенный первым выводом к коллектору промежуточного транзистора 7, мультивибратор, выполненный на двух переключающихся транзисторах 18 и 19, коллекторы которых через соответствующие коллекторные резисторы 20 и 21 и параллельно соединенные шунтирующие резисторы 22 и 23 и базоэмиттерные переходы соответствующих токозадающих транзисторов 24 и 25 подключены к первому выводу 2 питания, базы - к средним выводам первой 26, 27 и второй 28, 29 RC-цепочек, подключенных резисторными выводами к первому выводу 2 питания и емкостными соответственно - к коллекторам переключающихся транзисторов 19 и 18, а эмиттеры - к второму выводу 3 питания, два транзисторных ключа 30 и 31, силовые цепи которых включены параллельно базоэмиттерным переходам токозадающих транзисторов 24 и 25, а выводы управления соответственно подсоединены первый 30 - к второму выводу первого ограничительного резистора 17 и второй - к коллектору промежуточного транзистора 7 через второй ограничительный резистор 32, второй силовой транзисторный ключ 33, подключенный силовыми цепями параллельно силовым цепям первого силового транзисторного ключа 4, два дополнительных резистивных делителя 34 и 35 напряжения, первые крайние выводы которых подсоединены к второму выводу 3 питания, вторые крайние выводы - к коллекторам соответствующих токозадающих транзисторов 24 и 25, а средние выводы - к выводам управления соответствующих силовых транзисторных ключей 4 и 33.

Узел защиты силовых транзисторных ключей от короткого замыкания обмотки возбуждения генератора содержит транзистор 36 защиты, эмиттер которого непосредственно подключен к выходному выводу 5 регулятора и через гасящий диод 37 защиты с направлением проводимости, соответствующим направлению проводимости последовательно подключенного эмиттер-коллекторного перехода транзистора 36 защиты, - к второму выводу 3 питания, коллектор через последовательно соединенные резистор 38 защиты и стабилитрон 39 и параллельно соединенные защитный резистивный делитель 40 и 41 напряжения, связанный средним выводом с базой промежуточного транзистора 7, и конденсатор 42 защиты - к второму выводу 3 питания, а база - к среднему выводу токозадающего резистивного делителя 43 и 44 напряжения, подключенного крайними выводами между эмиттером транзистора 36 защиты и коллектором управляющего транзистора 45, эмиттер которого соединен с вторым выводом 3 питания, а база - со средним выводом управляющего резистивного делителя 46 и 47 напряжения, подключенного одним крайним выводом к эмиттеру управляющего транзистора 45, а другим - к объединенным одноименным выводам управляющих диодов 48 и 49 с направлением проводимости, соответствующим направлению проводимости последовательно подключенного базо-эмиттерного перехода управляющего транзистора 45, другие выводы управляющих диодов 48 и 49 подключены отдельно к коллекторам токозадающих транзисторов 24 и 25.

Устройство работает следующим образом.

Мультивибратор, выполненный на переключающихся транзисторах 18 и 19 генерирует импульсные сигналы (фиг.2а и 2б), которые через токозадающие транзисторы 24 и 25 формируются в импульсные сигналы управления (фиг.2в и 2г). Последние подаются на резистивные делители 34 и 35 напряжения, а с них на силовые транзисторные ключи 4 и 33 для управления их работой. При остановленном генераторе напряжение между выводами питания 2 и 3 регулятора меньше номинального уровня, выходной ток измерительного органа 1 мал и недостаточен для открывания промежуточного транзистора 7. При этом на выводах управления транзисторных ключей (фиг.2д) присутствует сигнал, закрывающий их. При таком состоянии транзисторных ключей токозадающие транзисторы открыты и импульсные сигналы управления включают поочередно силовые транзисторные ключи, поддерживая этим постоянное включение выходного вывода 5 регулятора к второму выводу 3 питания. Это обеспечивает непрерывное поступление тока в обмотку возбуждения генератора (фиг. 2е). Непрерывности протекания тока способствует инерционность работы силовых транзисторов в импульсном режиме, так как время выключения транзисторов несколько раз превышает время включения. Это приводит к перекрытию импульсных выходных токов на выходном выводе 5 регулятора, что обеспечивает "мягкое" включение силовых транзисторных ключей, т. е. открывание каждого из них происходит в моменты времени, когда предыдущий продолжает еще оставаться в открытом состоянии. Поэтому потерь по фронтам не происходит и дополнительного нагревания силовых транзисторных ключей не наблюдается. Таким образом, регулятор работает до момента времени t1 (фиг.2д), пока промежуточный транзистор 7 закрыт.

При запуске двигателя и увеличении частоты вращения генератора напряжение между выводами 2 и 3 питания регулятора повышается и при его значении, несколько превышающем номинальный уровень, выходной ток измерительного органа 1 резко увеличивается, промежуточный транзистор 7 открывается в момент временит t1 (фиг.2д) и одновременно открываются транзисторные ключи 30 и 31 и запирают по базоэмиттерным переходам токозадающие транзисторы 24 и 25. Последние запираются, и формирование импульсных сигналов управления не происходит. Силовые транзисторные ключи 4 и 33 закрываются и ток через них не проходит и с момента временит t1 (фиг.2е). Ток в цепи обмотки возбуждения генератора, замыкаясь через шунтирующий диод 6, уменьшается, что вызывает уменьшение напряжения регулятора. При достижении напряжением питания значения, несколько меньшего номинального уровня, выходной ток измерительного органа 1 резко уменьшается, промежуточный транзистор 7 закрывается в момент времени t2 (фиг. 2д) и через силовые транзисторные ключи снова начинает протекать ток (фиг. 2е). Напряжение между выводами питания 2 и 3 регулятора начинает вновь возрастать и далее процесс регулирования протекает аналогично вышеописанному, в результате чего выходное напряжение генератора поддерживается на номинальном уровне. Использование двух поочередно работающих силовых транзисторных ключей 4 и 33 в определенных интервалах времени, которые задаются временными параметрами мультивибратора, выполненного на переключающихся транзисторах 18 и 19, позволяет равномерно поровну распределять рассеиваемую мощность на них, что повышает надежность устройства. Кроме того, использование мультивибратора и формирователей импульсных сигналов управления, работающих с насыщающимися транзисторами, т. е. в жестком режиме, исключает возможность самовозбуждения каскадов, что также повышает надежность предлагаемого устройства.

Управление индикатором зарядки аккумуляторной батареи состоит в следующем. При остановленном генераторе, когда силовые транзисторные ключи 4 и 33 поочередно находятся в открытом состоянии, транзистор 9 сигнализации открыт, потенциал на индикаторном выводе 10 регулятора низкий, и под воздействием приложенного напряжения индикатор находится в состоянии "разрядка" (светодиод излучает свет). При запуске двигателя и увеличении частоты вращения генератора после запирания силовых транзисторных ключей 4 и 33 прекращается протекание тока в цепи эмиттера транзистора 9 сигнализации и напряжение между обкладками конденсатора 15 сигнализации повышается до уровня напряжения питания регулятора. Ток в цепи индикатора зарядки аккумуляторной батареи при этом прерывается и индикатор устанавливается в состояние "зарядка" (светодиод света не излучает).

После открывания силовых транзисторных ключей 4 и 33 в процессе регулирования транзистор 9 сигнализации остается закрытым, так как к его базоэмиттерному переходу прикладывается запирающее напряжение конденсатора 15 сигнализации. При этом диод 14 оказывается под обратным напряжением и тока не проводит, в связи с чем конденсатор 15 сигнализации может разряжаться только через резистивный делитель 12,13 напряжения и открытые силовые транзисторные ключи 4 и 33.

Постоянная времени цепи разряда конденсатора 15 сигнализации выбрана такой, что на ограниченном отрезке времени открытого состояния силовых транзисторных ключей 4 и 33 транзистор 9 сигнализации сохраняет закрытое состояние. После закрывания силовых транзисторных ключей 4 и 33 в процессе регулирования напряжения бортовой сети исключается возможность открывания транзистора 9 сигнализации, а конденсатор 15 сигнализации быстро заряжается через обмотку возбуждения генератора, зарядоограничительный резистор 16 и диод 14. Далее процессы в схеме сигнализации повторяются, в результате чего с момента выхода регулируемого напряжения на номинальный уровень транзистор 9 сигнализации не открывается, а индикатор находится в состоянии "зарядка". Если по каким-либо причинам, например, вследствие проскальзывания приводного ремня генератора, увеличения переходных сопротивлений в цепях питания регулятора, снижения оборотов холостого хода двигателя качество электроэнергии в бортовой сети и соответственно условия зарядки аккумуляторной батареи существенно ухудшаются из-за снижения частоты автоколебаний в системе электроснабжения, например, до 15 Гц и менее, индикатор зарядки аккумуляторной батареи переходит в режим "мигания" с упомянутой частотой автоколебаний, указывая на отклонения от нормы в системе электроснабжения.

Возникновение режима периодического переключения индикатора обусловлено тем, что при низкой частоте автоколебаний и соответственно низкой частоте переключения регулятора время открытого состояния силовых транзисторных ключей 4, 33 превышает время удержания транзистора 9 сигнализации 9 в закрытом состоянии с помощью цепочки 12, 13, и 15. В результате периодического открывания транзистора сигнализации 9 также периодически изменяет состояния индикатор зарядки аккумуляторной батареи.

При эксплуатации регулятора в аномальном режиме с отключенной аккумуляторной батареей импульс перенапряжения даже с повышенной амплитудой не является опасным для транзистора 9 сигнализации.

Обусловлено это следующим. При возникновении импульса перенапряжения выходной ток измерительного органа 1 резко возрастает, промежуточный транзистор 7 открывается, а силовые транзисторные ключи 4, 33 закрываются. В обмотке возбуждения генератора возникает ЭДС самоиндукции, и к переходам коллектор-эмиттер транзистора сигнализации 9 через резистор 11 и индикатор зарядки аккумуляторной батареи прикладывается инверсное напряжение, ограничиваемое гасящим диодом 6 до 1 В. Данное значение инверсного напряжения является абсолютно безопасным для транзистора 9 сигнализации, что исключает возможность пробоя его переходов коллектор - эмиттер. Кроме того, исключены и пробои переходов коллектор - база и база - эмиттер, так как сопротивление базового резистора 13 несоизмеримо больше сопротивления коллекторной и эмиттерной нагрузки транзистора 9 сигнализации и ограничивает мощность на указанных p-n переходах до безопасных значений.

В режиме короткого замыкания обмотки возбуждения генератора уровень регулируемого напряжения на первом 2 и втором 3 выводах питания понижен, следовательно, промежуточный транзистор 7 и транзисторные ключи 30, 31 закрыты, а токозадающие транзисторы 24, 25 и силовые транзисторные ключи 4, 33 открыты. Промежуточный транзистор 7, транзисторные ключи 30,31, токозадающие транзисторы 24, 25, управляющий транзистор 45 и транзистор 36 защиты образуют схему релакционного генератора, работающего в автоколебательном режиме.

Процесс возникновения автоколебаний состоит в следующем.

При коротком замыкании обмотки возбуждения генератора напряжение на силовых выводах силовых транзисторных ключей 4, 33 и, соответственно, между вторым 3 и третьим 5 выводами возрастает. Транзистор 36 защиты, управляющий транзистор 45 и токозадающие транзисторы 24, 25 работают синхронно с силовыми транзисторными ключами 4, 22, т.е. когда хотя бы один из последних открыт, то и одновременно открыты транзистор 36 защиты, управляющий транзистор 45 и один из токозадающих транзисторов 24, 25 и, наоборот, если закрыты оба силовых транзисторных ключа 4, 33, то и закрыты транзистор 36 защиты, управляющий транзистор 45 и токозадающие транзисторы 24, 25. Это объясняется тем, что работа их управляется от одного промежуточного транзистора 7. Когда промежуточный транзистор 7 закрыт, то закрыты и транзисторные ключи 30, 31, следовательно, они не шунтируют по базоэмиттерным переходам токозадающие транзисторы 24, 25, а работа последних управляется мультивибратором, выполненным на переключающихся транзисторах 18 и 19. Одновременно открыт управляющий транзистор 45, так как его база подключается через резистор 46 и управляющие диоды 48, 49 к коллекторам токозадающих транзисторов 24, 25. Токи, поочередно протекающие через токозадающие транзисторы 24, 25, управляющие диоды 48, 49 и управляющий резистивный делитель 46, 47, открывают управляющий транзистор 45, который в свою очередь открывает транзистор 36 защиты. Если промежуточный транзистор 7 открыт, то открыты транзисторные ключи 30, 31, которые запирают токозадающие транзисторы 24, 25 по базоэмиттерным переходам, что ведет в свою очередь к запиранию силовых транзисторных ключей 4, 33 и одновременно запираются управляющий транзистор 45 и транзистор 36 защиты.

При открытом транзисторе 36 защиты и при возросшем напряжении, возникшем от замыкания обмотки возбуждения генератора, стабилитрон 39 пробивается при определенном значении напряжения между вторым 3 и третьим 5 выводами регулятора, и конденсатор 42 быстро заряжается через обмотку возбуждения генератора, открытый транзистор 36 защиты, резистор 38 защиты и открытый стабилитрон 39 с малой постоянной времени заряда. Напряжение с конденсатора 42 защиты через защитный резистивный делитель 40, 41 напряжения подается на базу промежуточного транзистора 7 и открывает его, т.е. конденсатор 42 начинает разряжаться через резистор 40 и подключенные параллельно резистор 41 и базоэмиттерный переход промежуточного транзистора 7 с постоянной времени разряда значительно превышающей постоянную времени заряда его. Ток разряда конденсатора 42 вызывает открытие промежуточного транзистора 7 и транзисторных ключей 30 и 31. Последние запирают токозадающие транзисторы 24, 25 и одновременно закрываются силовые транзисторные ключи 4 и 33, управляющий транзистор 45 и транзистор 36 защиты. Начинается процесс разряда конденсатора 42. При завершении процесса разряда конденсатора 42 промежуточный транзистор 7 запирается, закрываются промежуточный транзистор 7 и транзисторные ключи 30, 31, а токозадающие транзисторы 24, 25 и силовые транзисторные ключи 4, 33 открываются. Одновременно открываются управляющий транзистор 45 и транзистор 36 защиты и конденсатор 12 опять быстро заряжается через открытый транзистор 36 защиты, резистор 38 защиты и открытый стабилитрон 39 с малой постоянной времени заряда. Далее процесс протекает аналогично вышеописанному, в результате в схеме происходят устойчивые автоколебания. В рассмотренном автоколебательном режиме через силовые транзисторные ключи 4 и 33 протекают импульсные токи, среднее значение которых (при соответствующем выборе величин резистора 38 и резистора 40 защитного резистивного делителя 40, 41 напряжения, определяющих постоянные времени заряда и разряда конденсатора 42) пренебрежимо мало. После устранения короткого замыкания обмотки возбуждения генератора регулятор включается автоматически.

Гасящий диод 37 защиты предохраняет транзистор 36 защиты и управляющий транзистор 45 от пробоя при возникновении обратных наведенных напряжений на индуктивном сопротивлении соединительных проводов.

Регулятор напряжения генератора, приведенный на фиг.3, содержит измерительный орган 1, включенный между первым 2 и вторым 3 выводами питания, первый силовой транзисторный ключ 4, включенный между вторым выводом 3 питания и выходным выводом 5 регулятора, связанным с первым выводом 2 питания через обратно включенный гасящий диод 6, промежуточный транзистор 7, подключенный базой к выходу измерительного органа 1, эмиттером - к второму выводу 3 питания, коллектором через первый резистор 8 - к первому выводу 2 питания, транзистор 9 сигнализации, подключенный коллектором к индикаторному выводу 10 регулятора, эмиттером - к выходному выводу 5 регулятора через второй резистор 11, базой - к среднему выводу резистивного делителя 12 и 13 напряжения, подключенного первым крайним выводом к второму выводу 3 питания через прямо включенный диод 14 и к выходному выводу 5 регулятора через последовательно соединенные конденсатор 15 сигнализации и зарядоограничительный резистор 16, а вторым крайним выводом к первому выводу 2 питания, первый ограничительный резистор 17, подключенный первым выводом к коллектору промежуточного транзистора 7, два мультивибратора, первый мультивибратор, выполненный на переключающихся транзисторах 18 и 19, коллекторы которых через соответствующие коллекторные резисторы 20 и 21 и параллельно соединенные шунтирующие резисторы 22 и 23 и базоэмиттерные переходы соответствующих токозадающих транзисторов 24 и 25 подключены к первому выводу 2 питания, базы - к средним выводам первой 26, 27 и второй 28, 29 RC-цепочек, подключенных резисторными выводами к первому выводу 2 питания и емкостными соответственно - к коллекторам переключающихся транзисторов 19 и 18, а эмиттеры - к второму выводу 3 питания, второй мультивибратор, выполненный на переключающихся транзисторах 30 и 31, коллекторы которых через коллекторные резистивные делители 32,33 и 34,35 напряжения подключены к первому выводу 2 питания, базы - к средним выводам третьей 36,37 и четвертой 38,39 RC-цепочек, резисторные выводы которых соединены с первым выводом 2 питания, а емкостные соответственно - с коллекторами переключающихся транзисторов 31 и 30, а эмиттеры - к второму выводу 3 питания, синхронизирующий элемент, состоящий из диодов 40 и 41 и дифференцирующих RC-цепочек 42 и 43, емкостные выводы которых подключены к коллектору переключающегося транзистора 19, средние выводы через обратно включенные диоды 40 и 41 - к базам, а резистивные выводы - к коллекторам соответствующих переключающихся транзисторов 30 и 31, четыре транзисторных ключа 44... 47, первые силовые выводы которых попарно объединены соответственно первый 44 с третьим 46 и второй 45 с четвертым 47 и соответственно подключены к коллекторам токозадающих транзисторов 24 и 25, выводы управления соответственно первого 44 и второго 45 - к среднему выводу первого коллекторного резистивного делителя 32, 33 напряжения, а третьего 46 и четвертого 47 - к среднему выводу второго коллекторного резистивного делителя 34, 35 напряжения, четыре дополнительных резисторных делителя 48... 51 напряжения, первые крайние выводы которых подключены к второму выводу 3 питания, вторые крайние выводы - к вторым силовым выводам соответствующих транзисторных ключей 44... 47, три дополнительных силовых транзисторных ключа 52. . . 54, включенные силовыми цепями параллельно силовым цепям первого силового транзисторного ключа 4, средние выводы дополнительных резистивных делителей 48... 51 напряжения подсоединены к выводам управления соответствующих силовых транзисторных ключей 4, 52... 54, два управляющих ключа 55 и 56, силовые выводы которых подключены параллельно базоэмиттерным переходам токозадающих транзисторов 24 и 25, а выводы управления соответственно: первый 55 соединен с вторым выводом первого ограничительного резистора 17, второй 56 - с коллектором промежуточного транзистора 7 через второй ограничительный резистор 57.

Узел защиты силовых транзисторных ключей от короткого замыкания обмотки возбуждения генератора содержит транзистор 58 защиты, эмиттер которого непосредственно подключен к выходному выводу 5 регулятора и через гасящий диод 59 защиты с направлением проводимости, соответствующим направлению проводимости последовательно подключенного эмиттер-коллекторного перехода транзистора 58 защиты, - к второму выводу 3 питания, коллектор через последовательно соединенные резистор 60 защиты и стабилитрон 61 и параллельно соединенные защитный резистивный делитель 62 и 63 напряжения, связанный средним выводом с базой промежуточного транзистора 7, и конденсатор 64 защиты - к второму выводу 3 питания, а база - к среднему выводу токозадающего резистивного делителя 65 и 66 напряжения, подключенного крайними выводами между эмиттером транзистора 58 защиты и коллектором управляющего транзистора 67, эмиттер которого соединен с вторым выводом 3 питания, а база - со средним выводом управляющего резистивного делителя 68 и 69 напряжения, подключенного одним крайним выводом к эмиттеру управляющего транзистора 67, а другим - к объединенным одноименным выводам управляющих диодов 70 и 71 с направлением проводимости, соответствующим направлению проводимости последовательно подключенного базоэмиттерного перехода управляющего транзистора 67, другие выводы управляющих диодов 70 и 71 подключены отдельно к коллекторам токозадающих транзисторов 24 и 25.

Устройство работает следующим образом.

Первый мультивибратор, выполненный на переключающихся транзисторах 18 и 19, генерирует импульсные сигналы (фиг.4а и 4б). Синхронизирующий элемент, состоящий из диодов 40 и 41 и дифференцирующих RC-цепочек 42 и 43, синхронизирует работу второго мультивибратора, выполненного на переключающихся транзисторах 30 и 31, запирающими импульсами, какими для предложенной схемы регулятора являются отрицательные импульсы (фиг. 4в). В результате синхронизации оказываются равными период синхронизации Тс и, соответственно, импульс T1 и пауза T2 периода колебаний второго мультивибратора, т. е. Tс = T1 = T2 (фиг.4в и 4г).

Следовательно, период колебаний второго мультивибратора в два раза больше первого (фиг.4а, 4б и фиг.4г, 4д). Синхронизация запирающими сихроимпульсами осуществляется следующим образом. Если, например, переключающийся транзистор 30 находится в открытом состоянии, а переключающийся транзистор 31 - в закрытом, то в этом случае на диод 41 через резистор 43 подается напряжение, запирающее этот диод 41, а на диод 40 через резистор 42 запирающее напряжение не подается, поэтому при одновременной подаче синхронизирующих импульсов на базы переключающихся транзисторов 30 и 31, первый 30 из них закрывается, а второй 31 соответственно открывается, и тем самым опрокидывая второй мультивибратор. Таким образом, на выходах второго мультивибратора имеются импульсные сигналы (фиг.4г и 4д), которые через коллекторные резистивные делители 32,33 и 34,35 управляют работой транзисторных ключей 44... 47, причем при отсутствии импульсного сигнала они открыты, а при наличии - закрыты. Токозадающие транзисторы 24 и 25 формируют импульсные сигналы управления (фиг. 4е и 4ж) из импульсов, генерируемых первым мультивибратором (фиг.4а и 4б). Эти импульсные сигналы управления поступают на первые силовые выводы транзисторных ключей 44... 47, от состояния которых зависит дальнейшее прохождение их на выводы управления силовых транзисторных ключей 4, 52.. . 54. Первый импульсный сигнал управления (фиг.4е) пройдет через транзисторный ключ 44, так как на его выводе управления присутствует отпирающий сигнал (фиг.4г) и, соответственно, на его выходе появляется сигнал управления (фиг. 4з), предназначенный для открывания первого силового транзисторного ключа 4. Второй импульсный сигнал управления (фиг.4ж) пройдет через транзисторный ключ 45, т.к. на его выводе управления присутствует отпирающий сигнал (фиг. 4д) и, соответственно, на его выходе появляется сигнал управления (фиг.4и), предназначенный для открывания второго силового транзисторного ключа 52. Третий импульсный сигнал управления (фиг.4е) пройдет через транзисторный ключ 46, так как на его выводе управления присутствует отпирающий сигнал (фиг.4д) и, соответственно, на его выходе появляется сигнал управления (фиг. 4к), предназначенный для открывания третьего силового транзисторного ключа 53. Четвертый импульсный сигнал управления (фиг.4ж) пройдет через транзисторный ключ 47, так как на его выводе управления присутствует отпирающий сигнал (фиг.4г) и, соответственно, на его выходе появляется сигнал управления (фиг. 4л), предназначенный для открывания четвертого силового транзисторного ключа 54. Эти импульсы управления (фиг.4з, 4и, 4к и 4л) через соответствующие резистивные делители 48... 51 поступают на выводы управления соответствующих силовых транзисторных ключей 4, 52... 54, поочередно открывают их, поддерживая этим постоянное включение выходного вывода 5 регулятора к второму выводу 3 питания. Такая работа возможна, если токозадающие транзисторы 24 и 25 открыты, при этом управляющие ключи 55 и 56 закрыты. При этом на их входах должен присутствовать запирающий сигнал, поступающий с коллектора промежуточного транзистора 7 (фиг. 4м). Это обеспечивает непрерывное поступление тока в обмотку возбуждения генератора (фиг.4н). Непрерывности протекания тока способствует инерционность работы силовых транзисторов в импульсном режиме, так как время выключения транзисторов несколько раз превышает время включения. Это приводит к перекрытию импульсных выходных токов на выходном выводе 5 регулятора, что обеспечивает "мягкое" включение силовых транзисторных ключей 4, 52... 54, т. е. открывание каждого из них происходит в моменты времени, когда предыдущий продолжает еще оставаться в открытом состоянии. Поэтому потерь по фронтам не происходит и дополнительного нагревания силовых транзисторных ключей не наблюдается. Таким образом, регулятор работает до момента времени t1 (фиг.4м), пока промежуточный транзистор 7 закрыт.

При запуске двигателя и увеличении частоты вращения генератора напряжение между выводами 2 и 3 питания регулятора повышается, и при его значении, несколько превышающем номинальный уровень, выходной ток измерительного органа 1 резко увеличивается, промежуточный транзистор 7 открывается в момент времени t1 (фиг.4м) и одновременно открываются транзисторные ключи 55 и 56 и запирают по базоэмиттерным переходам токозадающие транзисторы 24 и 25. Последние запираются, и формирования импульсных сигналов управления не происходит. При этом силовые транзисторные ключи 4 и 52... 54 закрываются и ток через них не проходит с момента времени t1 (фиг.4н). Ток в цепи обмотки возбуждения генератора, замыкаясь через шунтирующий диод 6, уменьшается, что вызывает уменьшение напряжения регулятора. При достижении напряжением питания значения, несколько меньшего номинального уровня, выходной ток измерительного органа 1 резко уменьшается, промежуточный транзистор 7 закрывается в момент времени t2 (фиг.4м) и через силовые транзисторные ключи снова начинает протекать ток (фиг.4н). Напряжение между выводами питания 2 и 3 регулятора начинает вновь возрастать, и далее процесс регулирования протекает аналогично вышеописанному, в результате чего выходное напряжение генератора поддерживается на номинальном уровне. Использование четырех поочередно работающих силовых транзисторных ключей 4, 52... 54 в определенных интервалах времени, которые задаются временными параметрами мультивибратора, выполненного на переключающихся транзисторах 18 и 19, позволяет равномерно поровну распределить рассеиваемую мощность на них, что повышает надежность устройства. Кроме того, использование мультивибратора и формирователей импульсных сигналов управления, работающих с насыщающимися транзисторами, т. е. в жестком режиме, исключает самовозбуждение каскадов, что также повышает надежность предлагаемого устройства.

Управление индикатором зарядки аккумуляторной батареи состоит в следующем. При остановленном генераторе, когда силовые транзисторные ключи 4, 52. .. 54 находятся в открытом состоянии, транзистор 9 сигнализации открыт, потенциал на индикаторном выводе 10 регулятора низкий, и под воздействием приложенного напряжения индикатор находится в состоянии "разрядка" (светодиод излучает свет).

При запуске двигателя и увеличении частоты вращения генератора после запирания силовых транзисторных ключей 4, 52... 54 прекращается протекание тока в цепи эмиттера транзистора 9 сигнализации и напряжение между обкладками конденсатора 15 сигнализации повышается до уровня напряжения питания регулятора. Ток в цепи индикатора зарядки аккумуляторной батареи при этом прерывается и индикатор устанавливается в состояние "зарядка" (светодиод света не излучает).

После открывания силовых транзисторных ключей 4, 52...54 в процессе регулирования транзистор 9 остается закрытым, так как к его базоэмиттерному переходу прикладывается запирающее напряжение конденсатора 15 сигнализации. При этом диод 14 оказывается под обратным напряжением и тока не проводит, в связи с чем конденсатор 15 сигнализации может разряжаться только через резистивные делители 12,13 напряжения и открытые силовые транзисторные ключи 4,52... 54.

Постоянная времени цепи разряда конденсатора 15 сигнализации выбрана такой, что на ограниченном отрезке времени открытого состояния силовых транзисторных ключей 4, 52. . . 54 транзистор 9 сигнализации сохраняет закрытое состояние. После закрывания транзисторных ключей 4, 52... 54 в процессе регулирования напряжения бортовой сети исключается возможность открывания транзистора 9 сигнализации, а конденсатор 15 сигнализации быстро заряжается через обмотку возбуждения генератора, зарядоограничительный резистор 16 и диод 14. Далее процессы в схеме сигнализации повторяются, в результате чего с момента выхода регулируемого напряжения на номинальный уровень транзистор 9 сигнализации не открывается, а индикатор находится в состоянии "зарядка". Если по каким-либо причинам, например, вследствие проскальзывания приводного ремня генератора, увеличения переходных сопротивлений в цепях питания регулятора, снижения оборотов холостого хода двигателя качество электроэнергии в бортовой сети и соответственно условия зарядки аккумуляторной батареи существенно ухудшаются из-за снижения частоты автоколебаний в системе электроснабжения, например, до 15 Гц и менее, индикатор зарядки аккумуляторной батареи переходит в режим "мигания" с упомянутой частотой автоколебаний, указывая на отклонения от нормы в системе электроснабжения.

Возникновение режима периодического переключения индикатора обусловлено тем, что при низкой частоте автоколебаний и соответственно низкой частоте переключения регулятора время открытого состояния силовых транзисторных ключей 4, 52. . . 54 превышает время удержания транзистора 9 сигнализации в закрытом состоянии с помощью цепочки 12, 13, и 15. В результате периодического открывания транзистора 9 сигнализации также периодически изменяет состояния индикатор зарядки аккумуляторной батареи.

При эксплуатации регулятора в аномальном режиме с отключенной аккумуляторной батареей импульс перенапряжения даже с повышенной амплитудой не является опасным для транзистора 9 сигнализации. Обусловлено это следующим. При возникновении импульса перенапряжения выходной ток измерительного органа 1 резко возрастает, промежуточный транзистор 7 открывается, а силовые транзисторные ключи 4, 52... 54 закрываются. В обмотке возбуждения генератора возникает ЭДС самоиндукции, и к переходам коллектор-эмиттер транзистора сигнализации 9 через резистор 11 и индикатор зарядки аккумуляторной батареи прикладывается инверсное напряжение, ограничиваемое гасящим диодом 6 до 1 В. Данное значение инверсного напряжения является абсолютно безопасным для транзистора 9 сигнализации, что исключает возможность пробоя его переходов коллектор-эмиттер. Кроме того, исключены и пробои переходов коллектор - база и база - эмиттер, так как сопротивление базового резистора 13 несоизмеримо больше сопротивления коллекторной и эмиттерной нагрузки транзистора 9 сигнализации и ограничивает мощность на указанных p - n-переходах до безопасных значений.

Схема узла защиты силовых транзисторных ключей от короткого замыкания обмотки возбуждения генератора на фиг.3 идентична схеме узла защиты, приведенной на фиг.1, по принципу действия аналогична описанной схеме.

Таким образом, использование предлагаемых регуляторов напряжения генератора позволяет повысить надежность путем осуществления защиты силовых транзисторных ключей соответственно 4 и 33, приведенных на фиг.1, и 4, 52... 54, приведенных на фиг.3.

Использование предлагаемого изобретения дает возможность создавать высоконадежные регуляторы напряжения генератора, а введенные в схему элементы легко реализуются в микроэлектронном исполнении.

Формула изобретения

Регулятор напряжения генератора, содержащий измерительный орган, включенный между первым и вторым выводами питания, предназначенными для подключения к выходным выводам генератора, два силовых транзисторных ключа, включенных силовыми выводами между вторым выводом питания и выходным выводом регулятора, связанным с первым выводом питания через обратно включенный гасящий диод, промежуточный транзистор, подключенный базой к выходу измерительного органа, эмиттером - к второму выводу питания, коллектором через первый резистор - к первому выводу питания, транзистор сигнализации, подключенный коллектором к первому выводу регулятора, предназначенному для подключения к индикатору зарядки аккумуляторной батареи, эмиттером - к выходному выводу регулятора через второй резистор, базой - к среднему выводу резистивного делителя напряжения, подключенного первым крайним выводом к второму выводу питания через прямо включенный диод и к выходному выводу регулятора через последовательно соединенные конденсатор сигнализации и зарядоограничительный резистор, а вторым крайним выводом - к первому выводу питания и второму выводу регулятора, предназначенному для подключения к индикатору, мультивибратор, выполненный на двух переключающихся транзисторах, коллекторы которых через соответствующие коллекторные резисторы и параллельно соединенные шунтирующие резисторы и базоэмиттерные переходы соответствующих токозадающих транзисторов подключены к первому выводу питания, базы - к средним выводам соответствующих RC-цепочек, подключенных резисторными выводами к первому выводу питания и каждым емкостным - соответственно к коллектору другого переключающегося транзистора, а эмиттеры - к второму выводу питания, два транзисторных ключа, силовые выводы которых подключены к базоэмиттерным переходам соответствующих токозадающих транзисторов, а выводы управления соответственно подсоединены к одним выводам соответствующих ограничительных резисторов, подключенных другими выводами к коллектору промежуточного транзистора, два дополнительных резистивных делителя напряжения, первые крайние выводы которых подсоединены к второму выводу питания, вторые - к коллекторам соответствующих токозадающих транзисторов, а средние выводы - к выводам управления соответствующих силовых транзисторных ключей, отличающийся тем, что в него введен узел защиты силовых транзисторных ключей от короткого замыкания обмотки возбуждения генератора, выполненный на транзисторе защиты, эмиттер которого непосредственно подключен к выходному выводу регулятора и через гасящий диод защиты с направлением проводимости, соответствующим направлению проводимости последовательно подключенного эмиттерно-коллекторного перехода транзистора защиты, - к второму выводу питания, коллектор через последовательно соединенные резистор защиты и стабилитрон и параллельно соединенные защитный резистивный делитель напряжения, связанный средним выводом с базой промежуточного транзистора, и конденсатор защиты - к второму выводу питания, а база - к среднему выводу токозадающего резистивного делителя напряжения, подключенного крайними выводами между эмиттером транзистора защиты и коллектором управляющего транзистора, эмиттер которого соединен с вторым выводом питания, а база - со средним выводом управляющего резистивного делителя напряжения, подключенного одним крайним выводом к эмиттеру управляющего транзистора, а другим - к объединенным одноименным выводам управляющих диодов с направлением проводимости, соответствующим направлению проводимости последовательно подключенного базоэмиттерного перехода управляющего транзистора, другие выводы управляющих диодов подключены отдельно к коллекторам токозадающих транзисторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4