Устройство стабилизации напряжения питания устройств автоматики транспортных средств
Владельцы патента RU 2307450:
Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт "Гидроприбор" (RU)
Изобретение относится к области источников напряжения питания устройств автоматики транспортных средств и может быть использовано в автомобилестроении и в судостроении для питания средств автоматики транспортируемого устройства, в котором использование аккумулятора невозможно или нежелательно. Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве, содержащем генератор с самовозбуждением, выпрямитель, сглаживающий фильтр, нагрузку, шунтированную диодом в обратном направлении, источник стабилизированных напряжений, частотный детектор, выход сглаживающего фильтра связан со входом регулятора напряжения генератора, выход которого подключен к управляющему входу первого ключевого элемента, выход которого выполнен в виде транзистора, включенного между выходом сглаживающего фильтра выпрямленного напряжения генератора и обмоткой возбуждения генератора, шунтированной диодом в обратном направлении, к выходу сглаживающего фильтра подключен вход первого порогового элемента, первый выход которого связан с управляющим входом второго ключевого элемента, выходной элемент которого выполнен в виде нормально замкнутого контакта реле, шунтирующего транзистор первого ключевого элемента, а второй выход первого порогового элемента связан с первым управляющим входом третьего ключевого элемента, включенного между выходом сглаживающего фильтра и нагрузкой, выход частотного детектора связан со входом гистерезисного порогового элемента, выход которого подключен ко второму управляющему входу третьего ключевого элемента. Технический результат - обеспечивает самовозбуждение генератора, отключение нагрузки в процессе самовозбуждения, стабилизацию напряжения на нагрузке без применения аккумулятора. 1 ил.
Изобретение относится к области источников напряжения питания устройств автоматики транспортных средств и может быть использовано в автомобилестроении и в судостроении для питания средств автоматики транспортируемого устройства, в которых использование аккумулятора невозможно или нежелательно.
Известны, например:
- Регулятор напряжения автомобильного генератора переменного тока, содержащий пороговое устройство на стабилитроне и два полупроводниковых усилителя постоянного тока, к выходу первого из которых подключена обмотка возбуждения генератора, зашунтированная диодом в обратном направлении, а к выходу второго - контрольная лампа, к выходу первого полупроводникового усилителя постоянного тока подключен частотный детектор, выход которого соединен со входом второго полупроводникового усилителя постоянного тока. Номер публикации 569264. Дата публикации 2005.09.27. Регистрационный номер заявки 2184762/07. Дата подачи заявки 1975.10.28. Дата публикации формулы изобретения 2005.09.27.
- Регулятор напряжения автомобильного генератора с защитой от сброса нагрузки, относящийся к автомобилестроению, в частности к устройствам защиты автомобильной электроники от перенапряжений, возникающих в бортовой сети автомобиля, например, при сбросе нагрузки, содержащий измерительный орган, регулирующее устройство, составляющие собственно регулятор напряжения, а также пороговое устройство, чувствительное к сбросу нагрузки в бортовой сети автомобиля, электронный ключ, управляемый пороговым устройством, и поглотитель энергии переходного состояния обмотки возбуждения, составляющие устройство защиты. Поглотитель энергии переходного состояния обмотки возбуждения выполнен в виде резистора. Номер публикации 94027949. Дата публикации 1997.05.20. Регистрационный номер заявки 94027949/07. Дата подачи заявки 1994.07.25. Дата публикации заявки 1997.05.20.
- Способ и устройство компенсации ошибки регулирования на выходе генератора автомобиля при работе регулятора напряжения от дополнительного выпрямителя обмотки возбуждения генератора, содержащее генератор автомобиля, регулятор напряжения и дополнительный выпрямитель обмотки возбуждения генератора. Номер публикации 940028957. Дата публикации 1996.09.10. Регистрационный номер заявки 94028957/07. Дата подачи заявки 1994.08.09. Дата публикации заявки 1996.09.10.
- Устройство управления напряжением автомобильного генератора переменного тока, выбранное в качестве прототипа, предназначенное для применения в автомобильном транспорте, в частности, для автоматического поддержания напряжения на зажимах автомобильного генератора переменного тока в заданных пределах, задачей которого является изменение выходного напряжения генератора устройства в зависимости от температуры аккумулятора, то есть при изменении температуры аккумулятора изменяется напряжение на выходе генератора. Устройство содержит первый транзистор, первый резистор, первый стабилитрон, второй резистор, третий переменный резистор, второй транзистор, четвертый резистор, пятый резистор, третий транзистор, шестой резистор, седьмой резистор, диод, четвертый транзистор, генератор, выключатель, первую входную клемму, являющуюся входом устройства, первую выходную клемму, являющуюся выходом устройства, вторую входную клемму, являющуюся входом устройства, источник питания - аккумулятор, общий провод, соединенный с отрицательным выводом источника питания, с отрицательным выводом генератора, с одним из выводов его обмотки возбуждения, с анодом диода, с эмиттером третьего транзистора, эмиттером второго транзистора, с одним из выводов второго резистора, с одним из выводов третьего переменного резистора, с одной из обкладок конденсатора, причем коллектор первого транзистора соединен с одним выводом первого резистора и одним из выводов пятого резистора, другой вывод первого резистора соединен с катодом первого стабилитрона, со вторым выводом третьего переменного резистора, со второй обкладкой конденсатора и средним выводом третьего переменного резистора, анод первого стабилитрона соединен с вторым выводом второго резистора и базой второго транзистора, коллектор второго транзистора соединен с вторым выводом пятнадцатого резистора и с базой третьего транзистора, коллектор которого соединен с одним из выводов шестого резистора, другой вывод которого соединен с одним из выводов седьмого резистора и с базой четвертого транзистора, другой вывод которого соединен с эмиттером четвертого транзистора и с первой входной клеммой, соединенной через выключатель с положительным выводом генератора и с положительным выводом источника питания, коллектор четвертого транзистора соединен с катодом диода и через первую выходную клемму со вторым выводом обмотки возбуждения генератора, вторая входная клемма соединена с вторым выводом четвертого резистора, с эмиттером первого транзистора. Номер публикации 95107101, дата публикации 1997.01.20. Регистрационный номер заявки 95107101/07. Дата подачи заявки 1995.05.03. Дата публикации заявки 1997.01.20.
Как аналоги, так и прототип предназначены для работы автомобильного генератора с аккумулятором и поэтому имеют следующие недостатки по сравнению с предлагаемым устройством:
1. Не предусматривают самовозбуждение генератора без аккумулятора.
2. Не обеспечивают отключение нагрузки в процессе самовозбуждения генератора и в диапазоне низких скоростей вращения ротора генератора, когда напряжение генератора уменьшается (приблизительно в 2 раза) при включении нагрузки.
3. Не обеспечивают стабильного напряжения на нагрузке генератора без аккумулятора в диапазоне повышенных скоростей из-за уменьшения скорости вращения ротора генератора при включении нагрузки.
Целью предлагаемого устройства является устранение указанных недостатков аналогов и прототипа, которая осуществляется за счет того, что в устройстве, содержащем генератор с самовозбуждением, выпрямитель, сглаживающий фильтр, нагрузку, шунтированную диодом в обратном направлении, источник стабилизированных напряжений, частотный детектор, выход сглаживающего фильтра связан со входом регулятора напряжения генератора, выход которого подключен к управляющему входу первого ключевого элемента, выход которого выполнен в виде транзистора, включенного между выходом сглаживающего фильтра выпрямленного напряжения генератора и обмоткой возбуждения генератора, шунтированной диодом в обратном направлении, к выходу сглаживающего фильтра подключен вход первого порогового элемента, первый выход которого связан с управляющим входом второго ключевого элемента, выходной элемент которого выполнен в виде нормально замкнутого контакта реле, шунтирующего транзистор первого ключевого элемента, а второй выход первого порогового элемента связан с первым управляющим входом третьего ключевого элемента, включенного между выходом сглаживающего фильтра и нагрузкой, выход частотного детектора связан со входом гистерезисного порогового элемента, выход которого подключен ко второму управляющему входу третьего ключевого элемента.
Благодаря такому схемному решению становится возможным:
- самовозбуждение генератора без аккумулятора;
- включение нагрузки при повышенных скоростях вращения генератора, при которых на стабильность напряжения нагрузки не влияют уменьшение напряжения генератора (приблизительно в 2 раза) и скорости вращения ротора генератора при подключении нагрузки (до 20%);
- устранение автоколебаний за счет установки соответствующего значения гистерезиса по частоте в частотном канале включения нагрузки.
На чертеже приведена функциональная схема устройства стабилизации напряжения питания устройств автоматики транспортного средства.
Предлагаемое устройство содержит генератор 1 с самовозбуждением, выпрямитель 2, сглаживающий фильтр 3, нагрузку 4, шунтированную диодом в обратном направлении, источник стабилизированных напряжений 5, частотный детектор 6, выход сглаживающего фильтра связан со входом регулятора напряжения генератора 7, выход которого подключен к управляющему входу первого ключевого элемента 8, выход которого выполнен в виде транзистора, включенного между выходом сглаживающего фильтра 3 выпрямленного напряжения генератора и обмоткой возбуждения генератора OB, шунтированной диодом в обратном направлении, к выходу сглаживающего фильтра подключен вход первого порогового элемента 9, первый выход которого связан с управляющим входом второго ключевого элемента 10, выходной элемент которого выполнен в виде нормально замкнутого контакта реле, шунтирующего транзистор первого ключевого элемента 8, а второй выход первого порогового элемента 9 связан с первым управляющим входом третьего ключевого элемента 11, включенного между выходом сглаживающего фильтра 3 и нагрузкой 4, выход частотного детектора связан со входом гистерезисного порогового элемента 12, выход которого подключен ко второму управляющему входу третьего ключевого элемента 11.
Устройство работает следующим образом.
Первый пороговый элемент (по напряжению) (поз.9) выполняет две задачи:
- Шунтирование контактом реле второго ключевого элемента (поз.10) транзистора первого полупроводникового ключа (поз.8) при низких скоростях вращения, иначе при использовании транзистора MOSFET в составе первого ключа (поз.8) генератор не возбуждается;
- Обеспечивает отключение нагрузки в диапазоне низких скоростей вращения, когда частотный детектор не может обеспечить требуемого подавления низкочастотных пульсаций.
Для устранения уменьшения напряжения при включении нагрузки на низких скоростях вращения генератора нагрузка включается цепочкой, состоящей из частотного детектора 6, гистерезисного порогового элемента 12 и третьего ключевого элемента 11, при скорости вращения генератора, которой соответствует напряжение на выходе генератора, больше номинального на величину уменьшения напряжения при включении нагрузки плюс провал по частоте вращения ротора генератора при включении нагрузки.
Для устранения автоколебаний из-за уменьшения скорости вращения ротора генератора при включении нагрузки устанавливается величина гистерезиса порогового элемента 12 порядка 20%.
Таким образом, величина напряжения на выходе частотного детектора 6, которой соответствует включение нагрузки, должна соответствовать превышению скорости вращения ротора генератора, при котором перекрывается влияние уменьшения напряжения на выходе генератора и скорости вращения ротора генератора при включении нагрузки.
При увеличении скорости устройства - движителя увеличивается скорость вращения ротора генератора (поз.1), начиная с нуля. При этом первый ключевой элемент (поз.8), выходной элемент которого реализован на транзисторе MOSFET, шунтирован вторым нормально замкнутым ключевым элементом (поз.10), выходной элемент которого реализован на электромагнитном реле, а третий ключевой элемент (поз.11) разомкнут, так как сигналы на выходе первого порогового элемента (поз.9) и на выходе гистерезисного порогового элемента (поз.12) отсутствуют. Поэтому нагрузка обесточена.
В процессе увеличения скорости вращения ротора генератора и соответственно напряжения на зажимах генератора до значения, равного приблизительно 0,8Uн, первый пороговый элемент (поз.9) срабатывает, второй ключевой элемент (поз.10) размыкается и расшунтирует первый ключевой элемент (поз.8) - выходной транзистор регулятора напряжения. Регулятор напряжения начинает работать и стабилизирует напряжение на выходе генератора за счет регулирования тока в обмотке возбуждения (OB) генератора (поз.1). Одновременно с выхода первого порогового элемента (поз.9) поступает сигнал разрешения включения на вход управления третьего ключевого элемента (поз.11), подготавливая его к включению, но не включая, так как для включения третьего ключевого элемента нужен еще сигнал включения с выхода гистерезисного порогового элемента (поз.12).
Когда частота напряжения генератора достигнет значения, соответствующего такому превышению напряжения над номинальным, что его достаточно для компенсации провала напряжения генератора и его частоты вращения при подключении нагрузки (поз.4), срабатывает гистерезисный пороговый элемент (поз.12) и подает сигнал включения на третий ключевой элемент (поз.11), который подключает нагрузку (поз.4) к выходу сглаживающего фильтра (поз.3) выпрямленного напряжения генератора (поз.1). При этом регулятор напряжения генератора (поз.7) обеспечивает номинальное напряжение на обмотке возбуждения генератора и нагрузке. Гистерезисный пороговый элемент обеспечивает отсутствие автоколебаний в момент включения нагрузки.
При уменьшении скорости вращения ротора генератора нагрузка отключается при значении частоты напряжения генератора, соответствующем гистерезисной характеристике гистерезисного порогового элемента. Таким образом, нагрузка подключается к выходу сглаживающего фильтра только тогда, когда стабилизированное напряжение соответствует номинальному с небольшим отклонением на допуск.
Устройство стабилизации напряжения питания устройств автоматики транспортного средства, содержащее генератор с самовозбуждением, выпрямитель, сглаживающий фильтр, нагрузку, шунтированную диодом в обратном направлении, источник стабилизированных напряжений, частотный детектор, выход сглаживающего фильтра связан со входом регулятора напряжения генератора, выход которого подключен к управляющему входу первого ключевого элемента, выход которого выполнен в виде транзистора, включенного между выходом сглаживающего фильтра выпрямленного напряжения генератора и обмоткой возбуждения генератора, шунтированной диодом в обратном направлении, к выходу сглаживающего фильтра подключен вход первого порогового элемента, первый выход которого связан с управляющим входом второго ключевого элемента, выходной элемент которого выполнен в виде нормально замкнутого контакта реле, шунтирующего транзистор первого ключевого элемента, а второй выход первого порогового элемента связан с первым управляющим входом третьего ключевого элемента, включенного между выходом сглаживающего фильтра и нагрузкой, выход частотного детектора связан со входом гистерезисного порогового элемента, выход которого подключен ко второму управляющему входу третьего ключевого элемента.
